基于投影尋蹤模型評(píng)價(jià)不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材質(zhì)量

趙澤軍，王希梅，文喜燕，郭玫，師霞，杜弢

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

基于投影尋蹤模型評(píng)價(jià)不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材質(zhì)量

趙澤軍，王希梅，文喜燕，郭玫，師霞，杜弢

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

目的 利用投影尋蹤模型對(duì)不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。方法 以甘肅產(chǎn)11份不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材為評(píng)價(jià)樣本，以板藍(lán)根中所含表告依春、尿苷、鳥苷、腺苷、苯甲酸、水楊酸、靛藍(lán)、靛玉紅、醇溶性浸出物含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合DPS V 9.50統(tǒng)計(jì)軟件構(gòu)建投影尋蹤模型，對(duì)藥材質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果 根據(jù)上述9個(gè)指標(biāo)對(duì)板藍(lán)根藥材進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，得到11份不同生態(tài)型的板藍(lán)根藥材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的順序：S2＞S1＞S9＞S7＞S8＞S3＞S5＞S10＞S11＞S4＞S6。結(jié)論 不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材質(zhì)量存在明顯差異，以石家莊四倍體板藍(lán)根質(zhì)量最優(yōu)。

生態(tài)型；板藍(lán)根；投影尋蹤；質(zhì)量評(píng)價(jià)

板藍(lán)根為十字花科植物菘藍(lán) Isatis indigotica Fort.的干燥根[1]，別名靛青根、藍(lán)靛根、靛根，通常在秋季進(jìn)行采挖，主產(chǎn)于內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、河北、山東、江蘇、浙江、安徽、貴州等地，其性寒，氣微，味微甜后苦澀，歸心、胃經(jīng)，具有清熱解毒、涼血消腫、利咽功效，主治外感發(fā)熱、溫病初起、咽喉腫痛[2]。

中藥作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，是中醫(yī)辨證施治的基礎(chǔ)，因此對(duì)中藥材的認(rèn)識(shí)、質(zhì)量控制以及評(píng)價(jià)顯得尤為重要。由于中藥自身“三多”（有效成分多、未知成分多、雜質(zhì)多）的特點(diǎn)，決定了中藥質(zhì)量的研究工作以及完整控制中藥質(zhì)量的多指標(biāo)性，故研究者通常選用多指標(biāo)來評(píng)價(jià)中藥材質(zhì)量，這樣既可以有效地避免單因素評(píng)價(jià)藥材質(zhì)量造成的片面性、局限性以及不相容性，也可以充分利用有用信息，使研究結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。投影尋蹤模型最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代末，主要用于分析處理非線性、非正態(tài)分布的高維數(shù)據(jù)，作為一種新興的統(tǒng)計(jì)方法用于聚類、多因素評(píng)價(jià)及優(yōu)選等方面，已在多個(gè)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在環(huán)境[3]、水利[4]、農(nóng)業(yè)[5]、建筑[6]等行業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，但在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用仍較少。目前，由于多種因素的影響，板藍(lán)根藥材品種退化，藥材質(zhì)量下降，不同地區(qū)間相互引種，以得到優(yōu)質(zhì)板藍(lán)根。本研究基于投影尋蹤模型，綜合評(píng)價(jià)板藍(lán)根藥材的質(zhì)量，為板藍(lán)根藥材質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供一種新的方法，以期為甘肅優(yōu)良板藍(lán)根的引種試驗(yàn)奠定一定的基礎(chǔ)。

1 原理及方法

1.1 投影尋蹤模型的原理

投影尋蹤的基本思想是將高維數(shù)據(jù)樣本經(jīng)過一定的組合過程投影到低維子空間中，對(duì)投影到的構(gòu)型，采用投影指標(biāo)函數(shù)來衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性，尋找使投影指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的投影向量，以分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征[7]。

1.2 投影尋蹤模型的建立方法

1.2.1 建立評(píng)價(jià)矩陣 設(shè)待評(píng)價(jià)樣本個(gè)數(shù)為m，指標(biāo)個(gè)數(shù)為n，故第m個(gè)樣本的第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值為χ*ij＝（i=1，2，……，m；j=1，2，……，n；），所以待評(píng)樣本的所有指標(biāo)數(shù)據(jù)可以用m×n的矩陣X*mn表示[8-10]。

1.2.2 數(shù)據(jù)無量綱化 由于各指標(biāo)的量綱可能不同，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，針對(duì)不同要求的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行不同的歸一化處理[8-10]。

對(duì)于指標(biāo)數(shù)據(jù)要求越大越好者，采用公式（2）處理：

對(duì)于指標(biāo)數(shù)據(jù)要求越小越好者，采用公式（3）處理：

式中χ*jmax、χ*jmin分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值，χij為歸一化后的各指標(biāo)數(shù)值。因此會(huì)得到一個(gè)新的矩陣，表示為：

1.2.3 線性投影 投影尋蹤方法就是最大程度地尋找能夠表現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的最佳投影方向，從而實(shí)現(xiàn)降維，其實(shí)質(zhì)是將m維歸一化后的數(shù)據(jù)χij（i＝1，2，……，m）按某一投影方向a＝（a1，a2，……，am）綜合成一維數(shù)值Zi：式中，a為單位長(zhǎng)度向量，Zi為樣本i的綜合線性投影特征值。

1.2.4 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù) 當(dāng)在綜合投影值時(shí)，要求投影值的區(qū)間分布特征應(yīng)為：整體上，各區(qū)間內(nèi)的樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)的投影值應(yīng)與其他區(qū)間的投影值盡可能散開；而在局部上，盡可能密集，最好凝聚成若干個(gè)值團(tuán)。因此，將n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行投影為一維時(shí)，投影指標(biāo)函數(shù)可用類間距離和類內(nèi)密度表示為：

式中，Q(a)為投影指標(biāo)函數(shù)；S(z)為綜合投影值Zi的標(biāo)準(zhǔn)差；D(z)為綜合投影值Zi的局部密度；Ez為綜合投影值Zi的平均值；R為局部密度窗口半徑，其取值要求使包含在窗口內(nèi)的投影點(diǎn)的平均個(gè)數(shù)不能太少，以避免滑動(dòng)平均偏差太大，又不能使它隨著樣本容量m的增大而增加太高，一般選取R＝0.1；rij＝Zi－Zj，為樣本之間的距離；ut為單位階躍函數(shù)，當(dāng)t＜0時(shí)其值為0，反之其值為1。

1.2.5 確定最佳投影指標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化投影方向 最佳投影方向的實(shí)質(zhì)是從不同角度去觀察分析數(shù)據(jù)，投影方向不同得到的值所代表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征是不一樣的，而最佳投影方向意味著能夠最大程度的暴露高維數(shù)據(jù)特征的方向矢量。由公式（5）可知，最佳投影方向使其所得值達(dá)到最大，因此，最佳投影方向的確定實(shí)質(zhì)是投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)取得最大值所對(duì)應(yīng)的投影方向。其中最大化目標(biāo)函數(shù)、約束條件分別見公式（9）（10）：

本研究采用DPSV9.50實(shí)現(xiàn)最佳投影方向的確定。

1.2.6 綜合分析 根據(jù)上述所得的最佳投影方向，可計(jì)算反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合信息的投影特征值Zi，以Zi的大小對(duì)樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到各樣本質(zhì)量的排列順序，以篩選出最佳樣本。

2 實(shí)例分析

2.1 樣本集來源

11份板藍(lán)根于2015年種在甘肅中醫(yī)藥大學(xué)和政縣種子種苗基地試驗(yàn)田，田間管理一致，外界壞境及影響因素相同，經(jīng)甘肅中醫(yī)藥大學(xué)杜弢教授鑒定為十字花科菘藍(lán)屬植物菘藍(lán)Isatis indigotica Fort.的根，樣品信息見表1，陰干后除去泥土等雜質(zhì)，粉碎，備用。

表1 板藍(lán)根樣品編號(hào)及來源

2.2 儀器與試劑

Agilent1100型高效液相色譜儀（美國(guó)安捷倫公司），KUDOSSK2200H超聲波清洗器（上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司），AL-106型電子分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司），HHS-2S型水浴鍋（上海宜昌儀器紗篩廠）。甲醇為色譜純；磷酸、鹽酸、乙醇均為分析純；水為娃哈哈純凈水。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

本研究選取2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》中板藍(lán)根項(xiàng)下[1]規(guī)定的醇浸出物及表告依春為基本指標(biāo)，其次參照文獻(xiàn)[11-18]選取腺苷、尿苷、鳥苷、靛藍(lán)、靛玉紅、水楊酸、苯甲酸為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以全面評(píng)價(jià)板藍(lán)根藥材質(zhì)量。

2.4 指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集

2.4.1 尿苷、鳥苷、腺苷、表告依春含量測(cè)定 精密稱取不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材粉末0.5 g，置100 mL具塞錐形瓶中，加入50 mL水，稱定質(zhì)量，超聲提取50 min，放冷，再次稱定質(zhì)量，用水補(bǔ)足減失的質(zhì)量，0.45 μm微孔濾膜過濾，作為供試品溶液。應(yīng)用HPLC測(cè)定含量[11-12]。

2.4.2 苯甲酸、水楊酸、靛藍(lán)、靛玉紅含量測(cè)定 取不同生態(tài)型板藍(lán)根藥材粉末5.0 g，置150 mL具塞錐形瓶中，加入氯仿80 mL，回流提取2 h，過濾，揮干溶劑，甲醇定容至5 mL容量瓶中，0.45 μm微孔濾膜過濾，作為供試品溶液。應(yīng)用HPLC測(cè)定含量[13-18]。

2.4.3 醇溶性浸出物含量測(cè)定 按2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》（一部）附錄醇溶性浸出物測(cè)定法項(xiàng)下熱浸法測(cè)定板藍(lán)根醇溶性浸出物含量。

2.4.4 指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果 采用HPLC測(cè)定表告依春（λ1）、尿苷（λ2）、鳥苷（λ3）、腺苷（λ4）、苯甲酸（λ5）、水楊酸（λ6）、靛藍(lán)（λ7）、靛玉紅（λ8）的含量，按2015年版《中華人民共和國(guó)藥典》（一部）附錄方法測(cè)定板藍(lán)根藥材中的醇溶性浸出物（λ9）的含量，結(jié)果見表2。

表2 板藍(lán)根藥材評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集

2.5 指標(biāo)數(shù)據(jù)的分析處理

根據(jù)公式（2）（3）對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，利用DPS V 9.50軟件，在“投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)”項(xiàng)下，選取密度閾值為0.10，得到最佳投影方向a*＝（0.126 8，0.050 8，0.010 9，0.016 5，0.212 9，0.356 3，0.687 5，0.658 9，0.086 5），根據(jù)公式（5）計(jì)算得到各樣本的投影值，結(jié)果見表3。其中，樣本投影值越大，表示該樣本綜合質(zhì)量較好。

表3 樣本投影值

3 討論

根據(jù)投影尋蹤模型及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得到樣本1～11號(hào)的投影值。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，得到11個(gè)樣本的質(zhì)量?jī)?yōu)劣排序?yàn)椋篠2＞S1＞S9＞S7＞S8＞S3＞S5＞S10＞S11＞S4＞S6。造成11份不同生態(tài)型板藍(lán)根樣本質(zhì)量差異的原因可能是由于板藍(lán)根在我國(guó)的栽培歷史悠久，具有廣大分布區(qū)的種，在不同生態(tài)環(huán)境和地理?xiàng)l件等因素的長(zhǎng)期選擇下，各個(gè)不同地區(qū)的居群很可能具有不同的基因型[19]，使不同種質(zhì)的板藍(lán)根品質(zhì)差異較大。此外，S1、S2號(hào)板藍(lán)根質(zhì)量（種子均采于河北石家莊）較其余板藍(lán)根藥材質(zhì)量較好，可考慮將其作為引種對(duì)象，這也印證了中藥道地性的科學(xué)性，而板藍(lán)根藥材的道地性和長(zhǎng)期自然環(huán)境選擇下出現(xiàn)的地方性特化基因型之間的相關(guān)性[20]有待進(jìn)一步研究，這對(duì)于板藍(lán)根道地性的考察和篩選優(yōu)質(zhì)板藍(lán)根藥材等工作具有非常重要的指導(dǎo)意義。

投影尋蹤模型將高維數(shù)據(jù)通過最佳投影方向轉(zhuǎn)變成一維數(shù)據(jù)，便于研究者直觀的從數(shù)據(jù)當(dāng)中得到結(jié)果，方法簡(jiǎn)單、易行，且為多指標(biāo)評(píng)價(jià)藥材質(zhì)量，使結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn)可靠。將投影尋蹤模型用于評(píng)價(jià)板藍(lán)根藥材質(zhì)量是行之有效的，能夠客觀、多層次、多角度地評(píng)價(jià)藥材質(zhì)量，給出藥材質(zhì)量?jī)?yōu)劣的順序，以篩選出優(yōu)質(zhì)板藍(lán)根。

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Quality Evaluation of Isatidis Radix from Different Ecotypes by Projection Pursuit Model

ZHAO Ze-jun,WANG Xi-mei,WEN Xi-yan,GUO Mei,SHI Xia,DU Tao
(Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000,China)

Objective To evaluate the quality of Isatidis Radix from different ecotypes by using projection pursuit model.Methods Totally 11 batches of Isatidis Radix from different ecotypes in Gansu Province were used as evaluation samples.With the contents of epigoitrin,uridine,guanosine,adenosine,benzoic acid,salicylic acid,indigo, indirubin,and alcohol extract as evaluating indexes,combined with projection pursuit model established by DPS V 9.50 statistics software,the quality of Isatidis Radix was evaluated.Results Based on the evalution of nine main indexes,quality order of the 11 batches of Isatidis Radix was acquired:S2>S1>S9>S7>S8>S3>S5>S10>S11>S4>S6. Conclusion The projection pursuit model was available for the quality evaluation of different ecotype Isatidis Radix. The quality of Isatidis Radix from different ecotypes is different significantly,and the quality of tetraploid Isatidis Radix of Shijiazhuang is the best.

ecotype;Isatidis Radix;projection pursuit;quality evaluation

10.3969/j.issn.1005-5304.2017.05.021

R284.1

：A

：1005-5304(2017)05-0091-04

2016-07-13）

（

2016-09-01；編輯：陳靜）

甘肅省中醫(yī)藥管理局科研立項(xiàng)課題（GZK-2015-5）

郭玫，E-mail：guomeig@sina.com