近紅外光譜技術(shù)在人參定性、定量和在線檢測(cè)分析中的應(yīng)用

劉宏群 孫長(zhǎng)波 曲正義

中圖分類號(hào) R927 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1001-0408（2018）13-1855-04

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2018.13.30

摘 要 目的：為人參藥材的鑒別檢驗(yàn)和人參制品的研發(fā)提供參考。方法：以“人參”“近紅外光譜”“Ginseng”“Near-infrared spectrometry”“NIRS”等為關(guān)鍵詞，組合查詢1990年1月-2018年3月在中國(guó)知網(wǎng)、萬方、維普、PubMed、Elsevier等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)近紅外光譜技術(shù)在人參定性分析、定量分析和在線檢測(cè)分析方面的研究進(jìn)行論述。結(jié)果與結(jié)論：共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)323篇，其中有效文獻(xiàn)44篇。近紅外光譜技術(shù)用于人參定性分析，可以鑒別人參藥材的真?zhèn)魏偷赖匦?，?guī)范人參藥材市場(chǎng)；用于人參主成分定量分析，不損壞樣品，精確度高，分析速度快；用于人參生產(chǎn)過程在線檢測(cè)，可提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)中間過程的可控性，有利于人參制品質(zhì)量的均一性，增強(qiáng)人參制品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。與外觀鑒別、顯微鑒別、理化鑒別、色譜法等傳統(tǒng)分析方法比較，近紅外光譜技術(shù)具有快速、綠色、不破壞樣品、能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。但在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上，還有許多問題需要解決，如采集樣品的代表性、樣品數(shù)量的選擇、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和相應(yīng)軟件的選擇與開發(fā)、如何降低分析過程中的各種影響因素、如何減少對(duì)近紅外光譜的干擾，以及近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于人參定性、定量和在線檢測(cè)分析方面標(biāo)準(zhǔn)化不完善等問題。今后可從不斷提高近紅外光譜分析儀器性能、優(yōu)化相關(guān)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法及完善近紅外光譜技術(shù)在人參分析中的標(biāo)準(zhǔn)化方面入手深入研究。

關(guān)鍵詞 近紅外光譜；人參；定性分析；定量分析；在線檢測(cè)分析

人參為五加科人參屬植物人參（Panax ginseng C.A.Mey.）的干燥根和根莖[1]，是歷史悠久的名貴中藥之一，在《神農(nóng)本草經(jīng)》中被列為上品。二千多年來，人參一直作為民間延年益壽的珍品，藥用價(jià)值已為世界所公認(rèn)。人參中含有皂苷類、糖類、揮發(fā)性成分、甾醇及其苷類等成分，具有抗衰老、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫等多種藥理活性[2-4]。隨著2012 年原衛(wèi)生部批準(zhǔn)人參（人工種植）作為新資源食品[5]，對(duì)人參的研究也越來越深入。目前，對(duì)人參定性及定量的分析方法主要有高效液相色譜（HPLC）法、薄層色譜 （TLC）法、質(zhì)譜（MS）法、近紅外光譜（NIRS）法、分光光度（SP）法以及氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用分析技術(shù)等[6]。由于NIRS具有綠色環(huán)保、無需破壞樣品、檢測(cè)速度快、可實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量控制等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，在食品[9]、化工[10]、藥品[11]、農(nóng)業(yè)[12]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，NIRS在人參及其炮制品的定性、定量分析及在線檢測(cè)方面也得到了廣泛的應(yīng)用，有效解決了在人參定性及定量檢測(cè)中存在的試劑污染、樣品破壞、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和不能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等弊端，但是目前還存在建模的覆蓋面不廣及相關(guān)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法如何選擇和優(yōu)化等問題。筆者以“人參”“近紅外光譜”“Ginseng”“Near-infrared spectrometry”“NIRS”等為關(guān)鍵詞，組合查詢1990年1月-2018年3月在中國(guó)知網(wǎng)、萬方、維普、PubMed、Elsevier等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)。結(jié)果，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)323篇，其中有效文獻(xiàn)44篇。現(xiàn)對(duì)NIRS技術(shù)在人參定性分析、定量分析和在線檢測(cè)分析方面的研究進(jìn)行綜述，以期為人參的研發(fā)和檢驗(yàn)工作提供參考。

1 NIRS在人參定性分析中的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)的人參鑒別方法主要采用外觀鑒別[13]、顯微鑒別[14]、理化鑒別[15]、色譜法[16]等手段。外觀鑒別和顯微鑒別很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，受人為因素影響較大；理化鑒別專屬性較色譜法差，且對(duì)鑒別結(jié)果干擾嚴(yán)重；色譜法需對(duì)藥材進(jìn)行復(fù)雜的前處理，耗費(fèi)時(shí)間和試劑，也不適合人參的快速鑒定。而利用NIRS結(jié)合聚類分析（HCA）和判別分析法（DA）可以快速定性鑒別人參及其炮制品。

NIRS應(yīng)用于人參不同產(chǎn)地、不同種類、不同年限及不同部位的定性鑒別。王平等[17]采用基線校正、平滑、一階和二階微分等方法處理不同產(chǎn)地的人參NIRS，研究發(fā)現(xiàn)，由于道地性引起的光譜差異，得出NIRS可用于鑒別道地性中藥材人參的結(jié)論。毛建江等[18]采用NIRS，結(jié)合HCA對(duì)不同種類的人參種子進(jìn)行了定性分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的人參種子被準(zhǔn)確歸類，得出NIRS能夠簡(jiǎn)單、快速地對(duì)不同種類的人參種子進(jìn)行鑒別分析，具有一定的可靠性和實(shí)用性的結(jié)論。趙景輝等[19]采用近紅外漫反射積分球采集不同產(chǎn)地人參種子的NIRS圖，在12 000～4 000 cm-1間掃描，分辨率為8 cm-1，掃描64次，得到了24張NIRS圖。使用Bruker OPUS/CLUST和OPUS/IDENT軟件對(duì)得到的NIRS圖進(jìn)行聚類分析，并建立了定性模型。預(yù)處理方法為一階導(dǎo)數(shù)+矢量歸一法，光譜范圍為8 890.5～4 000 cm-1，研究發(fā)現(xiàn)NIRS結(jié)合HCA結(jié)果非常理想，得出NIRS結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地人參種子定性鑒別的結(jié)論。韓士冬等[20]采用Nicolet的Nexus6700 型傅里葉變換紅外光譜儀分別采集人參的蘆、須、體三個(gè)部位的原始NIRS。分析軟件為Nexus6700 配套的TQ analyst，使用QC compare 算法對(duì)野山參的生長(zhǎng)年份進(jìn)行鑒別。研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地、不同生長(zhǎng)期野山參不同部位光譜明顯不同，光譜呈規(guī)則曲線，得出NIRS結(jié)合分析軟件建立分析模塊，通過人參有效成分的化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，在不破壞人參外觀的前提下，可快速測(cè)定人參有效成分，鑒定人參的品質(zhì)，為野山參質(zhì)量快速檢測(cè)提了供新的途徑。武艷紅[21]采用NIRS，對(duì)三年生和六年生的人參周皮、韌皮部和木質(zhì)部不同位置樣品的NIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同年生的人參植株NIRS都獲得了很好的分類結(jié)果，三年生人參的周皮、韌皮部和木質(zhì)部清晰地分為三類，沒有任何交疊；六年生人參的周皮和木質(zhì)部也清晰地分為兩類，在兩個(gè)分類圖中，同一部位不同位置的變化也有較明顯的規(guī)律，得出NIRS在人參的差異性分析方面可以一定程度上替代HPLC的結(jié)論。

NIRS還可用于人參相近藥材的定性鑒別。王鋼力等[22]采用NIRS鑒別人參炮制品紅參及其偽品，采集了300份中國(guó)紅參及多種紅參偽品的近紅外漫反射光譜，掃描范圍為10 000～4 000 cm-1，掃描次數(shù)80次，分辨率8 cm-1，并使用DA對(duì)其進(jìn)行定性鑒別。研究發(fā)現(xiàn)，通過非入侵方式可獲得藥材的內(nèi)在成分信息，結(jié)合DA進(jìn)行分類，結(jié)果準(zhǔn)確可信，得出NIRS適合用于紅參類藥材的分類，能準(zhǔn)確地鑒別紅參及其主要偽品的結(jié)論。Woo YA等[23]采用NIRS并結(jié)合波長(zhǎng)距離法、殘差法、馬氏距離法、簇類獨(dú)立軟模式（SIMCA）法鑒別人參、黃芪和土茯苓3種藥材，研究發(fā)現(xiàn)，殘差法和SIMCA法能提供精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。隨后又采用SIMCA法分別將NIRS和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）法測(cè)定的各種無機(jī)元素含量數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)自中國(guó)和韓國(guó)的人參進(jìn)行了定性分類識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)，不同栽培區(qū)域的人參樣品中淀粉和10種無機(jī)元素的含量有很大的不同，得出NIRS結(jié)合SIMCA適用于栽培人參的定性分類識(shí)別的結(jié)論[24]。Mao JJ等[25]采用NIRS結(jié)合HCA對(duì)白參、西洋參、紅參和三七4種藥材進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，所有樣本均能正確歸類，與傳統(tǒng)的色譜法比較，NIRS具有簡(jiǎn)單、快速、不破壞樣品的特點(diǎn)。何淑華等[26]將NIRS與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，采用漫反射光學(xué)檢測(cè)方法，對(duì)吉林省產(chǎn)的人參及其炮制品紅參進(jìn)行分析，結(jié)合HCA獲得分類結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，紅參與人參明確地分為兩大類，因?yàn)榧t參是人參的炮制品，炮制過程導(dǎo)致主要化學(xué)成分的種類和含量出現(xiàn)較大差異，故紅參與人參差異較大；近紅外漫反射光譜聚類分析結(jié)果與形態(tài)學(xué)分類基本一致，得出NIRS在紅參與人參的鑒別中具有很好的重現(xiàn)性和可靠性的結(jié)論。劉荔荔等[27]采用NIRS結(jié)合偏最小二乘回歸（PLS）法建立了西洋參中是否摻入人參的鑒別方法。研究發(fā)現(xiàn)，NIRS中含有其不同成分含氫基團(tuán)的特征振動(dòng)信息，通過對(duì)光譜的分析，可以建立數(shù)學(xué)模型，用校正樣品集進(jìn)行內(nèi)部交叉驗(yàn)證及預(yù)測(cè)樣品集進(jìn)行外部驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明樣品真值與預(yù)測(cè)值之間相關(guān)性良好，得出NIRS結(jié)果可信，可用于鑒別西洋參中是否摻入人參的結(jié)論。黃亞偉等[28]直接采集聚乙烯袋裝的各種狀態(tài)人參和西洋參的NIRS，探討了包裝袋的光譜吸收特性，并在原始光譜中去除了包裝袋的顯著吸收峰，避免了包裝袋的影響。剩余的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理后，運(yùn)用移動(dòng)窗口偏最小二乘（MWPLS）法提取有效建模信息區(qū)間，分別建立了偏最小二乘差別分析（PLS-DA）法、PCA-DA和支持向量機(jī)法（SVM）判別模型，3種模型的預(yù)測(cè)總判別率分別為93.3%、96.7%、100%，說明SVM判別模型效果最好，可用于人參和西洋參的鑒別。王靈靈等[29]采用NIRS，從人參和西洋參的主根橫斷面入手，采集其橫斷面的NIRS，分別從物理結(jié)構(gòu)因素和化學(xué)因素方面對(duì)光譜進(jìn)行了分析，選定特定波段進(jìn)行物理因素主導(dǎo)建模、化學(xué)因素主導(dǎo)建模、理化因素綜合建模，并對(duì)3種建模結(jié)果進(jìn)行比較分析。研究發(fā)現(xiàn)，3種模型判別率都在96%以上，都能很好地滿足批量原材料快速檢測(cè)的需求，得出NIRS可準(zhǔn)確鑒別西洋參和人參的結(jié)論。

2 NIRS在人參定量分析中的應(yīng)用

在人參及其炮制品主成分（水分、總糖、皂苷）的定量分析中，NIRS結(jié)合多元散射校正（MSC）法可有效地剔除由于樣品顆粒度、裝填密度、濕度等物理因素所導(dǎo)致的散射影響，提高光譜的信噪比，得到了良好的效果和滿意的定標(biāo)結(jié)果[30-31]。在人參含水量的定量分析中，楊海雷等[32]采用NIRS，以傳統(tǒng)的干燥失重法為參照方法，應(yīng)用MSC進(jìn)行光譜預(yù)處理。以PLS建立近紅外光譜預(yù)測(cè)水分含量的校正模型，并將樣品近紅外光譜同標(biāo)準(zhǔn)光譜庫相比較，計(jì)算相似度匹配值，得出NIRS可對(duì)紅參進(jìn)行水分含量檢測(cè)的結(jié)論。Ren GX等[33]采用NIRS，光譜預(yù)處理方法為一階導(dǎo)數(shù)和MSC，對(duì)熱風(fēng)干燥或冷凍干燥制成的白參和紅參進(jìn)行了含水量測(cè)定，并用對(duì)流干燥法做參照方法。研究發(fā)現(xiàn)，兩種方法具有高度的相關(guān)性（R2=0.998），且差異不顯著，得出NIRS可以精確測(cè)定人參相關(guān)炮制品含水量的結(jié)論。在人參總糖NIRS定量分析中，蘆永軍等[34]采用NIRS結(jié)合PLS對(duì)人參總糖進(jìn)行了定標(biāo)建模分析。研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)所給出的分析精度可以與傳統(tǒng)化學(xué)分析方法相媲美，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為1.9%，相關(guān)系數(shù)為0.951 7。在人參皂苷近紅外光譜定量分析中，蘆永軍等[35]對(duì)人參的原始漫反射吸收光譜采用二階導(dǎo)數(shù)、MSC等多種光譜解析手段，研究了人參中的主要成分總皂苷的光譜吸收特性，并結(jié)合PLS對(duì)人參總皂苷進(jìn)行了定標(biāo)建模分析。研究發(fā)現(xiàn)，該方法分析結(jié)果精度高，定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為0.154%，相關(guān)系數(shù)為0.982 8。張玉婷[36]采用NIRS和超高效液相色譜（UPLC）法測(cè)定人參提取物中8 種主要人參皂苷（Rg1、Re、Rf、Rb1、Rc、Rb2、Rb3、Rd）的含量，建立定量分析模型，得出NIRS可快速測(cè)定提取物樣品中主要人參皂苷含量的結(jié)論。汪靜靜[37]采用NIRS結(jié)合MSC處理原始光譜，采集了不同產(chǎn)地及不同年限人參樣品的NIRS，以PLS建立了人參樣品中人參皂苷含量預(yù)測(cè)模型及產(chǎn)地識(shí)別模型。研究發(fā)現(xiàn)，人參樣品中人參皂苷近紅外定量模型的交叉驗(yàn)證均方根差為0.115，預(yù)測(cè)均方根差為0.167，相關(guān)系數(shù)分別為0.947 7、0.915 3。產(chǎn)地識(shí)別模型判正率達(dá)90%，得出NIRS可用于不同產(chǎn)地及不同年限人參樣品中人參皂苷含量檢測(cè)及產(chǎn)地識(shí)別的結(jié)論。

3 NIRS在人參中有效成分含量在線檢測(cè)分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的人參及其制品定性、定量分析技術(shù)一般采用離線分析的手段，存在著分析結(jié)果滯后、分析方法不連續(xù)、單次測(cè)定成分或參數(shù)少的缺陷，NIRS可以克服以上缺點(diǎn)。光纖的運(yùn)用可同時(shí)在線監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線上多個(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提取、濃縮、純化等過程的在線分析[38]。

在人參制品紅參醇提液的濃縮過程中，配制濃縮液標(biāo)準(zhǔn)樣品，獲得其乙醇濃度和總皂苷濃度的參考值和NIRS，用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量方法和一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理光譜建立NIRS與濃度參考值之間的校正模型，并將模型用于在線分析紅參醇提液濃縮除醇過程。建立的NIRS校正模型能夠?qū)崟r(shí)測(cè)得紅參醇提液濃縮過程中濃縮液的乙醇和人參總皂苷的濃度，在線反映了濃縮過程的狀態(tài)[39]。高會(huì)芹等[40]采用NIRS光纖透射掃描，光譜范圍2 500～ 1 000 cm-1，分辨率1 cm-1，以空氣為空白，掃描次數(shù)16 次，1倍增益，建立了紅參提取液定量預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)，不同批次紅參提取液中人參皂苷含量變化基本相同，指數(shù)趨勢(shì)線變化基本相同，均漸低漸緩，且相同提取時(shí)間內(nèi)各成分含量相互間差異不大，得出在線NIRS技術(shù)經(jīng)方法學(xué)驗(yàn)證，可用于在線監(jiān)控紅參提取工藝的結(jié)論。王靜等[41]采用NIRS快速分析紅參乙醇回流提取過程，研究發(fā)現(xiàn)，利用一階導(dǎo)數(shù)和正交信號(hào)校正（OSC）法預(yù)處理NIRS，可剔除光譜中由于乙醇體積分?jǐn)?shù)變化帶來的干擾，得出NIRS作為一種快速、簡(jiǎn)便、無污染的分析方法，可用于中藥乙醇回流提取過程快速分析的結(jié)論。朱捷強(qiáng)等[42]采用NIRS建立了紅參提取過程中關(guān)鍵組分的定量模型。研究發(fā)現(xiàn)，以紅參提取一階動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合定量模型建立提取過程趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，該模型顯示趨勢(shì)預(yù)測(cè)性能良好，具有較高的精度，能實(shí)現(xiàn)快速在線檢測(cè)功能，所建立的全過程提取動(dòng)力學(xué)方程與實(shí)際提取過程趨勢(shì)較為契合，能夠滿足預(yù)測(cè)需求。

在人參原材料及提取物的NIRS在線檢測(cè)中，張瑞等[43]采用比色法和近紅外漫反射、液體透射在線檢測(cè)技術(shù)，分別測(cè)定93 個(gè)不同產(chǎn)地、不同年生人參原材料固體樣品和558 個(gè)人參提取液樣品的有效成分含量和NIRS，結(jié)合PLS建立樣品有效成分含量與NIRS之間的數(shù)學(xué)模型。采用內(nèi)部交叉檢驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，內(nèi)部交叉檢驗(yàn)的決定系數(shù) R2>0.95，交叉檢驗(yàn)均方差（RMSECV）值分別為0.071 6 和0.032 7，相對(duì)分析誤差（RPD）分別為2.83 和3.97。研究發(fā)現(xiàn)，原材料、提取液檢驗(yàn)樣品NIRS測(cè)定結(jié)果與化學(xué)參考值之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，得出NIRS可在線檢測(cè)人參原材料、提取液樣品中有效成分含量的結(jié)論。劉樺等[44]采用NIRS，收集人參葉提取物的乙醇大孔樹脂洗脫液，采集其NIRS信息，并用已建立的HPLC法測(cè)定其中人參皂苷Rg1、Re、Rb1的含量，結(jié)合PLS建立上述3種成分及人參總皂苷的定量分析模型。研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)值和測(cè)定值的相關(guān)系數(shù)為0.992 8，平均預(yù)測(cè)回收率為100.52%，所建模型預(yù)測(cè)效果良好，得出NIRS可在線監(jiān)測(cè)人參葉皂苷類成分的大孔樹脂分離純化過程的結(jié)論。

4 結(jié)語

綜上所述，與外觀鑒別、顯微鑒別、理化鑒別、色譜法等傳統(tǒng)分析方法比較，NIRS在人參定性分析、定量分析和在線檢測(cè)分析中有顯著的優(yōu)勢(shì)。NIRS 用于人參定性分析，可以鑒別人參藥材的真?zhèn)魏偷赖匦?，?guī)范人參藥材市場(chǎng)；用于人參主成分定量分析，不損壞樣品，精確度高，分析速度快；用于人參制品生產(chǎn)過程在線檢測(cè)，可提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)中間過程的可控性，有利于人參制品質(zhì)量的均一性，增強(qiáng)人參產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上，還有許多問題需要解決，如采集樣品的代表性、樣品數(shù)量的選擇、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和相應(yīng)軟件的選擇與開發(fā)、降低分析過程中的各種影響因素、減少對(duì)NIRS的干擾，以及NIRS應(yīng)用于人參定性、定量和在線檢測(cè)分析方面標(biāo)準(zhǔn)化不完善等問題。今后可從不斷提高NIRS分析儀器性能、優(yōu)化相關(guān)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法及完善NIRS在人參分析中的標(biāo)準(zhǔn)化方面入手深入研究。

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（收稿日期：2018-04-02 修回日期：2018-05-09）

（編輯：余慶華）