基于HeraclesⅡ超快速氣相電子鼻的牛膝種子快速鑒別研究

王鑫源， 董誠明， 李 曼， 楊朝帆

(河南中醫(yī)藥大學(xué)， 鄭州 450046)

牛膝(AchyranthesbidentataB1.)為莧科牛膝屬多年生草本植物，以干燥根入藥[1]。主產(chǎn)于我國河南溫縣、武陟等地，在漢代被收載于《神農(nóng)本草經(jīng)》[2]。牛膝種子根據(jù)繁殖方式不同分秋子和蔓苔子，秋子在種植后經(jīng)濟效益較為可觀[3]。但秋子生產(chǎn)費時費力，價格昂貴，因此秋子和蔓苔子混用嚴(yán)重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙赤峰、河北安國牛膝的繁殖方式均是蔓苔子繁殖，只有河南焦作地區(qū)部分農(nóng)戶保留著秋子繁殖方式，且行業(yè)中牛膝種子來源不一，混雜嚴(yán)重。

超快速氣相色譜電子鼻已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，在實際生產(chǎn)中電子鼻可用于建立產(chǎn)品質(zhì)量控制模型，實現(xiàn)對產(chǎn)品品質(zhì)的快速有效監(jiān)控，近年來逐漸應(yīng)用于中藥材的質(zhì)量評價，在中藥行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。本研究通過電子鼻對不同來源牛膝種子的氣味進行檢驗和區(qū)分，以期通過該技術(shù)客觀描述牛膝種子揮發(fā)性化合物的差異,為其鑒別研究提供一定參考。

1 材 料

1.1 實驗材料

樣品分別來自河南溫縣、河南武陟、內(nèi)蒙赤峰、河北安國等地，經(jīng)由河南中醫(yī)藥大學(xué)董誠明教授鑒定為莧科植物牛膝(AchyranthesbidentataBl.)種子。清洗干凈后，于4 ℃儲藏柜中貯存?zhèn)溆谩悠沸畔⒁姳?。

表1 牛膝種子采集信息

1.2 實驗儀器

超快速氣相色譜電子鼻(HeraclesⅡ)(法國 Alpha MOS公司)；非極性色譜柱MXT-5(法國 Alpha MOS公司)；弱極性色譜柱MXT-1701(法國 Alpha MOS公司)。

2 實驗方法

2.1 樣品準(zhǔn)備

精密稱取牛膝種子1.0 g于10 mL電子鼻專用頂空瓶，用PTFE隔墊密封，放于自動進樣裝置上，待檢。

2.2 分析條件與方法

利用前期優(yōu)化后的方法及參數(shù)(見表2)，采用超快速氣相色譜電子鼻進行測定分析，每個樣品重復(fù)3次。Alpha Soft V 14.2軟件進行數(shù)據(jù)分析，nC6～nC16正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液進行校準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析(PCA)

圖1為不同產(chǎn)地、不同類型牛膝種子的主成分分析圖。由圖1可知，PCA區(qū)分指數(shù)(Discrimination Index，DI)為 88，區(qū)分指數(shù)框為綠色，表明區(qū)分有效。第一PCA(PC 1)的累積貢獻率為69.423%，第一PCA(PC 1)和第二PCA(PC 2)的累積貢獻率之和為82.425%，表明牛膝不同炮制品氣味的差異主要由PC 1決定。DI是電子鼻區(qū)分樣品程度的表征，DI的最大值為100；80～100表明有效區(qū)分，其值越大，區(qū)分越好[4]。

圖1 牛膝種子主成分分析

表2 牛膝種子氣味檢驗參數(shù)

表3為樣品氣味兩兩間相對距離表。樣品間的相對距離越近，則整體氣味越接近，反之亦然。由表3可知，溫縣秋子與溫縣蔓苔子的相對距離最近(37 856.68)，其次是武陟秋子與武陟蔓苔子(48 654.46)，秋子與蔓苔子是牛膝的2種不同繁殖類型的種子，其整體氣味較相近，符合實際生產(chǎn)規(guī)律。而河北安國與武陟秋子相對距離最遠(yuǎn)(171 160.05)，即其氣味與武陟秋子差異最大。

3.2 物質(zhì)定性分析

用AroChemBase數(shù)據(jù)庫對樣品中的揮發(fā)性化合物進行定性分析，其可能含有的化合物如表4所示。由表4可知，不同牛膝種子樣品的揮發(fā)性氣味化合物在含量上存在差異。牛膝種子中揮發(fā)性化合物ethanol平均含量最高，峰面積范圍為59 819～170 683；揮發(fā)性化合物(E)-2-hexenal平均含量最低，峰面積范圍為567～1 185。武陟秋子和蔓苔子的揮發(fā)性氣味化合物在含量上較為接近，溫縣秋子和蔓苔子的揮發(fā)性氣味化合物在含量上也較為接近，說明秋子與蔓苔子的揮發(fā)性氣味化合物較為相似。不同來源牛膝種子的氣味化合物含量差異較大，證明 Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻能夠快速準(zhǔn)確地識別出不同來源牛膝種子之間的差異，為牛膝種子檢測提供了新技術(shù)。

表4 物質(zhì)定性及相對含量

表3 牛膝種子氣味間相對距離

3.3 判別因子分析

對不同產(chǎn)地、不同類型的牛膝種子進行判別因子分析，結(jié)果如圖2所示，6種樣品均能被較好地區(qū)分。武陟秋子與武陟蔓苔子較相近，二者區(qū)分效果較差。

圖2 不同產(chǎn)地、不同類型牛膝種子的判別因子分析

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判別因子分析常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫，再對未知樣品進行定性判別，確定未知樣品的信息。鑒定未知樣品不僅能夠投影單個樣品，也能夠?qū)⒍鄠€樣品作為一個數(shù)據(jù)庫進行投影。判別因子分析法建立的模型可以用來鑒定樣品的品種、真?zhèn)魏彤a(chǎn)地等。選擇未進行分析的樣品數(shù)據(jù)進行投影鑒定，鑒定結(jié)果見圖3、表5。

圖3 判別因子模型鑒定樣品結(jié)果

表5 判別因子模型鑒定樣品

未知樣品分別為屬于河北安國樣品組的河北安國X、河北安國Y及屬于河南溫縣蔓苔子樣品組的河南溫縣蔓苔子X、河南溫縣蔓苔子Y。由此可知判別因子模型為有效模型，可用于不同產(chǎn)地牛膝種子的區(qū)分，使PCA結(jié)果得到進一步驗證。

3.4 軟獨立建模分析(SIMCA)

SIMCA是一種定性分析手段，用于簡單的判別，能夠給出好或壞，合格或不合格的分析結(jié)果，并通過逐個驗證樣本的交叉有效性來計算識別百分比[7]。以不同牛膝種子樣品為研究對象，假設(shè)其為品質(zhì)不同的樣品，河北安國樣品為合格樣品，對6種牛膝種子樣品進行SIMCA分析。

圖4為6種牛膝種子樣品的SIMCA分析結(jié)果，將河北安國樣品為參考樣，其他樣品為未知樣，圖中藍(lán)色部分代表可接受區(qū)域。由圖4可知，其他樣品均落在藍(lán)色區(qū)域外，即不被河北安國樣品接受，說明其他樣品不屬于河北安國樣品氣味合格范圍內(nèi)。說明SIMCA為有效模型，可用于不同產(chǎn)地牛膝種子的區(qū)分。

圖4 6種牛膝種子樣品的SIMCA分析

4 討論與結(jié)論

Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻技術(shù)是一種新穎的氣味分析技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[5-6]。本實驗以牛膝種子為研究對象，關(guān)注種植中種子資源混雜問題，為種子基源快速鑒定提供一個可行辦法。Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻根據(jù)Kovats保留指數(shù)定性，在Arochembase數(shù)據(jù)庫中對不同產(chǎn)地牛膝種子進行定性分析，并通過化學(xué)計量學(xué)方法實現(xiàn)氣味差異分析;實現(xiàn)了對不同來源牛膝種子的快速鑒別，與傳統(tǒng)鑒別方法相比更加快速方便，為中藥材種子資源檢測提供了新思路。