姜慧潔,章 越,慎凱峰,姜 艷,周丹英,趙洪靜
(1. 浙江省中藥研究所有限公司,浙江 杭州 310023;2. 國家市場監(jiān)督管理總局食品審評中心,北京 100070)
蜂膠收載于2020 年版《中國藥典》,為蜜蜂科昆蟲意大利蜂(Apis melliferaL.)工蜂釆集的植物樹脂與其上顎腺、蠟腺等分泌物混合而成的固體膠狀物,蜂膠乙醇提取物是用乙醇浸提蜂膠得到的物質(zhì)[1-2]。蜂膠中大量的黃酮和多酚類物質(zhì)與其生理活性密切相關(guān),建立蜂膠中黃酮和多酚類物質(zhì)的指紋圖譜方法是提高蜂膠質(zhì)量評價(jià)的重要手段[3-4]。研究蜂膠指紋圖譜的文獻(xiàn)大多采用270、280、310 nm或者其他單一波長作為檢測波長。由于黃酮、多酚等物質(zhì)的紫外吸收不一致,導(dǎo)致單波長指紋圖譜所包含的信息量不夠全面,不同指紋圖譜間的差異不明顯,相似度評價(jià)或化學(xué)模式識別不顯著[5-9]。
目前多波長融合技術(shù)是豐富指紋圖譜信息的一種重要手段,只有合理整合各波長下各色譜峰的吸收信息,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)辨識關(guān)鍵信息,才能準(zhǔn)確表征待測樣品的全組分質(zhì)量[10-12]。有的多波長融合技術(shù)為切波長技術(shù),即根據(jù)化學(xué)成分的不同保留時(shí)間選擇不同的檢測波長[13-15]。該方法增加了多組分下色譜峰的信息,但對方法保留時(shí)間的耐用性要求較高。有的多波長融合技術(shù)經(jīng)過權(quán)重法、均值法和投影參數(shù)法等數(shù)學(xué)方法整合各波長的信息,然后進(jìn)行綜合的差異評價(jià)[16-17]。有的多波長融合技術(shù)通過多個(gè)波長的數(shù)據(jù)處理,融合成一個(gè)新的指紋圖譜,再進(jìn)行差異評價(jià)。如許平翠、于洋等[18-19]在不同波長色譜圖上選擇指紋峰信號最大且峰數(shù)最多的區(qū)段,采用Matlab軟件進(jìn)行等基線波長融合。Zhang等[20]介紹的多波長指紋圖譜融合方案為設(shè)定主波長與次波長,若某個(gè)次波長的色譜峰峰面積大于主波長的,則次波長的色譜峰峰面積信息替換主波長的,形成新的峰面積棒狀色譜圖。該多波長融合的數(shù)據(jù)需人工處理,若指紋圖譜的色譜峰、檢測波長及樣品批次多,則數(shù)據(jù)處理過程較費(fèi)時(shí)。Yang、Yan、馬迪迪等[21-23]提出的多波長指紋圖譜融合方案需使用“中藥指紋超級信息特征數(shù)字化評價(jià)系統(tǒng)”軟件構(gòu)建一個(gè)新的指紋圖譜,該軟件屬于具有專利的收費(fèi)軟件,其他科研人員無法直接使用。上述文獻(xiàn)中對于多波長數(shù)據(jù)的融合處理較為繁瑣或需要特殊軟件,不利于融合指紋圖譜的推廣應(yīng)用。
本研究提出了一種可以簡化數(shù)據(jù)處理過程的多波長自動(dòng)融合指紋圖譜策略,并以蜂膠乙醇提取物為研究對象進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。通過超高效液相色譜(UPLC)技術(shù)采集蜂膠多個(gè)波長下的指紋圖譜信息,巧妙運(yùn)用“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”軟件,簡化了多波長數(shù)據(jù)融合的復(fù)雜處理過程,準(zhǔn)確生成多波長融合指紋圖譜,并進(jìn)一步通過相似度評價(jià)、主成分分析和聚類分析比較了不同廠家蜂膠的質(zhì)量差異。
超高效液相色譜儀(1260 Infinity II Prime LC,安捷倫公司);十萬分之一電子天平(XS105DU,梅特勒公司);萬分之一電子天平(ME204,梅特勒公司);數(shù)控超聲波清洗器(KQ-500,昆山市超聲儀器有限公司)。
15批中國蜂膠乙醇提取物分別來源于杭州天廚蜜源保健品有限公司、浙江福賜德天然蜂產(chǎn)品有限公司、浙江蜂之語蜂業(yè)集團(tuán)有限公司、浙江金童生物科技有限公司、浙江知元堂生物藥業(yè)有限公司,蜂膠原料均為楊樹屬,產(chǎn)地浙江(見表1)。蘆?。ㄅ?00080-202012,純度92.2%,下同)、槲皮素(100081-201610,99.1%)、山奈素(110861-201611,95.5%)、芹菜素(111901-202004,99.4%)、異鼠李素(110860-201611,99.8%)、綠原酸(110753-202119,96.3%)、阿魏酸(110773-201915,99.4%)、異阿魏酸(111698-201904,99.3%),購于中國食品藥品檢定研究院;楊梅素(PS001011,98.0%)、咖啡酸(PU1191-0025,98.0%)、ρ-香豆酸(PS1415-0100,98.0%)、3,4-二甲氧基肉桂酸(PS2514-1000,98.0%)、肉桂酸(PU0942-0050,98.9%)、咖啡酸苯乙酯(PS1444-0050,98.0%),購于成都普思生物科技股份有限公司;喬松素(MUST-17022604,純度99.52%)、白楊素(MUST-17040901,99.57%)、高良姜素(MUST-17020912,98.73%)、異綠原酸A(MUST-22110413,98.46%)、異綠原酸C(MUST-22081001,99.77%),購于成都曼思特生物有限公司。阿替匹林C(A26GB159041,97.0%),購于上海源葉生物科技有限公司;甲醇(色譜純,美國TEDIA);甲醇、磷酸(分析純,上海凌峰化學(xué)試劑有限公司);純凈水(杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司)。
表1 蜂膠樣品信息Table 1 Sample information of propolis
多波長自動(dòng)融合指紋圖譜策略的步驟包含:①UPLC分析方法的開發(fā);②多批次樣品的多波長檢測與數(shù)據(jù)收集;③多波長數(shù)據(jù)的自動(dòng)融合;④融合對照指紋圖譜的生成與相似度評價(jià);⑤多波長融合數(shù)據(jù)的化學(xué)模式識別。其中步驟③基于均值法,即A=(a1+a2+……an)/n,式中A為融合指紋圖譜中某個(gè)峰的峰面積,a為單波長指紋圖譜中某個(gè)峰的峰面積,n為檢測波長數(shù)量。僅通過運(yùn)用“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”軟件即可完成多波長數(shù)據(jù)的融合處理,且處理過程基本不受指紋圖譜復(fù)雜程度的影響。
1.3.1 蜂膠UPLC 指紋圖譜方法色譜條件與系統(tǒng)適用性試驗(yàn):以十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑(Agilent,Poroshell 120 EC-C18,3 mm×100 mm,2.7 μm);以甲醇(A)-0.2%磷酸水溶液(B)為流動(dòng)相,梯度洗脫:0~3 min,15%~25% A;3~13 min,25%~40% A;13~38 min,40%~48% A;38~45 min,48%~55% A;45~55 min,55%~75% A;55~60 min,75%~90% A;60~65 min,90%~15% A;流速為0.6 mL/min;柱溫為35 °C;檢測波長為220、245、270、320 nm。
供試品溶液的制備:取樣品0.25 g,精密稱定,置于25 mL容量瓶中,加入甲醇20 mL,超聲處理30 min(功率250 W,頻率40 kHz),放冷,用甲醇定容至刻度,搖勻,過濾,取續(xù)濾液,即得。
對照品溶液的制備:取蘆丁、楊梅素、槲皮素、山奈素、芹菜素、異鼠李素、喬松素、白楊素、高良姜素、綠原酸、咖啡酸、ρ-香豆酸、阿魏酸、異阿魏酸、異綠原酸A、3,4-二甲氧基肉桂酸、異綠原酸C、肉桂酸、咖啡酸苯乙酯、阿替匹林C 對照品適量,精密稱定,加甲醇制成質(zhì)量濃度依次為21.74、25.82、15.75、22.87、54.68、12.22、9.43、47.17、14.44、13.85、17.89、19.50、9.50、17.92、17.45、20.85、16.57、19.43、19.50、22.55 μg/mL的混合對照品溶液。
測定法:分別精密吸取供試品溶液與對照品溶液3 μL,注入液相色譜儀,測定,對色譜圖進(jìn)行積分處理,導(dǎo)出各樣品在220、245、270、320 nm波長處的AIA文件。
1.3.2 蜂膠多波長數(shù)據(jù)的自動(dòng)融合方法依次將每個(gè)樣品在4個(gè)波長處的AIA文件導(dǎo)入“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”(2012.130723 版本),參照圖譜為S1,對照圖譜生成方法為平均數(shù),時(shí)間窗寬度為0.1,全峰匹配生成多波長融合指紋圖譜,并單獨(dú)導(dǎo)出XScp 文件。指紋圖譜軟件自動(dòng)識別同一樣品不同波長下相同保留時(shí)間的色譜峰,多波長融合指紋圖譜中各色譜峰的保留時(shí)間即為原色譜峰的保留時(shí)間,各色譜峰的峰面積為多波長下峰面積加和的平均值,不同批次樣品的指紋圖譜在自動(dòng)融合時(shí)均遵循相同的處理規(guī)則。
1.3.3 多批次蜂膠多波長融合指紋圖譜的生成將收集的15 批蜂膠樣品按照上述方法測定,依次生成多波長融合指紋圖譜。將生成的15 批蜂膠多波長融合指紋圖譜XScp 文件重新導(dǎo)入“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”,生成多波長融合對照指紋圖譜。其中生成的融合對照指紋圖譜的保留時(shí)間即為多個(gè)融合指紋圖譜各色譜峰的保留時(shí)間加和平均值,峰面積即為多個(gè)融合指紋圖譜各色譜峰的峰面積加和平均值。
通過“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”、Excel軟件、SIMCA 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件,分別從共有色譜峰、相似度評價(jià)、主成分分析、聚類分析方面對蜂膠270 nm 波長指紋圖譜和多波長融合指紋圖譜進(jìn)行對比。
2.1.1 多波長的選擇依據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研考察了20種黃酮與酚酸類對照品,根據(jù)色譜峰的定性研究,蜂膠指紋圖譜中可定性14個(gè)共有峰,故測定了14個(gè)代表性黃酮、酚酸類成分的紫外吸收曲線,各成分的最大吸收值見表2。若選擇的檢測波長數(shù)量過多或存在不合適的波長,則經(jīng)過各個(gè)波長下同一個(gè)物質(zhì)色譜峰的加和平均后,色譜峰的峰面積偏小,差異性反而下降。蜂膠預(yù)實(shí)驗(yàn)的檢測波長為220、245、270、320、360 nm,但在數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)360 nm 下的成分較少,且此時(shí),這些成分在320 nm 波長下均有體現(xiàn),綜合考慮選擇220、245、270、320 nm這4個(gè)波長全面表征蜂膠成分信息。波段分布均勻且基本涵蓋了各成分的最大吸收值。
表2 各黃酮、酚酸類成分的最大紫外吸收情況Table 2 Maximum UV absorption of various flavonoids and phenolic acids
2.1.2 多波長融合指紋圖譜的生成單個(gè)蜂膠樣品的4個(gè)單波長指紋圖譜經(jīng)過軟件自動(dòng)融合形成1個(gè)多波長融合指紋圖譜(見圖1A)。相同方法處理后得到15批蜂膠樣品的多波長融合指紋圖譜(見圖1B)。
圖1 4個(gè)波長生成的融合指紋圖譜(A)以及15批蜂膠的多波長融合指紋圖譜(B)Fig. 1 Fusion fingerprint generated by wavelengths (A) and multi-wavelength fusion fingerprints of 15 batches of propolis (B)
2.1.3 多波長融合指紋圖譜的方法學(xué)考察由多波長融合對照指紋圖譜(圖2B)可以看出,8號峰峰面積大小適宜,分離效果較好,通過對照品對比定性為槲皮素,故選其作為參照峰用于計(jì)算相對保留時(shí)間與相對峰面積。取同一份蜂膠供試品溶液連續(xù)進(jìn)樣5 次,進(jìn)行精密度檢測。結(jié)果顯示融合共有色譜峰的相對保留時(shí)間的RSD 為0.02%~0.16%,相對峰面積的RSD 為0.56%~3.85%,表明液相檢測方法與融合圖譜生成方法的精密度較好。取同一份蜂膠供試品溶液,在0、4、8、12、24 h 進(jìn)行穩(wěn)定性檢測。經(jīng)計(jì)算融合共有色譜峰的相對保留時(shí)間的RSD 為0.04%~0.15%,相對峰面積的RSD 的為0.97%~4.67%,方法的穩(wěn)定性較好。取同一份蜂膠樣品,按照供試品溶液制備方法分別制備5份,依次進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示融合共有色譜峰的相對保留時(shí)間的RSD 為0.01%~0.13%,相對峰面積的RSD 為1.02%~4.39%,方法的重復(fù)性良好。
圖2 單波長對照指紋圖譜(A)、多波長融合對照指紋圖譜(B)與對照品色譜圖(C)Fig. 2 Single wavelength reference fingerprint(A),multi-wavelength fusion reference fingerprint(B),and reference chromatogram(C)
2.2.1 對比波長的選擇以蜂膠270 nm 單波長指紋圖譜與多波長融合指紋圖譜進(jìn)行對比,主要原因如下:2005 版《中國藥典》中蜂膠的含量測定為白楊素(268 nm)、高良姜素(268 nm)[24],2020版《中國藥典》為白楊素(270 nm)、高良姜素(270 nm),增加了喬松素(289 nm)、咖啡酸苯乙酯(329 nm)含量的測定[1]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中蜂膠多種成分含量測定或指紋圖譜的波長為280、360 nm[25-27]。知網(wǎng)文獻(xiàn)中蜂膠多種成分含量測定或指紋圖譜的波長為270、280、290、310 nm[5-9]。即黃酮成分的檢測波長傾向270、280 nm,酚酸成分的檢測波長傾向310、360 nm。表明前期蜂膠成分研究更側(cè)重于黃酮成分,且270 nm 檢測波長下蜂膠指紋圖譜的色譜峰信息較為全面,可作為與多波長融合指紋圖譜分析的對比圖譜。
2.2.2 共有色譜峰的對比蜂膠270 nm 單波長指紋圖譜研究中,15批樣品有33個(gè)共有色譜峰,其中峰面積大于500 的色譜峰19 個(gè),大于400 的25 個(gè),大于300 的29 個(gè),大于200 的32個(gè),選擇峰面積大于200 的32 個(gè)色譜峰為特征峰。蜂膠270 nm 單波長對照指紋圖譜含有32 個(gè)特征峰(表3),其中12 個(gè)特征峰可定性(見圖2A),特征峰的信息見表3。由表3 可知,特征峰保留時(shí)間的RSD 均小于1.00%,峰面積的RSD 為14.33%~113.62%,平均值為35.24%。
表3 蜂膠單波長對照指紋圖譜(270 nm)的特征峰信息Table 3 Characteristic peak information of propolis single wavelength reference fingerprint (270 nm)
蜂膠多波長融合指紋圖譜研究中,15批樣品共有的色譜峰有44個(gè),其中峰面積大于500的色譜峰22個(gè),大于400的26個(gè),大于300的27個(gè),大于200的33個(gè),選擇峰面積大于200的33個(gè)色譜峰為特征峰。這些特征峰中有14 個(gè)可定性(見圖2B、2C)。相比于270 nm 單波長,可定性的特征峰中增加了咖啡酸和阿魏酸特征峰。蜂膠多波長融合對照指紋圖譜的特征峰信息見表4,特征峰保留時(shí)間的RSD均小于1.00%,保留時(shí)間的差異較小,即建立的蜂膠融合指紋圖譜作為質(zhì)量控制方法具有科學(xué)性。特征峰峰面積的RSD 為14.39%~112.02%,平均值為37.94%,峰面積之間差異較大,說明不同廠家蜂膠之間的黃酮、酚酸等成分種類較相似,但含量存在差異。
表4 蜂膠多波長融合對照指紋圖譜的特征峰信息Table 4 Characteristic peak information of propolis multi-wavelength fusion reference fingerprint
2.2.3 相似度評價(jià)的對比對15批蜂膠的270 nm 單波長指紋圖譜和多波長融合指紋圖譜分別進(jìn)行相似度分析,結(jié)果見表5。15 批樣品單波長指紋圖譜的相似度較高,為0.928~0.997,其中S14、S15 的相似度相對較低。各融合指紋圖譜與對照指紋圖譜的相似度為0.902~0.994,與單波長相比,多個(gè)樣品的相似度均明顯下降,說明多波長融合指紋圖譜更能全面分析各批次之間的差異性。但各批次的相似度仍然較高,表明不同批次的蜂膠乙醇提取物表現(xiàn)出了良好的相似度,即浙江不同廠家產(chǎn)品的整體質(zhì)量較為穩(wěn)定,所含成分種類較為一致。
表5 蜂膠指紋圖譜的相似度評價(jià)結(jié)果Table 5 Similarity evaluation results of propolis fingerprint
2.2.4 主成分分析的對比以15批蜂膠270 nm單波長指紋圖譜中32個(gè)特征峰的峰面積為變量,輸入SIMCA 13.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行模型分析,將主成分?jǐn)?shù)量設(shè)置為3 時(shí),模型的R2X=0.901,Q2=0.757,即前3個(gè)成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)90.1%,模型擬合良好。進(jìn)一步進(jìn)行主成分分析(PCA),可將所峰膠樣品分為3 類(圖3A),一類是S4~S10,即廠家2 和廠家3;一類是S11~S13,即廠家4;一類是S1~S3 和S14~S15,即廠家1 和廠家5。同一類樣品的特征峰峰面積大小較接近。同一廠家不同批次的樣品基本穩(wěn)定,聚為一類;廠家2和廠家3的樣品較一致,無法區(qū)分。
圖3 單波長(A)與多波長(B)蜂膠指紋圖譜的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of single wavelength(A) and multi-wavelength(B) propolis fingerprint
(續(xù)表3)
以15批蜂膠融合指紋圖譜中33個(gè)特征峰的峰面積為變量進(jìn)行模型分析,主成分?jǐn)?shù)量設(shè)置為3,模型的R2X=0.923,Q2=0.790,前3 個(gè)成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.3%,模型擬合良好。主成分分析結(jié)果見圖3B,樣品可被分為4 類,一類是S4~S10,即廠家2 和廠家3;一類是S11~S13,即廠家4;一類是S1~S3,即廠家1;一類是S14~S15,即廠家5。相比單波長的主成分分析更有區(qū)別性,能將廠家1和廠家5的樣品進(jìn)行區(qū)分。
其中270 nm 單波長主成分1 中各色譜峰的載荷情況見圖4A。峰5、7、9、10、11、12、17、18、21、23、24、25 的值大于0.2,對主成分1的貢獻(xiàn)較大。多波長融合主成分1中各色譜峰的載荷情況見圖4B。峰1、7、10、11、13、19、21、24、28 的值大于0.2,對主成分1 的貢獻(xiàn)較大。同蜂膠270 nm單波長圖譜的分析結(jié)果相比,蜂膠融合指紋圖譜中0~20 min 保留時(shí)間的色譜峰加強(qiáng),增加了酚酸類成分的特征峰,如咖啡酸、阿魏酸,并且平衡了某些峰面積較大成分對差異性評價(jià)的影響(如白楊素)。
圖4 單波長(A)與多波長(B)主成分1中各色譜峰的載荷圖Fig.4 Load graph of each chromatographic peak in single wavelength(A) and multi-wavelength(B) principal component 1
2.2.5 聚類分析的對比在3 個(gè)主成分的基礎(chǔ)上,采用Ward 法計(jì)算距離,以平方歐氏距離為分類依據(jù),進(jìn)行聚類分析(HCA),繪制15 批蜂膠270 nm 單波長指紋圖譜的聚類分析圖,見圖5A。當(dāng)距離為50時(shí),可將樣品分為3類,一類是S4~S10、一類是S11~S13、一類是S1~S3和S14~S15,同主成分分析的結(jié)果吻合。
圖5 單波長(A)與多波長(B)蜂膠指紋圖譜的聚類分析Fig.5 Cluster analysis of single wavelength(A) and multi-wavelength(B) propolis fingerprint
采用同樣方法與參數(shù)繪制15批蜂膠融合指紋圖譜的聚類分析圖,見圖5B。當(dāng)距離為100時(shí),可將樣品分為3 類,分類結(jié)果與單波長指紋圖譜分類結(jié)果一致。當(dāng)距離為50 時(shí),可將樣品分為4 類。一類是S4~S10,即廠家2、廠家3;一類是S11~S13,即廠家4;一類是S1~S3,即廠家1;一類是S14~S15,即廠家5,同主成分分析的結(jié)果基本吻合。當(dāng)距離繼續(xù)減小時(shí),S4~S10 也能進(jìn)行劃分,除批次S6,其他均能正確分類。表明在主成分分析、聚類分析處理上,多波長融合指紋圖譜的分類更加準(zhǔn)確,提高了對色譜指紋圖譜差異性的評價(jià)能力。
本研究簡化了多波長融合指紋圖譜數(shù)據(jù)的自動(dòng)融合處理過程,拓展了開源軟件“中藥色譜指紋圖譜相似度評價(jià)系統(tǒng)”的功能,可對多波長數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、自動(dòng)融合處理,減少了人工對繁瑣數(shù)據(jù)的匯總、篩選、對應(yīng)、加和與圖像生成等處理。多個(gè)單波長的指紋圖譜在遵循同一處理規(guī)則下自動(dòng)融合生成一個(gè)新的多波長融合指紋圖譜,每個(gè)色譜峰即為不同波長下同一保留時(shí)間色譜峰的加和平均值。該數(shù)據(jù)融合處理策略雖屬于低級數(shù)據(jù)融合技術(shù),但簡單快速,最大化地準(zhǔn)確保留了各色譜峰的信息,利于融合指紋圖譜的應(yīng)用與普及。建立的蜂膠多波長融合對照指紋圖譜含有33個(gè)特征峰,其中14個(gè)特征峰可定性,7 個(gè)為黃酮成分,7 個(gè)為酚酸成分,15 批蜂膠融合指紋圖譜的相似度為0.902~0.994,主成分分析、聚類分析可將樣品分為4 類。將多波長自動(dòng)融合指紋圖譜策略應(yīng)用于蜂膠質(zhì)量評價(jià)中,可豐富黃酮、酚酸類物質(zhì)在不同波長下的色譜信息,降低高峰面積成分對整體評價(jià)的影響,提高指紋圖譜差異評價(jià)的準(zhǔn)確性,為蜂膠質(zhì)量控制提供參考與借鑒。但本研究中,蜂膠乙醇提取物樣品的收集范圍較小,樣品均來源于浙江廠家,所建立的多波長融合指紋圖譜僅適用于不同廠家蜂膠提取物的區(qū)分。后續(xù)將進(jìn)一步對不同省份、不同季節(jié)、不同提取工藝、不同種屬的蜂膠進(jìn)行深入分析,提高多波長融合指紋圖譜在蜂膠質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用范圍。