基于電子舌技術的辛味中藥材鑒別研究*

武 琳，駱德漢，邵雅雯，李江勇

(廣東工業大學信息工程學院，廣東廣州510006)

0 引言

中藥的色、氣、味是其內在化學成分及其內在質量的反應，傳統的經驗鑒別能夠評價其質量，但與個人的經驗有關，常常難于準確表述和交流。而單一的“有效成分”、“指標成分”又不能完全反映并準確評價中藥材的質量。因此，能夠全面表征中藥色、氣、味的現代分析技術手段成為中藥質量控制的迫切技術需求和首選研究方法［1］。

味覺指紋分析技術是近十年來針對復雜介質和含協同作用的樣品而發展起來的一門新技術。Alpha MOS公司研發成功的傳感器陣列技術，也就是俗稱的電子舌技術，是專門針對味覺的分析技術而設計的，其分析原理和人類味覺完全類似。它既具備常規儀器分析的客觀性強、重現性好、不易疲勞的特點［3］，又能像人類舌頭那樣獲得樣品中味道的整體信息，而且操作簡單，鑒別迅速［4］，目前已在食品化學等多個領域獲得初步應用［5～8］。

然而，在國內還沒有有關電子舌在辛味中藥材種類鑒別和不同產地、批次間區分等方面的研究。為此，本文選用味道特性顯著的典型辛味中藥材作為實驗樣本，利用法國Alpha MOS公司生產的ASTREE電子舌對不同種類、不同產地以及不同生產批次的辛味中藥材分別進行了鑒別研究，為電子舌在中藥材質量鑒別的實際應用中提供了一定的試驗依據。

1 實驗材料、儀器和方法

1.1 實驗儀器

本實驗采用法國Alpha MOS公司研制的ASTREE電子舌系統，該電子舌主要包括味覺傳感器矩陣系統ASTREE、自動進樣系統LS48和模式識別軟件系統3部分。所有的實驗都是在相同的儀器設備下進行。

該電子舌包含了7種化學傳感器陣列和1個參比電極。7種電化學傳感器分別為:ZZ，AB，GA，BB，CA，DA，JE。這7種傳感器對5種基本味覺:酸、甜、苦、咸與鮮都有不同的響應。每種傳感器對5種味道的敏感程度不同，因此，可以通過7種傳感器從總體上進行味道數據的分析與評價［3，5］。

1.2 實驗材料

本實驗選用的辛味中藥材樣品是由基金項目合作單位——廣東藥學院提供，共3組實驗樣本:

1)6種不同種類的辛味中藥材:郁金(YJ)、益智(YZ)、白豆蔻(BDK)、白術(BZ)、獨活(DH)、蒼術(CZ);

2)3種不同生產批次的郁金:YJ100522，YJ110123，YJ110301;

3)3種不同產地的益智:YZGZ，YZHN，YZAH。

1.3 實驗方法

由于所提供的藥材樣品為干性的辛味中藥材，呈較大的塊狀或顆粒狀，檢測時需做必要的前期處理，首先每個樣品需在粉碎機里粉碎，然后稱取1g粉碎后的粉末樣于250 mL錐形瓶中，加入100 mL水，在65℃的環境下加熱提取，加熱30min后將樣品混合液過濾，將過濾出的萃取液倒入25 mL的專用電子舌燒杯中待檢。

電子舌在室溫條件下進行測定，每杯樣品量為25 mL，每個樣品設定1個重復，電子舌傳感器在每個樣品中的采集時間為120 s，每秒采集1個數據，電子舌系統軟件每秒鐘自動記錄1次數據。傳感器在剛開始測量時，感應強度會上下波動。預實驗結果表明，測量2～3次后，傳感器響應強度趨于穩定。本研究每杯樣品重復測量7次，選取后3次的測量數據作為主成分分析(principal component anazysis，PCA)的原始數據。

1.4 數據處理方法

PCA是傳統的多元統計分析技術，在模式識別算法中應用十分廣泛，是常用的經典分類算法。其數學原理是將原變量進行轉換，使少數幾個新變量成為原變量的線性組合，同時，這些變量要盡可能多地表征原變量的數據結構特征而不丟失信息。通過PCA處理可以將數據降維，以排除眾多信息共存中互相重疊的信息。最后在PCA分析的散點圖上顯示主要的二維或三維散點圖。PC1軸和PC2軸上包含了在轉換中得到的第一主成分和第二主成分的貢獻率，貢獻率越太，說明降維后的綜合指標可以較好地反映原來多指標的信息［9］。

2 結果與分析

2.1 6種不同種類的中藥材鑒別

首先選用6種不同種類的辛味中藥材作為檢測對象，它們分別是:白豆蔻(BDK)、獨活(DH)、蒼術(CZ);郁金(YJ)、益智(YZ)、白術(BZ)。

圖1是6種樣品的PCA圖，從圖中可以看出:得到前2個主成分的貢獻率分別為80.034%，13.877%，累計貢獻率93.911%，前2個主成分對應的特征向量所決定的二維子空間基本保存了原始數據的信息。由圖1可以看出:每一個樣品的6個點離散度較小，而不同樣品之間存在一定的差異，說明該電子舌可以很好地區分這6種辛味中藥材樣品。其中，益智的離散度較大，與白術的分離較近，區別有一定的模糊，而白豆蔻、獨活、郁金、蒼術幾個樣品的分布區域分離較遠，差別明顯。

圖1 樣品的主成分分析圖Fig 1 PCA diagram of samples

2.2 同種藥材，不同生產批次的中藥材鑒別

為了進一步探究電子舌對同種藥材不同品種的鑒別能力，實驗選擇同種藥材且同一生產地的郁金，但不同的藥材生產批次:YJ100522，YJ110123，YJ110301，圖2為郁金樣品不同生產批次藥材的主成分分析圖。

圖2 郁金樣品的主成分分析圖Fig 2 PCA diagram of Turmeric samples

圖中，3個點為采樣后取最后3次穩定檢測結果的數據點，可以看出:3個不同生產時間的郁金區域分離較遠，能夠較好的區分，同時也可以看出:從生產時間較早的到較晚的批次，區域呈遞進的分布，且分布區域區分明顯，也說明不同生產日期的郁金在味道上存在一定的差異。

2.3 同種藥材，不同產地的中藥材的區分

圖3實驗選取的是同種藥材同一采收期，但不同生產地的益智，產地分別來自:廣州、安徽、海南。圖中所示為電子舌對不同產地益智的PCA區分圖。

從圖中可以看出:廣州與安徽的區域距離較近，但是還是可以明顯區分出2種不同產地的益智，而海南益智與其他2種產地的區域距離較遠，區分度明顯。

3 結論

本次實驗研究應用法國Alpha MOS公司研制的AS-TREE電子舌，以3組不同的實驗樣本作為檢測對象，并用PCA法對所得的數據進行了分析。PCA結果顯示，在第l和第2主成分的得分圖上，電子舌不僅可以很好地區分6種不同種類的辛味中藥材，同時，對于同種藥材，不同產地、不同生產批次的鑒別中也有很好的識別度，能夠實現基本的中藥材品質鑒別。

通過本次的實驗研究發現，電子舌進行樣品測試具有:1)樣品前處理簡單(僅需稱取一定量，如果樣品形態為液體無需任何其他樣品前處理);2)分析速度快(每個樣品采樣時間2 min);3)結果簡單可靠(與已知信息一致)，識別度高等優點。對一些組成成分相近或類似的樣品，電子舌分析有著其他傳統儀器不可比擬的優越性，可以非常方便地得到與人工品評一致的分析結果。研究表明:采用電子舌對中藥材進行味道檢測分析是一種客觀性強、重復性好且準確度高的方法。

本文提出了應用電子舌對辛味中藥材進行鑒別分類的實驗方法，證實了電子舌在實現中藥材鑒別分類中的潛能，為電子舌在中藥材品質鑒別領域開辟了新的應用前景。

圖3 益智樣品的主成分分析圖Fig 3 PCA diagram of Puzzle samples

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