雙指標(biāo)和化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)板藍(lán)根和姜黃進(jìn)行品質(zhì)分析

韓嘉欣， 陳昌云

(南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 211171)

姜黃為姜科植物姜黃(Curcumalonga.L.)的干燥根莖，屬多年生草本植物，可作為保健食品的植物原料。姜黃主要成分為姜黃素類化合物和倍半萜類化合物，臨床上具有抗腫瘤、抗氧化、抗艾滋病、抗老年癡呆等藥理活性[1]，可治療痛經(jīng)、出血、跌撲腫痛、胸肋刺痛等疾病。板藍(lán)根(Radix)為十字花科植物菘藍(lán)的干燥根莖，分為北板藍(lán)根和南板藍(lán)根，前者盛產(chǎn)于河北、江蘇等地，后者盛產(chǎn)于廣東、福建等地。板藍(lán)根味苦性寒[2]，具有增強(qiáng)免疫力、抗病毒、抗菌、抗炎等療效[3 - 5]，可用于瘟病發(fā)斑、流感、流腦等[6]，是多種抗流感類中成藥的主要來源。目前，市場上仍有板藍(lán)根混偽品，如南北板藍(lán)根混偽品及板藍(lán)根與葛根的混偽品，所以，在生產(chǎn)過程中對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制尤為重要[7]。

化學(xué)計(jì)量學(xué)中無監(jiān)督模式識(shí)別(Unsupervised Pattern Recognition)中最常用的是主成分分析(PCA)和系統(tǒng)聚類分析(HCA)。PCA是以最佳的方法提取特征量之間相關(guān)性，特征量通過標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)其進(jìn)行線性組合，最大程度的篩選出能體現(xiàn)原始數(shù)據(jù)信息的變量，大大降低維度，且可同時(shí)分析變量[8]。HCA是按照相似度為依據(jù)，對(duì)樣品進(jìn)行分類，以“物以類聚”為核心，在生物學(xué)領(lǐng)域被大規(guī)模使用[6]。雙指標(biāo)模型以n個(gè)樣品為參照點(diǎn)，形成n維序列空間，加上共有峰率和變異峰率雙指標(biāo)空間，可在2+n維(n:樣品數(shù)目)空間中觀察樣品間的異同，共有峰率越高，則說明樣品間關(guān)系越親近[9]。Ding等[10]通過化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合高效液相色譜對(duì)姜黃進(jìn)行產(chǎn)地分析；Jin[12]利用高效液相色譜對(duì)板藍(lán)根中(R-S)-告依春的含量進(jìn)行分析。紅外光譜具有樣品前處理簡單、分析速度快、樣品無損壞等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用紅外光譜指紋圖譜結(jié)合雙指標(biāo)模型對(duì)板藍(lán)根樣品、板藍(lán)根與葛根混偽品進(jìn)行品質(zhì)分析和產(chǎn)地分類，并運(yùn)用PCA和HCA分析，進(jìn)一步對(duì)姜黃樣品進(jìn)行歸類。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備和參數(shù)

島津FT-IR Prestige-21紅外光譜儀，光譜掃描范圍4 000～400 cm-1,分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次，扣除CO2和H2O的背景干擾。

1.2 試劑與藥材

收集30份姜黃樣品，產(chǎn)地分別為：廣東(C0、C5、C10、C15、C20和C25號(hào))，廣西(C1、C6、C11、C16、C21和C26號(hào))，山東(C2、C7、C12、C17、C22和C27號(hào))，安徽(C3、C8、C13、C18、C2和C28號(hào))，四川(C4、C9、C14、C19、C24和C29號(hào))。4份板藍(lán)根樣品來自河北、廣東、江蘇和福建，依次編號(hào)為R1、R2、R3和R4號(hào)；1份葛根藥材產(chǎn)地為河北，編號(hào)為R6號(hào)；1份板藍(lán)根復(fù)方顆粒(成份：板藍(lán)根，乙醇，蔗糖和糊精)產(chǎn)地為廣西。將4份板藍(lán)根樣品與葛根混合(3∶2)，制成板藍(lán)根偽品，編號(hào)分別是R7、R8、R9和R10號(hào)。

1.3 供試品和數(shù)據(jù)處理

將用于紅外光譜分析的姜黃和板藍(lán)根樣品純凈并干燥24 h,粉碎，過200目篩。紅外光譜圖和紅外二階導(dǎo)數(shù)圖采用IRsolution處理，25點(diǎn)平滑。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)姜黃樣品進(jìn)行主成分分析與系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 板藍(lán)根、板藍(lán)根復(fù)方顆粒、葛根、和板藍(lán)根偽品的紅外指紋圖譜和數(shù)據(jù)

R1～R10的紅外光譜光譜圖見圖1。從圖1可以看出，板藍(lán)根復(fù)方顆粒R5在3 538 cm-1出現(xiàn)了蔗糖的尖銳強(qiáng)特征峰-OH，1 262 cm-1和1 192 cm-1等出現(xiàn)了尖峰，為輔料蔗糖、糊精的特征峰，1 100、1 024、960和886 cm-1強(qiáng)吸收峰為蔗糖、糊精的特征峰C-O-C，804 cm-1特征峰歸屬于飽和C-H伸縮振動(dòng)。板藍(lán)根原料R1～R4與葛根原料R6，及兩者混偽品R7～R10峰形分布類似；其中，2 995 cm-1附近強(qiáng)特征峰歸屬于-CH2反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 970 cm-1附近為-C=O的伸縮振動(dòng)，1 500 cm-1附近特征峰歸屬于-CH3和-CH2彎曲振動(dòng)吸收峰。吸收峰波數(shù)見表1。

表1 板藍(lán)根紅外吸收峰數(shù)據(jù)

2.2 姜黃樣品的紅外指紋圖譜和數(shù)據(jù)

C0～C4的紅外光譜光譜圖見圖2。從圖2可看出，不同產(chǎn)地的姜黃均在3 002、1 572、1 294 和873 cm-1附近有固定吸收。其中，3 002 cm-1附近強(qiáng)峰歸屬于-OH的伸縮振動(dòng)，1 572 cm-1和1 492 cm-1附近為苯環(huán)骨架的伸縮振動(dòng)，1 294 cm-1附近強(qiáng)吸收峰為-C=O的伸縮振動(dòng)所采集到的峰，與文獻(xiàn)報(bào)道[11]姜黃含有姜黃素類化合物和沒藥烷倍半萜類化合物所含有的基團(tuán)具有一致性。

2.3 姜黃紅外指紋圖譜的共有峰率和變異峰率雙指標(biāo)序列

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]紅外指紋圖譜的雙指標(biāo)序列，分別計(jì)算姜黃紅外指紋圖譜的共有峰率和變異峰率。

C0∶C1(53.8;42.9,42.9),C2(81.8;11.1,11.1),C3(81.8;11.1,11.1),C4(54.5;66.7,16.7)

C1∶C0(53.8;42.9,42.9),C2(66.7;22.5,22.5),C3(66.7;22.5,22.5),C4(70.0;42.9,0.0)

C2∶C0(81.8;11.1,11.1),C1(66.7;22.5,22.5),C3(100.0;0.0,0.0),C4(70.0;42.9,0.0)

C3∶C0(81.8;11.1,11.1),C1(66.7;22.5,22.5),C3(100.0;0.0,0.0),C4(70.0;42.9,0.0)

C4∶C0((54.5;16.7,66.7),C1(70.0;0.0,42.9),C2(70.0;0.0,42.9),C3(70.0;0.0,42.9)

5個(gè)姜黃樣品共有峰率均大于53.8%，最高是C2∶C3為100.0%；最低是C0∶C1為53.8%。變異峰率最低的是C3∶C4和C2∶C3,均為0.0%；最高的是C0∶C4,其值為66.7%。

圖1 板藍(lán)根的紅外(IR)光譜圖Fig.1 IR spectra of Radix Curve:1-4 are Radix samples from Hebei, Guangdong, Jiangsu and Fujjian, 5 is Radix compound granule;6 is Kudzuvine root sample from Hebei;7-10 are mixtures of four different Radix samples with Kudzuvine root, respectively.

圖2 不同產(chǎn)地姜黃的紅外(IR)光譜圖Fig.2 IR spectra of Curcuma longa.L.from different regions 0-4 are Curcuma longa.L. samples from Guangdong, Guangxi, Shandong, Auhui and Sichuan, respectively.

2.4 板藍(lán)根的紅外指紋圖譜的共有峰率和變異峰率雙指標(biāo)序列

R1: R2(68.8;36.4,9.1),R3(86.7;15.4,0.0),R4(66.7;50.0,0.0),

R6(86.7;15.4,0.0),R7(62.5;50.0,10.0),R8(62.5;50.0,0.0),

R9(66.7;50.0,0.0),R10(73.3;36.4,0.0)

R2:R1(68.8;9.1,36.4),R3(78.6;9.1,18.2),R4(76.9;20.0,10.0),

R6(60.0;33.3,33.3),R7(76.9;20.0,10.0),R8(76.9;20.0,10.0),

R9(69.2;33.3,11.1),R10(64.3;33.3,22.2)

R3:R1((86.7;0.0,15.4),R2(78.6;18.2,9.1),R4(71.4;33.3,10.0),

R6(78.6;18.2,9.1),R7(71.4;33.3,10.0),R8(71.4;33.3,10.0),

R9(76.9;30.0,0.0),R10(71.4;33.3,10.0)

R4:R1(66.7;0.0,50.0),R2(76.9;10.0,20.0),R3(71.4;10.0,33.3),

R6(76.9;10.0,20.0),R7(90.9;10.0,0.0),R8(100.0;0.0,0.0),

R9(75.0;29.6,14.8),R10(83.0;10.0,0.0)

R6:R1(86.7;0.0,15.4),R2(60.0;33.3,33.3),R3(78.6;9.1,18.2),

R4(76.9;20.0,10.0),R7(64.3;33.3,22.2),R8(76.9;20.0,10.0),

R9(69.2;33.3,11.1),R10(91.7;9.1,0.0)

R7:R1(62.5;10.0,50.0),R2(76.9;10.0,20.0),R3(71.4;10.0,33.3),

R4(90.9;0.0,10.0),R6(64.3;33.3,22.2),R8(76.9;20.0,10.0),

R9(69.2;33.3,11.1),R10(91.7;9.1,0.0)

R8:R1(62.5;0.0,50.0),R2(76.9;10.0,20.0),R3(71.4;10.0,33.3),

R4(100.0;0.0,0.0),R6(76.9;10.0,20.0),R7(83.3;10.0,10.0),

R9(61.5;37.5,25.0),R10(75.0;29.6,14.8)

R9:R1(66.7;0.0,50.0),R2(69.2;11.1,33.3),R3(76.9;0.0,30.0),

R4(75.0;14.8,29.6),R6(69.2;11.1,33.3),R7(61.5;25.0,37.5),

R8(75.0;14.8,29.6),R10(75.0;14.8,29.6)

R10:R1(73.3;0.0,36.4),R2(64.3;22.2,33.3),R3(71.4;10.0,33.3),

R4(83.3;10.0,10.0),R6(91.7;0.0,9.1),R7(75.0;14.8,29.6)

R8(83.3;10.0,10.0),R9(75.0;29.6,14.8)

板藍(lán)根R1～R4共有峰率均大于66.7%，最高是R1:R3達(dá)到86.7%，最低是R1:R4為66.7%；變異峰率最大是R1:R4為50.0%，最小是R1:R3為0.0%。因此，產(chǎn)地對(duì)于板藍(lán)根的化學(xué)成分有影響。

葛根R6與板藍(lán)根R1～R4共有峰率均大于60.0%，最高的是R6:R1為86.7%，變異峰率最大的是R6:R2，其值為33.3%。葛根和板藍(lán)根的混偽品R7～R10與純板藍(lán)根樣品R1～R4，共有峰率最小的是R7：R1和R8:R1,62.5%,最大的是R8:R4,100.0%;變異峰率最大的是R7:R1,R8:R1和R9:R1,50.0%,最小的是R8:R4和R7:R4為0.0%。所以，葛根含有的官能團(tuán)與板藍(lán)根極其相似，因此每逢病毒性疾病流行時(shí)，板藍(lán)根會(huì)供不應(yīng)求，因此常常存在板藍(lán)根與葛根混用現(xiàn)象，這是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.5 板藍(lán)根紅外二階導(dǎo)數(shù)圖譜及分析

圖3 板藍(lán)根的紅外二階導(dǎo)數(shù)圖譜Fig.3 Second derivative IR spectra of RADIX Curve:1-10 are same as in Fig.1.

紅外二階導(dǎo)數(shù)圖譜可以分離重疊的峰，提高紅外圖譜的分辨率[13]。為進(jìn)一步對(duì)R1～R10進(jìn)行區(qū)分，將2 000～400 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理，處理圖譜如圖3。不同產(chǎn)地的板藍(lán)根R1～R4在1 639～1 465 cm-1、1 422～1 195 cm-1、1 157～1 016 cm-1、880～572 cm-1和718～404 cm-1具有相似的峰形。其中，1 639～1 465 cm-1范圍之間為單峰，位于1 639cm-1處；1 422～1 195 cm-1范圍之間有雙峰，位于1 422和1 292 cm-1處；1 157～1 016 cm-1范圍之間有3個(gè)吸收峰，位于1157、1 086 和1 016 cm-1處；880～572 cm-1范圍之間有3個(gè)吸收峰，位于880、821和767cm-1處；718～404 cm-1為單峰，位于577 cm-1處。R4較R1～R3而言，峰信號(hào)更強(qiáng)。

板藍(lán)根與葛根的混偽品R7～R10在1 739～1 499 cm-1、960～762 cm-1和583～403 cm-1具有相似的峰形。1736～499 cm-1為雙峰，位于1 736和1 499 cm-1處，其中R8在1 499 cm-1峰形更尖銳，信號(hào)更強(qiáng)；960～762 cm-1范圍之間為雙峰，位于955和877 cm-1處；583～403 cm-1范圍之間有單個(gè)吸收峰，位于583 cm-1處。R7在1 338、1 236、1 166、1 005 cm-1附近峰信號(hào)較弱。

2.6 基于SPSS軟件對(duì)30份姜黃樣品進(jìn)行主成分分析和系統(tǒng)聚類分析

本實(shí)驗(yàn)選取類內(nèi)平均鏈鎖法(Within-groups Linkage)，并運(yùn)用歐式距離平方作為測度，此種聚類方法和測度運(yùn)用較為廣泛[14]，且結(jié)果較精確。所得的樹狀圖如4。從圖4可以看出，姜黃樣品仍然可以按照產(chǎn)地聚為一類。將6個(gè)共有的紅外特征吸收峰的波數(shù)，作為輸入變量(30×6)用于主成分分析。因PC1和PC2的總方差貢獻(xiàn)率為88.101%(其中，PC1=68.067%,PC2=20.034%)，所以僅擷取PC1和PC2即可。從圖5可以看出，30個(gè)姜黃樣品較明顯分為5類。首先，在PC1上，廣西和四川的姜黃得分為正值，且廣西姜黃樣品得分最高，廣東姜黃得分最低；因此，在PC1上能較好地區(qū)分廣西和廣東姜黃，且較其他產(chǎn)地姜黃，廣西姜黃樣品分布較為疏散。5號(hào)峰在PC1上對(duì)廣東的姜黃樣品載荷最小，其和1、3 6號(hào)峰能清晰地區(qū)分產(chǎn)地分別是廣東和廣西的姜黃樣品。其次，在PC2上，四川和山東的姜黃樣品得分均為正值，廣東的姜黃樣品得分接近0，四川和廣西的姜黃樣品得分為負(fù)值。6號(hào)峰在PC2上載荷最大，不能很好地將山東和四川的姜黃樣品分類，2號(hào)和5號(hào)峰能很清晰的將安徽和四川產(chǎn)地的姜黃樣品區(qū)分。綜上，PC1不能有效地將安徽、廣東和山東的姜黃樣品進(jìn)行區(qū)分；較PC1而言，不同產(chǎn)地的姜黃樣品在PC2上分布的更分散，能達(dá)到很好的分類效果。

圖4 30份姜黃樣品樹狀分布圖Fig.4 Dendrogram of 30 Curcuma longa.L. samples

圖5 30份姜黃樣品的主成分分析圖Fig.5 PCA plot of the 30 Curcuma longa.L. samples

廣東和安徽姜黃樣品綜合得分為均為正值，前者綜合得分均值為1.12，得分最高，品質(zhì)最佳，后者綜合得分為0.49，次之；山東的姜黃樣品品質(zhì)居中，綜合得分均值為-0.09；四川的姜黃樣品綜合得分為-0.229；廣西的姜黃樣品得分最低，品質(zhì)最差，綜合得分均值為-0.71。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用雙指標(biāo)模型和化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)姜黃和板藍(lán)根樣品紅外光譜圖進(jìn)行分析，達(dá)到了產(chǎn)地和品質(zhì)分類的目的。由于葛根與板藍(lán)根的官能團(tuán)種類相似，兩者混偽品與純板藍(lán)根共有峰率均大于62.5%。山東的姜黃樣品綜合得分與安徽的姜黃樣品得分最接近，廣西和廣東的姜黃樣品得分差值最大，且綜合雙指標(biāo)模型，可得廣西與廣東的姜黃樣品質(zhì)量差別大。雙指標(biāo)模型能較精確地分析樣品間親緣關(guān)系，系統(tǒng)聚類分析和主成分分析僅適用于常規(guī)分類，準(zhǔn)確度低。