基于電子鼻、電子舌技術的白術藥材等級鑒別研究*

梅桂林，陳 娜，姚 潔，方成武

(1 亳州職業技術學院，安徽 亳州 236800；2 安徽中醫藥科學院亳州中醫藥研究所，

白術為菊科植物白術AtractylodismacrocephalaKoidz.的干燥根莖，為常用大宗中藥，始載于《神農本草經》，被列為上品[1]。白術性溫、味甘，入脾、胃二經，具有健脾益氣、燥濕利水、固表止汗、安胎之功效[2]。

傳統的經驗鑒別比較注重白術藥材的重量大小，以此作為劃分等級、評價質量、指導定價的主要指標之一，《七十六種藥材商品規格等級》將白術按照重量分級，目前市場也將白術按重量大小進行分級定檔，因此影響白術藥材質量的評定標準除產地、加工方式、種植年限以外，還有等級大小等因素。目前已有學者利用電子鼻、電子舌技術對不同產地，不同加工方式，不同生長年限中藥材進行鑒別研究[3-6]；但利用電子鼻技術對白術藥材等級的鑒別研究以及利用電子舌對不同等級白術藥材“味”的研究尚未見報道。

電子鼻、電子舌能模擬人體的嗅覺和味覺，其工作原理與人的嗅覺形成相似：氣味分子通過進樣系統被人工嗅覺系統中的傳感器陣列吸附而產生信號，生成的信號經各種計算方法加工處理并傳輸，最后將處理的信號經模式識別系統做出判斷。仿生感官技術可快速準確地檢測分析混合氣體、液體，現已廣泛用于食品、環境監測、疾病診斷及中藥氣、味的研究中[7-11]。本文運用電子鼻、電子舌技術對不同等級白術藥材進行氣味檢測，應用 Loading 分析法、主成分分析法(principal component analysis，PCA)、線性判別分析法(linear discriminant analysis，LDA)及單因素方差分析對獲取的實驗數據進行分析，為白術藥材的質量評價提供參考依據。

1 儀器與材料

1.1 藥 材

課題組于2019年10月在亳州白術種植基地采挖了8批次兩年生白術藥材，經安徽中醫藥大學方成武教授鑒定為菊科植物白術AtractylodesmacrocephalaKoidz.。收集的白術進行統一加工，加工后的藥材按照《七十六種藥材商品規格標準》標準劃分為一等品，二等品，三等品三個等級。

1.2 儀 器

PEN3電子鼻系統，德國AIRSENSE公司；SA-402B味覺分析系統(電子舌)，日本；HH-6數顯恒溫水浴鍋，常州國宇儀器有限公司；DV215CD奧豪斯電子天平，美國；Direct-Q 5UV超純水機；高速粉碎機，浙江省五金藥具廠。

2 方法與結果

2.1 電子鼻分析方法

2.1.1 分析參數

檢測參數：室溫25 ℃，吸氣速度300 mL·min-1，數據獲取持續時間120 s，清洗時間100 s。

2.1.2 樣品檢測

將白術藥材打粉，過80目篩，精密稱取2 g白術粉末，置于同規格頂空進樣瓶內，測量時用電子鼻進樣針針頭插入進樣瓶中固定位置，進行樣品氣味信號采集。

2.2 電子舌分析方法

2.2.1 實驗準備

采集溫度 25 ℃，基準液(30 mM KCl+0.3 mM 酒石酸)；正極清洗液：7.46 g KCl+500 mL，蒸餾水+300 mL，乙醇+0.56 g KOH，混合后定容至1 L；負極清洗液：500 mL蒸餾水+300 mL，乙醇+8.3 mL HCl，混合后定容至1 L；設置樣品測試循環4次，每次測量樣品前清洗傳感器10 s。

2.2.2 樣品檢測

白術藥材打粉過80目篩，精密稱取白術粉末5 g，放置于250 mL容量錐形瓶中，加入超純水100 mL，水浴鍋中加熱30 min，水溫60 ℃，將加熱后的白術粉末混懸液置于離心管中，4000 rpm離心10 min，冷卻至室溫，取上清液20 mL置于特定容器內進行測定。傳感器在3組基準液中分別清洗90 s、120 s、120 s，平衡位置歸零30 s，達到平衡后進樣測試30 s，在另外兩組基準液中再清洗3 s，傳感器在新的基準液中測試回味30 s。循環測試4次。

2.3 白術藥材樣品氣味的特征分析

2.3.1 電子鼻精密度考察

PEN3型電子鼻所特有的10根金屬傳感器，編號分別為：W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S。這10根傳感器對不同的化學物質敏感或具有選擇性，具體信息見表1。電子鼻輸出的檢測信號是10條不同顏色曲線，橫坐標為采樣時間，縱坐標為信號響應值，標示出10根傳感器在120 s內的信號變化，見圖1。為考察儀器精密度，取同一樣品重復測定6次，得出的數據精密度結果見表1，各傳感器響應值RSD<2.0%，說明儀器精密度良好。

表1 傳感器敏感成分信息及RSD結果

圖1 白術樣品電子鼻信號曲線

2.3.2 傳感器分析

Loading分析是針對電子鼻傳感器的分析，可以計算出10根傳感器的敏感成分信息以及區分樣品的能力。利用Loading分析法對白術藥材樣品電子信號進行分析，結果見圖 2?？梢?號傳感器(W1W)與9號傳感器(W2W)對第一主成分貢獻率最大，2號傳感器(W5S)對第二主成分貢獻率最大。結合上表1信息可知，7號傳感器對硫化物敏感，9號傳感器對芳香類成分、有機硫化物敏感，2號傳感器W5S對氮氧化合物敏感，由此可知白術藥材揮發性成分中可能含有機硫化物及氮氧化合物類成分。

圖2 白術樣品傳感器貢獻率分析圖

2.3.3 PCA分析

主成分分析(PCA)是將數據降維，分為第一主成分貢獻率(PC1)與第二主成分貢獻率(PC2)，通過二者的總貢獻率反映原始數據信息，從而分析電子鼻技術對樣品的識別能力。將三個等級白術藥材樣品傳感器響應值進行 PCA 分析，結果見圖3，區分度見表2。PC1與PC2總貢獻率達到95.126%，其中主要差異體現在第一主成分，貢獻率達到81.346%。由表2可知三個等級白術可以有效區分，其中一等品和二等品在氣味上更加接近，一等品與三等品之差異最大。

圖3 不同等級白術藥材PCA分析

表2 不同等級白術藥材區分度

2.3.4 LDA分析

利用線性判別分析(LDA)是縮小組內差距，擴大組間差距，組間距離越大說明差異性越大，若第一主成分貢獻率和第二主成分之和的貢獻率相近，說明樣品之間氣味值區分度小。由圖4可見，白術樣品三個等級的LDA分析中，第一主成分貢獻率達到95.586%，第二主成分貢獻率4.3075%，總區分率99.894%，說明三個等級白術藥材在氣味上能很好地區分開，其中一等品與二等品相似度更高，與三等品的相差較大。

圖4 白術藥材三個等級樣品LDA分析

2.4 白術樣品味特征數據分析

2.4.1 電子舌精密度考察

本次實驗檢測白術的甜味，只用到一個甜味傳感器，隨機抽取一份白術樣品重復測定 5 次，甜味值數據結果分別為：7.62，7.72，7.73，7.69，7.70，傳感器響應值RSD<2%，數據結果穩定，表明儀器精密度良好。

2.4.2 白術甜味檢測

將8批次三個等級的白術藥材按照上述2.2項下的方法檢測，得到甜味值數據見表3，可見在同一批次中，三個等級白術藥材的甜味值大小趨勢為：一等品>二等品>三等品。

表3 白術藥材電子舌甜味值

2.4.3 單因素方差分析

方差分析通過分析處理組均數之間的差別，推斷試驗中所代表的多個總體均數間是否存在差別。分析結果顯中，方差齊性Levene 檢驗顯示P>0.05，故可認為三個等級白術藥材甜味數據方差齊性，由組間與組內均方得出F值為19.824，P為0.000，差異有統計學意義，所以可以認為三個等級白術藥材的甜味有差異。為了進一步了解三個等級間均值兩兩比較情況，SNK檢驗顯示，一等品白術藥材與三等品甜味差異有統計學意義，一等品和二等品之間，二等品和三等品之間的甜味值差異尚未達到顯著性結果。

3 結 論

通過電子鼻對8個批次白術藥材樣品“氣”味特征數據分析可知，不同等級白術藥材氣味之間存在差異，其中一等品和三等品的差異明顯高于相鄰兩個等級的差異，通過LDA和PCA可以實現白術藥材等級的快速鑒定。按照傳統中醫理論，甘味能補，白術作為“脾臟補氣健脾第一要藥”[12]，可知“甜”味

是其藥效主要基礎成分之一，通過電子舌對8批次白術藥材的甜味特征數據分析可知，三個等級的藥材在“甜”味上有明顯的差異，這個差異主要體現在一等品與三等品之間。因此，白術藥材等級劃分在一定程度上可以反映其內在成分的差異。仿生感官技術可作為傳統經驗鑒別的輔助工具加以利用。