江西龍虎山10種鐵皮石斛的品質測定及分析

彭國穎，盧 山，黃 超，楊 坤，胡 亮，黃長干,*

（1.江西農業大學，南昌市植物資源化學利用重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西農業大學校友辦，江西 南昌 330045）

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）具有良好的保健功能和藥用價值，被譽為“九大仙草之首”。鐵皮石斛中含有多糖、甘露糖、生物堿、蛋白質等化學成分[1-2]，在抗腫瘤[3-5]、降血糖血壓[6]、抗衰老[7]、抗疲勞[8]、退熱止痛[9]、心血管系統[10]及胃腸道[11]抑制等方面具有重要的作用。

多糖、甘露糖、生物堿和蛋白質含量是評價鐵皮石斛品質的重要指標。鐵皮石斛的藥效與多糖含量有著密切的聯系[12]。甘露糖是唯一在臨床上使用的糖質營養素，許多疾病正是由于缺乏甘露糖糖化作用中的酵素而導致的[13]。生物堿是中草藥中重要的有效成分之一，大多數生物堿具有復雜的環狀結構，具有顯著的生物活性。蛋白質在參與機體防御功能，在催化代謝反應、調節物質代謝和生理活動等方面具有重要的作用。重金屬超標日益成為影響中草藥品質和食用安全性的重要因素[14-15]。與其他重金屬相比，砷和鎘的遷移能力強，極易在中草藥體內累積[16-17]。

野生鐵皮石斛對生長環境要求非常苛刻，且由于人工長期采挖和自然環境的破壞，使得鐵皮石斛成為瀕危藥用植物，被列入中國植物紅皮書[18]。鐵皮石斛在種植3年后會有成熟的標志“封頂”，即莖桿頂端不再生長，整個植株顏色加深。莖是鐵皮石斛的傳統食用部位，葉常常被拋棄，若對鐵皮石斛的葉加以研究和開發，可以大大提高鐵皮石斛資源的利用率。

龍虎山地區氣候生態環境適合鐵皮石斛生長，是我國野生鐵皮石斛主要分布地區之一。目前針對龍虎山鐵皮石斛資源的系統研究還未有報道。本文選取10種通過DNA條形碼技術鑒定的龍虎山鐵皮石斛[19]，從而避免了重復測定同一品種，其中4種為野生品種經過人工種植1～3年的鐵皮石斛，6種為成熟的野生鐵皮石斛（因無法判斷野生鐵皮石斛的生長年限，所以只采摘成熟的野生鐵皮石斛），對鐵皮石斛莖和葉的4類主要有效成分（多糖、甘露糖、生物堿和蛋白質）含量和2種微量重金屬元素（砷和鎘）含量進行測定，并運用SPSS25軟件對試驗數據進行分析，為鐵皮石斛資源的綜合利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

DNA條形碼技術鑒定了10種龍虎山鐵皮石斛，其中6種為成熟的龍虎山野生鐵皮石斛，其編號分別 為：DOKM-4、DOKM-5、DOKM-12、DOKM-13、DOKM-19、DOKM-21；4種為種植1～3年的龍虎山鐵皮石斛，品種分別為：矮紅、米斛、青黑節、龍虎1號，其中種植3年的已成熟。

1.1.2 儀器與設備

AFS-8220型原子熒光光譜儀，北京吉天儀器有限公司；Agilent 1100型高效液相色譜儀，杭州賽析科技有限公司；7230型紫外分光光度計，上海渡揚精密儀器有限公司；OLB9830型自動凱氏定氮儀，濟南歐萊博科學儀器有限公司；GGX-6A原子吸收分光光度計，北京海光儀器有限公司；WFX-220A原子吸收分光光度計，北京瑞利分析儀器公司。

1.2 方法

1.2.1 營養成分及微量元素測定

多糖含量：采用苯酚-硫酸法[20]測定；甘露糖含量：采用高效液相內標法[21]測定；生物堿含量：采用酸性染料比色法[22]測定；蛋白質含量：采用凱氏定氮法[23]測定；砷含量：采用原子熒光光譜法[24]測定；鎘含量：采用原子吸收分光光度法[25]測定。

1.2.2 數據處理

每組試驗重復測定3次，數據結果以平均值±標準偏差表示。采用SPSS25.0軟件對數據進行統計分析，均值間比較采用Duncan’s法。

2 結果與分析

2.1 營養成分分析

2.1.1 成熟鐵皮石斛的營養成分分析

成熟的野生和人工種植鐵皮石斛的營養成分如物堿含量最高的分別是矮紅和龍虎1號。人工種植鐵皮石斛的生物堿含量高于野生鐵皮石斛，這是由于人工種植的鐵皮石斛在栽培過程中會施加氮肥，豐富的氮素營養會促進含氮次生代謝產物生物堿的合成[27]。成熟的種植鐵皮石斛莖的蛋白質含量為2.72%～4.38%，含量最高的是龍虎1號，但龍虎1號與其他3種鐵皮石斛之間沒有顯著性差異；葉中蛋白質含量高于莖，為12.73%～18.38%，含量最高的是龍虎1號，與其他鐵皮石斛之間具有顯著性差異（P＜0.05）。表1所示。在成熟鐵皮石斛莖中，多糖是其主要營養成分，成熟的野生與人工種植鐵皮石斛莖中多糖含量為35.09%～49.59%，達到了《中華人民共和國藥典》（一部）的規定要求[26]（＞25.00%），葉中多糖含量為6.88%～14.05%，莖與葉部位多糖含量最高的都是米斛；莖中甘露糖含量為16.19%～25.12%，葉中甘露糖含量為11.10%～16.88%，莖、葉中甘露糖含量最高的分別是米斛和龍虎1號；莖中生物堿含量為0.158‰～0.251‰，葉中生物堿含量很低，為0.022‰～0.053‰，莖、葉中生

表1 成熟鐵皮石斛的營養成分Table 1 Nutrients of mature Dendrobium officinale

2.1.2 不同種植年限鐵皮石斛的營養成分分析

人工種植鐵皮石斛1～3年的營養成分含量見表2。鐵皮石斛莖的多糖含量隨種植年限的增加而顯著增加（P＜0.05），而葉中多糖含量在不同年限中則無顯著性差異，這是由于多糖在葉中通過光合作用生成，運輸并存儲至莖中。由于甘露糖是多種多糖的組成成分，因此莖中甘露糖含量變化規律與多糖相似，葉中甘露糖含量在第2年最高（P＜0.05）。莖中生物堿含量隨種植年限的增加而顯著增加（P＜0.05），葉中生物堿含量在第2年最高（P＜0.05）。莖和葉的蛋白質含量都隨種植年限的增加而升高，且都具有顯著性差異（P＜0.05）。

表2 鐵皮石斛在不同種植年限的營養成分Table 2 Nutritional compositions of Dendrobium officinale in different plantingyears

2.1.3 鐵皮石斛的砷、鎘含量分析

砷和鎘是植物非必需重金屬元素，《中華人民共和國藥典》（四部）中藥材砷和鎘的殘留限量指標為：As≤2.0 mg/kg，Cd≤1 mg/kg[28]。鐵皮石斛中砷和鎘殘留超標，會使其在食用和藥用時對人體產生一定危害。因此，測定鐵皮石斛的砷、鎘含量對鐵皮石斛的食用安全性具有一定實際意義。

野生鐵皮石斛和人工種植1～3年鐵皮石斛的砷、鎘成分含量測定結果見表3。結果顯示：鐵皮石斛莖、葉中砷含量范圍分別為0.283～1.691 mg/kg、0.321～1.892 mg/kg；莖、葉中鎘含量范圍分別為0.021～0.234 mg/kg、0.013～0.165 mg/kg，10種鐵皮石斛的莖葉中砷、鎘含量均無超標。人工種植鐵皮石斛的莖、葉中砷、鎘含量逐年顯著增加（P＜0.05），這是由于人工種植鐵皮石斛在生長過程中會使用化肥和農藥，而化肥和農藥含有微量的重金屬元素。野生鐵皮石斛的莖葉中砷、鎘含量與種植1年以上的鐵皮石斛相比顯著偏低（P＜0.05），總體上與種植1年的鐵皮石斛相差不大，這是由于野生鐵皮石斛的生長環境一般在深山老林中，人為的重金屬污染來源較少。

表3 鐵皮石斛的砷、鎘含量Table3 Arsenic and cadmiumcontents of Dendrobium officinale 單位：mg/kg

2.2 鐵皮石斛莖樣品中6種成分的主成分分析

2.2.1 主成分篩選及貢獻率

由于鐵皮石斛莖樣品中各成分含量在量綱上存在較大差異，為了保障分析結果的客觀準確性，利用SPSS25.0對原始試驗數據進行標準化處理后，再進行主成分分析，得到主成分特征值及貢獻率，如表4所示。提取到2個主成分因子（特征值＞1），λ1=3.941，λ2=1.965，累積方差貢獻率98.443%，既包含了大部分成分信息，充分說明這兩個主成分能夠代表鐵皮石斛6種成分含量的水平。

表4 主成分特征值與方差貢獻率Table 4 Principal components eigenvalues and variance contribution rates

以2個主成分為坐標軸構建主成分平面，將樣本的變量通過降維的方式投影在二維平面上，以觀察鐵皮石斛樣本的整體成分分布情況和各變量對樣本分布的貢獻大小，結果見表5。多糖、甘露糖和生物堿在第1主成分上有較高載荷，相關性強，主成分1集中反映了鐵皮石斛的藥用營養成分含量的水平；蛋白質、砷和鎘在主成分2上有較高載荷，相關性強，第2主成分反映了蛋白質與重金屬含量的水平。

表5 主成分因子載荷矩陣Table 5 Principal componentsfactor matrix

2.2.2 主成分得分及綜合評分

用主成分因子矩陣的數據乘以相應的方差的算術平方根，得到兩組主成分的特征向量，將特征向量與各成分標準化后的數據相乘，可得到鐵皮石斛的各主成分得分，各主成分解析表達式為：H1=0.477V1+0.488V2+0.482V3-0.387V4+0.200V5+0.335V6，H2=-0.220V1+0.141V2-0.195V3+0.450V4+0.646V5+0.523V6。其中：H1、H2分別是第1、2主成分得分；V1～V6分別為多糖、甘露糖、生物堿、蛋白質、砷和鎘的標準化數據。

以每個主成分所對應的方差貢獻率為所占總主成分方差貢獻率的比值為權重，得到鐵皮石斛樣品的綜合評分表達式為：H0=0.667H1+0.333H2。主成分和排名結果見表6，10種鐵皮石斛樣品中以米斛的綜合得分最高，DOKM-5的綜合得分最低。

表6 主成分分析綜合得分及排序Table 6 Comprehensive scores and ranking of principal components analysis

2.3 聚類分析

為了更深層次研究不同品種鐵皮石斛成分之間的關系，以多糖、甘露糖、生物堿、蛋白質、砷、鎘6種成分的含量為變量，利用SPSS25.0軟件對10種成熟鐵皮石斛的莖進行聚類分析，圖1為鐵皮石斛莖的成分聚類分析。從聚類分析圖可以看出，當平方歐氏距離為10時，10種鐵皮石斛被分為2大類，第I大類包括6種野生鐵皮石斛，第II大類包括4種植鐵皮石斛，說明鐵皮石斛的成分含量差異與生長環境有著密切的關系；當平方歐氏距離為5時，10種鐵皮石斛則被分為3大類，第I大類依然是6種野生鐵皮石斛，第II大類包括米斛和龍虎1號，第III大類包括矮紅和青黑節，說明在生長環境相同時，鐵皮石斛各品種之間的成分含量也具有一定的差異。聚類分析將組分含量相近的鐵皮石斛聚到一類，可以更清楚地看出鐵皮石斛品種間的成分異同，從而方便對鐵皮石斛的某一成分實現針對性提取與利用。

圖1 鐵皮石斛的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of Dendrobium of ficinale

3 結論

10種鐵皮石斛在莖和葉中的營養成分及重金屬含量都存在明顯差異，其中莖和葉中多糖含量最高的都是米斛，甘露糖含量最高的是米斛和龍虎1號，生物堿含量最高的是矮紅和龍虎1號，蛋白質含量最高的都是龍虎1號，成熟的野生鐵皮石斛的莖和葉中的砷、鎘含量均低于人工種植3年的鐵皮石斛。

從測定結果來看，成熟的人工種植鐵皮石斛莖和葉中各營養成分含量均高于野生鐵皮石斛，說明人工種植環境與野生環境對鐵皮石斛的營養成分影響較大。這是由于野生鐵皮石斛的生長環境惡劣，養分相對貧乏，而人工種植采用栽培基質，環境適宜且養分及陽光充足，有利于有機物質的合成及積累。作為鐵皮石斛傳統食用部位的莖，其多糖、甘露糖、生物堿等營養成分含量豐富；鐵皮石斛的葉往往沒有得到有效的利用，雖然鐵皮石斛葉中多糖、甘露糖、生物堿含量低于莖，但其葉中也含有豐富的多糖和甘露糖，且葉中蛋白質含量高于莖，表明鐵皮石斛的葉也具有藥用價值和食用價值，若對鐵皮石斛的葉加以開發和利用，可以提高鐵皮石斛資源的利用率。

主成分分析顯示2個主成分因子包含了10種鐵皮石斛莖中的6種成分含量水平，并根據主成分因子計算出各鐵皮石斛的綜合得分，綜合得分最高的是米斛，最低的是DOKM-5。聚類分析結果顯示，平方歐式距離為10時，野生與種植鐵皮石斛各被分為一類，說明自然環境與種植環境的差異對鐵皮石斛的影響比較大；平方歐式距離為5時，野生鐵皮石斛被聚為一類，種植鐵皮石斛被聚為兩類，說明鐵皮石斛品種之間成分含量上存在著一定的差異。本研究基于野生和種植鐵皮石斛成分的測定，并對主成分進行主成分分析和聚類分析，有利于對鐵皮石斛的某一成分進行特定研究，從而為龍虎山的鐵皮石斛資源的藥用價值、食用安全性和開發利用提供理論基礎。