基于電子鼻和電子舌技術分析紫菀藥材的氣味特征

王 蓉， 郭偉娜， 劉倩倩， 夏成凱*

(1.亳州職業技術學院藥學院，安徽 亳州 236800；2.安徽省中醫藥科學院亳州中醫藥研究所，安徽 亳州 236800；3.安徽中醫藥大學，安徽 合肥 230031)

紫菀為菊科紫菀AstertataricusL. f.屬植物紫菀的干燥根和根莖，其性溫，味辛、苦[1]，有止咳、祛痰、抗菌、消炎、抗腫瘤等功效, 主要治療支氣管咳喘、肺結核和咯血等，民間用于毒蛇咬傷和呼吸系統感染[2-3]。野生紫菀質量較差，一般不作為藥用，故市場上均為人工栽培。紫菀的主要栽培產區有安徽亳州、河北安國，市場調查結果顯示，亳州藥材市場貨源大多是從周邊鄉鎮購進。另外，紫菀商品規格與藥用部位、干燥方法以及是否熏硫有關。

電子鼻是一種根據仿生學原理模擬人類嗅覺系統的人工智能電子儀器，能識別簡單與復雜氣味，主要由氣敏傳感器陣列、信號預處理單元、模式識別單元組成，可對樣品整體氣味特征進行檢測識別及分析。電子舌能將酸味、甜味、苦味、咸味、鮮味等基本味覺指標進行定量地分析，所得到的結果反映了樣品的整體信息，又可稱作指紋數據[4-8]。目前，上述2種技術廣泛應用于食品和農業檢測、環境監測、有特殊氣味疾病的檢測等方面[9-10]，在中藥方面主要用于質量監測、產地鑒別、采收期判定、炮制工藝評價、中成藥及其中間品質量評價監控、掩味效果評價、安慰劑效果評價[11]，即在中藥種植、采收、加工、貯藏、鑒別、炮制、制劑等方面[12]有著很大的價值，具有穩定、快速、準確、測量方便、不耗材、不耗時等優點[13]，彌補了其他鑒別方法樣品處理復雜、耗材耗時等不足。因此，本實驗在市場調查基礎上，采用電子鼻、電子舌對不同加工方法、產地、藥用部位紫菀進行氣味識別研究，以期為該藥材規格鑒別提供快速、客觀、簡便的識別手段。

1 材料

1.1 儀器 電子鼻系統PEN3(德國Airsense公司)；SA402B味覺分析系統(日本Insent公司)。

1.2 藥材 紫菀原植物采挖于亳州周邊鄉鎮和安國，經安徽中醫藥大學方成武教授鑒定為正品，除去泥土，洗凈，清除母根和雜質，將根和根莖分開，烘干，稱定質量，打粉，過4號篩，用于不同產地、部位及其比例分析；不同規格藥材購于亳州藥材市場，打粉，過4號篩，共15批，編號1～15，具體信息見表1。再按照藥材根與根莖不同比例混合，編號16～26。

2 方法

2.1 電子鼻

2.1.1 傳感器信號分析 電子鼻傳感器對應的敏感成分見表2。以采樣時間為橫坐標，響應信號值(G/G0)為縱坐標，得到10條不同顏色曲線，代表10根傳感器在100 s內的響應值變化，見圖1。

2.1.2 精密度試驗 將同一樣品重復測定5次，數據穩定，各傳感器響應值RSD均小于3%，表明儀器精密度良好。

表1 樣品信息

表2 電子鼻傳感器對應的敏感成分

圖1 電子鼻傳感器響應強度曲線

2.1.3 待測樣品制備 在室溫下取“1.2”項下樣品粉末各3 g，置于一次性塑料杯中，用保鮮膜進行封閉，即得。

2.1.4 測定方法 參考文獻[14]報道，采用直接頂空吸氣法，將進樣針頭插入含樣品粉末的杯中，以電子鼻系統測定的平穩的響應值為指標，對進樣量、體積流量進行考察。最終確定，測定方法為采樣時間100 s/組；傳感器沖洗時間120 s；傳感器平衡時間20 s；待測樣品準備時間5 s；體積流量300 mL/min。

2.2 電子舌

2.2.1 待測樣品制備 在室溫下取“1.2”項下樣品粉末各3 g，置于250 mL錐形瓶中，80 mL去離子水溶解，定容至100 mL，超聲處理30 min，4 000 r/min離心10 min，取上清液。

2.2.2 測定方法 傳感器在3組基準液中分別清洗90、120、120 s，平衡位置歸零30 s，達到平衡后進樣測試30 s，在另外2組基準液中再各清洗3 s，傳感器在新基準液中測試回味30 s，循環4次，見圖2。

圖2 原始數據后3次循環測試響應折線圖

所有數據是以基準液(即人工唾液)為基準的絕對輸出值，測得酸味的無味點為-13、咸味的無味點為-6、其他無味點是0，當味覺值小于無味點時，表明沒有相應的味道，反之則有味道，去掉第1次結果，取后3次數據的平均值。由圖2可知，該傳感器反應穩定，有較好的重復性，表明數據有效。

生物圖是生物科學的第二語言，包括高中生物學教材中的結構模式圖、生理功能圖、數據例析表格、坐標曲線統計圖、遺傳圖解系譜圖等，其最大的特點是既直觀又能承載大量信息，能把復雜的內容簡明扼要地表述出來，變復雜為簡單，變抽象為形象，是表達、概括、拓展和深化生物學概念的重要形式[1]。

2.3 數據分析 使用電子鼻自帶WinMuster軟件中的Loading分析、主成分分析、線性判別法對數據進行處理。其中，Loading分析是對傳感器進行分析，每個傳感器代表著某一類的化學成分，可分析出傳感器區分樣品的能力；主成分分析是從特定方向尋找樣品之間不同點的一種保持原有信息的基礎上降低信息維數的算法[15]，每個樣品在主成分軸上將形成1個集合，各集合之間距離表示其相互之間的相似度，在主成分軸上的貢獻率之和越接近1，樣品原始信息包含度越大，在此基礎上結合判別率進行分析，判別率大于50%表明區分效果良好，小于50%表明區分度小；線性判別法是縮小組內，擴大組間差距，組間距離越大，區差異性越大，第1、2主成分之和貢獻率相近，樣品之間氣味值區分度小。

3 結果

3.1 不同產地紫菀氣味分析

3.1.1 電子鼻 不同產地W2W、W1W、W5S對第1、2主成分值的貢獻率大，其中W1S對第1主成分貢獻率大，對第2主成分較小，氣味差異主要是在W2W、W1W、W5S、W1S上，即氮氧化合物、短鏈烷烴、硫化物，見圖3。

圖3 不同產地紫菀Loading分析圖

在亳州、安國產樣品的主成分分析中，第1、2主成分之和為98.93%，基本涵蓋了原始信息，見圖4。由此可知，2地樣品組間距離大，其中安國產者LDA分析對第1主成分貢獻率大，亳州產者LDA分析對第2主成分貢獻率大。另外，2地無重疊部分，表明區分度顯著，見圖5。

圖4 不同產地紫菀主成分分析圖

圖5 不同產地紫菀LDA分析圖

3.1.2 電子舌 亳州(渦陽義門、十九里馬寨、譙東銅關、懷樓)產樣品根苦味與甜味比值均小于1，表明甜味更明顯，而其根莖兩者比值均大于1，表明苦味更明顯；安國產樣品根和根莖兩者比值均大于1，表明苦味更明顯，見圖6。

圖6 不同產地紫菀根和根莖苦味與甜味比值

3.2 不同加工方法紫菀氣味分析

3.2.1 電子鼻 氣味差異主要是在W1S、W2W、W1W、W5S、即氮氧化合物、短鏈烷烴、硫化物，見圖7。另外，電子鼻對短鏈烷烴的區分最大；氮氧化合物、硫化物相對于不同產地樣品，第1主成分貢獻率降低，第2主成分貢獻率升高。

圖7 不同加工方法紫菀Loading分析圖

曬干、炕干、烘干樣品主成分貢獻率總和為98.05%，基本涵蓋了原始信息；曬干、烘干樣品有重疊部分，表明兩者氣味更相似，判別率為51.7%；能區分烘干、炕干樣品的區分度較大，判別率為88.2%；曬干、炕干樣品之間的判別率為52.1%，表明能區分開，見圖8。

圖8 不同干燥方法紫菀的主成分區分度分析圖

有硫、無硫樣品的第1、2主成分之和為99.686%，判別率為15.3%；有硫樣品對第1主成分的貢獻率大，無硫樣品對第2主成分的貢獻率大，但兩者有重疊部分，表明區分度低，見圖9。再對兩者進行LDA判別因子分析，測得主成分總和為99.702%，表明區分明顯，其中有硫樣品對第1主成分的貢獻率大，無硫樣品對第2主成分的貢獻率大，見圖10。

圖9 有硫、無硫紫菀主成分區分度分析圖

圖10 有硫、無硫紫菀LDA分析圖

3.2.2 電子舌 15-1、15-2為有硫樣品，13、14-1、14-2為無硫樣品，有硫樣品苦、澀、甜味覺值比無硫樣品大，而鮮味的味覺值更小；在豐富度方面，有硫、無硫樣品味覺值相似，見圖11。由此可知，曬干、烘干、炕干只是干燥方法的不同，對紫菀表面氣味的影響較小，味覺值變化不明顯。

圖11 不同加工方法紫菀味覺值圖

3.3 不同藥用部位、根和根莖及其不同比例紫菀氣味分析

3.3.1 電子鼻 紫菀根和根莖第1、2主成分之和為93.99%，原始信息包含度小，判別率低，表明兩者表面揮發性氣味相似，無法區分，見圖12。

圖12 不同藥用部位紫菀主成分區分度分析圖

通過LDA判別因子分析，可知紫菀根和根莖區分度大，前者對第2主成分的貢獻率大，后者對第1主成分的貢獻率大。見圖13。另外，16號(100%根)、26號(100%根莖)樣品區分度大，其他根和根莖比例樣品區分度不明顯。

圖13 不同藥用部位紫菀LDA分析圖

3.3.2 電子舌 紫菀根苦、澀、甜味的味覺值比根莖大，兩者差異最大的是甜味，并且前者豐富度和鮮味的味覺值小于根莖，見圖7。紫菀根占比越大，甜、苦、澀的味覺值越大；占比越小，豐富度味覺值越大；兩者鮮味的味覺值無相關性，見圖14。

圖14 不同比例紫菀味覺值

4 討論

本研究發現不同產地的紫菀受各產地氣候、溫度、土壤、栽培方法等的影響，表面氣味不同，電子鼻和電子舌技術對不同產地的紫菀區分顯著。對不同加工方法的紫菀的氣和味的檢測，有硫紫菀和無硫紫菀差異性明顯。烘干、曬干、炕干區分度不大。不同藥用部位的鑒別主要是性狀鑒別。電子鼻技術對不同藥用部位根和根莖及其不同比例區分度不明顯。通過電子舌技術顯示紫菀根偏甜，紫菀根莖偏苦。當單獨使用電子鼻技術或者電子舌系統技術不能夠區分時，使用電子鼻與電子舌融合技術，能提高檢測的區分率。嗅覺味覺技術的氣味融合方法在實現中藥材品質鑒別中效果更佳。

目前對中藥材的鑒別方法主要是性狀鑒別和顯微鑒別。性狀鑒別和顯微鑒別適用于鑒別中藥材的真偽，而對于不同產地、不同加工方法等的鑒別有一定的局限。TLC、HPLC、GC、GC-MS等現代技術應用雖然比較廣泛，但是樣品前處理復雜，以上方法通常是對樣品的單一成分或一類成分進行定性定量的研究。電子鼻和電子舌技術樣品前處理和分析過程簡單、分析速度快、對樣品氣和味是整體信息的研究。因此，電子鼻和電子舌技術實現了氣味的客觀性表達，使氣和味成為可以量化的指標，以期為中藥材的鑒別提供了新思路和新方法。