基于智能感官分析技術探討茯苓藥性理論及其產地差異

修慧迪，程 磊*，王文全，王秋玲

（1. 安徽省中醫藥研究院 亳州分院，安徽 亳州 236800；2. 中國醫學科學院 北京協和醫學院 藥用植物研究所，北京 100193；3. 安徽省中醫科學院 亳州中醫研究所，安徽 亳州 236800）

在漫長的實踐探索中，古人發現中藥的功效作用與某些口嘗滋味有直接的關系，然后抽象地推演出中藥的藥性。中醫理論中有“四氣五味”“升降浮沉”“歸經”“毒性”之分，其中“四氣五味”作為中醫基礎理論的核心組成部分，一直是中醫藥基礎研究的重點和難點[1]。本文將茯苓作為研究對象，利用以電子鼻和電子舌為主的人工智能感官分析技術，探索茯苓藥性理論及其產地差異，為揭示茯苓的藥性理論、地域鑒別和品質評價提供科學依據。

電子鼻和電子舌是模擬嗅覺、味覺而設計的傳感陣列分析新技術，是整體信息綜合反應[2]。將電子鼻與電子舌相結合，氣味兼備，能呈現出味覺與嗅覺的總體信息。中藥因其獨特的氣味和質量要求，在中藥材基原鑒別、質量檢測、產地區分以及中藥材炮制品等方面都在廣泛使用這種智能感官分析技術，在中藥行業有著廣闊的應用前景。

在藥性理論研究上，到目前為止，中藥五味的研究尚未取得重要的突破和進展，大多研究基于間接測定或相關分析，不能完全適用于每種藥味[3-4]。有些關于“五味”理論的傳統記載與實際味感并非特別相符[5]。就茯苓而言，歷代醫家對于茯苓“五味”理論的記載和描述就存在一定爭議[6-9]。《神農本草經》記載“茯苓味甘，性平”[7]。而茯苓的淡味記載于《黃帝內經》[10]，但在《本經》《新修本草》《證類本草》都沒有淡味的記載。至金元時期，在《醫學啟源》中張元素重試淡味[8]，在《皇帝內經》的基礎上提出“淡以滲之”“淡能利竅”的觀點，認為茯苓味甘淡，利水而泄下。至今并沒有相關文獻對以上兩種觀點加以闡述，也沒有茯苓感官特性的綜合描述，僅僅依賴口嘗[11]來反映中藥的真實味道則存在較多的主觀因素，不能作為一種科學的定量方法。因此，我們認為應該用辯證的眼光看待傳統的五味學說，并運用科學的手段對其重新校正[12]。

在產地差異研究上，茯苓的品種和產地眾多，氣味和滋味也有相應差距，在各類典籍中對茯苓產地的記載十分有限。唐代認為華山所出的茯苓質量優于雍州，在《唐本草》中記載：“第一出華山，形極粗大。雍州南山亦有，不如華山者。”《本草圖經》云：“茯苓生泰山山谷 ，今泰、華、嵩山皆有。”清代本草卻認為云南所產的茯苓質量最好，《本草從新》有云：“產云南，色白而堅實者佳，去皮。產浙江者， 色雖白而體輕，其力甚薄”[13]。栽培茯苓最早載于《本草經集注》，且產地由古代江蘇一帶變遷至現今大別山區，以安徽岳西為中心[14]。現主要產于云南、安徽、湖北、河南、四川等地。到目前為止沒有文獻論述過茯苓產地的差異，僅僅通過藥師傳統的經驗——眼看、手摸、鼻聞、口嘗等方式來鑒別中藥的產地和等級。但是這種方式依賴于觀察者多年的工作實踐經驗，不同操作人員的判斷也存在差異[15]。如果利用人工智能感官分析技術對國內不同產地的茯苓進行系統的研究，不僅有助于揭示茯苓四氣五味的科學內涵，也能為茯苓產地的演變提供科學的解釋，揭示目前國內不同地區所產的茯苓整體的差異。

1 材料和方法

1.1 材料

藥材樣品采集于安徽、云南、貴州、廣西、湖北、湖南等6 個省18 個產地。產地信息如表1 所示。所有樣品經中國醫學科學院藥用植物研究所王文全教授鑒定為茯苓菌核，經粉碎后過5 號篩，室溫保存。

表1 樣品信息

1.2 儀器

PEN3 便攜式電子鼻（德國Airsense 公司，型號：PEN3），由10 個金屬氧化物傳感器（表2）、一個模式識別系統和一個信號處理系統組成。電子舌（日本INSENT 公司，型號SA402B）由自動采樣器、主機、6 個化學傳感器（表3）、參考電極和模式識別平臺四個部分組成。

表2 電子鼻傳感器陣列的性能描述

表3 電子舌傳感器描述

1.3 方法

1.3.1 電子鼻檢測

精確稱取茯苓粉2.0 g，放入200 mL 頂空取樣杯中，檢測后密封。在室溫下重復測量5 次。預采樣階段5 s 后，電子鼻測量時間設置為100 s，沖洗時間為60 s。腔內流速為300 mL·min-1，初始注射流速為300 mL·min-1。這10 個電子鼻傳感器的響應曲線如圖1 所示。在測量過程中，各傳感器的響應值在70 s 后逐漸增大，然后趨于穩定，因此提取80 s 的信號作為原始數據。

圖1 電子鼻響應特征圖

1.3.2 電子舌檢測

精確稱取茯苓粉2.0 g，用100 mL 純凈水溶解，回流提取1 h，得到濾液，冷卻過濾。取30 mL 濾液到電子舌專用燒杯中。電子舌傳感器和參考電極在安裝前應在激活液中激活24 h。隨后，在測量過程中使用基準液校正使數據穩定。所有樣品在25 ℃室溫下測定，以基準液作為清洗液。在1 r·s-1攪拌速度條件下，傳感器持續清洗120 s 后測量30 s。如圖2 所示，每個傳感器的響應信號直到15 s 時穩定，因此提取30 s 時的響應值進行進一步分析。

圖2 電子舌響應特征圖

1.4 數據分析

原始數據由Office 2013 提取并繪制成雷達圖。主成分分析和三維圖的繪制由JMP11 數據處理軟件完成。

2 結果與分析

2.1 基于電子鼻技術的氣味分析

2.1.1 茯苓的氣味組成

取電子鼻傳感器陣列響應值的平均值作雷達圖，如圖3 所示。每個傳感器的響應值都在零以上，不同產地的茯苓氣味組成基本相同，強度略有差異。與其他傳感器相比，傳感器7 （對硫化物和含硫有機化合物敏感）、傳感器6 （對甲基類靈敏）、傳感器2 （對氮氧化合物敏感）響應值更高，這可能是由于茯苓中含有揮發性硫化物所致。各產地的茯苓對7 號傳感器的響應差異明顯，云貴廣地區的茯苓樣品響應值高于安徽和湖北，這可能是由于所含硫化物成分含量不同導致。

圖3 電子鼻信息雷達圖

2.1.2 電子鼻主成分分析

電子鼻主成分分析的結果表明，前三個主成分的特征值均大于1，其累積貢獻率達95.05%，說明前三個主成分幾乎可以反映原始變量的全部信息。因此提取前3 個主分作為坐標軸，繪制三維圖，如圖4 所示。由圖4 可知，安徽和湖北的茯苓樣品存在較大的重疊，云南、貴州、廣西和湖南的樣品重疊更為嚴重。

圖4 電子鼻主成分分析三維圖

2.1.3 Loadinsg分析

Loadings 分析的算法與PCA 的算法相同，是對傳感器的分析，得出傳感器區分樣品的能力。利用 Loading 分析法對茯苓樣品進行分析，結果見圖5。Loadings 分析結果顯示，第一主成分的貢獻率為75.288%，第二主成分的貢獻率為 18.741%，貢獻率總和為 94.029%，說明各產地茯苓樣品氣味相互獨立，整體區分度較好。其中，傳感器7 在第一主成分的參數最大，其次是傳感器6、9、2。這與雷達圖的結果吻合。由此推測各產地的茯苓樣品在氣味上的差異主要來自于無機硫化物、有機硫化物、甲基類化合物和氮氧化合物。

圖5 茯苓樣品“氣味”特征數據 Loading分析

2.2 基于電子舌技術的茯苓味道分析

2.2.1 茯苓樣品的整體味覺信息

不同于以往人們對茯苓滋味的認識，茯苓樣品除咸味、酸味外，其他的味覺屬性基本都在無味點以上，說明茯苓具有豐富的味覺信息。茯苓最突出的味道是甜味和苦味。另外，不同產地茯苓的某些味覺屬性在雷達圖上重疊度較低，如酸味、澀味和苦味的回味，但各個產地的樣品酸味響應值在無味點-13 以下，見圖6。

圖6 電子舌味覺信息雷達圖

2.2.2 電子舌主成分分析

圖7 為電子舌檢測結果的響應值降維后所得的主成分分析結果。第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）累計貢獻率達到 83.80%，能較好地反映原始數據特征。總體來看，西南地區（云南、廣西、貴州）的茯苓樣品與岳西地區（安徽、湖北）的茯苓樣品能夠得到大致劃分。

圖7 電子舌主成分分析三維圖

2.2.3 聚類分析

R 型系統聚類是根據變量之間的親疏程度，將具有共同特征的對象聚集在一起。現以組間聯接方法，區間采用平方歐氏距離作為測量，做聚類分析，聚類結果見圖8。縱坐標代表不同產地，第一階段湖南、廣西、云南和貴州的樣品聚成一類，第二階段將安徽和湖北聚成一類，聚類分析結果與主成分分析結果一致。

圖8 茯苓味覺信息聚類分析圖

2.3 茯苓氣味和滋味的產地差異

從茯苓氣味的PCA 分析結果可知，在地理位置上以長江為分界點，能有效區分長江以北和長江以南的茯苓樣品。云南、貴州、廣西、湖南的樣品生長和采收于長江以南，湖北和安徽的樣品生長和采收于長江以北。根據雷達圖可知，W5S、W1S 和W1W 傳感器響應值較高，Loadings 分析結果顯示茯苓氣味的差異主要來源于無機硫化物、有機硫化物、甲基類化合物和氮氧化合物。因此選擇對上述氣味靈敏的傳感器進一步分析茯苓氣味的產地差異，結果如圖9 所示，安徽和湖北的茯苓樣品氣味響應值顯然低于云南、貴州、廣西、湖南的樣品，說明長江以北和長江以南的樣品在無機硫化物、有機硫化物、甲基類化合物和氮氧化合物氣味成分上存在較大差異。

圖9 各省茯苓樣品部分氣味傳感器響應值

茯苓味覺信息的雷達圖分析可知，茯苓甜味顯著，但各產地之間差異不顯著。各產地的茯苓樣品味覺值的差異主要集中在苦味、澀味和苦味的回味上。因此，選擇苦味、澀味、苦味的回味進行分析探討產地之間的差異，結果如圖10 所示。由圖可知，湖北和安徽的茯苓樣品苦味和苦味的回味都顯著高于長江以南——云南、貴州、廣西、湖南的茯苓樣品，且湖北和安徽的茯苓樣品苦味的回味在無味點0 以上，長江以南的樣品苦味的回味都在無味點以下。對于澀味，長江以北的茯苓澀味在無味點以下，而長江以南的茯苓澀味都在人的無味點以上。

圖10 各省份茯苓樣品部分味覺傳感器響應值

3 討論

本研究依據智能感官技術模擬人的味覺系統表征了茯苓氣味、滋味信息，研究發現茯苓含有豐富的嗅覺和味覺信息，以甜味、苦味和鮮味最為顯著。王宏俠等[16]分析了類似化合物的質譜裂解特征，得出茯苓中存在茯苓酸甲酯、25-羥基-16-o-乙酰-富林酸25-醇等三萜，楊嵐等[17]研究表明茯苓中含有一系列完整的蛋白質和氨基酸，這些可能是茯苓甜味或鮮味的物質基礎。對于歷代典籍中所記載的“味淡”，本次研究并沒有得到有價值的滋味依據。人體對中藥氣和味的感知本身就是一個復雜過程，僅僅通過與“味”相關的化學成分的研究作為藥性理論中“四氣”“五味”的物質基礎仍較粗略、較模糊[18]。因此要深入對茯苓藥性理論研究不能僅僅限于智能感官技術自身，將來還要將物質基礎、功效、復方等向臨床轉化延伸來證實藥性理論的臨床應用價值[19-20]。

考慮到不同產地的茯苓氣、味特征存在的差異，本研究對產地也進行了鑒別和區分。電子鼻、舌的主成分分析結果反映了原始數據的大部分信息，安徽和湖北的樣品被化分為同一類，而從地理位置上來看，安徽和湖北的茯苓樣品都采集于大別山山區，且它們的栽培技術、菌種培養和其他種植方式都是相似的，因此可以將它們歸為一類。而云南、廣西、貴州和湖南的樣本被聚為一類，從地理位置上看，這四個省份位于中國的西南地區，樣品中的菌種大多來自湖南省。可能正是由于這些因素使得樣品信息極為相似，歸為一類是合理的。為了深刻揭示茯苓的地緣差異，在今后的勘探中可以考慮擴大樣品的采集范圍，還需要將物質—功效、單味藥—復方、方—證等關聯，以證實不同產地茯苓的臨床應用價值[21-23]。