基于化學計量學對不同產地生姜的質量評價

胡力飛，吳濤，吳新，石榴花，殷濤，孫代華

1.湖北工業大學生物工程與食品學院（武漢 430068）；2.勁牌持正堂藥業有限公司（黃石 435100）；3.勁牌有限公司（黃石 435100）

生姜為姜科植物姜（Zingiber officinaleRosc.）的新鮮根莖，具有“解表散寒，溫中止嘔，化痰止咳，解魚蟹毒”的功效[1]，為我國重要的藥食同源中藥品種，并在調味品、香辛料及化妝品等行業應用廣泛[2-4]。生姜種植區域非常廣泛，多分布于亞洲、非洲及南美洲，是我國重要的經濟作物，在我國南北各地均有栽培[5-6]。

生姜根莖肉質肥厚，營養成分豐富，并含有姜酚、揮發油等多種活性成分[7]，具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗菌、神經保護、降血脂、降血糖等作用[8-16]。其中6-姜辣素、8-姜酚和10-姜酚含量是2020年版《中華人民共和國藥典》（簡稱《中國藥典》）生姜項下的重要指標，也是保健食品及中藥產品原料應用的重要參考依據。試驗根據《中國藥典》生姜項下要求，對云南紅河、云南文山、云南曲靖、四川樂山、山東濟寧共計42批次原料進行質量評價，并根據測定結果進行聚類分析、主成分分析及正交偏最小二乘分析，對不同產地生姜指標進行比較，以期為生姜產品開發、原料產地選擇提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

UltiMate 3000高效液相色譜儀[賽默飛世爾科技（中國）有限公司]；Thermo Syncronis C18液相色譜柱[賽默飛世爾科技（中國）有限公司]；XS-105DU電子分析天平（梅特勒托利多科技有限公司）；PHOENIX馬弗爐（美國CEM公司）；101-2AB電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）。

6-姜辣素（批號111833-202007，99.3%，中國食品藥品檢定研究院）；乙腈（色譜級，美國Fisher chemical公司）；甲酸（色譜級，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；其余試劑均為分析純。42批不同產地生姜藥材，由勁牌持正堂藥業有限公司采集，經鑒定為姜科植物姜Zingiber officinaleRosc.的新鮮根莖，藥材產地信息見表1。

表1 生姜樣品產地信息

1.2 試驗方法

1.2.1 6-姜辣素、8-姜酚和10-姜酚含量測定

采用2020版《中國藥典》生姜含量測定項下要求進行含量測定，所用色譜柱為Thermo Syncronis C18，進樣量為10 μL。

1.2.1.1 色譜條件

色譜柱為Thermo Syncronis C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流動相為乙腈-水（35∶65，V/V）；檢測波長282 nm；洗脫進間40 min；柱溫30 ℃。圖1為對照品及生姜藥材HPLC色譜圖。

圖1 姜辣素對照品及生姜樣品HPLC色譜圖

1.2.2 總灰分、揮發油、二氧化硫殘留量測定

總灰分、揮發油、二氧化硫殘留量分別根據《中國藥典》通則灰分測定法、揮發油測定法（甲法）、二氧化硫殘留量測定法（酸堿滴定法）測定。

2 結果與分析

2.1 含量測定方法學確認

根據1.2.1條件開展生姜藥材檢測方法學確認，結果表明，6-姜辣素重復性SRSD為0.6%，中間精密度SRSD為0.8%，8-姜酚與10-姜酚總量重復性SRSD為0.7%，中間精密度SRSD為1.1%，表明儀器的精密度及方法的重復性較好，檢測方法適宜性較好。

2.2 生姜樣品測定結果

試驗按照《中國藥典》生姜項下要求對總灰分、揮發油、二氧化硫殘留量、6-姜辣素、8-姜酚與10-姜酚總量進行測定，并增加藥材中8-姜酚、10-姜酚含量用于分析，各項測定數據見表2。

表2 42批生姜樣品檢測結果

42批生姜樣品總灰分、揮發油、二氧化硫殘留量和6-姜辣素含量均符合《中國藥典》要求（二氧化硫殘留量均未檢出），但有15批次樣品8-姜酚與10-姜酚總量不符合《中國藥典》要求。各含量指標與產地呈一定關聯性，樂山市沐川縣、犍為縣樣品8-姜酚、10-姜酚含量差異較大，因此將兩縣樣品單獨統計，結果如圖2所示。云南紅河、文山、曲靖樣品揮發油、8-姜酚、10-姜酚含量相對較高；犍為縣樣品雖然6-姜辣素比沐川縣高，但8-姜酚、10-姜酚含量較低；濟寧生姜樣品6-姜辣素含量較低，但8-姜酚、10-姜酚含量略高于樂山市犍為縣樣品。

2.3 聚類分析（CA）

以總灰分、揮發油、6-姜辣素、8-姜酚與10-姜酚總量、8-姜酚、10-姜酚檢測結果作為變量，采用Origin Pro 2023軟件對以ward聚類方法結合Euclidean距離計算對42批生姜樣品進行聚類分析，以ward聚類方法結合Pearson相關性對6個指標變量進行聚類分析，聚類分析結果見圖3。結果表明：當判定距離為15時，生姜樣本可被分為2類，其中云南省樣本被聚為1類，四川樂山、山東濟寧樣品被聚為1類；判定距離為10時，生姜樣本可被分為4類，云南紅河、文山、曲靖各產地樣本較為分散，部分紅河及文山樣本（S3、S6、S8、S10、S14）被聚為1類，其他云南樣本被聚為1類，樂山市沐川縣樣本被聚為1類，樂山市犍為縣、濟寧市樣本被聚為1類。6個變量被聚為3類，揮發油、8-姜酚與10-姜酚總量、8-姜酚、10-姜酚4個變量聚為1類，6-姜辣素為1類，總灰分為1類。從聚類熱圖中可見，生姜原料的分類與各變量之間有一定相關性，可能與各種植地區的氣候、土壤等因素有關。

圖3 42批生姜樣本聚類分析熱圖

2.4 主成分分析（PCA）

采用OriginPro 2023軟件對總灰分、揮發油、6-姜辣素、8-姜酚與10-姜酚總量、8-姜酚、10-姜酚指標進行主成分分析，計算相關矩陣的特征值、特征向量和分值。確定特征值＞1的2個主成分，2個主成分的累計方差貢獻率為83.85%，由相關矩陣的特征值所作碎石圖見圖4。第1主成分（PC1）解釋了總方差的67.04%，信息主要來自于揮發油、8-姜酚與10-姜酚總量、8-姜酚和10-姜酚，且均呈正相關；第2個主成分（PC2）解釋總方差的16.81%，信息主要來自于總灰分，且呈正相關。以PC1、PC2得分及特征向量繪制42批次生姜樣本的雙標圖，見圖5。其中云南省紅河、文山及曲靖三地分布較為集中，樂山市沐川縣樣本與犍為縣樣本較為相近，同時犍為縣還與濟寧市樣本較為相近，與聚類分析結果相似。

圖4 主成分分析碎石圖

圖5 42批生姜樣品主成分分析雙標圖

同時，以PC1、PC2所得分值及各主成分的方差貢獻率作為權重，構建主成分綜合評價函數：F（綜合得分）=0.6704×PC1+0.1681×PC2，經計算42批生姜主成分綜合得分及排序如表3所示。由綜合評分可得到各產地生姜樣品的分類情況，其中所采集的樣本中，云南省生姜評分相對較高。

表3 42批生姜樣本主成分因子得分、綜合得分情況

2.5 正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）

采用SIMCA14.1軟件對42批生姜進行OPLS-DA分析，結果表明，通過OPLS-DA可實現對云南省、樂山市和濟寧市的有效區分，分析中的自變量擬合指數（R2X）為0.994，因變量擬合指數（R2Y）為0.674，模型預測指數（Q2）為0.662，R2和Q2均超0.5，表明模型擬合結果可接受。同時通過200次置換檢測，Q2回歸線與縱軸的相交點小于0，說明模型不存在過擬合，所建立的模型有效，認為該結果可用于生姜產地對比分析，相關分析結果如圖6和圖7所示。所生成的變量VIP圖如圖8所示，并以VIP大于1為閾值，篩選出3個貢獻值較大的成分，依次為揮發油、總灰分和8-姜酚，判斷其為區分3個組別樣本的代表性差異性成分，成分差異可能與生姜的品種、種植環境等因素相關。

圖6 OPLS-DA得分圖

圖7 OPLS-DA模型置換驗證圖

圖8 OPLS-DA模型VIP值

3 結論

試驗對云南省云南紅河、云南文山、云南曲靖、四川樂山、山東濟寧的生姜樣品進行收集，并根據《中國藥典》生姜項下要求對其總灰分、揮發油、二氧化硫殘留量、6-姜辣素、8-姜酚與10-姜酚總量進行測定，并結合8-姜酚、10-姜酚含量，采用聚類分析、主成分分析及正交偏最小二乘判別分析3種化學計量學方法，對測定結果進行分析。聚類分析結果表明，云南省生姜樣本與其他兩地樣本能很好地被區分：其中，云南省紅河、文山、曲靖樣本較為相近，但云南省內各產地間的分類較為分散；樂山市犍為縣樣本與濟寧市相近；各變量被聚為3類，其中6-姜辣素為1類，總灰分為1類，其他指標被聚為1類。主成分分析則表明：云南省紅河、文山及曲靖三地分布較為集中，樂山市沐川縣樣本與犍為縣較為相近，同時犍為縣與濟寧市樣本較為相近，綜合評分結果顯示云南省樣品綜合評分相對較高，分析結果與聚類分析基本一致。結合各批次生姜分類情況進行正交偏最小二乘判別分析，可實現對云南省、樂山市和濟寧市樣本的有效區分，揮發油、總灰分和8-姜酚為區分3個組別樣本的代表性差異性成分。試驗結果可能與不同區域生姜品種、種植條件、氣候等因素有關，后期可采集綜合評價相對較高的云南省各產地生姜樣本，對不同區域生姜的化學成分情況加以研究，以進一步評價生姜原料品質情況。