劉阿靜 王娟 王波 王慧珺 張紅艷 丁歡

（蘭州海關(guān)技術(shù)中心 甘肅蘭州 730010）

1 前言

當(dāng)歸為傘形科植物當(dāng)歸（Angelica sinensis（Oliv.）Diels）的干燥根，主產(chǎn)于我國(guó)甘肅、云南、四川、陜西和湖北等地，亞洲西部、歐洲及北美等地也多有栽培，性甘、辛、溫，有補(bǔ)血活血、調(diào)經(jīng)止痛、潤(rùn)腸通便之功效[1-2]。研究表明，當(dāng)歸中含有豐富的阿魏酸、藁本內(nèi)酯及總揮發(fā)油等有效成分，這些有效物質(zhì)的合成和累積，與其生存的生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)，故不同產(chǎn)地的當(dāng)歸，其有效成分的含量有顯著差異，品質(zhì)參差不齊[3-5]，若對(duì)其產(chǎn)地鑒別不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)歸藥效的發(fā)揮。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，目前當(dāng)歸藥材道地性的評(píng)價(jià)鑒別技術(shù)主要有指紋圖譜技術(shù)、DNA分子遺傳標(biāo)記、內(nèi)生菌群特征和電子鼻技術(shù)等[6-10]，前兩者是藥材道地性評(píng)價(jià)最為傳統(tǒng)的方法，后兩者通過內(nèi)在品質(zhì)和量化氣味的手段，能夠全面、科學(xué)、客觀、整體性地評(píng)價(jià)當(dāng)歸藥材的道地性，具有非常大的開發(fā)潛力。

電子鼻作為一種新型鑒別技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地表征被測(cè)樣品氣味的整體信息，通過多種模式識(shí)別不同樣品氣味中的微小差異，以此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地溯源，克服檢測(cè)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜等難題，實(shí)現(xiàn)快速無損化檢測(cè)[11-16]。為保護(hù)甘肅當(dāng)歸道地性的良性發(fā)展，本實(shí)驗(yàn)基于電子鼻技術(shù)，提取不同產(chǎn)地當(dāng)歸樣品的整體性氣味信息，借助多元統(tǒng)計(jì)分析法，建立氣味識(shí)別模型，用以表征分析當(dāng)歸的氣味特性，以期實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同產(chǎn)地的當(dāng)歸藥材的高效快速鑒別。

2 材料與儀器

2.1 材料

共采集當(dāng)歸藥材樣品15批，分別從4個(gè)主產(chǎn)區(qū)甘肅隴南（1#~2#）、甘肅定西（3#~7#）、甘肅武威（8#~11#）、青海西寧（12#~15#）收集，所有樣品經(jīng)蘭州大學(xué)封士蘭教授鑒定為傘形科植物（Angelica sinensis（Oliv.）Diels）的干燥根。

2.2 儀器

PEN3便攜式電子鼻（北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司，附帶10根不同的氣體傳感器，其性能見表1）；電子天平（德國(guó)Sartorius公司，±0.1 mg）；微型高速萬能粉碎機(jī)（鄭州科豐儀器設(shè)備有限公司）；螺紋口頂空進(jìn)樣瓶（50 mL）。

表1 傳感器性能

3 方法與結(jié)果

3.1 方法

3.1.1 樣品采集方法

將當(dāng)歸樣品洗凈，除去須根；晾曬干，粉碎，過3號(hào)篩；精密稱取樣品粉末5 g，置于50 mL頂空進(jìn)樣品瓶中，擰緊密封；在室溫條件下將針頭插入頂空進(jìn)樣瓶進(jìn)行氣味數(shù)據(jù)采集，每份樣品重復(fù)測(cè)定6次。

3.1.2 稱樣量的考察

精密稱取樣品粉末0.5、1.0、2.0、5.0、8.0、10.0 g；進(jìn)氣流速為300mL/min，于室溫條件下放置30 min；其它參數(shù)不變，測(cè)定各傳感器響應(yīng)值。結(jié)果顯示，當(dāng)稱樣量≥5.0 g時(shí)，區(qū)分度逐漸下降，原因可能為隨著樣品量的增大，當(dāng)歸強(qiáng)烈的氣味會(huì)影響到傳感器的判斷，使得部分傳感器的氣味識(shí)別超載，因此本文選擇稱樣量為5.0 g。

3.1.3 進(jìn)氣流速的考察

精密稱取樣品粉末5.0 g，于室溫條件下放置時(shí)間30 min；其它參數(shù)不變，分別考察100、200、300、400、500 mL/min進(jìn)氣流速下傳感器的響應(yīng)值。結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)氣流速≥300 mL/min時(shí)，響應(yīng)曲線相對(duì)穩(wěn)定，表明各傳感器對(duì)氣味的表征趨于穩(wěn)定，因此本文選擇進(jìn)氣流速為300 mL/min。

3.1.4 放置時(shí)間的考察

精密稱取樣品粉末5.0g，進(jìn)氣流速為300mL/min；其它參數(shù)不變，分別考察樣品在室溫放置時(shí)間10、20、30、50、60 min下傳感器的響應(yīng)值。結(jié)果顯示，樣品放置30 min后，響應(yīng)值曲線趨于穩(wěn)定，因此本文選擇放置時(shí)間為30 min。

3.1.5 電子鼻響應(yīng)值的測(cè)定

本文在對(duì)上述各因素進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，最終選取最佳的測(cè)試條件：稱樣量為5.0 g，進(jìn)氣流速為300 mL/min，樣品室溫放置時(shí)間為30 min，傳感器自清洗時(shí)間為150 s，分析采樣時(shí)間為100 s。在進(jìn)樣前6 s時(shí)間段，測(cè)得的相對(duì)電阻率較低，但隨著揮發(fā)性氣體成分在各傳感器表面持續(xù)不斷地富集，相對(duì)電阻率呈現(xiàn)先增加而后逐漸趨于平緩，至80 s后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，本文數(shù)據(jù)分析選擇在80~90 s。以穩(wěn)態(tài)時(shí)刻80～90 s獲得的氣味數(shù)據(jù)，繪制不同產(chǎn)地當(dāng)歸的氣味響應(yīng)柱狀圖，見圖1。從圖1可以看出，電子鼻各傳感器對(duì)不同產(chǎn)地當(dāng)歸的氣味響應(yīng)差異明顯，其中S9（W2W）是氣味響應(yīng)值最為明顯的傳感器，其次是S2、S6和S7。

3.1.6 精密度考察

重復(fù)測(cè)定同一樣品6次（以1#樣品穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的平均值為例），分別計(jì)算各傳感器響應(yīng)值RSD。結(jié)果顯示，電子鼻10根傳感器響應(yīng)值RSD在0.91%～4.61%之間，表明該儀器的精密度良好，能夠滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)定的要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本文采用試驗(yàn)所用電子鼻儀器自帶的WinMuster軟件中的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） 和 判 別 因 子 分 析 法（Discriminant factor analysis，DFA）等對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 不同當(dāng)歸樣品氣味特征數(shù)據(jù)分析

為更直觀地表示區(qū)分效果，本文根據(jù)傳感器對(duì)不同產(chǎn)地當(dāng)歸樣品響應(yīng)特征值的不同，選取響應(yīng)曲線穩(wěn)態(tài)時(shí)刻（80~90 s）的平均值，繪制當(dāng)歸藥材氣味雷達(dá)圖，見圖2。從圖2可以看出，不同產(chǎn)地當(dāng)歸雷達(dá)圖的陰影部分面積各不相同，樣品產(chǎn)地間的差異性可以通過雷達(dá)圖來展現(xiàn)。其中，S9、S2、S6和S7傳感器接收到的不同產(chǎn)地當(dāng)歸氣味響應(yīng)值的差異性較大；S1、S3、S4、S5、S8和S10傳感器接收到的不同產(chǎn)地當(dāng)歸氣味響應(yīng)值，在雷達(dá)圖中幾乎可以相互重疊，差異性較??；S9傳感器的氣味響應(yīng)值在雷達(dá)圖中分布的頂點(diǎn)距中心點(diǎn)最遠(yuǎn)，表明其氣味響應(yīng)值的影響最大，當(dāng)歸中可能含有芳香成分或有機(jī)硫化物成分，這與文獻(xiàn)[17-18]中報(bào)道的一致。由此可見，通過電子鼻所測(cè)樣本數(shù)據(jù)生成的雷達(dá)圖，以及氣味響應(yīng)曲線圖及柱狀圖，均能夠從宏觀角度反映當(dāng)歸產(chǎn)地間的差異性。

3.3.2 傳感器分析

本文利用Loading分析法對(duì)氣味信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖3。從圖3可以看出，對(duì)第1主成分貢獻(xiàn)率最大的是S9（W2W）傳感器，對(duì)第2主成分貢獻(xiàn)率最大的是S2（W5S）傳感器；結(jié)合表1可以看出，S9（W2W）傳感器對(duì)芳香成分及有機(jī)硫化物靈敏，S2（W5S）傳感器對(duì)氮氧化合物靈敏。因此，當(dāng)歸氣味成分中可能主要含有芳香類化合物、有機(jī)硫化物和氮氧化合物，這與文獻(xiàn)[17-18]中報(bào)道的一致。

3.3.3 不同產(chǎn)地當(dāng)歸比較分析

PCA對(duì)不同產(chǎn)地當(dāng)歸藥材的分析結(jié)果見圖4和表2。從圖4和表2可以看出，在PCA模型中的第1主成分的貢獻(xiàn)率為99.63%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為0.24%，二者的總貢獻(xiàn)率為99.87%，說明該模型能夠較好地反映原始數(shù)據(jù)信息。據(jù)此分析電子鼻對(duì)不同產(chǎn)地當(dāng)歸的氣味識(shí)別能力，分析結(jié)果表明，其區(qū)分度整體較好，但武威和定西產(chǎn)地的區(qū)分度值僅為0.484，區(qū)分度較低。

表2 PCA區(qū)分度表

利用LDA進(jìn)一步分析4個(gè)產(chǎn)地的當(dāng)歸藥材，見圖5。從圖5可以看出，第1主成分的貢獻(xiàn)率為81.04%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為13.85%，二者的總貢獻(xiàn)率為94.89%，各產(chǎn)地當(dāng)歸樣品間無重疊，主要聚集在不同區(qū)域，說明該模型對(duì)不同產(chǎn)地當(dāng)歸藥材的區(qū)分效果明顯，也表明生態(tài)環(huán)境的差異對(duì)當(dāng)歸氣味的差異影響顯著。

根據(jù)4個(gè)產(chǎn)地當(dāng)歸樣品的表征狀況，利用DFA分析電子鼻傳感器，分別隨機(jī)挑選4個(gè)產(chǎn)地當(dāng)歸樣品數(shù)據(jù)中的70%作為訓(xùn)練集，剩余30%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，建立DFA判別模型，見圖6。從圖6可以看出，DFA分析模型能夠?qū)?個(gè)產(chǎn)地的當(dāng)歸樣品完全區(qū)分，隴南和青海產(chǎn)樣品全部集中在Y軸右側(cè)，定西和武威產(chǎn)樣品全部集中在Y軸左側(cè)；回判發(fā)現(xiàn)，未知的當(dāng)歸樣本都在相應(yīng)的4個(gè)產(chǎn)地中，回判正確率高達(dá)100%，表明DFA分析模型能夠?qū)⒉煌a(chǎn)地的當(dāng)歸完全區(qū)分，該模型可靠準(zhǔn)確。

4 討論

本文基于電子鼻傳感器對(duì)當(dāng)歸特殊氣味的采集，繪制了相應(yīng)的氣味柱狀圖和雷達(dá)圖，初步表征產(chǎn)地間的區(qū)別，并結(jié)合主成分分析、線性判別分析及判別因子分析法，構(gòu)建了相關(guān)氣味模型并進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終建立了電子鼻技術(shù)定性鑒別不同產(chǎn)地當(dāng)歸的分析方法。

研究結(jié)果表明，區(qū)分不同產(chǎn)地的當(dāng)歸藥材，主要通過對(duì)第1主成分貢獻(xiàn)率最大的9號(hào)（W2W）傳感器和對(duì)第2主成分貢獻(xiàn)率最大的2號(hào)（W5S）傳感器；結(jié)合文獻(xiàn)印證，區(qū)分不同產(chǎn)地當(dāng)歸藥材的氣味成分可能主要為有芳香類化合物、有機(jī)硫化物和氮氧化合物；主成分分析及線性判別分析構(gòu)建的模型，能夠?qū)?個(gè)不同產(chǎn)地的當(dāng)歸明顯區(qū)分，表明其揮發(fā)性組分整體性質(zhì)之間的差異較大；構(gòu)建的DFA模型在區(qū)分樣品間的差異性方面表現(xiàn)相對(duì)較好，模型經(jīng)驗(yàn)證判別率達(dá)100%，可以成功地將不同產(chǎn)地的未知樣品進(jìn)行有效區(qū)分，說明電子鼻技術(shù)在鑒別當(dāng)歸產(chǎn)地方面具有一定的可行性。

本文借助電子鼻技術(shù)對(duì)當(dāng)歸的氣味進(jìn)行鑒別，有效實(shí)現(xiàn)了其氣味信息的整體性表征，驗(yàn)證了氣味作為當(dāng)歸鑒別方法的可靠性和準(zhǔn)確性，為當(dāng)歸的產(chǎn)地鑒別、品質(zhì)評(píng)價(jià)、道地性的保護(hù)提供了可靠的技術(shù)支撐。