基于HeraclesⅡ超快速气相电子鼻的牛膝种子快速鉴别研究

王鑫源， 董诚明， 李 曼， 杨朝帆

(河南中医药大学， 郑州 450046)

牛膝(AchyranthesbidentataB1.)为苋科牛膝属多年生草本植物，以干燥根入药[1]。主产于我国河南温县、武陟等地，在汉代被收载于《神农本草经》[2]。牛膝种子根据繁殖方式不同分秋子和蔓苔子，秋子在种植后经济效益较为可观[3]。但秋子生产费时费力，价格昂贵，因此秋子和蔓苔子混用严重。调查发现，内蒙赤峰、河北安国牛膝的繁殖方式均是蔓苔子繁殖，只有河南焦作地区部分农户保留着秋子繁殖方式，且行业中牛膝种子来源不一，混杂严重。

超快速气相色谱电子鼻已广泛应用于农业、医疗等领域，在实际生产中电子鼻可用于建立产品质量控制模型，实现对产品品质的快速有效监控，近年来逐渐应用于中药材的质量评价，在中药行业中有广泛的应用前景。本研究通过电子鼻对不同来源牛膝种子的气味进行检验和区分，以期通过该技术客观描述牛膝种子挥发性化合物的差异,为其鉴别研究提供一定参考。

1 材 料

1.1 实验材料

样品分别来自河南温县、河南武陟、内蒙赤峰、河北安国等地，经由河南中医药大学董诚明教授鉴定为苋科植物牛膝(AchyranthesbidentataBl.)种子。清洗干净后，于4 ℃储藏柜中贮存备用。样品信息见表1。

表1 牛膝种子采集信息

1.2 实验仪器

超快速气相色谱电子鼻(HeraclesⅡ)(法国 Alpha MOS公司)；非极性色谱柱MXT-5(法国 Alpha MOS公司)；弱极性色谱柱MXT-1701(法国 Alpha MOS公司)。

2 实验方法

2.1 样品准备

精密称取牛膝种子1.0 g于10 mL电子鼻专用顶空瓶，用PTFE隔垫密封，放于自动进样装置上，待检。

2.2 分析条件与方法

利用前期优化后的方法及参数(见表2)，采用超快速气相色谱电子鼻进行测定分析，每个样品重复3次。Alpha Soft V 14.2软件进行数据分析，nC6～nC16正构烷烃标准溶液进行校准。

3 结果与分析

3.1 主成分分析(PCA)

图1为不同产地、不同类型牛膝种子的主成分分析图。由图1可知，PCA区分指数(Discrimination Index，DI)为 88，区分指数框为绿色，表明区分有效。第一PCA(PC 1)的累积贡献率为69.423%，第一PCA(PC 1)和第二PCA(PC 2)的累积贡献率之和为82.425%，表明牛膝不同炮制品气味的差异主要由PC 1决定。DI是电子鼻区分样品程度的表征，DI的最大值为100；80～100表明有效区分，其值越大，区分越好[4]。

图1 牛膝种子主成分分析

表2 牛膝种子气味检验参数

表3为样品气味两两间相对距离表。样品间的相对距离越近，则整体气味越接近，反之亦然。由表3可知，温县秋子与温县蔓苔子的相对距离最近(37 856.68)，其次是武陟秋子与武陟蔓苔子(48 654.46)，秋子与蔓苔子是牛膝的2种不同繁殖类型的种子，其整体气味较相近，符合实际生产规律。而河北安国与武陟秋子相对距离最远(171 160.05)，即其气味与武陟秋子差异最大。

3.2 物质定性分析

用AroChemBase数据库对样品中的挥发性化合物进行定性分析，其可能含有的化合物如表4所示。由表4可知，不同牛膝种子样品的挥发性气味化合物在含量上存在差异。牛膝种子中挥发性化合物ethanol平均含量最高，峰面积范围为59 819～170 683；挥发性化合物(E)-2-hexenal平均含量最低，峰面积范围为567～1 185。武陟秋子和蔓苔子的挥发性气味化合物在含量上较为接近，温县秋子和蔓苔子的挥发性气味化合物在含量上也较为接近，说明秋子与蔓苔子的挥发性气味化合物较为相似。不同来源牛膝种子的气味化合物含量差异较大，证明 Heracles Ⅱ超快速气相电子鼻能够快速准确地识别出不同来源牛膝种子之间的差异，为牛膝种子检测提供了新技术。

表4 物质定性及相对含量

表3 牛膝种子气味间相对距离

3.3 判别因子分析

对不同产地、不同类型的牛膝种子进行判别因子分析，结果如图2所示，6种样品均能被较好地区分。武陟秋子与武陟蔓苔子较相近，二者区分效果较差。

图2 不同产地、不同类型牛膝种子的判别因子分析

《种子》——给您收获的希望！

判别因子分析常用于建立样本数据库，再对未知样品进行定性判别，确定未知样品的信息。鉴定未知样品不仅能够投影单个样品，也能够将多个样品作为一个数据库进行投影。判别因子分析法建立的模型可以用来鉴定样品的品种、真伪和产地等。选择未进行分析的样品数据进行投影鉴定，鉴定结果见图3、表5。

图3 判别因子模型鉴定样品结果

表5 判别因子模型鉴定样品

未知样品分别为属于河北安国样品组的河北安国X、河北安国Y及属于河南温县蔓苔子样品组的河南温县蔓苔子X、河南温县蔓苔子Y。由此可知判别因子模型为有效模型，可用于不同产地牛膝种子的区分，使PCA结果得到进一步验证。

3.4 软独立建模分析(SIMCA)

SIMCA是一种定性分析手段，用于简单的判别，能够给出好或坏，合格或不合格的分析结果，并通过逐个验证样本的交叉有效性来计算识别百分比[7]。以不同牛膝种子样品为研究对象，假设其为品质不同的样品，河北安国样品为合格样品，对6种牛膝种子样品进行SIMCA分析。

图4为6种牛膝种子样品的SIMCA分析结果，将河北安国样品为参考样，其他样品为未知样，图中蓝色部分代表可接受区域。由图4可知，其他样品均落在蓝色区域外，即不被河北安国样品接受，说明其他样品不属于河北安国样品气味合格范围内。说明SIMCA为有效模型，可用于不同产地牛膝种子的区分。

图4 6种牛膝种子样品的SIMCA分析

4 讨论与结论

Heracles Ⅱ超快速气相电子鼻技术是一种新颖的气味分析技术，现已广泛应用于食品领域[5-6]。本实验以牛膝种子为研究对象，关注种植中种子资源混杂问题，为种子基源快速鉴定提供一个可行办法。Heracles Ⅱ超快速气相电子鼻根据Kovats保留指数定性，在Arochembase数据库中对不同产地牛膝种子进行定性分析，并通过化学计量学方法实现气味差异分析;实现了对不同来源牛膝种子的快速鉴别，与传统鉴别方法相比更加快速方便，为中药材种子资源检测提供了新思路。