豨莶草中滋味检测方案(感官智能分析)

中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第48卷第4期2017年2月·673· 基于电子舌技术的豨莶草炮制前后滋味比较 付智慧，李淑军，胡慧华*，刘 鹏，孙美玲 北京中医药大学，北京 100102 摘 要：目的 研究豨莶草炮制前后滋味的变化，建立生、制品豨莶草滋味判别模型。方法通过电子舌测量12批生品豨莶草与12批炮制品豨莶草的酸、苦、涩、咸、甜味值，利用配对t检验、主成分分析(PCA)和线性判别因子分析(LDA)等方法研究豨莶草炮制前后各味道的变化情况。结果 通过配对t检验发现豨莶草炮制后，苦、咸味下降，酸、涩、甜没有明显变化；通过PCA 可以区分生品与制品豨莶草；通过 LDA 可以建立生品、制品味道判别模型，并进行交叉验证，正确率达到100%；通过雷达图建立了豨莶草生品与制品的滋味指纹图谱。结论 电子舌能够对中药豨莶草的酸、苦、涩、咸、甜味值进行准确的辨识，结合统计方法，可以从数值上体现豨莶草炮制前后滋味的改变，并以此推测豨莶草炮制前后滋味的改变与功效的改变之间的关系。另外，建立的生、制品判别函数模型及雷达图指纹图谱可以用于生、制品豨莶草的判别。关键词：电子舌；豨莶草；滋味；炮制；判别模型；酸；苦；涩；咸；甜；主成分分析；线性判别因子分析；雷达图；指纹 图谱 中图分类号：R283.1 文献标志码：A 文章编号：0253-2670(2017)04-0673-08 DOI： 10.7501/j.issn.0253-2670.2017.04.010 Taste comparison of unprocessed and processed Siegesbeckiae puescens based onelectronic tongue FU Zhi-hui， LI Shu-jun， HU Hui-hua， LIU Peng， SUN Mei-ling Beijing University of Chinese Medicine， Beijing 100102，China Abstract： Objective To study the taste of unprocessed and processed Siegesbeckiae puescens (SP) and establish a taste discriminationmodel.Methods The sour， bitter， astringent， salty， and sweet values of 12 batches of unprocessed and processed SP were measured byelectronic tongue using a paired t-test， principal component analysis (PCA)， and the linear discriminant factor analysis (LDA) to studythe changes of the taste of unprocessed and processed SP. Results The paired t-test showed that the bitterness and saltiness ofprocessed SP decreased；Astringency， sweetness， and sourness did not significantly change. The PCA can distinguish unprocessed andprocessed SP. The model of the taste of unprocessed and processed SP was established through the LDA， and conduct cross validation；Its correct rate reached 100%. The fingerprint of taste of unprocessed and processed SP was established through radar-graph.Conclusion Electronic tongue can identify sour， bitter， astringent， salty， and sweet values of traditional Chinese medicine accurately.It can reflect the numerical change of taste of unprocessed and processed SP combining with statistical method. Based on it， it can beinferred that the relationship between the change of taste and clinical efficacy before and after processing of SP. Besides， thediscriminant model can be used to distinguish unprocessed and processed SP. Key words： electronic tongue； Siegesbeckiae Puescens Makino； taste； processing； discriminant model； sourness； bitterness；astringency； saltiness； sweetness； principal component analysis； linear discriminant factor analysis； radar-graph； fingerprint 豨莶草 Siegesbeckiae Herba 为菊科豨莶属1年生草本植物豨莶 Siegesbeckia orientalis L.、腺梗豨莶Siegesbeckia pubescens Makino 和毛梗豨莶Siegesbeckia glabrescens Makino 的干燥地上部分， 性味辛、苦，寒，归肝肾经，功效是祛风湿、利关节、解毒。临床上用生豨莶草和酒蒸(炙)豨莶草2 种炮制品01-2)。张廷模3对豨莶草生熟异用总结为“生用与制用，其药性与功效有别，两者均可祛风湿、 ( 基金项目：国 家自然科学基金项目资助(8117 35 5 0) ) ( 作者简介：付智慧 (1987一 )，女 ， 硕 士 研 究 生， 研究方向为中药炮 制 。 Tel： 13 3 81466 0 69 E-m a il： 3 9 53 44 1 43@qq.com ) ( *通 信 作者 胡慧华(19 62 一 ) ， 女 ，副教授，博士，研究方 向 为中药炮制。Tel： 13 8 10146733 3 3 E - m ail： a huihh@ si na.com ) 舒筋活络，但以炮制品之辛散温通力稍强，风湿痹证、骨节疼痛或麻木拘挛者多用；治疮痈肿毒，取其清热解毒之功；治湿疹痒疮，取其除湿止痒之功，宜生用。”这说明豨莶草炮制前后功效存在一些变化4，孔繁瑶及邵露研究究果也证实了该结论。 中药“五味”是中药的重要性质，其与中药“四气、归经、升降浮沉、毒性”等之间存在复杂的联系 一并构成了中药的药性理论，作为临证立法、配伍组方的重要依据。其中，中药“五味”既可能是中药自身的滋味，也是中药功效的高度概括。而中药自身的滋味主要是由口尝获得。然而，因人工口尝具有主观性以及个体差异性，很难对中药的滋味得到一致的评价，这可能也是导致古代医家对中药滋味的评价存在差异的原因之一。 电子舌技术 (electronic tongue， ET)又被称为人工味觉识别技术或味觉传感器技术，是20世纪80年代中期发展起来的一种分析、识别单一或者复杂液体“味道”的智能仪器技术19-12)。其在食品领域中应用较为广泛，诸如在茶叶[13-14]、酒类[15-18]、饮料[19-21]、食醋[22-23]、食用油[24]、蜂蜜125-27]、肉制品[28-29]、乳制品[30-31]的滋味鉴别质量等级评价以及在食品安全与检测中1321等已经有了一定的应用研究基础。中药同食品一样，也是源于自然界的动植物及部分矿物，所以，基于中药在食品领域中的应用，将电子舌应用于对中药滋味的评价亦是可行的[12.33]。 本实验利用电子舌结合配对t检验、主成分分析(PCA)和线性判别因子分析(LDA)等统计方法对中药豨莶草炮制前后的酸、苦、涩、咸、甜值(辛味无法测量，因为其是痛感与热感的结合而产生的121)进行测量分析，为从中药自身的“五味”层面探讨豨莶草炮制前、后滋味发生变化及临床应用不同“的原因提供参考，并建立豨莶草炮制前后滋味的判别模型。 仪器与试药 分析天平，型号FA1104B，上海越平科学仪器有限公司；电子舌，型号 TS-5000Z，数据分析软件Taste sensing system Ts-5000Z Analysis ApplicationVer 170， 北京盈盛恒泰科技技术有限公司；离心机，型号TDL-5-A，上海安亭科学仪器厂；500 mL电热套，型号98-1-b-B，天津市泰斯特仪器有限公司。 上海黄酒，上海金枫酒业股份有限公司；洋槐蜂蜜，北京百花蜂蜜公司；去离子水。 本实验所用豨莶草药材采购自全国6个省份，10个产区，共计12份，药材样品信息见表1。所有样品均由北京中医药大学胡慧华教授鉴定，并依照《中国药典》2015年版收录的豨莶草项下薄层色谱检查方法进行检验，均为菊科植物腺梗豨莶Siegesbeckia pubescens Makino 的干燥地上部分。其中，生品豨莶草为各产地的生品豨莶草药材除去杂质、粗茎枝净制而得；制品豨莶草为将蜂蜜、黄酒按1：1的比例，再加适量的去离子水制成蜂蜜黄酒水，分成9份，每次1份。然后分别依次加入到上述各产地的生品豨莶草中，拌匀，隔水蒸 45 min：取出，太阳下晒干，再拌匀1份蜂蜜黄酒水，又蒸45 min，如此9次，干燥而得[34-36]。 表1 药材样品信息 Table 1 Sample information 编号 产地 商品地或采集地 药店名称 1 贵州贵阳 贵州贵阳 无 2 贵州都匀 贵州都匀 无 3 安徽 山东青岛 同仁堂 4 河北 湖南 湖南馨恒堂中药科技有限公司 5 河南 河南 睢县恒生医药超市 6 湖南 湖南 心健大药房 7 湖北 湖南 益丰大药房 8 江苏 北京 北京同仁堂连锁药店 9 广西北海 广西北海 百姓大药房 云南 北京 北京华严北里小区医务室 安徽亳州 湖南 千金大药房 12 广西南宁 广西南宁 无 2方法与结果1 TS-5000Z 电子舌介绍 TS-5000Z 电子舌采用的是多通道类脂膜传感器，它由8个类脂膜传感器组成，每个传感器可以测量1个味道，分别可以测量酸、苦、涩、咸、甜及鲜味的响应值。 这些传感器附在2个不同的传感器头上，每个传感器头上安装了1个参比电极。为了避免交叉污染，每个样品需要装成2份，平行放在2排环形样品杯中，且1个循环可以测量10个样品，每个样品测 30 s(30 s为默认时间)，然后每次测完1个样品，传感器需先放在 30%乙醇溶液里清洗，然后再在由酒石酸与氯化钾配制而成的标准溶液中平衡后，再去测另1个样品。当传感器进入到待测溶液中后，膜电势就会发生改变，样品的味值就是由样品的电 压值与含由氯化钾和酒石酸的标准溶液的电压值的差值决定的371。 该电子舌根据韦伯费希纳定律将人“刚能感受到的味道”及到人“最大所能承受的味道”响应值量程分为25个单位，每个单位代表样品的浓度相差20%，这20%的浓度差异是正常人能感受到的，如果低于这个单位，正常人是感受不到他们之间差异的138]。人能感受到的味觉响应值范围分别为酸：-13~12；苦：0~25；涩：0~25；咸：-6~19；甜：0~25。 2.2 电子舌测量条件 电子舌经活化、校正、诊断通过，确保采集得到的数据可靠、稳定，室温(25℃)条件下进行测定，每份样品体积为80 mL， 电子舌传感器在每个样品中的采集时间为30 s， 清洗时间为330 s， 每秒采集1个数据，本研究每份样品测定4次或者6次，每份样品都要测酸、苦、涩、甜、咸5个值，去除第1次循环的数据，取后3次或者后5次循环的数据的值为测量值[12.37)。 2.3 样品溶液的制备 通过文献研究发现，电子舌所测量的中药样品溶液多为水提溶液。且也考虑到为使电子舌测量的豨莶草的味觉与临床广泛应用的水煎液味觉更接近，故本实验样品的制备亦采用水提法。方法如下：取药材 10 g于500mL烧瓶中， 100 mL 水浸泡30min， 电热套加热回流煎煮30 min， 趁热300目筛滤过，滤渣再加水100 mL， 回流煎煮 30 min， 趁热300目筛滤过，合并滤液，加水定容至200 mL；5 000r/min 离心10min， 取上清液，0.45 um微孔滤膜滤过，得含生药量 0.05 g/mL 的样品溶液2. 2.4 样品的质量浓度考察 取表1中1号生品豨莶草药材，按“2.3”项下方法制备药液，按表2设计对药液进行稀释、编号和检验。本实验每份样品测量6次循环，第1次循环的数据舍去，取后5次循环的数据，见表3。由表3可知，药液质量浓度在7.5~10.0 g/L时，酸、苦、涩、咸、甜的响应值随质量浓度的增大升、降趋势相同，且5次测量的数值的 RSD 均小于5%。为减小误差，本实验取最大质量浓度 10.0 g/L 为样品测试质量浓度。 2.5 样品的稳定性考察 取表1中1号生品豨莶草药材，按“2.3”项下方法制备药液，按“2.4”项下6号样品的方法进行 表2样品稀释结果 Table 2 Results of sample dilution 编号 取药液量/mL 总量/mL 生药量/(g.L) 1 18.0 120 7.5 2 19.2 120 8.0 3 20.4 120 8.5 4 21.6 120 9.0 5 22.8 120 9.5 6 24.0 120 10.0 表3 样品质量浓度考察结果 Table 33Results of sample concentration 2.6 电子舌的稳定性考察 取表1中编号1~10号的10批生品豨莶草，按“2.3”项下方法制备药液，然后稀释制成10份质量浓度为10.0 mg/mL的药液，按“2.2”项下的测量条件对样品进行测量。取后5次循环数据，见表5 时间/h 酸 苦 涩 咸 甜 -37.33 12.24 1.90 4.80 12.04 -36.66 12.33 2.05 4.67 11.91 2 -35.48 12.20 2.05 4.66 11.90 -34.49 11.99 2.03 4.71 11.85 -33.98 11.83 1.99 4.83 11.79 均值 -35.59 12.12 2.00 4.73 11.90 RSD/% 3.54 1.49 2.99 1.48 0.67 表5 电子舌的稳定性考察 Table 5Stability of electronic tongue 可知10个样品5次循环所有味觉响应值的 RSD 均小于5%，说明电子舌稳定。 2.7 传感器分辨能力分析 利用表5中10批生品豨莶草的测量值，用电子舌自带的数据分析软件“Taste sensing system Ts-5000Z Analysis Application Ver 170”对电子舌的传感器做分辨能力分析，结果见表6。表6中误差平均值(g)指均方根，传感器误差率(m)指同种样品的不同质量浓度对测定结果的影响，区分能力误差率(m2)指不同样品对测定结果的影响， 表 6传感器分辨能力分析 Table 6 Resolution capability analysis of sensor 滋味 误差平均值(g) 各味道平均值(s) 样品标准偏差(s2) 传感器误差率(mj)/% 区分能力误差率(m2)/% 酸 0.32 38.79 1.24 0.82 25.66 苦 0.08 12.66 1.87 0.60 4.08 涩 0.04 1.73 0.28 2.60 15.87 甜 0.13 6.57 2.86 1.91 4.38 咸 0.03 12.50 0.56 0.21 4.76 误差率=测定误差平均值/样品整体偏差。若误差率为20%指样品最大可识别为5组，误差率为50%指样品最大可识别为2组，误差率为100%指g=S2，不能有效识别。一般认为区分能力误差率(m2)≤50%时，传感器能有效区分样品中的味觉指标，否则判定测试数据无效。本实验对不同产地的豨莶草进行的味觉统计分析显示每个味觉指标的 m2 均小于50%，说明传感器对样品进行了有效地区分。 2.8 样品测定 取表1中的12批生品豨莶草及12批相对应的炮制品豨莶草药材，共计24份，按“2.3”项下方法制备药液，按“2.4”项下6号样品的方法进行稀释，然后稀释制成24份质量浓度为10.0 mg/mL的药液，按“2.2”项下条件对样品进行测量。测量结果见表7。其中，1~10号生品及相应炮制品的测量数据用于主成分分析(PCA)、线性判别因子分析(LDA)中分类函数的建立，以及生、制品雷达图的建立，11、12号生品及相应的炮制品的测量数据用于LDA 中分类函数的验证。 由表7可知，12批生品及相应制品豨莶草的酸味值均不在人能感知的味觉范围-13.00~12.00内，说明豨莶草炮制前后均无酸味。但炮制前后均有苦味、涩味、咸味、甜味，其中涩味的响应值在1.00~3.00，占人能感知的响应值区间0.00~25.00的一小部分，说明涩味比较微弱。 2.9 数据处理 2.9.1 配对t检验 利用 SPSS 17.0软件，对表7中前10批生品及相应制品豨莶草样品味道的均值进行配对样本t检验，检验结果见表8。其中，当P<0.05时，说明差异具有统计学意义。由表8可知，炮制前后，酸、涩、甜味检测数值明显上升，苦、咸味检测数值明显下降。 但由于该电子舌味觉响应值1个单位代表样品20%的浓度差所引味觉差别，即是人所能感觉到味觉差别的最小单位，当低于1个单位时，正常人是 感觉不到它们的味觉差异。且又由于酸味本就不在人所能感受到的味觉响应值范围，所以炮制前后人真正能感受到的味觉差异是苦味、咸味降低了。 2.9.2 PCA 用 MATLAB 2015A 软件对表7中前10批生品及相应制品豨莶草样品各味道的响应值做 PCA， 结果见图1。可以看出生品、制品豨莶草被明显分为2类。 2.9.3 LDA 用 SPSS 17.0分析软件对表7中的前10批生品及相应制品豨莶草样品各味道的响应值进行LDA， 并对11、12号生品及相应制品豨莶草样品的测量结果进行判别验证。其分类函数分别为Y=8.603 X1-5.960 X2+347.199 X3+73.750 X4+288.056 X5一2165.918，Y2=19.435 X1-8.837 X2+366.707 X3+79.216 X4+325.480 X5二2307.137，Y、Y2分别代表生品与制品， Xi、X2、X3、X4、Xs为酸、苦、涩、咸、甜的响应值。若Y>Y，则属于生品，若Y0，贝属于生品，若Y<0，则属于制品。 判别结果显示，其对生品、制品能进行有效的判别，判别识别率为100%。 2.9.4 豨莶草炮制前、后特征滋味指纹图谱 对表7中的前10批生品及相应制品豨莶草样各味道的响应值做雷达图，作为生、制品豨莶草的特征滋味指纹图谱，见图2。可以很直观地看出豨莶草炮制前后、酸、苦、涩、甜、咸味道的变化情况。 3 讨论 通过文献研究发现，电子舌在中药研究方面的应用非常广泛，它既可以评价中药或其成分的滋味、评价不良味道药材的掩味效果，还可以判断药材的产地、基原、年份、炮制程度，以及可以鉴别粉末中药39。且文献研究发现国内利用电子舌对中药的研究采用的都是法国 Alpha MOS 公司生产的 a- 表712份生品与对应炮制品豨莶草的味觉测量数据 Table 7 Taste measurement data of 12 raw materials and corresponding 12 processed products of S. puescens 表8 豨莶草炮制前后各味道均值配对t检验结果 Table 8 Paired t-test results of all tastes means of S.puescens before and after processing 味道 生品-制品差分的均值 显著性 酸 -9.98 P<0.05 1.83 P<0.05 -0.43 P<0.05 咸 3.29 P<0.05 甜 -0.27 P<0.05 左侧是生品豨莶草，右侧是制品豨莶草 Raw SH is the left one， while its product is the other one 图1 10批生品及10批相应的制品希莶草样品的各味道的响应值的PCA 图 Fig. 1 PCA diagram of response value of tastes of 10 rawmaterials and corresponding 10 processed products of S.puescens Raw SH is the blue one， while its product is the other one 图2 豨莶草炮制前后的雷达图 Fig.2 Radar graph of before and after processing Astree 电子舌，本实验为首次利用日本 Kiyoshi Toko 教授研发的 Insent 电子舌于中药本身滋味的研究。另外， a-Astree 电子舌结合多元统计分析，在检测中药的滋味时，最终只能得到1个滋味，比如“苦”味或者“甜”味，同1个滋味也存在程度上的差异，比如“苦”“微苦”“极苦”； Insent 电子舌结合多元统计分析，可以同时测出同1个样品所包含的“多种滋味”，比如可以同时测1个样品的“酸”“苦”“涩”咸”甜”这几种基本味(另外，还可以测“鲜”味，用于食品领域)。为更全面反映中药自身的滋味，本实验采用 Insent 电子舌。 通过研究发现豨莶草炮制前后均具有苦、涩、咸、甜味，涩味微弱，仅“苦”味与《中国药典》记载的豨莶草性味“苦、寒”中的“苦”味一致；通过对豨莶草炮制前后的测量数据进行配对t检验发现，豨莶草炮制后，苦、咸味下降，酸、涩、甜没有明显变化。分析苦、咸味下降的原因，这可能跟加入的辅料蜂蜜、黄酒以及炮制过程有关系；对于加入蜂蜜而甜味上升不明显，推测原因可能是甜味成分用来抑制了豨莶草的“苦”之性，而自身的味觉值却没有上升。另外，从药性理论来讲，苦味“能泄、能燥、能坚”，苦味下降，意味着“清泄、燥湿”的功效将有所降低，对于豨莶草来讲，从豨莶草中药自身苦味滋味的改变推测其“五味”中“苦味”的改变，进而尝试解释了文章前言中张廷模提到的豨莶草生熟异用的原因③。 最后，鉴于 Alpha MOS 电子舌在中药研究方面已经取得的广泛应用， Insent 电子舌在中药研究方面的应用将更加广泛、全面。除了在中药炮制方面可以通过研究炮制前后的滋味变化、从“五味”方面尝试解释传统炮制理论外，还可以建立每1味中药的电子舌识别模型，用于每1味中药的真假优劣、产地、炮制质量、贮存时间的识别，以及中药制剂的电子舌在线识别模型，用于中成药的制备工艺和质量控制等。本实验将为今后电子舌在中药研究方面的应用提供参考。 志谢：北京盈盛恒泰科技技术有限公司在电子舌方面提供的技术支持与帮助。 ( 参考文献 ) ( 中国药 典 [ S ]. 一部 .20 15. ) ( 任 伟 光，武 拉 斌，降 雪，等.豨莶草及其酒炙 品 UPLC-Q-TOF/ M S分析 [J ]. 中 草药，2 0 1 4，4 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