基于傅里叶变换红外光谱的黔产薯蓣属植物鉴别探究

(贵州中医药大学， 贵阳 550025)

薯蓣属植物大多分布于热带亚热带地区，我国共有52种薯蓣属植物，分布种类最多的地区是云贵高原，有34种，横断山脉有24种、广西地区23种、华南地区21种、华东地区20种、华北地区12种[1-3]。其中贵州分布的薯蓣属植物共有25种以及1变种1引种[4-5]。薯蓣属植物可作为食品、药品以及工业原料等，应用范围广，开发潜力巨大。

图1 11种黔产薯蓣属植物傅立叶变换红外光谱

薯蓣属植物的应用早在《神农本草经》中就有记载，薯蓣被其收载并列为上品，称“主伤中，补虚，除寒热邪气，补中益气力，长肌肉，久服耳目聪明”。现代研究发现，薯蓣属植物具有祛湿除痹、通经活络以及补益作用[6]。我国2015版《中国药典》中收录作为药用的有：山药(薯蓣DioscoreaoppositaThunb.)、粉萆薢(粉背薯蓣DioscoreacollettiiHK. f. var.hypoglauca(Palibin) Pei et C. T. Ting)、黄山药(DioscoreapanthaicaPrain et Burkill)、绵萆薢(DioscoreaseptemlobaThunb.)、福州薯蓣DioscoreafutschauensisUline ex R. Knuth)[7]。此外，各地药用植物志或地方标准也收载了许多薯蓣属植物，如山萆薢、叉蕊薯蓣、黄独、穿龙薯蓣等。《贵州省中药材、民族药材质量标准》2003年版收载有薯蓣属植物黄独(DioscoreabulbiferaL.)、黄山药(DioscoreapanthaicaPrain et Burkill)、叉蕊薯蓣(DioscoreacollettiiHK. f.)、粉背薯蓣(DioscoreacollettiiHK. f. var.hypoglauca(Palibin) Pei et C. T. Ting)、薯莨(DioscoreacirrhosaLour.)[8]。许多薯蓣属植物还是西南地区各少数民族习用的民族药，包括苗族、侗族、水族、仡佬族及布依族等少数民族[9-10]。除药用价值外，许多薯蓣属植物还可作为食品原料、粮食作物、工业原料等用途。目前对薯蓣属植物的分类鉴定有形态学、细胞学以及DNA分子标记、条形码等研究[11-13]。

傅里叶红外变换光谱法(FTIR)作为一种现代结构常用的分析技术，具有快速、无损的优点，广泛应用于中药的质量控制与鉴别，亦可根据植物成分对红外光谱的吸收来区分不同物种或进行亲缘关系研究。目前对薯蓣属植物进行红外光谱研究主要集中在山药以及山药的各种化学成分[14-16]。

在对贵州省薯蓣属药用资源在各个县区的分布进行全面调查的基础上，本研究应用傅里叶变换红外光谱技术对来自贵州不同产地的11种26批薯蓣属样品进行红外光谱鉴别探索，以期为薯蓣属植物的分类鉴定提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验仪器

傅里叶变换红外分光光谱仪(日本岛津，IRAffinity-1 s 型)，电热恒温鼓风干燥箱(上海圣科仪器设备有限公司，OHG-907385-Ⅲ型)；中草药粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司，FW 135型)。

1.2 实验材料

本研究共采集到不同产地11种26批薯蓣样品，包括周生翅组5种，顶生翅组2种，复叶组2种，基生翅组与根状茎组各1种。样品与凭证标本经贵州中医药大学院魏升华鉴定，引种栽于贵州中医药大学种质资源圃，凭证标本保存于贵阳中医学院药学院中药材种植与加工研究所。样品来源见表1。

1.3 实验方法

将采集到的各个薯蓣属植物样本地下茎洗净，除去须根，切厚片置于烘箱中60 ℃恒温烘干，打粉过100目筛保存于干燥器中备用。用溴化钾压片法压片(溴化钾为AR级)，置于傅里叶变换红外光谱仪中扫描获得红外光谱，测定范围4 000～400 cm-1，扫描信号累加16次。

1.4 数据处理

应用OMNIC 8.2软件、Origin 2017软件对数据进行作图，经过平滑处理、降噪及去卷积处理，计算其二阶导数找出隐藏峰与重叠峰，利用SPSS 22.0软件对筛选出的特征峰进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 11种薯蓣属植物26个样本红外光谱分析

傅立叶变换红外光谱图(FTIR谱图)是植物组织器官内各主要化学成分的综合反映，可以根据所含化学成分的官能团特征找到相应红外光谱吸收峰的归属。由图1可见，纵坐标为透光率时，11种黔产薯蓣属植物地下茎粉末的傅里叶红外变换光谱，11种薯蓣属植物的26个样本的红外光谱较为相似。当将Y轴转换为吸光度，并进行基线校正、平滑处理以及卷积处理后，11种黔产薯蓣属植物地下茎粉末傅里叶红外变换光谱仍较为相近，如图2所示。

将采自不同地方的同种植物的红外光谱进行比较，发现同种异地样本的特征峰无显著差异，仅在峰值的相对强度上表现出微小的变化，如图3所示。

表1实验样品来源

类群编号采集地采集日期/(年-月-日)采集人周生翅组薯蓣(D. opposita.)SY1大方县油杉河2017-01-15魏怡冰SY2花溪党武乡2017-05-13杜富强SY3遵义马蹄镇2017-04-31魏怡冰SY4六盘水市大湾镇2017-07-03黄明喆SY5大方县黄泥塘镇2017-05-29魏怡冰SY6花溪麦坪镇2017-10-01黄明喆薯莨(D. cirrhosa.)SL1龙里县羊场镇2017-04-20魏怡冰SL2金沙县大田乡2017-05-28魏怡冰SL3修文县六广河2017-03-01徐梅SL4遵义马蹄镇2017-05-27徐梅日本薯蓣(D. japonica.)RB凯里县高酿镇2017-08-23龙登凯参薯(D. alata.)SS安龙县科丰寨2017-07-24杜富强褐苞薯蓣(D. persimilis.)HB花溪党武乡2017-10-19魏怡冰顶生翅组粘山药(D. hemsleyi.)ZSY兴义市天生桥2017-11-13魏怡冰毛胶薯蓣(D. subcalva.)MJ1威宁县二塘镇2017-08-03李小明MJ2安顺南马头乡2017-07-30杜富强MJ3安龙县科丰寨2017-07-24杜富强MJ4龙里县羊场镇2017-07-13严福林基生翅组黄独(D. bulbifera.)HD1安顺市南马头乡2017-07-30王波HD2安龙县科丰寨2017-07-24杜富强HD3龙里县羊场镇2017-07-13黄明喆HD4罗甸县罗悃镇2017-07-02杜富强根状茎组黄山药(D. panthaica.)HSY威宁县二塘镇2017-08-03杜富强复叶组黑珠芽薯(D. melanophyma.)HZY贵阳市森林公园2017-10-13严福林毛芋头薯(D. kamoonensis.)MYT1威宁县二塘镇2017-08-03李小明MYT2贵阳市南明区2017-10-13严福林

图2 11种黔产薯蓣属植物傅立叶变换红外吸收光谱

在对原始数据进行二阶求导处理，将相叠加波峰的差异放大，使不同波普间某些不明显的差异显著化后，找出隐藏的峰，筛选出20个典型吸收峰，其波数分别为：3 853.56 cm-1，3 420.14 cm-1，3 404.71 cm-1，2 925.48 cm-1，1 734.17 cm-1，1 636.30 cm-1，1 521.56 cm-1，1 442.01 cm-1，1 374.52 cm-1，1 244.34 cm-1，1 078.50 cm-1，874.08 cm-1，860.58 cm-1，808.99 cm-1，797.42 cm-1，765.60 cm-1，580.47 cm-1，575.17 cm-1，526.47 cm-1，469.10 cm-1。

2.2 光谱特征分析

本实验中11种26个样品傅立叶变换红外光谱的整体峰形较为相似，但吸收峰强度与位置有差异，在1 020 cm-1、1 078 cm-1、1 156 cm-1附近均具有较为明显的淀粉特征吸收峰，在1 640 cm-1附近蛋白质的吸收峰更为明显，具体特征如下：

1) 在3 380～3 400 cm-1均有一宽峰，强度较大，为OH伸缩振动峰；

2) 在2 925 cm-1附近均有一个锐锋，为CH2反对称烷烃振动峰；在1 385～1 100 cm-1附近均有一较小锐锋，为CH2面外摇摆烷烃振动峰，但黑珠芽薯蓣(HZY)不明显；薯蓣(SY)及褐苞薯蓣(HB)在990 cm-1附近有一个小钝峰，为CH2烯烃扭曲振动峰；

3) 1 375 cm-1和1 465 cm-1附近有较弱的峰，为CH3变角振动峰；除黄山药(HSY)、毛胶薯蓣(MJ)外，其余样品在1 050～920 cm-1附近有CH3摇摆振动峰；

图3 同一物种不同采集地6个薯蓣样品傅立叶变换红外光谱

图4 11种黔产薯蓣属植物傅立叶变换红外光谱聚类分析系统树

表2 11种黔产薯蓣属植物傅立叶变换红外光谱聚类结果

类别(最小区分)物种编号第一类SY(3),SS(9),RB(10)第二类HB(2),HD(5),SL(8)第三类HSY(4),MJ(6),ZSY(7)第四类HZY(1),MYT(11)

4) 765～860 cm-1附近有C-H面外弯曲振动峰；除黑珠芽薯蓣(HZY)外其余样品在1 160 cm-1附近有C-H面内弯曲振动峰；

5) 1 610 cm-1附近有一钝峰，为烯烃C=C伸缩振动峰；

6) 1 733 cm-1附近有一小锐锋，为C=O伸缩振动峰；

7) 1 000～1 100 cm-1有较为弥散的糖类C-OH伸缩振动峰带。

2.3 聚类分析

通过对筛选出的20个吸收峰构建原始数据矩阵，基于欧式距离(欧几里得度量euclidean metric)的聚类结果，如图4所示。

由图4与表2可以看出，11种黔产薯蓣属植物可分为两大类，一类为黑珠芽薯蓣(HZY)和毛芋头薯蓣(MYT)，这2种植物均为薯蓣属复叶组植物；另一大类又可分为2类，黄山药(HSY)、毛胶薯蓣(MJ)、粘山药(ZSY)聚为一类，薯蓣(SY)、参薯(SS)、日本薯蓣(RB)、褐苞薯蓣(HB)、黄独(HD)和薯莨(SL)聚为一类，其中薯蓣(SY)、参薯(SS)和日本薯蓣(RB)较为类似，褐苞薯蓣(HB)、黄独(HD)和薯莨(SL)较为类似。

3 结论与讨论

傅里叶红外变换光谱法(FTIR)作为一种现代结构常用的分析技术，摒弃了传统的化学分析方法，具有快速、无损的优点，广泛应用于微生物学、医学、工业以及植物学等各个领域。近年来FTIR在中药和中成药的质量控制与鉴别上已有应用，在药用植物的鉴别和质量控制方面也被广泛应用，武斌等利用FTIR和模糊聚类建立了茶叶傅里叶红外光谱的模糊聚类系统，李欢欢等还对石菖蒲进行了FTIR研究。植物的红外光谱是其所有成分吸收光谱的叠加，由于植物化学成分不同，形成有差异的光谱吸收谱图，以此来区分不同物种或进行亲缘关系研究。目前对薯蓣属植物进行红外光谱研究较多的主要是山药以及山药的各种化学成分，刘家水等应用FTIR对山药的正品、伪品以及习用品进行了鉴别，齐路明等利用FTIR对5种药食同源的薯蓣属植物进行了鉴别研究。除FTIR，还有学者应用近红外光谱法(NIRS)、全反射红外光谱法(ATR)和拉曼光谱分析对薯蓣属植物进行研究。利用红外技术对于薯蓣属的鉴别研究还较少。

本研究采用傅里叶变换红外光谱法对黔产11种薯蓣属植物进行了鉴别。结果显示，11种薯蓣属植物26个样本的红外光谱峰形较为相似，但峰位置与峰值存在一定差异；采自不同地点的同种植物的红外光谱特征峰几乎没有差异，仅在峰值的相对强度上表现出微小的变化。根据二阶导数可筛选出20个特征吸收峰，根据特征吸收峰对11种黔产薯蓣属植物进行聚类分析发现可聚为4类：薯蓣、参薯、日本薯蓣为一类，褐苞薯蓣、黄独、薯莨为一类，黄山药、毛胶薯蓣、粘山药为一类，黑珠芽薯蓣、毛芋头薯蓣为一类。傅里叶变换红外光谱鉴别可以对薯蓣属植物的鉴别起到辅助作用，但若要进行准确的区分，还需扩大样本量，并结合分子实验和形态显微鉴别进行综合的评价与分析；本研究结果为薯蓣属植物的分类鉴定提供了参考依据。