熵权TOPSIS模型在竹叶花椒药材质量综合评价中的应用

杨悦，杨森，杨放晴，陈鸿平，陈林，刘友平

(成都中医药大学 药学院 西南特色中药资源国家重点实验室，四川 成都 611137)

竹叶花椒为芸香科花椒属植物竹叶花椒ZanthoxylumarmatumDC.及其栽培变种的干燥成熟果皮，性温、味辛，归脾、胃、肾经，具有温中止痛、杀虫止痒的功效[1]。药理学研究表明，竹叶花椒具有镇痛抗炎、保肝、抗氧化、驱蚊杀虫、抗肿瘤、降血糖、抗阿兹海默症[2-8]等作用。竹叶花椒作为药食同源品，主产于四川盆地及其周边山地和重庆市江津区一带[9]。目前四川省栽种面积超过2 000 km2，以盐边县、盐源县、金阳县等为代表的攀西地区和以平昌县、通江县、渠县等为代表的川中地区都为竹叶花椒集中产区[10]。

竹叶花椒的主要化学成分有挥发油、酰胺、黄酮等[11]。挥发油组分复杂，其中含量较高的成分有：芳樟醇、柠檬烯、侧柏烯(桧烯)，β-月桂烯等，是体现香气的主要来源[12]。芳樟醇具有抑菌、抗肿瘤、镇痛等功效并伴有花木香，柠檬烯具有抑菌、防腐、抗肿瘤等功效[13-14]。酰胺类成分的主要代表成分为山椒素(羟基-α-、-β-)，是体现麻味的主要来源[15]。羟基-α-山椒素具有镇痛、抗炎等作用，(羟基-α-、-β-、-γ-)山椒素的混合物可用于降血糖[16]。此外，竹叶花椒中也含有丰富的黄酮类化合物，主要有芦丁、金丝桃苷、槲皮苷等，具有一定抗氧化活性，且其抗氧化活性与总黄酮含量呈显著正相关[17]。

清香浓郁、麻味绵长是竹叶花椒的主要风味特征，也是重要的品质评价指征，评价指标多集中在挥发油和酰胺类成分，分析方法多应用主成分分析、聚类分析等，对于竹叶花椒的质量综合评价未见文献报道，《四川省药品监督管理局中药材中药饮片标准(2020年版附版)》也仅将挥发油及总酰胺含量作为含量测定项指标。中药化学成分复杂，仅以某种或某几种指标成分独立评价中药的质量有失客观，笔者认为采用多指标综合评价的方法更为合理[18]。逼近理想解排序法(TOPSIS法)是一种多目标决策算法，基本原理是通过计算评价样本与正理想解和负理想解的距离来进行排序，正理想解和负理想解分别是各评价指标中的最优值和最差值，该数学模型通过对理想解的逼近实现多指标成分综合分析[19]，符合中药多成分、多靶点作用特点。熵权法根据各指标成分含量赋予权重系数[20-21]，更准确进行中药材质量综合评价。因此，将熵权法与TOPSIS法结合能够客观准确地反映各指标对竹叶花椒药材质量的贡献。本文以20批重庆、四川竹叶花椒药材为研究对象，以挥发油成分含量(芳樟醇、桧烯、月桂烯、D-柠檬烯)、黄酮成分含量(总黄酮)、酰胺成分含量(总酰胺、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素)为指标，采用熵权TOPSIS法，建立竹叶花椒药材质量综合评价的熵权TOPSIS模型，为竹叶花椒综合评价提供参考。

1 材料

1.1 仪器

7890GC型气相色谱仪、5975 MSD质谱仪、NIST 14质谱检索数据库、HP-5MS 5%苯基甲基硅氧烷气相色谱柱、8435紫外-分光光度计，均购自美国Aglient公司；电子天平 (德国Sartorius公司)；LC-20AT高效液相色谱仪(日本岛津公司)；UPTUO-I-1000TE系列超纯水机(成都优普超纯科技有限公司)；SG8200HDT型超声波清洗机(上海冠特超声仪器有限公司)。

1.2 试剂与样品

羟基-α-山椒素(批号：AF9100403，纯度98%)、羟基-β-山椒素(批号：AF9100404，纯度：98)均购自成都埃法生物科技有限公司；亚硝酸钠(批号：2019010403)、硝酸铝(批号：2019072801)、氢氧化钠(批号：2019053101)均购自成都市科隆化学品有限公司；甲醇(分析纯，批号：2019022002)、乙腈(色谱纯，批号：AS1122-001)均购自美国TEDIA有限公司。

样品主要通过委托攀西、川中、川东等不同产地商家代为购买，经成都中医药大学药学院陈鸿平教授鉴定样品来源均为芸香科花椒属植物竹叶花椒(ZanthoxylumarmatumDC.)干燥成熟果皮，样品信息见表1，收集样品基本代表重庆、四川地区产竹叶花椒的各种质量形态。其中巴中市通江县、南充市仪陇县、南充市营山县、达州市渠县、巴中市平昌县均属于川东地区，凉山彝族自治州盐源县、宁南县、西昌市、冕宁县、金阳县、布拖县、德昌县及攀枝花米易县均属于攀西地区，眉山市洪雅县、绵阳市三台县、遂宁市大英县、乐山市峨眉山市、泸州市泸县、乐山市夹江县均属于川中地区。

表1 不同产地竹叶花椒样品信息表

2 方法与结果

2.1 指标测定

竹叶花椒中挥发油成分含量[12]、总黄酮含量[17]方法均采用课题组前期测定结果。总酰胺测定方法参考四川药品监督管理局标准(SCYBZ2019-001)[1]。

山椒素成分测定方法：精密称取竹叶花椒粉末0.5 g，加甲醇20 mL，超声30 min，滤过，取续滤液0.5 mL于25 mL容量瓶，甲醇定容，混匀，0.22 μm微孔滤膜过滤后作为供试品溶液。采用HPLC法测定羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素含量。色谱条件：采用ZORBAX SB C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)色谱柱；流动相：乙腈(B)-水(A)=40∶60，等度洗脱；流速为1.0 mL/min；柱温为25℃；检测波长为270 nm；进样量为10 μL。

结果表明不同产地竹叶花椒挥发油、黄酮、酰胺类成分含量差异较大，凉山宁南县竹叶花椒桧烯含量超过布拖县3倍多，但芳樟醇、总酰胺等含量均为最低。巴中通江县竹叶花椒总黄酮含量最高，为乐山夹江3倍，但羟基-β-山椒素含量最低，可见仅以某种或某几种指标含量难以评价不同产地竹叶花椒质量。因此，本文以芳樟醇、桧烯、月桂烯、D-柠檬烯、总黄酮、总酰胺、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素含量为指标，建立竹叶花椒熵权TOPSIS质量综合评价模型。

2.2 熵权TOPSIS数学模型的建模方法

2.2.1 初始化决策矩阵的建立[22]

设多指标决策问题的项目Mj对指标Ci的值为xij(i=1,2,…m;j=1,2,…n)，则形成的多指标决策矩阵为式(1)。

X=(xij)n×m

(1)

式中，xij为第i个方案的第j项指标值，i=1,2,…m;j=1,2,…n

测定20批川产竹叶花椒药材样本的芳樟醇、桧烯、D-柠檬烯、月桂烯及四种成分和(TL)、总黄酮、总酰胺、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素含量,建立综合评价竹叶花椒熵权TOPSIS模型的初始化决策矩阵，见表2。

表2 评价竹叶花椒药材质量TOPSIS模型的初始化决策矩阵

2.2.2 数据正向化、逆向化处理

针对数据越大越优型指标及数据越小越优型指标分别进行正向化式(2)和逆向化式(3)处理。

(2)

(3)

2.2.3 决策矩阵的归一化处理

将数据根据指标越大越优型和指标越小越优型分别进行正向化及逆向化处理，再进一步针对数据进行标准化、归一化处理，将所有数据压缩在0～1之间，解决数据量纲化问题。

2.2.4 评价指标熵权的计算[23]

如果某指标的信息熵越小，则该指标提供的信息量越大，在综合评价种所起作用就越大，权重越高。其计算步骤如下。

(1)定义熵：评价指标的熵定义为式(4)。

(4)

(5)

(2)定义熵权：第j个评价指标的熵权定义为式(6)。

(6)

计算得到芳樟醇、桧烯、D-柠檬烯、月桂烯、总黄酮、总酰胺、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素的权重系数分别为0.094 7、0.161 1、0.162 4、0.212 1、0.049 6、0.063 2、0.114 3、0.142 7，其中桧烯、D-柠檬烯、月桂烯、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素权重系数均>0.1，相对较高。权重系数大，表明对竹叶花椒质量影响大，重要程度高，可能与药理作用有更高相关性。

2.2.5 加权决策矩阵的构建及最优向量和最差向量的计算

将归一化决策矩阵与评价指标的权重相乘，得到加权决策矩阵，结果见表3。

表3 加权决策矩阵分析

最优向量和最差向量分别按式(7)、(8)计算。

(7)

(8)

得到各评价指标的最优和最劣向量。Z+=(0.096、0.163、0.164、0.214、0.05、0.064、0.115、0.144)；Z-=(0.001、0.002、0.002、0.002、0.000、0.001、0.001、0.001)。

2.2.6 计算最优解的欧式贴合度

采用距离计算每个评价指标与正理想解和负理想解的距离，分别按式(9)、(10)计算。

(9)

(10)

按式(11)计算样本对最优解的欧式贴进度。

(11)

结果见表4。

表4 竹叶花椒药材质量评价排序

(见续表4) 续表4

分析结果显示，通过8项指标的综合性评价相对接近度的大小为0.211 0～0.652 0，质量存在差异，表明该方法可用于竹叶花椒多指标综合评价。四川川东地区相对接近度的大小为0.211 0～0.652 0，平均值0.455 0，四川川中地区相对接近度的大小为0.230 0～0.569 0，平均值0.321 0，四川攀西地区相对接近度的大小为0.281 0～0.574 0，平均值为0.436 0。可见，川中地区竹叶花椒样品相对接近度相对较低，即样品与最优方案的接近程度较低，表示该地区样品质量综合排序较靠后。

3 讨论

本研究以20批川渝产竹叶花椒为研究对象，以芳樟醇、桧烯、D-柠檬烯、月桂烯、总黄酮、总酰胺、羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素为评价指标，建立了竹叶花椒熵权TOPSIS多指标综合评价模型。在多指标综合排序中，20批竹叶花椒的欧式贴近度介于0.211 0～0.652 0之间，s12(巴中通江)、s20(南充仪陇县)、s21(达州渠县)竹叶花椒样品质量排序较靠前,各批竹叶花椒药材的质量存在一定差异，多指标综合排序的不同可能与不同产地的采收时间、加工方式等有关。

此外，本研究根据熵权法对各指标客观赋权，结果表明，挥发油成分权重系数相比黄酮、酰胺类成分较大，说明其对竹叶花椒药材质量影响最大，其次为酰胺类成分，表明(2020年版附版)《四川省药品监督管理局中药材级中药饮片标准》中竹叶花椒项下规定的含量指标是竹叶花椒药材质量评价的重要指标。20批竹叶花椒按川标评价质量排序为s9(凉山布拖)、s25(乐山峨眉山)、s19(巴中平昌)较为靠前，与熵权TOPSIS多指标综合排序结果不一致，说明除挥发油、总酰胺含量外，其他含量指标也同时影响竹叶花椒药材质量。各批竹叶花椒药材相对接近度大的样品，桧烯、D-柠檬烯、月桂烯、羟基-α-山椒素及羟基-β-山椒素含量也相对较高，权重系数较大。其中羟基-α-山椒素、羟基-β-山椒素为竹叶花椒中主要麻味物质[15]。因此，建议将竹叶花椒中羟基-α-山椒素及羟基-β-山椒素含量纳入竹叶花椒质量评价的指标。