电子眼、电子鼻和电子舌鉴别不同品种、不同产地生地黄

李建军 常筱沛 马静潇 贺敬颖 董世可杨梅

（1.河南师范大学生命科学学院， 河南 新乡453007； 2.天津埃文森科技有限公司， 天津300384）

地黄为玄参科地黄属Rehmannia glutinosaLibosch.的多年生草本植物［1］，主产于河南、山西等地，始载于《神农本草经》，列为上品。地黄以河南道地产区“古怀庆府”产者最佳，所产地黄称怀地黄，属“四大怀药”之一。地黄药材根据炮制方法的不同分为鲜地黄、生地黄和熟地黄。鲜地黄秋季采挖，呈纺锤形或条形；生地黄为地黄缓缓烘培至八成干所得，多为不规则团块状；熟地黄为地黄加工炮制而成，多为不规则块片［1⁃2］。

目前，对生地黄的真伪优劣评价往往以传统的经验鉴别为主，主观性较强，描述模糊，缺乏客观的量化指标。现在多种现代化技术分析手段在地黄的鉴别研究中得到应用，如HPLC 多成分测定法、DNA 条形码技术、电感耦合等离子体质谱法等［3⁃7］。这些方法虽能对地黄进行准确分析鉴别，但普遍存在耗时长、预处理复杂、成本高等缺点。故采用电子眼、电子鼻、电子舌技术，运用主成分分析方法对地黄颜色、气味、滋味进行区分鉴别，拟建立更为客观准确，能快速识别的方法，为地黄药材的鉴别、质量评价及其产业持续发展提供新思路。

1 材料

在怀区收集目前种植和流通量最大的9 种地黄主栽品种，编号1～9，于2019 年4 月种植在温县农科所地黄资源圃中，常规田间管理；不同产地“北京3 号”地黄分别种植在河南、山西、陕西、甘肃，编号10～13，详见表1。均于2019 年12 月采收，经河南师范大学李发启教授鉴定为玄参科地黄属地黄Rehmannia glutinosaLibosch.。将所得鲜地黄参照文献［8］ 报道的生地黄加工技术方法，置于58 ℃鼓风干燥箱中，烘焙置完全透心，发汗12 h，制备成生地黄。

表1 生地黄来源Tab.1 Sources of raw R.glutinosa

IRIS VA400 电子眼系统（法国Alpha MOS 公司）；Heracles NEO 电子鼻系统（法国Alpha MOS公司）；ASTREE Ⅱ电子舌系统（法国Alpha MOS公司）；电子天平（瑞士Meteler⁃Toledo 公司）；ZRD⁃A5110 鼓风干燥箱（上海智城分析仪器制造有限公司）；低温磨粉机（德国海蒂诗公司）。

正构烷烃标准溶液（nC6～Nc16）（法国Alpha MOS 公司）；蒸馏水（广州屈臣氏食品饮料有限公司）；0.1 mol／L HCl 溶液（法国Alpha MOS 公司）。

2 方法

2.1 生地黄电子眼分析 电子眼是以仿生学为基础的一种能对复杂非均质样品视觉信息进行分析、识别的检测仪器，模拟人眼对样品的感知，主要应用于饮料、食品的色彩分布等研究［9］。将生地黄样品放置白板纸上，每个品种包含3 个批次，电子眼开机后稳定15 min 使光源无偏差，待灯绿开始使用。校正镜头曝光度和焦距等数值，使用24 色色彩校正板进行校正，光圈采用5 mm，光源使用D65，打开顶部光源以消除背景。校正后拍照，每个样品选取至少5 个不同部位进行成像分析处理。

2.2 生地黄电子鼻分析 电子鼻是一种能客观全面对复杂气味进行快速定性和定量分析的电子系统，可模拟人的嗅觉，通过信号处理系统对样品的气味进行分析，主要应用于烟酒、茶叶、化工、食品、环境等检测［10⁃12］。将生地黄样品用组织捣碎机进行打粉，过5 号筛，称量1.0 g 地黄粉末置于20 mL 的电子鼻专用顶空瓶中，使用PTFE 隔垫严密隔绝气味，待分析样品置于自动进样器上［13⁃14］。校准液为正构烷烃标准溶液（nC6～Nc16）。

2.3 生地黄电子舌分析 电子舌是一种能识别、分析样品滋味成分的检测仪器，能判别出样品之间味觉的差异，主要应用于茶叶、调味品、酒水等食品味道的评价［13⁃16］。本研究分析采用第6 套传感器 系统，包 括 AHS、PKS、CTS、NMS、CPS、ANS、SCS 共7 根传感器。选择Ag／AgCl 作为参比电极，通过软件对信号值的分析，能够在0 到12的刻度上比较不同样品间的各种滋味的相对强度。将生地黄样品粉碎，过5 号筛，称取2 g 粉末于烧杯中，加入50 mL 60 ℃蒸馏水，超声处理30 min，静置1 h，滤纸过滤后取25 mL 置于电子舌专用烧杯中待测，重复3次，每检测1 个样品后对传感器进行1 次彻底清洗。样品采集时间为120 s，每次分析时间为180 s。

2.4 统计学分析 采用Alpha soft 软件对所得数据进行分析，利用主成分分析（PAC）法，通过对原始数据向量进行线性变换，对多个数据进行降维处理，转化为少数综合指标。

3 结果

3.1 生地黄电子眼分析结果

3.1.1 怀区不同主栽品种生地黄鉴别 对怀区9种样品进行电子眼的PCA 分析，由图1 可知，第一主成分（PC1）与第二主成分（PC2）之和达到了86.722%，代表了样品绝大部分信息，其识别指数为99，识别指数框为绿色，说明各个样品之间在颜色上存在差异。在主成分分析图中，样品间的相对距离越近，则样品整体颜色越接近。“金九”与“85⁃5”样品间的相对距离最近，颜色最相近；“吨王”和“怀丰”分别分布在单独的区域且与其他品种相对距离较远，颜色差别较大。各样品整体颜色差异较大，使用电子眼能迅速区分怀区不同主栽品种生地黄。

图1 怀区不同主栽品种生地黄电子眼主成分分析图Fig.1 Principal component analysis diagrams of electronic eye for different main plants of R.glutinosa in Henan

3.1.2 同一品种不同产地生地黄鉴别 对不同产地“北京3 号”样品进行电子眼的PCA 分析，由图2 可知，PC1 与PC2 之和达到了98.966%，其识别指数为100。河南温县与山西、陕西、甘肃所产“北京3 号”样品间相对距离均较远，各样品整体颜色差异较大。其中河南温县与山西所产“北京3 号”分别分布在PCA 图中不同区域；陕西与甘肃所产“北京3 号”分布在相同区域，相对距离较近。同一品种不同产区生地黄的颜色差异与土壤坏境条件有关，土壤环境条件越近差异越小，土壤环境条件越远差异越大。

图2 不同产地“北京3 号”生地黄电子眼主成分分析图Fig.2 Principal component analysis diagrams of electronic eye for R.glutinosa of ＂ Beijing No.3＂ from different habitats

3.2 生地黄电子鼻分析结果

3.2.1 怀区不同主栽品种生地黄鉴别 由图3 可知，PC1 与PC2 的贡献率之和达到了91.644%，其识别指数达到96，说明基于气味上的差异能有效区分这9 种怀地黄样品。在主成分分析图中，样品间的相对距离越近，则样品整体气味越接近，“师大地黄1 号”与“师大地黄2 号”样品的相对距离最近，气味差别较小；怀地黄主栽品种“怀丰”分布在左侧区域，其它样品分布在右侧区域，且各品种间存在一定相对距离，说明“怀丰”气味与其它样品差异较大。

图3 怀区不同主栽品种生地黄电子鼻主成分分析图Fig.3 Principal component analysis diagrams of electronic nose for different main plants of R.glutinosa in Henan

3.2.2 同一品种不同产地生地黄鉴别 由图4 可知，PC1 与PC2 的贡献率之和达到了95.057%，其识别指数达到99，说明基于气味上的差异能有效区分不同产地地黄样品。河南温县与甘肃所产“北京3 号”各单独分布在一个区域，与其他产区气味差别较大；山西与陕西所产“北京3 号”气味差别较小，这是由于各产区不同气候环境条件的差异造成的。利用AroChemBases 数据库对筛选出的差异较大的色谱峰进行定性可知，生地黄气味差异可能由于乙醛、乙醇、2，3⁃丁烷、乙腈、己醛等挥发性气体含量差异引起，说明使用电子鼻能迅速区分同一品种不同产地生地黄，挥发性成分的差异可作为判别生地黄质量优劣的参考依据之一。

图4 不同产地“北京3 号”生地黄电子鼻主成分分析图Fig.4 Principal component analysis diagrams of electronic nose for R.glutinosa of ＂ Beijing No.3＂ from different habitats

3.3 生地黄电子舌分析结果

3.3.1 怀区不同主栽品种生地黄鉴别 怀区9 种不同主栽品种怀地黄RSD 分别为0.42%、1.35%、0.56%、0.34%、0.42%、0.22%、0.22%，样品3次重复间相对标准偏差都比较小，说明样品在重复测试过程中电子舌仪器的稳定性、重现性好。由图5 可知，PC1 与 PC2 的贡献率之和达到了95.060%，其识别指数为93，说明这9 种生地黄样品滋味能够快速地通过电子舌很好区分开来。在主成分分析图中，样品间的相对距离越近，则样品整体滋味越接近，其中“金九”与“85⁃5”样品的相对距离最近，滋味差别最小；“吨王”与“沁怀”的相对距离最远，滋味差别最大。

图5 怀区不同主栽品种生地黄电子舌主成分分析图Fig.5 Principal component analysis diagrams of electronic tongue for different main plants of R.glutinosa in Henan

从图6 中能更直观地看出样品间在滋味上有差别，不同主栽品种怀地黄在不同传感器上信号反应强度存在差异，其中“吨王”在酸味传感器上相对强度最强，“师大地黄1 号”在咸味传感器上相对强度最强，“怀丰”在鲜味传感器上相对强度最强。

图6 怀区不同主栽品种生地黄滋味雷达图Fig.6 Radar chart for the taste of different main plants of R.glutinosa in Henan

3.3.2 同一品种不同产地生地黄鉴别 不同产地“北京3 号”生地黄样品RSD 分别为0.20%、0.79%、0.39%、0.28%、0.20%、0.17%、0.15%，说明样品在重复测试过程中电子舌仪器的稳定性、重现性好。由图7 可知，PC1 与PC2 的贡献率之和达到了99.221%，其识别指数为94，说明不同产地地黄样品滋味能够快速地通过电子舌很好区分开来，其中同一生地黄品种“北京3 号”山西与甘肃所产样品滋味差别最大，且各产地“北京3号”生地黄间存在一定距离。

图7 不同产地“北京3 号”生地黄电子舌主成分分析图Fig.7 Principal component analysis diagrams of electronic tongue for R.glutinosa of “Beijing No.3”from different habitats

从图8 中能更直观地看出样品间在滋味上有差别，其中河南温县产“北京3 号”生地黄在酸味传感器上相对强度最强，山西产“北京3 号”生地黄在咸味传感器上相对强度最强，陕西产“北京3 号”生地黄在鲜味传感器上相对强度最强，甘肃产“北京3 号”生地黄在咸味传感器上相对强度较强。

图8 不同产地“北京3 号”生地黄滋味雷达图Fig.8 Radar chart for the taste of R.glutinosa of“Beijing No.3”from different habitats

3.4 拟合分析

3.4.1 怀区不同主栽品种生地黄 将怀区9 种不同主栽品种样品的电子眼、电子鼻和电子舌数据整合在一起，数据归一化处理后进行拟合分析，结果见图9，其中PC1 与PC2 之和达到了65.588%，其区分指数为94，说明各个样品之间在颜色、气味和滋味整体上存在差异。样品间距离越远，整体感官差别越大，其中“怀丰”“吨王”“沁怀”分别分布在图中不同区域，相对距离较远，与本课题组前期研究发现的“怀丰”“吨王”“沁怀”遗传背景、形态特征、指标成分含量差异较大相符合；“北京3 号”“85⁃5”“金九”“星科”“师大地黄1号”“师大地黄2 号”相对距离较近，与“北京3号”“85⁃5”“金九”“星科”“师大地黄1 号”“师大地黄2 号”遗传背景相近相符合。

图9 怀区不同主栽品种生地黄拟合主成分分析图Fig.9 Principal component analysis diagram for different main plants of R.glutinosa in Henan

3.4.2 同一品种不同产地生地黄 图10 中PC1与PC2 之和达到了67.67%，其区分指数为91，说明各个样品之间在颜色、气味和滋味整体上存在差异。河南温县、山西、陕西、甘肃所产“北京3号”分别分布在主成分分析图的4 个区域，且相对距离较远，差异明显，不同产区的生态因子造成不同产区生地黄整体感观差异。

图10 不同产地“北京3 号”生地黄拟合主成分分析图Fig.10 Principal component analysis diagram for R.glutinosa of “ Beijing No.3 ” from different habitats

4 讨论

当前地黄药材市场存在因地黄品种更新换代过快，品种之间品质参差不齐，品种混杂退化严重，非道地产区地黄药材充斥市场，药材鉴别和质量评价体系缺乏快捷精准检测方法和手段。而中药的颜色、气味、滋味是评价药材质量优劣、鉴别真伪及其产地的重要依据［17⁃18］。本研究采用电子眼、电子鼻和电子舌技术首次对不同品种、不同产地的生地黄在颜色、气味、滋味上测定分析和比较。电子眼、电子鼻、电子舌均可以有效地将道地产区不同主栽品种生地黄或同一品种不同产地生地黄迅速区分开来；生地黄的颜色差异与遗传背景和土壤环境条件有关；气味成分的差异和滋味（酸味、咸味、鲜味）的综合评判可以作为地黄药材质量优劣评价的参考依据。电子眼、电子鼻、电子舌的拟合应用可以有效地将道地产区不同主栽品种生地黄或同一品种不同产地生地黄迅速区分开来，生地黄颜色、气味、滋味可作为地黄药材质量优劣的参考依据。

电子眼、电子鼻、电子舌技术对药材的鉴别研究在通关藤真伪［11］、南北五味子区分［13］等中应用。该技术在药材上的应用提高了判别样品的可操作性，能使样品分析速度更快捷、精准，具有样品无需过多加工处理，过程无污染，数据分析结果更加客观准确，重现性好等优点。电子眼、电子鼻及电子舌技术已趋于成熟，是中药质量评价的新尝试，能准确判别药材的颜色、气味和滋味，具有十分广阔的应用前景。