基于活性成分比例一致性的白芷药材质量评价数据挖掘
2023-08-17孙国志段宝忠黄文昊张晓丹杨宗岐梁宗锁杨东风
孙国志,段宝忠,黄文昊,张晓丹,杨宗岐,梁宗锁, 3,杨东风, 3*
基于活性成分比例一致性的白芷药材质量评价数据挖掘
孙国志1,段宝忠2,黄文昊1,张晓丹1,杨宗岐1,梁宗锁1, 3,杨东风1, 3*
1. 浙江理工大学生命科学与医药学院,浙江省植物次生代谢调控重点实验室,浙江 杭州 310018 2. 大理大学药学院,云南 大理 671003 3. 浙江理工大学绍兴生物医药研究院有限公司,药食同源保健食品开发技术浙江省工程研究中心,浙江 绍兴 312075
白芷药材有效成分多且复杂,单一质量标准或者单一成分控制难以有效地衡量白芷药材的质量。通过探究白芷药材有效成分比例一致性,对白芷药材的质量进行评价和控制。提取78篇文献中的1297个白芷药材样本中的有效成分:欧前胡素、异欧前胡素、氧化前胡素、佛手柑内酯、水合氧化前胡素、白当归素、花椒毒酚的含量数据。对符合《中国药典》质量标准的1118个样本进行各有效成分含量比例一致性分析。发现各个香豆素类有效成分与标志性成分欧前胡素含量比值在一定范围内波动,例如异欧前胡素和欧前胡素含量比值在0.08~1.08,氧化前胡素和欧前胡素含量比值在0.02~2.00,佛手柑内酯和欧前胡素含量比值0.02~0.29,含量比值在范围之外的白芷药材一般为不合格药材。然后将各个香豆素类有效成分与标志性成分欧前胡素含量比值作正态分布曲线,发现各含量比值以均数为中心呈正态分布,例如异欧前胡素和欧前胡素含量比值以0.451为中心,氧化前胡素和欧前胡素含量比值以0.719为中心,佛手柑内酯和欧前胡素含量比值以0.090 3为中心,越靠近中心则含量比值越稳定,药材质量越好。单一的外观性状鉴别并不能全面反映出白芷药材质量,甚至白芷药材中的有效成分含量与按外观划分的等级相反,因此可以从有效成分的种类、组分比例和含量3个角度准确评价白芷药材质量,通过兼顾外观性状指标和化学质量指标,综合评价白芷药材的规格等级。
白芷;质量评价;含量比例;欧前胡素;异欧前胡素;氧化前胡素;佛手柑内酯;水合氧化前胡素;白当归素;花椒毒酚
白芷为伞形科植物白芷(Fisch.ex Hoffm.) Benth.et Hook.f.或杭白芷(Fisch.ex Hoffm.) Benth. et Hook. f. var.(Boiss.) Shan et Yuan的干燥根[1]。白芷为我国40种大宗药材之一,广泛用于中药制剂、中药饮片以及中成药的生产。有解表散寒、祛风止痛、宣通鼻窍、燥湿止带、消肿排脓的作用,同时用于治疗感冒头痛、眉棱骨痛、鼻塞流涕、鼻孰、鼻渊、牙痛、带下、疮疡肿痛[1]。
白芷中含有的主要有效成分为香豆素类和挥发油类,除此之外还含有香豆素苷类、微量元素、多糖等多种有效成分。香豆素类成分主要包括欧前胡素、异欧前胡素、佛手柑内酯、水合氧化前胡素、氧化前胡素、白当归素、花椒毒素、花椒毒酚、珊瑚菜素、补骨脂素、白当归脑等至少50种化学成分[2-3]。其中水合氧化前胡素为主要的入血成分,异欧前胡素、水合氧化前胡素等活性成分也具有明显的镇痛作用,除能直接对抗由热、醋酸等物理、化学刺激引起的疼痛外,还能缓解平滑肌痉挛,是白芷镇痛的活性成分,此外白芷中的异欧前胡素、水合氧化前胡素具有明显抗肿瘤作用[4-5]。白芷中欧前胡素、异欧前胡素有美白活性[6]。花椒毒酚具有抗肿瘤、抗炎、镇咳、平喘及祛痰、抗心律失常等多种生物活性与药理作用[7]。佛手柑内酯具有抗炎、改善失眠、抗肿瘤、防治骨质疏松、抗衰老等药理作用[8]。白当归素具有显著的抗炎、镇痛、解痉和抗肿瘤等功效[5, 8]。
除《中国药典》2000年版以外,《中国药典》2005年、2010年、2015年以及2020年版皆只规定了白芷中欧前胡素含量不得低于0.08%。可以看出白芷的质量评价标准过于单一,除欧前胡素以外,许多有效活性成分没有规定,这显然不能反映白芷药材的质量和药理药效。课题组前期以丹参药材为例,提出基于有效成分比例一致性的“三维多组分”中药质量评价模式,发现中药有效成分比例常常在一定的范围内波动,越是产地、品种固定的药材,有效成分比例一致性越强[9]。本研究对白芷药材各有效成分间含量比例进行一致性分析,比较各成分间含量比例分布规律,评价白芷药材质量,以期为更加准确的评价白芷药材质量提供依据。
1 数据及分析方法
主要对78篇文献报道[10-87]中的欧前胡素(imperatorin)、异欧前胡素(isoimperatorin)、水合氧化前胡素(oxypeucedanin hydrate)、佛手柑内酯(bergapten)、氧化前胡素(oxypeucedanin)、白当归素(byakangelicin)、花椒毒酚(xanthotoxol)的含量数据进行提取整理,并统一转换为百分含量,即各个活性成分所占白芷药材干重的比例。计算不同成分含量之间的比值,然后用Excel绘制成散点图,并作出正态分布曲线图,统计不同有效成分间含量比例分布规律。
2 结果与分析
欧前胡素是白芷药材中的主要活性成分,也是白芷药材的指标性成分。对文献中不同种植方法、不同产地、不同炮制方法、不同等级的1297个白芷药材和白芷饮片样本中的欧前胡素、异欧前胡素、水合氧化前胡素、佛手柑内酯、氧化前胡素、白当归素、花椒毒酚含量进行分析,分别考察各成分与欧前胡素的比值范围,发现有1118个样本符合《中国药典》2020年版中欧前胡素含量不低于0.08%的质量标准。
2.1 异欧前胡素和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了异欧前胡素和欧前胡素含量且符合《中国药典》欧前胡素标准的样本有944个。其中有940个样本异欧前胡素和欧前胡素含量比值在0.08~1.08,见图1。2个样本比值偏大,经查阅文献可知这2个样本的欧前胡素质量分数分别为0.080%、0.083%,含量偏低,药材质量较差[14, 72],除此之外还有2个样本比值偏小,经查阅这两个样本的异欧前胡素含量仅为0.003 2%、0.004 3%,含量极低[55, 71],可能为药材个体差异导致比值过小。对944个样本异欧前胡素和欧前胡素含量比值作正态分布曲线(图2),发现含量比值以0.451为中心,呈正态分布。其中90%样本比值分布在0.193~0.706,共有871个;95%样本比值分布在0.147~0.755,共有893个;99%样本比值分布在0.051 4~0.849 6,共有926个。因此,本课题组认为异欧前胡素和欧前胡素含量比值以0.451为中心,呈正态分布,越是靠近0.451,含量比值越稳定,药材质量也越好。
图1 异欧前胡素和欧前胡素含量比值
2.2 氧化前胡素和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了氧化前胡素和欧前胡素含量且符合《中国药典》欧前胡素标准的样本有553个。其中有500个样本氧化前胡素和欧前胡素含量比值在0.02~2.0,约占总样本数的90%。见图3,有9个样本比值过高,其中7个样本均为河北所产饮片,且未经过硫磺熏蒸为自然晾干,这7个样本的氧化前胡素含量极高,造成比值过大[12, 50, 69],另外2个样本产地不详但也是因为氧化前胡素含量过高所导致比值过大[16]。而比值较低的44个样本中大部分为川白芷,少数几个为陕西、湖南所产[14, 42, 75],而且尤其是最后几十个样本经过硫磺熏蒸之后氧化前胡素含量极低,造成比值过小[75]。
图2 异欧前胡素和欧前胡素含量比值的正态分布曲线
图3 氧化前胡素和欧前胡素含量比值
对553个样本氧化前胡素和欧前胡素含量比值作正态分布曲线(图4),发现含量比值以0.719为中心,成正态分布,其中90%的样本分布在0.006~1.289,95%的样本分布在0.006~1.569。可以看出氧化前胡素和欧前胡素含量比值分布规律也符合正态分布规律,但是因为样本中有部分比值较小,导致正态分布曲线整体偏左。因此,认为氧化前胡素和欧前胡素含量比值以0.719为中心,呈正态分布,越是靠近0.719,含量比值越稳定,药材质量也越佳。
2.3 佛手柑内酯和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了佛手柑内酯和欧前胡素含量且符合《中国药典》欧前胡素标准的样本有551个。其中佛手柑内酯和欧前胡素含量比值介于0.02~0.29的样本有545个。见图5,其中仅有3个样本含量偏高,比值分别高达0.460、0.471、0.473,查阅文献数据[16]可知这3个样本的佛手柑内酯含量较高,而且在其他活性物质含量比值中这3个样本也是异常,可能为样本本身质量问题。其中3个样本含量比值较低,均为四川所产[14, 75],经分析发现其主要是由于佛手柑内酯含量较低。
图4 氧化前胡素和欧前胡素含量比值的正态分布曲线图
对551个样本的佛手柑内酯和欧前胡素的含量比值作正态分布曲线(图6),发现含量比值以0.090 3为中心,呈正态分布,其中90%样本分布在0.002 5~0.178 0,共有512个样本在此区间内;95%样本分布在0.014 3~0.195 0,共有526个样本在此区间内。可以看出佛手柑内酯和欧前胡素含量比值分布规律也符合正态分布,但是因为部分含量比值较小,导致正态分布曲线整体偏左。因此,认为佛手柑内酯和欧前胡素含量比值以0.090 3为中心,呈正态分布,越是靠近0.090 3,含量比值越稳定,药材质量也越好。
图5 佛手柑内酯和欧前胡素含量比值
图6 佛手柑内酯和欧前胡素含量比值的正态分布曲线
2.4 水合氧化前胡素和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了水合氧化前胡素和欧前胡素含量且符合《中国药典》欧前胡素标准的样本有393个。其中水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值介于0.03~0.76的样本有386个,见图7。其中有5个样本比值较高,而前4个样本分别采用的干燥方式为微波干燥、远红外干燥、低温干燥、切片干燥,而不同于常用的干燥方式[71],致使水合氧化前胡素的含量极高,导致比值偏高;还有少量样本比例低于0.03,如河北安国、四川等地的白芷,经分析发现其主要是由于水合氧化前胡素含量较高。
对393个样本的水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值作正态分布曲线(图8),发现含量比值以0.225为中心,呈正态分布。其中90%的样本分布在0.006~0.373,95%的样本分布在0.006~0.455。水和氧化前胡素和欧前胡素含量比值也符合正态分布,但是因为部分比值较小,导致正态分布曲线整体偏左。因此,认为水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值以0.225为中心,呈正态分布,越是靠近0.225,含量比值越稳定,药材质量也越好。
图7 水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值
图8 水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值的正态分布曲线
2.5 白当归素和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了白当归素和欧前胡素含量且符合《中国药典》欧前胡素标准的样本有69个。白当归素和欧前胡素含量比值介于0.02~0.41的样本有62个。见图9,而文献中6个样本二者比值较低[59],经分析发现是由其白当归素含量较高所致,而只有安徽六安的白芷比值偏低,经查阅文献发现是由其白当归素含量较低所致[39]。
对69个样本的白当归素和欧前胡素含量比值作正态分布曲线(图10),发现含量比值以0.153为中心,呈正态分布。其中90%的样本分布在0.011~0.359,95%的样本分布在0.011~0.645。因为白当归素和欧前胡素含量比值的部分数据较大,而且样本数较小,导致分布规律与正态分布有所差异。因此,本课题组认为白当归素和欧前胡素含量比值以0.153为中心,呈正态分布,越是靠近0.153,含量比值越稳定,药材质量也越好。
图9 白当归素和欧前胡素含量比值
2.6 花椒毒酚和欧前胡素含量比例分析
文献中检测了花椒毒酚和欧前胡素含量且符合《中国药典》2020年版欧前胡素标准的样本有30个。花椒毒酚和欧前胡素含量比值介于0.014~0.14的样本有29个,见图11。只有一个样本比值偏高,经查阅文献发现是由其花椒毒酚含量较高所致[55]。
图10 白当归素和欧前胡素含量比值的正态分布曲线
图11 花椒毒酚和欧前胡素含量比值
对30个样本的花椒毒酚和欧前胡素含量比值作正态分布曲线(图12),发现以0.074 6为中心,呈正态分布。其中90%的样本分布在0.014 7~0.122 0,95%的样本分布在0.014 7~0.139 0。但是因为样本数量较小导致正态分布曲线过于粗糙。因此,本课题组认为花椒毒酚和欧前胡素含量比值以0.074 6为中心,呈正态分布,越是靠近0.074 6,含量比值越稳定,药材质量也越好。
图12 花椒毒酚和欧前胡素含量比值的正态分布曲线
3 讨论
本研究对78篇文献中的1297个白芷药材和白芷饮片样本进行分析,对于其中符合了《中国药典》2020年版的1118个样本进行了各有效成分间比例一致性分析,发现各个香豆素类有效成分与标志性物质欧前胡素之间含量比值在一定范围内波动,如异欧前胡素和欧前胡素含量比值在0.08~1.08;氧化前胡素和欧前胡素含量比值在0.02~2.0;佛手柑内酯和欧前胡素含量比值介于0.02~0.29;水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值介于0.03~0.76;白当归素和欧前胡素含量比值介于0.02~0.41;花椒毒酚和欧前胡素含量比值介于0.014~0.14;这说明白芷组分间比值不是固定的,而是在一定范围内波动,含量比例在波动范围外的样本一般都是不合格的药材。并且将各个香豆素类有效成分与标志性物质欧前胡素之间含量比值作正态分布曲线,发现各含量比值以均数为中心呈正态分布,如异欧前胡素和欧前胡素含量比值以0.451为中心;氧化前胡素和欧前胡素含量比值以0.719为中心;佛手柑内酯和欧前胡素含量比值以0.090 3为中心;水合氧化前胡素和欧前胡素含量比值以0.225为中心;白当归素和欧前胡素含量比值以0.153为中心;花椒毒酚和欧前胡素含量比值以0.074 6为中心。而且查阅文献看到靠近比值中心的白芷样本指标性成分含量符合《中国药典》规定,然而远离中心比值的样本指标性成分往往在规定值以下,而且活性成分含量比值也往往在范围之外,因此推测越靠近中心则含量比值越稳定,药材质量越好。
例如通过对异欧前胡素和欧前胡素的含量比值进行范围划分,从而对白芷质量进行等级标准的划分。异欧前胡素和欧前胡素的含量比值0.451为中心,10%的样本比值分布在0.431~0.471,共有104个;30%的样本比值分布在0.391~0.511,共有290个;50%的样本比值分布在0.346~0.556,共有498个;90%样本比值分布在0.193~0.706,共有871个。基于这个比例,本研究以含量比值0.451为中心,10%以内为一等品,10%~30%范围内为二等品,30%~50%范围内为三等品,50%~90%范围内为四等品。并且可以结合其他活性成分含量比值对白芷药材进行等级的划分。
新鲜白芷含淀粉多不易晒干,如果不能及时干燥会引起大量霉烂。普通方法干燥,例如晒干、烘干耗时长,而且长时间保存不能防止霉变、虫蛀。大部分产区采用硫磺熏蒸的方法干燥,用此方法白芷干燥快,颜色发白品相好,而且能够长时间防止霉变、虫蛀。但是白芷在经过硫熏干燥后,各种活性成分均有所下降,硫熏干燥对白芷药效破坏较大。部分地区用盐腌制保存效果不错,盐腌制法加工的白芷中指标成分、醇溶性浸出物含量等指标均达到了《中国药典》对白芷药材的质量规定,而且符合盐渍品中亚硝酸盐的限量指标[88-89]。为白芷的产地加工提供了一种新的方法。
中药材商品规格等级是中药市场交易过程中自然形成的一种标准。现在白芷药材规格等级划分主要依靠颜色、切面纹路、大小等外观性状,但是据研究表明通过单一的外观性状鉴别并不能全面鉴定药材质量。例如本研究发现大部分白芷的指标成分及部分活性成分的含量比例三等品>二等品>一等品。是因为白芷指标成分及大部分活性成分主要存在于韧皮部,而白芷商品等级以大小区分,三等品及二等品的白芷药材较细并且须根较多,因为韧皮部所占总体比例较高,导致活性成分含量较高,使得活性成分含量分析与传统的药材等级不相符。因此对于白芷外观性状与内在质量的关联性需进一步深入研究,例如各个活性成分与标志性物质欧前胡素有一个最佳比例,便是各个活性成分与欧前胡素含量比值正态分布曲线的中心值,或者含量比值在一定范围内波动。因此,传统等级标准要结合内在质量,例如一等品的含量比例是否在正态分布中心附近,是否在正态分布曲线中心的10%范围内,二等是否在10%~30%内等。本研究需进一步筛选关联性指标作为白芷药材质量评价的依据,兼顾外观性状指标和化学质量指标,进而综合评价白芷药材的规格等级。
中药质量与其化学成分息息相关,但其化学成分具有多样性和复杂性的特点,选取单一指标难以表征这些特点,所以多组分分析对中药质量控制更加科学合理。关于中药材的组分研究,有学者认为同一生源合成途径上的活性成分受相同基因调控,合成时还有相同的中间体,因此同一组分的化合物积累具有协同性。张俊华等[90]认为中药组分比例往往是比较固定,而且组分中药理论对中药现代化具有很大的帮助。而且课题组之前对丹参进行了相关的质量评价研究,并且对同一批丹参种苗在全国不同产地相同栽培采收标准条件进行研究,发现活性成分含量比值稳定,丹参活性成分丹参酮和丹酚酸具有显著的协同积累规律,这一规律很可能导致了丹参活性成分含量的比例一致性[9]。并且,有的中药材的质量控制中已经引进了比值的概念。例如,在《中国药典》2020年版中银杏叶提取物的“黄酮苷元峰面积比”这一项检查中,药典按(含量测定)项下的总黄酮醇苷色谱计算,槲皮素与山柰酚的峰面积比应为0.8~1.2,异鼠李素与槲皮素的峰面积比值应大于0.15[92]。
本研究选择的白芷有效成分均属于香豆素类化合物,合成时可能为同一生源合成途径,因此推测这几个活性成分在白芷生长时有协同积累效应,这一内在因素体现在了有效成分含量比值上。而《中国药典》中白芷药材的指标物质只有欧前胡素显得不合理,由文献数据可以看出异欧前胡素、氧化前胡素、水合氧化前胡素、佛手柑内酯等活性成分的含量不低且具有各种重要的药理作用。各种成分的相互作用发挥白芷药材的整体性的药理药效,均为白芷药材发挥作用时不可分割的一部分。因此基于以上研究,对于白芷药材质量的评价应该基于临床疗效及成分含量信息,确定需要纳入评价指标的成分群及组分名称,例如异欧前胡素、氧化前胡素、水合氧化前胡素、佛手柑内酯等有效成分。评价要求不同批次白芷药材间有效成分种类要一致,不能缺少其中的一种或几种成分信息。并且对于纳入评价指标的成分,应该确定这几个的标志性物质的含量下限,并且规定其与欧前胡素含量比值的范围。对于白芷药材的评价,应该综合活性成分的种类、含量以及含量比例,当三者皆在规定之内时为合格药材。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
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Data mining for quality evaluation ofherbs based on consistency of active ingredient proportions
SUN Guo-zhi1, DUAN Bao-zhong2, HUANG Wen-hao1, ZHANG Xiao-dan1, YANG Zong-qi1, LIANG Zong-suo1. 3, YANG Dong-feng1, 3
1. Key Laboratory of Plant Secondary Metabolism and Regulation in Zhejiang Province, College of Life Sciences and Medicine, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China 2. College of Pharmaceutical Science, Dali University, Dali 671003, China 3. Shaoxing Biomedical Research Institute of Zhejiang Sci-Tech UniversityCo., Ltd, Zhejiang Engineering Research Center for the Development Technology of Medicinal and Edible Homologous Health Food, Shaoxing 312075, China
The active ingredients ofherbs are many and complex, and it is difficult to measure the quality ofherbs effectively by a single quality standard or a single component control. This paper evaluates and controls the quality ofherbs by exploring the consistency of the proportions of the active ingredients ofherbs.Mining the content data of 1297herb samples from 78 literatures for the active ingredients: imperatorin, isoimperatorin, oxypeucedanin, bergapten, oxypeucedanin hydrate, byakangelicin, xanthotoxol. The 1118 samples that met the quality standards of thewere analyzed for the consistency of the proportion of the content of each active ingredient.It was found that the content ratio of each coumarin active ingredient and the iconic ingredient imperatorin fluctuated within a certain range, for example, the content ratio of isoimperatorin and imperatorin was between 0.08 and 1.08, the content ratio of oxypeucedanin to imperatorin was between 0.02 and 2.0, and the content ratio of bergapten to imperatorin was between 0.02 and 0.29.herbs whose content ratio was outside the range were generally unqualified herbs. Then, the ratio of the content of each coumarin active ingredient to the iconic ingredient imperatorin was drawn as a normal distribution curve. It was found that the content ratios were normally distributed with the mean as the center, for example, the content ratio of isoimperatorin and imperatorin was centered at 0.451, the content ratio of oxypeucedanin and imperatorin was centered at 0.719, and the content ratio of bergapten and imperatorin was centered at 0.0903. The closer to the center, the more stable the content ratio, and the better the quality of the herbs.Single appearance traits identification does not fully reflect the quality ofherbs, and even the content of active ingredients inherbs is opposite to the grades according to the appearance, so the quality ofherbs can be accurately evaluated from the types of active ingredients, the proportion of components and the content of the three perspectives, and the specifications ofherbs can be evaluated in a comprehensive manner by taking into account the indicators of the appearance traits and the indicators of the chemical quality.
(Fisch.ex Hoffm.) Benth.et Hook.f.; quality evaluation; content ratio; imperatorin; isoimperatorin; oxypeucedanin; bergapten; oxypeucedanin hydrate; byakangelicin; xanthotoxol
R286
A
0253 - 2670(2023)16 - 5329 - 10
10.7501/j.issn.0253-2670.2023.16.022
2023-02-11
浙江省自然科学基金杰出青年基金项目(LR21H280002);浙江省“十四五”育种专项中药材协作组项目(2021C02074);中央本级重大增减支项目子课题(2060302);延安大学博士启动项目(YDBK2019-64)
孙国志,主要从事药用植物研究。E-mail: 3493594144@qq.com
杨东风,教授,从事中药资源与质量评价研究。E-mail: ydf807@sina.com
[责任编辑 时圣明]