仿生技术在中药质量控制领域的应用研究进展△

张贤睿，许玮仪，荆文光，杨建波，王莹*，金红宇，魏锋，马双成

1.中国药科大学，江苏 南京 211198；2.中国食品药品检定研究院，北京 102629

在中药质量标准制定和质量评价过程中，气、味是其重要的判定指标。中医古籍中有很多关于中药气、味记载的内容，如《临证指南医案》中云：“论药必首推气味”[1]。《说文解字》记载：“味，滋味也。从口未声。”[2]中药四气五味理论最早载于汉代的《神农本草经》，其附录云：“药有酸咸甘苦辛五味，又有寒热温凉四气”[3]。随着中医药理论的发展，五味逐渐成为药物功效的经验总结[4]。《黄帝内经·素问》记载：“是故味过于酸，肝气以津，脾气乃绝。味过于咸，大骨气劳，短肌，心气抑。味过于甘，心气喘满，色黑，肾气不衡。味过于苦，脾气不濡，胃气乃厚。”[5]中医将气味根据阴阳五行与人体的五脏六腑相关联，在此基础上指导临床用药。由此可见，中医药传统理论中，中药气味与疗效及质量密切相关。

对于中药质量评价，气、味是描述中药质量的一个维度。例如，黄芪“气微，味微甜，嚼之微有豆腥味”；当归“有浓郁的香气，味甘、辛、微苦”；薄荷“揉搓后有特殊清凉香气，味辛凉”等[6]。但在实际质量控制过程中，对气、味的判断往往依赖人的经验，主观性较强[7]；并且人的嗅觉会受年龄、性别等多种因素影响[8]，当进行大批量中药样本检测时，人的嗅觉和味觉容易疲劳[9]；对于有毒的中药，需要口尝描述其性状，存在中毒的风险。探索可对中药气、味进行客观和量化评价的分析技术可使中药质量评价体系进一步完善。

电子鼻和电子舌等仿生技术可一定程度代替人的感官完成对药材气、味的评价，通过采集到的原始数据结合主成分分析（PCA）、判别因子分析（LDA）等，构建可靠的判断模型，从而对中药的品种、等级、产地等进行鉴别。结合中医药理论，还可对有相似功效的中药进行研究，观察其有无相似的气、味物质基础。电子鼻技术和电子舌技术在食品风味和质量控制领域应用较多[10]，中药领域除矫味外[11]，也有许多学者将其应用于中药质量控制。本文通过阐述此类技术在中药质量控制领域的应用，如药材鉴别、药材炮制、毒性中药质量控制及中药物质基础研究等，以期为中药研究和中药质量控制提供新的思路。

1 仿生技术的工作原理

1.1 电子鼻技术

电子鼻是模拟人体嗅觉器官开发的仪器，也称人工嗅觉系统[12]。传统传感器型电子鼻由顶空进样器、数根气味传感器、数据采集系统和数据分析软件构成。在电子鼻系统中，为了提高其对多种气体的识别能力，需要采用多种不同的敏感材料来构建传感器阵列。采集数据后，在智能算法（如人工神经网络等）的帮助下，可以识别气体种类并对多组分环境中的浓度进行定量分析[13]。近年来，新发展的超快速气相电子鼻已应用于中药质量控制领域，其原理为利用气相色谱技术对采集到的样品气味进行分离分析，通过色谱技术构建出气味指纹图谱，色谱峰可以依据保留时间搜索数据库进行定性定量分析，获得可能的化合物和感官描述信息。可以将色谱峰峰面积作为传感器响应强度，进而进行PCA等，以达到通过气味的差别快速鉴定目标样品的目的[14-21]。2 种电子鼻各具优势，传感器型电子鼻由于种类繁多、仪器价格低廉，具有便携、简便、快速的优点，应用普遍性也更高；超快速气相电子鼻除了具有识别分类样品的功能，还可以定性、定量分析样品的气味成分。

1.2 电子舌技术

电子舌是模仿人类味觉机制研制出来的具有智能识别功能的电子分析系统，具有高灵敏度、可靠性和重复性等优点[22]。电子舌由传感器阵列、自动进样器、数据采集系统和数据分析软件构成。传感器阵列由数根具有特异选择性的传感器构成，每个传感器前端有1 个电子芯片，每个芯片表面有对不同成味物质敏感的脂质膜，脂质膜可以选择性地吸附成味分子。每根传感器与参比电极都有1 个初始稳定的电势差[23]。当传感器进入液体样品中选择性地吸附成味分子后，传感器与参比电极的电势差会发生改变。当传感器上的脂质膜吸附平衡后，其电势差会保持稳定，在软件上可以观测到各个味觉传感器的响应值。

2 仿生技术的技术特点及操作流程

仿生技术相比于传统的口尝、闻味具有更客观准确、保护人体健康、能批量分析样品的优点，相比于传统的理化鉴别具有无损、简便、快速的优点。仿生技术与其他技术的对比见表1。

表1 各种鉴别方法的优、缺点

仿生技术用于中药分析一般包括收集样本、样本分类、样本处理、样本测定、数据处理、构建模型6 个步骤。其中采用化学计量学的方法处理数据是最重要的步骤之一。研究初期需要测定大量样本数据后建模，耗时较长。但在构建判别模型后，电子鼻和电子舌的数据可以代入现有数据模型，完成对样本的快速判别。本文归纳了电子鼻和电子舌应用于中药研究的一般思路，见图1。

图1 基于电子鼻和电子舌技术的研究思路

3 电子鼻和电子舌在中药质量分析领域的应用

电子鼻和电子舌在中药质量分析领域的应用以中药的鉴别为主（图2），包括区分不同品种、产地、变质程度的中药和不同等级、炮制规格的饮片等，可实现无损、快速、准确的判断。除了用于中药鉴别领域，电子鼻和电子舌还可以替代人的感官，“品尝”一些有毒性的中药，对其性状进行描述，在不损伤人体健康的前提下，控制有毒中药的质量。仿生技术还可帮助探索中药在炮制过程中的变化规律，探索中药炮制的奥秘。中药五味是传统中医药理论的重要组成部分，五味物质基础与中药质量密切相关，通过客观的电子感官与气相色谱的联用，可以建立庞大的数据库，不断丰富中药的气味数据，并基于数据库对中药五味物质基础进行深入研究。

图2 电子鼻和电子舌技术在中药质量控制领域的应用

3.1 电子鼻和电子舌技术在中药鉴别领域的应用

3.1.1 品种鉴别 对于缺乏经验的人员，一些外观相似的中药材和饮片往往容易混淆，利用电子鼻、电子舌技术可快速鉴别中药品种。李涵等[26]收集了白及和其近似饮片天麻、玉竹、黄花白及共134 批，以电子鼻10 根传感器采集的134 批嗅觉信息矩阵为横坐标（X），基于《中华人民共和国药典》2020 版的性状、显微鉴定、薄层鉴别等及液相色谱法（HPLC）指纹图谱的相似度，结合原始购买信息，获得综合辨识结果（Y），利用化学计量学方法建立关系模型Y=F（X）。二分类辨识模型的构建中Y设定为1为白及饮片，2为非白及饮片。经验证，建立的二分类辨识模型判断“白及”和“非白及”的成功率达95%以上。张冬月等[27]采用PEN3电子鼻鉴别了通关藤及其混淆品，结果表明，建立的识别模型预测结果基本准确。朱广飞等[28]利用Heracles Neo超快速气相电子鼻鉴别了广藿香和藿香，从藿香饮片及广藿香饮片粉末的色谱峰中筛选出区分能力强且峰面积较大的色谱峰，以色谱峰的峰面积替代传统电子鼻传感器的响应值。结果表明，电子鼻技术能实现对广藿香饮片与黑龙江、湖南和四川3 地的藿香饮片的快速识别，说明电子鼻技术可以快速判断易混淆的药材品种。

3.1.2 产地判断 不同产地的中药存在质量差异，中医认为道地产区的中药品质更佳，其物质基础也有一定的差异，利用电子鼻和电子舌技术可以快速鉴别中药的产地，判断其道地性，为中医临床用药提供参考。李建军等[29]采用电子鼻和电子舌技术对不同产地的生地黄进行鉴别，经数据拟合分析后，认为电子鼻和电子舌的拟合应用可以有效地将同一品种不同产地的生地黄区分开。

青海柴达木是黑果枸杞的道地产区，市场上假冒伪劣黑果枸杞严重侵犯了名牌优质产品的声誉，损害消费者的利益。已有研究采用液相色谱-质谱法追踪黑果枸杞的地理来源。然而，该方法使用的设备对于黑果枸杞生产和交易地区来说过于昂贵，难以实现应用。Wang 等[30]采用电子鼻和电子舌技术对中国5个省份的243批黑果枸杞进行分类，基于电子鼻和电子舌的数据，采用PCA和LDA进行分类，并将电子鼻和电子舌的数据进行融合后进行分类，分类的成功率达92.6%。吴飞等[31]利用α-Astree Ⅱ型电子舌技术成功区分了不同产地的枳实。

3.1.3 炮制规格判断 中药在炮制过程中其药性往往发生微妙的变化，其潜在的物质基础也发生变化。仿生技术在药材炮制研究方面的应用也有报道。例如，山楂可被加工炮制成生山楂、炒山楂、焦山楂、山楂碳等多种炮制品，而炮制会导致山楂的味道发生由微甜到微涩的变化，通过感官判定较为困难。黎量等[32]通过电子舌技术对4种山楂炮制品及山楂炮制过程中的样品进行分析，并对传感器获得的数据进行统计学分析。研究结果表明，通过电子舌采集的数据能够有效区分不同山楂炮制品。黄特辉[33]利用电子鼻对太子参的烫干品与晒干品进行了有效的区分。钱怡洁等[34]利用Heracles Neo型超快速气相电子鼻，以净山萸肉及酒萸肉的21 个气味色谱峰峰面积为变量进行统计分析，结果表明，PCA 和LDA 结果均可以有效区分不同炮制时间的酒萸肉。

3.1.4 药材变质程度判断 变质或霉变的中药对人体有害。种子类药材（苦杏仁、薏苡仁、肉豆蔻等）容易变质（走油），变质后会有“哈喇味”。洪伟峰等[35]利用电子鼻感官技术分析变质与苦杏仁内在质量指标之间的关联性。以电子鼻12 根传感器的响应值为自变量，以过氧化值、酸值等理化指标为因变量，结果发现苦杏仁炒品的过氧化值、酸值和电子鼻传感器的响应值存在显著相关性。采用苦杏仁苷含量作为预警值的设定判断指标，采用判别因子分析法建立苦杏仁变质的预测模型，获得苦杏仁生品、燀品和炒品的走油预警值设定图。

目前中药霉变的检测主要通过性状鉴别法和理化鉴别法。其中性状鉴定法主观性较强，常规的理化鉴别法存在耗时长，成本高，无法自动化、现场快速检测的缺点[36]。利用仿生技术可以快速判断中药霉变情况。有学者将电子鼻技术应用于中药霉变研究，如田卉玄等[37]以不同霉变程度的肉豆蔻为研究对象，采用电子鼻技术成功分类了未霉变、轻微霉变和霉变的肉豆蔻样本，其分类结果与采用顶空-气相色谱-质联法的分类结果一致。拱健婷等[38]基于电子鼻12 根传感器响应值建立了黄精与霉变黄精的气味指纹图谱，并建立了黄精霉变与否定性鉴别模型。以上技术相较于传统性状鉴定法具有客观、安全的优点；相较于一般的理化鉴别法具有前处理简单、速度快、无损鉴别的优点。

3.1.5 药材等级评价 市场上不同等级中药材存在价格差距，探索中药材等级评价方法对于规范药材市场有重要意义。近年来，已有研究将电子鼻和电子舌技术应用于中药等级评价。三七药材的品质主要以其大小、头数为判断依据，即三七个头越大、头数越少，品质越好[39]，三七的市场价格亦同等级挂钩[40]。李玲[41]采用电子鼻检测系统对不同头数正品三七进行分类，依据分类的准确度判断，对于不同头数三七分类，深度学习模型准确度更高。金银花为忍冬科植物忍冬Lonicera japonicaThunb的干燥花蕾。《中国植物志》中记载：“金银花商品以花蕾为佳，混入开放的花或梗叶杂质者质量较逊。”[42]金银花在采收时难免会混有不同比例的完全开放的花，因此需要对其质量进行分级。武文奇等[43]利用Heracles Ⅱ型超快速气相电子鼻将采集的数据进行浓度量化建模分析，可鉴别不同调配比例金银花粉末，可实现基于掺入完全开花金银花粉末比例的质量分级。

3.2 电子鼻和电子舌在毒性中药质量控制领域的应用

通过口尝法对有毒中药的性状进行评价存在健康风险。仿生技术的出现为毒性中药性状判断提供了解决方案。例如，毒性中药附子的炮制品黑顺片，通过其味道浓或淡可以判断其质量好坏。加工过程中胆巴漂洗不充分和毒性成分双酯型生物碱含量偏高会导致黑顺片的咸涩和麻舌感，《中华人民共和国药典》2020 年版要求黑顺片应符合“味淡”的标准[44]。李欣欣等[45]采用电子舌技术，发现胆巴残留量与电子舌的咸味传感器响应值呈明显的正相关关系，通过电子舌可以准确判断胆巴残留量及判别是否符合“味淡”这一要求。利用电子舌替代人对毒性中药进行品尝，可以在没有健康风险的前提下检测大量样本，从性味角度对毒性中药的质量进行评价。

3.3 炮制规律研究

黄芩为唇形科植物黄芩Scutellaria baicalensisGeorgi 的干燥根，黄芩常酒炙后使用，因其可借黄酒升腾之力上行，用于上焦肺热及四肢肌表之湿热，同时酒性大热，可缓和苦寒之性[46]。柴冲冲等[47]利用电子舌对黄芩片、酒黄芩进行研究，采用相关性分析，将口尝感官属性和相应传感器建立相关关系，发现酒黄芩苦味降低、咸味增加，PCA 分析黄芩酒炙前后滋味变化，结果显示2 种饮片的滋味差异将其分成2 类，咸味和苦味的响应值是影响黄芩与酒黄芩整体味道的主要因素。利用仿生技术对山楂炮制过程进行研究，可以直观观测到山楂炮制过程中味觉传感器响应值的变化规律。通过气味研究为山楂炮制过程的质量控制及炮制工艺参数优化提供了参考[32]。

基于电子鼻和电子舌技术对中药炮制过程中的性味变化进行研究，可以从气、味角度揭示中药炮制过程中的奥秘，使传统的中药炮制理论更具现代科学性，并为中药炮制工艺的优化提供参考，进一步提升中药饮片的质量。

3.4 在中药五味物质基础研究中的应用

中药药性理论发展历史悠久，是中医组方的重要理论依据，其中五味药性是中药药性理论的重要组成部分。中医将五味与阴阳五行及人体的五脏六腑相关联，并在其基础上指导临床用药[48]。五味是我国历代医药学家经过长期实践总结而成，指导中医临床用药的重要理论依据[49]。表征界定和辨识中药五味的物质基础是研究中药药性理论的前提和打开黑箱的钥匙[50]。而仿生技术的传感器响应值与人体感官具有不同程度相关性[47]，因此可以采用电子舌、电子鼻等仿生技术对中药五味进行探索[51]。

中药的气味成分是组成中药物质基础的维度之一，探索中药的气味物质基础对于多维评价中药质量具有参考价值。采用电子鼻对常用的12 种活血化瘀功效的中药材进行检测，结果表明，12 种中药材具有相似的气味特征指纹图谱，统计分析结果亦表明12 种中药材的挥发性成分能聚为一簇[52]，说明具有相似功效的中药有相似的气味物质基础，这些化学成分可能是其均具有活血化瘀功效的原因。其电子鼻图形又各不相同，说明具有各自特异性的成分。亦有研究采用电子鼻技术对不同品质鹿茸饮片的气味进行分析，通过数根传感器的响应值判断不同品质的鹿茸气味差异，主要体现在氮氧化物类、有机硫化物、芳香成分等，为鹿茸五味物质基础研究提供了参考[53]。电子鼻和电子舌技术在中药五味物质基础研究领域中具有潜力。

4 讨论

综上所述，电子鼻和电子舌技术已逐步应用到中药质量控制领域，基于其技术特点和优势，针对具有特殊气、味的中药材有更突出的研究价值。例如，具有特异芳香气的名贵药材，具有刺鼻味道的水蛭、地龙、土鳖虫等，具有强烈蒜样臭气的阿魏，具有奶油话梅样香气的香加皮，具有豆腥气的沙苑子，具有败油气的南柴胡，具有烟熏味的鲜竹沥，具有焦糖气的玄参和瓜蒌等。利用超快速气相电子鼻技术可探索构成其特征气味和味道的成分，并在此基础上进行与味觉和嗅觉受体的分子对接实验[54]，探索与气、味及功效相关的重要质量控制指标。将电子鼻和电子舌采集的数据与色谱、质谱等数据进行融合，形成中药质量的多维评价体系。

中医将中药的药性与中药的气味相联系，将中药性味与归经相联系，完善了中医药理论的宝库。采用超快速气相电子鼻可以对形成中药气味的化学成分进行研究，探索其气味物质基础，并对气味相似的中药进行关联分析。同时采用电子舌技术可以将中药的味道响应值与中药药性进行统计关联，揭示中药性味归经的内涵，论证传统中医药理论的现代科学性。

中药流通市场中常存在易混淆、掺伪中药，缺乏经验的消费者往往难以分辨，许多药品监管部门都在当地大型中药材市场中设立了快检实验室，服务于消费者。电子鼻和电子舌凭借其前处理简单、检测速度快、便携的优点在快检实验室中有较大的应用潜力。

同时，目前电子鼻和电子舌技术还存在一定局限性，如测定的响应值与气、味无明显相关性[55]；传感器的专属性和耐用性有待提高，体现在测定大量样本后仪器准确性降低；不同品牌电子鼻和电子舌测定结果存在差异，缺乏统一的标准，因此难以将电子鼻和电子舌测定的量化指标纳入质量控制指标；便携性有待进一步提高，满足现场检测场景需求；仪器稳定性仍有进步空间等。

[利益冲突]本文不存在任何利益冲突。