应用电子鼻区分不同炮制工艺和不同炮制程度的山.doc

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1、精品论文大集合应用电子鼻区分不同炮制工艺和不同炮制程度的山楂、槟榔的初步研究1李文敏，吴纯洁，黄学思，艾莉，贾晶成都中医药大学，成都（611137）E-mail：liwenmin_摘要：将电子鼻应用于区分不同炮制工艺和不同炮制程度的山楂、槟榔样品，旨在寻求一 种快速有效的方法以实现对中药炮制品外观性状气味的客观化控制。对不同炮制工艺制备的 山楂炮制品生山楂、焦山楂、烘山楂和不同炮制程度的山楂炮制品生山楂、焦山楂、山楂炭， 以及不同炮制工艺制备的槟榔炮制品生槟榔、焦槟榔、烘槟榔和不同炮制程度的槟榔炮制品 生槟榔、焦槟榔、槟榔炭气味的区分，展示了应用电子鼻技术监测中药炮制品性状气味的新 方法，表明

2、该技术对中药炮制过程中的气味变化具有独特的识别能力。不同样品之间区分指 数 DI 的特异性明显。所有的数据通过化学计量学方法处理，并且该分析方法无需样品前处 理。关键词：电子鼻，炮制，山楂，槟榔1. 引言“火候”是传统的炮制质量标准，主要通过眼看、鼻闻、口尝及手试等方式，从饮片的 形、色、气、味等方面来进行控制，在很大程度上依靠操作者的感观能力和经验积累。由于 人体感观具有易疲劳、适应和习惯的特点，检测结果不可避免的受到感观差异和检测环境的 影响，客观性和准确性难以保证。并且随着富有经验的老药工人数的逐渐减少，这种传统经 验技术有失传的倾向，整个中药饮片行业技术人才出现了断代的危机。“火候”的

3、客观化表达 成为炮制研究中亟待解决的问题。电子鼻(Electronic Nose， EN)又称人工嗅觉系统，它将仿生学、传感技术、信号处理、 模式识别和计算机科学等多种学科融于一体，模仿生物感官鼻子的功能，既能检测特定 的气体，又能评价混合气体或挥发性化学成分，其检测结果具有高灵敏度、可靠性和重复性。 与普通化学分析仪器(如色谱仪、光谱仪、毛细管电泳仪)等不同，电子鼻得到的不是被测样 品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是样品中挥发成分的整体信息，而且样品不需 前处理，也不需任何有机溶剂进行萃取，具有在线检测速度快、灵敏度高，不会发生嗅觉疲 劳，可以给出客观的检测结果，操作简单，费用少等优

4、点。目前国外对电子鼻的研究比较活跃，主要用于对肉类、果蔬等食品的质量分级和新鲜 度判别1，并对酒、卷烟、咖啡、茶叶的类别和产地进行区分2，3，4。由于天然药物成分的 复杂性，国外电子鼻技术在中药领域中的应用还较少。日本学者对电子鼻在生药质量鉴别中 的应用作了有益的尝试5：利用气味传感器成功地区分了人体嗅觉难以鉴别的白色无臭的茯 苓、牡蛎、龙骨粉末；韩国学者利用电子鼻和 GC-MS 系统对红参炮制过程中的香气变化进 行研究，成功地揭示出红参异于鲜参和生晒参的香气是由于在蒸制过程中产生了特征香气成 分 3-Hydroxy-2-methyl-pyran-4-one 所致6；A. K. M. Shaf

5、iqul Islama 等7利用电子鼻检测东革 阿里（马来西亚常用草药）提取物的气味，并对电子鼻响应信号和提取物挥发油成分的相关 性进行研究，实验结果提示挥发油中某些成分与电子鼻响应信号高度相关。目前国内仅有极 少的科研院所在该领域进行了简单的研究。1 本课题得到国家十一五支撑计划（2006BAI09B06-01-2）的资助。- 3 -气味历来是反映炮制火候的重要指标。例如，炒制时炒黄要求炒至饮片具香气，炒焦要求具焦香气。课题组据此提出采用电子鼻客观表达炮制外观性状气味的设想。本试验将电 子鼻用于对不同炮制工艺和不同炮制程度的山楂、槟榔饮片进行检验和区分，结果令人满意。2. 材料与方法2.1

6、样品的采集及加工自成都市五块石中药材市场购得山楂和槟榔药材各 20kg。山楂药材经鉴定为蔷薇科植 物山里红 Crataegus pinnatifida Bge.var.major.N.E.Br.或山楂 Crataegus pinnatifida Bge.的干燥 成熟果实。槟榔药材经鉴定为棕榈科植物槟榔 Areca catechu L.的干燥成熟种子。依据中国 药典2005 年版一部附录D 清炒法，四川省中药饮片炮制规范进行炮制加工，制得生 山楂、焦山楂、山楂炭、烘山楂，以及生槟榔、焦槟榔、槟榔炭、烘槟榔样品。山楂不同饮片各制备工艺如下： 生山楂：取净山楂，除去杂质及脱落的核。 焦山楂：取净山楂

7、，置炒制容器中，用中火加热，炒至表面焦褐色，内部黄褐色，取出晾凉，筛去碎屑。 山楂炭：取净山楂，置炒制容器中，用武火加热，炒至表面焦黑色，内部焦褐色，取出晾凉，筛去碎屑。烘山楂：净取山楂，置 200的 101A-Z 型烘箱中，烘至表面焦褐色，内部黄褐色，取 出晾凉。槟榔不同饮片各制备工艺如下： 生槟榔：取槟榔饮片，筛去碎屑。 焦槟榔：取槟榔饮片，置炒制容器内，用中火加热炒至焦黄色，取出晾凉，筛去碎屑。 槟榔炭：取槟榔饮片，置炒制容器内，用武火加热炒至焦黑色，取出晾凉，筛去碎屑。 烘槟榔：取槟榔饮片，置 200的 101A-Z 型烘箱中，烘至表面焦黄色，取出晾凉。2.2 仪器电子鼻（FOX400

8、0，法国 Alpha M.O.S.），由 18 个金属氧化物传感器组成传感器阵列 系统，仪器配有空气发生器和 HS100 型自动进样系统，Alpha Soft 9.1 版软件控制仪器并 处理数据；中草药粉碎机（FW135，天津市泰斯特仪器有限公司）。本电子鼻系统的工作原理、仪器实物及内部结构如图 2-1、图 2-2 和图 2-3 所示：气味传感器阵列信号传输信号预处理单元信号传输模式识别系统图 2-1 电子鼻工作原理图Sliding InjectorODOURIncubatorSample TraysHS 100 AutosamplerChamber 1Chamber 2Chamber 3Ex

9、haust4 Port valve1 2 34 5 67 8 910 11 1213 14 1516 17 18Data ProcessComputerDetector Chambers图 2-2 FOX4000 电子鼻实物图图 2-3 FOX4000 电子鼻内部结构框图2.3 方法2.3.1 样品储存：铝塑袋密封，常温保存备用。2.3.2 样品测定：将样品粉碎成细粉，称取 0.5g（准确至 0.01g），放入 10ml 顶空瓶中，加盖 密封，待检。2.3.3 样品的检测参数（表 2-1）表 2-1 样品的检测参数载气合成干燥空气 流速150ml/min 小瓶中的样品量0.5g小瓶体积10 m

10、l 产生时间600s 产生温度45 C 搅动速度500 rpm 注射体积1.5ml 注射速度1.5ml /s 注射针总体积2.5 ml 注射针温度55C 获取时间120 s延滞时间360s2.4 数据分析方法用主成分分析（PCA）对电子鼻获得的样品信号数据进行了分析。主成分分析(PCA)是 一种多元统计方法，能找出样品间相关联的特征，并从中总结出有关样品的信息。3 结果与分析3.1 原始数据曲线图 3-1 是实验试样所得的电子鼻原始响应曲线图。电子鼻检测每一个样品时，数据采集 的时间为 120s，共有 18 个传感器。下图中的横轴为时间轴，纵轴为响应强度。纵坐标响应 强度对应于各传感器的相对电

11、阻变化率(（R0-R）/R0)。R0 为 t=0 时的电阻值，R 为随时间 变化的响应电阻值。每条曲线代表一个传感器在 120s 内的响应变化。在进行其他的数据分 析与处理时，选择每个传感器的最大响应强度值进行分析（实践证明，选择最大响应强度进 行分析最为有效）。- 4 -3.2 山楂实验数据分析图 3-1 山楂试样电子鼻检测的典型响应曲线3.2.1 炮制工艺对山楂气味的影响通过电子鼻传感器阵列上的信号强度值可以得到一个矩阵，该矩阵是以生山楂、焦山楂 和烘山楂样品及其重复（图中所示样品名）作为矩阵的行，以电子鼻信号曲线中所有的信号 强度值作为矩阵的列，利用该矩阵即可进行 PCA 分析，得到如图

12、 3-2 所示的山楂不同炮制 工艺的主成分分析(PCA)图。在图 3-2 中，PCA 区分指数为 96，区分指数框为绿色。区分指数（Diferentiation Index or DI）是电子鼻技术区分这些样品的程度的表征，由下 列公式计算而来8：当组群之间没有叠加时，DI 为正值。DI=100（1每个组群空间面积的总和包容所有组群的总空间面积）。 当组群之间有叠加时，DI 为负值，表明样品之间不能完全区分。DI=-100（组群叠加部分空间面积的总和包容所有组群的总空间面积）。DI 的最大值为 100，DI 值为 80100 就表明有效的区分；当然其值越大，区分越好。 图 3-2 中 DI 值

13、为 96，表明区分有效。PC1 的累积贡献率为 93.611%，PC1 和 PC2 的累 积贡献率之和为 99.668%，这说明山楂不同炮制工艺制得的炮制品气味之间的差异主要由第 一主成分决定。从图中可以明显看出，生山楂气味和炮制过的两个样品的气味存在显著的差 异；两种不同炮制工艺得到的山楂炮制品也存在一定差异，说明炮制工艺对样品气味存在显 著影响。提取特征传感器的响应值，建立特征气味指纹图如图 3-3 所示。横轴表示不同传感器，纵轴为传感器响应值。- 9 -生山楂焦山楂烘山楂图 3-2 不同炮制工艺山楂气味的主成分分析(PCA)图图 3-3 不同炮制工艺山楂气味的特征指纹图 山楂 1：烘山楂

14、；山楂 2：焦山楂；山楂 5：生山楂3.2.2 炮制程度对山楂气味的影响 通过电子鼻传感器阵列上的信号强度值可以得到一个矩阵，该矩阵是以生山楂、焦山楂和山楂炭样品及其重复（图中所示样品名）作为矩阵的行，以电子鼻信号曲线中所有的信号强度值作为矩阵的列，得用该矩阵即可进行 PCA 分析，得到如图 3-4 所示的山楂不同炮 制程度的主成分分析(PCA)图。在图 3-4 中，PCA 区分指数为 94，表明区分有效，PC1 的累 积贡献率为 96.964%，PC1 和 PC2 的累积贡献率之和为 99.589%，这说明山楂不同炮制程度 的炮制品气味之间的差异主要由第一主成分决定。从图 3-4 也可看出不

15、同炮制程度的山楂饮 片气味存在显著区别，而且在第一主成分上的分布符合一定的规律。提取特征传感器的响应 值，建立特征指纹如图 3-5 所示。生山楂焦山楂山楂炭炮制程度图 3-4 不同炮制程度山楂气味的主成分分析(PCA)图图 3-5 不同炮制程度山楂气味的特征指纹图 山楂 3：山楂炭；山楂 4：焦山楂；山楂 5：生山楂3.3 槟榔实验数据结果及分析3.3.1 炮制工艺对槟榔气味的影响 通过电子鼻传感器阵列上的信号强度值可以得到一个矩阵，该矩阵是以生槟榔、焦槟榔和烘槟榔样品及其重复（图中所示样品名）作为矩阵的行，以电子鼻信号曲线中所有的信号强度值作为矩阵的列，得用该矩阵即可进行 PCA 分析，得到

16、如图 3-6 所示的槟榔不同炮制 工艺的主成分分析(PCA)图。在图 3-6 中，PCA 区分指数为 96，表明区分有效，PC1 的累积 贡献率为 90.381%，PC1 和 PC2 的累积贡献率之和为 99.690%，这说明槟榔不同炮制工艺所 得炮制品气味之间的差异主要由第一主成分决定。可以看到，不同炮制方式的槟榔存在显著 的差异，说明炮制工艺对槟榔气味的影响很大。提取特征传感器响应值，建立特征气味指纹， 如图 3-7 所示。生槟榔烘槟榔焦槟榔图 3-6 不同炮制工艺槟榔气味的主成分分析(PCA)图图 3-7 不同炮制工艺槟榔气味的特征指纹图 槟榔 2：焦槟榔；槟榔 4：烘槟榔；槟榔 5：生

17、槟榔3.3.2 炮制程度对槟榔气味的影响 通过电子鼻传感器阵列上的信号强度值可以得到一个矩阵，该矩阵是以生槟榔、焦槟榔和槟榔炭样品及其重复（图中所示样品名）作为矩阵的行，以电子鼻信号曲线中所有的信号强度值作为矩阵的列，得用该矩阵即可进行 PCA 分析，得到如图 3-8 所示的槟榔不同炮 制程度的主成分分析(PCA)图。在图 3-8 中，PCA 区分指数为 91，表明区分有效，PC1 的累 积贡献率为 94.033%，PC1 和 PC2 的累积贡献率之和为 99.894%，说明不同炮制程度的槟榔 炮制品气味之间的差异主要由第一主成分决定。从图 3-8 可以看出不同炮制程度的槟榔气味 存在显著区别

18、，而且在第一主成分上的分布符合一定的规律。提取特征传感器响应值，建立 特征气味指纹，如图 3-9 所示。生槟榔炮制程度焦槟榔槟榔炭图 3-8 槟榔不同炮制程度主成分分析(PCA)图图 3-9 槟榔不同炮制程度特征指纹图槟榔 1：槟榔炭；槟榔 3：焦槟榔；槟榔 5：生槟榔4 结论本文研究表明，电子鼻能够准确区分出不同炮制程度的山楂、槟榔炮制品，并且不同炮 制程度的样品在 PCA 图上分布具有一定的趋势，表明该技术对中药炮制过程中的气味变化 具有独特的识别能力。山楂炒制品和烘制品两种不同炮制工艺所得炮制品的在 PCA 图上表 现出较大差异，说明两者气味即挥发性成分不同，提示炒制品和烘制品的内在成分

19、有差异， 烘制品是否可以真正替代炒制品还需进行进一步的验证。此外，电子鼻技术用于中药炮制品 外观性状的研究，具有样品无需前处理、无污染、分析速度快等特点。可以预见，随着化学 计量学方法的不断进步，电子鼻检测技术将在更多的相关研究领域中得到应用。致谢感谢 Alpha M.O.S.上海公司对本实验提供的技术支持。参考文献1 唐月明，王 俊.电子鼻技术在食品检测中的应用J.农机化研究，2006，（10）：169-172.2 黄骏雄，蒋弘将，阎 哲.应用电子鼻检测香烟质量的研究J.化学通报，2000，（1）：51-53.3 史志存，李建平，马 青，等.电子鼻及其在白酒识别中的应用J.仪表技术与传感器，

20、2000，（1）：34-37.4 Huichun Y, Jun W. Discrimination of Long Jing green-tea grade by electronic nose J. Sens Actuators B, 2007,122(1) 8:134-140.5 杜旭.使用气味传感器对生药质量进行评价J.国际中医中药杂志.2006，28(6)：359-360.6 S. K. Lee, J. H. Kimb, H. J. Sohn, et al. Changes in aroma characteristics during the preparation of red g

21、inseng estimated by electronic nose, sensory evaluation and gas chromatography/mass spectrometry J. SensActuators, B, 2005，106(1): 7-12.7 A.K.M. Shafiqul Islama, Z. Ismailb, B. Saada, et al. Correlation studies between electronic nose response and headspace volatiles of Eurycoma longifolia extracts

22、J. Sens Actuators, B, 2006, 120(1): 245-251.8 M. Masila, M. Breimer and O. A. Sadik. in Electronic Noses Sensory Array Based Systems: Design Application C. Proceedings of the 5th International Symposium on Olfaction and the Electronic Nose (Edited by W. J. Hurst 1. Technomic Publishing Company, Inc.

23、, 1999: 27-42.Determination of Processing Methods and Processing Degrees of Hawthorn and Betel Nut by Electronic Nose Li Wenmin，Wu Chunjie，Huang Xuesi，Ai Li, Jia JingChengdu University of TCM, Chengdu, Sichuan, PRC ( 611137)AbstractIn this paper, in order to obtain a fast and available process to co

24、ntrol the quality of characteristic odor of processed Chinese herbal medicines, electronic nose was used to determine the different processingmethods and different processing degrees of Hawthorn and Betel Nut. To do this，processed Hawthornand Betel Nut with different processing methods and different

25、 processing degrees have been analyzed by electronic nose. The results showed that electronic nose could differentiate different processing methods (stir-frying and baking) and different processing degrees (crude, stir-fried to yellow, stir-fried to charcoal) of herbal medicines, All samples with were very well differentiated with differentiation index. Chemometric methodology was used for all data treatments. Another advantage of the method is that it does not require any sample pre-treatment.Keywords: Electronic Nose, Processing of herbal medicines, Hawthorn, Betel nut