
特征图谱结合化学模式识别对不同产地茯苓的成分差异研究
陈慧芳1 刘倩2 李珂3 张守平4
(1.中国海洋大学 医药学院,山东 青岛266000;2.中国海洋大学 医药学院,山东 青岛2660002;3.斯坦德检测集团股份有限公司 ,山东 青岛266000;4.斯坦德检测集团股份有限公司 ,山东 青岛266000)
摘要:目的 采用HPLC建立不同产地茯苓药材的特征图谱,再利用化学模式识别分析不同产地茯苓成分差异。方法 利用HPLC建立茯苓特征图谱,结合聚类分析、主成分分析和正交偏最小二乘法判别分析等多种化学模式识别方法评价不同产地茯苓成分差异。结果 从茯苓特征图谱中识别出8个共有峰,各批次的相似度在0.978~1.000;基于对照品比对法指认出5个色谱峰;聚类分析和主成分分析的结果显示,15批3个产地茯苓药材共分为2类,四川广元旺苍和安徽安庆岳西为一类,贵州铜仁江口为另一类,OPLS-DA确证了峰7(茯苓酸)、峰6(去氢茯苓酸)是不同产地茯苓差异性的关键性成分。结论 此研究构建的不同产地茯苓HPLC特征图谱的分析方法具备良好稳定性与可靠性,能够为茯苓的产地溯源以及品质评估提供有力的科学支撑与参考依据。
关键词:茯苓;特征图谱;不同产地;化学模式识别
作者简介:陈慧芳(1999-12),女,汉族,河南,中国海洋大学,硕士研究生,研究方向为中药分析。
Research on the component differences of Poria cocos from different origins using characteristic mapping and chemical pattern recognition.
CHEN Huifang1 Liu Qian2 Li Ke 3 Zhang Shouping4
(1. Ocean University of China, School of Medicine, Shandong,Qingdao, 266000; 2. Ocean University of China, School of Medicine, Shandong,Qingdao, 2660002; 3. Standard Testing Group Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266000; 4. Standard Testing Group Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266000)
Abstract: Objective: To establish characteristic HPLC chromatograms of Poria from different origins and to study the compositional differences of Poria from different origins using chemometrics. Methods: HPLC was used to establish the characteristic chromatograms of Poria, combined with various chemometric methods such as cluster analysis , principal component analysis ,orthogonal projections to latent structures discriminant analysis to evaluate the compositional differences of Poria from different origins. Results: Eight common peaks were identified from the characteristic chromatograms of Poria, with similarity among batches ranging from 0.978 to 1.000; five chromatographic peaks were identified based on reference standard comparison.The results of cluster analysis and principal component analysis show that the 15 batches of Poria can be divided into two categories: one category includes Sichuan and Anhui, and the other is Guizhou.
The results of CA and PCA showed that 15 batches of Poria from three origins were grouped into two categories: one category included Wangcang, Guangyuan, Sichuan and Yuexi, Anqing, Anhui, while the other included Jiangkou, Tongren, Guizhou. OPLS-DA confirmed that Peak 7 (Pachymic acid) and Peak 6 (Dehydropachymic acid) were key components responsible for the differences in Poria from different origins. Conclusion: The analytical method established in this study for the HPLC characteristic chromatograms of Poria from different origins demonstrates good stability and reliability, providing strong scientific support and reference for tracing the origin and assessing the quality of Poria.
Keywords: Poria cocos; characteristic spectrum; different origins; chemical pattern recognition.
引言
茯苓作为传统道地药材,其化学成分复杂多样,包含三萜类、多糖、脂肪酸及甾醇等活性物质,其中三萜成分在免疫调节、抗肿瘤等药理作用中发挥关键作用[1-2]。然而,受产地环境(如气候、土壤等)的显著影响,不同产区茯苓的化学成分组成及含量存在客观差异,这种差异可能直接导致药材品质与疗效的波动[3-6]。
当前,茯苓研究多聚焦于化学成分分离鉴定及药理机制探索,而针对不同产地茯苓的特征图谱的特征分析,尤其是结合化学模式识别分析不同产地的成分差异的研究较少[7-11]。因此,本文利用HPLC建立茯苓特征图谱,结合化学计量学分析不同产地茯苓差异性的关键成分,为后期茯苓的溯源及品质评估呈递参考依据。
1 仪器与试药
1.1 仪器
赛多利斯Quintix125D-1CN十万分之一天平(德国赛多利斯集团);750-DE超声清洗仪(舒美);赛默飞U3000高效液相色谱仪(赛默飞世尔科技公司);Thermo Accalim120色谱柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm)(Thermo公司);HH-4水浴锅(金坛白塔斯宝仪仪器)。
1.2 试药
对照品猪苓酸C(N18IB232632,纯度98.8%)、去氢土莫酸(A28IB214159,纯度98.5%)、去氢茯苓酸(J08IB211850,纯度98.1%)、茯苓酸(N14IB232196,纯度99.6%)、松苓新酸(D24J10S80630,纯度99.8%)均购自上海源叶生物科技有限公司。甲醇、乙腈、乙醇为色谱纯(上海安谱实验科技股份有限公司),磷酸为分析纯(西陇科学),实验室自制水为超纯水。
1.3 药材
15批茯苓药材于四川广元旺苍、安徽安庆岳西、贵州铜仁碧江产地收集,经斯坦德检测集团股份有限公司技术工程师张守平鉴定为多孔菌科真菌茯苓Poria cocos(Schw.) Wolf菌核的干燥菌核,见表1。
表1茯苓样品信息表
Tab.1 Poria Sample Information Sheet
编号 | 名称 | 产地 | 批号 | 生长年限 |
S1 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20241018 | 5-12个月 |
S2 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20241005 | 5-12个月 |
S3 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20241108 | 5-12个月 |
S4 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20240830 | 5-12个月 |
S5 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20241026 | 5-12个月 |
S6 | 茯苓 | 四川广元旺苍 | 20240825 | 5-12个月 |
S7 | 茯苓 | 安徽安庆岳西 | 20241022 | 5-12个月 |
S8 | 茯苓 | 安徽安庆岳西 | 20241105 | 5-12个月 |
S9 | 茯苓 | 安徽安庆岳西 | 20240830 | 5-12个月 |
S10 | 茯苓 | 安徽安庆岳西 | 20241023 | 5-12个月 |
S11 | 茯苓 | 贵州铜仁碧江 | 20240822 | 5-12个月 |
S12 | 茯苓 | 贵州铜仁碧江 | 20241028 | 5-12个月 |
S13 | 茯苓 | 贵州铜仁碧江 | 20241108 | 5-12个月 |
S14 | 茯苓 | 贵州铜仁碧江 | 20241112 | 5-12个月 |
S15 | 茯苓 | 贵州铜仁碧江 | 20241116 | 5-12个月 |
2 方法与结果
2.1色谱条件
色谱柱为Thermo Accalim120;检测波长210nm;柱温为30℃;进样体积为10 uL;流速为1.0 mL/min;流动相为乙腈(A)-0.05%磷酸水(B);洗脱程序为0~35min,19%A;35~55min,19%~29%A;55~70min,29%A;70~85min,29%~19%A。
2.2溶液配制
2.2.1混合对照品溶液的制备
精密称取猪苓酸C、去氢土莫酸、去氢茯苓酸、茯苓酸、松苓新酸对照品适量,加70%甲醇制成浓度分别为70.27、105.076、150.92、180 、149.24μg · ml-1的混合对照品溶液,即得。
2.2.2供试品溶液的制备
以70%甲醇为溶剂,取2 g本品粉末,加入20 mL溶剂,水浴锅70℃回流1.5 h,摇匀,过滤,即得。
2.3方法学考察
2.3.1 精密度试验
取茯苓(S1)供试品溶液,按2.1项色谱条件连续进样6次。以6号峰去氢茯苓酸为参照峰(色谱峰分离度好且峰面积较大)。测得各共有峰相对保留时间RSD<1.74%,相对峰面积RSD<1.93%,表明仪器精密度良好。
2.3.2 稳定性试验
取茯苓(S1)供试品溶液,按2.1项色谱条件,分别在0、2、4、6、8、12、24 h进样测定,以6号峰去氢茯苓酸为参照峰,测得各共有峰相对保留时间RSD<0.13%,相对峰面积RSD<3.0%,表明供试品溶液在24 h内稳定性良好。
2.3.3 重复性试验
取茯苓(S1)供试品,按2.2.2项方法平行制备6份,进样测定,以6号峰去氢茯苓酸为参照峰,测得各共有峰相对保留时间RSD<0.41%,相对峰面积RSD<2.89%,表明该方法重复性良好。
图1 15批茯苓共有模式HPLC叠加色谱图
Fig.1 Overlay chromatogram of HPLC for 15 batches of Poria cocos
注:1-猪苓酸C,2-去氢土莫酸,6-去氢茯苓酸,7-茯苓酸,8-松苓新酸
2.4 HPLC特征图谱的建立及相似度评价
精密称取 15 批茯苓,依 2.2.2 项制供试品溶液,按 2.1 项色谱条件进样。把图谱文件导入《中药色谱指纹图谱相似度评价系统》(2012 A 版),以 S11 作参照图谱,时间窗宽度设 0.1,用中位数法生成对照图谱,经多点校正Mark 峰匹配后计算相似度。S1~S6 的相似度在 0.978 至 0.984 之间,这些样品为四川广元旺苍产地的茯苓;S7~S10 的相似度在 0.981 至 0.985 之间,属于安徽安庆岳西产地的茯苓;S11~S15 的相似度均高于 0.990,为贵州铜仁碧江产地的茯苓。这表明不同产地茯苓药材所含成分存在一定差异[12]。在图谱中共标定8 个共有峰(图 1),对照品比对法指认出 5 个色谱峰,分别是猪苓酸C(1 号峰)、去氢土莫酸(2 号峰)、去氢茯苓酸(6 号峰)、茯苓酸(7 号峰)、松苓新酸(8 号峰)。
2.5化学模式识别分析
2.5.1聚类分析(CA)
将15批茯苓特征图谱中5个共有峰峰面积导入到SPSS 26.0进行系统聚类分析。采用组间连接法与平方欧氏距离算法生成谱系图,当距离阈值为10时,茯苓被分为两类,S1~S10(四川广元旺苍、安徽安庆岳西)为第一类,S11~S15(贵州铜仁碧江)为第二类。该结果与相似度评价一致,表明产地差异影响茯苓质量。见图2。
图2 15批茯苓药材的聚类分析图
Fig.2 Cluster analysis chart of 15 batches of Poria medicinal materials
2.5.2 主成分分析(PCA)
将15批茯苓5个共有峰峰面积数据导入SPSS 26.0与SIMCA 14.1软件进行主成分分析。表3可知,前两主成分初始特征值分别为2.866、1.846,累计方差贡献率为82.246%,大于80%[13],说明二者能有效提取特征图谱关键信息。PCA得分图显示,15批次样品分为两类:S1~S10(四川广元旺苍、安徽安庆岳西)为第一类,S11~S15(贵州铜仁碧江)为第二类。该分类结果与相似度分析、聚类分析结果一致(图3)。
图3 15批茯苓药材的PCA得分图
Fig.3 PCA score plot of 15 batches of Poria cocos medicinal materials
表2 主成分分析特征值及方差贡献率
Tab.2 Principal Component Analysis Eigenvalues and Variance Contribution Rate
成分 | 初始特征值 | 提取载荷平方和 | ||||
特征值 | 方差百分比 | 累计方差贡献率 % | 特征值 | 方差百分比 | 累计方差贡献率 % | |
1 | 2.866 | 57.323 | 57.323 | 2.866 | 57.323 | 57.323 |
2 | 1.246 | 24.924 | 82.246 | 1.246 | 24.924 | 82.246 |
3 | 0.714 | 14.29 | 96.536 |
|
|
|
4 | 0.128 | 2.554 | 99.09 |
|
|
|
5 | 0.045 | 0.91 | 100 |
|
|
|
图4 15批茯苓药材的OPLS-DA得分图
Fig.4 OPLS-DA score plot of 15 batches of Poria cocos herbal materials
2.5.3 正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)
OPLS-DA是有监督的模式识别方法,能过滤无关变量,维持模型预测性能时简化结构,凸显组间差异[14]。将茯苓5个共有峰峰面积导入SIMCA 14.1,构建OPLS-DA监督模型对不同产地茯苓分类。得分图表明,15批次茯苓明显分为四川广元旺苍与安徽安庆岳西(S1~S10)、贵州铜仁碧江(S11~S15)两类,分类效果优于PCA(图4)。模型验证指标显示,R²X=0.986,Q²=0.934,表明该模型具有优异的拟合优度和预测能力[15-16]。进一步分析各共有峰的投影变量权重值(VIP)发现(图5),VIP值与变量对组间差异的贡献度呈正相关,通常以VIP>1作为差异代谢物筛选阈值[17]。最终筛选出2个VIP值显著(VIP>1)的差异成分,分别是峰7(茯苓酸)和峰6(去氢茯苓酸),它们可作为产地质量评价的标志性成分。
图5 15批茯苓药材中5个化学成分的VIP
Fig.5 VIP of 5 chemical components in 15 batches of Poria herbal materials
3讨论
3.1特征图谱方法学建立
茯苓作为传统中药材,具有悠久的药用历史和显著的医疗功效,其药效的发挥主要依赖于所含的多糖类和三萜类化学成分。目前,在茯苓化学成分提取的相关研究中,乙醇和甲醇是较为常用的提取溶剂[18 - 19]。为了筛选出最适合提取茯苓中多糖类和三萜类化学成分的溶剂,首先开展了溶剂种类筛选实验。分别选取乙醇和甲醇作为提取溶剂。对比发现,甲醇作为溶剂时,色谱图中的峰分离情况更为理想。各个峰之间的间隔适中,峰形尖锐且对称,能够清晰地分辨出不同的化学成分,因此最终确定甲醇为提取溶剂。在确定甲醇为溶剂的基础上,为进一步优化提取条件,提高提取效率,进一步考察了不同浓度甲醇溶液的提取效果。分别选取甲醇、50%甲醇和70%甲醇三种不同浓度的溶剂进行实验。实验过程中,采用超声提取方式,以指标性成分的含量为依据,最终确定为70%甲醇。除了溶剂种类和浓度外,提取方式也是影响提取效果的重要因素。于是进一步分别考察超声提取方式与回流提取方式,以分离度为依据,回流提取方式效果更佳,因此最终确定为回流提取。通过上述一系列系统的实验研究和优化筛选,最终确定了以 70%甲醇为溶剂,采用回流提取方式来提取茯苓中的多糖类和三萜类化学成分。
3.2化学模式识别
本研究采集了来自 15 个不同产地的茯苓药材样品,构建高效液相色谱(HPLC)特征图谱,检出了 8 个共有峰。为确保成分鉴定的准确性,我们借助对照品进行比对指认,最终明确其中 5 个共有峰所对应的化学成分,分别是猪苓酸 C(1 号峰)、去氢土莫酸(2 号峰)、去氢茯苓酸(6 号峰)、茯苓酸(7 号峰)以及松苓新酸(8 号峰)。这些化学成分的确定,为我们后续深入分析茯苓药材的质量特征提供了关键依据。
运用聚类分析和主成分分析(PCA)两种多元统计方法。在聚类分析过程中,选定平方欧氏距离 10 作为分类阈值。经过系统的计算与分析,15 批茯苓样品被清晰地划分为两类:第一类涵盖 S1~S10 号样品,其产地为四川和安徽;第二类为 S11~S15 号样品,产地是贵州。值得一提的是,这一聚类结果与相似度评价结果高度一致,有力地表明不同产地的茯苓药材在质量上确实存在显著差异。
主成分分析(PCA)作为一种无监督的分析方法,在本研究中同样发挥了重要作用。它通过对样本之间相似性的深入分析,实现了对不同产地茯苓药材的有效区分,相关结果直观地展示在图 3 中。这一结果进一步验证了产地因素对茯苓药材质量的重要影响[20-21]。
为了更精准地找出导致不同产地茯苓药材质量差异的关键成分,进一步采用了正交偏最小二乘判别分析(OPLS - DA)。该方法通过对各共有峰的投影变量权重值(VIP)进行深入分析。研究发现,峰 7(茯苓酸)和峰 6(去氢茯苓酸)的 VIP 值均大于 1。在 OPLS - DA 分析中,VIP 值是衡量变量对分类结果重要程度的关键指标,VIP 值大于 1 通常意味着该变量对样本的分类具有重要贡献。因此,这一结果清晰地表明,茯苓酸和去氢茯苓酸这两种化学成分是导致不同产地茯苓药材质量差异的主要因素。基于这一发现,可以将茯苓酸和去氢茯苓酸作为茯苓药材的差异标志物。
3.3小结
进一步从化学结构及代谢特征与产地环境的深度适配性来分析茯苓酸与去氢茯苓酸之所以成为区分不同产地茯苓药材的核心差异成分的原因,从结构看,茯苓酸含羧基的稳定三萜结构使其在中性土壤中通过合成酶活性优势大量积累,而去氢茯苓酸因C-25位脱氢形成的双键共轭体系在低温环境下通过CYP450酶催化实现高效转化[22-26];代谢特征方面,去氢茯苓酸因脂溶性增强导致吸收速度较慢,但分布体积相近,其双键结构在低氧环境中更稳定,而茯苓酸羧基易受土壤金属离子影响,导致不同产地稳定性差异[27-29]。本研究最终在统计模型中,二者VIP值分别达1.60和1.22(均>1),因此仅用此二成分建模的产地判别准确率远超去氢土莫酸、茯苓新酸、猪苓酸C等其他三萜成分(VIP<1),充分证明其作为产地标志物的科学性与稳定性。
本研究通过成功构建 15 批不同产地茯苓药材的 HPLC 特征图谱并结合化学模式识别开展系统质量评价,精准找出峰 7(茯苓酸)和峰 6(去氢茯苓酸)为导致产地质量差异的关键成分,这不仅为茯苓质量控制提供了切实可行的技术方法与详实可靠的基础数据,有助于规范茯苓生产过程中的质量标准,保障市场上茯苓药材的质量稳定性,还为茯苓产地溯源及品质评估建立了科学依据,能有效鉴别茯苓产地,区分不同产地茯苓的品质优劣,对促进茯苓产业的标准化、规范化发展,保障消费者权益以及推动中医药事业的健康可持续发展都具有深远影响。
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