1、1574 中草药 中草药 2023 年年 3 月月 第第 54 卷卷 第第 5 期期 Chinese Traditional and Herbal Drugs 2023 March Vol.54 No.5 红外光谱结合化学计量学对栽培滇重楼的产地鉴别研究4 王元忠1，沈 涛2 1.云南省农业科学院药用植物研究所，云南 昆明 650200 2.玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100 摘 要：目的 比较滇重楼 Paris polyphylla var.yunnanensis 不同生长年限不同产地红外光谱特征，建立产地鉴别模型。方法 收集 13 个产地 38 年生栽培滇重楼样品，共
2、计 841 株个体；通过衰减全反射-傅里叶变换红外光谱仪（attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectra，ATR-FTIR）采集样品红外光谱；结合多元散射校正（multiplicative scattering correction，MSC）、一阶导数（first derivative，FD）、二阶导数（second derivative，SD）和三阶导数（third derivative，TD）筛选最佳光谱预处理方式；利用偏最小二乘判别模型（partial least squares discrimination
3、analysis，PLS-DA）鉴别相同生长年限不同产地的样品。结果 三阶导数与多元散射校正结合是对 3 年生和 58 年生样品进行产地鉴别的最佳光谱预处理方式；二阶导数与多元散射校正结合是鉴别 4 年生不同产地样品最佳光谱预处理方法。变量投影重要性（Variable importance for the projection，VIP）分析显示，37001800 cm1在不同 PLS-DA 判别模型中均为贡献较大的变量波段；当剔除无关信息波段之后，PLS-DA 模型能够准确鉴别相同年限不同产地滇重楼根茎样品，训练集和预测集鉴别准确率均为 100%；置换检验结果显示模型鲁棒性较好。结论 研究建立
4、的方法能够快速有效鉴别不同产地栽培滇重楼，为不同栽培年限滇重楼产地溯源提供理论基础与方法依据。关键词：滇重楼；红外光谱；偏最小二乘判别模型；生长年限；鉴别 中图分类号：R286 文献标志码：A 文章编号：0253-2670(2023)05-1574-08 DOI:10.7501/j.issn.0253-2670.2023.05.024 ATR-FTIR combined with chemometrics for origin identification of cultivated Paris polyphylla var.yunnanensis WANG Yuan-zhong1,SHEN
5、Tao2 1.Institute of Medicinal Plants Research,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kunming 650200,China 2.College of Chemistry,Biology and Environment,Yuxi Normal University,Yuxi 653100,China Abstract:Objective To establish geographical discrimination model by comparing spectral characters of Par
6、is polyphylla var.yunnanensis(PPY)with different cultivated locations and different growth period.Methods A total of 841 samples of PPY growing 38 years were collected from 13 geographical origins.The sample powder was scanned by attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectrometer(AT
7、R-FTIR)for obtaining spectral information.Subsequently,the optimum methods of spectral pretreatment were selected by using multiplicative scattering correction(MSC)combined with first derivative(FD),second derivative(SD)and third derivative(TD).The partial least squares discrimination analysis(PLS-D
8、A)was established using these spectra after selecting different spectral pretreatment methods for geographical discrimination under the same growth period.Results The results indicated that TD coupled with MSC was the best pretreatment approach for origin identification of 3-year old and 58-year old
9、 samples,while SD coupled with MSC was the best preprocessing approach to identify 4-year-old samples from different habitats.Variable importance for the projection(VIP)analysis showed that the ATR-FTIR spectral band distributions in the whole range of 37001800 cm-1 were important variables for buil
10、ding discrimination models.Moreover,PLS-DA was an effective way for the discrimination analysis of samples from different geographical origins with different cultivation years,showing 100%accuracy rates of training set and prediction set.Furthermore,the permutation test indicated that 收稿日期：2022-10-0
11、3 基金项目：国家自然科学基金项目（81460584）；云南省重大科技专项（202002AA100007）作者简介：王元忠，男，博士，副研究员，主要从事药用植物和真菌资源评价与利用。E-mail: 中草药 中草药 2023 年年 3 月月 第第 54 卷卷 第第 5 期期 Chinese Traditional and Herbal Drugs 2023 March Vol.54 No.5 1575 these models were robust.Conclusion In general,the discrimination method built in the study could
12、effectively discriminate cultivated PPY samples from different geographical origins,which can provide a theoretical foundation and methodology for geographical traceability of different growth periods of PPY.Key words:Paris polyphylla var.yunnanensis(Franch.)Hand.-Mzt.;infrared spectra;partial least
13、 squares discrimination analysis;growth period;authentication 滇重楼 Paris polyphylla Smith var.yunnanensis(Franch.)Hand.-Mazz.是百合科（Liliaceae）重楼属Paris L.植物，其干燥根茎是云南特色药材之一1。具有清热解毒、消肿止痛、凉肝定惊的功效，在治疗疔疮肿痛、毒蛇咬伤等方面疗效显著1-2。现代化学成分和药理活性研究表明，滇重楼含有丰富的甾体皂苷、黄酮类化学成分，具有抗肿瘤、抗菌、止血等药理作用1。滇重楼目前在云南地区已实现广泛种植。然而，栽培技术以及生长环境的差
14、异是影响药材内在品质的主要因素3-4。滇重楼属多年生草本植物，市场上不同年限的栽培重楼均有出售，有研究表明 8 年生滇重楼 6 种甾体皂苷含量最高，适合作为滇重楼的最佳采收期。虽然多种分析技术已经广泛应用于重楼药材的质量评价，但栽培重楼的产地鉴别仍是目前资源利用及药材质量控制中的难点5。衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectra，ATR-FTIR）技术凭借其简单、快速、样品可回收的优势，在中药、食品、环境等领域受到越来越多重视6-8。ATR-FTIR 技术结合化学计量学方法在种类鉴
15、别研究方面应用较多，如成功地对五种忍冬属植物进行了鉴别和分类9。利用 ATR-FTIR 光谱信息结合模式识别方法对 4 种巴旦木也可较好地鉴别，正确率为 94.45%10。此外，ATR-FTIR 技术结合化学计量学对采自 12 个月的石斛样品进行鉴别，得到了令人满意的分类效果，正确率达到 97.92%11。以上研究表明 ATR-FTIR 技术应用于中药材鉴别研究具有可行性与有效性。本实验通过 ATR-FTIR 光谱信息结合偏最小二乘判别分析（partial least squares discrimination analysis，PLS-DA）模型，比较 38 年生 13 个不同产地栽培滇重
16、楼样品的光谱信息差异，为相同年限不同产地样品鉴别提供快速有效的方法。1 材料与仪器 1.1 材料 841 株栽培滇重楼样品分别采自云南省和四川省，共计 13 个采样点，分别为红河（HH）、丽江（LJ）、怒江（NJ）、昆明（KM）、德宏（DH）、四川（SC）、普洱（PE）、玉溪（YX）、文山（WS）、大理（DL）、楚雄（CX）、保山（BS）和临沧（LC）。每个采样点每年在同一时间采收一定数量不同栽培年限样品，详细信息如表 1 所示。原植物经云南省农业科学院药用植物研究所张金渝研究员鉴定为滇重楼 P.polyphylla var.yunnanensis(Franch.)Hand.-Mzt.。样品采集后去除泥沙，洗净根茎部位，切成薄片于干净白纸上阴干。将干燥样品分别粉碎，过 100 目筛，置于密闭自封袋中避光保存，备用。表 1 栽培滇重楼样品信息 Table 1 Sample information of cultivated P.polyphylla var.yunnanensis 编号采样点 栽培年限/年 个体数HH云南红河元阳县小新街乡 38 90 LJ云南丽江市古城区黄山村委茨满村