一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法

技术领域

本发明涉及中药材产地溯源技术领域，具体涉及一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法。

背景技术

干姜为姜科植物姜ZingiberoficinaleRoscoe的干燥根茎，具有温中散寒、回阳通脉、温肺化饮的功效，常用于治疗脘腹冷痛、呕吐泄泻、肢冷脉微、寒饮喘咳等症。干姜是我国传统药食同源中药材，不仅在临床诸多方药中应用，也是日常保健食品姜糖、姜茶、姜酒的制备原料。我国是干姜的主产区，产地分布于四川、云南、山东、河南等地，其中产自四川沐川、犍为及周边地带的干姜，质量最佳，亦称川干姜，为传统认为的道地药材。近年来，随着干姜市场需求量的扩大，产地混用现象日渐突出，不同产地鲜姜在加工成干姜后其性状十分相似，导致不法商贩常以其他产地的干姜冒充道地川干姜，严重影响了消费者权益和市场稳定，因此开展干姜药材的产地溯源研究尤为重要。

目前，色谱分析、近红外光谱分析及电子感官分析等技术常用于鉴别来源不同的干姜药材，尽管这些方法均能在一定程度实现干姜药材的产地识别，但仍存在准确性较低、特异性较差，耗时等不足。近年来，诸多研究指出药材的品质受其生长环境的调控，在长期的生长适应进程中，中药材留下了与产地密切相关的特征地域信息。其中，稳定同位素和元素被认为是追溯生物体产地来源最为可靠的特征地域因子之一。因此，开发一种基于稳定同位素联合多元素的干姜药材产地鉴别方法，对于准确识别不同产地来源的干姜及实现道地川干姜的精准溯源具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法，该方法通过广泛收集来自道地产区和非道地产区的干姜样品，采用稳定同位素比质谱仪和电感耦合等离子体质谱仪测定不同产地干姜的稳定同位素比值和多元素含量，进一步结合化学计量学手段，构建基于稳定同位素比值联合多元素含量的干姜药材产地溯源数据集和产地判别模型，并筛选影响产地区分的多类型权重元素作为干姜产地溯源的特征性指标，以实现道地药材川干姜的产地精准识别。

技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法，包括以下步骤：

(1)收集来自不同产地的干姜药材样品，分别检测所得干姜样品的稳定同位素比值和多元素含量数据；

(2)采用化学计量学手段，建立基于稳定同位素联合多元素的干姜药材产地溯源数据集和产地判别模型，并筛选出最优的稳定同位素和多元素判别因子作为干姜产地溯源的特征性指标，以实现道地药材川干姜的产地精准识别。

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述步骤(1)中检测的稳定同位素包括δ

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述步骤(1)中采用稳定同位素比质谱仪(IR-MS)测定不同产地干姜样品的稳定同位素比值；采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定不同产地干姜样品的多元素含量。

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述的稳定同位素比值的测定步骤如下：

(1)δ

称取30～60mg的干姜粉末置于锡箔杯中，包好放于元素分析仪样品盘中，样品中的碳、氮和硫元素转化为纯净的CO

(2)δ

称取0.4～0.6mg的干姜粉末置于元素分析仪样品盘中，样品中的氢元素和氧元素转化为纯净的H

所述的多元素含量的测定方法为：准确称定干姜粉末0.1～0.3g于聚四氟乙烯罐中，加入3～8mL浓硝酸浸泡过夜，次日加入1～3mL过氧化氢，待充分浸润，后将内胆装入不锈钢外套，置于电热恒温鼓风干燥箱，于150～200℃下消解10-14h，待消解完成后，取出内罐，用超纯水定容，摇匀，静置，即得待测溶液；将所有待测溶液采用电感耦合等离子体质谱检测各元素含量。

作为更优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述消解方法中称定干姜粉末为0.2g，加入浓硝酸为5mL，加入过氧化氢为2mL，消解温度为170℃，消解时间为12h。

以上所述的干姜药材产地溯源方法，其特征在于，所述的电感耦合等离子体质谱仪检测条件：高频等离子体发射功率为1350W；检测器电压为-1850V，载气为高纯氩气；等离子体气流量为17L·min

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述步骤(2)中化学计量学手段包括偏最小二乘判别分析(PLS-DA)、主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)。

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述步骤(2)中筛选的最优稳定同位素和多元素判别因子为：δ

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述最优稳定同位素和多元素的判别因子由变量权重值(VIP)决定，只有VIP大于1.0的变量被筛选。

作为优选方案，以上所述的干姜药材产地溯源方法，所述变量权重值(VIP)由偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型拟合计算得到，偏最小二乘判别分析判别模型的最佳拟合参数为R

本发明利用不同产地生态环境的差异影响干姜药材稳定同位素和多元素含量差异，采用包括主成分分析、偏最小二乘判别分析、正交偏最小二乘判别分析的化学计量学手段对稳定同位素和多元素进行联合建模，实现了不同产地干姜的准确区分，并筛选影响产地区分的多类型权重元素作为干姜产地溯源的特征性指标，以实现道地药材川干姜的产地精准溯源。

有益效果：本发明提供的一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法和现有技术相比具有以下优点：

本发明首次提出利用稳定同位素联合多元素对干姜药材进行产地溯源，稳定同位素和元素指纹信息能够极大程度反映出不同产地干姜的特征地域信息，该方法具有检测精度高、灵敏度强、方法可靠的优点，避免了基于干姜药材主观辨识和固有标签的不确定性，具有较好的推广应用价值。

本发明采用的化学计量学手段(PCA、PLS-DA、OPLS-DA)能够构建出优异的分类模型，并能筛选影响产地区分的多类型权重元素，为干姜产地溯源的特征性指标优选提供了一条重要思路。

附图说明

图1为区分不同产地干姜的PCA模型得分图(a)和载荷图(b)。

图2为区分不同产地干姜的PLS-DA模型得分图(a)、置换检验图(b)。

图3为区分不同产地干姜的VIP得分结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1不同产地干姜药材稳定同位素与多元素含量分析评价

1.干姜样品的收集与制备

(1)样品收集

鲜姜样品采集自道地产区四川和其余6个非道地产区，所涉及的6个非道地产区均为现阶段姜种植规模较大的地区，包括云南、江西、湖南、湖北、河南和山东。

(2)干姜样品的制备

新鲜样品采集后，除去表面泥沙、须根等杂质，清洗至净，切成约3～5mm的厚片，于55℃下热风烘干，所有干燥药材粉碎后过3号筛，贮藏待分析。

2.不同产地干姜稳定同位素比值测定

(1)δ

称取50mg的不同产地干姜粉末置于锡箔杯中，包好放于元素分析仪样品盘中，样品中的碳、氮和硫元素转化为纯净的CO

(2)δ

称取0.5mg的干姜粉末置于元素分析仪样品盘中，样品中的氢元素和氧元素转化为纯净的H

(3)采用SPSS软件对所获得的不同产地干姜稳定同位素数据进行分析，得到干姜稳定同位素比值分布统计结果，详见表1。

表1不同产地干姜稳定同位素比值分布统计结果

表1列举了5种稳定同位素在所有干姜样本中的最大值、最小值、中位数、平均值、标准差及变异系数，其中硫、氮同位素比值的变异系数最大，分别达到69.50％和57.36％，氢、氧同位素比值的变异系数次之，为22.17％和10.88％，碳同位素的变异系数最小，只有4.63％。干姜5种稳定同位素比值的总体分布统计初步显示了不同地域对干姜稳定同位素比值的具有显著影响。

进一步通过多重比较和方差分析得到5种稳定同位素在干姜产地间差异的分析结果，详见表2。其中，δ

表2稳定同位素在干姜药材产地间差异的分析结果

注：不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)

2.不同产地干姜的多元素含量测定

(1)干姜样品的消解预处理

准确称取干姜粉末0.2g于聚四氟乙烯罐中，加入5mL浓硝酸浸泡过夜，次日加入2mL过氧化氢，使药材粉末与试剂充分浸润，后将内胆装入不锈钢外套，置于电热恒温鼓风干燥箱，于170℃下消解12h，待消解完成后，取出内罐，用超纯水定容，摇匀，静置，即得待测消解溶液。

(2)多元素含量测定

采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对干姜样品中Li、Na、Mg、Al、P、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、As、Rb、Sr、Y、Mo、Cd、Ba、Sm、Gd、Pb元素进行测定。电感耦合等离子体质谱仪检测条件：高频等离子体发射功率为1350W；检测器电压为-1850V，载气为高纯氩气；等离子体气流量为17L·min

表3不同产地干姜的多元素分析结果

/>

注：不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)，Nd代表未检出

多元素分析结果显示，除Cr元素外，其余25种元素含量在不同产地干姜之间均存在显著性差异(P<0.05)，不同产地干姜的元素组成有各自的地域特征，需进一步构建判别模型进行分析。

实施例2基于化学计量学的干姜药材产地判别模型构建及多类型权重元素的筛选

(1)主成分分析模型的建立

采用主成分分析(PCA)对上述不同产地干姜样本的稳定同位素和多元素数据进行分析，这里提到的稳定同位素和多元素数据是经构建单一矩阵，并标准化后联合用于建模的。图1列举了主成分分析得分图(a)和载荷图(b)，得分图(a)结果显示，来自四川、云南、山东、河南的干姜样本能各自归类成簇，尽管湖北、湖南、江西产干姜区分效果不显著，但均能与道地产区四川区分，说明PCA模型适用于基于稳定同位素和多元素联用的干姜药材产地鉴别；载荷图(b)结果显示δ

(2)偏最小二乘判别分析模型的建立

采用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)对上述不同产地干姜样本的稳定同位素和多元素数据进行分析，图2为区分不同产地干姜的PLS-DA模型得分图2(a)、置换检验图2(b)及图3的VIP得分结果图。所述拟合的PLS-DA模型，潜在变量的累计贡献R

为筛选影响干姜产地区分的多类型权重元素，PLS-DA模型拟合了变量权重值(VIP)。经筛选发现VIP值大于1.0的权重因子有18种，分别为δ

(3)正交偏最小二乘判别分析模型应用于道地川干姜的鉴别

采用正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)对道地药材川干姜与其余产地干姜进行两两分类判别，具体方法为将道地药材川干姜和其余6个产地的干姜样本随机分为训练集和验证集，将训练集样本数据导入OPLS-DA模型构建产地判别模型，得到训练集产地判别准确率，进一步将验证集样本数据带入训练集样本所构建的模型，得到验证集样本的判别准确率，通过判别率的高低衡量产地区分的准确性。所有训练集和验证集的判别结果详见表4。

表4基于OPLS-DA模型对干姜道地产区和非道地产区的判别结果

表4训练集判别准确率结果显示，所有7个不同产地的干姜用于训练建模的准确率均达到100％，带入验证集后结果显示除了一个川干姜被判云南产区外，其余产地判别验证集的准确性均为100％，没有发生其余产地干姜被判为道地产区川干姜的现象，表明该模型建立稳定可靠，能够实现道地产区川干姜与其余6个非道地产区干姜的两两区分。

以上实验结果表明，本发明提供的一种基于多类型权重元素的干姜药材产地溯源方法，能够实现不同产地干姜的准确区分，所筛选影响干姜产地区分的多类型权重元素可以作为干姜产地溯源的特征性地域指标，该方法的提出对于干姜药材产地精准溯源具有重要指导作用，对于保护道地药材川干姜在市场上流通的真实性和有效性具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。