基于智能感官分析技术探讨茯苓药性理论及其产地差异

修慧迪，程 磊*，王文全，王秋玲

（1. 安徽省中医药研究院 亳州分院，安徽 亳州 236800；2. 中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193；3. 安徽省中医科学院 亳州中医研究所，安徽 亳州 236800）

在漫长的实践探索中，古人发现中药的功效作用与某些口尝滋味有直接的关系，然后抽象地推演出中药的药性。中医理论中有“四气五味”“升降浮沉”“归经”“毒性”之分，其中“四气五味”作为中医基础理论的核心组成部分，一直是中医药基础研究的重点和难点[1]。本文将茯苓作为研究对象，利用以电子鼻和电子舌为主的人工智能感官分析技术，探索茯苓药性理论及其产地差异，为揭示茯苓的药性理论、地域鉴别和品质评价提供科学依据。

电子鼻和电子舌是模拟嗅觉、味觉而设计的传感阵列分析新技术，是整体信息综合反应[2]。将电子鼻与电子舌相结合，气味兼备，能呈现出味觉与嗅觉的总体信息。中药因其独特的气味和质量要求，在中药材基原鉴别、质量检测、产地区分以及中药材炮制品等方面都在广泛使用这种智能感官分析技术，在中药行业有着广阔的应用前景。

在药性理论研究上，到目前为止，中药五味的研究尚未取得重要的突破和进展，大多研究基于间接测定或相关分析，不能完全适用于每种药味[3-4]。有些关于“五味”理论的传统记载与实际味感并非特别相符[5]。就茯苓而言，历代医家对于茯苓“五味”理论的记载和描述就存在一定争议[6-9]。《神农本草经》记载“茯苓味甘，性平”[7]。而茯苓的淡味记载于《黄帝内经》[10]，但在《本经》《新修本草》《证类本草》都没有淡味的记载。至金元时期，在《医学启源》中张元素重试淡味[8]，在《皇帝内经》的基础上提出“淡以渗之”“淡能利窍”的观点，认为茯苓味甘淡，利水而泄下。至今并没有相关文献对以上两种观点加以阐述，也没有茯苓感官特性的综合描述，仅仅依赖口尝[11]来反映中药的真实味道则存在较多的主观因素，不能作为一种科学的定量方法。因此，我们认为应该用辩证的眼光看待传统的五味学说，并运用科学的手段对其重新校正[12]。

在产地差异研究上，茯苓的品种和产地众多，气味和滋味也有相应差距，在各类典籍中对茯苓产地的记载十分有限。唐代认为华山所出的茯苓质量优于雍州，在《唐本草》中记载：“第一出华山，形极粗大。雍州南山亦有，不如华山者。”《本草图经》云：“茯苓生泰山山谷 ，今泰、华、嵩山皆有。”清代本草却认为云南所产的茯苓质量最好，《本草从新》有云：“产云南，色白而坚实者佳，去皮。产浙江者， 色虽白而体轻，其力甚薄”[13]。栽培茯苓最早载于《本草经集注》，且产地由古代江苏一带变迁至现今大别山区，以安徽岳西为中心[14]。现主要产于云南、安徽、湖北、河南、四川等地。到目前为止没有文献论述过茯苓产地的差异，仅仅通过药师传统的经验——眼看、手摸、鼻闻、口尝等方式来鉴别中药的产地和等级。但是这种方式依赖于观察者多年的工作实践经验，不同操作人员的判断也存在差异[15]。如果利用人工智能感官分析技术对国内不同产地的茯苓进行系统的研究，不仅有助于揭示茯苓四气五味的科学内涵，也能为茯苓产地的演变提供科学的解释，揭示目前国内不同地区所产的茯苓整体的差异。

1 材料和方法

1.1 材料

药材样品采集于安徽、云南、贵州、广西、湖北、湖南等6 个省18 个产地。产地信息如表1 所示。所有样品经中国医学科学院药用植物研究所王文全教授鉴定为茯苓菌核，经粉碎后过5 号筛，室温保存。

表1 样品信息

1.2 仪器

PEN3 便携式电子鼻（德国Airsense 公司，型号：PEN3），由10 个金属氧化物传感器（表2）、一个模式识别系统和一个信号处理系统组成。电子舌（日本INSENT 公司，型号SA402B）由自动采样器、主机、6 个化学传感器（表3）、参考电极和模式识别平台四个部分组成。

表2 电子鼻传感器阵列的性能描述

表3 电子舌传感器描述

1.3 方法

1.3.1 电子鼻检测

精确称取茯苓粉2.0 g，放入200 mL 顶空取样杯中，检测后密封。在室温下重复测量5 次。预采样阶段5 s 后，电子鼻测量时间设置为100 s，冲洗时间为60 s。腔内流速为300 mL·min-1，初始注射流速为300 mL·min-1。这10 个电子鼻传感器的响应曲线如图1 所示。在测量过程中，各传感器的响应值在70 s 后逐渐增大，然后趋于稳定，因此提取80 s 的信号作为原始数据。

图1 电子鼻响应特征图

1.3.2 电子舌检测

精确称取茯苓粉2.0 g，用100 mL 纯净水溶解，回流提取1 h，得到滤液，冷却过滤。取30 mL 滤液到电子舌专用烧杯中。电子舌传感器和参考电极在安装前应在激活液中激活24 h。随后，在测量过程中使用基准液校正使数据稳定。所有样品在25 ℃室温下测定，以基准液作为清洗液。在1 r·s-1搅拌速度条件下，传感器持续清洗120 s 后测量30 s。如图2 所示，每个传感器的响应信号直到15 s 时稳定，因此提取30 s 时的响应值进行进一步分析。

图2 电子舌响应特征图

1.4 数据分析

原始数据由Office 2013 提取并绘制成雷达图。主成分分析和三维图的绘制由JMP11 数据处理软件完成。

2 结果与分析

2.1 基于电子鼻技术的气味分析

2.1.1 茯苓的气味组成

取电子鼻传感器阵列响应值的平均值作雷达图，如图3 所示。每个传感器的响应值都在零以上，不同产地的茯苓气味组成基本相同，强度略有差异。与其他传感器相比，传感器7 （对硫化物和含硫有机化合物敏感）、传感器6 （对甲基类灵敏）、传感器2 （对氮氧化合物敏感）响应值更高，这可能是由于茯苓中含有挥发性硫化物所致。各产地的茯苓对7 号传感器的响应差异明显，云贵广地区的茯苓样品响应值高于安徽和湖北，这可能是由于所含硫化物成分含量不同导致。

图3 电子鼻信息雷达图

2.1.2 电子鼻主成分分析

电子鼻主成分分析的结果表明，前三个主成分的特征值均大于1，其累积贡献率达95.05%，说明前三个主成分几乎可以反映原始变量的全部信息。因此提取前3 个主分作为坐标轴，绘制三维图，如图4 所示。由图4 可知，安徽和湖北的茯苓样品存在较大的重叠，云南、贵州、广西和湖南的样品重叠更为严重。

图4 电子鼻主成分分析三维图

2.1.3 Loadinsg分析

Loadings 分析的算法与PCA 的算法相同，是对传感器的分析，得出传感器区分样品的能力。利用 Loading 分析法对茯苓样品进行分析，结果见图5。Loadings 分析结果显示，第一主成分的贡献率为75.288%，第二主成分的贡献率为 18.741%，贡献率总和为 94.029%，说明各产地茯苓样品气味相互独立，整体区分度较好。其中，传感器7 在第一主成分的参数最大，其次是传感器6、9、2。这与雷达图的结果吻合。由此推测各产地的茯苓样品在气味上的差异主要来自于无机硫化物、有机硫化物、甲基类化合物和氮氧化合物。

图5 茯苓样品“气味”特征数据 Loading分析

2.2 基于电子舌技术的茯苓味道分析

2.2.1 茯苓样品的整体味觉信息

不同于以往人们对茯苓滋味的认识，茯苓样品除咸味、酸味外，其他的味觉属性基本都在无味点以上，说明茯苓具有丰富的味觉信息。茯苓最突出的味道是甜味和苦味。另外，不同产地茯苓的某些味觉属性在雷达图上重叠度较低，如酸味、涩味和苦味的回味，但各个产地的样品酸味响应值在无味点-13 以下，见图6。

图6 电子舌味觉信息雷达图

2.2.2 电子舌主成分分析

图7 为电子舌检测结果的响应值降维后所得的主成分分析结果。第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）累计贡献率达到 83.80%，能较好地反映原始数据特征。总体来看，西南地区（云南、广西、贵州）的茯苓样品与岳西地区（安徽、湖北）的茯苓样品能够得到大致划分。

图7 电子舌主成分分析三维图

2.2.3 聚类分析

R 型系统聚类是根据变量之间的亲疏程度，将具有共同特征的对象聚集在一起。现以组间联接方法，区间采用平方欧氏距离作为测量，做聚类分析，聚类结果见图8。纵坐标代表不同产地，第一阶段湖南、广西、云南和贵州的样品聚成一类，第二阶段将安徽和湖北聚成一类，聚类分析结果与主成分分析结果一致。

图8 茯苓味觉信息聚类分析图

2.3 茯苓气味和滋味的产地差异

从茯苓气味的PCA 分析结果可知，在地理位置上以长江为分界点，能有效区分长江以北和长江以南的茯苓样品。云南、贵州、广西、湖南的样品生长和采收于长江以南，湖北和安徽的样品生长和采收于长江以北。根据雷达图可知，W5S、W1S 和W1W 传感器响应值较高，Loadings 分析结果显示茯苓气味的差异主要来源于无机硫化物、有机硫化物、甲基类化合物和氮氧化合物。因此选择对上述气味灵敏的传感器进一步分析茯苓气味的产地差异，结果如图9 所示，安徽和湖北的茯苓样品气味响应值显然低于云南、贵州、广西、湖南的样品，说明长江以北和长江以南的样品在无机硫化物、有机硫化物、甲基类化合物和氮氧化合物气味成分上存在较大差异。

图9 各省茯苓样品部分气味传感器响应值

茯苓味觉信息的雷达图分析可知，茯苓甜味显著，但各产地之间差异不显著。各产地的茯苓样品味觉值的差异主要集中在苦味、涩味和苦味的回味上。因此，选择苦味、涩味、苦味的回味进行分析探讨产地之间的差异，结果如图10 所示。由图可知，湖北和安徽的茯苓样品苦味和苦味的回味都显著高于长江以南——云南、贵州、广西、湖南的茯苓样品，且湖北和安徽的茯苓样品苦味的回味在无味点0 以上，长江以南的样品苦味的回味都在无味点以下。对于涩味，长江以北的茯苓涩味在无味点以下，而长江以南的茯苓涩味都在人的无味点以上。

图10 各省份茯苓样品部分味觉传感器响应值

3 讨论

本研究依据智能感官技术模拟人的味觉系统表征了茯苓气味、滋味信息，研究发现茯苓含有丰富的嗅觉和味觉信息，以甜味、苦味和鲜味最为显著。王宏侠等[16]分析了类似化合物的质谱裂解特征，得出茯苓中存在茯苓酸甲酯、25-羟基-16-o-乙酰-富林酸25-醇等三萜，杨岚等[17]研究表明茯苓中含有一系列完整的蛋白质和氨基酸，这些可能是茯苓甜味或鲜味的物质基础。对于历代典籍中所记载的“味淡”，本次研究并没有得到有价值的滋味依据。人体对中药气和味的感知本身就是一个复杂过程，仅仅通过与“味”相关的化学成分的研究作为药性理论中“四气”“五味”的物质基础仍较粗略、较模糊[18]。因此要深入对茯苓药性理论研究不能仅仅限于智能感官技术自身，将来还要将物质基础、功效、复方等向临床转化延伸来证实药性理论的临床应用价值[19-20]。

考虑到不同产地的茯苓气、味特征存在的差异，本研究对产地也进行了鉴别和区分。电子鼻、舌的主成分分析结果反映了原始数据的大部分信息，安徽和湖北的样品被化分为同一类，而从地理位置上来看，安徽和湖北的茯苓样品都采集于大别山山区，且它们的栽培技术、菌种培养和其他种植方式都是相似的，因此可以将它们归为一类。而云南、广西、贵州和湖南的样本被聚为一类，从地理位置上看，这四个省份位于中国的西南地区，样品中的菌种大多来自湖南省。可能正是由于这些因素使得样品信息极为相似，归为一类是合理的。为了深刻揭示茯苓的地缘差异，在今后的勘探中可以考虑扩大样品的采集范围，还需要将物质—功效、单味药—复方、方—证等关联，以证实不同产地茯苓的临床应用价值[21-23]。