西洋参质量的化学模式识别
作者：刘谦光 陈战国 张尊听 宋晓凯
单位：(刘谦光 陈战国 张尊听)陕西师范大学化学系(西安 710062)；(宋晓凯)吉林林学院森林资源系
关键词：西洋参；化学模式识别；模糊动态聚类分析
中草药991123摘 要 运用模糊动态聚类分析法对来源于美国、加拿大及我国的共14种不同产地的西洋参样品质量进行了模糊识别研究。经与权威部门认定的具有法定地位的西洋参产地进行验证、核对，取得了较为一致的结果，为西洋参的质量评价提供了依据。
Studies on the Quality of American Ginseng (Panax quinquefolius)
by Chemical Pattern Recognition
, 百拇医药
Liu Qianguang Chen Zhanguo Zhang Zunting et al.
(Department of Chemistry, Shanxi Normal University, Xi'an 710062)
Abstract A fuzzy pattern recognition study on the quality of Panax quinquefolius L. was carried out by fuzzy dynamic state collect classifying analysis. 14 samples collected from different regiones of U.S., Canada and China were studied. The results proved to comply with that of the authentic production centers of P. quinquefolius L. authorized by governmental authorities.
, 百拇医药
Key words Panax quinquefolius L. chemical pattern recognition fuzzy dynamic state collect classify analyse
西洋参为五加科人参属植物西洋参 Panax quinquefolius L. 的干燥根。原产于美国、加拿大。我国近年来已引种成功。但其质量受产地和生态环境影响很大，为了指导西洋参的引种裁培及防止医药市场的以假充真，使对西洋参的综和鉴定和评价成为一个亟待解决的重要课题。我们根据西洋参与人参有效成分及药理活性基本相似的特点[1]，参照人参质量的有关评价指标，确定以西洋参中可溶性糖、总皂苷和微量元素 (Fe, Cu, Zn, Mn) 的含量作为评价西洋参质量的化学参数 (指标)，采用模糊动态聚类分析方法对具有代表性的不同地域、不同生态环境、不同土壤类型的14种西洋参样品质量进行了模糊模式识别研究，并且将所得分类结果与文献[2～5]报道的由我国卫生部门认定的西洋参产地西洋参核对，取得了满意的结果。
, http://www.100md.com
1 样品、仪器与试剂
JY38PLUS (顺序型)电感耦合等离子体发射谱仪(法国)；721分光光度计(上海第三分析仪器厂)。
所用试剂均为分析纯；人参皂苷标准品 Re 由西安植物园王答琪先生提供。
西洋参来源：吉林抚松、吉林左家、吉林敦化、吉林通化、辽宁、黑龙江西洋参(购自吉林药材公司)；福建、加拿大、陕西留坝、陕西汉中西洋参购自陕西省药材公司；北京怀柔、贵州、美国西洋参购自北京药材公司；西安西洋参由西安植物园提供。所用药材均为二级品，4年生，筛选出长约7～8 cm，直径约1.5～2 cm 作测试用。所用药材均由陕西师范大学生物系黄可教授鉴定。
2 数据采集与化学参数选取
2.1 西洋参中可溶性糖的测定：按文献[6]配制葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线。将测定结果经回归处理得回归方程：A=0.0062+0.042C，r=0.9992，溶液浓度在3～17 μg/mL 范围内与吸光度呈良好线性关系。
, 百拇医药
再按文献[6]的方法，处理14 种产地西洋参样品，测定各样品20 倍稀释液还原糖吸光度、还原糖与低聚糖吸光度，由回归方程确定各自相应的浓度。按公式：
还原糖含量(%)=(20倍稀释液浓度×20×250×10-6/样品重量)×100
低聚糖含量(%)=(总可溶性糖含量-还原糖含量)×0.95
式中系数0.95是由于低聚糖水解时吸收了1 分子水[7]。
计算出各样品可溶性糖(低聚糖与还原糖含量之和)含量(%)。结果见表1。
表1 14 种不同产地西洋参的化学参数 序号
产地
, 百拇医药
可溶性糖
总皂苷
Fe
Cu
Zn
Mn
(%)
(%)
(μg/g)
1
福建
3.10
8.70
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49.5
5.70
388
14.7
2
北京怀柔
5.62
6.37
118
8.7
955
40.9
3
, http://www.100md.com
美国
5.18
6.80
117
10.0
824
37.0
4
吉林敦化
3.10
6.45
94.0
5.70
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310
14.0
5
吉林抚松
4.05
6.23
94.0
12.0
871
36.0
6
辽宁
4.2
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6.25
154
5.70
902
19.0
7
加拿大
4.15
6.80
162
3.70
728
14.0
, 百拇医药
0
黑龙江
4.30
6.37
138
5.30
909
14.0
9
吉林通化
6.01
7.20
105
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14
1100
58
10
西安植物园
4.32
6.35
105
3.70
1561
21
11
吉林佐家
, 百拇医药
4.18
6.38
138
6.90
235
16.0
12
陕西汉中
2.62
6.27
121
4.50
695
, 百拇医药
18.0
13
陕西留坝
4.90
6.36
56.0
3.70
733
43.0
14
贵州
5.20
6.30
, 百拇医药
68.0
3.7
219
16.0
2.2 西洋参中总皂苷含量测定：按文献[8]配制人参皂苷 Re 标准溶液和绘制标准曲线，其回归方程为：A=0.0167+18 700C，r=0.9999(浓度 C 的单位为 mol/L)。
参照文献[8]的方法制备西洋参样品试液，并采用薄层层析-光度法测定西洋参中总皂苷的含量。总皂苷含量计算公式如下[8]：
式中1 000为人参皂苷的分子量[8]，测定结果见表1。
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2.3 西洋参中微量元素的测定：参照文献[10]的方法对西洋参样品进行预处理，上机 (ICP-AES) 测定微量元素 Fe, Cu, Zn, Mn 含量 (μg/g)。操作条件为：功率 1 000 W，反射功率 5 W，工作条件：氩气 (Ar)，冷却气 12 L/min；雾化气 0.4 L/min，焦距 1 m，全息光栅 2 400 条/毫米，发生器 40.68 MHz。同时作一空白试验，测定结果见表1。
3 模糊相似矩阵R的构成
由于表1中各化学参数(或称西洋参质量指标)的数据不是同一量纲，应先对这些原始数据进行标准化，再参照文献的有关公式，将数据压缩到[0，1]闭区间内，按模糊动态聚类分析方法的要求构造出模糊关系(或称模糊相似)矩阵，得到各样品间的相似程度 ri,j(i,j=1,2,3……,14,为西洋参样品个数)。该模糊关系矩阵如图 1所示。
1 0.64 0.56 0.41 0.57 0.59 0.57 0.55 0.53 0.60 0.52 0.55 0.50 0.46
, 百拇医药
1 0.11 0.46 0.35 0.32 0.43 0.33 0.35 0.37 0.38 0.29 0.47 0.43
1 0.41 0.20 0.31 0.40 0.32 0.31 0.39 0.33 0.29 0.46 0.41
1 0.38 0.31 0.30 0.28 0.50 0.42 0.21 0.30 0.34 0.25
1 0.37 0.47 0.37 0.39 0.42 0.37 0.39 0.40 0.45
1 0.15 0.08 0.48 0.28 0.22 0.18 0.46 0.39
1 0.16 0.54 0.35 0.23 0.24 0.49 0.40
, 百拇医药
1 0.62 0.25 0.22 0.14 0.45 0.34
1 0.56 0.57 0.56 0.64 0.46
1 0.44 0.29 0.42 0.44
1 0.22 0.47 0.29
1 0.45 0.24
1 0.40
1图1 模糊相似矩阵R
由于该距阵是对称的，所以距阵中只列出对角线以上部分。
4 最大树的构成
模糊聚类分析的实用价值很大，但是用矩阵方法有一个缺点，就是从实际得出一矩阵的时候，往往是只满足自反性和对称性，而不满足传递，因此 只能构造出模糊相容矩阵，而无法构造出模糊等价矩阵，也就是实现不了对西洋参的分类。然而由模糊相容矩阵构造出新的模糊等价矩阵的工作(称为“改造”)过程是比较麻烦的，往往工作量很大，需要多次自合成。为此，本文按文献[11]中模糊聚类最大树法，直接由模糊相似矩阵进行聚类。图2为经过模糊聚类最大树法处理，最后得到的最大树：
, 百拇医药
图2 模糊聚类处理获得的最大树
从图 2可以看出，1，2，3，5，6，7，10号样品聚为一类，包括美国、加拿大西洋参质量最佳。8，9，11，12，13号样品聚为一类，包括陕西留坝、陕西汉中、吉林通化等产地西洋参，质量优良。4，14号样品各成一类，这两类西洋参质量欠佳。
5 小结
5.1 本文运用模糊模式识别中的模糊动态聚类分析方法对来源于14 种不同产地西洋参样品进行分类，结果令人满意。北京怀柔、吉林省产区、陕西秦巴山区栽培的西洋参是由国家卫生部认定的、获得新药证书的药材，其内在质量及疗效是可信的。因此，原产于美国、加拿大西洋参与北京怀柔、吉林抚松、西安植物园等划入质量最佳西洋参；陕西留坝、陕西汉中、吉林通化、黑龙江等产地西洋参划入质量优良西洋参；吉林敦化、贵州产西洋参划入质量欠佳西洋参是符合客观实际的。以上研究结果表明，对西洋参质量的化学模式识别是成功的，所选取的化学参数是合理的。
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5.2 从目前有关质量评价的报道来看，都是将单纯测定西洋参样品中的某一种或某几种生物活性成分的含量高低作为评价西洋参质量的指标，缺乏一定的科学性和全面性。通过选取西洋参的多种主要化学参数，利用模糊聚类分析法，对西洋参的质量进行总合评价，无疑体现评价结果的科学性和整体性。
5.3 本文采用由模糊相似(关系)矩阵直接进行模糊聚类最大树法的聚类分析，免去了繁琐、费时的计算步骤，具有一定的新颖性。因此，这种方法在其它贵重药材质量评价工作中具有较大的实用价值，可以推广应用。
参考文献
1 胡世林.中西医结合杂志，1990，10(1)：14
2 周富荣，等.中国中药杂志，1989，14(10)：15
3 傅世贤，等.中药材，1992，15(12)：3
, 百拇医药
4 徐景达.中西医结合杂志，1990，(10)：11
5 张聪，等.上海中医药杂志，1991，(10)：4
6 袁晓华主编.植物生理生化实验，北京：高等教育出版社，1983：210
7 华东师范大学生物系.植物生理实验室.北京：人民教育出版社，1980：155
8 郭顺星，等.中国药学杂志，1991，26(6)：335
9 章观德，等.药学学报，1983，18(8)：607
10 李玉珍，等.原子吸收分析应用手册.北京：科学技术出版社，1990：225，304
11 张跃主编.模糊数学方法及其应用.北京：煤炭工业出版社，1992：86
收稿日期：1999-01-14, 百拇医药
单位：(刘谦光 陈战国 张尊听)陕西师范大学化学系(西安 710062)；(宋晓凯)吉林林学院森林资源系
关键词：西洋参；化学模式识别；模糊动态聚类分析
中草药991123摘 要 运用模糊动态聚类分析法对来源于美国、加拿大及我国的共14种不同产地的西洋参样品质量进行了模糊识别研究。经与权威部门认定的具有法定地位的西洋参产地进行验证、核对，取得了较为一致的结果，为西洋参的质量评价提供了依据。
Studies on the Quality of American Ginseng (Panax quinquefolius)
by Chemical Pattern Recognition
, 百拇医药
Liu Qianguang Chen Zhanguo Zhang Zunting et al.
(Department of Chemistry, Shanxi Normal University, Xi'an 710062)
Abstract A fuzzy pattern recognition study on the quality of Panax quinquefolius L. was carried out by fuzzy dynamic state collect classifying analysis. 14 samples collected from different regiones of U.S., Canada and China were studied. The results proved to comply with that of the authentic production centers of P. quinquefolius L. authorized by governmental authorities.
, 百拇医药
Key words Panax quinquefolius L. chemical pattern recognition fuzzy dynamic state collect classify analyse
西洋参为五加科人参属植物西洋参 Panax quinquefolius L. 的干燥根。原产于美国、加拿大。我国近年来已引种成功。但其质量受产地和生态环境影响很大，为了指导西洋参的引种裁培及防止医药市场的以假充真，使对西洋参的综和鉴定和评价成为一个亟待解决的重要课题。我们根据西洋参与人参有效成分及药理活性基本相似的特点[1]，参照人参质量的有关评价指标，确定以西洋参中可溶性糖、总皂苷和微量元素 (Fe, Cu, Zn, Mn) 的含量作为评价西洋参质量的化学参数 (指标)，采用模糊动态聚类分析方法对具有代表性的不同地域、不同生态环境、不同土壤类型的14种西洋参样品质量进行了模糊模式识别研究，并且将所得分类结果与文献[2～5]报道的由我国卫生部门认定的西洋参产地西洋参核对，取得了满意的结果。
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1 样品、仪器与试剂
JY38PLUS (顺序型)电感耦合等离子体发射谱仪(法国)；721分光光度计(上海第三分析仪器厂)。
所用试剂均为分析纯；人参皂苷标准品 Re 由西安植物园王答琪先生提供。
西洋参来源：吉林抚松、吉林左家、吉林敦化、吉林通化、辽宁、黑龙江西洋参(购自吉林药材公司)；福建、加拿大、陕西留坝、陕西汉中西洋参购自陕西省药材公司；北京怀柔、贵州、美国西洋参购自北京药材公司；西安西洋参由西安植物园提供。所用药材均为二级品，4年生，筛选出长约7～8 cm，直径约1.5～2 cm 作测试用。所用药材均由陕西师范大学生物系黄可教授鉴定。
2 数据采集与化学参数选取
2.1 西洋参中可溶性糖的测定：按文献[6]配制葡萄糖标准溶液，绘制标准曲线。将测定结果经回归处理得回归方程：A=0.0062+0.042C，r=0.9992，溶液浓度在3～17 μg/mL 范围内与吸光度呈良好线性关系。
, 百拇医药
再按文献[6]的方法，处理14 种产地西洋参样品，测定各样品20 倍稀释液还原糖吸光度、还原糖与低聚糖吸光度，由回归方程确定各自相应的浓度。按公式：
还原糖含量(%)=(20倍稀释液浓度×20×250×10-6/样品重量)×100
低聚糖含量(%)=(总可溶性糖含量-还原糖含量)×0.95
式中系数0.95是由于低聚糖水解时吸收了1 分子水[7]。
计算出各样品可溶性糖(低聚糖与还原糖含量之和)含量(%)。结果见表1。
表1 14 种不同产地西洋参的化学参数 序号
产地
, 百拇医药
可溶性糖
总皂苷
Fe
Cu
Zn
Mn
(%)
(%)
(μg/g)
1
福建
3.10
8.70
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49.5
5.70
388
14.7
2
北京怀柔
5.62
6.37
118
8.7
955
40.9
3
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美国
5.18
6.80
117
10.0
824
37.0
4
吉林敦化
3.10
6.45
94.0
5.70
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310
14.0
5
吉林抚松
4.05
6.23
94.0
12.0
871
36.0
6
辽宁
4.2
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6.25
154
5.70
902
19.0
7
加拿大
4.15
6.80
162
3.70
728
14.0
, 百拇医药
0
黑龙江
4.30
6.37
138
5.30
909
14.0
9
吉林通化
6.01
7.20
105
, http://www.100md.com
14
1100
58
10
西安植物园
4.32
6.35
105
3.70
1561
21
11
吉林佐家
, 百拇医药
4.18
6.38
138
6.90
235
16.0
12
陕西汉中
2.62
6.27
121
4.50
695
, 百拇医药
18.0
13
陕西留坝
4.90
6.36
56.0
3.70
733
43.0
14
贵州
5.20
6.30
, 百拇医药
68.0
3.7
219
16.0
2.2 西洋参中总皂苷含量测定：按文献[8]配制人参皂苷 Re 标准溶液和绘制标准曲线，其回归方程为：A=0.0167+18 700C，r=0.9999(浓度 C 的单位为 mol/L)。
参照文献[8]的方法制备西洋参样品试液，并采用薄层层析-光度法测定西洋参中总皂苷的含量。总皂苷含量计算公式如下[8]：
式中1 000为人参皂苷的分子量[8]，测定结果见表1。
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2.3 西洋参中微量元素的测定：参照文献[10]的方法对西洋参样品进行预处理，上机 (ICP-AES) 测定微量元素 Fe, Cu, Zn, Mn 含量 (μg/g)。操作条件为：功率 1 000 W，反射功率 5 W，工作条件：氩气 (Ar)，冷却气 12 L/min；雾化气 0.4 L/min，焦距 1 m，全息光栅 2 400 条/毫米，发生器 40.68 MHz。同时作一空白试验，测定结果见表1。
3 模糊相似矩阵R的构成
由于表1中各化学参数(或称西洋参质量指标)的数据不是同一量纲，应先对这些原始数据进行标准化，再参照文献的有关公式，将数据压缩到[0，1]闭区间内，按模糊动态聚类分析方法的要求构造出模糊关系(或称模糊相似)矩阵，得到各样品间的相似程度 ri,j(i,j=1,2,3……,14,为西洋参样品个数)。该模糊关系矩阵如图 1所示。
1 0.64 0.56 0.41 0.57 0.59 0.57 0.55 0.53 0.60 0.52 0.55 0.50 0.46
, 百拇医药
1 0.11 0.46 0.35 0.32 0.43 0.33 0.35 0.37 0.38 0.29 0.47 0.43
1 0.41 0.20 0.31 0.40 0.32 0.31 0.39 0.33 0.29 0.46 0.41
1 0.38 0.31 0.30 0.28 0.50 0.42 0.21 0.30 0.34 0.25
1 0.37 0.47 0.37 0.39 0.42 0.37 0.39 0.40 0.45
1 0.15 0.08 0.48 0.28 0.22 0.18 0.46 0.39
1 0.16 0.54 0.35 0.23 0.24 0.49 0.40
, 百拇医药
1 0.62 0.25 0.22 0.14 0.45 0.34
1 0.56 0.57 0.56 0.64 0.46
1 0.44 0.29 0.42 0.44
1 0.22 0.47 0.29
1 0.45 0.24
1 0.40
1图1 模糊相似矩阵R
由于该距阵是对称的，所以距阵中只列出对角线以上部分。
4 最大树的构成
模糊聚类分析的实用价值很大，但是用矩阵方法有一个缺点，就是从实际得出一矩阵的时候，往往是只满足自反性和对称性，而不满足传递，因此 只能构造出模糊相容矩阵，而无法构造出模糊等价矩阵，也就是实现不了对西洋参的分类。然而由模糊相容矩阵构造出新的模糊等价矩阵的工作(称为“改造”)过程是比较麻烦的，往往工作量很大，需要多次自合成。为此，本文按文献[11]中模糊聚类最大树法，直接由模糊相似矩阵进行聚类。图2为经过模糊聚类最大树法处理，最后得到的最大树：
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图2 模糊聚类处理获得的最大树
从图 2可以看出，1，2，3，5，6，7，10号样品聚为一类，包括美国、加拿大西洋参质量最佳。8，9，11，12，13号样品聚为一类，包括陕西留坝、陕西汉中、吉林通化等产地西洋参，质量优良。4，14号样品各成一类，这两类西洋参质量欠佳。
5 小结
5.1 本文运用模糊模式识别中的模糊动态聚类分析方法对来源于14 种不同产地西洋参样品进行分类，结果令人满意。北京怀柔、吉林省产区、陕西秦巴山区栽培的西洋参是由国家卫生部认定的、获得新药证书的药材，其内在质量及疗效是可信的。因此，原产于美国、加拿大西洋参与北京怀柔、吉林抚松、西安植物园等划入质量最佳西洋参；陕西留坝、陕西汉中、吉林通化、黑龙江等产地西洋参划入质量优良西洋参；吉林敦化、贵州产西洋参划入质量欠佳西洋参是符合客观实际的。以上研究结果表明，对西洋参质量的化学模式识别是成功的，所选取的化学参数是合理的。
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5.2 从目前有关质量评价的报道来看，都是将单纯测定西洋参样品中的某一种或某几种生物活性成分的含量高低作为评价西洋参质量的指标，缺乏一定的科学性和全面性。通过选取西洋参的多种主要化学参数，利用模糊聚类分析法，对西洋参的质量进行总合评价，无疑体现评价结果的科学性和整体性。
5.3 本文采用由模糊相似(关系)矩阵直接进行模糊聚类最大树法的聚类分析，免去了繁琐、费时的计算步骤，具有一定的新颖性。因此，这种方法在其它贵重药材质量评价工作中具有较大的实用价值，可以推广应用。
参考文献
1 胡世林.中西医结合杂志，1990，10(1)：14
2 周富荣，等.中国中药杂志，1989，14(10)：15
3 傅世贤，等.中药材，1992，15(12)：3
, 百拇医药
4 徐景达.中西医结合杂志，1990，(10)：11
5 张聪，等.上海中医药杂志，1991，(10)：4
6 袁晓华主编.植物生理生化实验，北京：高等教育出版社，1983：210
7 华东师范大学生物系.植物生理实验室.北京：人民教育出版社，1980：155
8 郭顺星，等.中国药学杂志，1991，26(6)：335
9 章观德，等.药学学报，1983，18(8)：607
10 李玉珍，等.原子吸收分析应用手册.北京：科学技术出版社，1990：225，304
11 张跃主编.模糊数学方法及其应用.北京：煤炭工业出版社，1992：86
收稿日期：1999-01-14, 百拇医药