基于近红外光谱技术建立连翘叶中5种活性成分动态定量模型

潘秀珍，刘路路，任晓红， 耿泽宇， 左旭丽，马威，李卫东

[摘要]

目的：基于近红外(NIR)光谱技术，通过建立连翘叶中5种活性成分(总黄酮、总酚、连翘酯苷A、连翘苷和芦丁)的动态定量模型，快速检测其含量并追踪年动态变化规律。

方法：2021年5—11月，采收连翘叶共72批次。采用NIR光谱技术结合偏最小二乘法，建立连翘叶中总黄酮、总酚、连翘酯苷A、连翘苷和芦丁含量的NIR快速检测动态定量模型。

结果：连翘叶中总黄酮、总酚、连翘酯苷A、连翘苷和芦丁动态定量模型的相关系数分别为0.9501、0.9311、0.9573、0.9429和0.9773;校正集预测标准偏差分别为1.39、0.68、0.48、0.10和0.07;验证集中预测值与实测值的平均相对误差分别为9.39%、10.27%、16.40%、5.58%和7.96%。5种活性成分的验证集样本的参考值与NIR光谱预测值的配对t检验值分别为1.137、0.127、0.785、1.491和0.150;P值分别为0.269、0.900、0.441、0.149和0.882。5种活性成分含量均在5—6月较高，7月大幅度降低，8月有所回升，9—10月开始降低。初霜后活性成分含量较霜前明显升高，达全年最高，为连翘叶的最佳采收期。

结论：建立的NIR光谱动态定量模型稳定性和准确性较好，且预测准确度良好。此模型可快速预测不同采收期连翘叶中5种活性成分含量及其动态变化规律。

连翘叶样品的NIR平均谱图

正文

中药材连翘是木犀科植物连翘Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl的果实，主要含有黄酮类、多酚类、苯乙醇苷、天然醇及其苷类、木脂素类及三萜类等化学成分，其中苯乙醇苷类(连翘酯苷A)、木脂素类(连翘苷)、黄酮类(芦丁)、总酚等是主要活性成分，具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗癌、抗氧化等药理作用。连翘叶具有与连翘相同的化学成分，生物资源量丰富，活性成分含量高，具有巨大的开发前景。目前，连翘叶质量控制指标不易检测和最佳采收期不明确是制约其发展的重要因素，尽快建立与之匹配的多指标含量快速检测技术，并探究其生长期间主要活性成分含量的变化规律，有利于促进连翘叶的综合开发利用。本文以总黄酮、总酚、连翘酯苷A、连翘苷和芦丁作为评价连翘叶的活性物质。

目前，连翘叶中总黄酮和总酚的含量多采用紫外-可见分光光度法测定，连翘酯苷A、连翘苷和芦丁的含量采用高效液相色谱法测定。传统检测方法虽然准确，但样品制备和操作过程复杂，耗费时间，成本高。近红外(near-infrared，NIR)光谱技术具有简便、不受检测样品状态的影响、分析速度快、低成本、无污染等明显优点，已广泛应用于食品质量控制、药物生产过程中的质量控制、有效成分含量检测等领域。但是，由于样本的地域、时间、大小和种类的多样性而导致的光谱多样性不利于通用模型的建立，而运用预处理手段可以消除负面效应信息的干扰，选择合适的预处理方法对建立可靠的通用模型非常重要，标准化、归一化、平滑、导数、标准正态变量变换等是较为常用的预处理方法，且预处理方法的选择越多，越能有效地消除其他无用信息对光谱信息造成的干扰。此外，在建立模型时，适当地选择特征波段和进行光谱预处理，也能提高模型的预测性和稳定性。本研究通过建立连翘叶5种活性成分动态定量模型，对其主要活性成分含量的年动态变化规律进行分析，对不同采收期连翘叶中主要活性成分的含量进行准确、快速测定，以期为连翘叶活性成分的快速检测及合理采收提供依据。

1材料

1.1 样品

1.2 药物与试剂

1.3 主要仪器与设备

2 方法与结果

2.1 测定总黄酮、总酚含量

2.2 测定连翘酯苷 A、连翘苷和芦丁含量

2.3各活性成分含量

2.4NIR 光谱采集

2.5谱图的选择

2.6建模波长区间的选择

2.7预处理方法的选择

2.8主成分数的选择

2.9校正模型的建立

2.10模型的验证与评价

2.11活性成分动态变化规律

小结

本研究通过NIR光谱技术结合PLS建立了连翘叶中总黄酮、总酚、连翘酯苷A、连翘苷和芦丁定量模型。各模型的预测标准偏差均小于2.2，预测效果均较好，可用于5个活性成分含量的快速检测。在定量模型建立和优化过程中，由于样品数量有限，以及不同时期连翘叶样品中总黄酮和总酚含量差异较大，因此，与其他模型相比，其验证集预测标准偏差也相对较大，分别为1.39、0.68；连翘叶中连翘酯苷A含量比总黄酮、总酚低，其验证集平均相对误差也相对较大，为16.40%。可以在后期的研究中收集更多的样本参与建模，减少模型的预测误差。在最佳的建模波段和光谱预处理下建立的定量模型能够更有针对性地减弱或消除外部环境和样品本身对光谱信息的干扰，使模型更加稳定可靠、预测性能更强。

此外，本研究所建立的5个活性成分的动态定量模型能较好地体现其年动态变化规律。5~6月和初霜后，连翘叶的活性成分含量较高。5~6月，连翘植株处于生长初期，叶片旺盛，产生了大量次生代谢产物，此时可以适量采收连翘叶，供加工制茶使用。初霜后第一次采收的连翘叶各化学成分含量出现回升，其中连翘酯苷含量为4.17%、连翘苷为2.02%，远高于2020年版《中华人民共和国药典》中收录的药材连翘果实的含量，且总黄酮、总酚含量达到最高，分别为26.79%和14.18%，具有更好的品质。连翘叶中次生代谢产物的合成与积累与多种环境因子如水分、温度、光照有关，霜后连翘叶中活性成分的含量升高，这可能是霜后低温刺激了连翘叶多种次生代谢产物的合成和积累。本研究认为，霜后连翘叶丧失了光合能力，但是并不影响连翘植株的生理活动，此时不仅资源量巨大，而且活性成分含量高，是连翘叶的最佳采收时期，加以合理利用能够使其变废为宝，具有广阔的开发利用价值，可用于保健食品、饲料添加剂、药物等领域。建议霜后应尽快采收连翘叶，否则叶片的次生代谢机能迅速减弱，其活性成分含量大大下降，失去最佳利用价值。综上所述，本研究结果不仅为连翘叶活性成分含量快速检测提供科学依据，也为连翘叶资源评价及合理开发利用提供参考。