基于化学计量学对不同产地生姜的质量评价

胡力飞，吴涛，吴新，石榴花，殷涛，孙代华

1.湖北工业大学生物工程与食品学院（武汉 430068）；2.劲牌持正堂药业有限公司（黄石 435100）；3.劲牌有限公司（黄石 435100）

生姜为姜科植物姜（Zingiber officinaleRosc.）的新鲜根茎，具有“解表散寒，温中止呕，化痰止咳，解鱼蟹毒”的功效[1]，为我国重要的药食同源中药品种，并在调味品、香辛料及化妆品等行业应用广泛[2-4]。生姜种植区域非常广泛，多分布于亚洲、非洲及南美洲，是我国重要的经济作物，在我国南北各地均有栽培[5-6]。

生姜根茎肉质肥厚，营养成分丰富，并含有姜酚、挥发油等多种活性成分[7]，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗菌、神经保护、降血脂、降血糖等作用[8-16]。其中6-姜辣素、8-姜酚和10-姜酚含量是2020年版《中华人民共和国药典》（简称《中国药典》）生姜项下的重要指标，也是保健食品及中药产品原料应用的重要参考依据。试验根据《中国药典》生姜项下要求，对云南红河、云南文山、云南曲靖、四川乐山、山东济宁共计42批次原料进行质量评价，并根据测定结果进行聚类分析、主成分分析及正交偏最小二乘分析，对不同产地生姜指标进行比较，以期为生姜产品开发、原料产地选择提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

UltiMate 3000高效液相色谱仪[赛默飞世尔科技（中国）有限公司]；Thermo Syncronis C18液相色谱柱[赛默飞世尔科技（中国）有限公司]；XS-105DU电子分析天平（梅特勒托利多科技有限公司）；PHOENIX马弗炉（美国CEM公司）；101-2AB电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）。

6-姜辣素（批号111833-202007，99.3%，中国食品药品检定研究院）；乙腈（色谱级，美国Fisher chemical公司）；甲酸（色谱级，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；其余试剂均为分析纯。42批不同产地生姜药材，由劲牌持正堂药业有限公司采集，经鉴定为姜科植物姜Zingiber officinaleRosc.的新鲜根茎，药材产地信息见表1。

表1 生姜样品产地信息

1.2 试验方法

1.2.1 6-姜辣素、8-姜酚和10-姜酚含量测定

采用2020版《中国药典》生姜含量测定项下要求进行含量测定，所用色谱柱为Thermo Syncronis C18，进样量为10 μL。

1.2.1.1 色谱条件

色谱柱为Thermo Syncronis C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）；流动相为乙腈-水（35∶65，V/V）；检测波长282 nm；洗脱进间40 min；柱温30 ℃。图1为对照品及生姜药材HPLC色谱图。

图1 姜辣素对照品及生姜样品HPLC色谱图

1.2.2 总灰分、挥发油、二氧化硫残留量测定

总灰分、挥发油、二氧化硫残留量分别根据《中国药典》通则灰分测定法、挥发油测定法（甲法）、二氧化硫残留量测定法（酸碱滴定法）测定。

2 结果与分析

2.1 含量测定方法学确认

根据1.2.1条件开展生姜药材检测方法学确认，结果表明，6-姜辣素重复性SRSD为0.6%，中间精密度SRSD为0.8%，8-姜酚与10-姜酚总量重复性SRSD为0.7%，中间精密度SRSD为1.1%，表明仪器的精密度及方法的重复性较好，检测方法适宜性较好。

2.2 生姜样品测定结果

试验按照《中国药典》生姜项下要求对总灰分、挥发油、二氧化硫残留量、6-姜辣素、8-姜酚与10-姜酚总量进行测定，并增加药材中8-姜酚、10-姜酚含量用于分析，各项测定数据见表2。

表2 42批生姜样品检测结果

42批生姜样品总灰分、挥发油、二氧化硫残留量和6-姜辣素含量均符合《中国药典》要求（二氧化硫残留量均未检出），但有15批次样品8-姜酚与10-姜酚总量不符合《中国药典》要求。各含量指标与产地呈一定关联性，乐山市沐川县、犍为县样品8-姜酚、10-姜酚含量差异较大，因此将两县样品单独统计，结果如图2所示。云南红河、文山、曲靖样品挥发油、8-姜酚、10-姜酚含量相对较高；犍为县样品虽然6-姜辣素比沐川县高，但8-姜酚、10-姜酚含量较低；济宁生姜样品6-姜辣素含量较低，但8-姜酚、10-姜酚含量略高于乐山市犍为县样品。

2.3 聚类分析（CA）

以总灰分、挥发油、6-姜辣素、8-姜酚与10-姜酚总量、8-姜酚、10-姜酚检测结果作为变量，采用Origin Pro 2023软件对以ward聚类方法结合Euclidean距离计算对42批生姜样品进行聚类分析，以ward聚类方法结合Pearson相关性对6个指标变量进行聚类分析，聚类分析结果见图3。结果表明：当判定距离为15时，生姜样本可被分为2类，其中云南省样本被聚为1类，四川乐山、山东济宁样品被聚为1类；判定距离为10时，生姜样本可被分为4类，云南红河、文山、曲靖各产地样本较为分散，部分红河及文山样本（S3、S6、S8、S10、S14）被聚为1类，其他云南样本被聚为1类，乐山市沐川县样本被聚为1类，乐山市犍为县、济宁市样本被聚为1类。6个变量被聚为3类，挥发油、8-姜酚与10-姜酚总量、8-姜酚、10-姜酚4个变量聚为1类，6-姜辣素为1类，总灰分为1类。从聚类热图中可见，生姜原料的分类与各变量之间有一定相关性，可能与各种植地区的气候、土壤等因素有关。

图3 42批生姜样本聚类分析热图

2.4 主成分分析（PCA）

采用OriginPro 2023软件对总灰分、挥发油、6-姜辣素、8-姜酚与10-姜酚总量、8-姜酚、10-姜酚指标进行主成分分析，计算相关矩阵的特征值、特征向量和分值。确定特征值＞1的2个主成分，2个主成分的累计方差贡献率为83.85%，由相关矩阵的特征值所作碎石图见图4。第1主成分（PC1）解释了总方差的67.04%，信息主要来自于挥发油、8-姜酚与10-姜酚总量、8-姜酚和10-姜酚，且均呈正相关；第2个主成分（PC2）解释总方差的16.81%，信息主要来自于总灰分，且呈正相关。以PC1、PC2得分及特征向量绘制42批次生姜样本的双标图，见图5。其中云南省红河、文山及曲靖三地分布较为集中，乐山市沐川县样本与犍为县样本较为相近，同时犍为县还与济宁市样本较为相近，与聚类分析结果相似。

图4 主成分分析碎石图

图5 42批生姜样品主成分分析双标图

同时，以PC1、PC2所得分值及各主成分的方差贡献率作为权重，构建主成分综合评价函数：F（综合得分）=0.6704×PC1+0.1681×PC2，经计算42批生姜主成分综合得分及排序如表3所示。由综合评分可得到各产地生姜样品的分类情况，其中所采集的样本中，云南省生姜评分相对较高。

表3 42批生姜样本主成分因子得分、综合得分情况

2.5 正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）

采用SIMCA14.1软件对42批生姜进行OPLS-DA分析，结果表明，通过OPLS-DA可实现对云南省、乐山市和济宁市的有效区分，分析中的自变量拟合指数（R2X）为0.994，因变量拟合指数（R2Y）为0.674，模型预测指数（Q2）为0.662，R2和Q2均超0.5，表明模型拟合结果可接受。同时通过200次置换检测，Q2回归线与纵轴的相交点小于0，说明模型不存在过拟合，所建立的模型有效，认为该结果可用于生姜产地对比分析，相关分析结果如图6和图7所示。所生成的变量VIP图如图8所示，并以VIP大于1为阈值，筛选出3个贡献值较大的成分，依次为挥发油、总灰分和8-姜酚，判断其为区分3个组别样本的代表性差异性成分，成分差异可能与生姜的品种、种植环境等因素相关。

图6 OPLS-DA得分图

图7 OPLS-DA模型置换验证图

图8 OPLS-DA模型VIP值

3 结论

试验对云南省云南红河、云南文山、云南曲靖、四川乐山、山东济宁的生姜样品进行收集，并根据《中国药典》生姜项下要求对其总灰分、挥发油、二氧化硫残留量、6-姜辣素、8-姜酚与10-姜酚总量进行测定，并结合8-姜酚、10-姜酚含量，采用聚类分析、主成分分析及正交偏最小二乘判别分析3种化学计量学方法，对测定结果进行分析。聚类分析结果表明，云南省生姜样本与其他两地样本能很好地被区分：其中，云南省红河、文山、曲靖样本较为相近，但云南省内各产地间的分类较为分散；乐山市犍为县样本与济宁市相近；各变量被聚为3类，其中6-姜辣素为1类，总灰分为1类，其他指标被聚为1类。主成分分析则表明：云南省红河、文山及曲靖三地分布较为集中，乐山市沐川县样本与犍为县较为相近，同时犍为县与济宁市样本较为相近，综合评分结果显示云南省样品综合评分相对较高，分析结果与聚类分析基本一致。结合各批次生姜分类情况进行正交偏最小二乘判别分析，可实现对云南省、乐山市和济宁市样本的有效区分，挥发油、总灰分和8-姜酚为区分3个组别样本的代表性差异性成分。试验结果可能与不同区域生姜品种、种植条件、气候等因素有关，后期可采集综合评价相对较高的云南省各产地生姜样本，对不同区域生姜的化学成分情况加以研究，以进一步评价生姜原料品质情况。