全 文 :[作者简介]万丽娟,女,硕士,研究方向:中药及其天然药物活性成分,电话:18942932005,E-mail:18942932005@163.com [通讯作者]卢金
清,男,硕士,教授,研究方向:中药及其天然药物活性成分,电话:027-68890101,E-mail:ljq59169@sohu.com
神农香菊挥发油主成分分析
万丽娟,卢金清,李肖爽,林杰,屠寒,许俊洁 (湖北中医药大学/湖北省药用植物研发中心,湖北 武汉430065)
[摘要] 目的:采用主成分分析神农香菊挥发油成分,为神农香菊药理作用的物质基础提供科学依据。方法:采集15批次神
农香菊样品,水蒸气蒸馏法提取挥发油,并通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)对其分析,实验数据通过主成分分析(Principal
Component Analysis,PCA)进行综合评价。结果:最终通过5个主成分对原有指纹图谱中共有的23个指标信息作出概括,包
含原指标88.966%信息量。第一主成分PC1可作为神农香菊挥发油平喘作用的描述指标,第二主成分PC2可作为神农香菊挥
发油镇痛作用的描述指标,第三主成分(PC3)可作为神农香菊挥发油止咳作用的描述指标。结论:本研究通过主成分分析方
法对神龙香菊挥发油的共有成分进行分析,为神农香菊挥发油平喘作用、镇痛作用、止咳作用的物质基础提供了理论参考和
实践探索。
[关键词] 神农香菊;挥发油;主成分分析
[中图分类号]R927.2 [文献标识码]A [文章编号]1001-5213(2016)11-0921-05 DOI:10.13286/j.cnki.chinhosppharmacyj.2016.11.12
Analysis of principal components in volatile oil from Dendranthema indicum
WAN Li-juan,LU Jin-qing,LI Xiao-shuang,LIN Jie,TU Han,XU Jun-jie(Hubei University of Chinese Med-
icine/Research and Development Center of Medicinal Plants in Hubei Province,Hubei Wuhan 430065,China)
ABSTRACT:OBJECTIVE To analyze active components of volatile oils from Dendranthema indicum by principal component a-
nalysis,provide a substance basis of its pharmacology.METHODS Fifteen batches of Dendranthema indicum were used to ex-
tract volatile oil with steam method.Gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)was used to analyze the components of
volatile oil,and experimental data were comprehensively evaluated by using principal component analysis(PCA).RESULTS
Five components were used to overview23 indicators in original fingerprint,including 88.966%information.The first princi-
pal component(PC1)in Dendranthema indicum acted as the prescription indicator for asthma calming effects of volatile oil,the
second principal component PC2for analgesic effect,and the third PC3for cough relieving effects.CONCLUSION The study
has used PCA to analyze joint components of volatile oil of Dendranthema indicum,which provides theoretic reference and
practical investigation for substance basis of anti-asthmatic effects,analgesic effects,and antitussive effects.
KEY WORDS:Dendranthema indicum;volatile oil;principal component analysis
神农香菊(Dendranthema indicum var.aro-
maticum)为菊科菊属植物神农香菊(Dendranthema
indicum (L.)Des.Monl.var.aromaticumQ.H.
Liu et S.F.Zhang,var.nov.)的干燥头状花序,
为野菊花(Chrysanthemi Indici Flos)的一个变种。
原植物产于湖北神农架地区,分布在海拔2 000 m
以上的向阳开阔的山坡、路旁、岩石缝、灌木丛边的
空旷地中,具有疏风清热、平肝明目、散风降压的功
效[1-2]。与原变种相比,神农香菊的主要特点在于
花、叶均具有显著香气,其特别的浓郁香味是衡量其
市场价格的重要指标之一。根据现代研究表明,神
农香菊具有独特的杀菌、消炎、解毒等作用,可有效
减轻烟气对肺部所产生的炎性反应和氧化损伤,且
无致癌突变及相关毒害作用的报道,现已投入市场,
获得了较高的经济价值[3-5]。虽然迄今为止有关神
农香菊药材的挥发性成分分析文献较多,但对于神
农香菊挥发油主成分分析,国内还未见有专题报道,
而且由于神农香菊产地单一,国外研究目前也还处
于空白阶段。本研究运用统计软件SPSS中的主成
分分析方法对15批次神农香菊挥发油共有成分进
行主成分分析,在利用降维的思想对图谱进行数据
重组,考察多个变量的内在结构,探索神农香菊挥发
油中起主导作用的综合指标,为神农香菊挥发油平
喘作用、镇痛作用、止咳作用的物质基础提供了理论
参考和实践探索。
1 材料
1.1 仪器 挥发油提取器;电热套(1 000 mL,350
W,220 V,天津泰斯特);电子天平(sartorius,ALC-
210.2);1 000 mL圆底烧瓶(HOLO GG-17);超声
波清洗器(昆山舒美 KQ-250E);Agilent 6890GC/
·129·中国医院药学杂志2016年6月第36卷第11期Chin Hosp Pharm J,Jun 2016,Vol 36,No.11
5973MSD型气质联用仪(美国安捷伦公司);NIST
05系列标准谱库;中药色谱指纹图谱相似度评价系
统(A 版);自动质谱图解卷积和鉴定系统软件
[AMDIS,美国国家标准技术研究院(NIST)提供]。
1.2 试药 15批样品分别由武汉黄鹤楼香精香料
有限公司采收于不同地区不同时间,经湖北中医药
大学生药教研室胡志刚副教授鉴定均为菊科菊属植
物神农香菊的干燥头状花序,具体药材信息见表1。
无水乙醚为分析纯,水为自来水。
表1 神农香菊样品产地及编号
Tab 1 Original place and number of Dendranthema indicum
samples
样品编号 批号 产地
1 2012-401 神农架
2 2012-402 恩施
3 2012-403 神农架
4 2012-404 神农架
5 2012-405 神农架
6 2013-401 神农架
7 2013-402 恩施
8 2013-403 神农架
9 2013-404 恩施
10 2013-405 神农架
11 2013-406 神农架
12 2014-401 神农架
13 2014-402 神农架
14 2014-403 神农架
15 2014-404 神农架
2 方法与结果
2.1 供试品溶液的制备 取15批次神农香菊药材
各50 g(剪碎),加8倍量(400 mL)的水浸泡3 h,然
后按照《中华人民共和国药典》挥发油测定法提取神
农香菊挥发油,连续提取5 h,得油状物,冷却放置
后收集,密封,置于冰箱中冷藏,作为供试品溶液。
各批次挥发油得率及性状见下表2。
2.2 色谱条件 HP-5MS毛细管柱(50 m×0.2
mm,0.33μm);程序升温:色谱柱的柱初始温度设
置为50℃,以5℃·min-1的升温速率升至145℃,
然后再以2℃·min-1的升温速率升至165℃,最终
用20℃·min-1的升温速率升至250 ℃,保持5
min。进样口温度:200℃;载气:99.999%氦气;载
气流速:0.8 mL·min-1;分流比:20∶1,溶剂延迟3
min。倍增管电压:1.2 kV;离子源温度:230℃;四
级杆温度:150℃;电子能量:70 eV;接口温度:280
℃;质量范围:35~550 m/z,离子源:EI源;标准图
库NIST05。
2.3 GC-MS图谱的建立 按选定的GC-MS条件
对15批次神农香菊挥发油进行分析,测得所有供试
品的GC-MS总离子流图,见图1;再对所有组分质
谱数据经计算机处理和NIST标准质谱图库检索鉴
定,初步确定神农香菊挥发性成分中化合物,实验结
果见表3。
表2 各批次神农香菊挥发油颜色及提取率
Tab 2 Color and extraction rate of volatile oil from different
batches of Dendranthema indicum
样品编号 挥发油颜色 挥发油得率/%
1 绿色 0.93
2 绿色 0.63
3 绿色 0.80
4 黄绿色 0.75
5 草绿色 0.96
6 深绿色 0.82
7 草绿色 0.73
8 绿色 0.87
9 金黄色 0.92
10 金黄色 0.83
11 草绿色 0.96
12 黄绿色 0.82
13 浅黄色 0.96
14 浅黄色 1.06
15 绿色 0.85
图1 神农香菊挥发油指纹图谱叠加图
Fig 1 Overlapping plot of GC-MS fingerprints of Dendranthema indicum
·229· 中国医院药学杂志2016年6月第36卷第11期Chin Hosp Pharm J,Jun 2016,Vol 36,No.11
表3 各批次神农香菊挥发油共有色谱峰相对百分含量
Tab 3 Relative percentage contents of joint components in volatile oil from different batches of Dendranthema indicum
峰号
相对百分含量/%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 2.07 0.99 0.44 0.97 1.17 1.58 1.36 2.14 0.94 1.94 0.81 0.20 1.93 4.21 2.60
2 4.43 2.75 1.15 2.02 2.74 2.99 3.23 3.04 2.86 5.60 3.22 1.80 6.09 5.63 5.08
3 0.95 0.46 0.69 0.76 2.95 1.08 0.42 1.05 0.39 2.64 2.13 1.22 1.55 2.13 1.16
4 22.23 17.19 15.64 14.81 18.81 19.63 20.47 19.88 17.43 30.10 21.16 16.07 27.90 33.68 24.95
5 0.47 0.72 0.93 0.44 0.78 0.77 0.75 0.84 0.64 0.34 0.38 0.37 0.72 0.87 0.50
6 0.69 1.53 1.26 1.08 0.94 0.98 1.58 1.07 1.38 0.66 0.78 0.78 1.10 1.15 1.06
7 1.39 1.54 0.89 1.19 0.86 0.72 1.34 0.80 1.23 0.86 1.19 0.99 0.71 0.65 1.31
8 0.36 1.34 0.98 0.48 0.77 0.86 1.48 0.93 1.19 0.31 0.37 0.40 0.77 0.69 0.36
9 0.63 0.85 1.08 0.58 1.15 1.01 0.64 1.12 0.56 0.47 0.68 0.49 0.87 0.89 0.63
10 0.49 0.96 1.00 0.49 0.98 0.89 0.85 1.21 0.68 0.37 0.60 0.41 1.06 0.95 0.51
11 1.72 1.19 1.29 1.15 0.90 0.98 1.37 0.82 1.07 1.06 1.46 0.36 0.84 0.64 0.26
12 0.58 0.52 0.87 0.55 0.57 0.63 0.41 0.43 0.46 0.44 0.60 0.56 0.48 0.48 0.24
13 0.63 0.63 1.02 0.63 0.84 0.77 0.60 0.74 0.66 0.52 0.61 0.61 0.79 0.58 0.57
14 1.63 1.72 3.09 1.99 2.26 1.79 1.79 1.69 2.16 1.99 1.71 1.99 2.02 1.62 1.50
15 0.74 0.74 1.53 0.85 1.39 1.20 0.83 1.16 0.84 0.75 0.79 0.83 1.09 0.94 0.71
16 10.59 9.55 1.54 11.6 5.45 4.99 10.33 4.72 10.26 9.06 12.28 11.37 4.25 3.12 9.64
17 16.83 15.80 15.99 20.14 16.31 15.35 16.6 14.67 16.8 15.32 19.25 20.09 12.20 9.50 14.98
18 1.07 1.27 1.37 2.72 1.09 1.09 1.26 1.04 1.42 1.88 1.15 1.39 0.94 0.70 0.96
19 0.85 1.12 2.56 0.19 2.07 2.08 1.66 1.99 1.33 / 1.18 1.16 1.29 1.39 1.01
20 0.91 1.37 1.90 1.27 1.50 1.53 1.85 1.53 1.88 0.72 1.35 1.44 1.31 1.30 1.07
21 0.83 1.41 1.46 1.55 1.48 1.76 1.21 1.68 0.70 0.66 0.84 1.35 1.03 0.72 0.67
22 1.30 2.58 2.66 2.93 1.66 1.98 2.22 2.11 1.60 0.21 0.50 2.38 1.53 0.80 1.05
23 1.16 2.55 1.84 2.96 1.50 3.21 1.50 3.10 1.06 0.84 0.91 2.65 1.05 0.96 0.99
总和 72.55 68.78 61.18 71.35 68.17 67.87 73.75 67.76 67.54 76.74 73.95 68.91 71.52 73.60 71.81
2.4 数据处理 将表3中的原始数据导入SPSS
19.0,选择所有变量进行描述统计分析,并将数据标
准化后对15产地神农香菊药材进行主成分分析,记
录相关系数矩阵,相关矩阵的特征值、主成份的负荷
量等,具体结果见表4、表5以及图2。
图2 碎石图
Fig 2 Scree Plot
2.4.1 元素相关性分析 由相关系数矩阵表可知
芳樟醇与乙酸氧化芳樟醇酯具有较高的正相关性,
相关系数0.933;石竹烯与大根香叶烯具有较高正相
关性,相关系数0.917;金合欢烯与α-姜黄烯具有较
高正相关性,相关系数0.899。
2.4.2 主成分的提取 由碎石曲线图(图2)可看
出PCA中特征值的变化,在形象上说明了保留前5
个主成分能够概括原始数据的绝大部分信息。比较
表4中的特征值λ发现λ1=8.719,λ2=5.968,λ3=
2.999,λ4=1.775,λ5=1.001,其数值均大于1。从
贡献率数值分析,当提取前5个主成分时,其累积贡
献率大于88%,即前5个主成分包含了原来23个
指标的88.966%的信息。表5主成分的负荷量则是
对上述23个共有成分进行主成分分析后计算出前
五个主成分的载荷系数,每一列载荷值都是各个变
量与有关主成分的相关系数,能更充分地反映出样
品中起主导作用的综合指标。
综合表4和表5可知,第一主成分(PC1)特征
值为8.719,贡献率为37.910%,对应的特征向量依
次以峰13(反式橙花叔醇)、19(α-环氧化红没药
烯)、15(氧化石竹烯)、5(石竹烯)、20(甜没药萜醇氧
化物A)、9(桉叶烯)、10(大根香叶烯B)、21(安息香
酸苄酯)较大,说明第一主成分受这些成分的影响比
较大。其共有的药理作用为消炎平喘[6-11],因此拟
定PC1主要是对神农香菊挥发油平喘作用的综合反
映。
第二主成分(PC2)特征值为5.968,贡献率为
25.950%,对应的特征向量中负荷量较大者为17(β-
桉叶醇)、16(蛇床烯醇)、18(甜没药醇),说明第二主
成分受这些成分的影响比较大,PC2中β-桉叶醇、蛇
床烯醇、甜没药醇均具有良好的抗炎镇痛作用[12-13],
因此拟定PC2主要是对神农香菊挥发油镇痛作用的
综合反映。
·329·中国医院药学杂志2016年6月第36卷第11期Chin Hosp Pharm J,Jun 2016,Vol 36,No.11
表4 相关矩阵的特征值
Tab 4 Characteristics values of correlation matrix
因子
初始特征值
特征值(λ) 方差/% 累积/%
1 8.719 37.910 37.910
2 5.968 25.950 63.860
3 2.999 13.040 76.900
4 1.775 7.715 84.616
5 1.001 4.351 88.966
6 0.969 4.214 93.180
7 0.525 2.283 95.464
8 0.374 1.625 97.089
9 0.232 1.009 98.098
10 0.197 0.855 98.953
11 0.091 0.394 99.347
12 0.083 0.360 99.707
13 0.042 0.181 99.888
14 0.026 0.112 100.000
15 4.346E-16 1.889E-15 100.000
16 3.708E-16 1.612E-15 100.000
17 1.580E-16 6.868E-16 100.000
18 1.135E-16 4.936E-16 100.000
19 1.404E-17 6.105E-17 100.000
20 -4.365E-17 -1.898E-16 100.000
21 -1.456E-16 -6.331E-16 100.000
22 -2.270E-16 -9.868E-16 100.000
23 -2.767E-16 -1.203E-15 100.000
表5 5个主成分的负荷量
Tab 5 Loading doses of 5 principal components
因子
成分
1 2 3 4 5
VAR00001 -0.351 -0.795 0.239 -0.193 0.098
VAR00002 -0.626 -0.701 0.129 0.037 0.023
VAR00003 -0.316 -0.512 -0.607 0.009 0.024
VAR00004 -0.534 -0.806 0.026 0.055 -0.033
VAR00005 0.800 -0.498 0.288 0.033 0.022
VAR00006 0.492 0.063 0.790 0.141 -0.211
VAR00007 -0.276 0.642 0.507 0.250 0.227
VAR00008 0.638 0.033 0.674 0.176 -0.024
VAR00009 0.776 -0.485 -0.116 -0.128 0.271
VAR00010 0.759 -0.503 0.252 -0.063 0.162
VAR00011 0.099 0.322 -0.002 0.605 0.617
VAR00012 0.597 0.211 -0.541 0.322 0.200
VAR00013 0.866 -0.129 -0.338 0.185 -0.023
VAR00014 0.617 0.148 -0.436 0.433 -0.407
VAR00015 0.840 -0.305 -0.412 0.036 -0.062
VAR00016 -0.627 0.715 0.176 0.034 0.085
VAR00017 -0.058 0.927 -0.255 0.012 0.046
VAR00018 -0.127 0.695 -0.236 -0.106 -0.227
VAR00019 0.852 -0.288 0.032 0.095 0.060
VAR00020 0.792 0.167 0.295 0.206 -0.250
VAR00021 0.754 0.281 -0.138 -0.504 0.204
VAR00022 0.690 0.537 0.185 -0.298 -0.077
VAR00023 0.513 0.410 -0.022 -0.706 0.164
第三主成分(PC3)特征值为2.999,贡献率为
13.040%,对应负荷量较大者为6(金合欢烯)、8(α-
姜黄烯)、7(蛇床烯)这些成分的影响比较大。金合
欢烯、α-姜黄烯、蛇床烯均具有良好的止咳作
用[7,14-15],因此拟定PC3主要是对神农香菊挥发油止
咳作用的综合反映。
第四主成分(PC4)成分特征值为1.775,贡献率
为7.715%,对应负荷量较大者为11(脱氢芳樟醇)、
14(桉油烯醇)、12(橙花叔醇)说明这些成分的影响
比较大。第五主成分(PC5)成分特征值为1.001,贡
献率为4.351%,对应负荷量较大者为11(脱氢芳樟
醇)。
2.4.3 不同批次神农香菊药材的综合评价 以主
成分为变量得到得分图见图3。由得分图可见大部
分产地的神农香菊药材分散在图中的集中区域,提
示神农香菊药材的质量与地域分布及采集时间有
关,不同产地神农香菊药材的质量之间存在着明显
的差异。用“2.4.1”项下元素相关性分析计算出的
5个主成分对神农香菊药材进行综合评价,并计算
主成分得分见表6。
图3 不同批次神农香菊药材的得分图
Fig 3 Score plots of different batches of Dendranthema indicum
表6 不同批次神农香菊药材主成分得分排序表
Tab 6 Rank of principal component scores from different
batches of Dendranthema indicum
批次
主成分
1得分
主成分
2得分
主成分
3得分
主成分
4得分
主成分
5得分
1 -2.93 0.7 -0.43 1.14 2.12
2 1.16 1.76 2.77 -0.34 0.97
3 6.35 0.3 -1.8 2.02 -0.73
4 -0.64 4.42 -0.78 -1.49 -0.32
5 2.63 -1.4 -2.05 0.15 0.11
6 2.77 -0.63 -0.71 -1.55 0.88
7 0.87 1.21 3.33 0.93 -0.02
8 2.76 -1.46 0.56 -2.17 0.76
9 0.1 1.53 1.88 1.76 -1.39
10 -5.17 -0.88 -2.05 0.45 -0.56
11 -2.42 1.1 -1.35 1.55 1.22
12 -0.84 3.06 -1.46 -1.59 -1.23
13 0.29 -3.2 -0.07 0.26 -0.52
14 -1.22 -5.4 0.85 -0.27 -0.3
15 -3.7 -1.12 1.31 -0.86 -0.98
结合表6以及“2.4.1”项下元素相关性分析中
各主成分分析可知,对于具有良好的化痰止咳平喘
作用的神农香菊药材,第3批次药材的主成分1得
分最高,为6.35,表明第3批次药材的平喘作用最
好;第4批次药材主成份2得分最高,为4.42,表明
第4批次药材的镇痛作用最好;第7批次药材主成
份3得分最高,为3.33,表明第7批次药材的止咳作
用最好。因此,通过对主成分得分进行计算可以初
·429· 中国医院药学杂志2016年6月第36卷第11期Chin Hosp Pharm J,Jun 2016,Vol 36,No.11
步得出神农香菊对于不同适应证的考察结果,为后
续神农香菊药材的不同应用途径提供参考。
3 讨论
通过主成分分析对原始数据的重新组合,使得
图谱中的23个指标最终通过5个主成分对原有信
息作出概括。这包含原指标88.966%信息量,而若
以单峰或单峰群为指标,仅能提供小于40%的信
息。同时,由于PCA分析的原始数据能综合大量指
纹区特征,有相对完整反映神农香菊物质基础属性
和减少实验偏差的优点。
由主成分分析结果可以看出,第一主成分
(PC1)可作为神农香菊挥发油平喘作用的描述指
标,第二主成分(PC2)可作为神农香菊挥发油镇痛
作用的描述指标,第三主成分(PC3)可作为神农香
菊挥发油止咳作用的描述指标。除此之外,PC4、
PC5中均含有的脱氢芳樟醇是一种具有花果香的香
气成分,可作为神农香菊香味成分的描述指标,但是
具体归属于哪个主成分还需要在加大样本量的基础
上进一步研究。
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[收稿日期]2015-12-14
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