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水香薷挥发性成分的保留相关性研究



全 文 :水香薷挥发性成分的保留相关性研究
秦正龙1,冯长君2
(1.江苏师范大学 化学化工学院,江苏 徐州 221116;
2.徐州工程学院 化学化工学院,江苏 徐州 221008)
摘要:基于分子拓扑理论,计算了从水香薷中分离出的19个挥发性成分的原子类型电性拓扑状态指数
(Ek)和Kier分子价连接性指数(n XtV)。使用最佳变量子集回归(LBR)建立了这些拓扑指数与水香薷
中19种挥发性成分的气相色谱保留时间(RT)的最佳五元数学模型,其相关系数(R2)为0.964,逐一剔
除法(LOO)交叉验证系数(Q2)为0.924。该模型具有高度的稳健性与良好的预测能力,将其用于天然
植物化学成分的分离、分析、结构表征及其食用价值的开发,具有理论指导意义。
关键词:水香薷;挥发性成分;保留时间;原子类型电性拓扑状态指数;分子价连接性指数;定量结构-保
留关系
中图分类号:TS264.3   文献标识码:A  doi:10.3969/j.issn.1000-9973.2013.02.019
文章编号:1000-9973(2013)02-0067-03
Quantitative Structure-Retention Relationship Study on
Volatile Constituents from Elsholtzia Kachinensis
QIN Zheng-long1,FENG Chang-jun2
(1.Colege of Chemistry &Chemical Engineering,Jiangsu Normal
University,Xuzhou 221116,China;2.Colege of Chemistry &Chemical Engineering,
Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221008,China)
Abstract:Based on the molecular topological theory,the atom-type electrotopological state index(Ek)
and Kier's molecular valence connectivity index(n XtV)of nineteen volatile constituents from Elsholtzia
kachinensis are calculated.A five-variable model of the quantitative structure-retention relationship
between Ek,n XtVand gas chromatographic retention time(RT)of volatile constituents from Elscholt-
zia kachinensis is established by LBR.Multiple correlation coefficient(R2)and cross-validation corre-
lation coefficient(Q2)of leave-one-out(LOO)are 0.964and 0.924respectively.The model is highly
reliable and has favorable prediction capability.The method plays an important role in the theoretical
guidance,such as separation,analysis,structure characterization and development of edibleness of
chemical composition from natural plants.
Key words:Elsholtzia kachinensis;volatile constituents;retention time;atom-type electrotopological
state index;molecular valence connectivity index;quantitative structure-retention relationship
  水香薷又名湿地香薷(Elscholtzia Kachinensis
prain),广泛分布于广东、广西、四川、江西、云南等省。
目前,有关水香薷的研究报道主要集中在它的化学成
分及其药理作用[1-3],而作为天然香料资源的开发报
收稿日期:2012-10-07
基金项目:国家自然科学基金资助项目(21075138)
作者简介:秦正龙(1963-),男,教授,研究方向:物质的定量效构关系。
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道则较少。为了探索水香薷香料的主要成分,白晓莉
等[4]采用同时蒸馏-萃取法收集水香薷的挥发性化合
物,通过气相色谱-质谱分析,确认了19种挥发性成
分。近年来,定量结构-色谱保留关系(quantitative
structure-retention relationship,QSRR)在环境、医
药、食品等科学研究中取得了较多的成果[5-7],而用该
法研究水香薷中各种天然香气成分还未见报道。为
此,本实验依据原子类型电性拓扑状态指数(Ek)[8]和
Kier价连接性指数(n XtV)[9],并将它们与水香薷中
19种天然香气成分的气相色谱保留时间(RT)进行拟
合,经最佳变量子集回归(Leaps-and-Bounds regres-
sion,LBR),得五元 QSRR模型,其相关系数(R2)为
0.964,逐一剔除法(leave-one-out,LOO)的交叉验证
相关系数(Q2)为0.924。结果表明:所建模型具有良
好的预测能力与总体稳健性。
1 材料与方法
1.1 材料
水香薷 市售;气相色谱-质谱联用仪 美国Agi-
lent公司;V9680计算机 同方股份有限公司;Che-
moffice 2005,MATLAB7.01,SPSS.V13.0软件。
1.2 两类拓扑指数的计算
1.2.1 原子类型电性拓扑指数(Ek)的构建
原子类型电性拓扑指数简称E-状态指数(Ek),它
是对分子中每一个非氢原子根据其在分子中的拓扑环
境与成键电子信息进行计算得到的一组数据。Ek 共
由两部分构成:其一是非氢原子类型(k)本身的原子
结构及局部拓扑环境,由此形成原子k的固有状态值
(即本征值),以“Ik”表示;其二是反映该原子由于受分
子中其它非氢原子扰动程度的本征值增量,以“ΔIk”
表示。相对于原子类型k的电性拓扑状态指数Ek 可
按下式计算:
Ek=∑(Ek+ΔIk)t。 (1)
式中:t为分子所含原子类型k的个数。
1.2.2 Kier分子价连接性指数(n XtV)的构建
Kier分子价连接性指数的核心是分子中原子的
点价,对于含有不饱和键和杂原子的分子,其点价为:
δiv=
Ziv-hi
Zi-Ziv-1
。 (2)
式中:Zi,Ziv分别为非氢原子i的总电子数、价电
子数;hi为与原子i直接相连的氢原子数。在分子隐
氢图的邻接矩阵基础上,定义的分子价连接性指数
(n XtV):
n XtV=Σ(δivδjvδkv…)-0.5。 (3)
式中:n XtV 是一个指数体系,由(n+1)个指数组
成;n表示相应指数的阶数,n=0,1,2,……;t代表子
图的类型,即将分子结构剖析成若干种局部拓扑图,常
用以下4种子图,见图1。
图1 分子结构的基本子图类型
Fig.1The basic substructures of molecular structure
  图1中的a,b,c,d分别称为链、星、星-链、环状子
图,依次对应t为p,c,pc及ch。
两类拓扑指数的具体计算过程见文献[10,11],表
1中列出了其中的6种指数。
表1 水香薷挥发性成分保留时间与Ek、n XtV的相关性
Table 1The correlation between Ek,n XtVand retention
time of volatile components from Elscholtzia Kachinensis prain
序号 成分 E1 E9 E14 4 XpV 4 XcV 4 XpcV
RT(min)
Exp. Cal.
1 甲苯 2.083  1.322  0.000  0.063  0.304  0.192  2.69  3.37
2 己酸 2.057  0.000  0.000  0.051  0.232  0.046  5.02  5.96
3 苯乙醛 0.000  1.077  0.000  0.068  0.405  0.204  6.16  7.27
4 脱氢香薷酮 5.627  0.000  5.033  0.207  0.382  0.602  9.92  8.46
5  1-甲基-2-(3-吡啶基)吡咯烷 2.185  1.359  0.000  0.171  0.995  0.885  10.62  10.55
6 3-
烯丙基-6-甲氧
基苯酚佳味备酚 1.530  1.711  4.902  0.158  0.568  0.444  10.68  9.73
7 乙酸丁香酚酯 1.435  1.371  5.151  0.189  0.751  0.486  12.82  14.14
8 肉豆蔻酸 2.247  0.000  0.000  0.036  1.247  0.046  15.44  15.95
9 苯甲酸苄酯 0.000  1.574  5.175  0.140  0.867  0.426  15.67  13.83
10 肉豆蔻酸乙酯 4.120  0.000  4.895  0.036  1.365  0.083  15.82  14.96
11 植酮 11.064 0.000  0.000  0.322  1.566  1.207  16.38  17.19
12
邻苯二甲酸丁基酯
2-乙基己基酯
6.286  0.560 10.660 0.230  1.522  0.937  16.69  17.18
13 棕榈酸 2.260  0.000  0.000  0.034  1.497  0.046  17.52  18.56
14 邻苯二甲酸二丁酯 3.826  0.062  4.978  0.264  0.723  0.650  17.64  17.23
15 十六酸乙酯 4.133  0.000  4.910  0.034  1.615  0.083  17.87  17.57
16 α-愈创木烯 9.417  0.000  0.000  0.365  2.322  2.270  18.66  18.52
17 油酸乙酯 4.126  0.000  4.913  0.032  1.611  0.083  19.52  17.40
18 硬脂酸乙酯 4.144  0.000  4.922  0.032  1.865  0.083  19.73  20.18
19 邻苯二甲酸二辛酯 4.385  0.586 10.719 0.162  1.926  0.505  22.82  23.63
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1.3 方法
多元线性回归(multiple linear regression,MLR)是一
种经典的建模方法,它对自变量和因变量加以线性拟合
以得到最小二乘意义下的最佳结果。将每个挥发油化学
成分分子的22个描述符作为自变量,相应的RT作为因
变量构建数据集,输入 Mintab14。首先,采用最佳变量子
集回归(LBR)方法进行变量压缩及选择最佳变量组合,建
立相应的构效关系模型,然后,应用逐一剔除法(LOO)对
模型的预测能力及稳健性进行检验。
2 结果与分析
2.1 水香薷挥发性成分的多元线性模型
将文献[4]中19种水香薷挥发性成分的保留时间
(RT)及其13种原子类型电性拓扑状态指数(Ek)、
9种分子价连接性指数(n XtV)一起输入 Minitab软件
系统,经最佳变量子集回归建立的构效关系,见表2。
其中R2,R2Adj,Q2,S和F 分别为相关系数、校正判定
系数(以消除自变量个数及样本容量对判定系数的影
响)、逐一剔除法的交叉验证相关系数、估计标准误差、
Fischer检验值。
表2 RT与Ek,n XtV 的最佳变量子集回归结果
Table 2The results of Ek,n XtVand
RTwith Leaps-and-Bounds regression
序号 R2  R2Adj Q2  S  F 变量
1  0.742  0.726  0.654  2.847  48.779  4 XcV
2  0.760  0.730  0.599  2.827  25.345  4 XcV 4 XpcV
3  0.914  0.896  0.785  1.753  52.833  4 XcV 4 XpcV 4 XpV
4  0.943  0.927  0.829  1.475  57.776  4 XcV 4 XpcV 4 XpV E1
5  0.964  0.950  0.924  1.220  69.026  4 XcV 4 XpcV 4 XpV E1 E9
6  0.968  0.952  0.918  1.191  60.696 4 XcV 4 XpcV 4 XpV E1 E9 E14
  由表2可知,随着模型中变量数目的增多,其R2,
R2Adj逐渐增大,而S逐渐减小,显然不能依据这3种指
标来确定最终的数学模型。Q2 呈锯齿状变化,先是增
大至0.924,而后下降,说明五元模型的质量最好。
RT=2.543-1.009 E1- 1.948 E9+67.302
4 XpV+11.027 4 XcV-10.878 4 XpcV。 (4)
n=19,R2=0.964,R2Adj=0.950,Q2=0.924,S
=1.220,F=69.026,P=0.000。
式(4)中R2Adj用于模型拟合优度的检验,R2Adj越大,
方程拟合优度越好。显著水平P=0.000,远小于一般
给定的0.05,说明该模型的显著性很高。按此模型给
出的计算值与实验值颇为吻合(见表1)。
2.2 模型的质量检验
定量构效关系模型不仅要有良好的相关性,而且要
有较强的稳健性和预测能力。模型(4)虽有了良好的相
关性,但稳健性还需要进行检验。通常采用逐一剔除
法,即每次剔除一个分子,用余下的18个分子作训练集
建模,根据相关系数的雷达图评价所建模型的稳健性,
见图2。以0.950为圆心,0.005为间距,19个Jackknife
的相关系数(R2)围绕原始模型(4)的相关系数(R2=
0.964)上下波动,Jackknife的复相关系数全部落在0.95
~0.97之间,它们的平均值为0.964,与模型(4)的R2 一
致。这就表明模型(4)具有总体可接受的稳健性及良好
的预测能力。另外,式(4)的R2Adj与Q2 相差0.026,小于
0.3,说明该模型没有过拟合,不存在不相关的其它变
量,且数据中不存在离域点。
图2 19次单独抽取的相关系数(R2)雷达图
Fig.2Radar graph of R2 from 19times leave-one-out
2.3 模型(4)的构效分析
在气相色谱分析中,化合物的色谱保留时间(RT)
受固定相与溶质分子间的作用力控制,其间作用力越
大,RT也越大。分子间作用力包括色散力、取向力、
诱导力和氢键。原子类型电性拓扑状态指数(Ek)是
表示各原子电性作用的指数,反映了分子中各成键原
子的电子状态,其值可以反映取向力和诱导力的大小。
分子价连接性指数(n XtV)是将分子结构图中各种子结
构碎片进行加权计数,能反映分子的大小、形状、分枝
和表面积,其值可以表征色散力的强弱。因此,这些描
述与色谱保留时间(RT)之间存在密切相关关系。模
型(4)的相关系数(R2)达0.964,这也表明其对水香薷
挥发性成分的结构表征是合理的。 (下转第75页)
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(上接第69页)
3 结论
从植物中提取的天然香料,具有特定的气味,比起
化学合成香料更为人们所青睐。随着人们生活水平的
不断提高,对天然香料的需求量也越来越大。水香薷
挥发性成分除了应用于食品香料外,还有较多的药用
功效,如抗病毒,抗炎镇痛,免疫调节,抑制中枢神经系
统等作用。本研究建模的思路,为进一步阐明其香气
成分,不断开发这一食药兼用的植物资源,建立有效的
GC-MS定性方法提供依据。
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