江西龙虎山10种铁皮石斛的品质测定及分析
摘 要：目的：为了分析龙虎山铁皮石斛资源的品质，对 DNA 条形码技术鉴定的 10 种铁皮石斛茎叶的 4 种营养成分和 2 种重金属元素的含量进行测定。方法：采用苯酚硫酸法测定多糖的含量;采用高效液相内标法测定甘露糖的含量;采用酸性染料比色法测定生物碱的含量;采用凯氏定氮法测定蛋白质的含量;采用原子荧光光谱法测定砷的含量;采用原子吸收分光光度法测定镉的含量。并运用聚类分析对铁皮石斛进行分类，运用主成分分析对铁皮石斛品质进行综合评价。 结果：成熟的铁皮石斛中，茎、叶的多糖含量范围分别为 35.09%~49.59%、6.88%~14.05%，茎、叶的甘露糖含量范围分别为 16.19%~25.12%、11.10%~16.88%，茎、叶的生物碱含量范围分别为 0.158‰~0.251‰、0.022‰~0.053‰，茎、叶的蛋白质含量范围分别为 2.72%~4.38%、 12.73%~18.38%。铁皮石斛砷、镉含量最高值为 1.892 mg/kg、0.234 mg/kg。结论：生长环境对铁皮石斛的营养成分有一定影响，成熟种植铁皮石斛的多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质含量显著高于成熟野生铁皮石斛，铁皮石斛茎的多糖、甘露糖、生物碱含量高于叶，叶的蛋白质含量高于茎，且叶也具有一定含量的多糖和甘露糖，铁皮石斛的叶具有一定的利用价值。野生与种植铁皮石斛均无砷、镉超标。主成分分析表明铁皮石斛的 6 种测定成分可以用 2 种主成分(累积方差贡献率为 98.443%)来表示，主成分分析综合得分最高的为米斛。本研究为龙虎山铁皮石斛的利用与开发提供了理论依据。
本文源自保鲜与加工 发表时间：2021-03-10 《保鲜与加工》杂志是由国家农产品保鲜工程技术研究中心主办的全国唯一以农产品保鲜与加工为主要内容的技术类科技期刊，也是中国农产品保鲜工程协会、中国农学会贮藏加工分会、中国园艺学会采后科学技术分会会刊，2000年创刊。十年来，我们始终坚持办刊宗旨，全面推行以质量为中心的办刊机制，追踪国际同类研究发展前沿，以市场为导向，主要设置了专家论坛、保鲜研究、加工研究、专题论述、技术指南、科技前沿、政策法规、行业资讯、科普沙龙等栏目，突出理论与实践相结合，提高学术水平与科技普及技术指导兼顾的特色，每年按期发行期刊6期，共计3万册，遍及全国除港澳台外的31个省市自治区，为我国农产品保鲜与加工行业的技术进步及其相关技术产品产业化开发和科技普及起到了积极的促进作用。
关键词：铁皮石斛;茎叶;品质测定与分析;聚类分析;主成分分析
铁皮石斛(Dendrobium officinale Kimura et Migo)具有良好的保健功能和药用价值，被誉为“九大仙草之首”。铁皮石斛中的多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质等化学成分[1-2]，在抗肿瘤[3-5]、降血糖血压[6]、抗衰老[7]、抗疲劳[8]、退热止痛[9]、心血管系统[10]及胃肠道[11]等方面具有重要的作用。
多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质含量是评价铁皮石斛品质的重要因素。铁皮石斛的药效与多糖的含量有着密切的联系[12]，《中国药典 2020 年版》(一部)中规定多糖含量不得少于 25.0%。甘露糖是唯一在临床上使用的糖质营养素，许多疾病正是由于缺乏甘露糖糖化作用中的酵素而导致的[13]。生物碱是中草药中重要的有效成分之一，大多数生物碱具有复杂的环装结构，具有显著的生物活性。蛋白质在参与机体防御功能，催化代谢反应、调节物质代谢和生理活动等方面具有重要的作用。重金属超标日益成为影响中草药品质和食用安全性的重要因素[14-15]，与其他重金属相比，砷和镉迁移能力强，极易在中草药体内累积[16-17]。
野生铁皮石斛对生长环境要求非常苛刻，且由于人工长期采挖和自然环境的破坏，使得铁皮石斛成为濒危药用植物，被列入中国植物红皮书[18]。铁皮石斛在种植三年后会有成熟的标志是“封顶”，茎杆顶端不再生长，整个植株颜色加深。茎是铁皮石斛的传统食用部位，叶常常被抛弃，若对铁皮石斛的叶加以研究和开发，可以大大提高铁皮石斛资源的利用率。
龙虎山地区气候生态环境适合，是我国野生铁皮石斛主要分布地区之一。目前针对龙虎山铁皮石斛资源的系统研究还未有报道，本文选取 10 种通过 DNA 条形码技术鉴定的龙虎山铁皮石斛[19]，从而避免了重复测定同一品种，其中 4 种为野生品种经过人工种植 1~3 年的铁皮石斛，6 种为成熟的野生铁皮石斛(因无法判断野生铁皮石斛的生长年限，所以只采摘成熟的野生铁皮石斛)，对铁皮石斛茎和叶的 4 类主要有效成分(多糖、甘露糖、生物碱和蛋白质)含量和 2 种微量重金属元素(砷和镉)含量进行测定，并运用 SPSS 25 对试验数据进行分析，为铁皮石斛资源的综合利用提供依据。
1 材料与方法
1.1 仪器
AFS-8220 型原子荧光光谱仪(吉天)，Agilent 1100 型高效液相色谱仪(赛析)，7230 型紫外分光光度计(渡扬)，微量凯氏定氮仪(欧莱博)，GGX-6A 原子吸收分光光度计(海光)，WFX-220A 原子吸收分光光度计(瑞利)。
1.2 药材
DNA 条形码技术鉴定的 10 种龙虎山铁皮石斛，其中 6 种为成熟的龙虎山野生铁皮石斛，编号分别为： DOKM-4 野生、DOKM-5 野生、DOKM-12 野生、DOKM-13 野生、DOKM-19 野生、DOKM-21 野生;4 种为种植 1~3 年的龙虎山铁皮石斛，品种分别是：矮红、米斛、青黑节、龙虎 1 号，其中种植三年的已成熟。
1.3 方法
多糖含量的测定采用苯酚硫酸法[20];甘露糖含量的测定采用高效液相内标法[21];生物碱含量的测定采用酸性染料比色法[22];蛋白质含量的测定采用凯氏定氮法[23];砷的测定采用原子荧光光谱法[24];镉含量测定采用原子吸收分光光度法[25]。
1.4 数据处理
每组实验重复测定 3 次，数据结果以平均值±标准偏差表示。采用 SPSS 25.0 软件对数据进行统计分析，均值间比较采用 Duncan’s 法。
2 结果与分析
2.1 营养成分分析
2.1.1 成熟铁皮石斛的营养成分分析
成熟的野生和种植铁皮石斛的营养成分如表 1 所示。在成熟铁皮石斛的营养成分中，多糖是其主要营养成分，成熟的种植铁皮石斛茎的多糖含量在 35.09%~49.59%，茎的多糖含量都达到了《中国药典 2020 年版》(一部)的规定要求：>25.00%，叶的多糖含量在 6.88%~14.05%，茎与叶的多糖含量最高都是米斛;甘露糖含量在 16.19%~25.12%，叶的甘露糖含量在 11.10%~16.88%，茎、叶甘露糖含量最高的分别是米斛和龙虎1 号;生物碱含量在 0.158‰~0.251‰，叶的生物碱含量则要低的很，含量在 0.022‰~0.053‰之间，茎、叶生物碱含量最高的分别是矮红和龙虎 1 号。种植铁皮石斛的生物碱含量要高于野生铁皮石斛，这是由于人工种植的铁皮石斛在栽培过程中会施加氮肥，丰富的氮素营养会促进含氮次生代谢产物生物碱的合成[26]。成熟的种植铁皮石斛茎的蛋白质含量在 2.72%~4.38%，含量最高的是龙虎 1 号，但龙虎 1 号与其它三种铁皮石斛之间没有显著性差异(P>0.05);叶的蛋白质含量高于茎，含量在 12.73%~18.38%之间，含量最高的是龙虎 1 号，与其它铁皮石斛具有显著性差异(P<0.05)。
2.1.2 不同种植年限铁皮石斛的营养成分分析
种植铁皮石斛在 1~3 年的营养成分含量见表 2，铁皮石斛茎的多糖含量随种植年限的增加而显著增加(P <0.05)，而叶的多糖含量在不同年限中则无显著性差异(P>0.05)，这是由于多糖在叶中通过光合作用生成，运输并存储至茎中。由于甘露糖是多种多糖的组成成分，因此茎的甘露糖含量变化规律与多糖相似，叶的甘露糖含量在第 2 年最高(P<0.05)。茎的生物碱含量随种植年限的增加而显著增加(P<0.05)，叶的生物碱含量在第 2 年最高(P<0.05)。茎和叶的蛋白质含量都随种植年限的增加而增加，且都具有显著性差异(P <0.05)。
2.1.3 铁皮石斛的砷、镉含量分析
砷和镉是植物非必需重金属元素，根据《中国药典 2020 年版》(四部)中药材砷和镉的残留限量指标为 ： As≤2.0 mg/kg，Cd≤1 mg/kg。砷和镉残留的超标，会对铁皮石斛的食用性和药用性会造成一定的威胁，因此，测定铁皮石斛的砷、镉含量对铁皮石斛的食用安全性具有一定实际意义。
野生铁皮石斛和种植 1~3 年铁皮石斛的砷、镉成分含量测定结果见表 3。测定结果显示，铁皮石斛茎、叶的砷含量范围分别为 0.283~1.691 mg/kg、0.321~1.892 mg/kg;茎、叶的镉含量范围分别为 0.021~ 0.234 mg/kg、 0.013~0.165 mg/kg，10 种铁皮石斛的茎叶中砷、镉含量均无超标。种植铁皮石斛茎、叶的砷、镉含量逐年显著增加(P<0.05)，这是由于种植铁皮石斛在生长过程中会使用化肥和农药，而化肥和农药含有微量的重金属元素。野生铁皮石斛的砷、镉含量显著偏低(P<0.05)，总体上与种植一年的铁皮石斛相差不大，这是由于野生铁皮石斛的生长环境一般在深山老林中，人为的重金属污染来源较少。
2.2 铁皮石斛样品中 6 种成分的主成分分析
2.2.1 聚类分析
为了更深层次的研究不同品种铁皮石斛成分之间的关系，以多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质、砷、镉等 6 种成分的含量为变量，利用 SPSS 25 软件对 10 种成熟铁皮石斛的茎进行聚类分析，图 1 为铁皮石斛茎的成分的聚类分析。从聚类分析图可以看出，当平方欧式距离为 10 时，10 种铁皮石斛被分为 2 大类，第 I 大类包括 6 种野生铁皮石斛，第 II 大类包括 4 种植铁皮石斛，说明铁皮石斛的成分含量差异跟生长环境有着密切的关系;当平方欧式距离为 5 时，10 种铁皮石斛则被分为 3 大类，第 I 大类依然是 6 种野生铁皮石斛，第 II 大类包括米斛和龙虎 1 号，第 III 大类包括矮红和青黑节，说明在生长环境相同时，铁皮石斛各品种之间的成分含量也具有一定的差异。聚类分析将组分含量相近的铁皮石斛聚到一类，可以更看出铁皮石斛品种间的成分异同，从而方便对铁皮石斛的某一成分实现针对性提取与利用。
2.2.2 主成分筛选及贡献率
由于铁皮石斛样品中各成分含量在量纲上存在较大差异，为了客观保障分析结果的准确性，利用 SPSS.20 对原始实验数据进行标准化处理后，再进行主成分分析，得到主成分特征值及贡献率，如表 4 所示。提取到 2 个主成分因子(特征值>1)，λ1=3.941，λ2=1.965，累积方差贡献率 98.443%，既包含了大部分成分信息，充分的说明这两个主成分能够代表铁皮石斛 6 种成分含量的水平。
以 2 个主成分为坐标轴构建主成分平面，将样本的变量通过降维的方式投影在二维平面上，以观察铁皮石斛样本的整体成分分布情况和各变量对样本分布的贡献大小，结果见表 5，多糖、甘露糖和生物碱在第 1 主成分上有较高载荷，相关性强，第 1 主成分集中反映了铁皮石斛的药用营养成分含量的水平;蛋白质、砷和镉在第 2 主成分上有较高载荷，相关性强，第二主成分反映了蛋白质与重金属含量的水平。
2.2.3 主成分得分及综合评分
用主成分因子矩阵的数据乘以以相应的方差的算术平方根，得到 2 组主成分的特征向量，将特征向量与各 成 分 标 准 化 后 的 数 据 相 乘 ， 可 得 到 铁 皮 石 斛 的 各 主 成 分 得 分 ， 各 主 成 分 解 析 表 达 式 为 ： H1=0.477V1+0.488V2+0.482V3-0.387V4+0.200V5+0.335V6 和 H2= -0.220V1+0.141V2-0.195V3+0.450V4+0.646V5+0.523V6，H1、H2 分别是第 1、2 主成分得分，V1~V6 分别为多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质、砷和镉的标准化数据。
以每个主成分所对应的方差贡献率为所占总主成分方差贡献率的比值为权重，得到铁皮石斛样品的综合评分表达式为：H0=0.667H1+0.333H2，主成分和排名结果见表 6，10 种铁皮石斛样品中属米斛的综合得分最高，DOKM-5 的综合得分最低。
3 讨论
10 种铁皮石斛中营养成分及重金属含量都存在显著性差异，其中茎叶中多糖含量最高的都是米斛，茎叶中甘露糖含量最高的分别是米斛和龙虎 1 号，茎、叶中生物碱含量最高的分别是矮红和龙虎 1 号，茎叶中蛋白质含量最高的都是龙虎 1 号，成熟的野生铁皮石斛的砷、镉含量均低于种植三年的铁皮石斛。
从测定结果来看，成熟的铁皮石斛各营养成分含量高于野生铁皮石斛，且具有显著性差异(P<0.05)，这说明种植环境与野生环境对铁皮石斛的营养成分影响较大。这是由于野生铁皮石斛的生长环境条件恶劣，养分相对贫乏，而人工种植采用栽培基质，环境适宜且养分及阳光充足，有利于有机物质的合成及积累。作为铁皮石斛传统食用部位的茎，多糖、甘露糖、生物碱等营养成分含量丰富;铁皮石斛的叶往往没有得到有效的利用，虽然铁皮石斛叶的多糖、甘露糖、生物碱低于茎，但其叶中也含有丰富的多糖和甘露糖，且叶的蛋白质含量高于茎，表明铁皮石斛的叶也具有药用价值和食用价值，若对铁皮石斛的叶加以开发和利用，可以提高铁皮石斛资源的利用率。
目前针对龙虎山铁皮石斛资源的系统研究还未有报道，本研究对龙虎山铁皮石斛资源的研究相对比较全面和系统，本文选用 DNA 条形码技术鉴定的龙虎山铁皮石斛，对 6 种野生和 4 种不同种植年限的铁皮石斛利用现代分析方法测定相关成分，比较分析铁皮石斛的茎叶在不同生长环境、不同种植年限的多糖、甘露糖、生物碱、蛋白质、砷和镉的含量，通过聚类分析法可将 10 种铁皮石斛进行分类，不仅可以对 10 种铁皮石斛的品质进行划分，再运用聚类分析、主成分分析进行数据分析，不仅方便对某一成分进行特定研究，从而为龙虎山的铁皮石斛资源的药用价值、食用安全性和开发利用提供理论基础。