天麻为兰科(Orchidaceae)植物天麻(Gastrodia elata Bl.)的干燥块茎，具有息风止痉、平抑肝阳、祛风通络之功效，对头晕头痛、镇静催眠、癫痫抽搐等有显著疗效。天麻的主要产地分布在云南、湖北、贵州、陕西、安徽、四川等地^{[1, 2]}，其中陕西省汉中市为西天麻的道地产区，所产天麻大多为红天麻(G.elata Bl.f.elata)^[3]。汉中天麻主要产自宁强县、勉县和略阳县，不同产地天麻的产量和质量有所不同，故本研究采集了以上3个地区的红天麻作为研究材料进行测定与分析。

药材的外观性状，如形状、颜色、气味等，往往与其内在质量密切相关，但主观评判的标准难以统一。如今，借助电子感官仪器可以将药材外观特征量化，使评判更加客观与直观，为药材质量与视觉、嗅觉等信息的联系提供了可行性^{[4, 5]}。在市场中，人们普遍依据天麻外观性状对其质量进行评判，但是人为评判的主观性过强，缺乏准确性^[6-8]。电子鼻与分光测色仪可以准确、客观地量化药材气味与颜色，常用于中药材的鉴别与质量评价^[9-12]。《中华人民共和国药典(一部)》(2020年版)(以下简称2020年版《中国药典》)对天麻药材中水分、浸出物、天麻素(Gastrodin)和对羟基苯甲醇(P-hydroxybenzylalcohol)的含量做了明确要求^[2]，另外巴利森苷(Parishins)在天麻中具有显著药理活性且含量丰富^[13]，所以本研究选择以上指标进行化学成分含量测定。

主成分分析(PCA)法是一种降维数据的多元统计分析方法，在中药研究中应用广泛^[14-16]。赵梦利等^[17]利用PCA法对鸡血藤(Spatholobi Caulis)饮片数据降维以观察差异。巫晓霞等^[18]利用PCA法对不同产地茯苓进行质量评价。熵权TOPSIS(Technique for Order Preperence by Similarity to an Ideal Solution)法可充分利用原始数据，且可以排除主观因素的干扰，更客观地筛选出综合功能特性优良的样本，适用于中药质量综合评价^[19-21]。高伟城等^[22]利用熵权TOPSIS法对不同产地枇杷叶质量进行综合评价，李雨昕等^[23]、史丛晶等^[24]利用熵权法的灰色关联法-TOPSIS法分别对不同产地生品、蒸品三七，知母及盐知母进行质量评价。本研究将PCA法和熵权TOPSIS法相结合，先利用PCA法提取主成分，再通过熵权TOPSIS法计算权重并排名，能有效减少冗余的评价指标，提高多指标评价的直观性与科学性^{[25, 26]}。

综上，本研究对在陕西省汉中市宁强县、勉县和略阳县采集到的天麻样品进行外观性状、气味、颜色、含水量、浸出物和主要有效成分含量测定，在传统形状指标与生物量的基础上，结合感官量化指标与有效成分含量，利用PCA法结合熵权TOPSIS法对天麻质量进行综合评价，探讨各指标在天麻质量评价中的贡献，为汉中天麻质量标准建立及天麻资源的开发利用提供参考。

1 材料与方法 1.1 材料

于2020年10-11月在陕西省汉中市宁强县、勉县、略阳县采集27份红天麻，经北京中医药大学孙志蓉教授鉴定为兰科植物天麻Gastrodia elata Bl.的块茎。清洗后统一加工、粉碎，过65目筛，备用。样品信息见表 1。

1.2 仪器与试剂

小型粉碎机(CK-20，北京金洋利科技发展有限公司), 电磁炉(21FS37-20110632，九阳股份有限公司), 数显游标卡尺(DL91150，得力集团有限公司), 鼓风干燥箱(DHG-9123A，上海一恒科技有限公司), 分光测色仪(CM-5，日本柯尼达美能达公司), 超快速气相电子鼻(HeraclesⅡ，法国Alpha Mos公司), 自动进样器(HS-100，法国Alpha Mos公司), 高效液相色谱仪(2498，美国Waters科技有限公司), C₁₈色谱柱(X Bridge，美国Waters科技有限公司), 十万分之一电子天平(XS205, 梅特勒-托利多仪器上海有限公司), 电热恒温水浴锅(HH-4A，国华仪器制造有限公司), 数控超声波清洗器(KQ-500DE，昆山市超声仪器有限公司)。

天麻素对照品(B21243，纯度≥98%)，对羟基苯甲醇对照品(B20326，纯度≥98%)，巴利森苷A、B、C、E对照品(B20923、B20912、B2091、B20914，纯度≥98%)，以上6种对照品均为上海源叶生物科技有限公司生产；乙腈、无水乙醇、磷酸(色谱级，Thermo Fisher Scientific公司)；纯水(娃哈哈饮用纯净水，杭州娃哈哈集团有限公司)。

1.3 方法 1.3.1 外观形状与生物量测定

采集的鲜天麻除去腐坏、虫蛀、不完整的块茎，洗去外部泥土，待表面水分晾干后，观察记录天麻的螺环纹数，测量天麻块茎的长度、宽度，称量鲜重，再将其蒸至内无白心，冷却至室温后放入烘箱，55 ℃烘干后称量干重。

1.3.2 颜色色度值测定

用分光测色仪进行颜色测定。测定波长为350-750 nm；测定口径为8 mm；光源为脉冲氙灯；标准偏差ΔE^*ab≤0.4；数据处理软件为Spectra Magic NX。称取天麻粉末适量，置于分光测定仪的培养皿中，平行测定3次，查看并记录色度空间的明亮度(L^*)、红绿色(a^*)、黄蓝色(b^*)，由公式(1)求得总色度值E^*：

$ E^*=\sqrt{\left(a^*\right)^2+\left(b^*\right)^2+\left(L^*\right)^2}。$

(1)

1.3.3 气味响应值测定

天麻样品用高速粉碎机粉碎后，过24目筛，取上部较粗颗粒，按表 2的条件进行检测。

1.3.4 水分和浸出物含量测定

水分含量参照2020年版《中国药典》通则中的水分测定法(通则8302第二法烘干法)测定。浸出物含量参照2020年版《中国药典》通则中醇溶性浸出物测定下的热浸法(通则2201)测定。

1.3.5 天麻素和对羟基苯甲醇含量测定

① 色谱条件。色谱柱：Waters X Bridge C₁₈(250 mm×4.6 mm，5 μm)；以乙腈为流动相A，0.05%磷酸溶液为流动相B，A: B(3:97)等度洗脱；检测波长：220 nm；理论塔板数不低于5 000。

② 对照品溶液的制备。取天麻素和对羟基苯甲醇对照品适量，精密称定，加乙腈-水(3∶97)混合，制成天麻素53 μg/mL、对羟基苯甲醇28 μg/mL的混合溶液，超声使其充分溶解，即得。

③ 供试品溶液的制备。精密称定过65目筛的天麻粉末2 g，置具塞锥形瓶中，精密加入50%稀乙醇50 mL，称重，超声处理(功率120 W，频率40 kHz)30 min，放冷，称重，用50%稀乙醇补足减失的重量，滤过，精密量取续滤液10 mL，放置水浴锅中浓缩近无醇味，加入乙腈-水(3∶97)混合溶液溶解，转移至25 mL容量瓶中，用乙腈-水(3∶97)混合溶液稀释至刻度，摇匀滤过，取续滤液，备用。

④ 标准曲线的建立。分别取5、10、15、20、25 μL的标准品溶液，按照天麻素和对羟基苯甲醇含量测定的色谱条件测定分析，以峰面积为纵坐标(y)，浓度为横坐标(x)，得到线性回归方程，标准曲线见表 3。

⑤ 样品含量测定。精密吸取对照品和供试品各10 μL，按照1.3.5节①的色谱条件测定，得到天麻素和对羟基苯甲醇的峰面积并计算二者含量。

1.3.6 巴利森苷类成分含量测定

① 色谱条件。色谱柱：Waters X Bridge C₁₈ (250 mm×4.6 mm，5 μm)；以乙腈为流动相A，0.1%磷酸溶液为流动相B，梯度洗脱，具体见表 4；流速：0.8 mL/min，柱温：30 ℃；检测波长：220 nm；理论板数不低于5 000。

② 对照品溶液制备。取巴利森苷A、B、C、E对照品适量，精密称定，加50%甲醇混合溶液制成巴利森苷A 97 μg/mL、巴利森苷B 65 μg/mL、巴利森苷C 30 μg/mL、巴利森苷E 50 μg/mL的混合溶液，适当超声溶解后，得到对照品溶液。

③ 供试品溶液的制备。取天麻药材粉末约0.5 g，精密称定，置具塞锥形瓶中，精密加入50%甲醇25 mL，超声处理(功率500 W，频率40 kHz) 30 min，放冷，摇匀，滤过，量取续滤液，备用。

④ 标准曲线的建立。分别取5、10、15、20、25 μL的标准品溶液，按照色谱条件测定分析，以峰面积为纵坐标(y)，浓度为横坐标(x)，得到线性回归方程，标准曲线见表 5。

⑤ 样品含量测定。吸取对照品和供试品各10 μL，按照1.3.6节①的色谱条件测定，得到巴利森苷A、B、C、E的峰面积并计算各巴利森苷的含量。

2 结果与分析 2.1 不同产地天麻的外观形状与生物量

27份汉中天麻的块茎长、块茎粗、螺环纹数、鲜重与干重分别为77.6-160.0 mm、26.3-60.8 mm、11-19条、50.0-235.0 g、8.2-37.1 g，略阳县天麻的各项指标均值最高，分别为135.5 mm、51.4 mm、16.6条、176.0 g、27.3 g，运用SPSS 20.0以及Excel 2020进行数据分析以及图表制作，其中各地区天麻块茎长均值无显著差异，略阳县天麻在块茎粗、鲜重、干重均值上与宁强县天麻有显著差异，与勉县天麻差异不显著，勉县天麻与宁强县天麻差异不显著，见图 1。由图 2，勉县天麻的螺纹环数与宁强县天麻、略阳县天麻差异显著，宁强县天麻的螺纹环数与略阳县天麻差异不显著。

2.2 不同产地天麻的颜色色度值

27份汉中天麻的L^*和E^*值变化明显，如表 6所示，二者均为勉县＞略阳县＞宁强县，说明勉县天麻在外观上比宁强县、略阳县天麻明亮，总色度值较高；勉县天麻的L^*值较大，平均值为86.68，外观明亮度较高。a^*值以宁强县较高，b^*值以略阳县较高，说明通过色度值大小可以区分汉中市不同地区的天麻。结合图 3，可以发现不同地区天麻色度值变化趋势不同，其中L^*和E^*值变化最为明显，说明不同地区红天麻的外观颜色明亮度和总色度值存在差异。

2.3 不同产地天麻的气味响应值

27份汉中天麻的电子鼻气味分析如图 4所示，不同地区天麻的气味响应值根据产区的不同，在峰形一致的基础上，峰强度有一定差异。

可根据气味响应值将汉中市不同地区天麻大致区分为4类(图 5)，宁强县大部分天麻样品主要聚为一类，分布在黄色和绿色区域；勉县、略阳县天麻则在各个分类中均有分布，大部分聚集在蓝色区域。3个地区天麻样品的分布未见明显规律，聚类分析中代表点相对分散，气味响应值特征点较为相似。

2.4 不同产地天麻的成分含量 2.4.1 水分和浸出物含量

汉中天麻的水分、浸出物含量均达到了2020年版《中国药典》标准(图 6)。各地区天麻的水分含量为5.6%-9.4%，浸出物含量为15.4%-28.3%，其中，略阳县天麻水分、浸出物含量均值最高，分别为8.0%和22.0%。

2.4.2 天麻素和对羟基苯甲醇含量

由图 7可知，不同地区天麻的天麻素含量为0.13%-0.65%，其中宁强县天麻的天麻素平均含量最高，为0.35%。不同地区天麻的对羟基苯甲醇含量为0.02%-0.38%，其中勉县天麻的对羟基苯甲醇平均含量较高，为0.20%。不同地区天麻的天麻素和对羟基苯甲醇的总含量为0.26%-0.68%，均达到了2020年版《中国药典》规定标准，宁强县天麻的2种主要有效成分平均总含量最高，达到了0.44%。此外，勉县天麻的对羟基苯甲醇和天麻素的含量接近，2种成分含量比例和其他地区差异显著。

2.4.3 巴利森苷类成分含量

不同地区间天麻中巴利森苷E、B、C、A含量测定结果如图 8所示，不同地区天麻巴利森苷E、B、C、A均值含量均为宁强县天麻最高，分别为7.65、5.87、2.10和10.67 mg/g，总含量为26.30 mg/g。

2.5 PCA-熵权TOPSIS综合评价体系建立

利用PCA选取质量评价主成分，结合熵权法算得权重后，通过DPS数据统计软件采用TOPSIS法对天麻样品整体质量进行综合评价排名。

2.5.1 PCA提取主要指标

选择外观性状指标：块茎长、块茎宽、鲜重、干重、螺环纹数、色度值(L^*、a^*、b^*、E^*)；气味响应值指标：15、17、18、24 s峰值；化学指标：水分、浸出物、天麻素、对羟基苯甲醇，巴利森苷E、B、C、A含量共21个指标。根据各指标差异系数以及相关性最终选出16个指标建立评价体系，数据标准化后进行主成分分析，如表 7、表 8所示。

对各项指标数据进行KMO和Bartlett检验，KMO值为0.586＞0.5，P＜0.05，说明数据适宜进行主成分分析。如表 9所示，提取出6个主成分，累计方差贡献率达到82.415%，代表了绝大部分原始指标信息。由表 10可知，第1个主成分中，块茎长、块茎粗、鲜重、干重载荷值较大，因此第1主成分可作为形状与生物量的综合体现，定性为形状与生物量因子；同理，第2个主成分中巴利森苷E、B、C、A载荷值较大，定性为巴利森苷类因子；第3个主成分中气味响应值载荷值较大，定性为气味因子；第4个主成分中天麻素载荷值较大，定性为天麻素因子；第5个主成分中水分载荷值较大，定性为水分因子；第6个主成分中颜色值载荷值较大，定性为颜色因子^[27]。

如表 11所示，将载荷系数除以对应特征根的平方根，得到主成分特征向量，构建主成分函数[以形状与生物量因子为例，式(2)]，并求得主成分矩阵^[28]。

$ \begin{array}{r} F_{\text {shape } \& \text { biomass }}=0.268 \times \mathrm{C} 1+0.391 \times \mathrm{C} 2+ \\ 0.399 \times \mathrm{C} 3+0.370 \times \mathrm{C} 4-0.193 \times \mathrm{C} 5-0.180 \times \end{array} \\ \begin{aligned} & \mathrm{C} 6-0.030 \times \mathrm{C} 7+0.200 \times \mathrm{C} 8+0.088 \times \mathrm{C} 9+ \\ & 0.252 \times \mathrm{C} 10-0.234 \times \mathrm{C} 11+0.081 \times \mathrm{C} 12-0.033 \times \\ & \mathrm{C} 13-0.272 \times \mathrm{C} 14-0.312 \times \mathrm{C} 15-0.253 \times \mathrm{C} 16 。\end{aligned} $

(2)

2.5.2 熵权TOPSIS法

运用熵权法^[29]计算主成分矩阵权重(表 12)，结合DPS统计软件进行TOPSIS分析。其中，颜色因子、巴利森苷类因子和气味因子所占权重较大，说明上述指标对评价结果影响较大。表 13为评价结果，从中可以看出宁强县、略阳县天麻综合质量较优。

3 讨论

本研究在天麻传统性状指标的基础上，结合有效成分含量以及颜色、气味的定量数据对汉中不同地区天麻进行了比较分析与质量评价。在综合评价中为了有效消除主观影响，本研究运用PCA-熵权TOPSIS法构建了天麻质量综合评价体系^[30]，且筛选出了3个重要评价指标，但由于在略阳县、勉县采集的样品较少，天麻样品范围存在局限性，还需进一步完善与验证。

在外观性状上，3个地区所产天麻的块茎粗、螺环纹数、鲜重和干重均有一定的差异；颜色明亮度和总色度值有一定差别，通过色度值大小可以区分汉中市不同地区的天麻；不同地区天麻样品的气味响应值特征点较为相似。与李巧玲等^[30]研究的不同产区天麻相比，汉中3县红天麻与湖北宜昌、安徽岳西、重庆南川红天麻块茎长度相近。略阳县红天麻鲜重及干重、勉县红天麻鲜重较安徽岳西红天麻低，较湖北宜昌、重庆南川高。宁强县红天麻鲜重较安徽岳西、重庆南川低，较湖北宜昌高。勉县红天麻干重较安徽岳西低，较湖北宜昌、重庆南川高。宁强县红天麻干重较安徽岳西低，较湖北宜昌高，与重庆南川相近^[31]。

在化学成分上，汉中天麻中水分、浸出物含量均符合2020年版《中国药典》标准，宁强县天麻的天麻素和对羟基苯甲醇的总含量在3县天麻中最高，平均总含量达到了0.44%，勉县、略阳县总含量为0.40%左右，与其他文献研究结果基本一致^{[32, 33]}。勉县天麻中天麻素和对羟基苯甲醇含量接近，2种成分含量比例和其他地区差异显著。3县天麻中宁强县天麻的巴利森苷E、B、C、A及总含量均为最高。与张卫等^[33]研究的贵州天麻相比，汉中3县红天麻水分含量与贵州红天麻相近，浸出物含量更低。与薛华丽等^[34]研究的雪峰山区域不同产地天麻相比，汉中3县红天麻浸出物含量与湖南洪江、溆浦以及湖北罗田等地红天麻相近，天麻素及对羟基苯甲醇总含量与湖南红天麻相似，较湖北红天麻含量高。此外，与周媛等^[35]研究的安徽金寨红天麻相比，汉中3县红天麻的天麻素含量较低，对羟基苯甲醇、巴利森苷E含量较高；宁强县红天麻的巴利森苷B含量较高，勉县、略阳县红天麻较低；巴利森苷C含量方面，宁强县红天麻与安徽金寨天麻相近，勉县、略阳县较低。与王庆等^[36]研究的西南不同产区红天麻相比，宁强县红天麻的天麻素含量较云南昭通、四川广元红天麻低，较贵州大方红天麻高，与贵州德江红天麻相近，勉县、略阳县较低；对羟基苯甲醇含量方面，勉县红天麻较高，宁强县、略阳县红天麻较四川广元红天麻低，较贵州德江红天麻高，与云南昭通、贵州大方红天麻相近。

田孟华等^[37]表示可将巴利森苷A、巴利森苷E作为乌天麻(G.eleta Bl.f.glauca S.Chow)与其他天麻品种差异性分析的标志物。巴利森苷类化合物有生理活性和多种药理作用，且与天麻素之间存在相互转化的关系^{[4, 13]}，间接提高天麻素含量。张琦^[5]在分析引种前后天麻6种主要活性成分含量变化时，发现引种后天麻中天麻素、巴利森苷A、B、C含量有明显的相关性。由此可见，在对天麻开展质量评价时，可将巴利森苷类成分含量纳入评价指标。在本研究建立的评价体系中，颜色因子、气味因子、巴利森苷类因子权重较大，说明在质量评价中应重视上述指标。

4 结论

本研究采用PCA结合熵权TOPSIS法对汉中天麻整体质量进行了综合评价，探究了天麻外观性状与内在成分指标所占权重，发现颜色、气味、巴利森苷类因子权重较大，应注重上述指标在质量评价中的重要性，在此评价体系下，宁强县、略阳县天麻排名靠前。本研究为天麻质量评价提供了参考，也为进一步的分析研究提供了理论基础，从而使评估天麻质量的因素可以被更加科学地把握。