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不同产地双色牛肝菌FTIR光谱鉴别研究

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第30卷,第4期 2 0 1 0年4月 光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis Vo1.30,No.4,pp911—91 4 April,2010 不同产地双色牛肝菌FTIR光谱鉴别研究 周在进 ,刘 刚H,任先培 1.云南师范大学物理与电子信息学院,云南昆明 650092 2.淮阴工学院计算科学系,江苏淮安223001 摘要同一种蕈菌子实体,由于外观形貌相似,凭传统外观形貌特征难以鉴别产地来源。应用傅里叶变换 红外光谱(FTIR)法测定了云南省5个不同地区58个野生双色牛肝菌子实体样品的红外光谱。借助于红外 光谱具有的指纹特性,利用SPSS 13.0统计软件对1 350--750 cm 范围光谱数据进行主成分分析(PCA), 根据前三个主成分累积贡献率已达到88.87 以及主成分载荷分析,表明前三个主成分能够反映样品在该段 光谱的主要信息。对前三个主成分作投影显示并进行比较,发现以主成分1和主成分2作二维线形投影,对 不同产地的双色牛肝菌有较好的聚类和鉴别作用,所有样品被划分为5个区域,98.3 的样品被正确归类。 研究结果提示,傅里叶变换红外光谱结合主成分分析方法可以快速、方便地对不同产地的同一种野生双色 牛肝菌进行鉴别分类。 关键词 双色牛肝菌;傅里叶变换红外光谱;主成分分析;鉴别分类 中图分类号:0657.3 文献标识码:A DOI:10.3964 ̄.issn.1000—0593{2010)04—0911—04 互作用的有力手段。它能够给出样品的化学组成方面的丰富 引 言 双色牛肝菌(Boletus bicolor),属伞菌目、牛肝菌科、牛 肝菌属的一种食药用外生菌根菌,一般于夏秋生于松栎混交 林中地上。我国主要分布在云南、四川、、福建等 地[1,23。其中云南地区野生双色牛肝菌分布最为广泛,也是 信息,根据红外吸收光谱谱峰位置可以鉴定多种有机化合物 及某种官能团的存在,确定其基本骨架,还可以通过比较不 同样品的红外光谱来反映样品在植化组成上的差异程度,而 结合化学计量法,利用光谱吸收强度可以定量地计算出各种 化学组分在样品中的相对分布等,这种技术具有快速、简 单、无损、易操作等优点。目前傅里叶变换红外光谱技术已 广泛应用于生物、化工、食品、农林、医药等很多研究领 市场上最为畅销的品质优良食用菌之一。双色牛肝菌菌肉肥 厚,味道鲜美,营养极其丰富,含有丰富的蛋白质、氨基酸、 维生素、多糖类物质和矿物元素等。双色牛肝菌不但具有较 高的营养价值,还具有增强免疫、抗癌、抗病毒、抗辐射等 重要的药用价值,是一种极具开发价值的珍贵食用菌 “]。 由于受地理因素的影响,不同产区的野生食用菌,化学 成分的积累不同,其营养和药效也不尽相同。不同产地野生 食用菌的鉴别对于野生食用菌的市场质量控制具有一定的意 义。传统的野生食用菌的分类方法主要是根据食用菌子实体 的外观形貌、孢子的显微结构、食用菌生长特性等进行鉴 别,但这种方法很难鉴别出蘑菇的不同产地来源。 域E6 ̄13。孙素琴等l1 对灵芝做了红外光谱研究,本课题组已 用FI'IR光谱对不同种类野生食用菌、同一种食用菌不同部 位进行了鉴别研究,但尚未利用傅里叶变换红外光谱技术结 合主成分分析对不同产地野生食用菌进行鉴别和分类研究。 主成分分析是一种以量测数据表征的多因素多变量问题 的多元统计分析方法,是研究相关变量共同关系的技术,它 能将原始变量线性组合成一组新的变量,即一组主成分,仅 用部分主成分就可表达原有变量的主要信息。利用这一特 性,可以实现红外光谱数据的线性降维投影显示,从而能直 观地从二维或三维图中观察到光谱的主要特性和样品的分类 情况L1 。本文主要利用傅里叶变换红外光谱结合主成分分 析(PCA)对云南地区不同产地的58个野生双色牛肝菌样品 进行鉴别分类研究。 傅里叶变换红外光谱法是一种基于化合物中功能团和极 性键振动的结构分析技术,能够反映分子官能团的振动模 式,具有指纹特性,已成为探测生物组织中大分子结构及相 收稿日期:2009—05—18,修订日期:2009—08—26 基金项目:国家自然科学基金项目(30360068,10764006)资助 作者简介:周在进,1970年生,淮阴工学院计算科学系讲师 *通讯联系人 e-mail:gliu66@163.corn e-mail:zd0531@sina.con 912 光谱学与光谱分析 第30卷 Table 1 Major absorption assignments of uB0.Io∞o1实验 Frequency/cm一 FrIR spectra of Boletus bicolor Assignment 1.1仪器设备与测试条件 测试仪器为Perkin Elmer公司的Spectrum 100型傅里 主要为来自多糖、蛋白质的羟基((卜H)和 氨基(N—H)伸缩振动 ~叶变换红外光谱仪,采用DTGS检测器,光谱扫描范围为 4 000 ̄400 cm~,累加扫描次数为16次,分辨率为4 cm1.2样品及光谱 2 958 。 主要为来自脂类、多糖、蛋白质等甲基 (CH。)的反对称伸缩振动 实验所用的58个野生双色牛肝菌(Boletus bicolor)样品 采自云南省5个不同地区,其中玉溪易门2O个,楚雄禄丰 ~主要为来自脂类、多糖、蛋白质等甲基 (CH。)的对称伸缩振动 2 872 主要为来自脂类、多糖、蛋白质等亚甲基 (CHz)反对称伸缩振动 16个,曲靖陆良8个,楚雄武定6个,昆明宜良8个,所有 样本都为各产地不同区域随机采集的子实体,样品清洗 干净后晾干保存待测。实验时取样品少量菌褶放入玛瑙研钵 磨细,再加入适量KBr并研磨均匀,然后压片测定傅里叶变 换红外光谱。由于红外光谱对水分比较敏感,测量时在红外 灯下操作以尽可能降低水分的吸收,且样品测试在旱季(昆 明的冬或春季)。测定前,首先扫描空光路背景光谱,样品光 谱测定时仪器自动扣除背景光谱。 1.3光谱预处理及数据分析 实验测得所有样品的红外光谱均采用OMNIC 6.0红外 光谱应用软件进行9点平滑、基线校正和归一化等预处理。 应用SPsS 13.0软件对数据进行主成分分析。利用Origin 7.5软件作主成分投影图,以直观表征不同样品之间的相似 性。 2结果与讨论 2.1 58个双色牛肝菌样品红外光谱特征分析 图1给出了预处理后不同产地野生双色牛肝菌的傅里叶 变换红外光谱典型光谱图。其中1是易门双色牛肝菌,2是 禄丰双色牛肝菌,3是陆良双色牛肝菌,4是武定双色牛肝 菌,5是宜良双色牛肝菌。 40Il=0 3500 3 000 2 5o0 2o00 1 5o0 1 0o0 500 Wavenumber/cm—l Fig.1 Typical FHR spectras of Boletus bicolor from different areas 1:Yimen;2:Lufeng;3:Luliang;4:Wuding;5:Yiliang 从图1中可以看出,不同产地双色牛肝菌的红外图谱在 4 000 ̄400 cm 整体较为相似,都具有一些典型的共有峰, 如3 400,2 958,2 927,2 872,2 850,1 641,1 545,1 454, 1 404,1 311,1 234,1 151,1 076和1 035 cm 等。表1给 出了双色牛肝菌红外光谱主要吸收峰的归属 ”]。 ~2 850 主要为来自脂类、多糖、蛋白质等亚甲基 (CHz)的对称伸缩振动 ~1 744 酯类羰基e一0振动 ~1 644 酰胺I带(蛋白质(>一0伸缩振动) ~1 545 酰胺Ⅱ带(主要为蛋白质G—N和N—H 伸缩振动) ~1 454 亚甲基(CHz)的弯曲振动 ~1 404 D一()_一H弯曲振动 ~1 311 C一()__一H弯曲振动和CHz变形振动 酰胺Ⅲ带(主要为C—N伸缩振动和N H ~1 234 弯曲振动) ~1 151 糖类C一()I C的反对称伸缩振动 ~1 076 糖类c一0伸缩振动 ~1 035 糖类c—c伸缩振动 表1中所有这些光谱特征反映了双色牛肝菌的主要成分 为蛋白质和碳水化合物[12,14]。此外,红外光谱中在950 ̄750 cm 范围吸收强度相对较弱,此范围能够区分糖类不同的异 构体,如890 cm 附近的峰可以归为 构型多糖的特征峰, 构型多糖的特征峰位于860 ̄800 cm。 2.2 FIIR数据的主成分分析(PCA) 比较58个双色牛肝菌样品的红外光谱,其主要特征吸 收峰比较相似,但在1 35o~750 cm 范围不同产地样品光 谱在峰数、峰位、峰强上存在一定的差异,具有明显的指纹 性和特征性,这可能与双色牛肝菌在不同分布地,由于生长 环境差异而导致某些化学成分构型或含量发生了微小的变化 有关。基于58个双色牛肝菌样品的傅里叶变换红外光谱,利 用SPSs 13.0软件,以所有样品为对象,l 350 ̄750 cm 波 数段上的313个吸光度值为变量,构成(58×313)吸光度矩 阵,采用主成分分析法对所有样品进行研究。 通过对来自5个已知不同产地的58个双色牛肝菌样品 进行主成分分析后,前4个主成分对应的特征值及贡献率见 表2。 Table 2 Eigenvalues and contributing ratios fo principal components 第4期 光谱学与光谱分析 913 从表2中可以看出,主成分1占总方差贡献率的 色牛肝菌样本有较好的聚类作用。其中,武定的6个样本、 禄丰的16个样本和易门的2O个样本聚合度均较好,分别处 于①,②和③区域内,说明每个产地各样品之间的相似性较 好。而宜良和陆良的样品聚合度不如其他产地,相对差一 49.22 ,是最重要的成分,主成分2占30.33 ,主成分3 占9.32 ,前三个主成分累积贡献率达到了88.87 ,表示 前三个主成分可以表达样品红外光谱全部信息的88.87% (大于8O ),仅有11I 13 的信息丢失。故可以采用前三个 些,分别处于④和⑤区域,这两个产地各自样品之间相对差 主成分来显示样品之间的相似性关系l5]。 1 0.5 后 ,/  \ / ,、 一0 一 .、\ ,I ’ 0 一 \\/ 一0.5 一l l 3oo 1 200 1100 1 000 900 800 Wave number/cm t Fig.2 The PCA loadings plot l:I.oading 1;2:Loading 2;3:I.oading 3 主成分载荷图是红外光谱数据主成分分析中非常有用的 一种图形,能够观察出各主成分对数据聚类起主要作用的光 谱区域_1 2()]。所谓载荷就是各个原始变量与主成分之间的 相关系数,变量在主成分上的载荷反映了变量与主成分之间 的相关性,载荷越大,说明主成分与该变量的相关性越好。 图2为前三个主成分的载荷图(1oading plot),横坐标表示波 数范围1 350 ̄750 cm,纵坐标表示各波数变量对于主成 分的载荷值。从图2中可以看出各主成分与变量波数之间的 相关程度。第一主成分对全部波数变量都具有较大的载荷, 但它与950 970和1 17O~1 250 cm 有特别高的相关性, 说明第一主成分主要反映了这个两个区段的变量信息,属于 主成分1的敏感特征区域,且对聚类起主要作用。第二主成 分与800 ̄830和99O~1 100 cm_1相关程度较高。第三主成 分在750 ̄850和1300 ̄1350 cm_1两个范围载荷较大,即相 关程度较高。由此可以看出前三个主成分几乎能够解释所有 原变量,即可以表达原变量的主要信息,与前面的方差解释 比较吻合。因此,采用PC1,PC2和PC3得分来表征不同样 品之间的相似性具有一定的可行性和可靠性。 图3为前三个主成分的三维投影图。从图中可以看出, 在PC1 ̄PC3平面投影中,陆良的8个样品能够明显区分开 来,自成一类。易门和禄丰的样品也能够较好的分开,但由 于宜良和武定的样品混杂它们之中,导致难以真正的把它们 区分开来。同样PC2 ̄PC3平面投影中,武定的6个样品也 能够区分开来,其他产地的样品混杂在一起,不能很好地区 别。比较发现PC1~PC2平面投影图对样品有较好的聚类和 鉴别作用。 图4为PCI ̄PC2构成的不同产地双色牛肝菌的相似性 关系的二维投影图,图中横坐标表示每个样本的第一主成分 得分值,纵坐标表示每个样本的第二主成分得分值。不同产 地双色牛肝菌由于受地理因素影响的不同,卿化学成分的积 累也不尽相同,因而在PC1~PC2二维投影图上呈一分布聚 集状态。从图4中可以看出,5个不同产地的双色牛肝菌样 本明显分成五个区域,说明主成分1和2对5种不同产地双 异性大一些。所有样品中只有宜良产地的一个样品被错分到 易门产地,其余产地样本都能够被很好地区分开来,98.3 的样品按产地被正确分类。这些结果表明不同产地由于地 质、地貌、土壤、气候等生长条件的影响,在化学组分或构 型上具有一定的特殊性和差异性,利用傅里叶变换红外光谱 技术结合主成分分析能够对不同产地的双色牛肝菌样品进行 区分。 2 l 0 l Fig.3 3D plot for boletus bicolor samples A:Yimen;▲:Lufeng;★:Luliang;0:Wuding;×:Yiliang ④ A YiII ▲Lt X × ★I』lIlj. : ★WIIl ×Yilia< ‘ 盒 ★ ★ ★ . .: -‘ :、 > ● o ★ // 一c ⑤ / P‘ 一2 一l 0 l 2 3 Fig.4 2D PC score plot for boletus bicolor samplse(PC1~PIC2) 3结论 应用傅里叶变换红外光谱技术结合主成分分析法研究了 5个不同产地的58个野生双色牛肝菌样品。通过分析比较, 所有样品的红外光谱较为相似,说明了野生双色牛肝菌主要 化学组分的相似性,主要为蛋白质和多糖等构成。由于不同 的双色牛肝菌样品含有的化学成分或相对含量的差异性,它 们的红外光谱又具有各自特点,在指纹区的峰形、峰强等存 在一些微小差异。对1 350 750 cm 指纹区的光谱数据进 2 914 光谱学与光谱分析 第30卷 行主成分分析,前三个主成分可以表达原始数据的主要信 息,在PCI ̄PC2得分图上能够很好地将5个产地样品较好 的分类,取得了令人满意的分析结果。因此,根据傅里叶变 参 考 换红外光谱技术结合主成分分析能够鉴别不同产地的双色牛 肝菌样品,为进一步对双色牛肝菌地域性优质品种的鉴定和 市场质量控制提供了一条新的途径。 文 献 [1]MAO Xiacrlan(卯晓岚).The Macrofungi in China(中国大型真菌).Zhengzhou:Henan Science and Technology Press(郑州:河南科学 技术出版社),2000. 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Keywords Boletus bicolor;Fourier transform infrared spectroscopy;Principal component analysis;Identification (Received May 18,2009;accepted Aug.26,2009) *Correspondig author n

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