基于熵權-正態云模型的多產地蓬莪術質量評價研究

林 薇 ，朱宗萍 ，廖 婉 *，楊青松 ，高天慧 ，陳 意 ，裴 瑾 ，鄧 彬，林麗婷 ，趙 萱 *

1.成都中醫藥大學西南特色中藥資源國家重點實驗室，四川 成都 611137

2.成都中醫藥大學管理學院，四川 成都 611137

3.成都中醫藥大學藥學院，四川 成都 611137

4.成都地奧制藥集團有限公司，四川 成都 610065

蓬莪術為姜科植物蓬莪術Curcuma phaeocaulisVal.的干燥根莖，具有行氣破血、消積止痛的功效，主治癥瘕痞塊、瘀血經閉、胸痹心痛和食積脹痛[1]。莪術始見于《藥性論》，古名蓬莪茂[2]。蘇頌曰“蓬莪茂古方不見用者。今醫家治積驟諸氣為最要之藥”?，F代研究表明莪術具有抗腫瘤、抗肝炎、抗動脈粥樣硬化、抗氧化、降血糖等藥理作用，其主要活性物質是姜黃素類和揮發油類[3]。其中揮發油類成分主要為吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇、β-欖香烯等[4]；姜黃素類成分主要為姜黃素、去甲氧基姜黃素、雙去甲氧基姜黃素等[5]。

作為中醫臨床常用藥，蓬莪術藥材產地較廣?！侗静輬D經》記載“蓬莪茂，生西戎及廣南諸州，今浙江或有之。三月生苗，在田野中?！薄端幬锍霎a辨》記載“蓬莪術，產四川為正地道[6]。隨著歷史進程的演變，目前蓬莪術大多產于四川、廣西、云南等地，福建、廣東也有少量分布。由于蓬莪術產地地域分布較廣，且不同氣候、土壤和栽培條件等因素對其質量均具有一定的影響，因此有必要對不同產地的蓬莪術質量進行評價，為其臨床用藥的有效性提供科學依據。

近年來，借助現代化的分析手段，如GC-MS、HPLC、UPLC、UV等，獲取中藥復雜的化學數據，是中藥材質量評價較為通用的方法。其中，多指標成分含量測定及中藥指紋圖譜，為中藥飲片質量評價研究提供示范[7]。采用模式識別的理論方法，如灰色關聯度模型、主成分分析（principal component analysis，PCA）和聚類分析（hierarchical cluster analysis，HCA）等化學模式識別法對數據進行特征提取，進而對藥材進行鑒別和分析，是目前最廣泛的中藥質量評價方法[8]。但現有統計模式識別，如灰色關聯度主要是對相似程度的指標進行關聯度分析[9]，PCA把相關指標重新組合成無關的一組綜合指標[10-11]，HCA則是依據實驗數據進行分組歸類[12-13]，都沒有考慮到實驗數據質量等級劃分的模糊性和隨機性，具有一定的局限性。

熵權-正態云模型是一種模糊模式識別，以模式信息的隸屬關系為依據，建立隸屬度函數，計算樣本的隸屬度，實現對模糊子集、模糊特征和模糊關系的分析，產生分類和決策，在系統模糊性、隨機性等方面的評價具有較高的適應性[14]，不僅利用了信息熵值計算不同指標的權重，保證了權重的客觀性和準確性，還通過云發生器將定性概念轉化為定量分析，使結果具有更強可靠性[15]。使用MATLAB進行數據分析和模型擬合，通過熵權-正態云模型比較不同產地化合物含量來對蓬莪術質量進行評價，從數理統計的視角構建中藥材宏觀質量評價的方法，是中藥材質量評價中一種創新，為中藥材質量評價提供新思路。

1 材料與儀器

1.1 材料與試藥

各產地蓬莪術均各收集3個批次，包含道地藥材產地四川省，以及其他產區云南省和廣西省。具體信息見表1。各產地蓬莪術分別經成都中醫藥大學裴瑾教授鑒定為蓬莪術C.phaeocaulisVal.。

表1 蓬莪術的產地和批號Table 1 Origin and batch number of C.phaeocaulis

姜黃素（批號wkq19012802）購于四川省維克奇生物科技有限公司，質量分數≥98%；吉馬酮（批號J27J9T66646）購于上海源葉生物科技有限公司，質量分數≥98%；莪術醇（批號CHB180803）購于成都克洛瑪生物科技有限公司，質量分數≥98%；呋喃二烯（批號111824-201102）購于中國食品藥品檢定研究院，質量分數≥99.4%。乙腈（色譜純，美國Sigma-Aldrich公司）、磷酸（成都市科龍化工試劑廠，色譜純）；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器

Ulti Mate 3000型超高效液相色譜儀（UPLC，美國Thermo Fisher公司）；Thermo Acclaim 120 C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm，美國Thermo Fisher公司）。

2 方法

2.1 指標成分的測定

2.1.1 混合對照品溶液的制備 精密稱定吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇和姜黃素適量于10 mL量瓶中，加甲醇振搖后定容，得到質量濃度為0.253、0.241、0.228、0.257 g/L的混合對照品溶液。

2.1.2 供試品溶液的制備 取各產地蓬莪術飲片適量，粉碎，過5號篩，精密稱定粉末1 g，置具塞錐形瓶中，加70%乙醇10 mL，稱定質量，超聲處理1 h，取出，稱定質量并補足減失質量，搖勻，靜置，上清液以0.22 μm的微孔濾膜濾過，即得供試品溶液。

2.1.3 色譜條件 采用Thermo Acclaim 120 C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為乙腈（A）-0.5 %磷酸水溶液（B），梯度洗脫（0～2 min，5%～25% A；2～5 min，25%～30% A；5～25 min，30%～55% A；25～50 min，55%～70% A；50～52 min，70%～5% A），體積流量0.3 mL/min，柱溫35 ℃，檢測波長214 nm，進樣量2 μL?；旌蠈φ掌泛蜆悠返纳V圖如圖1所示。

圖1 混合對照品 (A) 和莪術飲片樣品 (B) 的UPLC圖譜Fig.1 UPLC of mixed reference substances (A) and Curcumae Rhizoma (B)

2.1.4 線性關系的考察 取 “2.1.1”項下混合對照品溶液，倍比稀釋得系列混合對照品溶液，按“2.1.3”項下色譜條件進行測定，以質量濃度為橫坐標（X）、峰面積為縱坐標（Y）進行線性回歸分析，得到姜黃素回歸方程Y＝215.5X＋0.224 9，r2＝0.999 7，線性范圍為3.97～254.00 μg/mL；莪術醇回歸方程Y＝43.47X＋0.037 8，r2＝0.999 8，線性范圍為3.75～240.00 μg/mL；吉馬酮回歸方程Y＝305.83X＋0.865 2，r2＝0.999 5，線性范圍為3.58～229.00 μg/mL；呋喃二烯回歸方程Y＝263.81X＋0.556 5，r2=0.999 9，線性范圍為4.02～257.00 μg/mL。由結果可知，4種成分在線性范圍內均呈現良好的線性關系。

2.1.5 重復性試驗 精密稱取供試品溶液6份，按“2.1.3”項下色譜條件進樣分析，結果姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯質量分數的RSD均小于2%，表明本方法重復性良好。

2.1.6 精密度試驗 取混合對照品溶液，按“2.1.3”項下色譜條件連續進樣6次，結果姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯峰面積的RSD均小于2%，表明儀器精密度良好。

2.1.7 穩定性試驗 精密吸取供試品溶液1 μL，分別在0、2、4、8、16、24 h，按“2.1.3”項下色譜條件進樣分析，結果姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯峰面積的RSD均小于1.5%，表明樣品穩定性良好。

2.1.8 加樣回收率試驗 精密稱取已測定的樣品粉末0.50 g，共6份，分別加入一定量的對照品，按“2.1.2”項下要求制備各供試品溶液，按“2.1.3”項下色譜條件進樣分析，結果姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯峰面積的平均加樣回收率分別為114.65%、102.23%、111.15%、111.73%，RSD分別為0.20%、0.19%、0.16%、0.11%，表明本方法準確可靠。

2.1.9 樣品測定 注入超高效液相色譜儀測定吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇和姜黃素的含量[16]。每個批號平行制備3批樣品進行測定。

2.2 熵權-正態云模型

2.2.1 熵權法 熵權法是客觀賦權法的一種，在Shannon引入信息論后，稱之為信息熵[17]。主要是通過指標的觀測值所提供的信息來確定權重，避免主觀因素造成的誤差。

（1）構建歸一化判斷矩陣：假設有m個評價對象，n個評價指標，原始判斷矩陣為（Xij），其中Xij表示第i（i＝1，2，…，m）個評價對象的第j（j＝1，2，…，n）個評價指標的值，由公式（1）得到歸一化矩陣（Pij）。

（2）計算指標的信息熵值與權重：設第j項指標的信息熵值為Ej，根據公式（3）可計算出第i個評價指標的權重Wi。

2.2.2 正態云模型 云模型是定性定量不確定性人工智能轉換模型，通過把概念的模糊性和隨機性進行集成，進而映射成定性數據和定量數據。設U是一個精確數值表示的定量論域，C是U上的定性概念，若x∈U，且x是概念C的一次隨機實現，若x～N(Ex,En'2)，En'～N(En, He2)，那么C的隸屬度（μ）稱x在論域U上的分布為正態云[18]。

正態云模型主要是通過期望（Ex）、熵（En）、超熵（He）3個數值來進行刻畫。Ex表示數據的定性的概念；En體現定性概念的模糊度和概率；He是En的En，表示云的厚度[19]。

2.3 熵權-正態云模型法進行質量評價

采用UPLC測定不同產地蓬莪術中吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇和姜黃素的含量，通過確定等級指標與指標分區矩陣，確定各指標熵權系數與隸屬度矩陣，最后得到不同產地指標的隸屬度及評價結果，按照最大隸屬度原則，即可得到不同指標的等級評價結果。流程圖見圖2。

圖2 基于熵權-正態云模型評價不同產地蓬莪術質量的流程圖Fig.2 Flow chart of quality evaluation of C.phaeocaulis from different habitats based on entropy weight-normal cloud model

2.4 蓬莪術質量等級評價體系的構建

前期研究顯示莪術含有揮發油類和姜黃素類兩大主要有效成分。在《中國藥典》2020年版一部的植物油脂和提取物項下收載的莪術油中，揮發油類成分吉馬酮和呋喃二烯為指紋圖譜和含量測定對照品，莪術醇為鑒別項下的薄層色譜對照品[1]，姜黃素為莪術姜黃素類成分的代表藥效成分，故選擇吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇和姜黃素作為熵權-正態云模型評價指標具有較強的科學性和合理性。

蓬莪術為歷版《中國藥典》收載的莪術主要來源之一，以姜黃素（u1）、莪術醇（u2）、吉馬酮（u3）和呋喃二烯（u4）這4個指標構建蓬莪術的質量評價體系，即指標集為U={u1，u2，u3，u4}，故確定的評估對象的因素論域為4層。根據蓬莪術評價指標，構建蓬莪術質量評價等級表，將不同產地的蓬莪術質量按照由高到低劃分為5個等級，分別為I、II、III、IV、V級，即討論的評價語論域為{ν1，ν2，ν3，ν4}。通過劃分的質量評價等級，分別將各評價指標通過區間劃分為相應的等級。在構建的評價指標體系中，具體的指標分區矩陣見表2。

表2 蓬莪術質量評價指標分區矩陣Table 2 Partition matrix of C.phaeocaulis quality evaluation index

3 結果與分析

3.1 指標信息熵權的確定

選取的蓬莪術質量的評價指標較多，但由于不同的評價指標間相互依賴，且蓬莪術質量受各指標的影響大小不同，因此需要對指標的權重進行賦值。熵權法是客觀賦權法的一種，在Shannon引入信息論后，熵權法更能體現數據本身的特點。使用熵權法既能客觀的計算各指標的權重，又能避免在賦值過程中的主觀性所造成的誤差。通過對測得的吉馬酮、呋喃二烯、莪術醇和姜黃素含量值構建歸一化判斷矩陣，計算出不同指標的信息熵值與權重，然后對指標原始數據進行賦權計算，具有很強的客觀性和較高的準確性。

信息熵權法基本思路是根據變異指標的大小來確定蓬莪術各指標的客觀權重，若選取的蓬莪術的指標信息熵越小，說明該指標值的變異程度相對較大，提供的信息也就較多，在該產地蓬莪術的綜合評價中所起到的作用也就越大，相應的，權重也就越大。利用MATLAB由熵權法計算蓬莪術不同評價指標的信息熵權值，可得吉馬酮的信息熵權值為0.214 1，莪術醇的信息熵權值為0.328 5，呋喃二烯的信息熵權值為0.249 3，姜黃素的信息熵權值為0.213 4。

3.2 構建模糊關系矩陣

對蓬莪術質量的評價指標級U和評價語論域V之間進行評價，構建模糊矩陣（R），該矩陣中的元素Rij表示在U中第i個因素對V中第j個等級的隸屬度，計算3個特征值：Ex、En、He。

假設指標i對應評價等級j的上下邊界值為[Imin，Imax]，則Ex=(Imin+Imax)/2。由于邊界值屬于對應2個等級，即2種級別的隸屬度相等，由（6）可計算出En的表達式為（7）。受評論域本身模糊概念的影響，通過實驗來確定He取值的大小。根據建立的莪術質量評價體系和評價標準，各指標對應的評價等級用正態云模型來表示，具體的評價指標的正態云標準見表3。

表3 蓬莪術質量評價指標正態云特征參數矩陣Table 3 Normal cloud characteristic parameter matrix of C.phaeocaulis quality evaluation index

3.3 模糊隸屬度矩陣計算

根據獲取的數據，利用MATLAB編程，帶入云模型的X條件云發生器，求出各個指標隸屬于某等級的隸屬度，最終得到隸屬度矩陣，為提高數據的正確度和可信性，重復計算1000次，取其平均值為最終隸屬度，關于姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯4個指標的正態云隸屬度函數見圖3。

圖3 吉馬酮 (A)、呋喃二烯 (B)、莪術醇 (C) 和姜黃素 (D) 隸屬度云圖Fig.3 Cloud chart of gemacrone (A), furadiene (B), curcumol (C), and curcumin (D)

假定n＝100，根據各指標值，利用正向云發生器產生的隸屬度矩陣，將采集的數據帶入上述等級云模型構建的正向云發生器，重復進行500次運算，得到在不同隸屬度下的平均值，以四川崇州的莪術計算結果為例，結果如表4所示

表4 四川崇州產地莪術評價指標的隸屬度矩陣Table 4 Membership matrix of C.phaeocaulis from Chongzhou, Sichuan Province

3.4 熵權-正態云模型法綜合評價

以四川崇州所產蓬莪術為例，將表4的隸屬度矩陣乘以“3.1”項熵權值，得到產地為四川崇州的蓬莪術各評價等級的隸屬度，I級對應的隸屬度為0.325 6，II級對應的隸屬度為0.402 4，III級對應的隸屬度為0.319 3，IV級對應的隸屬度為0.147 8，V級對應的隸屬度為0，按照最大隸屬度原則，可知產地為四川崇州的蓬莪術的質量評價等級為II級。不同產地蓬莪術等級隸屬度及質量評價結果是根據最大隸屬度原則來進行判定，隸屬度函數是模糊集合理論的基石，是度量模糊程度的函數。通過隸屬函數，模糊理論能將模糊現象轉變成精確數學從而進行分析和討論。隸屬度函數μA（x）是論域中所有元素屬于模糊集合A的隸屬度分布[14]，而模糊集合是一個有著不同隸屬度的元素集合。本實驗構建的熵權-正態云模型是由2次串接的正態云發生器生成的許多云滴組成的泛正態數學映射圖像，是一朵可以伸縮、無確定邊沿、有彈性的云圖[14]，進而完成從蓬莪術的微觀物質基礎到等級質量之間的相互映射。

根據產地為四川崇州的評價過程，得到采樣的15個產地的蓬莪術評價結果如表5所示。表5中得到的數據均是利用構建的熵權-云模型的隸屬度函數計算出的對應于不同產地不同等級的隸屬度值，因而不同產地同一等級的標準會出現不同的情況。通過比較某一產地在不同等級的隸屬度值的大小，可以對該產地的等級進行劃分，依據模糊評判的最大隸屬度原則，產地中最大的隸屬度值，就是該產地所對應的等級。如四川溫江產蓬莪術在I級到V級對應的隸屬度值分別為{0.325 6、0.227 5、0.150 7、0、0}，其中隸屬度值最大為0.325 6，那么四川溫江產蓬莪術的評價等級為I級。

表5 不同產地蓬莪術等級隸屬度及質量評價結果Table 5 Membership degree and quality evaluation results of C.phaeocaulis from different habitats

采樣的15個不同產地的蓬莪術指標等級分布均分布在第I～V級，且以第III級居多，占到了全部等級的40%，第II～IV級占全部等級的81.1%，沒有出現某一產地的指標等級很高或者很低的情況。在姜黃素含量方面，四川產地的等級全部集中在第I級和第II級，廣西產地全部集中在第II級和第III級，云南產地全部集中在第III級。在莪術醇含量方面，四川產地絕大部分集中在第II級，廣西產地絕大部分集中在第I級，云南產地集中在第III級和第II級。在吉馬酮含量方面，四川產地以第III級居多，云南產地和廣西產地以第IV級居多，云南產地還出現了第V級的情況。在呋喃二烯含量方面，四川產地在第I級、第II級、第III級均有分布，以第II級居多，廣西產地以第II級居多，云南產地以第III級居多，也出現了第IV級的情況。從以上分析可知，有的產地所處指標高而其他指標低，只是單純的考慮某一種指標來評定某一產地蓬莪術質量的等級就顯得相對不客觀。通過熵權-正態云模型總體評價可發現，四川產地的蓬莪術總體質量評價結果較高，絕大部分分布在I、II級，其中，又以四川溫江產地的蓬莪術評價結果最好，為I級。廣西所產的蓬莪術以III級居多，評價結果以III級為主，制約因素為吉馬酮含量。云南蓬莪術質量以III、IV級為主，主要制約因素為姜黃素和莪術醇含量。

根據“2.1”項對蓬莪術飲片中姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯4種成分的含量進行描述性統計分析，計算不同產地不同指標蓬莪術的4種成分的含量，其數據分布見表6。利用Kruskal-Wallis檢驗檢驗（P＜0.001）發現，不同產地蓬莪術飲片所含4種成分的含量具有顯著性差異。姜黃素以四川產蓬莪術含量最高，莪術醇以廣西產蓬莪術含量最高，吉馬酮以四川和廣西產蓬莪術含量相對較高，呋喃二烯以廣西和四川產蓬莪術含量較高，驗證了熵權-正態云模型法綜合評價的科學性。

表6 不同產地蓬莪術中4種指標成分含量Table 6 Contents of four index components of C.phaeocaulis from different habitats

4 討論

莪術為破血消癥要藥，中醫在臨床治療中應用莪術有著悠久的歷史，含莪術藥味的經典傳統方劑多達上百首[20]。莪術有3個來源，分別是姜科植物蓬莪術C.phaeocaulisVal.、廣西莪術C.kwangsiensisS.G.Lee et C.F.Liang或溫郁金C.wenyujinY.H.Chen et C.Ling[1]。蓬莪術的道地產區為四川，廣西莪術道地產區為廣西，溫莪術多產于浙江一帶，但隨著種植范圍的擴大以及經濟需求的拉動，蓬莪術也被大量引種到廣西、云南等地進行栽培。由于不同產地土壤、光照、水分、溫度等環境因素有所差異，同一來源的莪術質量也會有差異，覃禹等[21]采用紅外指紋圖譜結合軟獨立建模聚類分析法模型識別法，建立了一種能夠快速有效地鑒別不同產地的莪術的方法；顧麗亞等[22]采用HCA、PCA和正交偏最小二乘法對不同產地莪術進行質量評價；藍振威等[23]基于GC-MS與化學計量學的揮發油成分分析，來區分不同來源的莪術?，F有關于莪術質量評價研究，多選用道地產區藥材來評價不同來源和不同產地莪術的質量差異，鮮有采用非道地產區的莪術進行研究。因此，對道地產區和其他主產區的蓬莪術進行研究，對不同產地蓬莪術的質量評價提供更加全面的科學依據。

現有統計模式識別，如灰色關聯度主要是對相似程度的指標進行關聯度分析，PCA是把相關指標重新組合成無關的一組綜合指標，HCA則是依據實驗數據進行分組歸類，均沒有考慮到實驗數據質量等級劃分的模糊性和隨機性。熵權-正態云模型是一種模糊模式識別，以模式信息的隸屬關系為依據，建立隸屬度函數，計算樣本的隸屬度，實現對模糊子集、模糊特征和模糊關系的分析，產生分類和決策。通過傳統的化學計量學分析方法，均得到了一致的結果，即15個產地的蓬莪術可根據不同產地歸為3類，表明不同產地間的蓬莪術之間具有差異性。傳統的模式識別（如PCA、HCA等）僅僅只是對不同產地的蓬莪術進行分組歸類，而熵權-正態云模型是在傳統的模式識別基礎上對不同產地的蓬莪術進行了質量等級的細分，更具有優勢，這些物質基礎的差異很可能是導致藥材質量、藥效作用差異的根本原因。

本實驗運用了云模型的思想構建蓬莪術質量的評價體系。以不同產地蓬莪術為對象，先測定姜黃素、莪術醇、吉馬酮、呋喃二烯的含量，再利用熵權法測定不同指標的信息熵，結合云模型，利用正向云發生器，將各指標等級的界限轉化為云，計算不同產地的蓬莪術平均等級隸屬度，得到不同產地蓬莪術質量評價結果。熵權-正態云模型評價法不僅綜合考慮了影響蓬莪術質量的多個化合物含量，還采用了熵權法來計算各化合物的權重確定各指標因子對藥材質量的影響大小，將定性與定量轉換的云模型引入到莪術質量評價研究中，建立了基于熵權-正態云模型的蓬莪術質量評價模型。對來自于15個產地的莪術有效成分進行評價，表明四川作為蓬莪術的道地產區，具有明顯的道地優勢。另外，本文建立的宏觀狀態的數學模型與物質基礎相統一的蓬莪術質量評價體系，為中藥質量評價提供了一種全新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突