主成分分析用于麻花艽有效成分含量的研究

王 怡，林鵬程，3*，聶穎杰，王 敏，3，王志波，姚 政，3，王 澤

(1.青海民族大藥學院，青海西寧810007;2.青藏高原植物資源化學研究重點實驗室，青海西寧810007;3.青海省藥物分析重點實驗室，青海西寧810007)

麻花艽（Gentiana stramineaMaxim）為龍膽科植物龍膽屬的干燥根[1-2]，以花入藥，具有止血，消腫，清腹熱、膽熱、脈熱的功效。藏醫用全草治關節炎、肺病發燒、黃疸及二便不通[3-5]。麻花艽的藥理作用與有效成分含量有密切的關系。通過對麻花艽地上部分與地下部位化學成分的比較，初步確定了麻花艽地上部分也含有以龍膽苦苷為代表的環烯醚萜苷類功效成分，運用主成分分析法對麻花艽進行了分析研究，從定量的角度進一步探討了麻花艽地上部分替代地下部位的可行性，使麻花艽的藥用價值也得到更大的發掘。

1 主成分分析

1.1 原理

主成分分析是一種降維或者把多個指標轉化為少數幾個綜合指標的方法。假設有來自某個總體的N個樣本，而每個樣本測得P個指標數(P≤N)。這P個指標之間往往有影響，需要從P個指標中去尋找少數幾個綜合性的指標，而這幾個綜合性的指標既能反映原來P個指標的信息，又能達到彼此之間互不相關[6-9]。該方法的核心就是通過主成分分析、選擇m個主分量F1，F2，...，Fm，以每個主分量的Fi的方差貢獻率ai作為權數，構造綜合評價函數：

其中Fi(i= 1，2，...m)為第i個主成分的得分。當把m個主成分的得分代入(1)式后就可以計算綜合評價函數得分，以這個得分的大小排列得到綜合排名次，綜合評價的函數值越大，表示越好。

1.2 一般步驟

①原始數據標準化，消除變量在數量級和量綱之間的影響。②根據標準化后的數據（矩陣），求出協方差及相關系數矩陣。③求出協方差的特征根和特征向量。④確定主成分，結合專業知識給各主成分所蘊含的信息給與解釋。

1.3 原始數據的標準化處理

對原始數據標準化即是對同一變量減去均值再除以標準差，以便消除原始數據之間量綱不同的影響，使標準化后的數據具有可比性，并遵循正態分布規律(0.1)。

將原數據5 個變量，即落干酸、獐牙菜苦苷、龍膽苦苷、獐牙菜苷、異紅草素5個成分分別用x1、x2、x3、x4、x5代表。

2 藏藥材麻花艽有效成分含量的主成分分析

2.1 綜合地上地下部分主成分分析的原始數據

見表1。

表1 主成分得分、綜合得分排序

2.2 計算結果與分析

2.2.1 計算相關系數矩陣

通過SPSS 軟件的運行可以得到5 個變量的相關系數矩陣，見表2。從表中的相關系數可以看出：落干酸、獐牙菜苦苷、龍膽苦苷、異紅草素4個變量之間互有相關性，沒有太大的差異，且都是正相關；而獐牙菜苷與其他4 個變量之間為負相關。

表2 相關系數矩陣

2.2.2 主成分的確定

計算相關系數的特征值和方差貢獻率見表3。從表中可以看出：第1主成分的累計方差貢獻率為49.083%，第2 主成分的累計方差貢獻率為78.500%，沒有達到85%，提取第3 主成分后，累計方差貢獻率達到了92.945%，信息量超過了分析所要求的最低的85%。

表3 特征值和方差貢獻率

2.2.3 計算初始因子載荷矩陣

計算4 個初始因子載荷矩陣見表4，從初始因子載荷矩陣得3 個主成分向量矩陣見表5?？梢缘玫竭@3個主成分與各個變量的線形組合分別如下：

表4 初始因子載荷矩陣

主成分F1中x1（落干酸）、x2（獐牙菜苦苷）、x3（龍膽苦苷）前的系數與其他比較數值較大，對F1的貢獻率大，說明x1、x2、x3是F1中的主要成分；主成分F3中x4（獐牙菜苷）的系數也較大，是占主要比重的指標，說明x4可代表F3的主要成份；F2中起主要貢獻的指標是x5（異葒草素），x5是F2中的代表指標。

表5 主成分向量

2.2.4 計算主成分得分及綜合得分

處理后各變量的標準化數據代入線形組合方程計算各個變量的主成分得分F1、F2、F3。利用公式（5）計算：F=0.491F1+0.294F2+0.144F3。

3 結論

麻花艽地上部分提取了3個主成分后，累計方差貢獻率超過了分析所要求的最低的85%，達到了90.090%，可代表地上部分5 種藥效成分絕大部分信息量。麻花艽地下部位在提取了3 個主成分后，累計方差貢獻率也達過了95.743%，亦能代表地下部位5種藥效成分絕大部分信息量。麻花艽地上部分代表了75.854%信息量的主成分F1和F2中主要成分為x1（落干酸）、x2（獐牙菜苦苷）、x3（龍膽苦苷）、x4（獐牙菜苷），落干酸、獐牙菜苦苷、龍膽苦苷、獐牙菜苷這些環烯醚萜苷類成分是被證明了的有明確藥理活性的藥效成分；而地下部位代表了74.502%信息量的F1和F2中主要成分為x1（落干酸）、x2（獐牙菜苦苷）、x3（龍膽苦苷）、x4（獐牙菜苷），表明主成分可以作為一個綜合指標代表麻花艽中所有所測成分，是一個起主導作用集合體成分。

通過對落干酸、獐牙菜苦苷、龍膽苦苷、獐牙菜苷、異葒草素5種成分在不同地區地上地下含量的分布得出：獐牙菜苦苷、獐牙菜苷、異葒草素3種成分在除門源縣的所有縣中地上部分含量要比地下部位含量高，龍膽苦苷在同仁縣、河南縣、澤庫縣、囊謙縣、同德縣的地上部分含量比地下部位含量高，在門源縣、玉樹縣地下含量比地上含量高。落干酸在同仁縣、同德縣、門源縣等地地上含量比地下高，在玉樹縣、澤庫縣等地下含量比地上高，在囊謙縣、互助縣等地，地上地下含量相差不大。

綜上所述，麻花艽地上部分與地下部位相差不大，地上部分可替代地下部位。

通過對15 個地區的麻花艽地上地下部位5 種藥效成分的含量測定，得到了這15 個地區麻花艽樣品信息的一些基本數據，我們可用傳統方法通過數據的直觀印象對不同地區的麻花艽進行評價，也可以通過一個或兩個有明確藥理作用的藥效成分對植物藥材進行品質控制評價，但上述評價雖簡單明了，但難以體現中藥材的整體性、全面性。隨著化學計量學在中醫藥領域的應用，我們使用化學計量學方法來對檢測到的中藏藥的一系列數據進行整理、挖掘及分析，從而對品質進行較全面的評價。