FTIR光谱结合系统聚类分析鉴别松茸和姬松茸的研究

第 22 卷 　第 2 期 光 　散 　射 　学 　报 Vol122 　No12 2010 年 6 月 T HE J OURNAL OF L IGH T SCA T TERIN G J un1 2010 收稿日期 :2009208231 ; 修改稿日期 : 2009211204 基金项目 :曲靖师范学院科研基金 (2008QN042) 作者简介 :时有明 (1982 - ) ,男 ,云南曲靖师范学院教师 ,主要从事生物光谱学研究. E2mail :sym8295 @163. com 文章编号 :100425929 (2010) 0220171204 F TIR 光谱结合系统聚类分析鉴别 松茸和姬松茸的研究 时有明1 , 3 , 刘 　刚2 , 孙艳琳3 , 魏生贤1 , 晏翠琼1 , 何禧佳1 (1. 曲靖师范学院物理与电子工程学院 , 曲靖 655011 ; 2. 云南师范大学物理系 , 昆明 650092 ; 3. 曲靖师范学院科学技术处 , 曲靖 655011) 摘 　要 : 利用傅里叶变换红外光谱技术研究了松茸和姬松茸子实体 ,结果显示它们的傅里叶变换红外光谱 主要由蛋白质和多糖的吸收带组成。对比它们的光谱发现 ,两者的特征吸收峰频率位置基本一致 ,只是在 峰形上存在一定差异。利用差谱技术发现它们的红外光谱差异主要来自于 1750～1000 cm - 1范围内。为 了快速准确的区分松茸和姬松茸的光谱 ,选取 1750～1000 cm - 1范围内的吸收带进行系统聚类分析。结果 显示 ,系统聚类分析能准确的把松茸和姬松茸的光谱各自聚为一类 ,达到鉴别它们的目的。研究明 ,傅 里叶变换红外光谱技术结合系统聚类分析可以发展为一种快速鉴别食用菌的。 关键词 :傅里叶变换红外光谱 ;食用菌 ;系统聚类分析 中图分类号 :O657 　　　文献标识码 :A Identif ication of Tricholoma matsut a ke ( S. Ito et Imai) Sing and Aga ricus Blazei Mur rill Using Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Hierarchical Cluster Analysis SHI You2ming1 , 3 , L IU Gang2 , SUN Yan2lin3 , WEI Sheng2xian1 , YAN Cui2qiong1 , H E Xi2jia1 (1 . Dep artment of Physics , Quj i ng N orm al Col lege , Quj i n g 655011 , Chi na; 2 . De p artment of Physics , Yunnan N orm al U ni versi t y , Kunmi ng 650092 , Chi na; 3 . O f f ice of S cience and Technolog y , Quj i n g N orm al Col lege , Quj i ng 655011 , Chi na) Abstract : Fourier t ransform inf rared ( F TIR) spect roscopy was used for obtaining vibra2 tional spect ra of T richolom a m atsut ake (S. Ito et Imai) Sing and A garicus bl azei M urri l l . The result s show t hat t he positions of characteristic peaks are similar in t heir F TIR spec2 t ra . However , t here are some differences in shape of peaks. The obvious differences were discovered in t he t he region between 1750 and 1000 cm - 1 by difference spect roscopy. In order to discriminate T richolom a m atsut ake ( S. Ito et Imai ) Sing and A garicus bl azei M urri l l accurately , t he hierarchical cluster analysis was used to classify t heir spect ra in t he region between1750 and 1000 cm - 1 . The cluster result s showed t hat t he spect ra of T richolom a m atsut ake ( S. Ito et Imai) Sing and A garicus bl azei M urri l l were identified accurately. The st udy showed t hat F TIR spect roscopy combined wit h hierarchical cluster analysis could be developed a rapid and effective analysis method to identify edible f ungi. 光 　　散 　　射 　　学 　　报 　第 22 卷 Key words :Fourier t ransform inf rared spect roscopy ; edible f ungi ; hierarchical cluster anal2 ysis 1 　引言 松茸 ( T richolom a m atsut ake ( S. Ito et Imai) Sing) 属担子菌亚门、层菌纲、伞菌目、白 蘑科 ,是一种十分名贵的野生食用菌。该菌菇体 肥大 ,肉质细嫩 ,香味浓郁 ,别具风味 ,具有很高 的营养价值和特殊的药用效果 ,被称为“蘑菇之 王”[1 ] 。云南因其得天独厚的气候和自然环境成 为全国松茸的主要产地。松茸主要产于夏秋季 , 新鲜蘑菇不易保存 ,为了储存往往采用切片制干 的方法。松茸在切片制干后原来的形态特征消 失 ,这时鉴别它主要依靠气味特征。云南的松茸 主要出口日本和欧洲 ,由于天然产量有限 ,松茸 的价格扶摇直上。 姬松茸 ( A g aricus bl azei M urri l l)属担子菌 亚门、层菌纲、伞菌目、蘑菇科 ,又名巴西蘑菇 ,一 种自然生长在巴西圣保罗郊外山间的菌类[2 ] 。 经日本科学家的优选培育 ,于 1974 年人工栽培 成功 ,目前在中国已经大批量人工栽培 ,价格低 廉。由于两者价格的差异和切片晒干后干片相 似的形态特征 ,有不法分子往松茸干片产品中混 入姬松茸干片出售 ,两者的气味互相混合 ,很难 从气味特征上将两者鉴别开 ,这严重损害了消费 者的利益。 目前市场上尚无快速、实用、有效的方法来 鉴别干燥后的松茸和姬松茸。傅里叶变换红外 光谱技术曾被用于研究野生、人工栽培的食用 菌。前期的研究表明傅里叶变换红外光谱技术 具有不破坏样品化学结构、用量少、操作简单等 优点 ,可以应用于大型真菌的研究[ 3 ] 。本研究将 利用傅里叶变换红外光谱技术结合系统聚类分 析方法来鉴别松茸和姬松茸的干片。 2 　实验部分 2. 1 　仪器设备和测试条件 红外光谱仪为美国 Thermo Nicolet 公司生 产的 Avatar F T2IR 360 型傅里叶变换红外光谱 仪 ,扫描次数为 32 次 ,分辨率为 4 cm - 1 ,扫描范 围为 4000～400 cm - 1 ,相关分析软件使用 SPSS 12. 0。 2. 2 　样品制备及光谱预处理 本研究测试的 15 个松茸样品均来自云南不 同的县市 ,15 个姬松茸样品均购于云南昆明、曲 靖、玉溪、楚雄的不同农贸市场。所有样品在清 洗干净后切片干燥保存待测。测试时取蘑菇子 实体的不同部位放入玛瑙研钵混合磨为粉末 ,再 加入 KBr 并搅磨均匀 ,然后压片测试光谱。实 验过程中先测试一条空白溴化钾窗口的光谱 ,然 后再测试样品 ,最终通过差谱技术来扣除背景噪 声 ;所有光谱以 3400 cm - 1附近的吸收峰作为参 考峰进行归一化处理。 3 　结果与讨论 3. 1 　松茸和姬松茸的傅里叶变换红外光谱特征 15 个姬松茸样品和 15 个松茸样品的红外 光谱见图一。为了便于对比 ,分别取它们的平均 光谱。松茸和姬松茸的平均光谱见图二中的 2 和 3 ,其中 1 为两者的差谱 (姬松茸的平均光谱 减去松茸的平均光谱) 。 为了便于对比平均光谱 ,把光谱分为 3 个 区 : 第 1 区 (4000～2800 cm - 1 ) :主要来源于羟 基、氨基、甲基和亚甲基的吸收[4 ,5 ] 。该区域内 姬松茸和松茸的光谱较相似 ,在羟基和氨基的叠 加吸收带 (3400 cm - 1附近) 两者完全重合 ,在亚 甲基的振动吸收带 (2928 cm - 1 和 2857 cm - 1 附 近)两者峰形一致 ,只是松茸的光谱吸收强度稍 弱。 第 2 区 (1750～1200 cm - 1 ) :主要是蛋白质、 脂肪酸和多糖的混合吸收区。1638 cm - 1 (松茸) 和 1639 cm - 1 (姬松茸) 的吸收峰是酰胺 Ⅰ带的 吸收 ,归属为 C = O 伸缩振动。松茸光谱中的吸 收峰强度明显低于姬松茸光谱中的吸收峰。 1547 cm - 1 (姬松茸) 是酰胺 Ⅱ带的振动吸收 ,归 属为 N ─H 的弯曲振动和 C ─N 的伸缩振动 ,此 峰在松茸光谱中以肩峰的形式出现。1453 cm - 1 附近的吸收带来源于亚甲基的弯曲振动吸收[6 ] , 松茸和姬松茸的光谱中均出现该峰。1400 cm - 1 附近的吸收带归属为 C - O - H 的弯曲振动 ,两 271 第 2 期 时有明 : F TIR 光谱结合系统聚类分析鉴别松茸和姬松茸的研究 Fig. 1 　FTIR spectra of f ifteen samples of Tricholoma matsutake ( S. Ito et Imai) Sing . and Aga ri2 cus blazei Mur rill respectively. 1. Tricholoma matsuta ke ( S. Ito et Imai) Sing; 2. Aga ricus blazei Mur rill Fig. 2 　FTIR spectra of Agaricus blazei Mur rill and Tricholoma matsutake ( S. Ito et Imai) Sing and their difference spectrum 1. difference spectrum; 2. Tricholoma matsuta ke ( S. Ito et Imai) Sing;3. Aga ricus blazei Mur rill 者的光谱在此有着本质的区别 :姬松茸的光谱中 以一个尖锐的单峰形式出现 ,而松茸的光谱中则 呈现出双峰。这也是区别两者光谱最有力的依 据。1377 cm - 1附近的吸收带归属为甲基的剪式 振动吸收 ,1234 cm - 1 附近的吸收带来源于酰胺 Ⅲ带中 C ─O 伸缩振动吸收 ,姬松茸和松茸的光 谱在这两个地方的吸收频率位置基本一致 ,只是 吸收强度上稍有差别。 第 3 区 (1200～800 cm - 1 ) :主要来源于多糖 的吸收。在该区内两者的光谱强度基本一致 ,但 在吸收峰的频率位置上能灵敏的反应出多糖分 子结构的差异 ,因此该区通常也叫做指纹区。 1148 cm - 1附近的吸收峰来源于糖类物质中 C ─ O ─C 的反对称伸缩振动。双峰 1080 cm - 1 和 1030 cm - 1归属为糖类物质中的 C ─O 和 C ─C 伸缩振动。934 cm - 1 附近的吸收是α2型多糖的 特征吸收。在这四个吸收峰的频率位置上 ,两者 的光谱基本一致。在 887 cm - 1附近的吸收峰是 β2型多糖的特征吸收 ,归属为 C ─H 的变形振 动[7～9 ] ,松茸的光谱中明显出现该吸收峰 ,而姬 松茸的光谱中未见此吸收峰。说明松茸所含的 多糖以β2型为主。β2型多糖具有抗癌等特殊作 用 ,因此松茸比姬松茸更具有药用价值。 3. 2 　系统聚类分析用于松茸和姬松茸的傅里叶 变换红外光谱的分类研究 　　仅通过上面分析的几个特征峰来鉴别松茸 和姬松茸的光谱往往带有一定的人为因素 ,结果 不够客观。为了找到它们之间更多的差异 ,使用 了差谱技术 ,即用姬松茸的红外光谱减去松茸的 红外光谱 (差谱见图二中曲线 1) 。从差谱中可 看出两者的主要差异来源于 1750～1000 cm - 1 。 为了定量的描述这个差异 ,客观的分类姬松茸和 松茸的光谱 ,下面将使用系统聚类分析的方法来 快速鉴别姬松茸和松茸的光谱。 系统聚类分析方法是按照光谱之间的相似 性来分类光谱的 ,聚类分析中采用两条光谱之间 的距离来描述它们的相似性。距离越远光谱间 的相似性就越差 ,反之相似性越好。系统聚类分 析结果最终以树状图的形式输出 ,从树状图中可 以反映出在不同的距离上分类的结果。文中对 光谱的系统聚类分析采用 Ward 方法 ,利用欧氏 距离来描述它们之间的相似程度。假设选取的 光谱范围内包含 j 个数据点 ,这些数据点的横坐 标相同 ,不同的是纵坐标。所以我们主要研究的 是纵坐标 (相对吸光度) 的差异。30 个样品的光 谱构成了一个 30 行 j 列的矩阵。第 i 个样品的 光谱和第 k 个样品的光谱之间的距离为 dij = ∑ p j = 1 ( X ij - X kj ) 2 两个样品之间的距离是每个变量值之差的平方 和的平方根 ( X ij 是第 i 个样品光谱数据经过标 准变换后的第 j 个数据点的纵坐标) [10 ] 。从差 谱中反应出两者在 1750～1000 cm - 1 区域内差 异最大 ,因此分类时选取该区域内的光谱进行运 算。系统聚类分析结果见图 3 ,图中它们的光谱 被准确的分为两类 :一类为姬松茸 ,一类为松茸。 从分类的结果可以准确的鉴别松茸和姬松茸。 371 光 　　散 　　射 　　学 　　报 　第 22 卷 Fig. 3 　Hierarchical cluster analysis of the spectra of Aga ricus blazei Mur rill and Tricholoma matsutake ( S. Ito et Imai) Sing . between 1750 and 1000 cm - 1 4 　结论 测试了松茸和姬松茸子实体的傅里叶变换 红外光谱 ,结果显示它们的傅里叶变换红外光谱 主要由蛋白质和多糖的吸收带组成。两者光谱 中的大部分特征峰出现的频率位置基本一致 ,因 此很难从特征峰的位置来鉴别它们。但依据它 们傅里叶变换红外光谱中吸收峰的形状特征 ,再 结合系统聚类分析技术可以准确地把松茸和姬 松茸的光谱区分开 ,达到鉴别它们的目的。本研 究表明傅里叶变换红外光谱技术结合系统聚类 分析技术可以准确和方便的鉴别松茸和姬松茸 , 这为食用菌的快速鉴别和检验提供了一种有效 的方法。 参考文献 : [1 ] 　方明 ,李玉 ,姚方杰 ,等. 松茸研究概况 [J ] . 中国 食用菌 , 2005 , 24 (6) : 12 - 15. [2 ] 　殷蓓蓓 ,周晓燕 ,李爽. 姬松茸的研究与进展 [J ] . 工业微生物 , 2007 , 37 (2) : 52 - 56. [3 ] 　时有明 ,刘刚 ,刘剑虹 , 等. 不同产地黑木耳的傅 里叶变换红外光谱鉴别 [J ] . 光学学报 , 2007 , 27 (1) : 129 - 132. [4 ] 　李清玉 ,司民真 ,邓莉兰 , 等. FT2IR 对药用蕨类 植物节节草的分析 [J ] . 光散射学报 , 2008 , 20 (2) : 164 - 167. [5 ] 　颜茜 , 王昆林 , 沙育年 , 等. 彝药金沙青叶胆的傅 里叶变换红外光谱研究 [J ] . 光散射学报 , 2008 , 20 (3) : 289 - 294. [6 ] 　Kondepati V , Keese M , Heise H , et al . Detection of st ructural disorders in pancreatic tumour DNA with Fourier2t ransform inf rared spect roscopy [J ] . Vibrational Spect roscopy , 2006 , 40 (1) : 33 - 39. [7 ] 　Hartwig S , Malgorzata B. 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