利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和化学计量学方法对印度尼西亚本土姜科植物的趋化分类进行研究

《South African Journal of Botany》：FTIR spectroscopy and chemometrics for chemotaxonomy of Zingiberaceae species indigenous to Indonesia

植物化学分类学与光谱分析技术在姜科药材鉴别中的应用研究。采用FTIR光谱结合主成分分析、聚类分析和相关图模型，系统分析12种印尼姜科植物根茎粉末的化学特征，建立化学分类体系，揭示地理分布对次生代谢物的影响，为传统药材质量控制和物种鉴定提供新方法。

　　
姜科植物化学分类与鉴别研究进展

姜科植物作为传统医药、化妆品和食品添加剂的重要原料，其分类鉴别面临形态相似性挑战。本研究针对印尼本土12种姜科植物展开系统化学分类研究，创新性地将傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术结合化学计量学方法，建立了具有区域特色的物种鉴别体系。研究样本涵盖Alpinia、Boesenbergia、Curcuma、Kaempferia、Zingiber等属种，采集自爪哇、苏门答腊和巴布亚等不同地理区域的种植场，确保样本的生态多样性。

植物材料预处理采用标准化流程：新鲜块茎经流水清洗后，切割为3-5毫米薄片，在50℃恒温干燥箱中处理48小时达到恒重状态。干燥过程严格遵循 Departemen Kesehatan RI 2008标准操作规范，有效去除水分对代谢组分的干扰。预处理后的粉末样本在4000-550 cm?1中红外区间进行FTIR扫描，通过多次重复测试（n=9）确保数据可靠性。

光谱特征解析显示，12个物种共产生28个显著特征峰（表2），这些峰位对应不同官能团的振动模式。其中3525 cm?1处的宽峰表明羟基（-OH）的伸缩振动，2950 cm?1附近的吸收峰与烷基链（-CH?-）和甲基（-CH?）的振动相关。1620 cm?1和1510 cm?1处的特征峰分别对应羰基（C=O）和苯环的骨架振动，而1180 cm?1和1030 cm?1处的峰群则与糖苷键和芳香环的C-O-C振动模式相关。

化学计量学分析采用三阶段处理流程：首先通过主成分分析（PCA）降维处理高维光谱数据，成功将108组原始光谱数据压缩至三维空间特征；随后应用聚类分析（CA）构建物种亲缘关系树状图，发现Curcuma属存在显著的地理分化特征；最终通过相关图模型（correlogram）识别出9个具有鉴别意义的特征峰（图1），其中Boesenbergia rotunda的1370 cm?1峰与其它物种形成明确区分带。

研究建立的化学分类体系具有多重应用价值：在质量控制方面，成功将市场流通的干燥粉末制品按地理来源分类，有效区分了同种不同产地的化学差异；在物种鉴定方面，对形态高度相似的Curcuma longa和Curcuma zanthorrhiza实现准确鉴别；在传统医学应用方面，揭示了Curcuma属物种的姜黄素（curcuminoids）含量与产地的相关性，为道地药材鉴别提供新依据。

化学分类模型显示，Alpinia galanga与Kaempferia galanga存在较近亲缘关系（相似度达78%），而Zingiber officinale与Zingiber purpureum的聚类距离最远（欧氏距离>4.2）。这种分类结果与分子生物学研究结论高度吻合，验证了FTIR化学分类的可靠性。特别值得注意的是，Boesenbergia rotunda因其独特的二萜类化合物特征，在聚类分析中形成独立分支，这与其抗肿瘤活性研究相呼应（Kongsui et al., 2023）。

在方法学创新方面，研究首次将FTIR光谱特征与化学计量学模型进行多维度结合：主成分分析（PCA）用于消除光谱中的冗余信息，方差分析（ANOVA）确认特征峰的显著性，最终通过层次聚类（hierarchical clustering）构建四维化学分类图谱。这种多阶段分析方法使光谱分辨率提升37%，误判率降低至2.1%以下。

研究同时揭示了环境因素对化学组成的深刻影响。地理样本间的FTIR光谱差异主要源于光照时长（年均8-12个月）、土壤pH值（4.5-6.8）和降水模式（2000-4000 mm/年）等生态参数的变异。例如，爪哇产Curcuma longa的姜黄素含量（3.2%）显著高于苏门答腊同种（1.8%），这与其种植地的年均日照时数差异（2100 vs 1800小时）直接相关。

在传统应用验证方面，研究证实了"temukunci"（Boesenbergia rotunda）中pinostrobin的地理分布特征。该化合物在苏门答腊样本中的含量（0.65%）是爪哇样本（0.38%）的1.7倍，这种差异与其种植地特有的湿热气候条件（年均温28℃）有关。类似地，Alpinia galanga中ethyl-p-methoxycinnamate的含量在巴布亚样本（0.42%）显著高于爪哇样本（0.27%），与当地特有的酸性红壤形成正相关。

研究建立的化学分类模型已通过外部验证，成功鉴别了市场流通的23种姜科制品。通过特征峰的线性组合（如1370+1180+1030 cm?1）构建鉴别指数，准确率可达92.3%。该方法在2024年印尼传统医药质量控制项目中得到实际应用，成功识别出12.7%的假冒产品，其中以混淆Curcuma longa和C. zanthorrhiza最为常见。

当前研究仍存在若干局限：样本数量相对有限（12个物种，每个3个地理来源），未涵盖所有印尼姜科物种；环境因素（如土壤重金属含量、微生物群落）对化学组分的综合影响尚未完全解析；FTIR对某些次生代谢物（如姜烯酮类）的检测灵敏度有待提升。后续研究计划纳入20个物种样本，并引入HPLC-FTIR联用技术，同时建立环境参数数据库进行多因素分析。

该研究成果为姜科植物的系统分类提供了新的技术路径，其建立的多维化学分类模型（MCCM）已被推荐纳入《印尼传统草药质量控制指南（2025版）》。在方法学层面，开发的FTIR-PCA-CA三阶段分析流程被证实适用于热带药用植物的快速鉴别，检测时间缩短至常规GC-MS方法的1/5，且无需溶剂消耗，符合绿色化学原则。研究结果还发现，同一物种在不同产区的化学特征存在5%-15%的差异，这为地理标志产品的认证提供了理论依据。

在产业应用方面，研究开发的FTIR快速鉴别仪已在印尼四大药企实现商业化应用，使原料采购成本降低18%，质量投诉率下降43%。特别在香料行业，通过鉴别"jahe"（Zingiber officinale）与"bengle"（Zingiber purpureum）的化学特征差异，帮助企业避免价值300万美元/年的假冒产品损失。在医药研发领域，发现"temulawak"（Curcuma zanthorrhiza）与热带雨林微气候存在正相关，其姜黄素生物利用度提高22%，这为优化道地药材种植提供了新思路。

化学分类模型的应用还延伸至植物保护领域。通过比对不同产地样本的次生代谢物谱，成功识别出携带病原菌的特定化学特征（如特定酚类化合物异常积累），使病害检测准确率提升至89%。在文化遗产保护方面，研究证实了"lengkuas"（Alpinia galanga）在爪哇传统疗法中的独特地位，其挥发性成分谱与当地特有香料配方高度吻合，为非物质文化遗产保护提供了科学支撑。

未来研究将重点突破以下方向：开发基于机器学习的FTIR自动解析系统，实现从光谱到化学成分的实时预测；建立姜科植物全基因组-代谢组-转录组联合数据库；拓展FTIR技术至活体植物检测，解决干燥粉末鉴别与新鲜植株特性差异的问题。这些技术突破将推动传统药用植物从经验鉴别向科学分类的全面转型，为全球姜科资源的研究利用建立标准化范式。