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Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 8549 (2022) Citar este artículo

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El análisis multielemental se utiliza ampliamente para identificar los orígenes geográficos de las plantas. El propósito de este estudio fue explorar la viabilidad de combinar la quimiometría con el análisis de elementos múltiples para la clasificación de Codonopsis Radix de diferentes regiones productoras de la provincia de Gansu (China). Se recogieron un total de 117 muestras de Codonopsis Radix de 7 condados de la provincia de Gansu. Se utilizó espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) para la determinación de 28 elementos (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51). V, 7Li, 208Pb, 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be y 202Hg). Entre los macroelementos, 39 K mostró el nivel más alto, mientras que 23Na tuvo el valor de contenido más bajo. Los microelementos mostraron el orden de concentración de: 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu. Entre los oligoelementos, 53Cr y 61Ni mostraron un mayor contenido y no se detectó 4Be en todas las muestras. La diferenciación intraregional se realizó mediante análisis de componentes principales (PCA), análisis de conglomerados (CA) y algoritmos de aprendizaje supervisado como análisis discriminante lineal (LDA), k vecinos más cercanos (k-NN), máquinas de vectores de soporte (SVM) y bosques aleatorios (RF). Entre ellos, el modelo RF obtuvo el mejor rendimiento con una tasa de precisión del 78,79%. El análisis multielemental combinado con RF fue un método confiable para identificar los orígenes de Codonopsis Radix en la provincia de Gansu.

Codonopsis Radix se utiliza normalmente como sustituto del costoso ginseng, que es una de las medicinas tradicionales chinas más comunes1. Codonopsis Radix tiene diversas propiedades medicinales, como actividades inmunomoduladoras2, anticancerígenas3, protectoras gastrointestinales4, antidiabéticas5 y reguladoras de la flora intestinal6. Debido a sus buenas propiedades nutricionales, Codonopsis Radix también es un material alimenticio importante para té, vino, sopa, yeso, gachas, etc.7 Como material medicinal chino con el mismo origen que la medicina y los alimentos, Codonopsis Radix es absolutamente popular en Asia. países como China, Japón, Corea del Sur, Singapur y et al8. China es un importante productor y exporta Codonopsis Radix de alta calidad a otros países. En China, Codonopsis Radix se ha cultivado en las provincias de Gansu, Shanxi, Sichuan, Hubei, Yunnan y Chongqing. Entre ellos, Codonopsis Radix de las áreas de producción de Gansu es de buena calidad y alto precio. Algunos condados del sureste de la provincia de Gansu son las áreas de producción más importantes de Codonopsis Radix en China y representan más del 80% de la producción total, como Weiyuan, Lintao, Longxi, Zhang, Min, Tanchang y Wen9. Las condiciones naturales únicas de estos lugares son la garantía para la producción de Codonopsis Radix de alta calidad, como la altitud, el suelo, las precipitaciones y la insolación10. La composición de los elementos inorgánicos de las plantas está influenciada por factores genéticos y ambientales. La composición del suelo y la variación climática pueden influir en el contenido de elementos de las plantas11. Por tanto, es necesario comprender los niveles de expresión final de los elementos de Codonopsis pilosula. Sin embargo, las investigaciones relacionadas son limitadas.

En los últimos años, los consumidores prestan cada vez más atención a la trazabilidad geográfica y la autenticidad de las hierbas, porque estos aspectos se han convertido en indicadores de su calidad y seguridad12. Por lo tanto, es de gran importancia para las economías de la provincia de Gansu garantizar el origen geográfico de Codonopsis Radix. Sin embargo, no hubo ningún informe sobre la trazabilidad de los orígenes de Codonopsis Radix.

El análisis multielemental se utiliza comúnmente para la trazabilidad del origen de las plantas, porque los elementos inorgánicos no se metabolizan durante el proceso metabólico y están estrechamente relacionados con el suelo y el clima de las áreas de plantación. La espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) es un método estable y eficaz para la determinación de múltiples elementos con sensibilidades más altas que los métodos comunes13,14,15. El contenido elemental combinado con la quimiometría se ha utilizado como una poderosa herramienta para la diferenciación de los orígenes geográficos de las plantas16,17. Richter et al. utilizaron técnicas de aprendizaje automático e ICP-MS para predecir con éxito los orígenes geográficos de muestras de espárragos blancos de Polonia, China, Países Bajos, Grecia, Alemania, España y Perú18. Canizo et al. lograron la clasificación de uvas producidas en diferentes viñedos de la provincia de Mendoza (Argentina) en base a análisis multielementos y técnicas quimiométricas10. Por lo tanto, podría ser una estrategia sólida distinguir los orígenes geográficos de Codonopsis Radix en la provincia de Gansu.

Este estudio tuvo como objetivo (1) analizar el contenido de 28 elementos (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51 V, 7Li, 208Pb , 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be y 202Hg) en 117 muestras de Codonopsis Radix de 7 condados de la provincia de Gansu mediante ICP-MS; (2) evaluar el potencial del análisis de elementos múltiples combinado con herramientas quimiométricas para distinguir muestras de Codonopsis Radix en función de su origen geográfico.

La validación del método ICP-MS se evaluó mediante linealidad, sensibilidad, exactitud y precisión (consulte la Tabla complementaria S1 en línea). Los valores de R2 observados que oscilaron entre 0,9931 y 1,0000 y el valor de F experimental mayor que el F crítico tabulado concluyen que la linealidad de las curvas analíticas fue buena. La sensibilidad está determinada por los límites de detección (LOD) y cuantificación (LOQ), que siguen las últimas recomendaciones de IUPAC19, tomando α y β (que indican errores de tipo I y II, respectivamente) como valor predeterminado de 0,05. Excepto 4Be y 107Ag, los valores LOQ de los elementos restantes en las muestras de Codonopsis Radix en este estudio fueron todos más bajos que sus niveles naturales. Dado que no hay muestras certificadas disponibles para Codonopsis Radix, la precisión del método se determinó analizando muestras de Codonopsis Radix (n = 3) fortificadas en sus niveles nativos antes de la digestión con microondas. La tasa de recuperación promedio de la mayoría de las sustancias químicas está dentro del rango aceptable (85-115%), lo que indica que la pérdida durante el proceso de digestión no es obvia o casi insignificante. Se encontró que los valores de desviación estándar relativa (RSD) de los elementos eran inferiores al 10%. Por lo tanto, los resultados de los parámetros de calidad confirmaron que los métodos utilizados cumplen con los estándares requeridos para la aplicación de métodos analíticos.

Los elementos analizados en el presente estudio se clasificaron en macro (≥ 100 μg/g), micro (10 ~ 100 μg/g) y traza (< 10 μg/g) según su contenido. El contenido total de 7 macroelementos en 117 muestras de Codonopsis Radix de diferentes condados se resumió en la Tabla 1. El orden del contenido promedio de los macroelementos fue el siguiente: 39 K > 24 Mg > 27Al > 44Ca > 57Fe > 137Ba > 23Na. de tendencias similares observadas en los estudios de Bai et al20. Entre ellos, K, Ca, Na, Mg y Fe eran esenciales para el metabolismo humano normal. Fueron importantes en el equilibrio de la presión osmótica, la reacción enzimática y la hematopoyesis21,22. Los niveles medios fueron 11.000 μg/g para 39 K, 1.600 μg/g para 24 Mg, 370 μg/g para 44Ca, 240 μg/g para 57Fe, 170 μg/g para 23Na. Por lo tanto, Codonopsis Radix podría usarse como un suplemento dietético para proporcionar al cuerpo elementos minerales importantes, especialmente K. Sorprendentemente, el contenido del elemento K en Codonopsis Radix es mucho mayor que el de algunas hierbas medicinales chinas como Rhizoma Coptidis23 y Ephedrae herba16. e incluso superior a algunas frutas ricas en K, como los higos24. Además, en comparación con el informe de Sun et al., se encontró que el contenido de Mg y Fe en la Angélica china del condado de Min es mucho mayor que el de Codonopsis Radix, y el contenido de Na es menor que el de Codonopsis Radix25. Demostró que la capacidad de absorción de diferentes materiales medicinales a los elementos metálicos en el mismo suelo podría ser diferente. Al y Ba no eran elementos esenciales del cuerpo humano y su ingesta excesiva era perjudicial para el sistema nervioso y renal26. Se encontró que el contenido medio de 27Al y 137Ba era de 400 y 207 μg/g en todas las muestras de Codonopsis Radix, que era más alto que el de algunas medicinas tradicionales chinas reportadas, como Atractylodes macrocephala Koidz17 y Rhizoma Coptidis23. Además, el contenido más alto de 39 K, 44Ca, 24 Mg, 57Fe, 27Al y 137Ba se encontró en las muestras del condado de Wen, lo que puede estar relacionado con la abundancia de elementos minerales en el suelo local.

El contenido de 5 microelementos en 117 muestras de Codonopsis Radix de diferentes condados se proporciona en la Tabla 2. El contenido medio de microelementos en las muestras de Codonopsis Radix analizadas mostró el orden: 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu. Entre ellos, el Zn y el Mn son elementos esenciales del cuerpo humano. El Zn fue importante en el crecimiento y desarrollo intelectual de los niños27. El Mn desempeñó un papel clave en el sistema inmunológico y también se consideró potentes antioxidantes28. El contenido medio de 55Mn y 66Zn fue de 26 y 21 μg/g, respectivamente. El contenido del elemento Mn fue inferior al contenido medio de Mn en 39 medicinas tradicionales chinas informadas por Gyamfi, y el contenido de Zn es ligeramente superior29. El nivel más alto de 55Mn se encontró en muestras del condado de Wen y el nivel más alto de 66Zn se encontró en el condado de Zhang. En un determinado rango de concentraciones, el Cu es un elemento esencial, que está relacionado con los grupos protésicos de diversas enzimas y participa en reacciones redox clave. Sin embargo, una vez que el Cu es excesivo en el cuerpo, causará enfermedades neurodegenerativas y deterioro de la función hepática30. El límite permisible establecido por la Norma de Comercio Verde para la Importación y Exportación de Plantas y Preparados Medicinales (WM-T2-2004) es de 20 ug/g. El contenido de 65Cu en 117 muestras de Codonopsis Radix osciló entre 2,2 y 9,6 μg/g, con un contenido promedio de 5,4 μg/g. El contenido de Cu de todas las muestras de este estudio estuvo dentro del límite permitido y el contenido más alto se encontró en muestras del condado de Wen. Sr y Rb no son elementos esenciales, los niveles medios de 88Sr y 85Rb en las muestras de Codonopsis Radix analizadas fueron 48 y 6,8 μg/g, respectivamente. El nivel más alto de 88Sr se encontró en muestras del condado de Wen y el nivel más alto de 85Rb se encontró en el condado de Tanchang. Entre ellos, el contenido de Sr era mucho mayor que el de Rhizoma Coptidis23 y Chinese Angelica25 en China, y era menor que el de algunas hierbas medicinales en Turquía14.

En la Tabla 3 se muestra el contenido de 15 oligoelementos en 117 muestras de Codonopsis Radix de diferentes condados. Estos incluyen algunos oligoelementos esenciales como Cr, Ni, Se, V y Co, que son nutrientes esenciales que actúan como cofactores en el metabolismo y otros. procesos biológicos. Por ejemplo, el cromo es importante en la utilización de la glucosa31. El selenio es un componente importante de la enzima glutatión peroxidasa32. Se cree que el níquel actúa como cofactor para la absorción de hierro en el intestino durante procesos fisiológicos33. El vanadio es un cofactor enzimático en el metabolismo hormonal, de la glucosa, de los lípidos, de los huesos y de los dientes34. El cobalto es un componente importante de la vitamina B1235. El contenido promedio de 53Cr, 61Ni, 51 V, 77Se y 59Co fue de 1,2, 1,0, 0,7, 0,2 y 0,1 ug/g, respectivamente. El contenido más alto de 61Ni, 51 V, 59Co y 77Se se encontró en las muestras del condado de Wen, y el contenido más alto de 53Cr se encontró en el condado de Min. También se determinaron los contenidos de oligoelementos no tóxicos 7Li, 71 Ga, 133Cs y 107Ag y sus contenidos promedio fueron 0,3, 0,1, 0,09 y 0,002 ug/g, respectivamente. El contenido de Ni, V, Co, Se Li, Cs y Ag concordó bien con los valores reportados por Bai et al20, y el contenido de Ga fue menor.

Los oligoelementos tóxicos, incluidos As, Cd, Hg, Pb, U y Tl, se reconocen como contaminaciones ambientales tóxicas y su contenido debe controlarse cuidadosamente, especialmente en las hierbas. El contenido medio de oligoelementos tóxicos en todas las muestras de Codonopsis Radix analizadas estuvo en el siguiente orden: 208Pb > 75As > 114Cd > 205Tl > 202Hg > 238U, y los valores fueron 0,3, 0,2, 0,04, 0,05, 0,03 y 0,02 ug/g. , respectivamente. Estos elementos tóxicos podrían provocar daños irreversibles en los sistemas nervioso, digestivo e inmunológico, pulmones, riñones, piel y ojos36. Con base en el Estándar de Comercio Verde para la Importación y Exportación de Preparaciones y Plantas Medicinales (WM-T2-2004), el límite permitido de Pb, As, Cd y Hg establecido para la medicina tradicional china fue 5,0, 2,0, 0,3 y 0,2 μg/g, respectivamente. . Los niveles más altos de 208Pb, 75As, 114Cd y 202Hg en todas las muestras de Codonopsis Radix del estudio son 0,6, 0,4, 0,4, 0,05 μg/g. Después de la comparación, se encuentra que 117 muestras de Codonopsis Radix tenían un contenido de 208Pb, 75As y 202Hg por debajo del límite permitido. Sin embargo, el contenido de 114Cd en 4 muestras del condado de Wen excedió los límites permitidos. Se encontró que el contenido de elementos 208Pb, 75As, 114Cd y 202Hg en la Codonopsis Radix analizada de las áreas de producción de Gansu era generalmente menor que el contenido de estos elementos de metales pesados en otras hierbas, como la hoja de ajenjo Argy, la raíz de Morinda y Zedoray. Rizoma, raíz de madder india37, que podría estar relacionado con el suelo, el clima y una menor contaminación por metales pesados de las áreas de plantación. El contenido de Cr, As y Pb fue inferior a los valores reportados por Kong38.

Se realizó una prueba de Kruskal-Wallis después de la corrección de Bonferroni para investigar inicialmente el contenido de elementos con diferencias significativas en muestras de Codonopsis Radix de siete condados de la provincia de Gansu en China (indicado por p <0,05). Los valores de p mostraron que el contenido de 27 elementos (no se detectó 4Be) en Codonopsis Radix tuvo diferencias significativas. Por lo tanto, todos los elementos tuvieron una gran influencia en la clasificación de procedencia para uno o más pares de orígenes (consulte la Tabla complementaria S2 en línea). Los diagramas de caja representan los perfiles de contenido de los elementos clave con mayor importancia en Codonopsis Radix de diferentes condados (consulte la Figura complementaria S1 en línea). Para los elementos 55Mn, 44Ca, 24 Mg, 208Pb y 238U, los niveles más altos se observan en muestras del condado de Wen. Los niveles de 71 Ga para muestras de los condados de Wen y Tanchang son significativamente más altos que los de otros condados. 66Zn reveló niveles más altos en muestras del condado de Zhang. Se encontró que el contenido de 55Mn y 208Pb era muy bajo en muestras del condado de Zhang. Se encontró que el contenido de 88Sr era bajo en muestras de los condados de Min, Tanchang y Zhang. 85Rb reveló niveles más bajos en muestras del condado de Min.

Para obtener una descripción general del conjunto de datos y visualizar las diferencias entre las muestras de Codonopsis Radix de diferentes condados, primero se realizó PCA con los 27 elementos con diferencias significativas (p <0,05). El contenido total de información de un número determinado de componentes principales estuvo representado por el valor porcentual acumulado (%) de la varianza total. Los dos primeros componentes principales (PC) representaron el 56,1% (PC1 representó el 46,3% y PC2 el 9,8%). La Figura 1 muestra la puntuación PC1-PC2 y los gráficos de carga. Como se muestra en la Fig. 1a, hubo una gran superposición entre las puntuaciones correspondientes a muestras de Codonopsis Radix de diferentes orígenes. Sin embargo, las muestras de Codonopsis Radix del condado de Wen presentaron una puntuación positiva en el PC1 considerado y se distinguieron con muestras de los condados de Zhang y Min con puntuaciones negativas en el PC1.

Gráficos de puntuación (a) y carga (b) del primer componente principal (PC1) frente al segundo componente principal (PC2).

Como se muestra en la Fig. 1b, PC1 estuvo fuertemente asociado con los valores de 57Fe, 27Al, 71 Ga, 75As, 133Cs, 77Se y 59Co. Las muestras de Codonopsis Radix con puntuaciones negativas en PC1 indicaron un menor contenido de estos elementos. Por otro lado, 88Sr, 23Na, 61Ni y 53Cr fueron las principales variables del PC2. La puntuación positiva correspondió a un mayor contenido de 88Sr y 23Na y las puntuaciones negativas indican un mayor contenido de 61Ni y 53Cr.

Utilizar la correlación de Pearson como medida de similitud, combinada con agrupamiento jerárquico para generar un mapa de calor. Se observaron fuertes correlaciones dentro de los elementos 27Al, 57Fe, 51 V, 59Co, 75As, 71 Ga y 77Se, lo que indicó que los respectivos perfiles de contenido eran bastante similares (consulte la Figura complementaria S2 en línea). Para evitar generar datos excesivos, se recalculó el mapa de calor conteniendo solo uno de los elementos altamente relacionados. Como se muestra en la Fig. 2, el diagrama de árbol horizontal de las muestras de Codonopsis Radix mostró un grupo de muestras completamente separado del condado de Wen. Las muestras de otros condados no formaban grupos separados. Las indicaciones de elementos clave relacionados con la diferenciación de procedencias podrían extraerse de los perfiles de contenido. Muestra no solo un alto contenido de elementos esenciales como 44Ca, 24 Mg, 39 K, sino también elementos tóxicos como 208Pb y 114Cd para las muestras de Codonopsis Radix del condado de Wen.

Mapa de calor del grupo que muestra las concentraciones de elementos en muestras de Codonopsis Radix. La escala de colores muestra el rango de concentraciones desde baja (azul) hasta alta (rojo).

Para categorizar las muestras de Codonopsis Radix de acuerdo con sus orígenes geográficos, se llevó a cabo un LDA paso a paso. En el primer paso, se exploró todo el conjunto de datos para separar ampliamente las muestras de Codonopsis Radix. Como se muestra en la Fig. 3a, las dos primeras funciones discriminantes canónicas (DF) explicaron el 64,74% de la varianza. Los datos trazados mostraron que las muestras de Codonopsis Radix del condado de Wen formaban un grupo independiente distinto. Mientras que las muestras de los condados de Lintao, Weiyuan, Longxi, Min, Zhang y Tanchang se agruparon con una separación indistinta. Para decidir la precisión de las muestras cercanas, el contenido elemental de estos condados se trazó por separado. Como se muestra en la Fig. 3b, las muestras de Codonopsis Radix de los condados de Min y Zhang obviamente estaban separadas. Sin embargo, las muestras de Lintao, Weiyuan, Longxi y Tanchang se agruparon. Al profundizar en este enfoque, las muestras de los condados de Lintao, Weiyuan, Longxi y Tanchang se agruparon por separado con una separación poco clara en la Fig. 3c.

Gráfico de dispersión de las dos primeras funciones discriminantes del análisis discriminante lineal de muestras de Codonopsis Radix según su origen geográfico. (a) datos de todas las regiones, (b) datos de Lintao, Weiyuan, Longxi, Min, Zhang y Tanchang, (c) datos de Lintao, Weiyuan, Longxi y Tanchang.

Para llevar a cabo un análisis de clasificación predictivo, la matriz de datos se dividió aleatoriamente en un conjunto de entrenamiento (70% de los objetos de toda la matriz de datos) y el conjunto de prueba (30%). Para calcular el clasificador se utilizó un conjunto de entrenamiento con membresía de clase conocida. El conjunto de prueba contenía objetos no incluidos en el entrenamiento y tenía membresía de clase conocida para verificar el modelo construido.

En este trabajo, se seleccionaron y probaron cuatro modelos quimiométricos, a saber, LDA, k-NN, SVM y RF, para clasificar muestras de Codonopsis Radix según su origen geográfico. Los métodos LDA, k-NN, SVM y RF necesarios para optimizar algunos parámetros y construir un modelo, y luego evaluarlo como una herramienta predictiva. Se entrenó cada modelo mediante el uso de validación cruzada k-fold en el conjunto de entrenamiento para construir diferentes clasificadores. Este proceso se repitió n veces, por lo que cada subconjunto debe probarse al menos una vez. En este trabajo, las elecciones del número de vecinos k para k-NN; número de variables evaluadas en cada división (mtry) y número de árboles (ntree) para RF; y el factor de penalización C y ε de la función de pérdida insensible a ε para SVM, se calcularon utilizando una técnica de validación cruzada diez veces repetida cinco veces mediante la cual se seleccionó la máxima precisión.

Una vez seleccionado el mejor valor para cada modelo, se evaluaron la sensibilidad (muestras que pertenecen a esa categoría y se clasifican correctamente en esa categoría), la especificidad (muestras que no pertenecen a la categoría modelada y se clasifican correctamente como no pertenecientes a la muestra) y el Se consideró la tasa de precisión media para la evaluación de la clasificación lograda mediante métodos quimiométricos. Los resultados que indican el desempeño de los diferentes métodos de clasificación se muestran en la Tabla 4.

Según el análisis de la Tabla 4, se pudo descubrir que los cuatro métodos quimiométricos mostraron diferentes grados de éxito en la predicción de las muestras de prueba. La secuencia de tasa de reconocimiento exitoso fue la siguiente: RF > SVM > LDA > k-NN. RF mostró el mejor rendimiento al distinguir las muestras de Codonopsis Radix en función de sus orígenes geográficos, con una precisión de categorización total del 78,79 %. Se obtuvieron excelentes resultados con muestras de Codonopsis Radix de los condados de Wen, Min, Zhang y Tanchang con predicciones 100% precisas. Sin embargo, el origen de Codonopsis Radix de Weiyuan, Lintao y Longxi no se pudo predecir bien, lo que podría deberse a la proximidad de las tres áreas de producción y a condiciones naturales y tipos de suelo similares.

En resumen, el análisis elemental basado en ICP-MS elegido en este estudio provoca mayores costes de adquisición y mantenimiento en comparación con otras técnicas elementales. Por otro lado, puede determinar simultáneamente múltiples elementos combinados con límites de detección bajos. Además, la investigación ICP-MS no reveló desventajas considerables en términos de tiempo de análisis o coste en comparación con métodos de identificación más establecidos. Por lo tanto, nuestra tecnología basada en ICP-MS combinada con análisis quimiométrico es una herramienta poderosa para la trazabilidad original y la identificación de materiales medicinales, lo cual es consistente con los resultados reportados en muchos estudios39,40,41. En el estudio actual, se encontró que la diferenciación a través de la composición elemental era confiable y satisfactoria para Codonopsis Radix recolectada en 7 condados de la provincia de Gansu. Entre todas las pruebas estadísticas, la RF resultó ser la diferenciación de origen más exitosa de las muestras analizadas. Nuestros resultados podrían proporcionar una nueva estrategia para la trazabilidad del origen de las medicinas herbarias chinas. Cabe enfatizar que las 117 muestras de Codonopsis Radix de este estudio se recolectaron en su período óptimo de recolección. Excepto que las muestras del condado de Wen tuvieron años de crecimiento más largos, las muestras de las otras seis áreas productoras tuvieron los mismos años de crecimiento. Es necesario recolectar más muestras para análisis adicionales para explorar si el período de crecimiento y el período de cosecha afectarán el contenido de elementos en Codonopsis.

Se recogieron un total de 117 muestras de Codonopsis Radix de siete condados de la provincia de Gansu (China): Lintao (35,39 N, 103,88E), Weiyuan (35,17 N, 104,19E), Longxi (34,98 N, 104,61E), Zhang (34,87 N , 104.48E), Min (34.41 N, 104.04E), Tanchang (34.06 N, 104.38E), Wen (32.95 N, 104.70E) durante la temporada de cosecha de 2019 (Fig. 4). Las muestras de Lintao, Weiyuan, Longxi, Zhang, Min y Tanchang fueron identificadas como Codonopsis pilosula (Franch.) Nannf. Las muestras de Wen fueron identificadas como Codonopsis pilosula Nannf.var. modesta (Nannf.) LT Shen. Todas las muestras de Codonopsis Radix fueron identificadas por el Sr. Xicang Yang del Departamento de Farmacia del Hospital Afiliado de la Universidad de Medicina China de Gansu. Todas las muestras fueron sometidas al mismo proceso de frotamiento, sudoración y secado para obtener Codonopsis Radix seca. Los experimentos de este estudio se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes establecidas por el Ministerio de Agricultura de la República Popular China.

Ubicaciones geográficas y número de Codonopsis Radix estudiadas en este trabajo (preparado por RB en ArcGIS Pro, https://www.esri.com/zh-cn/arcgis/products/arcgis-pro/resources).

Para digerir las muestras se utilizó ácido nítrico suprapuro (65%) de Merck (Darmstadt, Alemania). Se obtuvo agua ultrapura (resistividad de 18,2 MΩ cm a 25 °C) de un sistema de purificación de agua Milli Q (Millipore, Alemania). Soluciones estándar certificadas de elementos múltiples (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51 V, 7Li, 208Pb, 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77Se, 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 4Be) se compró a Inorganic Ventures (EE. UU.). La solución estándar monoelemental de mercurio (202Hg) se adquirió del Instituto de Metrología de China.

La Codonopsis Radix seca (contenido de agua ≤ 16,0%) se horneó en un horno a 60 ℃ durante 2 h, se molió usando un pulverizador y se almacenó en bolsas de plástico. Se pesaron con precisión aproximadamente 300 mg de las muestras en un recipiente de digestión de PTFE. Se agregaron al recipiente 3 ml de HNO3 concentrado y 1 ml de H2O concentrada y se esperaron aproximadamente 20 minutos antes de cerrar el recipiente. La digestión de Codonopsis Radix se realizó utilizando el sistema de digestión asistida por microondas MARS (CEM, Reino Unido). El procedimiento de digestión fue el siguiente: (1) 900 W a 110 ℃ durante 10 min; (2) 1200 W a 200 ℃ durante 16 min; (3) 1200 W a 240 ℃ durante 25 min; (4) 0 W durante 40 min para enfriar. Después de enfriar, transferir el contenido de los tubos a un matraz volumétrico y completar hasta 50 ml con agua bidestilada. Los experimentos en blanco (n = 3) se realizaron de la misma manera.

El análisis ICP-MS se realizó en un instrumento Agilent 7900 (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, EE. UU.). 28 elementos (39 K, 24 Mg, 44Ca, 27Al, 137Ba, 57Fe, 23Na, 88Sr, 55Mn, 66Zn, 65Cu, 85Rb, 61Ni, 53Cr, 51 V, 7Li, 208Pb, 59Co, 75As, 133Cs, 71 Ga, 77 sí , 205Tl, 114Cd, 238U, 107Ag, 202Hg y 9Be). La potencia de frecuencia fue de 1300 W. El caudal de colisión, de gas portador y de plasma fue de 5,00, 1,17 y 15,00 L/min, respectivamente. La temperatura de la cámara de nebulización fue de 2ºC. La celda de colisión se hizo funcionar a un caudal de helio de 5,5 ml/min para separar las interferencias poliatómicas. Se utilizaron 209Bi, 115In, 103Rh, 72Ge y 45Sc como estándares internos para corregir los efectos de la matriz y la deriva del instrumento.

Primero, se comparó la concentración de todos los elementos con el LOD y el LOQ. 4Be no se detectó en todas las muestras. Se descubrió que la concentración de 107Ag contenía un valor inferior al LOD, lo que significaba que no había 107Ag detectable en algunas muestras de Codonopsis Radix. Para evitar dificultades en la aplicación de la función logarítmica, la concentración del elemento 107Ag situado debajo del LOD se fijó en el nivel LOD en lugar de cero.

Se promediaron tres copias de todas las muestras y para el análisis de datos se utilizó el logaritmo del contenido promedio de los elementos en base 10 (log10). La matriz de datos constaba de 27 columnas (no se detectó Be) y 117 filas para análisis quimiométricos. Las columnas representaron el contenido de los elementos y las filas correspondieron a cada muestra. Se utilizó el análisis de varianza (ANOVA) para comparar las diferencias de contenido elemental de las muestras, con p <0,05 como nivel de significancia. Se llevó a cabo un análisis de componentes principales (PCA) para reducir la dimensionalidad y visualizar el conjunto de datos. Basado en la correlación de Pearson, se ejecutó un análisis de conglomerados jerárquico (HCA) para detectar similitudes de características en el conjunto de datos.

Se realizaron cuatro métodos quimiométricos para evaluar diferentes modelos para la clasificación de Codonopsis Radix cultivadas en las provincias de Gansu según sus orígenes: análisis discriminante lineal (LDA), k-vecino más cercano (k-NN), máquina de vectores de soporte (SVM) y bosque aleatorio. (RF). LDA es un método de clasificación diseñado para maximizar la relación entre la variación entre clases y la variación dentro de la clase para lograr la máxima separabilidad. El límite de decisión creado por LDA se denomina función discriminante y es una combinación lineal de las variables que mejor pueden distinguir categorías42. k-NN es una técnica de clasificación que utiliza la distancia euclidiana para calcular las k muestras (vecinas) más cercanas a la muestra de prueba en el espacio de características, y luego establece su etiqueta de categoría en la etiqueta de categoría más frecuente que aparece en el vecinos encontrados43. SVM es un método poderoso para construir clasificadores. Su objetivo es crear un límite de decisión entre dos clases, de modo que las etiquetas puedan predecirse en función de uno o más vectores de características44. RF consta de una gran cantidad de árboles de decisión individuales que operan como un conjunto. Cada árbol individual en el bosque aleatorio escupe una predicción de clase y la clase con más votos se convierte en la predicción del modelo45. Todos los análisis estadísticos básicos y multivariados se realizaron con el software R versión R 3.6.3.

El perfil de composición elemental se evaluó por primera vez en detalle para macro, micro y oligoelementos en las muestras de Codonopsis Radix recolectadas en siete condados de la provincia de Gansu. Entre los macroelementos, 39 K tuvo los niveles de contenido más altos y 23Na los más bajos. Entre los microelementos, se encontró que el orden del contenido era 88Sr > 55Mn > 66Zn > 85Rb > 65Cu. Entre los oligoelementos, 53Cr y 61Ni presentaron mayor contenido. Los contenidos de elementos traza tóxicos 208Pb, 75As y 202Hg estaban por debajo del límite permitido en todas las muestras. Y el 114Cd también estuvo por debajo del límite permitido, excepto las 4 muestras de los condados de Wenxian. Los análisis estadísticos de los datos utilizando RF clasificaron con éxito las muestras de Codonopsis Radix de las áreas de producción de Wenxian, Minxian, Zhangxian, Tanchang y Weiyuan (o Lintao o Longxi). Los parámetros óptimos de este modelo son preferentemente ntree = 1000 y mtry = 16.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (2018YFC1706300, 2018YFC17063003), los Proyectos Principales en la Provincia de Gansu (21ZD4FA013), el Proyecto Especial de Medios de Vida del Pueblo del Plan Guía de Innovación Técnica de la Provincia de Gansu (20CX4FK014), el Programa de Innovación de Talento y Proyecto de Emprendimiento de Lanzhou (2017-RC115, 2020-RC-41).

Facultad de Farmacia @ Laboratorio Estatal Clave de Química Orgánica Aplicada (SKLAOC), Universidad de Lanzhou, Lanzhou, 730000, China

Ruibin Bai, Yanping Wang, Jingmin Fan, Jingjing Zhang, Wen Li y Fangdi Hu

Centro Nacional de Investigación de Ingeniería para la Medicina Tradicional China a Base de Gelatina, Dong-EE-Jiao Co., Ltd., Liaocheng, 252052, China

Yan Zhang

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. RB: Conceptualización; Curación de datos; Metodología; Escritura - borrador original; Redacción: revisión y edición. YW: Investigación; Análisis formal; Escritura – borrador original. JF: Investigación; Recursos. YZ: Supervisión; Recursos. JZ: Metodología; Software. WL: Recursos. FH: Adquisición de financiación; Administración de proyecto; Recursos; Análisis formal; Conceptualización; Redacción: revisión y edición. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Fangdi Hu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Bai, R., Wang, Y., Fan, J. et al. Clasificación intrarregional de Codonopsis Radix producida en la provincia de Gansu (China) mediante análisis multielemental y herramientas quimiométricas. Representante científico 12, 8549 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12556-z

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Recibido: 03 de diciembre de 2021

Aceptado: 04 de mayo de 2022

Publicado: 20 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12556-z

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