全 文 :基于色彩色差计和电子鼻的槟榔炒制火候判别
及其指标量化研究
黄学思,李文敏,张小琳,贾晶,张慧慧,吴纯洁
(成都中医药大学 科技中试中心,四川 成都 611137)
[摘要] 目的:引进色彩色差计和电子鼻,将经验指标数据化,实现槟榔炒制“火候”判别的客观数量化,为研究中药炮制
共性技术问题提供一种新的方法及思路。方法:以槟榔为研究对象,在全国范围内采集槟榔及炮制品,应用色彩色差计和电
子鼻采集其颜色特征参数和气味特征参数,通过统计分析总结炮制经验,建立“火候”判别的数学预测模型和90%参考值范
围。结果:建立了基于Lab色度空间的槟榔炒制火候判断的数学判别模型,其判别符合率为100%,双侧90%参考值范围
分别为生品:L(5007~5503),a(4136~6906),b(665~882);炒品:L(43874~47998),a(3816~6732),b
(3786~6558);焦品:L(38744~40616),a(111~301),b(-1434~0538);电子鼻采集不同炮制品的气味数据,
通过线性判别分析(LAD)和主成分分析(PCA),证明不同炮制程度的槟榔气味存在显著区别,建立了数学判别模型。结论:
通过实验证明色彩色差计和电子鼻均可区分不同炮制程度的槟榔样品,采用色彩色差计和电子鼻判别中药炮制的“火候”,具
有一定的可行性,对深入研究中药传统理论提供了参考。
[关键词] 炒制;色彩色差计;电子鼻;火候;槟榔
[收稿日期] 20090205
[基金项目] 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAI09B0601
2);四川省教育厅重大培育项目(07ZZ009)
[通信作者] 吴纯洁,教授,博士生导师,Tel:(028)61801001,E
mail:wcjone@263.net
[作者简介] 黄学思,硕士研究生,中药炮制和中药制剂方向,E
mail:jackhuang1209@yahoo.cn
中药饮片质控方法主要是根据广大药工火候把
握的长期实践积累,采用感观评价,如饮片的形、色、
气、味等,通过眼看、鼻闻、口尝等方式来控制炮制火
候和饮片质量。
随着科学技术进步,感官评价转化为以理化和
生物学评价为主,是饮片质控的发展方向。然而,由
于绝大多数炮制品的物质基础不明,符合中医理论
的动物药理模型又难以建立,公认的定量指标少之
又少,在现行《中国药典》2005年版中也鲜有炮制品
的定量检测项。当前饮片沿用相应药材质控方法,
其中性状描述仍然是炮制品质量标准的重要内容。
本研究对性状鉴别指标的数据化进行了系统研究。
1 色彩色差计和电子鼻
1.1 色彩色差计
色彩色差计又称色差计、色差仪。色彩色差
计有两种类型:滤光片式和光谱分散式。它的测
量原理是利用仪器内部的标准光源照明样本,样
本选择性吸收、反射或散射光线,光电探测器检测
反射光并与标准光源作出比较、计算。可见光光
谱利用窄带滤色镜(滤光片式)或衍射光栅(分散
式)分为各小分段,能够在光谱上得出很高的分辨
率[1]。此外,由于仪器设计简单,结构非常坚固,
能够承受不同环境的影响,适合在实验室环境里
及生产环境中离线操作。在医学中,《美国药
典》[2]自1980年版(USPXX)率先收载了利用色差
值测定药品溶液颜色的方法。其他一些国家的药
品企业标准中也有使用类似的仪器、方法测定药
品溶液的颜色。2000年版《中国药典》[3]以及
2005年版《中国药典》[4]第二部附录ⅨA溶液颜
色检查法也开始将色差法测定药品溶液颜色及其
与规定颜色的差异,但未见有引入中药颜色测定
的报道。
经过色彩色差计测量后,可直接计算出样品颜
色空间值XYZ,也可根据测量样品的需要将这些值
转换成其他均匀色空间的颜色参数,如 Lab色
空间、LCh色空间、亨特 Lab色空间等。因 L
ab色空间是当前最通用的测量物体颜色的色空
间之一,广泛适用于所有领域,并考虑到每种药材本
身的质地、色泽、饮片大小、厚薄、所用辅料等不同,
·6871·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009
在加热过程中发生的变化也各不相同,前期研究采
用Lab色空间精确量化,对数据分析统计,研究
中药炮制颜色测量的可行性[5]。
1.2 电子鼻
电子鼻又称气味扫描仪,它以特定的传感器和
模式识别系统快速提供被测样品的整体信息,指示
样品的隐含特征。电子鼻识别气味的主要机制是在
阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏
度,例如,1号气体可在某个传感器上产生高响应,
而对其他传感器则是低响应,同样,2号气体产生高
响应的传感器对1号气体则不敏感,归根结底,整个
传感器阵列对不同气体的响应信号是不同的,正是
这种区别,才使系统能根据传感器的响应信号来识
别气味。由于在同一个仪器里安装多类不同的传感
器阵列,使检测更能模拟人类嗅觉神经细胞,根据
气味标识和利用化学计量统计学软件对不同气味进
行快速鉴别。
由于这种智能传感器矩阵系统中配有不同类型
传感器,使它能更充分模拟复杂的鼻子,也可通过它
得到某产品特征性身份证明(指纹图),从而辅助专
家快速地进行系统化与科学化的气味监测、鉴别、判
断和分析。目前,国内外对电子鼻的研究异常活跃,
主要应用是饮料、酒类、茶叶、烟草、鱼和肉等食品挥
发气味的识别和分类,目的是对之进行质量分
级[6]。在中药中有类似于食品的特性,特别是不同
炮制品其气味特征各具特点,因此引入电子鼻进行
炮制品的鉴别具有可行性。
2 材料
2.1 仪器
色彩色差计(CR410型,日本柯尼卡美能达有
限公司);电子鼻(FOX4000型,法国阿尔法莫斯仪
器公司);中草药粉碎机(FW135型,天津市泰斯特
仪器有限公司)。统计软件:UtilityCR400,Spectric
MagicNX,Alphasoft,SPSS130。
2.2 样品
本研究以槟榔为样品。样品分别采自中国北京
同仁堂(集团)有限责任公司北京总店、中国北京同
仁堂(集团)有限责任公司成都分店、山东宏济堂医
药连锁有限公司山东店、杭州胡庆余堂国药号有限
公司杭州总店、广东康美药业股份有限公司深圳店、
四川省中药饮片有限公司成都、四川成都新荷花中
药饮片有限公司。样品的采集范围覆盖了我国的东
南西北4个区域,共计24批样品(经成都中医药大
学药用植物学教研室严铸云教授鉴定,均为棕榈科
植物槟榔Arecacatechu的干燥成熟种子),基本能体
现老药工在槟榔炒制中“火候”把握的精髓。同时
为了满足统计分析的需要,每批样品选择5个不同
点,使每类样品量达到120个。
3 方法
3.1 色泽测定
采用色彩色差计分别对槟榔样品(生槟榔、炒
槟榔、焦槟榔)的外部和内部颜色进行客观的综合
评价,即量化生槟榔(表面淡黄棕色或淡红棕色),
炒槟榔(表面微黄),焦槟榔(表面呈焦黄色)等“火
候”指标。每个样品取10g,重复测5次,以均数为
最终测定结果。内部颜色不能直接测定,故考虑需
将其粉碎,90%以上过30目筛,未能过30目筛的与
已过筛的粉末合并,混合均匀,测定色度值,最后综
合考虑外部颜色和粉末颜色,以平均值作为参考。
测定条件:光源 D65,标准观察角度2°,照明口
径Φ50mm,仪器误差ΔEab06以,重复性标准
偏差ΔEab007以内,以色空间Lab进行色泽
量化。
色差值的计算方法如下:
ΔEab= (L2-L1)
2+(a2-a1)
2+(b2-b1)槡 2
3.2 气味测定
采用电子鼻对槟榔样品(生槟榔、炒槟榔、焦槟
榔)的气味进行客观评价,即量化生槟榔(气微),炒
槟榔(微香味),焦槟榔(焦香味)等性状指标。每个
样品重复测5次,以均数为最终测定结果。
检测条件:本电子鼻系统的传感器均为金属氧
化物传感器,其型号如下:
Sensorchamber1中6个传感器分别为LY/LG,
LY/G,LY/AA,LY/GH,LY/gCTL,LY/gCT。
Sensorchamber2中6个传感器分别为 T30/1,
P10/1,P10/2,P40/1,T70/2,PA2。
Sensorchamber3中6个传感器分别为 P30/1,
P40/2,P30/2,T40/2,T40/1,TA/2。
金属氧化物传感器的主要特点:①检测灵敏度
高,通常可以达到ppb级;②传感器响应的基准曲线
基本稳定,可以采用标准溶液对基准曲线的漂移进
行自动补偿;③可以建立长期可靠的数据库。检测
时,载气为合成干燥空气,流速150mL·min-1,称
取05g(准确至001g)样品,放入10mL顶空瓶
·7871·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009
中,加盖密封,待检;检查参数:顶空产生参数包括生
产时间600s,产生温度计45℃,搅动速度500r·
min-1;顶空注射参数包括注射体积15mL,注射速
度15mL·s-1,注射体积25mL,注射针温度55
℃;获取参数包括获取时间120s,延滞时间360s。
3.3 数据分析方法
3.3.1 色泽数据分析方法 本研究采用 UtilityCR
400和SpectricMagicNX软件进行色泽数据的采集
及色空间 Lab参数的转化,进一步采用 SPSS
130软件进行数据分析。主要采用探索性分析进
行多元正态性检验和方差齐性检验,KruskalWalis
H检验,秩相关分析,判别分析,参考值范围应用百
分位数法等。
3.3.2 气味数据分析方法 Alphasoft软件提供了
多种数据分析方法,如主成分分析(PCA)、判别因子
分析(DFA)、统计质量控制分析(SQC)、统计质量控
制分析(SQC)、偏最小二乘回归分析(PLS)等,各种
方法均有其特点和应用场合,本实验数据分别进行
考察,最终选用最适数据处理方法,建立判别模型。
4 基于色彩色差计槟榔不同炮制品色泽量化研究
4.1 色泽测量在不同外界光亮强度的稳定性研究
以2007年5月采于北京同仁堂(北京)的生槟
榔为样品,同一样品,同取样量,在同一装载容器内,
天气晴朗,在1d内不同时间点以色彩色差计测量
颜色,分别为8∶30,12∶30,14∶30,18∶30,22∶30,每
次重复测量5次,以平均值记。
4.2 样品在不同生产批次装载容器的影响
以2007年5月采于北京同仁堂(北京)的生槟
榔为样品,天气晴朗,同一样品,同取样量,在同天同
一时间段,装载容器为烧杯,烧瓶为不同生产批次,
分别为050822,051204,060212,060627,070301,以
色彩色差计测量颜色,每次重复测量 5次,以平均
值记。
结果在不同光亮强度下和在不同生产批次装载
容器中生槟榔的测色数据 RSD均小于3%,说明实
验过程中外界因素对试验结果影响较小,试验方法
稳定性较好,可以用于中药颜色的研究。
4.3 测色方法精密度
以2007年5月采于北京同仁堂(北京)的生槟
榔为样品,同一样品,在同一装载容器内,在同一时
间以色彩色差计测量颜色,重复测量5次。
其测色数据 RSD均小于3%,说明检测方法精
密度较高。
4.4 样品稳定性
以20075采于北京同仁堂(北京)的生槟榔为
样品,同一样品,在同一装载容器内,在不同时间以
色彩色差计测量颜色,分别为0,1,2,3,4d,每次重
复测量5次,以平均值记。
其测色数据 RSD均小于 3%,说明样品稳定
良好。
4.5 槟榔不同炮制品的色泽
参照2.2样品中的介绍进行取样,生品120个
样品,炒品120个样品,焦品120个样品,检测并采
集色泽数据,用SPSS130进行数据分析及建立鉴别
数学模型。
4.5.1 进行探索性分析 由于数据不满足多元正
态性分布和方差齐性,故数据处理选择秩和检验。
4.5.2 多组比较的秩和检验 将样品数据分为生
品、炒品和焦品 3组,KruskalWalisH中 L,a,
b的X2分别为116198,101784,110139,P=0;由
MedianTest中 L,a,b的 X2分别为 115273,
115273,115273,P=0,故均拒绝H0,接受H1,可认
为生品、炒品和焦品的色泽不同。
4.5.3 秩相关 样品分类为生品、炒品和焦品 3
类,分别以分类与L,a,b为变量,进行秩相关检
验,Kendal'staub分别为 -0803,-0764,
-0675,双侧P均为0;Spearman相关系数分别为
-0928,-0901,-0838,双侧P均为0,拒绝H0,
接受H1,可认为L,a,b分别与槟榔炮制程度之
间有直线相关关系。
4.5.4 判别分析 将采集的数据按样品分类,1类
为生品,2类为炒品,3类为焦品,共360个样本作为
训练样本,建立以 L,a,b为输入的槟榔炒制火
候鉴别的鉴别函数,再用训练样本回代对判别函数
进行验证。
据统计分析组间均值相等性检验结果可见,
L,a,b3个自变量的P值均为0,可认为在槟榔
炒制火候的生品、炒品、焦品3种程度分型的判别函
数中,L,a,b都有统计学意义,其中 L的 λ为
0080,a的λ为0238,b的λ为0087,根据λ统
计量越接近 0,表示组间差异越显著判别,可认为
L判别更有意义。
据Wilk′sLambda检验结果可见,建立了2个典
则判别函数,Wilk′sλ分别为0032,0521,P均为
·8871·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009
0,这2个典则判别函数均有统计学意义。标准化典
则判别函数系数如表1,非标准化典则判别函数系
数如表2。
表1 标准化典则判别函数系数
参数 系数1 系数2
L 0511 -1019
a -0455 -0121
b 0926 1141
表2 非标准化典则判别函数系数
参数 系数1 系数2
L 0339 -0676
a -0465 -0123
b 0848 1045
常数 -17225 27002
由表1可知,产生的2个标准化典则判别函数,
主要受b参数的影响,标准化典则函数式分别为:
分类 =0511×L -0455×a +b ×0926;分
类=-1019×L -0121×a +b ×1141。
由表2非标准化典则判别函数系数可得2个非
标准化典则判别函数,分别为:
炮制程度=0339×L -0465×a +0848×
b -17225 (1)
炮制程度=-0676×L -0123×a +1045
×b +27002 (2)
用非标准化典则判别函数对观察对象进行判别
的判别规则为如表3。
表3 非标准化典则判别函数各类别重心位置
参数 系数1 系数2
L 4386 -0815
a 0678 1341
b -5064 -0526
式(1)非标准化的典则判别函数值大于2532
为生品;小于2532大于1341为炒品;小于1341
为焦品。
式(2)非标准化的典则判别函数值小于
-06705为生品;大于04075为炒品;小于0407
5大于-06705为焦品。
根据典则辨别函数建立典则判别分析图
如图1。
从图1可以看出不同炮制程度的槟榔色泽存在
显著区别,而且在系数1上符合一定的规律。
1生品;2炒品;3焦品。
图1 典则判别分析图
同时用训练样本回代得出判别函数判别符合
率,生品 120例全判为 1类,炒品 120例全判为 2
类,焦品120例全判为3类,与原分类对照判别符合
率100%,可以认为这个判别模型效果很好。
4.5.5 参考值范围 由于数据不满足多元正态性,
求参考值范围采用百分位数法,公式为 Px=L+i
(nx%-∑∫L)/∫x。
槟榔不同炮制火候的双侧90%参考范围分别
是:
生品L(5007~5503),a(4136~6906),
b(665~882)
炒品 L (43874~47998),a (3816~
6732),b(3786~6558)
焦品L(38744~40616),a(111~301),
b(-1434~0538)
4.5.6 测色实验结论 通过方法学考察,色彩色差
计应用于槟榔炒制色泽的量化检测具有较高的稳定
性和精密度,同时通过对数据的统计分析,证明色彩
色差计所采集的数据可以区分不同炮制程度的槟榔
样品,并且不同炮制程度的样品在典则判别分析图
上分布具有一定的趋势,同时 L,a,b分别与槟
榔炮制程度之间具有直线相关关系。在以上研究结
论的基础上,建立了基于 Lab色度空间的槟榔
炒制火候判断的数学判别模型和双侧90%参考值
范围,可实现槟榔炒制火候鉴别的数据化、客观化,
提高了鉴别的稳定性和准确性,同时为解决中药炮
制的关键共性技术问题———“火候”的准确把握,提
供了一种高效、简便、精确、稳定的新方法及新思路。
5 基于电子槟榔不同炮制品气味量化研究
·9871·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009
5.1 原始数据曲线
电子鼻的原始数据曲线图见图2所示。电子鼻
检测每一个样品时,数据采集的时间为120s,共有18
个传感器,因此,下图中的横轴为时间轴,共120s,纵
轴为响应强度,每条曲线代表1个传感器在120s内
的响应变化。在进行其他的数据分析与处理时,选择
每个传感器的最大响应强度值进行分析(实践证明,
选择最大响应强度进行分析最为有效)。
图2 原始数据曲线图
5.2 试验数据分析
建立线性判别分析(LAD)图见图3,可看出不
同炮制程度的槟榔气味存在显著区别,验证了主成
分分析的结果。提取响应值最大时间点的各传感器
特征传感器响应值,建立特征气味指纹图谱,见图
4,据图4可发现生槟榔,炒槟榔和焦槟榔在传感器
P30/2,P40/2,P30/1,PA/2,T70/2,P40/1,P10/1和
T30/1上的相应特征具有显著差别。
图3 槟榔不同炮制程度线性判别分析LAD图
图4 槟榔不同炮制程度特征指纹图
5.3 电子鼻气味测定
电子鼻能够区分不同炮制程度的槟榔样品,并
且不同炮制程度的样品在 PCA图上分布具有一定
的趋势。
6 讨论
本研究以槟榔为代表,分别引入色彩差计和电
子鼻技术,采集全国有影响力的饮片生产企业的槟
榔炮制品,同时参照“炮制规范”的要求,把色泽和
气味的传统经验描述指标客观化、数量化,并通过统
计分析处理,探索其规律性,使槟榔炮制“火候”的
判断具有可操作性,为中药炮制共性技术的研究,提
供了一套行之有效的新方法及新思路,同时为在中
药炮制中引进及消化现代科学技术提供示范。
本研究为了能体现我国老药工在槟榔炒制中
“火候”把握的精髓,样品分别采自北京同仁堂(北
京)、北京同仁堂(成都)、山东宏济堂(山东)、杭州
胡庆余堂(杭州)、康美药业(深圳)、四川省中药饮
片有限公司(成都)、新荷花中药饮片有限公司(成
都)等,虽样品的采集范围覆盖了我国的东南西北4
个区域,共计24批样品,但样品量仍偏少,实验结果
代表性不够,主要有两点原因:第一,由于现大部分
饮片生产企业和销售企业中炮制品种不齐,限制了
样品的采集范围;第二,由于研究时间较短,无法在
已有生产企业中采集更多批次样品。因此研究结果
将会在以后的研究中得以充实,使其更具代表性。
[参考文献]
[1] 吴芳.基于色彩管理的色彩测量及其应用研究[D].湖北:武
汉大学,2005.
·0971·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009
[2] USPXX[S].1980:1628.
[3] 中国药典.二部[S].2000:IXA65.
[4] 中国药典.二部[S].2005:IXA59.
[5] 张慧慧,孙灵根,黄学思,等.“电子眼”在中药炮制中应用构想
[C].焦作:中华中医药学会中药炮制分会,2007:30.
[6] 李文敏,吴纯洁,黄学思,等.电子鼻和电子舌技术及其在中药
加工炮制中的应用展望[C].焦作:中华中医药学会中药炮制
分会,2007:42.
Discriminatingprocessedbetelnut'sdegreeofstirfryingandquantizing
empiricalindexbasedoncolordifferencemeterand
electronicnosefingerprintanalyzer
HUANGXuesi,LIWenmin,ZHANGXiaolin,JIAJing,ZHANGHuihui,WUChunjie
(ChengduUniversityofTraditionalChineseMedicine,Chengdu611137,China)
[Abstract] Objective:Thecolordiferencemeterandelectronicnosefingerprintanalyzerwereintroducedtodiscriminatepro
cessedbetelnut'sdiferenthuohouandquantizeempiricalindexduringtheprocessingofChinesemedicine.Method:Bycolectingthe
color'sandthesmel'scharacteristicparametersofbetelnutanditsprocessedproductstosetuphuohou'smathdiscriminationmodules
and90% referencevaluescale.Result:Wesetupahuohou'smathdiscriminationmoduleand90% referencevaluerangebaseonL
ab,whichdiscriminationcoincidencewas100% and90% referencevaluerangerespectivelywasShengpin:L(50075503),
a(41366906),b(665882);Chaopin:L(4387447998),a(38166732),b(37866558);Jiaopin:L
(3874440616),a(111301),b(-14340538).Atthesametime,wesetupahuohou'smathdiscriminationmodulebase
onsmel'scharacteristicparameterstoo.Conclusion:Thebetelnutanditsprocessedproducts'colorandsmelmeasurementbasedon
thecolordiferencemeterandelectronicnosefingerprintanalyzermaybefeasible,andprovidesareferencetobeterstudyontradition
alChinesemedicinetheory.
[Keywords] stirfrying;colordiferencemeter;electronicnose;properdegreeofprocessing;betelnut
[责任编辑 周 驰]
欢迎订阅和投稿中国药学会系列期刊《今日药学》杂志
《今日药学》杂志由广东省食品药品监督管理局主管,月刊,大16开,64页码,国内外公开发行,2009年每期定价10元,邮
发代号46170,国内统一刊号CN441650/R,国际标准刊号ISSN1674229X,是面向全体药学工作者的综合性药学期刊。创刊
17年来,一直秉“科学、规范、创新、求精”的办刊方针,为广大医务人员服务,为药学事业服务。经新闻出版局批准,自2009年
第5期起由中国药学会和广东省药学会共同主办,成功跻身中国药学会系列期刊中的一员。杂志辟有实验药理、继续教育、药
学进展、临床药学、药品检验、中药分析、药品监管、综述与专论、药学服务、药学资讯等栏目。杂志自2008年开始承办省级刊
授继续教育项目,可为广大药师、医师学术交流和继续教育提供更好的服务。本刊为鼓励高水平科研论文的发表:凡省级以
上科研课题的研究论文免收版面费,全日制高校研究生的课题研究论文酌收版面费,并优先安排发表。衷心希望广大医务、
科研工作者踊跃来稿和订阅。
投稿邮箱:gdpharm@tom.com;
投稿地址:广东省广州市东风东路7532之1019室;邮编:510080
编辑部电话:02037886325;传真:02037886326。
·1971·
第34卷第14期
2009年7月
Vol.34,Issue 14
July,2009