一種用針刺壓傳感器檢測(cè)中藥材軟化情況的方法

劉子齊 錢俊回 龔行楚 范驍輝

摘要 目的：大多數(shù)中藥材在加工前需要進(jìn)行軟化處理，然而軟化終點(diǎn)一般由人主觀確定。本研究旨在探討針刺壓傳感器用于中藥材軟化情況檢測(cè)的可行性。方法：將各種中藥材按直徑分為大、中、小3組分別浸潤。設(shè)計(jì)并自制了一種用于測(cè)定中藥材硬度的針刺壓傳感器，利用壓力傳感器和微波測(cè)水儀分別對(duì)中藥材的硬度和水分含量進(jìn)行檢測(cè)。通過人工判斷，驗(yàn)證浸潤軟化終點(diǎn)時(shí)間的準(zhǔn)確性。結(jié)果：丹參、大黃、蒼術(shù)等藥材水分含量與硬度之間存在較好的線性關(guān)系。一般情況下，藥材直徑較大時(shí)，軟化終點(diǎn)所需時(shí)間較長。用水分含量值計(jì)算軟化終點(diǎn)處藥材的硬度，利用針刺壓傳感器測(cè)定軟化終點(diǎn)，各組軟化率均為95.2%～100%。結(jié)論：針刺壓傳感器可準(zhǔn)確檢測(cè)中藥材軟化情況。

關(guān)鍵詞 中藥材;針刺壓傳感器;浸潤軟化終點(diǎn)

A Method for Detecting Softening of Traditional Chinese Medicine by a Needle Pressure Sensor

LIU Ziqi1，QIAN Junhui1，GONG Xingchu1，F(xiàn)AN Xiaohui1，2

（1 Pharmaceutical Informatics Institute，College of Pharmaceutical Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China; 2 State Key Laboratory of Modern Chinese Medicine，Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 301617，China）

Abstract Objective：Most of herbal medicine need to be softened before processing.However，the softening endpoint is generally determined subjectively by a worker.The aim of this study is to explore the feasibility of the needle pressure sensor for the detection of the moisture content of herbal materials.Methods：A total of 3 medicinal herbs S.miltiorrhiza，R.officinale，and Rhizoma Atractylodis were divided into 3 groups of large，medium，and small according to their diameters.A pinprick pressure sensor for determining the hardness of Chinese herbs was designed and homemade.The hardness and moisture content of herbal materials were detected using the pressure sensor and a microwave moisture analyser，respectively.The accuracy of of moisten end point time was verified by human judgment.Results：There was a good linear relationship between moisture content and hardness for Radix Salviae Miltiorrhizae，Radix et Rhizoma Rhei，Rhizoma Atractylodis.Generally，reaching the softening end point took a longer time when the herb diameter was larger.The hardness of herbal materials at the softening endpoint was calculated using the value of moisture content.The needle pressure sensor was applied to determine the softening endpoint time of herbal materials with a high softening percentage ranging from 95.2% to 100% in all groups.Conclusion：The needle pressure sensor can accurately detect the softening condition of herbs.

Keywords Chinese medicine materials; Needle pressure sensor; Softening endpoint

中圖分類號(hào)：R282.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.23.007

傳統(tǒng)中草藥被用于疾病治療已有數(shù)千年的歷史。幾乎所有的中藥材在臨床使用前都需要經(jīng)過切制?！吨腥A人民共和國藥典》四部的“炮制通則”規(guī)定了中藥切制的關(guān)鍵參數(shù)及切制品的規(guī)格。在切割之前，大多數(shù)藥材需要軟化。常用軟化方法大多需要用水，包括噴淋、浸泡、潤、蒸、煮等。藥材吸收水分后變得柔軟，有利于切割。

工業(yè)生產(chǎn)中，藥材軟化不足會(huì)導(dǎo)致切片破碎，以及刀頭的磨損。但是軟化時(shí)間過久或者用水過多會(huì)影響切片的外觀，甚至?xí)?dǎo)致水溶性活性成分的損失[1]。因此，確定軟化終點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。

目前，軟化終點(diǎn)通常由工人通過手捏等方法憑經(jīng)驗(yàn)判斷。一些研究試圖從軟化方法、水分消耗和終點(diǎn)時(shí)間等方面改進(jìn)中藥的軟化技術(shù)。李智等[2]采用氣相置換軟化法，在較低含水量的條件下，快速、均勻軟化丹參，提高了藥材丹酚酸B的產(chǎn)量。李嘯云等[3]研發(fā)設(shè)計(jì)了具有控溫、自動(dòng)浸潤等功能的自動(dòng)噴淋浸潤軟化設(shè)備。梁麗麗等[4]通過正交設(shè)計(jì)法優(yōu)選了板藍(lán)根飲片的浸潤和切制工藝條件，包括切片厚度、浸潤時(shí)間和浸潤用水量。張旭等[5]優(yōu)化木香切制工藝時(shí)也采用了類似方法。但已有研究工作中仍缺乏量化判斷藥材軟化情況的方法，導(dǎo)致軟化過程在線檢測(cè)難度大等問題。

丹參、大黃、蒼術(shù)是應(yīng)用廣泛的中藥材，為植物的根和根莖，制成飲片前需要軟化后切制。本研究以這3種藥材為對(duì)象，開發(fā)了一種針刺壓傳感器，用于測(cè)定藥材軟化后的硬度。計(jì)算了水分含量與壓力的相關(guān)性，并對(duì)針刺壓傳感器的精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)過程見圖1。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藥材 丹參采自山東，大黃和蒼術(shù)采自甘肅。按直徑大小，將丹參分為大組50份（≥10 mm）、中組50份（6～10 mm）和小組50份（≤6 mm）;大黃分為大組30份（≥50 mm）、中組30份（30～50 mm）和小組30份（≤30 mm）;蒼術(shù)分為大組30份（≥20 mm）、中組30份（10～20 mm）和小組30份（≤10 mm）。典型不同大小的藥材見圖2。

1.1.2 針刺壓傳感器的設(shè)計(jì) 針刺壓傳感器由壓力傳感器、臺(tái)鉆、圓鋼針（錐形頭、鋒利、2 mm厚）和3D打印適配單元組成。見圖3。壓力傳感器、刺針、臺(tái)鉆通過適配單元連接。臺(tái)鉆是支架，可以控制設(shè)備。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，刺針向下移動(dòng)，針尖觸碰到藥材時(shí)的高度與平臺(tái)高度差值可計(jì)算出藥材直徑，此時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)反饋給計(jì)算機(jī)。進(jìn)而刺針繼續(xù)刺入藥材，當(dāng)刺入直徑70%時(shí)回歸原位，過程中計(jì)算機(jī)讀數(shù)。

1.2 方法

1.2.1 硬度檢測(cè) “藥透水盡”為中藥浸潤終點(diǎn)的常規(guī)判斷方法，通常要求藥材無硬心。為了準(zhǔn)確表征出藥材浸潤后的硬度，采用針刺方法要求至少能刺穿藥材直徑的50%。在本研究工作中，以針頭在

進(jìn)入藥材不小于藥材直徑70%的深度時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)壓力定義為藥材的硬度。從低到高，分別在藥材不同含水量的條件下檢測(cè)藥材硬度，并繪制體現(xiàn)藥材硬度與含水量函數(shù)關(guān)系的回歸方程。

1.2.2 水分含量檢測(cè) 微波檢測(cè)是一種可靠的測(cè)定植物水分含量的方法[6]。本研究采用微波測(cè)水儀（MS-A-210;MOSYE TECH GMBH，德國）測(cè)定丹參、大黃和蒼術(shù)的水分含量，輸出功率為24 W。每一種藥材都被放置在微波測(cè)水儀上，當(dāng)整根藥材與儀器充分接觸時(shí)，即刻顯示數(shù)據(jù)，記錄其含水率。

1.2.3 人工判斷水分含量 請(qǐng)具有8年以上工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員確定了藥材的浸潤終點(diǎn)。將丹參、大黃、蒼術(shù)分別置于（85±5）℃恒溫水浴中，觀察和檢測(cè)時(shí)間間隔為20 s，記錄浸潤終點(diǎn)時(shí)間和藥材硬度。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件（IBM SPSS Statistics）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。多組間比較采用單因素方差分析GraphPad_Prism_8.3.0.538，雙側(cè)檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，采用回歸分析確定含水率與壓力之間的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 藥材基本情況 中組和小組丹參的直徑和質(zhì)量明顯小于大組丹參，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001），小組丹參的直徑和質(zhì)量亦明顯小于中組丹參，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）;中組和小組大黃的直徑和質(zhì)量明顯小于大組大黃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001），小組大黃的直徑和質(zhì)量亦明顯小于中組大黃，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）;中組和小組蒼術(shù)的直徑和質(zhì)量明顯小于大組蒼術(shù)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001），小組蒼術(shù)的直徑和質(zhì)量亦明顯小于中組蒼術(shù)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001）。見圖4。

2.2 人工判斷藥材軟化終點(diǎn) 與大組丹參比較，中組丹參的軟化終點(diǎn)時(shí)間明顯減少（P<0.01），小組丹參的軟化終點(diǎn)時(shí)間顯著減少（P<0.001），而中組丹參與小組丹參的軟化終點(diǎn)時(shí)間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）;與大組大黃比較，中組大黃與小組大黃的軟化終點(diǎn)時(shí)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.001），與中組大黃比較，小組大黃的軟化終點(diǎn)時(shí)間顯著減少（P<0.001）;與大組蒼術(shù)比較，中組蒼術(shù)與小組蒼術(shù)的軟化終點(diǎn)時(shí)間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），與中組蒼術(shù)比較，小組蒼術(shù)的軟化終點(diǎn)時(shí)間減少（P<0.05）。見圖5A-C。

2.3 藥材軟化終點(diǎn)的水分含量 如圖5D-F所示，丹參、大黃和蒼術(shù)不同分組的軟化終點(diǎn)的水分含量基本相同。大、中、小3組丹參軟化終點(diǎn)的平均水分含量分別為0.962、0.963、0.960，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。大、中、小3組大黃軟化終點(diǎn)的平均水分含量分別為0.99、0.99和0.96，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。大、中、小3組蒼術(shù)軟化終點(diǎn)的平均水分含量分別為0.974、0.963、0.963，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

2.4 計(jì)算藥材在軟化終點(diǎn)的硬度 通過軟化終點(diǎn)水分含量，與回歸方程計(jì)算中藥材軟化終點(diǎn)硬度，具體可見圖5G-I。與大組丹參比較，中組丹參的軟化終點(diǎn)硬度增高（P<0.01），小組丹參的軟化終點(diǎn)硬度顯著增高（P<0.001），與中組丹參比較，小組丹參的軟化終點(diǎn)硬度增高（P<0.05）;與大組大黃比較，中組大黃的軟化終點(diǎn)硬度降低（P<0.01），小組大黃的軟化終點(diǎn)硬度顯著降低（P<0.001），與中組大黃比較，小組大黃的軟化終點(diǎn)硬度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）;與大組蒼術(shù)比較，中組蒼術(shù)軟化終點(diǎn)硬度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），小組蒼術(shù)軟化終點(diǎn)硬度顯著降低（P<0.001），與中組蒼術(shù)比較，小組蒼術(shù)軟化終點(diǎn)硬度顯著降低（P<0.001）。

2.5 藥材含水量與硬度的函數(shù)關(guān)系 以硬度為縱坐標(biāo)y，含水量為橫坐標(biāo)x，建立丹參、大黃與蒼術(shù)各組硬度與含水量的線性回歸方程。見表1。決定系數(shù)R2均大于0.95，說明藥材含水量與硬度之間具有較好的線性關(guān)系。見圖6。斜率均為負(fù)數(shù)，說明藥材含水量增加后，硬度下降。擬合所得截距代表著藥材含水量為0時(shí)的藥材硬度?？梢钥闯鏊幉暮康蜁r(shí)，大黃的起始硬度最高，壓力傳感器檢測(cè)壓力可超過100 N，其次是丹參，在含水量較低的情況下壓力傳感器檢測(cè)壓力可接近100 N，而蒼術(shù)的起始硬度最低，通常不超過60 N。實(shí)驗(yàn)中，在含水量接近1時(shí)，丹參的硬度可低至約30 N，大黃在含水量接近1時(shí)硬度可低至約50 N，而蒼術(shù)在含水量接近1時(shí)硬度可低至約15 N。

2.6 針刺壓傳感器在藥材軟化終點(diǎn)時(shí)間測(cè)定中的應(yīng)用 大、中、小3組丹參軟化率分別為97.6%、98.0%、98.6%。見圖7A。大、中、小3組大黃軟化率分別為95.2%、97.2%、100%。見圖7B。大、中、小3組蒼術(shù)軟化率分別為100%、100%、100%。見圖7C。

3 討論

本研究開發(fā)了針刺壓傳感器用于檢測(cè)壓力，以表征中藥材的硬度。本研究將丹參、大黃和蒼術(shù)3種中藥材按直徑分為大、中、小3組，藥材重量與藥材直徑正相關(guān)?；谌斯し椒ㄅ袛嘀兴幉慕欆浕K點(diǎn)時(shí)間，藥材浸潤軟化終點(diǎn)時(shí)間受直徑影響，總體而言，中藥材直徑越小，其浸潤軟化終點(diǎn)時(shí)間越短。測(cè)定各組藥材浸潤軟化終點(diǎn)水分含量，丹參、大黃和蒼術(shù)在軟化終點(diǎn)的水分含量基本相同，因此，丹參、大黃和蒼術(shù)軟化終點(diǎn)的藥材水分含量與直徑無關(guān)。

為探討中藥材水分含量與硬度的作用關(guān)系，采用熱水浸潤丹參、大黃和蒼術(shù)，測(cè)定不同水分含量下中藥材的硬度，在一定范圍內(nèi)，藥材水分含量與硬度呈線性負(fù)相關(guān)。因此，壓力和硬度可以在一定范圍內(nèi)反映丹參、大黃和蒼術(shù)的水分含量，并可用于確定軟化終點(diǎn)時(shí)間。

利用含水量與硬度之間的線性函數(shù)公式，計(jì)算了3種藥材在軟化終點(diǎn)處的硬度。各組計(jì)算出的在軟化終點(diǎn)時(shí)間的硬度不同，推測(cè)硬度可能是一個(gè)可以判斷中藥材軟化終點(diǎn)的合適指標(biāo)。以硬度為指標(biāo)，采用針刺壓傳感器測(cè)定丹參、大黃、蒼術(shù)軟化終點(diǎn)時(shí)間，各組軟化率均較高，在95.2%～100%之間。因此，針刺壓傳感器在中藥軟化終點(diǎn)時(shí)間檢測(cè)中具有較高的準(zhǔn)確性，但該裝置是否適用于其他種類的中藥材檢測(cè)仍需繼續(xù)研究。

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（2021-10-25收稿 責(zé)任編輯：王明）