基于圖像分析技術(shù)的甘草濃縮起泡過(guò)程實(shí)驗(yàn)探究*

賈廣成，裴朝陽(yáng)，王佩佩，尚國(guó)梅，所同川，3，王海霞，3，李 正，3，4，5

（1.天士力醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司質(zhì)量保證中心，天津 300410；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥制藥工程學(xué)院，天津 301617；3.天津中醫(yī)藥大學(xué)現(xiàn)代中藥產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，天津 301617；4.天津市現(xiàn)代中藥省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 301617；5.天津現(xiàn)代創(chuàng)新中藥科技有限公司，天津 300410）

皂苷是中藥中普遍存在的一大類(lèi)化學(xué)成分，由憎水性的苷元和親水性的糖基組成[1-2]。這種類(lèi)表面活性劑物質(zhì)可以降低水溶液的表面張力，當(dāng)皂苷水溶液經(jīng)強(qiáng)烈振蕩后氣體進(jìn)入料液后會(huì)分散形成大量持久性的泡沫，且泡沫不因加熱而消失[3-4]。中藥皂苷的這一性質(zhì)嚴(yán)重影響了制藥過(guò)程中的濃縮效率。在中藥濃縮過(guò)程中，為了提高濃縮效率，需要通過(guò)真空或布料器帶動(dòng)使藥液鋪滿整個(gè)蒸發(fā)器，在此過(guò)程中，真空和布料器的振蕩使得濃縮器中的藥液產(chǎn)生大量氣泡[5-7]，如果不加以控制，就會(huì)出現(xiàn)暴沸的現(xiàn)象，這樣不僅就會(huì)造成藥液的浪費(fèi)，也會(huì)影響中藥產(chǎn)品質(zhì)量。因此，闡明濃縮過(guò)程中泡沫的變化規(guī)律，對(duì)于消除泡沫，提高濃縮效率，保證中藥產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要的作用。

圖像分析是一種利用數(shù)學(xué)模型和圖像處理的方法來(lái)揭示圖片的底層特征和上層結(jié)構(gòu)的分析方法，從而能提取出有用信息[8-11]。圖像分析技術(shù)在泡沫的分析和監(jiān)測(cè)中獲得了較好的應(yīng)用[12-14]，解決了一些實(shí)際問(wèn)題，如礦物浮選[15]、地質(zhì)檢測(cè)、石油勘探[17]等領(lǐng)域。王勇等[15]將彩色位圖的（RGB）三分量和灰度圖象的亮度分析方法應(yīng)用于細(xì)粒煤（＜0.5 mm）浮選，取得了較好的浮選效果。陳賢瑞等[18]基于體視學(xué)原理建立了泡沫地質(zhì)聚合物宏觀孔結(jié)構(gòu)量化圖像分析方法，并探討了圖像處理法對(duì)表征不同形貌的地質(zhì)聚合物孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的適應(yīng)性[16]。晏梓洋[19]利用近紅外激光監(jiān)測(cè)裝置采集石油管道中流體泡沫圖像，根據(jù)圖像的顯示信息與對(duì)應(yīng)的電壓值建立數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從而識(shí)別管道內(nèi)混合流體流型。但是，到目前為止還沒(méi)有將圖像分析技術(shù)運(yùn)用于中藥濃縮液泡沫的分析研究報(bào)道。

本研究以甘草提取液濃縮過(guò)程為研究對(duì)象，由于甘草中富含甘草皂苷，在濃縮中有大量泡沫產(chǎn)生。通過(guò)改變加熱溫度，投料量和皂苷濃度來(lái)調(diào)整濃縮工藝，運(yùn)用視頻截取技術(shù)獲得不同濃縮工藝中不同濃縮時(shí)段泡沫的圖片，分析圖片中固定選區(qū)內(nèi)泡沫的大小和數(shù)量，揭示濃縮工藝與起泡的作用規(guī)律，從而為實(shí)際生產(chǎn)中濃縮工藝流程的調(diào)控提供參考，也為中藥實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程質(zhì)量控制提供一種有效的分析技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

甘草飲片（批號(hào)1403008）購(gòu)自河北祁一堂藥業(yè)有限公司，由天津中醫(yī)藥大學(xué)宋新波研究員鑒定為甘草。

索尼FDR-AX60數(shù)碼攝像機(jī)，具有視窗的濃縮罐（自制），DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，低溫冷卻循環(huán)泵（鞏義市予華儀器有限公司），實(shí)驗(yàn)圖像處理軟件為ImagePy。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 甘草飲片的提取 取甘草飲片70g，加入560mL的純水，油浴加熱使料液處于微沸狀態(tài)，回流提取3 h后，用紗布過(guò)濾，濾液放置過(guò)夜使沉淀，上清液即為一煎液；向飲片濾渣中再加入420 mL的純水繼續(xù)回流提取2 h，做法同前，得到的上清液為二煎液，將一煎液與二煎液合并得到合煎液。

2.2 甘草提取液的濃縮 將所得甘草提取液置于圖1所示的濃縮罐[20]中進(jìn)行減壓濃縮，并將數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)濃縮罐的視鏡處，對(duì)濃縮過(guò)程進(jìn)行全程錄像。濃縮實(shí)驗(yàn)按照表1所示的條件進(jìn)行全因素實(shí)驗(yàn)，每組平行進(jìn)行3次，共計(jì)81組濃縮實(shí)驗(yàn)。

圖1 提取罐結(jié)構(gòu)示意圖

表1 甘草濃縮過(guò)程單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2.3 圖像處理方法 將得到的視頻圖像按照前10 min內(nèi)每30 s截取1張圖片，10 min以后每隔5 min截取一張圖片的方法進(jìn)行圖像采集。在得到的所有圖片上進(jìn)行選區(qū)劃定：以光纖探頭與液面的接觸點(diǎn)為圓心，繪制一個(gè)與光纖探頭相切的直徑為2.0 cm的圓形選區(qū)，以此作為手工測(cè)量泡沫直徑和個(gè)數(shù)的選區(qū)，并記錄。

圖2 選區(qū)示意圖

3 結(jié)果

3.1 泡沫變化規(guī)律 通過(guò)對(duì)截取得到的所有泡沫圖片進(jìn)行分析，可將甘草濃縮過(guò)程劃分為6個(gè)階段，分別是初始濃縮階段（圖3A），泡沫富集階段（圖3B），急劇起泡階段（圖3C），泡沫破裂階段（圖3D），泡沫懸浮階段（圖3E）及不起泡階段（圖3F）。濃縮開(kāi)始時(shí)，隨著濃縮罐中壓力逐漸降低，在機(jī)械攪拌作用下，甘草水提液表面會(huì)懸浮一些細(xì)而密的小泡；隨著體系壓力進(jìn)一步降低，液體表面懸浮小泡數(shù)量逐漸增多，直至鋪滿整個(gè)濃縮液面，呈蜂窩狀；當(dāng)體系壓力達(dá)到最低（-0.1 MPa）時(shí)，此時(shí)濃縮液面迅速泛起大而密集的泡沫，并且泡沫不斷上升，在上升的過(guò)程中又會(huì)不斷破裂，如此往復(fù)循環(huán)，并且在接收瓶?jī)?nèi)可以觀察到水分流出；急劇起泡階段持續(xù)數(shù)分鐘后，濃縮體系中泡沫數(shù)量逐漸減少，且泡沫逐漸變小，并且逐漸鋪展到濃縮液面上；泡沫破裂階段持續(xù)近數(shù)10 min后，體系中泡沫數(shù)量大大減少，泡沫不能鋪滿濃縮液面，直至最后泡沫消失。

3.2 濃縮溫度對(duì)泡沫狀態(tài)的影響 為了探究濃縮溫度對(duì)泡沫狀態(tài)的影響，根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)固定投料量（300 mL）和皂苷濃度（合煎液）兩個(gè)因素，進(jìn)行不同溫度下的濃縮實(shí)驗(yàn)，并記錄起泡過(guò)程圖片。圖4和圖5為不同溫度下泡沫平均直徑和泡沫數(shù)量的變化關(guān)系圖。據(jù)圖可以看出，溫度對(duì)濃縮過(guò)程的起泡時(shí)長(zhǎng)有一定影響，溫度高時(shí)，泡沫體積偏大，個(gè)數(shù)偏多，且起泡持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，此外，泡沫的體積及數(shù)量在濃縮開(kāi)始10 min之內(nèi)有較劇烈的變化，10 min之后變化比較平穩(wěn)且無(wú)明顯規(guī)律，偶爾出現(xiàn)泡沫增多及體積增大的情況，但最終都趨于穩(wěn)定。

圖3 濃縮起泡過(guò)程示意圖

圖4 溫度對(duì)泡沫直徑的影響

圖5 溫度對(duì)泡沫個(gè)數(shù)的影響

3.3 投料量對(duì)起泡過(guò)程的影響 固定濃縮溫度（50℃）和皂苷濃度（合煎液）兩個(gè)因素，進(jìn)行不同投料體積量下的濃縮實(shí)驗(yàn)，并記錄起泡過(guò)程圖片。據(jù)圖6和圖7可以看出，投料量對(duì)濃縮起泡時(shí)長(zhǎng)有一定影響，投料量小時(shí)，泡沫平均直徑相對(duì)較小，且泡沫個(gè)數(shù)相對(duì)較少，相應(yīng)的濃縮起泡時(shí)間就較短。此外，泡沫的平均直徑及起泡數(shù)量仍在濃縮開(kāi)始10 min之內(nèi)有較劇烈的變化，10 min之后變化趨于平緩，但無(wú)較明顯規(guī)律，直至濃縮結(jié)束。

圖6 投料量對(duì)泡沫直徑的影響

圖7 投料量對(duì)泡沫個(gè)數(shù)的影響

3.4 皂苷濃度對(duì)起泡過(guò)程的影響 由上文中的分析可知，甘草皂苷是造成甘草提取液濃縮起泡的根本原因，因此，探究皂苷濃度與生成泡沫之間的關(guān)系是很有意義的。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)煎煮的批次區(qū)分提取液中的皂苷濃度，一煎液中皂苷濃度最高，合煎液次之，二煎液中皂苷濃度最低。圖8和圖9顯示的分別為不同皂苷濃度下（溫度50℃，投料量350 mL）的提取液濃縮時(shí)產(chǎn)生泡沫的直徑及數(shù)量變化關(guān)系圖。從兩圖中可以看出，二煎液的濃縮起泡過(guò)程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，這可能是由于二煎液中皂苷濃度低，含水量高造成的。此外，在起泡發(fā)生的起初10 min之內(nèi)，泡沫平均直徑及起泡個(gè)數(shù)變化仍然比較劇烈，但3組數(shù)據(jù)重合程度比較高，說(shuō)明在濃縮的初始狀態(tài)皂苷濃度對(duì)泡沫個(gè)數(shù)及尺寸的影響不明顯。隨著濃縮實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行，皂苷濃度對(duì)所起泡沫大小的影響逐漸凸顯出來(lái)。低皂苷濃度的濃縮液中所起泡沫直徑較小，而高皂苷濃度的濃縮液中所起泡沫直徑相對(duì)較大，但也有一些異常情況，尤其是在濃縮起泡的后期。從圖9可以看出，皂苷濃度對(duì)所起泡沫個(gè)數(shù)的影響較小，3組數(shù)據(jù)重合部分較大，沒(méi)有明顯規(guī)律。

圖8 皂苷濃度對(duì)泡沫直徑的影響

圖9 皂苷濃度對(duì)泡沫個(gè)數(shù)的影響

4 討論

皂苷是一類(lèi)大量存在于中草藥中的特殊苷類(lèi)，這種苷類(lèi)成分可以有效降低水溶液的表面張力，使得富含皂苷的水溶液在容器內(nèi)受到劇烈震蕩后會(huì)產(chǎn)生持久性的泡沫，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文首次運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析甘草藥液濃縮時(shí)產(chǎn)生的泡沫性質(zhì)和狀態(tài)，并通過(guò)改變濃縮工藝，揭示濃縮工藝與產(chǎn)生泡沫間的作用關(guān)系。通過(guò)分析起泡圖片可以看出，不同濃縮工藝中泡沫的整體變化規(guī)律比較一致，都可分為初始濃縮階段，泡沫富集階段，急劇起泡階段，泡沫破裂階段，泡沫懸浮階段及不起泡階段6個(gè)過(guò)程階段，且急劇起泡階段都發(fā)生在濃縮開(kāi)始的前10 min之內(nèi)。不同濃縮工藝導(dǎo)致濃縮起泡時(shí)長(zhǎng)不一樣，且產(chǎn)生的泡沫大小和數(shù)量有所差別。溫度高時(shí)，泡沫體積偏大，個(gè)數(shù)偏多，且起泡持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；投料量小時(shí)，泡沫平均直徑相對(duì)較小，泡沫個(gè)數(shù)相對(duì)較少，且相應(yīng)的濃縮起泡時(shí)間就較短；低皂苷濃度的濃縮液中泡沫直徑相對(duì)較小，且起泡持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。但由于濃縮工藝區(qū)別度低，且泡沫一直處于動(dòng)態(tài)變化之中，泡沫的狀態(tài)存在反復(fù)性，且人工觀察和手工測(cè)量容易產(chǎn)生誤差，致使沒(méi)有明確得到泡沫與濃縮工藝之間的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

文章在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬甘草濃縮工藝過(guò)程，采用圖像分析技術(shù)對(duì)濃縮起泡過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析。這種分析手段可作為一種有效的過(guò)程分析技術(shù)，應(yīng)用于中藥實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程質(zhì)量控制。這也順應(yīng)了“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”（QbD）的管理理念和要求，將質(zhì)量控制點(diǎn)前移，讓檢測(cè)結(jié)果更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。該方法揭示的濃縮工藝中泡沫的階段性變化規(guī)律對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中泡沫的控制具有直接的借鑒意義，也為中藥濃縮消泡研究提供參考價(jià)值。