基于AHP-SOM聚類-TOPSIS的白及保胃護肝保健食品配方設(shè)計與評價

馬嘉慕，劉曉云，任雪陽，王 宇，董 英，宋若蘭，于啊香，魏 靜，范琦琦，折改梅

北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，北京 100029

保健食品中的輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷2項功能即保胃護肝，分別可以對應(yīng)中醫(yī)理論中的“胃脘痛”和“脅痛”，是胃、肝處于亞健康時期的一種輔助治療手段。胃、肝病的同時發(fā)生、治療在中醫(yī)藥典籍及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究均有論述。醫(yī)圣張仲景曾提出：“見肝之病，知肝傳脾，當(dāng)先實脾?！鼻宕t(yī)葉天士也提到：“肝為起病之源，胃為傳病之所。”說明胃、肝病具有多因素作用及可同時發(fā)生的特點。胃、肝病的致病因素中精神因素往往起著先導(dǎo)作用，中醫(yī)常將胃、肝病的情志因素歸于肝、胃與脾的關(guān)系中，故多疏肝補脾健胃。酒精對于人類健康而言已經(jīng)成為最大的威脅因素之一，飲酒人群長期面臨著飲酒引起的相關(guān)疾病威脅[1]。酒精的攝入可能會引起諸如心腦血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的紊亂，以及胃黏膜損傷、肝損傷等消化系統(tǒng)疾病等多種不良健康結(jié)局同時發(fā)生[2]。在這些疾病中80%以上是慢性病，治愈難度較大。全球范圍內(nèi)的成年人人均酒精消費量在1990—2017年已從5.9 L/年上升至6.5 L/年，預(yù)計到2030年將達到7.6 L/年。酒精的消費量巨大，消費人口眾多。因此，在發(fā)病之初或未發(fā)病的亞健康及健康狀態(tài)通過服用保健食品、增強鍛煉提高自身免疫力等外界輔助措施來控制相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展態(tài)勢是極為重要的[3-4]。

白及是蘭科植物白及Bletilla striata(Thunb.) Reichb.f.的干燥塊莖，具有收斂止血、消腫生肌的功效[5]，自古便是白及糖等養(yǎng)生保健藥膳的主要原料，臨床也多用于治療各類消化道潰瘍，也有治療化學(xué)性肝損傷的報道[6-9]。白及的產(chǎn)品形式主要集中于保護消化道潰瘍及止血的藥品、美白類的化妝品和生物材料等，白及同時也可作為保健食品的原料[10]，在改善消化系統(tǒng)病癥方面有其獨特的優(yōu)勢。但以白及為主要原料的保健食品很少，具有極大的研發(fā)潛力。

本研究以白及作為一種具有保胃護肝雙功能的保健食品的主要原料，采用包括Apriori、層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、SOM（self-organizing map）聚類、理想解法（technique for order preference by similarity to solution，TOPSIS）在內(nèi)的多種關(guān)聯(lián)、決策分析（decision analysis）和聚類分析（cluster analysis）的機器學(xué)習(xí)算法對注冊的保胃和護肝的保健食品批文信息、方劑信息和中成藥信息等現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行挖掘，探究白及保護化學(xué)性肝損傷的新功能，并為以白及為核心藥味的具有保護胃黏膜和化學(xué)性肝損傷雙功能的保健食品開發(fā)提供依據(jù)。為后續(xù)類似雙功能保健食品的開發(fā)思路提供參考，為保健食品配方的篩選評價提供方法。

1 方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及納入標(biāo)準(zhǔn)

藥智數(shù)據(jù)（https://db.yaozh.com/）是國內(nèi)最大的醫(yī)藥信息收集網(wǎng)站。含有白及的方劑和中成藥數(shù)據(jù)均來源于藥智數(shù)據(jù)的中藥方劑數(shù)據(jù)庫和中成藥處方數(shù)據(jù)庫。保健食品信息分別以“胃黏膜”和“肝損傷”為關(guān)鍵詞，在國家市場監(jiān)督管理總局特殊食品安全監(jiān)督管理司（http://www.samr.gov.cn/tssps/）官網(wǎng)上進行檢索，收集截至2020年11月30日所收錄的所有保健食品批文信息。

包含白及的方劑在收集整理過程中，排除部分中藥組成、功效或主治相同以及僅含白及單味藥的方劑之后，共收集到241首方劑，其中具有補脾益氣功效的有31首。包含白及的中成藥共收集到121個處方，其中可用于治療脾氣虛弱的成藥共44個。保健食品的信息僅納入原料中包含2味及以上中藥的中藥類保健食品，同時排除沒有配方信息的批文，共收集到對胃黏膜有輔助保護作用的批文46條，對化學(xué)性肝損傷有輔助保護功能的批文302條。

1.2 數(shù)據(jù)庫的建立與標(biāo)準(zhǔn)化

1.2.1 原料數(shù)據(jù)庫的建立 將收集得到的數(shù)據(jù)信息分別導(dǎo)入Microsoft Excel 2019建立4個數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)處理過程中參照《中國藥典》2020年版[5]、《臨床中藥學(xué)》第2版[11]和地方標(biāo)準(zhǔn)對方劑、中成藥和保健食品批文的配方藥味信息進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：（1）將習(xí)用名改為藥典或地方標(biāo)準(zhǔn)中記載規(guī)范名稱，如“白芨”統(tǒng)一為“白及”，“黃耆”統(tǒng)一為“黃芪”等。（2）將同一味藥的不同炮制規(guī)格改為原藥名，如“炒白術(shù)”統(tǒng)一為“白術(shù)”，“蜂膠粉”統(tǒng)一為“蜂膠”等。（3）將藥材提取物改為原藥材名，如“葛根提取物”統(tǒng)一為“葛根”，“廣藿香油”統(tǒng)一為“廣藿香”等。（4）合并不同方劑名、中成藥名、不同批文，但是藥味組成一致且功效一致的數(shù)據(jù)；另外，在整理中藥類保健食品的過程中，將相同藥味、不同輔料的批文合并處理。（5）規(guī)范化過程中若有改變名稱后功效影響顯著者，則保留原有記錄，分別錄入處理，如“梔子炭”和“梔子”，“生地黃”和“熟地黃”等。

1.2.2 配方數(shù)據(jù)庫的建立 用于AHP分析的層級和指標(biāo)分別按照原料數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容和統(tǒng)計項進行錄入。參與統(tǒng)計的原料藥味包括在具有輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷的保健食品中及具有補脾益氣功能的中成藥、方劑中的全部高頻藥味。一級評價指標(biāo)為藥味類別和現(xiàn)有處方，二級評價指標(biāo)為現(xiàn)有處方類型，包括具有輔助保護胃黏膜功能的保健食品、具有輔助保護化學(xué)性肝損傷的保健食品、包含白及的具有補脾益氣功能的中成藥和包含白及的具有補脾益氣功能的方劑共4個。通過統(tǒng)計高頻藥味在各庫中的頻次及出現(xiàn)在4個庫中的總數(shù)等信息，按照降序排列形成統(tǒng)計表并賦值1～9分。

根據(jù)以白及為配方核心的具有保胃護肝雙功能保健食品的研發(fā)總目標(biāo)和傳統(tǒng)中醫(yī)理論治療胃病和肝病補脾益氣的核心理論，確定各層級內(nèi)要素之間的相對重要關(guān)系，構(gòu)建兩兩比較矩陣，相鄰2個元素相比的重要性可用1～9分賦值。其中1表示同等重要，3表示稍微重要，5表示明顯重要，7表示強烈重要，9表示極端重要。2、4、6、8為上述相鄰判斷的中值[12]。

根據(jù)AHP分析后得到的權(quán)重對高頻藥味進一步分析，按照線性加權(quán)公式對各藥進行加權(quán)評分，并以其最后得分進行排序[13]。SOM聚類應(yīng)用于對藥味類別和出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫種類2項分別加權(quán)得分后的原料藥，可得到在保胃護肝保健食品中這些高頻藥味的分組，采用聚類方法對評價結(jié)果進行分組，其分組結(jié)果更具科學(xué)性和客觀性，較好解決了由于數(shù)據(jù)微小差別而導(dǎo)致分組界限不清晰的問題。在TOPSIS分析中數(shù)據(jù)依據(jù)君、臣、佐、使的順序來進行排列分析，對擬定配方進行評價以供最終選擇。

1.3 分析方法

1.3.1 原料篩選 利用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進行功效和藥味的頻數(shù)統(tǒng)計并進行分析。通過SPSS Modeler 18.0中的Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則算法和網(wǎng)絡(luò)圖對整理得到的數(shù)據(jù)進行挖掘與統(tǒng)計分析，得到方劑、中成藥以及具有輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷功能保健食品中的藥味之間的二次關(guān)聯(lián)度和高頻藥對組合。

1.3.2 配方分析 采用AHP確定評價體系指標(biāo)權(quán)重，通過SOM聚類算法對各藥進行分析并通過傳統(tǒng)中醫(yī)理論和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究來篩選得到可能的配方，最后利用TOPSIS法來綜合評定各配方優(yōu)劣，最終得到可與白及配伍使用的原料配伍組合。

本研究的分析方法及流程如圖1所示。

2 結(jié)果

2.1 保健食品的數(shù)據(jù)分析

2.1.1 藥味頻數(shù)分析 在46條具有輔助保護胃黏膜的中藥類保健食品批文中，共涉及到原料藥味70種，出現(xiàn)頻次≥3次的共有28種原料藥味，占總頻次的75.78%。除出現(xiàn)8次的白及外，排名前5位的原料藥味分別為砂仁、蜂膠、白術(shù)、黃芪和陳皮，具體情況見表1。對70種原料藥物按照類別分類的發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻次5次及以上的藥味類別分別為補虛藥（24次）、理氣藥（7次）、清熱藥（7次）、消食藥（5次），共占61.43%。補虛藥和理氣藥等類別原料藥物的使用與中醫(yī)在治療胃黏膜損傷時需要補脾益氣的治療原則是一致的[14]。

圖1 白及保胃護肝保健食品配方設(shè)計分析方法及流程Fig.1 Analysis method and process of health food formula with protection of gastric mucosa injury and liver injury of Bletillae Rhizoma

表1 具有輔助保護胃黏膜的保健食品中原料藥物頻次Table 1 Frequency of functional ingredients in health food with protection of gastric mucosa injury

表2 具有輔助保護化學(xué)性肝損傷的保健食品中藥物頻次Table 2 Frequency of functional ingredients in health food with protection of liver injury

在302條具有輔助保護化學(xué)性肝損傷的中藥類保健食品批文中，涉及到150種原料藥味，其中出現(xiàn)頻次≥10次的共有30種藥味，這30種原料在所有原料藥味出現(xiàn)頻次中占比74.87%，其中頻次出現(xiàn)排名前5位的分別是葛根、五味子、枸杞子、靈芝和枳椇子。具體信息見表2。通過對原料的類別進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)頻次前5位的類比分別為補虛藥（57次）、清熱藥（18次）、理氣藥（16次）、利水滲濕藥（10次）和解表藥（8次），共占72.67%。對于化學(xué)性肝損傷，因亞健康狀態(tài)主要為“脅痛”范疇，多屬實熱證，易聚濕生痰，因此治療上多祛濕理氣、健脾化瘀[15-16]，宜用補虛、理氣等類別的藥味。保健食品中高頻次藥物類別的使用契合了這種治則。但是這種根據(jù)藥味類別分類選擇配方原料的方法依然存在不盡完善的地方，例如，在頻次統(tǒng)計中排第2名的五味子雖為收澀藥，其性也與補虛、理氣等不盡相同，但是在人參五味子湯等經(jīng)典方劑中，五味子也可以與其他藥物進行配伍發(fā)揮補脾益氣的功效。故在配方原料的選擇上還應(yīng)結(jié)合配伍等其他的因素綜合考量[17]。

綜合二者高頻藥味，出現(xiàn)頻次較高的相同藥味包括：蜂膠、黃芪、陳皮、茯苓、白芍、三七、葛根、蒲公英、甘草、大棗、人參、山楂共12味原料藥。說明在輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷的原料藥味存在較高的重合，且這12味藥在保護胃黏膜和化學(xué)性肝損傷中均可以起到顯著的作用。

2.1.2 藥味關(guān)聯(lián)度及網(wǎng)絡(luò)分析 支持度表示在所有數(shù)據(jù)中關(guān)聯(lián)藥味出現(xiàn)的比例；置信度表示關(guān)聯(lián)藥味之間聯(lián)系的強度；提升度主要是用來衡量關(guān)聯(lián)規(guī)則的前項與后項間的獨立性，如果提升度＞1，則可以認(rèn)為前項和后項之間有良好的相關(guān)性，相關(guān)性的強弱與數(shù)字大小呈正相關(guān)[18-20]。分別對具有輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷的高頻藥味進行Apriori算法分析和網(wǎng)絡(luò)圖分析，以支持度≥10%、置信度≥50%作為篩選條件，得到高頻藥味組合和網(wǎng)絡(luò)圖，結(jié)果如表3和圖2所示。

表3 基于Apriori算法的保健食品批文中高頻藥味間的二次關(guān)聯(lián)分析Table 3 Quadratic combination of high-frequency functional ingredients in health food based on Apriori algorithm

圖2 輔助保護胃黏膜 (A) 和輔助保護化學(xué)性肝損傷 (B) 的保健食品中高頻次藥味網(wǎng)絡(luò)分析圖Fig.2 Network of high-frequency functional ingredients in health food with protection of gastric mucosa injury (A) and liver injury (B)

通過表3可以看出，在輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷的原料中藥組合中，關(guān)聯(lián)性最強的分別是白芷和吳茱萸以及五味子和丹參、葛根的配伍。

為進一步揭示高頻藥味之間的關(guān)系，進行網(wǎng)絡(luò)圖分析。可以看出藥物之間的關(guān)聯(lián)強度基本符合二次關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果。其中在輔助保護胃黏膜功能中，與白及顯示較強關(guān)聯(lián)的藥味有三七、黃芪、蒲公英、甘草、白術(shù)等。在輔助保護化學(xué)性肝損傷的功能中，與白及顯示關(guān)聯(lián)的藥味主要有白芍和甘草等。

2.2 方劑的數(shù)據(jù)分析

2.2.1 藥味頻數(shù)分析 對收集得到的方劑藥味進行統(tǒng)計分析，除白及外共有114種藥味，累計頻次為238次。出現(xiàn)頻次≥3次屬于保健食品原料目錄內(nèi)的藥味（除白及外）統(tǒng)計情況如表4所示。通過對出現(xiàn)藥味進行類別統(tǒng)計，出現(xiàn)頻率前5種類別分別為補虛藥（21次）、清熱藥（17次）、活血化瘀藥（12次）、化痰藥（8次）和解表藥（6次），占比56.64%。與保健食品的原料類別相比，方劑中還額外使用了活血化瘀藥和化痰藥。這類藥物的使用可能與在治療脾氣虛弱等病癥時存在著活血化瘀和祛濕化痰等療法有關(guān)[14]。

2.2.2 藥味關(guān)聯(lián)度分析 通過對表4中高頻藥味進行二次關(guān)聯(lián)分析得到，藥味間相關(guān)性最強的是白術(shù)和川芎（支持度為12.90%、置信度75%、提升度為7.75）。方劑中高頻藥味的網(wǎng)絡(luò)分析如圖3所示，顯示有很多藥物之間有強關(guān)聯(lián)，其中黃芪和甘草之間的關(guān)聯(lián)也比較緊密。

表4 包含白及的具有補脾益氣功效的方劑中高頻藥味頻次Table 4 High-frequency functional ingredients in prescriptions with effects of tonifying spleen and replenishing qi containing Bletillae Rhizoma

2.3 中成藥的數(shù)據(jù)分析

2.3.1 藥味頻數(shù)分析 統(tǒng)計包含白及的具有補脾益氣功效的中成藥中原料頻次（表5），并篩除不在保健食品原料目錄中的原料藥味后，發(fā)現(xiàn)排名前5位原料的為甘草（26次）、黃芪（17次）、白芍（16次）、三七（11次）和砂仁（11次）。這與保胃護肝功能的保健食品中高頻藥味有很高的重疊性。

圖3 包含白及的益氣健脾方劑中高頻次藥味網(wǎng)絡(luò)分析圖Fig.3 Network of high-frequency functional ingredients in prescriptions with effects of tonifying spleen and replenishing qi containing Bletillae Rhizoma

表5 包含白及的具有補脾益氣功效的中成藥高頻藥味頻次Table 5 High-frequency functional ingredients in Chinese patent drugs with effects of tonifying spleen and replenishing qi containing Bletillae Rhizoma

對藥味類別進行統(tǒng)計分析，排在前5位的分別是補虛藥（23次）、清熱藥（21次）、理氣藥（12次）、活血化瘀藥（10次）和解表藥（8次），占比53.62%。在中成藥的使用原料藥物類別方面與方劑中結(jié)果類似。

2.3.2 藥味關(guān)聯(lián)度分析 通過二次關(guān)聯(lián)分析得到的數(shù)據(jù)，藥物間配伍關(guān)聯(lián)最強的為丁香和豆蔻（支持度11.11%、置信度60%、提升度為9.0）。在網(wǎng)絡(luò)圖（圖4）中顯示甘草與黃芪、陳皮相關(guān)性良好，同時黃芪與陳皮的相關(guān)性連接線也比較清晰，關(guān)聯(lián)性較強。

圖4 包含白及的益氣健脾中成藥中高頻次藥味網(wǎng)絡(luò)分析圖Fig.4 Network of high-frequency functional ingredients in Chinese patent drugs with effects of tonifying spleen and replenishing qi containing Bletillae Rhizoma

2.4 以白及為主要原料具有保胃護肝雙功能保健食品配方分析

2.4.1 建模過程 影響保健食品配方選擇的因素有很多，包括藥物類別和保健食品原料目錄等。在選擇配方原料時常常把這些因素視為同等重要進行處理，但是由于配方對應(yīng)功能的不同，因素間的權(quán)重也存在著差別，且各因素權(quán)重相等也難以判斷在該功能下的配方選擇中的主導(dǎo)因素。非等權(quán)評價方法AHP分析是一種可以使權(quán)值在定性的基礎(chǔ)上得到量化的評價方法。本研究綜合現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)在保健食品配方設(shè)計中原料選擇常采用的評價項目建立AHP評價指標(biāo)體系，如表6所示。

在AHP分析中，選擇了多種評分依據(jù)來進行打分賦值，以期篩選出更為可靠的評價方式。在二級指標(biāo)藥味類別中采用根據(jù)方劑庫、中成藥庫、保健食品庫（包括輔助保護胃黏膜損傷和輔助保護化學(xué)性肝損傷2個庫）和4個庫綜合的4種評分進行比較。

各高頻原料經(jīng)過AHP分析優(yōu)化權(quán)重賦值后得到的數(shù)據(jù)依然具有一定的人為主觀性，且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模糊，除了根據(jù)結(jié)果進行排序之外，更多的數(shù)據(jù)信息有待挖掘。SOM聚類是一種適用于處理不精確的模糊信息的自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對非線性問題求解能力比較強，可以更好地反映數(shù)據(jù)間的規(guī)律。本研究中用于分析各原料藥的數(shù)據(jù)來自于通過AHP分析之后經(jīng)過線性加權(quán)、歸一化處理的二維數(shù)據(jù)點，最終得到的聚類結(jié)果供后續(xù)評價使用。

TOPSIS是通過判斷評價對象與正、負(fù)理想解的聚類對方案進行評價。若方案最靠近正理想解同時最遠(yuǎn)離負(fù)理想解則為最佳方案，并以此為依據(jù)對方案進行優(yōu)劣排序，是一種關(guān)注指標(biāo)數(shù)據(jù)本身特性并評價較客觀的綜合評價方法。但是TOPSIS分析無法確定每項評價要素的權(quán)重，在應(yīng)用時需要預(yù)先給定權(quán)重，所以本研究中TOPSIS分析數(shù)據(jù)來源于經(jīng)過AHP分析賦值和SOM聚類后的備選配方中藥物的權(quán)重和組合權(quán)重。

表6 AHP評價指標(biāo)體系Table 6 Evaluation index system of AHP

2.4.2 AHP分析結(jié)果λ為AHP分析結(jié)果的最大特征根。CI值是在AHP分析中用于表示權(quán)重計算矩陣一致性的一個參數(shù)，CR值是一致性比例，一般認(rèn)為CR值小于0.1時矩陣的一致性可以接受[21]。這2個指標(biāo)值越小，說明矩陣的一致性越好，原始評價賦值越合適。4庫綜合評分和C層次的原料藥的評分中以出現(xiàn)總頻次乘以出現(xiàn)庫的數(shù)目表示。藥味類別下不同評價方法中的最大特征根、CI和CR值如表7所示。

通過對64味高頻原料的AHP分析后，依據(jù)2個二級評價指標(biāo)和經(jīng)過線性加權(quán)之后的總權(quán)重進行排序，結(jié)果如表8所示。

表7 藥味類別下不同AHP賦值評價方法結(jié)果Table 7 Results of different evaluation method of AHP in drug category

結(jié)果顯示，綜合現(xiàn)有保健食品批文、中成藥和方劑數(shù)據(jù)，在保胃護肝方面具有優(yōu)先選擇可能性的主要原料藥，即總權(quán)重大于0的原料藥共有20個。其中除白及外排名前5的分別為甘草、陳皮、黃芪、茯苓和五味子。這些藥味的權(quán)重排序為之后配方的建立提供了依據(jù)。

2.4.3 SOM分析結(jié)果 將經(jīng)過AHP賦值加權(quán)后的64味高頻藥味的2個二級指標(biāo)進行SOM聚類，可以得到7類結(jié)果，分類情況如表9所示。通過神經(jīng)元之間的關(guān)系圖也可以進一步驗證分類結(jié)果，如圖5所示。圖5-A中灰色的表示神經(jīng)元節(jié)點，紅線表示神經(jīng)元之間有連接，中間的顏色塊表示神經(jīng)元權(quán)值向量的遠(yuǎn)近程度，從黃色到黑色，顏色越深表明越遠(yuǎn)。圖5-C、D中表示每個輸入向量和競爭層神經(jīng)元之間的權(quán)值連接情況，權(quán)值最小的顏色塊為藍色，權(quán)值為0的顏色塊為黑色，權(quán)值最大的顏色塊為紅色。

2.4.4 TOPSIS分析結(jié)果 通過對每味原料在現(xiàn)在醫(yī)學(xué)研究中對輔助保護胃黏膜和輔助保護化學(xué)性肝損傷功能的統(tǒng)計分析，并根據(jù)AHP分析并線性加權(quán)后的總權(quán)重排序和SOM聚類結(jié)果，選擇白及、甘草、陳皮、黃芪、茯苓、五味子、丹參、白芍、貝母、白術(shù)、黨參、人參、木香、山藥和當(dāng)歸共15種不同藥物類別的原料進行配方。依據(jù)傳統(tǒng)中醫(yī)理論中補脾益氣的治療原則和配伍理論等，共形成10個配方，經(jīng)過TOPSIS分析之后按照打分高低進行排序，結(jié)果如表10所示。

打分結(jié)果顯示10個配方的差別較大，但排名前2位的配方在分?jǐn)?shù)上差別并不大，在最后的選擇上還需要結(jié)合其他的研究進一步篩選確定。

表8 高頻原料藥AHP分析總權(quán)重結(jié)果及排名Table 8 Weight value and ranking of high-frequency functional ingredients with AHP analysis

表9 高頻原料藥味SOM聚類分析結(jié)果Table 9 Clustering results of high-frequency functional ingredients with SOM analysis

圖5 高頻原料SOM聚類分析結(jié)果神經(jīng)元關(guān)系示意圖Fig.5 Nerve relationship diagram of high-frequency functional ingredients with SOM analysis

表10 可能配方TOPSIS分析結(jié)果Table 10 TOPSIS analysis results of possible formula

3 討論

保健食品行業(yè)快速發(fā)展的同時[22-23]，在研發(fā)階段還存在著申報功能集中，對目錄中其他功能研究挖掘不充分，相同功能下配方原料選擇同質(zhì)化嚴(yán)重，對原料目錄中部分原料功能利用不足，中藥類保健食品配方原料配伍缺乏依據(jù)等諸多問題。針對以上情況，本研究通過對傳統(tǒng)藥食兩用保胃良藥白及的相關(guān)數(shù)據(jù)庫進行整理，采用Apriori、AHP、SOM聚類、TOPSIS等多種決策和聚類算法對數(shù)據(jù)庫進行分析，得到以白及為主要原料的具有保胃護肝雙功能的保健食品配方。

保健食品配方的一般思路即通過對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容整理，完成對原料的頻次、原料所屬類別等方面的統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行配方分析并根據(jù)實際情況確定配方[17]。本研究在此基礎(chǔ)上，增加了對統(tǒng)計結(jié)果的多角度分析，并對多個潛在配方進行量化評價。其中包括使用Apriori進行藥味原料間關(guān)聯(lián)度和網(wǎng)絡(luò)圖分析，作為后續(xù)配方的參考。對AHP的標(biāo)準(zhǔn)流程做出改進，通過比較多種較為客觀、易量化且易重復(fù)的評價方法，選用依據(jù)所有數(shù)據(jù)庫綜合情況進行打分賦值。計算出各高頻藥味原料各級指標(biāo)的權(quán)重后，采用線性加權(quán)的方法對各藥進行處理并排序，賦值缺項為-1，最后形成在保胃護肝雙功能下高頻藥味原料的綜合排名[13]。然后對各原料進行聚類分析，將高頻原料分成最優(yōu)選藥味到不建議使用藥味共7類。根據(jù)中醫(yī)理論中補脾益氣的原則和對從最優(yōu)選藥味到一般推薦藥味的功能和營養(yǎng)學(xué)等現(xiàn)代研究來綜合進行選擇，形成可與白及配伍使用并具有保胃護肝雙功能的保健食品配方。最終根據(jù)配方中原料的君、臣、佐、使和總權(quán)重共5項數(shù)據(jù)經(jīng)過TOPSIS分析得到的評分對潛在配方進行評價。

通過Apriori對各數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，保健食品信息、中成藥庫和方劑庫中使用藥味類別和高頻原料藥味重復(fù)率高。其中在4個數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)頻次都較高的藥物類別是補虛藥、清熱藥和理氣藥。4個數(shù)據(jù)庫中二次關(guān)聯(lián)分析結(jié)果均可支持補脾益氣的治療原則，但是數(shù)據(jù)結(jié)果僅為頻次或支持度等表現(xiàn)形式，缺乏對各原料本身或配伍的定量分析；另外二次關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)過于分散，對數(shù)據(jù)庫中原料藥味的整體評價不充分?；诖?，考慮引入AHP、SOM聚類和TOPSIS分析來對4個數(shù)據(jù)庫中的原料藥味進行更多層次的分析，挖掘出在過往應(yīng)用研究中可能沒有被充分應(yīng)用的原料。AHP分析和TOPSIS分析在藥學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，涉及到提取工藝的優(yōu)化、質(zhì)量標(biāo)記物的識別、保健食品原料評價體系的構(gòu)建、藥材質(zhì)量的評價和藥物利用評價及活性評價等多個方面[13,24-27]。SOM聚類之前多用于工程、金融等領(lǐng)域，在藥學(xué)中應(yīng)用罕見，但其與AHP和TOPSIS分析聯(lián)用研究應(yīng)用實例多樣且比較成熟。AHP-SOM聚類的聯(lián)合應(yīng)用多應(yīng)用于多種方案的選擇或者是對于定性和定量指標(biāo)并存的情況下建立一個質(zhì)量評價體系[28-29]。相較而言，SOM-TOPSIS聯(lián)合使用可以大幅降低在最后選擇評價時的對象數(shù)量[30]。

本研究的局限性在于所得數(shù)據(jù)庫容量相對較小，所以分析結(jié)果也相對集中。同時評分結(jié)果主要還是以對各項指標(biāo)的頻次統(tǒng)計結(jié)果，所以在評分賦值中依然存在缺陷，后期擬采用結(jié)合臨床資料、專利、科研項目等來綜合賦值，為原料排序提供更多的客觀參考。另外，還缺乏對最終結(jié)果算法的校驗和處方可行性的驗證環(huán)節(jié)，在未來的研究中會加強這方面的內(nèi)容。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突