層次分析-熵權法評價結合正交試驗優化鐵皮石斛顆粒配方工藝

孫人杰，田茂雨，何 琴，吳德智，陳唯實

（貴州中醫藥大學，貴州貴陽 550025）

鐵皮石斛為蘭科植物鐵皮石斛（Dendrobium officinaleKimura et Migo）的干燥莖，首載于漢代《神農本草經》，是國家衛健委公布既是食品又是中藥材的試點工作的物質名單[1]。鐵皮石斛內含豐富的活性物質，如多糖、黃酮類、生物堿類、氨基酸類、微量元素以及揮發性物質等[2-3]，現代藥理學研究表明，鐵皮石斛多糖具有增強免疫力與降血糖的功能[4-5]，可清除體內自由基起到抗氧化作用[6]；黃酮類物質能夠促進血液循環，對心血管系統具有保護作用[7]；鐵皮石斛生物堿可以減輕抑郁樣行為，達到緩解焦慮的效果[8]。顆粒劑以易于攜帶，方便服用且穩定性好的特點[9-10]，廣泛應用于保健食品中，其中含鐵皮石斛的保健食品中顆粒劑占比27.12%[11]。

目前，保健食品顆粒的配方選擇往往取決于傳統經驗，具有一定的局限性。結合現有鐵皮石斛保健食品的配方組成分析，構建原料之間多層次組合網絡，能夠多方位、更全面的篩選和確定配方。同時鐵皮石斛食品顆粒的配方工藝研究多以溶化時間[12]或吸濕率[13]等單一指標作為評價，或采用主觀經驗進行多指標權重分析，對指標信息的客觀反映存在不足。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）作為主觀賦權法，通過主觀經驗對指標重要程度排序及權重分配[14]，熵權法（entropy weight method，EWM）為客觀賦權法不依賴于主觀判斷，根據多指標所提供的信息來確定各指標權重[15]。主觀權重系數與客觀權重系數綜合考慮，相互結合對多指標權重分析更加科學合理[16]。近年來，AHP-EWM（analytic hierarchy process-entropy weight method，AHP-EWM）法逐漸應用到顆粒工藝中[17]。本研究基于鐵皮石斛保健食品注冊信息，引入復雜系統熵聚類算法，挖掘鐵皮石斛保健食品中配方組成，采用AHP-EWM（analytic hierarchy process-entropy weight method，AHP-EWM）法確定各指標權重系數，以綜合得分為指標優化鐵皮石斛顆粒配方工藝，為相關研究提供新思路和新案例。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鐵皮石斛浸膏粉（每g 浸膏含10 g 生藥）、枸杞浸膏粉（每g 浸膏含10 g 生藥）、白芍浸膏粉（每g浸膏含10 g 生藥）陜西海益斯生物科技有限公司；糊精（≥99%）山東西王糖業有限公司；乳糖（≥99%）上海麥克林生化科技有限公司；微晶纖維素（≥99%）湖州市菱湖新望化學有限公司；無水乙醇分析純，天津市富宇精細化工有限公司；氯化鈉分析純 重慶江川化工有限公司；GB/T 6003 標準檢驗篩 紹興市上虞華豐五金儀器有限公司。

WTC3002 電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；DZ-2BCIV 真空干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；WP-UP-WF-30 實驗室超純水機 四川沃特爾水處理設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 數據來源 查詢SAMR 特殊食品安全監督管理司官網（http://www.samr.gov.cn/tssps/）上保健食品注冊信息，在“查詢欄”中輸入關鍵詞“鐵皮石斛”與“鐵皮楓斗”，排除沒有配方、保健功能等信息的批文，采用Excel 2020 合并重復數據，截止到2023 年5 月1 日收集到鐵皮石斛相關保健食品共計160 種。

1.2.2 配方的確定方法 以鐵皮石斛保健食品中的原料組成信息為分析目標，錄入配方中的原料藥數據，采用SPSS 26.0 軟件進行復雜系統熵聚類算法，構建原料藥之間多層次組合網絡，確定鐵皮石斛保健食品的配方用藥組合。

1.2.3 顆粒的制備方法 取鐵皮石斛、枸杞、白芍浸膏粉適量，加入適量稀釋劑，乙醇作為潤濕劑，采用擠出制粒法制備顆粒[18]，于60 ℃干燥箱中干燥1 h，過1.70 mm（10 目）篩，整粒，即得水分含量不超過5%的樣品顆粒。

1.2.4 稀釋劑的篩選方法 取鐵皮石斛浸膏粉5.17 g、枸杞浸膏粉3.10 g、白芍浸膏粉3.10 g，加入50%乙醇4 mL，選擇糊精、乳糖、微晶纖維素、糊精與微晶纖維素1:1 混合物、乳糖與微晶纖維素1:1 混合物作為5 種稀釋劑，按浸膏粉與稀釋劑的質量比1:1 混勻，置于干燥至恒重的稱量瓶中。以成型率、溶化率、吸濕率和休止角為指標，篩選顆粒的稀釋劑。

1.2.5 單因素實驗 根據顆粒配方工藝的相關參考文獻[19-20]，結合預試驗結果，由單因素實驗初步探究原料與稀釋劑比例，乙醇體積濃度，乙醇用量對顆粒劑AHP-EWM 綜合評分的影響。

1.2.5.1 原料與稀釋劑比例 選擇體積濃度為50%的乙醇，乙醇用量為4 mL，設置不同的原料與稀釋劑比例（5:0.5:4.5、5:1.5:2.5、5:2.5:2.5、5:3.5:1.5、5:4.5:0.5），以AHP-EWM 綜合評分確定原料與稀釋劑比例。

1.2.5.2 乙醇體積濃度 選擇原料與稀釋劑比例為5:2.5:2.5，乙醇用量為4 mL，設置不同的乙醇體積濃度（10%、30%、50%、70%、90%），以AHP-EWM綜合評分確定乙醇體積濃度。

1.2.5.3 乙醇用量 選擇原料與稀釋劑比例為5:2.5:2.5，體積濃度為50%的乙醇，設置不同的乙醇用量（2、3、4、5、6 mL），以AHP-EWM 綜合評分確定乙醇用量。

1.2.6 正交試驗的工藝優化 在單因素實驗的結果基礎上，以原料:糊精:微晶纖維素比例為A、乙醇體積濃度為B、乙醇用量為C 作為考察因素，以成型率、溶化率、吸濕率和休止角為指標進行正交試驗設計分析，AHP-EWM 進行權重分析，通過正交試驗進一步優化鐵皮石斛顆粒劑的配方，所確定的因素與水平見表1。

表1 L9（34）正交試驗設計表Table 1 L9 (34) orthogonal experimental design table

1.2.7 評價指標的確定

1.2.7.1 成型率 采用雙篩分法，即能通過1.70 mm（10 目）篩但不能通過0.180 mm（80 目）篩的顆粒為合格顆粒[21]。

1.2.7.2 溶化率 精密稱量1.000 g 顆粒樣品置于燒杯中，加入75 ℃熱水，用玻璃棒攪拌5 min 使其全部溶解；濾紙過濾，殘渣置于60 ℃烘箱內干燥至恒重，精密稱量干燥殘渣重量[22]。

1.2.7.3 吸濕率 將配制好的氯化鈉飽和溶液置于玻璃干燥器底部放置24 h，使其內部相對濕度為75%。將顆粒置于其中，24 h 后稱重[23]。

1.2.7.4 休止角 將漏斗用木架固定于水平實驗臺上，從漏斗上方倒入顆粒使其自由落下，待顆粒從漏斗中緩緩落到實驗臺上并形成一個穩定的堆積圓錐時，測定其高度和底面半徑，按下式計算休止角[24]。

式中，h 為堆積圓錐的高度（cm），r 為底面半徑（cm）；α為休止角。

1.2.8 AHP-EWM 法進行權重

1.2.8.1 AHP 法 建立顆粒配方工藝優化與指標（溶化率、休止角、成型率和吸濕率）的AHP 雙層次模型。通過公式（5）判斷矩陣每一列歸一化，隨后按照公式（6）進行行相加，根據公式（7）將得到的結果歸一化算出權重向量。通過公式（8）與公式（9）計算判斷矩陣的最大特征根和一致性比值（Consistency Ratio，CR）值。CR 值用于評估矩陣合理性，CR 值小于0.1 表明矩陣數值設置以及權重系數可靠[25]。

式中，aij表示判斷矩陣中第i 行第j 個指標的值；akj表示判斷矩陣第j 個指標所在第k 列的求和值；k 表示列數；m 表示指標成分個數；qij表示a 矩陣中第i 行第j 個指標的按列歸一化后的值。

式中，ri表示將q 矩陣第i 行相加的值；rj表示將q 矩陣第j 行列相加的值；r 表示所求的權重值。

式中，λmax表示判斷矩陣的最大特殊根；CR 表示一次性比值；1.12 為常數，表示m=5 時的平均隨機一致性指標。

1.2.8.2 EWM 法 基于熵信息理論的EWM 可根據給定數據推斷有用信息，當評價指標的給定信息具有重大意義時，熵值較低，此信息應被賦予高權重系數以表示其重要性[26]。采用熵權法對多個指標進行客觀賦權[27]。首先采用Excel 2020 軟件對數據Yij根據公式（10）進行歸一化處理，得到歸一化數據，再根據公式（11）得到標準化數據，再通過公式（12）計算第j 個指標的信息熵，得到的各指標信息熵利用公式（13）轉化為熵權，即得評價指標的熵權值。

式中，Yij表示第i 次實驗時第j 個評價指標標準化后的值；Y*ij表示第i 次試驗時第j 個評價指標的歸一化值，n 表示試驗次數；Sj表示第j 個評價指標的信息熵值，Wj表示第j 個評價指標的熵權值。

1.2.8.3 AHP-EWM 法 AHP 法 與EWM 法相結合，既能通過主觀經驗對指標重要性進行排序分配，又能客觀反應指標信息，使得權重系數更加科學合理[28-30]。按下列公式計算AHP-EWM 法復合權重，并通過復合權重計算綜合得分。

式中，r 和wj分別為EWM 及AHP 法所得權重系數；F*j表示各個相應指標的AHP-EWM 法復合權重。

1.3 數據處理

所有試驗平行3 次，結果取平均值。采用Excel 2020 進行數據統計整理；繪圖采用Origin 2019；利用SPSS 26.0 進行復雜系統熵聚類算法。P<0.05 表示存在顯著性差異，P>0.05 表示無顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 基于關聯規則的配方規律分析

配方規律以規則分析為核心處理算法，根據設置的支持度個數和置信度，確定配方模式和配方規律[31]。根據錄入的保健食品的原料配方的特點設置支持度個數為7（表示在所有原料中同時出現的個數），置信度為1，如表2 所示，配方模式中出現7 次及以上共有8 種關聯規則組合，除鐵皮石斛外涉及8 種原料，即枸杞、西洋參、黃芪、靈芝、山藥、茯苓、麥冬、葛根。藥物組合網絡展示如圖1 所示。

圖1 支持度個數為7 的藥物組合網絡Fig.1 Network of drug combinations with support scores of 7

表2 藥物組合的關聯規則分析Table 2 Association rule analysis of drug combinations

2.2 基于熵聚類的配方規律分析

復雜系統熵聚類方法是一種非監督的模式發現算法，可自組織地從數據庫中提取藥物的核心組合[32]。根據錄入的保健食品數量，結合經驗判斷和不同參數提取數據的預讀，設置相關度為8，懲罰度為4[33]，在上述組合的基礎上進行聚類分析，得到原料藥之間的關聯組合，如表3 所示。選擇組合1（枸杞、白芍）以“國草”森山飲料為參照，每瓶規格為310 mL，鐵皮石斛標示量為5.17 g，枸杞與白芍均為3.10 g。確定原料藥浸膏粉為鐵皮石斛5.17 g、枸杞3.10 g、白芍3.10 g，進行后續研究。鐵皮石斛具有增強中樞神經系統、提高記憶力的作用[34]；枸杞能夠抑制細胞凋亡，從而延緩皮膚衰老，兩者合用對預防老年癡呆癥有功效[35]。此外，鐵皮石斛與白芍合用在保護化學性肝損傷上具有協同作用[36]。

表3 基于熵聚類的藥物組合分析Table 3 Drug combination analysis based on entropy clustering

2.3 稀釋劑的選擇

對顆粒樣品的成型率、溶化率及吸濕率進行測定，選擇最佳的稀釋劑，結果如圖2 所示。由圖2A可知，單一稀釋劑中微晶纖維素的成型率最高，為72.29%，而糊精與微晶纖維素合用后的成型率為75.43%，且與單一微晶纖維素存在顯著性差異（P<0.05），證明糊精與微晶纖維素合用的成型率最好；由圖2B 可知，糊精的溶化率不及乳糖，但當兩者與微晶纖維素混合后，溶化率均有所增強，混合物中糊精+微晶纖維素的溶化率為87.04%，乳糖+微晶纖維素的溶化率為87.79%，兩者基本相同，無顯著性差異；由圖2C 可知，乳糖的吸濕率較高，吸濕后容易液化，顏色變深，使顆粒粘連。而混合物中糊精+微晶纖維素的吸濕率為12.75%，與單一微晶纖維素存在顯著性差異（P<0.05）；由圖2D 可知，5 種稀釋劑的休止角均處于26°左右處，且兩兩之間均不存在顯著性差異（P>0.05）。因糊精與微晶纖維素混合后的吸濕率最低、溶化性強、成型率最高，選擇糊精+微晶纖維素混合輔料作為顆粒的稀釋劑。

2.4 單因素實驗結果

2.4.1 原料與稀釋劑比例的選擇 由圖3 結果所示，原料與稀釋劑比例從5:0.5:4.5 至5:2.5:2.5，綜合評分呈上升趨勢，當原料與稀釋劑比例為5:2.5:2.5 時，綜合評分為88.87。當繼續增加糊精比例，減小微晶纖維素比例時，顆粒劑的綜合評分反而有所下降。因此選擇5:2.5:2.5 的原料與稀釋劑比例作為單因素探究的最適條件，并選用5:1.5:3.5、5:2.5:2.5、5:3.5:1.5 三個水平進行后續的正交試驗。

圖3 原料與稀釋劑比例對綜合評分的影響Fig.3 Effect of the ratio of raw materials to diluents on comprehensive score

2.4.2 乙醇體積濃度的選擇 潤濕劑常通過潤濕原料，誘發其黏性，以使原料貼結，方便制粒。如圖4 所示，隨著乙醇體積濃度的升高，潤濕效果明顯，顆粒劑的綜合評分增大，乙醇體積分數50%時綜合評分最高，達到90.09，且制粒效果好，粒度均勻。因此選擇體積濃度50%的乙醇作為單因素探究的最適條件，并選用30%、50%、70%三個水平進行后續的正交試驗。

圖4 乙醇體積濃度對綜合評分的影響Fig.4 Effect of ethanol volume concentration on comprehensive score

2.4.3 乙醇用量的選擇 乙醇作為潤濕劑的用量關系到軟材的硬度，從而影響顆粒的形態與特征。由圖5 結果可知，隨著乙醇用量的增加，綜合評分呈現先上升后下降的趨勢，當乙醇用量為4 mL 時，綜合評分最高為88.01。因此選擇用量為4 mL 的乙醇作為單因素探究的最適條件，并選用3、4、5 mL 三個水平進行后續的正交試驗。

圖5 乙醇用量對綜合評分的影響Fig.5 Effect of ethanol dosage on comprehensive score

2.5 正交試驗優化工藝

基于稀釋劑的篩選，正交試驗各指標結果見表4。AHP 法優勢在于定量表達評價人員的主觀判斷[37]，按照成型率=吸濕率>溶解率>休止角，賦值組成成對比較的判斷矩陣[38]，如表5 所示，由AHP 確定指標（溶化率、休止角、成型率和吸濕率）的λmax為4，CR=0<0.1，表明矩陣的參數設置合理以及權重系數可靠。EWM 最大優點是避免了主觀因素，得到的權重更具客觀性[39]。AHP 法、EWM 法以及AHPEWM 法所得多指標權重系數見表6。

表4 正交試驗數據表Table 4 Data of orthogonal experiment

表5 指標成對比較的判斷優先矩陣Table 5 Judgment precedence matrix for paired comparison of indicators

表6 AHP、EWM、AHP-EWM 法權重系數Table 6 Weight coefficients of AHP,EWM and AHP-EWM methods

基于L9（34）正交試驗設計參數，以AHP-EWM綜合評分為考察指標，結果見表7～表8。結果顯示因素A、C 對AHP-EWM 法中綜合評分影響程度較小，無顯著性差異（P>0.05），因素B 對試驗結果有顯著影響（P<0.05）。各因素對AHP-EWM 復合評分的影響為B>A>C，即乙醇體積濃度>原料與稀釋劑比例>乙醇用量。通過k 值對正交試驗結果進行分析得：A3>A2>A1，B2>B3>B1，C3>C2>C1，推測顆粒各因素各水平的最佳組合為A3B2C3，選用原料浸膏粉:糊精:微晶纖維素的比例為5:3.5:1.5（10:7:3），其中原料浸膏粉為鐵皮石斛5.17 g、枸杞3.10 g、白芍3.10 g，體積濃度為50%、用量為5 mL 的乙醇作潤濕劑為最佳制粒工藝。

表7 AHP-EWM 法綜合評分的正交試驗結果Table 7 Results of the orthogonal test of the comprehensive score of the AHP-EWM method

表8 方差分析結果Table 8 Results of the analysis of variance

2.6 工藝驗證試驗

按正交試驗所得最佳工藝參數制備3 批鐵皮石斛-枸杞-白芍顆粒，對工藝進行驗證。分別測定其成型率、溶化率、吸濕率及休止角，計算其AHP-EWM綜合評分，3 批樣品的平均綜合評分為93.63，結果見表9（結果大于表7 中9 個實驗組），表明工藝穩定可行。

表9 工藝驗證試驗結果（±s，n=3）Table 9 Results of the validation test (±s,n=3)

表9 工藝驗證試驗結果（±s，n=3）Table 9 Results of the validation test (±s,n=3)

3 結論

本文基于熵聚類方法探究了原料藥之間的配方規律，確定了鐵皮石斛-枸杞-白芍組合。通過層次分析-熵權法結合正交試驗優化了鐵皮石斛顆粒配方工藝，確定各指標權重為：成型率0.3567、休止角0.0847°、溶化率0.1778、吸濕率0.3808；最佳配方工藝為：原料浸膏粉:糊精:微晶纖維素的比例為5:3.5:1.5（10:7:3），其中原料浸膏粉為鐵皮石斛5.17 g、枸杞3.10 g、白芍3.10 g，乙醇體積濃度50%、乙醇用量5 mL。由最佳工藝得成型率77.04%±0.46%、溶化率88.97%±0.21%、吸濕率11.00%±0.20%、休止角23.91°±0.28°，且AHP-EWM法綜合得分為93.63±1.65，與預測值接近。為鐵皮石斛-枸杞-白芍顆粒的應用開發提供了理論依據，并驗證了多指標綜合評價方法的適用性。

? The Author(s) 2024.This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).