基于图像分析技术的甘草浓缩起泡过程实验探究*

贾广成，裴朝阳，王佩佩，尚国梅，所同川，3，王海霞，3，李 正，3，4，5

（1.天士力医药集团股份有限公司质量保证中心，天津 300410；2.天津中医药大学中药制药工程学院，天津 301617；3.天津中医药大学现代中药产业技术研究院，天津 301617；4.天津市现代中药省部共建国家重点实验室，天津 301617；5.天津现代创新中药科技有限公司，天津 300410）

皂苷是中药中普遍存在的一大类化学成分，由憎水性的苷元和亲水性的糖基组成[1-2]。这种类表面活性剂物质可以降低水溶液的表面张力，当皂苷水溶液经强烈振荡后气体进入料液后会分散形成大量持久性的泡沫，且泡沫不因加热而消失[3-4]。中药皂苷的这一性质严重影响了制药过程中的浓缩效率。在中药浓缩过程中，为了提高浓缩效率，需要通过真空或布料器带动使药液铺满整个蒸发器，在此过程中，真空和布料器的振荡使得浓缩器中的药液产生大量气泡[5-7]，如果不加以控制，就会出现暴沸的现象，这样不仅就会造成药液的浪费，也会影响中药产品质量。因此，阐明浓缩过程中泡沫的变化规律，对于消除泡沫，提高浓缩效率，保证中药产品质量都具有重要的作用。

图像分析是一种利用数学模型和图像处理的方法来揭示图片的底层特征和上层结构的分析方法，从而能提取出有用信息[8-11]。图像分析技术在泡沫的分析和监测中获得了较好的应用[12-14]，解决了一些实际问题，如矿物浮选[15]、地质检测、石油勘探[17]等领域。王勇等[15]将彩色位图的（RGB）三分量和灰度图象的亮度分析方法应用于细粒煤（＜0.5 mm）浮选，取得了较好的浮选效果。陈贤瑞等[18]基于体视学原理建立了泡沫地质聚合物宏观孔结构量化图像分析方法，并探讨了图像处理法对表征不同形貌的地质聚合物孔结构参数的适应性[16]。晏梓洋[19]利用近红外激光监测装置采集石油管道中流体泡沫图像，根据图像的显示信息与对应的电压值建立数理统计关系，从而识别管道内混合流体流型。但是，到目前为止还没有将图像分析技术运用于中药浓缩液泡沫的分析研究报道。

本研究以甘草提取液浓缩过程为研究对象，由于甘草中富含甘草皂苷，在浓缩中有大量泡沫产生。通过改变加热温度，投料量和皂苷浓度来调整浓缩工艺，运用视频截取技术获得不同浓缩工艺中不同浓缩时段泡沫的图片，分析图片中固定选区内泡沫的大小和数量，揭示浓缩工艺与起泡的作用规律，从而为实际生产中浓缩工艺流程的调控提供参考，也为中药实际生产的过程质量控制提供一种有效的分析技术。

1 实验材料及仪器

甘草饮片（批号1403008）购自河北祁一堂药业有限公司，由天津中医药大学宋新波研究员鉴定为甘草。

索尼FDR-AX60数码摄像机，具有视窗的浓缩罐（自制），DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，低温冷却循环泵（巩义市予华仪器有限公司），实验图像处理软件为ImagePy。

2 实验部分

2.1 甘草饮片的提取 取甘草饮片70g，加入560mL的纯水，油浴加热使料液处于微沸状态，回流提取3 h后，用纱布过滤，滤液放置过夜使沉淀，上清液即为一煎液；向饮片滤渣中再加入420 mL的纯水继续回流提取2 h，做法同前，得到的上清液为二煎液，将一煎液与二煎液合并得到合煎液。

2.2 甘草提取液的浓缩 将所得甘草提取液置于图1所示的浓缩罐[20]中进行减压浓缩，并将数码摄像机对准浓缩罐的视镜处，对浓缩过程进行全程录像。浓缩实验按照表1所示的条件进行全因素实验，每组平行进行3次，共计81组浓缩实验。

图1 提取罐结构示意图

表1 甘草浓缩过程单因素实验设计表

2.3 图像处理方法 将得到的视频图像按照前10 min内每30 s截取1张图片，10 min以后每隔5 min截取一张图片的方法进行图像采集。在得到的所有图片上进行选区划定：以光纤探头与液面的接触点为圆心，绘制一个与光纤探头相切的直径为2.0 cm的圆形选区，以此作为手工测量泡沫直径和个数的选区，并记录。

图2 选区示意图

3 结果

3.1 泡沫变化规律 通过对截取得到的所有泡沫图片进行分析，可将甘草浓缩过程划分为6个阶段，分别是初始浓缩阶段（图3A），泡沫富集阶段（图3B），急剧起泡阶段（图3C），泡沫破裂阶段（图3D），泡沫悬浮阶段（图3E）及不起泡阶段（图3F）。浓缩开始时，随着浓缩罐中压力逐渐降低，在机械搅拌作用下，甘草水提液表面会悬浮一些细而密的小泡；随着体系压力进一步降低，液体表面悬浮小泡数量逐渐增多，直至铺满整个浓缩液面，呈蜂窝状；当体系压力达到最低（-0.1 MPa）时，此时浓缩液面迅速泛起大而密集的泡沫，并且泡沫不断上升，在上升的过程中又会不断破裂，如此往复循环，并且在接收瓶内可以观察到水分流出；急剧起泡阶段持续数分钟后，浓缩体系中泡沫数量逐渐减少，且泡沫逐渐变小，并且逐渐铺展到浓缩液面上；泡沫破裂阶段持续近数10 min后，体系中泡沫数量大大减少，泡沫不能铺满浓缩液面，直至最后泡沫消失。

3.2 浓缩温度对泡沫状态的影响 为了探究浓缩温度对泡沫状态的影响，根据表1中的实验设计固定投料量（300 mL）和皂苷浓度（合煎液）两个因素，进行不同温度下的浓缩实验，并记录起泡过程图片。图4和图5为不同温度下泡沫平均直径和泡沫数量的变化关系图。据图可以看出，温度对浓缩过程的起泡时长有一定影响，温度高时，泡沫体积偏大，个数偏多，且起泡持续时间较长，此外，泡沫的体积及数量在浓缩开始10 min之内有较剧烈的变化，10 min之后变化比较平稳且无明显规律，偶尔出现泡沫增多及体积增大的情况，但最终都趋于稳定。

图3 浓缩起泡过程示意图

图4 温度对泡沫直径的影响

图5 温度对泡沫个数的影响

3.3 投料量对起泡过程的影响 固定浓缩温度（50℃）和皂苷浓度（合煎液）两个因素，进行不同投料体积量下的浓缩实验，并记录起泡过程图片。据图6和图7可以看出，投料量对浓缩起泡时长有一定影响，投料量小时，泡沫平均直径相对较小，且泡沫个数相对较少，相应的浓缩起泡时间就较短。此外，泡沫的平均直径及起泡数量仍在浓缩开始10 min之内有较剧烈的变化，10 min之后变化趋于平缓，但无较明显规律，直至浓缩结束。

图6 投料量对泡沫直径的影响

图7 投料量对泡沫个数的影响

3.4 皂苷浓度对起泡过程的影响 由上文中的分析可知，甘草皂苷是造成甘草提取液浓缩起泡的根本原因，因此，探究皂苷浓度与生成泡沫之间的关系是很有意义的。在本实验中，通过煎煮的批次区分提取液中的皂苷浓度，一煎液中皂苷浓度最高，合煎液次之，二煎液中皂苷浓度最低。图8和图9显示的分别为不同皂苷浓度下（温度50℃，投料量350 mL）的提取液浓缩时产生泡沫的直径及数量变化关系图。从两图中可以看出，二煎液的浓缩起泡过程持续时间最长，这可能是由于二煎液中皂苷浓度低，含水量高造成的。此外，在起泡发生的起初10 min之内，泡沫平均直径及起泡个数变化仍然比较剧烈，但3组数据重合程度比较高，说明在浓缩的初始状态皂苷浓度对泡沫个数及尺寸的影响不明显。随着浓缩实验的不断进行，皂苷浓度对所起泡沫大小的影响逐渐凸显出来。低皂苷浓度的浓缩液中所起泡沫直径较小，而高皂苷浓度的浓缩液中所起泡沫直径相对较大，但也有一些异常情况，尤其是在浓缩起泡的后期。从图9可以看出，皂苷浓度对所起泡沫个数的影响较小，3组数据重合部分较大，没有明显规律。

图8 皂苷浓度对泡沫直径的影响

图9 皂苷浓度对泡沫个数的影响

4 讨论

皂苷是一类大量存在于中草药中的特殊苷类，这种苷类成分可以有效降低水溶液的表面张力，使得富含皂苷的水溶液在容器内受到剧烈震荡后会产生持久性的泡沫，严重影响生产效率和产品质量。本文首次运用图像处理技术分析甘草药液浓缩时产生的泡沫性质和状态，并通过改变浓缩工艺，揭示浓缩工艺与产生泡沫间的作用关系。通过分析起泡图片可以看出，不同浓缩工艺中泡沫的整体变化规律比较一致，都可分为初始浓缩阶段，泡沫富集阶段，急剧起泡阶段，泡沫破裂阶段，泡沫悬浮阶段及不起泡阶段6个过程阶段，且急剧起泡阶段都发生在浓缩开始的前10 min之内。不同浓缩工艺导致浓缩起泡时长不一样，且产生的泡沫大小和数量有所差别。温度高时，泡沫体积偏大，个数偏多，且起泡持续时间较长；投料量小时，泡沫平均直径相对较小，泡沫个数相对较少，且相应的浓缩起泡时间就较短；低皂苷浓度的浓缩液中泡沫直径相对较小，且起泡持续时间较长。但由于浓缩工艺区别度低，且泡沫一直处于动态变化之中，泡沫的状态存在反复性，且人工观察和手工测量容易产生误差，致使没有明确得到泡沫与浓缩工艺之间的变化规律。

5 结论

文章在实验室条件下模拟甘草浓缩工艺过程，采用图像分析技术对浓缩起泡过程进行实时监测与分析。这种分析手段可作为一种有效的过程分析技术，应用于中药实际生产的过程质量控制。这也顺应了“质量源于设计”（QbD）的管理理念和要求，将质量控制点前移，让检测结果更好地指导实际生产。该方法揭示的浓缩工艺中泡沫的阶段性变化规律对于实际生产中泡沫的控制具有直接的借鉴意义，也为中药浓缩消泡研究提供参考价值。