一种用针刺压传感器检测中药材软化情况的方法

刘子齐 钱俊回 龚行楚 范骁辉

摘要 目的：大多数中药材在加工前需要进行软化处理，然而软化终点一般由人主观确定。本研究旨在探讨针刺压传感器用于中药材软化情况检测的可行性。方法：将各种中药材按直径分为大、中、小3组分别浸润。设计并自制了一种用于测定中药材硬度的针刺压传感器，利用压力传感器和微波测水仪分别对中药材的硬度和水分含量进行检测。通过人工判断，验证浸润软化终点时间的准确性。结果：丹参、大黄、苍术等药材水分含量与硬度之间存在较好的线性关系。一般情况下，药材直径较大时，软化终点所需时间较长。用水分含量值计算软化终点处药材的硬度，利用针刺压传感器测定软化终点，各组软化率均为95.2%～100%。结论：针刺压传感器可准确检测中药材软化情况。

关键词 中药材;针刺压传感器;浸润软化终点

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

LIU Ziqi1，QIAN Junhui1，GONG Xingchu1，FAN 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

中图分类号：R282.5文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.23.007

传统中草药被用于疾病治疗已有数千年的历史。几乎所有的中药材在临床使用前都需要经过切制。《中华人民共和国药典》四部的“炮制通则”规定了中药切制的关键参数及切制品的规格。在切割之前，大多数药材需要软化。常用软化方法大多需要用水，包括喷淋、浸泡、润、蒸、煮等。药材吸收水分后变得柔软，有利于切割。

工业生产中，药材软化不足会导致切片破碎，以及刀头的磨损。但是軟化时间过久或者用水过多会影响切片的外观，甚至会导致水溶性活性成分的损失[1]。因此，确定软化终点在工业生产中具有重要意义。

目前，软化终点通常由工人通过手捏等方法凭经验判断。一些研究试图从软化方法、水分消耗和终点时间等方面改进中药的软化技术。李智等[2]采用气相置换软化法，在较低含水量的条件下，快速、均匀软化丹参，提高了药材丹酚酸B的产量。李啸云等[3]研发设计了具有控温、自动浸润等功能的自动喷淋浸润软化设备。梁丽丽等[4]通过正交设计法优选了板蓝根饮片的浸润和切制工艺条件，包括切片厚度、浸润时间和浸润用水量。张旭等[5]优化木香切制工艺时也采用了类似方法。但已有研究工作中仍缺乏量化判断药材软化情况的方法，导致软化过程在线检测难度大等问题。

丹参、大黄、苍术是应用广泛的中药材，为植物的根和根茎，制成饮片前需要软化后切制。本研究以这3种药材为对象，开发了一种针刺压传感器，用于测定药材软化后的硬度。计算了水分含量与压力的相关性，并对针刺压传感器的精度进行了评价。实验过程见图1。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 药材 丹参采自山东，大黄和苍术采自甘肃。按直径大小，将丹参分为大组50份（≥10 mm）、中组50份（6～10 mm）和小组50份（≤6 mm）;大黄分为大组30份（≥50 mm）、中组30份（30～50 mm）和小组30份（≤30 mm）;苍术分为大组30份（≥20 mm）、中组30份（10～20 mm）和小组30份（≤10 mm）。典型不同大小的药材见图2。

1.1.2 针刺压传感器的设计 针刺压传感器由压力传感器、台钻、圆钢针（锥形头、锋利、2 mm厚）和3D打印适配单元组成。见图3。压力传感器、刺针、台钻通过适配单元连接。台钻是支架，可以控制设备。当设备启动时，刺针向下移动，针尖触碰到药材时的高度与平台高度差值可计算出药材直径，此时数据自动反馈给计算机。进而刺针继续刺入药材，当刺入直径70%时回归原位，过程中计算机读数。

1.2 方法

1.2.1 硬度检测 “药透水尽”为中药浸润终点的常规判断方法，通常要求药材无硬心。为了准确表征出药材浸润后的硬度，采用针刺方法要求至少能刺穿药材直径的50%。在本研究工作中，以针头在

进入药材不小于药材直径70%的深度时，压力传感器检测压力定义为药材的硬度。从低到高，分别在药材不同含水量的条件下检测药材硬度，并绘制体现药材硬度与含水量函数关系的回归方程。

1.2.2 水分含量检测 微波检测是一种可靠的测定植物水分含量的方法[6]。本研究采用微波测水仪（MS-A-210;MOSYE TECH GMBH，德国）测定丹参、大黄和苍术的水分含量，输出功率为24 W。每一种药材都被放置在微波测水仪上，当整根药材与仪器充分接触时，即刻显示数据，记录其含水率。

1.2.3 人工判断水分含量 请具有8年以上工作经验的技术人员确定了药材的浸润终点。将丹参、大黄、苍术分别置于（85±5）℃恒温水浴中，观察和检测时间间隔为20 s，记录浸润终点时间和药材硬度。

1.3 统计分析 采用SPSS 20.0统计软件（IBM SPSS Statistics）进行数据分析，计量资料以均数±标准差（±s）表示。多组间比较采用单因素方差分析GraphPad_Prism_8.3.0.538，双侧检验，以P<0.05为差异有统计学意义，采用回归分析确定含水率与压力之间的关系。

2 结果

2.1 药材基本情况 中组和小组丹参的直径和质量明显小于大组丹参，差异有统计学意义（P<0.001），小组丹参的直径和质量亦明显小于中组丹参，差异有统计学意义（P<0.001）;中组和小组大黄的直径和质量明显小于大组大黄，差异有统计学意义（P<0.001），小组大黄的直径和质量亦明显小于中组大黄，差异有统计学意义（P<0.001）;中组和小组苍术的直径和质量明显小于大组苍术，差异有统计学意义（P<0.001），小组苍术的直径和质量亦明显小于中组苍术，差异有统计学意义（P<0.001）。见图4。

2.2 人工判断药材软化终点 与大组丹参比较，中组丹参的软化终点时间明显减少（P<0.01），小组丹参的软化终点时间显著减少（P<0.001），而中组丹参与小组丹参的软化终点时间差异无统计学意义（P>0.05）;与大组大黄比较，中组大黄与小组大黄的软化终点时间差异有统计学意义（P<0.001），与中组大黄比较，小组大黄的软化终点时间显著减少（P<0.001）;与大组苍术比较，中组苍术与小组苍术的软化终点时间差异无统计学意义（P>0.05），与中组苍术比较，小组苍术的软化终点时间减少（P<0.05）。见图5A-C。

2.3 药材软化终点的水分含量 如图5D-F所示，丹参、大黄和苍术不同分组的软化终点的水分含量基本相同。大、中、小3组丹参软化终点的平均水分含量分别为0.962、0.963、0.960，差异无统计学意义（P>0.05）。大、中、小3组大黄软化终点的平均水分含量分别为0.99、0.99和0.96，差异无统计学意义（P>0.05）。大、中、小3组苍术软化终点的平均水分含量分别为0.974、0.963、0.963，差异无统计学意义（P>0.05）。

2.4 计算药材在软化终点的硬度 通过软化终点水分含量，与回归方程计算中药材软化终点硬度，具体可见图5G-I。与大组丹参比较，中组丹参的软化终点硬度增高（P<0.01），小组丹参的软化终点硬度显著增高（P<0.001），与中组丹参比较，小组丹参的软化终点硬度增高（P<0.05）;与大组大黄比较，中组大黄的软化终点硬度降低（P<0.01），小组大黄的软化终点硬度显著降低（P<0.001），与中组大黄比较，小组大黄的软化终点硬度差异无统计学意义（P>0.05）;与大组苍术比较，中组苍术软化终点硬度差异无统计学意义（P>0.05），小組苍术软化终点硬度显著降低（P<0.001），与中组苍术比较，小组苍术软化终点硬度显著降低（P<0.001）。

2.5 药材含水量与硬度的函数关系 以硬度为纵坐标y，含水量为横坐标x，建立丹参、大黄与苍术各组硬度与含水量的线性回归方程。见表1。决定系数R2均大于0.95，说明药材含水量与硬度之间具有较好的线性关系。见图6。斜率均为负数，说明药材含水量增加后，硬度下降。拟合所得截距代表着药材含水量为0时的药材硬度。可以看出药材含水量低时，大黄的起始硬度最高，压力传感器检测压力可超过100 N，其次是丹参，在含水量较低的情况下压力传感器检测压力可接近100 N，而苍术的起始硬度最低，通常不超过60 N。实验中，在含水量接近1时，丹参的硬度可低至约30 N，大黄在含水量接近1时硬度可低至约50 N，而苍术在含水量接近1时硬度可低至约15 N。

2.6 针刺压传感器在药材软化终点时间测定中的应用 大、中、小3组丹参软化率分别为97.6%、98.0%、98.6%。见图7A。大、中、小3组大黄软化率分别为95.2%、97.2%、100%。见图7B。大、中、小3组苍术软化率分别为100%、100%、100%。见图7C。

3 讨论

本研究开发了针刺压传感器用于检测压力，以表征中药材的硬度。本研究将丹参、大黄和苍术3种中药材按直径分为大、中、小3组，药材重量与药材直径正相关。基于人工方法判断中药材浸润软化终点时间，药材浸润软化终点时间受直径影响，总体而言，中药材直径越小，其浸润软化终点时间越短。测定各组药材浸润软化终点水分含量，丹参、大黄和苍术在软化终点的水分含量基本相同，因此，丹参、大黄和苍术软化终点的药材水分含量与直径无关。

为探讨中药材水分含量与硬度的作用关系，采用热水浸润丹参、大黄和苍术，测定不同水分含量下中药材的硬度，在一定范围内，药材水分含量与硬度呈线性负相关。因此，压力和硬度可以在一定范围内反映丹参、大黄和苍术的水分含量，并可用于确定软化终点时间。

利用含水量与硬度之间的线性函数公式，计算了3种药材在软化终点处的硬度。各组计算出的在软化终点时间的硬度不同，推测硬度可能是一个可以判断中药材软化终点的合适指标。以硬度为指标，采用针刺压传感器测定丹参、大黄、苍术软化终点时间，各组软化率均较高，在95.2%～100%之间。因此，针刺压传感器在中药软化终点时间检测中具有较高的准确性，但该装置是否适用于其他种类的中药材检测仍需继续研究。

参考文献

[1]聂瑞杰，王英姿，孙振阳，等.当归饮片生产加工工艺标准化的初步研究[J].中国中药杂志，2017，42（23）：4503-4509.

[2]李智，刘桂萍，孙玉红.改进丹参饮片的炮制方法提高丹酚酸B含量[J].中国现代药物应用，2010，4（17）：137-138.

[3]李啸云，金传山，孙军，等.根茎类中药材自动喷淋浸润软化设备的研制及應用[J].时珍国医国药，2013，24（8）：1932-1934.

[4]梁丽丽，王英姿，李环环，等.板蓝根饮片的浸润切制工艺优选[J].中国实验方剂学杂志，2012，18（21）：28-30.

[5]张旭，侯影，贾天柱.正交法配合药效指标综合筛选木香切制工艺[J].中国实验方剂学杂志，2011，17（7）：9-12.

[6]王家龙，周佑军，寻继勇.微波水分快速测定仪开创水分测试新纪元[J].中国仪器仪表，2016，36（3）：68-69.

（2021-10-25收稿 责任编辑：王明）