基于数据化表达的中药“形色气味”研究进展及思考

赵雷蕾，周洋，黎茂，指导教师:周霞，兰泽伦，万军

(1.西南交通大学生命科学与工程学院，四川成都610031；2.国家中医药管理局中药炮制技术重点研究室，四川成都610036)

基于数据化表达的中药“形色气味”研究进展及思考

赵雷蕾1，周洋1，黎茂1，指导教师:周霞1，兰泽伦2，万军1

(1.西南交通大学生命科学与工程学院，四川成都610031；2.国家中医药管理局中药炮制技术重点研究室，四川成都610036)

“辨状论质”经验鉴别方法在中药材品质评价中发挥着重要作用，但其对于中药材及饮片“形色气味”的辨识主观性较强，客观性不足。本文在传统辨状论质观点基础上，认为形色气味是辨状论质的核心，并阐述了近年来建立在机器视觉技术、机器嗅觉技术、机器味觉技术基础上的中药“形色气味”研究进展，对传统和现代方法的优缺点进行了比较，提出基于数据化表达的中药“形色气味”的研究构想。

辨状论质；中药；形色气味；数据化

中药在我国沿用千年，历史悠久，其品质的优劣体现在临床疗效的好坏。“辨状论质”这一传统性状鉴别方法运用在很多中药材和饮片辨别上，意义重大，但其主观性较强，传承较困难。近年来，机器视觉、嗅觉、味觉技术在客观化表达中药“形色气味”方面开展了较多研究，这些新技术的出现，使得中药传统品质评价经验指标“形色气味”的数据化成为可能，弥补了经验鉴别主观性较强的缺陷。本文拟对新技术在中药领域的应用作一综述，并对建立中药性状质量评价新技术提出构想。

1 “辨状论质”是中药经验鉴别的精髓

中药的经验鉴别从远古时期“神农尝百草”即拉开序幕，几千年来，一直是判断药材及饮片真伪优劣的主要手段。我国著名中药学家谢宗万教授概括提出了“辨状论质”是中药品质传统经验鉴别之精髓的观点[1]19。所谓“辨状论质”是根据药材外观性状特点来判断药材的真伪优劣，其简单易行、方便快捷、直观，作为主要理论指南特别适用于基层药检单位、药材经营单位和医疗单位中药房[2]，广大消费者在购买中药时也依靠经验辨状论质，体现了其实用性。一个具有丰富经验的中药师，不但能通过外观性状观察鉴定药材的真伪优劣，还能说出它的产地，是野生品还是栽培品以及评估其生长年限和生长环境[3]。

2 “形色气味”研究是“辨状论质”的核心

由于生物物种遗传上的原因，任何动、植物、矿物药都有独特的外观性状及其他某些特性，中药的真伪优劣会通过“形色气味”表现出来[4]。经验鉴别主要根据药材的形、色、气、味直接利用看、摸、闻、尝，必要时加用水试与火试法来鉴别药材[5]。现分述如下。

2.1 中药之“形”

中药的形状是呈现给人的第一特征，长直、扁平、纹理等是对其的直观描述，老药工用“取象比类”生动地描述药物独特性状，使鉴别更为准确、方便、快捷。如野山参形如“马牙雁脖芦，下伸枣核艼，身短体横灵，环纹深密生，肩膀圆下垂，皮紧细光润，腿短二三个，分裆八字形，须疏根疣密”；三七外形有“狮子头、铜皮、铁骨”；海马形如“马头蛇尾瓦楞身”；药材横断面之特征如黄芪的“菊花心”；粉防己的“车轮纹”；茅苍术有“朱砂点”；大黄有“星点”；何首乌有“云锦纹”等特点[6-7]。

2.2 中药之“色”

对光线中不同波长的光波均匀吸收或选择吸收表现的性质体现为中药材外观颜色，这与其内在化学物质含量密切相关，并与其物理性质相统一。如黄柏折断面以色黄者为佳，与所含黄色小檗碱的含量有关；红花，丹参，茜草色红质优，与其所含的红花苷、丹参醌、茜草素密切相关；紫草要求色紫，与紫草素及其衍生物含量有关[8]；黄芩苷在黄芩酶作用下水解成葡萄糖醛酸与黄芩素，黄芩素具3个邻位酚羟基，易氧化成醌类而显绿色，故黄芩变绿后质量降低等等。“色变则味变、味变则质变”颜色的变异在一定程度上反映了药材内源物质的变化，故颜色亦是鉴别中药材真伪及品质优劣的重要标志之一。

2.3 中药之“气”

人体的嗅觉器官会感受到气味的刺激而作出反应，中药的气味多来源于所含的挥发性成分，具有特殊气味，而气味的浓淡一般与挥发性成分的含量成正相关，由此可辨其品质。植物类中药中以唇形科、伞形科、木兰科、樟科、芸香科等科的中药材尤为特殊，如薄荷、当归、辛夷、肉桂、陈皮。阿魏有强烈大蒜样恶臭气，白鲜皮有似羊膻气，檀香有特异芳香气，气腥香如虎骨、豹骨等。

2.4 中药之“味”

“神农尝百草之味，水泉之甘苦，令民知所避就。”这是我国最早用味道来辨别药物的实例[9]。通过口尝嘴嚼，感受到中药材的酸、苦、甘、辛、咸、涩、淡等。酸味多与有机酸有关，乌梅、木瓜、山楂以味酸者为佳[10]；苦味与生物碱、苦味素、苷类有关，黄连、黄柏则越苦越好。甘味与糖类、淀粉有关，甘草、党参以味甜为好。辛味与挥发油、辣素、皂苷等有关[11]，咸味与盐类有关，涩味与鞣酸有关等。

笔者认为，中药的形色气味是辨状论质的核心内容，但由于个体的主观差异，辨状论质评价药材的真伪优劣尚存在一定局限性，谢宗万教授在阐述辨状论质的观点时，亦提到采用现代科技弥补经验鉴定的缺陷[1]。因此，在传承传统经验的基础上，引入新技术新方法，开展经验鉴别的客观量化研究，可完善和丰富以辨状论质为核心的传统经验品质评价方法。

3 中药形色气味的数据化表达及应用研究进展

3.1 机器视觉技术的应用

机器视觉技术是一种利用计算机模拟人视觉的技术，一般称为电子眼，利用图像传感器将客观事物图像转化成数字图像，并利用模拟人辨别的计算机去处理和分析图像进而得出结论[12]。电子眼主要针对中药材及饮片的形和色进行处理检识。如CCD摄像机，将被检测的目标转化成图像信号，对图像进行识别并提取如面积、数量、位置、长度及纹理等目标特征，实现自动识别，马学武等[13]利用机器视觉技术对红枣进行分级处理。再如色彩色差计，一些学者利用色彩色差计客观量化中药材及其饮片的颜色[14-16]。陈粱等[17]利用色彩色差仪客观量化不同种植方式的防风饮片的外观颜色差异，为防风饮片分级的建立奠定了基础。黄学思等[18]提出将“电子眼”技术应用在中药炮制中，利用色彩装置设备对炮制后的药材进行颜色自动分析，采用基于人类色感的三度色彩空间CIE L∗a∗b(CIE即国际照明委员会，其中L∗代表亮度，a∗代表红-绿色轴，b∗代表蓝-黄色轴)确定获取颜色的基本信息。陶欧等[19-22]研究中药饮片横切面图像纹理特征参数，通过采集4种纹理特征不同的完整和不完整中药饮片在旋转任意4个方向后所得到的图像，于像素间距d＝3，θ＝00时，基于灰度共生矩阵提取11个纹理特征参数，基于灰度梯度共生矩阵提取15个共生特征参数，将这些特征参数归一处理后，发现这种方法可科学、定量的表示一些中药材模糊的纹理特征，并且采样方向不会影响完整中药饮片的横切面图像纹理特征参数，但会影响不完整中药饮片的横切面图像纹理特征参数。这些发现为建立中药饮片纹理特征参数的自动识别奠定了基础。

3.2 机器嗅觉技术的应用

机器嗅觉技术是一种模拟人嗅觉的技术，一般称为电子鼻，又称气味扫描仪，其系统由具有部分特异性和非特异性的传感器阵列和适当计算机模式组成，用于辨识中药材及饮片气味[23-24]。 邹慧琴[25]采用 α-Fox3000电子鼻对砂仁的挥发油进行提取和测定，通过正交试验确定了最佳参数。电子鼻实现了对中药气味评价的客观化、规范化、数字化，特别是对多味混合药材的检识能起到精确作用，弥补了人类嗅觉鉴别本身存在的生理性盲区、客观局限性和历史选择性。Di 等[26]利用“生物电子鼻”对辛烯醇和香芹酮分子进行区分。Huang[27]基于电子鼻检测苹果汁中愈创木酚的检出限低于GC-MS的检测限，其敏感度显著高于GCMS。此外，Zhuang[28]建立 M/TS数组的多维分析模型，能根据采集足够多的信息来辨别气味，是在体内安装生物嗅觉和人造设备的第一步。

3.3 机器味觉技术

机器味觉技术是一种模拟味觉感受机制的技术，一般称为电子舌，通过传感阵列采集化学物质的信号，经过计算机分析处理，给出物质的感官信息，主要用于中药材及饮片滋味的辨识[29]。刘瑞新等[30]采用电子舌评价不同掩味剂对苦味中药穿心莲掩味的效果，探索电子舌用于评价穿心莲掩味效果的可行性，并得出电子舌可用于中药掩味评价的结论。Luo等[31]通过电子舌和支持向量机(SVM)对白豆蔻、白术、独活、益智仁、姜黄5种中药材进行基础实验评估，认为电子舌在区分和识别不同中药材及对中药材进行质量分析时有巨大潜力，并且支持向量机方法在区分选定的中药材上具有良好的重复性和准确性。杜瑞超等[32]利用电子舌对具有苦、甜、酸、咸的22种常用中药的水煎液进行检测，利用主成分分析法和判别因子分析法对采集信号进行分析处理，最终得出电子舌能够对中药滋味进行精确区分辨识的结论。电子舌不仅能对药材气味进行客观性评价，还可应用于中药炮制过程中。炮制中火候是关键因素，气味反应火候。电子舌可定性定量分析药材味道，从而较好地控制炮制过程中火候，提高中药材炮制质量[33]。

4 存在的问题及思考

由以上的研究可看出，机器视觉、嗅觉、味觉技术作为量化形色气味的主要手段，已在中药的质量评价中有所运用。和传统经验比较，其在客观量化形色气味方面有一定优势，是对传统经验鉴别的一种有益补充。笔者在反复分析传统经验鉴别以及以上检测技术的基础上，发现存在以下问题:①传统辨状论质的局限在于不能量化中药形、色、气、味，对辨识人员的经验要求较高，对大批药材检测则耗时费力。另外，对混合药材如不同品种、不同年份无法有效辨别，尤其对辨识度不高的药材的检测显得无力等；②基于数据化表达的品质检测新技术建立在传统方法上，其评价指标依赖于形色气味。尽管具有快速、无损、准确率高等优点，但其仪器昂贵，检测成本较高，应用的便捷性不如传统经验鉴别，普及较为困难；③目前关于形色气味的研究，往往依靠某一种或两种技术对形状或颜色或气味或味道展开实验，而相互结合综合评价或鉴别中药材或饮片品质的较少，实验研究更少，大多停留在构想阶段[34]；④已经认识到形色气味是中药材或饮片内外质量的关联点，但是对形色气味对应的物质基础，特别是气味所对应的物质基础研究较少。

通过对现有中药材及饮片形色气味研究的分析，笔者认为可开展机器视觉、嗅觉、味觉技术在中药材及饮片的品质评价方面的方法学研究，以使检测结果更加稳定。充分采集各个产区样本的形色气味数据，建立数据库，引入化学计量学手段及模式识别的方法，整合形色气味数据，形成完整的外观性状数据化模型，构建中药材及饮片的识别系统。同时，以形色气味作为切入点，重点考察与其相关的内在化学成分，并研究二者的相关性。

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在完成了系统的设计和初步调试之后，对系统进行了运行调试。在调试过程中，运行了6套数控系统(由于每台机床均有2套数控系统，故实际运行了3台机床)，在完成各个数控系统MiniWeb的配置后，连接服务器，机床运行，实际运行效果如图5所示(以3#数控系统为例)。

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(责任编辑:王昌栋)

Progress and idea on TCM′s shape，color，smell and taste based on datamation

ZHAO Leilei1，ZHOU Yang1，LI Mao1，ZHOU Xia1，LAN Zelun2，WAN Jun1
(1.School of Life Science＆Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.State Administration of Traditional Chinese Medicine，Key Research Laboratory of Traditional Chinese Medicine Processing Technology，Chengdu 610036，China)

Qualitative assessment based on analyzing properties has been played an important role in traditional Chinese medicine(TCM)′s quality evaluation for a long time.It strongly depends on the person with experience on identification of the shape，color，smell and taste of TCM.And these are the core in the quality evaluation through morphological identification，which is put forward by the authors in this article. Electronic vision technology，electronic olfactory technology and electronic taste technology used in the TCM research field in recent years are analyzed.The traditional and modern methods and the datamation about shape，color，smell and taste of the TCM are also discussed in this article.

quality evaluation through morphological identification；traditional Chinese medicine；shape，color，smell and taste；datamation

R282.71

:A

10.3969/j.issn.1006-8783.2015.05.030

1006-8783(2015)05-0692-04

2015-04-25

四川省中医药管理局应用基础研究项目(2014-F-075)；四川省大学生科研创新训练计划项目(2015102)

赵雷蕾(1994—)，女，在读制药工程本科生，Email:zhaoll0205＠126.com；通信作者:万军(1980—)，男，副教授，博士，主要从事中药制剂与炮制研究工作，Email:wwangyidi＠126.com。

时间:2015-09-10 9:10

http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1413.R.20150910.0910.002.html