基于AHP-熵權TOPSIS 混合加權法探究姜半夏化學成分與顏色的關聯性

史 可，王春燕，王夢珂，王夢偉，馬彥江，陳天朝,*

（1.河南中醫藥大學 藥學院，河南 鄭州 450008；2.河南中醫藥大學第一附屬醫院 藥學部，河南 鄭州 450000）

半夏為天南星科植物半夏Pinellia ternata（Thunb.）Breit.的干燥塊莖，性溫、味辛，歸脾、胃、肺經，具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結的功效，首載于《神農本草經》，列為下品[1]。生半夏有毒，因此臨床入藥多炮制，常見炮制品有清半夏、姜半夏和法半夏。清半夏炮制以白礬作輔料，化痰作用增強；姜半夏炮制以生姜和白礬作輔料，增強止嘔作用；法半夏炮制以甘草和石灰作輔料，止咳作用增強，且具有調和脾胃之功效[2]。研究發現半夏中含有生物堿類、有機酸類、揮發油類、甾醇類等多種化學成分[3]，具有鎮咳、平喘、抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗潰瘍、抗早孕等藥理作用[4]。

“辨狀論質”是以外觀性狀—形色氣味質為基礎，依靠眼觀、鼻聞、口嘗等感官技術來鑒別中藥真偽優劣及質量評價的傳統方法[5]，其中，色澤是判斷中藥品質最直觀的外在特征[6]。半夏炮制后色澤加深，2020 年版《中國藥典》對姜半夏顏色的描述為“表面棕色至棕褐色”，炮制過程中顏色的變化與內在化學成分含量密切相關，但僅憑肉眼觀察表面顏色不足以判斷其炮制程度，故本實驗采用薄層成像儀結合MATLAB 軟件對姜半夏飲片的顏色值進行客觀量化表達，并且采用AHP-熵權TOPSIS 混合加權法進行多指標綜合評價，旨在分析姜半夏中皂苷、有機酸類化學成分含量與顏色值的相關性，以期為姜半夏炮制程度的判斷及質量評價標準的建立提供參考。

1 儀器與材料

1.1 儀器

TLC VISUALIZER2 型薄層成像儀（瑞士卡瑪公司）；Thermo Evolution 201 型紫外-可見光分光光度計（美國賽默飛世爾科技有限公司）；Agilent1260 型高效液相色譜儀（美國安捷倫科技公司）；YX-24LDJ 型手提式壓力蒸汽滅菌器（江陰濱江醫療設備有限公司）。

1.2 材料

半夏（批號：190601，河南省青山藥業股份有限公司），經河南中醫藥大學第一附屬醫院陳天朝主任藥師鑒定符合2020 年版《中國藥典》（一部）飲片項下收載品種規定；十二水合硫酸鋁鉀（批號：180607，鄭州派尼化學試劑廠）；齊墩果酸對照品（批號：HA0820KA14，純度≥98%）、琥珀酸（批號：Z18D6H7816，純度≥98%）、草酸（批號：Z15S9Y70497，純度≥98%）、蘋果酸（批號：Z29O10H101559，純度≥98%）、檸檬酸（批號：SM0425GA14，純度≥98%），均購于上海源葉生物科技有限公司；甲醇（Sigma 試劑有限公司，色譜純）；冰乙酸（煙臺市雙雙化工有限公司，分析純）；香草醛（天津市福晨化學試劑廠，分析純）；正丁醇（天津市永大化學試劑有限公司）。

2 方法與結果

2.1 姜半夏樣品的制備

通過查閱2020 年版《中國藥典》、各地方炮制規范及文獻資料，采用混合均勻設計考察白礬用量、生姜用量、蒸煮時間、蒸煮溫度4 個因素，取生半夏飲片，大小分檔后用無菌水洗凈，20℃恒溫條件下，以不同白礬用量浸泡至無干心（浸泡時使用無菌水量為飲片量的4 倍），再取不同用量的生姜，搗碎后加入，用高壓鍋蒸汽滅菌鍋蒸制后，低溫干燥，即得樣品?；旌暇鶆蛟O計見表1。

表1 姜半夏炮制品U8(83×4)混合均勻設計表Tab.1 U8(83×4) mixing uniform design table of Ginger Pinellia gun product

2.2 顏色值的測定

2.2.1 采集圖像 取姜半夏不同炮制品飲片分別置于透明干凈培養皿背面，放入薄層掃描儀中，反射光照射，進行圖像采集。

2.2.2 RGB 數據采集及HSI 數值轉換 利用MATLAB R2016 軟件，通過程序代碼依次分析采集好的圖像，分別生成RGB（紅綠藍）圖像，從每個樣品RGB 圖像中均勻選取30 個（R，G，B）點，以此30 個值計算平均值，然后將平均值進行HSI 轉換，得到（H，S，I）數據[7]。H表示色調，描述的是可見光中不同光被混合而成的顏色；S表示飽和度，描述顏色的深淺程度，飽和度越高，顏色越深；I表示明亮程度，符合人眼對物體接受光照時的認知，其值越大，越明亮[8]，顏色值測定結果見表2。HSI 與RGB 轉換公式如下：H=θ(B≤G)或2π-θ(B＞G)；θ= arccos{1/2 [(R-G)+(R-B)]/[(R-G)2+(R-B)(G-B)]1/2}；S= 1-3[min(R,G,B)]/(R+G+B)；I＝1/3(R+G+B)。

表2 姜半夏飲片顏色值的測定結果Tab.2 Determination of color value of Ginger Pinellia decoction pieces

2.3 姜半夏中有機酸類成分的含量測定

2.3.1 對照品溶液的制備 分別精密稱取草酸、檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸對照品16.03 mg、15.66 mg、15.66 mg、17.60 mg，用NH4H2PO4（pH = 2）溶液定容至5 mL 容量瓶中，搖勻，即得。

2.3.2 供試品溶液的制備 精密稱取姜半夏不同樣品細粉0.5 g，加水50 mL，超聲60 min，放冷后稱定，補足失重，搖勻，取續濾液5 mL，加磷酸溶液0.5 mL，搖勻，加乙酸乙酯萃取，25 mL/次，萃取5次，合并乙酸乙酯層，減壓濃縮至干， 加0.1%磷酸溶液溶解，轉移至5 mL 容量瓶中，定容至刻度，0.45 μm 微孔濾膜濾過，即得。

2.3.3 色譜條件 ZORBAX SB-Aq 色譜柱（4.6 mm ×250 mm，5 μm）；流動相為0.03 mol/L 磷酸二氫銨（pH =2.0）：甲醇（97 : 3）；流速為0.8 mL/min；檢測波長為210 nm；柱溫為30℃；進樣量為10 μL。

2.3.4 線性關系考察 吸取混合對照品溶液，制備成一系列梯度質量濃度的溶液，按照“2.4.3”項下色譜條件進行測定，以對照品濃度（X，mg/mL）為橫坐標，半夏樣品峰面積（Y）為縱坐標，繪制標準曲線，回歸方程見表3。

表3 標準曲線考察結果Tab.3 Results of standard curve investigation

2.3.5 精密度試驗 精密吸取混合對照溶液，按“2.4.3”項下條件連續進樣6 次，每次10 μL，記錄峰面積，結果草酸、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、琥珀酸RSD 值分別為0.27%、0.07%、0.10%、1.05%、0.39%，均小于2%，表明此儀器精密度良好。

2.3.6 穩定性試驗 精密吸取同一供試品溶液，按“2.4.3”項下條件進樣，于0、2、4、6、8、12、24 h 不同時間點進行測定，結果草酸、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、琥珀酸RSD 值分別為1.65%、2.76%、1.60%、4.43%和4.77%，表明該供試品溶液在24 h 內穩定性良好。

2.3.7 重復性試驗 精密稱取同一樣品粉末6 份，按“2.4.2”項下方法制備供試品溶液，按“2.4.3”項下條件進樣，依據峰面積計算RSD 值。結果草酸、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、琥珀酸RSD 值分別為1.54%、3.79%、4.46%、4.15%和2.06%，表明該測定方法重復性良好。

2.3.8 加樣回收率試驗 精密稱取6 份樣品粉末，每份0.5 g， 按“2.4.2”項下制備供試品溶液，精密加入對照品溶液適量，按“2.4.3”項下條件測定，記錄峰面積，計算RSD 值。結果草酸、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、琥珀酸RSD 值分別為2.72%、1.35%、3.54%、1.52%和3.65%，所測得草酸、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、琥珀酸的平均回收率分別為98.02%、99.21%、95.59%、97.35%、94.87%，表明此方法準確度較好。

2.3.9 含量測定 按照“2.4.2”項下供試品溶液制備方法，并按“2.4.3”項下色譜條件進行測定，記錄峰面積，計算有機酸類成分含量，結果見圖1、表4。

圖1 姜半夏中有機酸類成分的HPLC 圖Fig.1 HPLC diagram of organic acids in Ginger Pinellia

表4 半夏生品及姜半夏炮制品化學成分含量測定結果（mg/g）Tab.4 Chemical composition determination results of Pinellia Raw products and Ginger Pinellia products (mg/g)

2.4 姜半夏中皂苷的含量測定

2.4.1 對照品溶液的制備 取齊墩果酸對照品適量，精密稱定，加甲醇配制成1 mg/mL 的對照品溶液。

2.4.2 供試品溶液的制備 精密稱定1 g 姜半夏不同炮制品細粉，置于錐形瓶中，加水飽和正丁醇20 mL，稱重后密塞，浸泡12 h，超聲60 min 后離心，精密量取上清液15 mL，蒸干溶劑后加甲醇溶解殘渣，定容至10 mL 容量瓶中，即得供試品溶液。

2.4.3 建立顯色條件 精密量取齊墩果酸對照品與供試品溶液1 mL，置具塞試管中，揮干溶劑后加入0.2 mL 5%香草醛-冰乙酸溶液，再加入高氯酸0.8 mL，搖勻，置60℃水浴15 min 后取出，再置冰水浴中，冷卻后取出，加入5 mL 冰乙酸。以相應試劑為空白，在400 ～ 800 nm 范圍內掃描最大吸收波長，結果顯示在543 nm 處有最大吸收。

2.4.4 標準曲線的繪制 分別精密吸取對照品溶液0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4 mL，定容于5 mL 容量瓶中，配制成0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28 mg/mL 的對照品溶液，按“2.3.3”項下操作，在最大吸收波長處測定吸光度，以吸光度（Y）為縱坐標，對照品的濃度（X，mg/mL）為橫坐標，繪制標準曲線，回歸方程Y=4.151 4X-0.050 6，R2=0.999 6，結果表明齊墩果酸在0.080 0～0.280 0 mg/mL范圍內線性關系良好。

2.4.5 精密度試驗 精密量取齊墩果酸對照品溶液0.16 mg/mL，按“2.3.3”項下進行操作，在543 nm 最大吸收波長處連續測定6 次，計算RSD 值。經計算RSD 為0.18%，表明此儀器精密度良好。

2.4.6 重復性試驗 精密稱取姜半夏粉末6 份，每份1.0 g，按“2.3.2”項下方法制備供試品溶液，按“2.3.3”項下方法測定其吸光度值（A），計算RSD 值。經計算RSD 為0.32%，表明該方法重復性良好。

2.4.7 穩定性試驗 以姜半夏粉末為樣品，按“2.3.2”項下方法操作，分別于0、10、20、30、40、50、60 min，按“2.3.3”項下方法處理，測定吸光度值（A），計算RSD 值。經計算RSD 為1.06%，表明該供試品溶液在60 min 內穩定性良好。

2.4.8 加樣回收率試驗 精密稱取6 份樣品粉末，每份1.0 g，按“2.3.2”項下制備供試品溶液，加入適量對照品，按“2.3.3”項下方法進行操作，測定其吸光度值（A），計算RSD 值。經計算平均加樣回收率為98.99%，RSD 為1.58%，表明此方法準確度較好。

2.4.9 含量測定 精密量取各供試品溶液，按“2.3.3”項下方法處理，在543 nm 最大吸收波長處測定吸光度值（A），計算半夏不同炮制品中皂苷含量，結果見表4。

2.5 AHP-熵權TOPSIS 混合加權法確定指標權重

2.5.1 AHP 法確定各指標成分權重 層次分析法(AHP)是一種定性、定量相結合，系統化、層次化的主觀賦權分析方法[9]。本研究依據半夏炮制前后各成分含量增減變化和藥理活性，將指標分為5 個層次，確定其各指標順序為皂苷＞L-蘋果酸=D-蘋果酸＞草酸＞檸檬酸＞琥珀酸，據此構建各指標成對比較的判斷優先矩陣，見表5。

表5 姜半夏評價指標的判斷優先矩陣Tab.5 Judgement priority matrix of Ginger Pinellia evaluation index

利用SPSSAU 軟件（https://spssau.com），選擇綜合評價中的AHP 層次分析，計算得出皂苷、L-蘋果酸、D-蘋果酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸的權重系數分別為0.263 2、0.210 5、0.210 5、0.157 9、0.105 3、0.052 6，顯示最大特征根為6.000，一致性指標CI 為0.000，得到隨機一致性指標RI 為1.260，一致性比率因子CR =0.000 ＜ 0.10，說明所得各指標權重具有一致性。

2.5.2 熵權TOPSIS 法確定各指標成分權重 熵權TOPSIS 法是一種融合熵值法與TOPSIS 法的綜合評價方法[10]。利用SPSSAU 在線軟件（https://spssau.com）對數據進行“標準化”處理，再進行“熵權TOPSIS”分析計算得出皂苷、L-蘋果酸、D-蘋果酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸的權重系數分別為0.124 9、0.388 1、0.211 1、0.106 6、0.067 7、0.101 5。

2.5.3 AHP-熵權TOPSIS 法確定各指標成分綜合權重 AHP-熵權TOPSIS 法是從主觀和客觀兩方面綜合考慮，更加合理地計算權重系數，計算公式為ω綜合ij=ωAHPij×ω熵權TOPSISij/Σ（ωAHPij×ω熵權TOPSISij)，經計算得出皂苷、L-蘋果酸、D-蘋果酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸的綜合權重分別為0.174 6、0.433 8、0.236 0、0.089 4、0.037 9、0.028 4。

2.5.4 三種權重分析方法綜合評分的比較 用上述3 種權重系數計算實驗數據的綜合評分（Y），Y=(Y1i/Y1max) 權 重100+(Y2i/Y2max) 權 重100+…+(Y6i/Y6max)權重100，結果見表6，采用SPSS21.0 軟件對3種綜合評分進行相關系數分析，結果顯示AHP 法和熵權TOPSIS 法綜合評分相關系數為0.978（P＜0.01），AHP 法和AHP-熵權TOPSIS 法綜合評分相關系數為0.992（P＜0.01），熵 權TOPSIS 法 和AHP-熵 權TOPSIS 法綜合評分相關系數為0.992（P＜0.01），相關性均極顯著，說明3 種權重系數計算所得的綜合評分結果一致。AHP 法和熵權TOPSIS 法權重系數的相關系數為0.471（P＞0.05），兩者相關性比較差異無統計學意義，表明這兩種計算方法所得權重系數反映的信息不具有疊加性，說明AHP-熵權TOPSIS 法結合計算權重系數可行，故本研究選擇該法確定指標權重并計算綜合評分。

表6 三種權重系數綜合評分Tab.6 Comprehensive scores of the three weight coefficients

2.6 姜半夏顏色值與化學成分、綜合評分的相關性分析

采用SPSS 21.0 軟件對姜半夏炮制品的顏色值、化學成分、AHP-熵權TOPSIS 法所得綜合評分進行Pearson 相關性分析，結果顯示色調H與皂苷、D-蘋果酸、L-蘋果酸、綜合評分均呈顯著正相關；飽和度S與D-蘋果酸、L-蘋果酸、綜合評分均呈顯著負相關；亮度I與皂苷、檸檬酸、D-蘋果酸、L-蘋果酸、綜合評分均呈顯著正相關，見表7。

表7 相關性分析表Tab.7 Correlation analysis table

2.7 姜半夏顏色值與化學成分的回歸分析

2.7.1 皂苷含量與H、I的逐步回歸分析 以皂苷含量為因變量，以H、I為自變量，選擇逐步stepwise法，進行逐步回歸分析，余下顯著自變量亮度I于模型中，得出回歸模型為：Y(皂苷)=0.261+3.110X(I)，R2=0.930，P＜0.05，表明該模型具有統計學意義，而且模型通過F檢驗(F= 93.013，P＜0.05)，說明模型有效，并且I會對皂苷產生顯著的正向影響。

2.7.2 檸檬酸含量與I的線性回歸分析 以檸檬酸含量為因變量，以I為自變量，得出回歸模型為：Y(檸檬酸)=-1.046+2.371X(I)，R2=0.564，P＜0.05，表明該模型具有統計學意義，模型通過F檢驗(F= 9.039，P＜0.05)，說明I會對檸檬酸產生顯著的正向影響。

2.7.3 蘋果酸含量與H、S、I的逐步回歸分析以D-蘋果酸含量為因變量，以H、S、I為自變量，選擇逐步stepwise 法，進行逐步回歸分析，余下顯著自變量亮度I于模型中，得出回歸模型為：Y(D-蘋果酸)=-2.470+4.266X(I)，R2=0.917，P＜0.05，表明該模型具有統計學意義，并且I會對D-蘋果酸產生顯著的正向影響；以L-蘋果酸含量為因變量，以H、S、I為自變量，選擇逐步stepwise 法，進行逐步回歸分析，余下顯著自變量亮度I于模型中，得出回歸模型為：Y(L-蘋果酸)=-2.899+4.915X(I)，R2=0.924，P＜0.05，表明該模型具有統計學意義，并且I會對L-蘋果酸產生顯著的正向影響關系。另外，針對模型的多重共線性進行檢驗發現，兩個模型中VIP 值均小于5，意味著不存在共線性；并且D-W 值在數字2 附近，說明兩個模型均不存在自相關性，樣本數據之間沒有關聯關系，兩個模型均較好。

2.7.4 綜合評分與H、S、I的逐步回歸分析 以綜合評分為因變量，以H、S、I為自變量，選擇逐步stepwise 法，進行逐步回歸分析，余下亮度I一項顯著自變量在模型中，得出回歸模型為：Y(綜合評分)=-118.069+236.312X(I)，R2= 0.945，P＜0.05，表明該模型具有統計學意義，而且模型通過F檢驗(F= 119.145，P＜0.05)，模型有效。

3 討論

半夏屬于天南星科，天南星科藥材具有相同的毒性作用物質基礎-草酸鈣針晶和凝集素蛋白[11]。歷代醫學古籍當中均有記載姜制的炮制方法，以中藥七情“相畏、相殺”為理論依據，是采用輔料生姜炮制以減輕半夏的毒性?，F代研究輔料白礬在炮制中的作用有三方面[12]，一是白礬在水中形成凝膠狀態的氫氧化鋁，具有一定吸附毒性物質的作用和中和作用；二是白礬在水中電離為SO42-離子，與不溶性物質草酸鈣反應，逐漸破壞草酸鈣針晶的形態結構，使其達到減毒的作用；三是因其復制法炮制多流程長時間浸泡的特點，浸泡過程容易腐爛發霉，而輔料白礬作為炮制輔料在減毒的同時還兼具一定的防腐抗菌作用。

中藥內在化學成分復雜，通?！岸嘀笜?、多靶點、多途徑”協同產生作用，因此評價指標選取應多元化。皂苷是苷元為三萜或螺甾烷類的一類較復雜的糖苷類化合物，長期以來被認為是中藥的關鍵成分，存在于多種中藥材中[13]，具有多種生物活性，如抗菌、鎮靜、抗癌、溶血等。有機酸類成分是止咳、平喘和止嘔的重要活性成分，并能夠抑制癌細胞的增長[14]。顏色是評價炮制品的炮制程度及質量優劣的重要指標，相關性分析顯示姜半夏內在化學成分含量與顏色存在顯著相關性，逐步回歸分析構建的4個回歸模型（P＜0.05），表明在93.0%的程度上可依據亮度I預測皂苷含量，在56.4%的程度上可依據亮度I預測檸檬酸含量，在91.7%的程度上可依據亮度I預測D-蘋果酸含量，在92.4%的程度上可依據亮度I預測L-蘋果酸含量，所以依據姜半夏外觀顏色的量化數據預測其化學成分含量具有一定的可行性。綜合評分與色調H呈顯著正相關，即色調越低、炮制品顏色越接近暖色調，則綜合評分越高，這與傳統經驗性評價標準一致，綜合評分與亮度I呈顯著正相關，即綜合評分越高，炮制品顏色越亮，越接近棕色，這與姜半夏炮制時的顏色變化過程保持一致?；貧w模型表明在94.5%的程度上可依據亮度I預測姜半夏整體質量。

4 結論

本研究測定了姜半夏的化學成分含量和色度值，色度值客觀量化表征其外觀顏色，AHP-熵權TOPSIS 混合加權法進行綜合評分，分析其成分含量及綜合評分與顏色值的相關性并建立回歸模型，對姜半夏炮制品質量評價及炮制程度判斷的客觀化具有參考意義，為中藥炮制的數字化生產提供一定的參考依據，后期還需進一步加大樣本量以驗證模型準確性。