CN107655849A - 一种凉茶近红外在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凉茶近红外在线检测方法，首先，往提取罐中加入水，用蒸汽将水加热到煮沸，将凉茶药材加入到提取罐中，在提取过程中不断采集提取液样品；然后，采集提取液样品进行近红外光谱检测并通过定量检测方法检测提取液样品中有效成分的浓度；接着，选择合理的建模近红外光谱数据区域，建立近红外光谱数据与提取液样品中有效成分的浓度之间的对应模型；最后，利用建立的对应模型，检测待测凉茶的红外光谱，实现对待测凉茶中有效成分的浓度测定。本发明通过近红外获得的预测值与真实值的变化趋势基本一致，能够满足正常过程中实时分析的精度要求，适用于中药提取过程的质量监测。

Description

一种凉茶近红外在线检测方法
技术领域
本发明涉及一种饮料检测方法，具体涉及一种凉茶近红外在线检测方法。
背景技术
随着中医药与国际的交流和接轨，基于多指标成分定量的指纹图谱质量控制技术已得到国内外的广泛认可，按高的质量标准进行生产和检测已成为中药制药业发展的必然趋势。中药指纹图谱质量控制模式，为中药材和中药生产提供了一种综合的、宏观的和可量化的质量评价标准。利用中药指纹图谱技术，可以实现中药质量有效监控和多指标成分定量控制。目前，国内主要注射液品种已经实现基于指纹图谱的质量控制方式，大大提高了产品质量，减少了不良反应。
目前，对中药生产重要环节——提取生产过程，国内相当多的企业仍以手工操作的方式进行生产，劳动强度大，过程参数难以及时记录和正确控制，产品质量难以控制。通过生产过程的自动化并不能解决中药生产过程中质量控制的所有问题。因为自动控制***只对过程控制参数(如温度、压力、流量、密度等)而不是针对提取液中有效成分的含量进行测量并采取相应的控制措施。
随着科学技术的进步，目前近红外在线光谱仪已实现技术成熟化、产业化，它能提供基于成分含量、物理化学性质等多个内在质量参数的在线测量，从而为基于中药内在成分含量的质量控制模式提供了技术手段。以近红外在线光谱仪的核心设备，实现中药生产过程在线检测，并根据检测结果实现生产过程的智能化控制将是中药生产过程的大势所趋，将成为中药现代化生产的核心技术。
另一方面，中药提取过程是一个复杂的传质过程，由于药材来源、存储、加工、提取方式等多方面因素的影响，中药提取过程仍是一个巨大的灰区，如何根据药材质量来确定提取次数、溶剂的用量、提取时间是一个尚未解决的重大问题，而提取液的质量直接影响到后续诸多制剂工艺。近红外在线光谱仪提供了一种对提取过程进行在线检测的方法，可以实时监控提取液中主要成分的变化情况，并根据这些情况灵活调整提取方案，从而获得质量最优的提取液。
为了进一步提高王老吉凉茶药材利用率、降低生产成本，因此，引入近红外光谱技术，分别对凉茶生产工艺过程中的提取阶段进行研究。
发明内容
为了解决现有技术中凉茶生产过程中的质量难以控制的问题，本发明提供一种凉茶近红外在线检测方法，可以实时监控提取液中有效成分的变化情况，并根据这些情况灵活调整提取方案，从而获得优质的提取液。
本发明的目的将通过以下技术方案实现：一种凉茶近红外在线检测方法，包括以下步骤：
步骤一，往提取罐中加入水，用蒸汽将水加热到煮沸，将凉茶药材加入到提取罐中，在提取过程中不断采集提取液样品；
步骤二，采集提取液样品进行近红外光谱检测并通过定量检测方法检测提取液样品中有效成分的浓度；
步骤三，选择合理的建模近红外光谱数据区域，建立近红外光谱数据与提取液样品中有效成分的浓度之间的对应关系；
步骤四，利用建立的对应关系，检测待测凉茶的红外光谱，实现对待测凉茶中有效成分的浓度测定。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤一中，凉茶药材主要由甘草、布渣草、金银花、菊花、鸡蛋花、凉草粉、夏枯草组成，往提取罐中加入纯化水200L，开启搅拌，用蒸汽将水加热到煮沸，将已称好的10kg王老吉凉茶药材，在温度88～92℃下提取90min，提取过程中持续搅拌，每隔2～5min采集1次提取液样品。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤二中，提取液样品进行近红外光谱在线检测，以空气为背景，采用漫反射测样方式，波长检测范围为400～1200nm，扫描次数为32次，分辨率为2nm，每个提取液样品重复扫描3次，得出平均的准确的光谱数据。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤二中，提取液样品中有效成分包括咖啡酸和酚酸，通过定量检测方法检测提取液样品中咖啡酸和总酚酸的含量。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤二中，定量检测方法包括高效液相色谱法和紫外-可见光分度计法，通过高效液相色谱法检测提取液样品中咖啡酸的浓度，通过紫外-可见光分度计法检测提取液样品中总酚酸的含量。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤二中，提取液样品中咖啡酸的含量采用外标法确定，通过高效液相色谱检测咖啡酸标准品的峰面积与咖啡酸标准品的进样量之间的关系，确定其线性方程后，再根据线性方程以及提取液样品中咖啡酸的高效液相色谱的峰面积，计算提取液样品中咖啡酸的含量。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤二中，提取液样品中总酚酸的含量采用外标法确定，通过紫外-可见光分度计检测没食子酸标准品的吸光度与没食子酸浓度之间的关系，确定其线性方程后，再根据其线性方程以及提取液样品中总酚酸的吸光度，计算提取液样品中总酚酸的含量。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤三中，选择建模近红外光谱数据区域之前要进行预处理，预处理方法包括卷积平滑、一阶卷积求导、二阶卷积求导、多元散射校正、标准正态变量变换和归一化法。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤三中，选择建模近红外光谱数据区域的方法包括全波长、相关系数法、迭代优化对近红外光谱进行波长的选择，以偏最小二乘法对近红外光谱数据与其对应的真实含量值做回归拟合计算，建立校正模型，并采用评价指标考察其稳定性和预测精度，评价指标包括交互验证标准偏差、校正标准偏差、主因子数、决定系数，通过交互验证标准偏差和校正标准偏差优选出最佳模型。
优选的，所述的一种凉茶近红外在线检测方法，所述步骤四中，待测凉茶经过步骤一的处理方法后再进行近红外光谱检测和定量检测方法检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明凉茶药材加入到提取罐后，再采用近红外检测和定量检测方法进行检测，以便能够获知动态提取过程中光谱数据和有效成分的浓度数据，从而建立稳定好、预测精度好的对应关系，并通过建立的对应关系获知待检测样品中有效成分的浓度。本发明通过近红外获得的预测值与真实值的变化趋势基本一致，能够满足正常过程中实时分析的精度要求，适用于中药提取过程的质量监测。
附图说明
图1为本发明实施例1中咖啡酸的标准曲线；
图2为本发明实施例1中提取过程中王老吉凉茶提取液中咖啡酸的浓度；
图3为本发明实施例1中不同批次王老吉凉茶提取液中咖啡酸的浓度；
图4为本发明实施例1中没食子酸的标准曲线；
图5为本发明实施例1中提取过程中王老吉凉茶提取液中总酚酸的浓度；
图6为本发明实施例1中不同批次王老吉凉茶提取液中总酚酸的浓度；
图7为本发明实施例1中第2批样本中咖啡酸的真实值与预测值关系图；
图8为本发明实施例1中第2批样本中总酚酸的真实值与预测值关系图；
图9为本发明实施例1提取过程中咖啡酸的真实值与预测值关系图；
图10为本发明实施例1提取过程中总酚酸的真实值与预测值关系图；
图11为本发明实施例1第3批中咖啡酸的真实值与预测值关系图；
图12为本发明实施例1第3批中总酚酸的真实值与预测值关系图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
实施例1
实验仪器及试剂：近红外光谱仪(Matrix-F，德国布鲁克公司)，分辨率2nm，扫描次数32次，波长扫描范围400-1200nm。美国戴安高效液相色谱仪ULtiMate3000(包括梯度泵SR-3000、自动进样器WPS-3000、柱恒温***TCC-3000、紫外检测器DAD-3100、色谱工作站变色龙7.2)。XS205DuaLRange型十万分之一分析天平(梅特勒-托利多仪器(上海)。娃哈哈纯净水(市场购买)，乙腈(色谱纯、德国默克)，甲酸(分析级，广州化学试剂厂)。紫外分光光度计(型号：UV-2600，厂家：岛津(中国)有限公司)，十万分之一分析天平(型号：XS205DualRange型，厂家：梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)。
实验材料：咖啡酸标准品(110885-200102，中国食品药品检定研究院)；王老吉凉茶提取液(实验室中试生产线制备)；福林酚溶液(吸取FC试剂60ml，用去离子水定容至600ml)；蒸馏水(自制)；碳酸钠溶液(称取30.3064gNa2CO3于烧杯中，加入400ml水制成7.5％Na2CO3溶液)；没食子酸标准品(批号：110831-201605，含量90.8％)；王老吉凉茶提取液(实验室中试生产线制备)。
样品的制备与收集：往提取罐中加入纯化水200L，开启搅拌，用蒸汽将水加热到煮沸，将已称好的10kg王老吉凉茶药材(主要由甘草、布渣草、金银花、菊花、鸡蛋花、凉草粉、夏枯草等组成)投入提取罐中，在温度90±2℃提取90min，提取过程中持续搅拌，得到提取液。在提取过程中进行近红外控制每隔2分钟采样一次，提取液样品置于密封容器中，在4℃冰箱中存放。提取液样品过0.45μm微孔滤膜，并在4℃冰箱中存放备用。最好在7天之内完成检测，以免样品出现沉淀、变质等现象，影响测定效果。
样品中咖啡酸含量分析：精密称取咖啡酸标准品1.07mg于5ml容量瓶中，加适量甲醇溶解并定容至刻度，摇匀，作为母液。精密量取母液0.8ml至5ml容量瓶中加甲醇稀释至刻度，摇匀作为对照品溶液。用微孔滤膜(0.45μm)滤过，取滤液，用滤液直接进样。不同进样体积的咖啡酸标准品经HPLC检测，以峰面积为纵坐标，进样量为横坐标，得到咖啡酸标准曲线y＝78.9692x+0.0302，R＝0.99996，如图1所示。分别对王老吉凉茶的提取液样品进行HPLC检测，通过得到的咖啡酸标准曲线，计算出相应序号样品的咖啡酸浓度以及测试其近红外光谱，表2所示，由此绘制出图2所示的咖啡酸浓度变化关系图。并且重复提取过程，得到不同批次的咖啡酸浓度，如图3所示。
表1 咖啡酸的标准曲线
表2 王老吉凉茶第1批提取液样品中咖啡酸含量测定结果
样品中总酚酸含量分析：精密称取没食子酸标准品1.29mg容量瓶中，加适量水溶解并定容至2ml，摇匀，作为母液。分别稀释成浓度为0.8785mg/ml、0.7321mg/ml、0.5857mg/ml、0.2928mg/ml、0.1464mg/ml、0.0732mg/ml的标准品溶液，分别取各标准品溶液40μl，加入1.8ml FC试剂，室温反应5min后加入1.2ml7.5％Na2CO3溶液，避光放置1.5h后于765nm下，以水为空白测定其吸光度。以吸光度为纵坐标，以没食子酸浓度为横坐标，得到没食子酸标准曲线：y＝1.4356x+0.0246，R＝0.9995，如图4所示。分别对王老吉凉茶的提取液样品进行紫外光检测，通过得到的没食子酸标准曲线，计算出相应序号样品的总酚酸浓度，并检测出其近红外光谱，如表2所示，由此绘制出图5所示的总酚酸浓度变化关系图。并且重复提取过程，得到不同批次的总酚酸浓度，如图6所示。
表3 没食子酸的标准曲线
光谱预处理方法包括卷积平滑、一阶卷积求导(1D)、二阶卷积求导(2D)、多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、归一化法等。采用多种波长选择方法包括全波长、相关系数法、迭代优化等对光谱进行波长的选择。采用偏最小二乘法对样品的光谱数据与其对应的真实含量值做回归拟合计算，建立校正模型。采用交互验证标准偏差(SECV)、校正标准偏差(SEC)、主因子数(LV)、决定系数(R2)等作为模型的评价参数。通过SECV和SEC优选出每种不同波长选择方法下的模型。
咖啡酸含量建立模型：在王老吉凉茶中，王老吉凉茶中咖啡酸含量部分采用第1批、第4批、第5批建立模型，对第2批样本进行预测。根据单因素考察，对咖啡酸的光谱预处理方法、波长选择方法进行优选，得出最佳模型如下表5。第2批样本的预测值与第2批样本的真实值的关系如图7所示。
表5 咖啡酸提取部分最佳模型参数
总酚酸含量建立模型：王老吉凉茶药材提取部分的总酚酸采用第1批、第4批、第5批样本建立模型，对第2批样本进行预测。根据单因素考察，对总酚酸的光谱预处理方法、波长选择方法进行优选，得出最佳模型如下表6。第2批样本的预测值与第2批样本的真实值的关系，如图8所示。
表6 总酚酸提取部分最佳模型参数
根据以上建立的模型，从咖啡酸含量分别对提取部分进行交互验证，其结果如图9所示；从总酚酸含量分别对提取部分进行交互验证，结果如图10所示。
通过以上分析，预测值与真实值的变化趋势基本一致，能够满足正常过程中实时分析的精度要求，说明了建模的性能良好。
实施例2
在实施例1的基础上，通过本申请的建模方法对第3批样品进行验证，从咖啡酸含量对提取部分进行检验，其预测值与真实值的关系，如图11所示。从总酚酸含量对提取部分进行检验，其预测值与真实值的关系，如图12所示。
通过NIR得到的预测值与HPLC得到的真实值吻合程度较高，在趋势上基本一致，再次说明了本检测方法的可行性和可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，往提取罐中加入水，用蒸汽将水加热到煮沸，将凉茶药材加入到提取罐中，在提取过程中不断采集提取液样品；
步骤二，采集提取液样品进行近红外光谱检测并通过定量检测方法检测提取液样品中有效成分的浓度；
步骤三，选择合理的建模近红外光谱数据区域，建立近红外光谱数据与提取液样品中有效成分的浓度之间的对应关系；
步骤四，利用建立的对应关系，检测待测凉茶的红外光谱，实现对待测凉茶中有效成分的浓度测定。
2.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤一中，凉茶药材主要由甘草、布渣草、金银花、菊花、鸡蛋花、凉草粉、夏枯草组成，往提取罐中加入纯化水200L，开启搅拌，用蒸汽将水加热到煮沸，将已称好的10kg凉茶药材，在温度88～92℃下提取90min，提取过程中持续搅拌，每隔2～5min采集1次提取液样品。
3.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，提取液样品进行近红外光谱在线检测，以空气为背景，采用漫反射测样方式，波长检测范围为400～1200nm，扫描次数为32次，分辨率为2nm，每个提取液样品重复扫描3次，得出平均的准确的光谱数据。
4.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，提取液样品中有效成分包括咖啡酸和酚酸，通过定量检测方法检测提取液样品中咖啡酸和总酚酸的含量。
5.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，定量检测方法包括高效液相色谱法和紫外-可见光分度计法，通过高效液相色谱法检测提取液样品中咖啡酸的浓度，通过紫外-可见光分度计法检测提取液样品中总酚酸的含量。
6.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，提取液样品中咖啡酸的含量采用外标法确定，通过高效液相色谱检测咖啡酸标准品的峰面积与咖啡酸标准品的进样量之间的关系，确定其线性方程后，再根据线性方程以及提取液样品中咖啡酸的高效液相色谱的峰面积，计算提取液样品中咖啡酸的含量。
7.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤二中，提取液样品中总酚酸的含量采用外标法确定，通过紫外-可见光分度计检测没食子酸标准品的吸光度与没食子酸浓度之间的关系，确定其线性方程后，再根据其线性方程以及提取液样品中总酚酸的吸光度，计算提取液样品中总酚酸的含量。
8.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤三中，选择建模近红外光谱数据区域之前要进行预处理，预处理方法包括卷积平滑、一阶卷积求导、二阶卷积求导、多元散射校正、标准正态变量变换和归一化法。
9.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤三中，选择建模近红外光谱数据区域的方法包括全波长、相关系数法、迭代优化对近红外光谱进行波长的选择，以偏最小二乘法对近红外光谱数据与其对应的真实含量值做回归拟合计算，建立校正模型，并采用评价指标考察其稳定性和预测精度，评价指标包括交互验证标准偏差、校正标准偏差、主因子数、决定系数，通过交互验证标准偏差和校正标准偏差优选出最佳模型。
10.根据权利要求1所述的一种凉茶近红外在线检测方法，其特征在于：所述步骤四中，待测凉茶经过步骤一的处理方法后再进行近红外光谱检测和定量检测方法检测。
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