基于數據挖掘和復雜網絡的枸杞子提取物保健食品組方規律及質量控制分析

王宇,任雪陽,李留洋,孫晉陶,暴凱鑫,鐘祥健,宋若蘭,鄭媛,單東杰, 呂芳,鄧清月,李仙仙,和映玉,折改梅

(北京中醫藥大學 中藥學院,北京,100029)

枸杞子是我國傳統的藥食同源功能型特色中藥材和大宗藥材,其為茄科植物寧夏枸杞LyciumbarbarumL.的干燥成熟果實,始載于《神農本草經》,被列為上品,其味甘,性平,歸肝、腎經,具有滋補肝腎、益精明目的功效,臨床上用于治療腰膝酸痛、眩暈耳鳴、內熱消渴等癥[1]?，F代研究表明,枸杞多糖為枸杞子的主要活性成分[2],其具有免疫調節[3]、抗氧化[4]、降血糖[5]、降血脂[5]等多種活性。枸杞子提取物是以寧夏枸杞的干燥成熟果實為原料,主要采用水提法或者較低濃度乙醇提取法制成的一種物質,可直接作為保健食品原料,在近些年保健食品的研發中備受青睞。相對于枸杞子,枸杞子提取物中包含更多的枸杞多糖活性成分,可減少服用劑量,并且與其他原料經過簡單的前處理即可直接成型,省去了提取、精制等過程。枸杞子提取物的質量直接影響到產品的安全性、有效性、穩定性和可控性,因此,對于枸杞子提取物的質量控制研究必須予以高度重視。

數據挖掘與復雜網絡分析是數據處理及知識發現的有效手段,被廣泛應用于保健食品研究中[6-7],二者各有所長。數據挖掘從統計學的角度描述數據,偏向于發現表層統計規律,而缺乏對于系統內在機制的深入討論,常用方法包括統計分析、關聯規則、決策樹等。復雜網絡則從復雜性角度描述數據,擅長在功能復雜性中挖掘普適規律,但在大數據處理中存在一定的局限[8]。

基于此,本研究以含枸杞子提取物的保健食品為研究對象,運用數據挖掘技術和復雜網絡分析研究含枸杞子提取物保健食品的組方規律,同時結合文獻,分析枸杞子提取物及其相關保健食品的質量控制研究現狀,以期為相關產品的進一步研發及質量控制提供思路。本研究的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

1 方法

1.1 數據來源及納入標準

保健食品信息以“枸杞子提取物”或者“枸杞提取物”為關鍵詞,在國家市場監督管理總局特殊食品安全監督管理司官網(https://www.samr.gov.cn/tssps/)及藥智網(https://www.yaozh.com/)上進行檢索,收集截至2022年09月30日所收錄的所有保健食品信息。在收集整理過程中,排除無配方信息或無保健功能信息或無功效成分/標志性成分信息的保健食品,并將相同配方、相同保健功能、相同批準文號的保健食品合并處理,共得到含枸杞子提取物的保健食品208例。

1.2 數據庫的建立與標準化

將收集到的數據信息導入到Microsoft Excel 2016,按以下原則進行數據清洗及規范:a)剔除保健食品配方中來源不明的提取物(未明確具體來自何種原料的提取物,如茶葉提取物等)、化學藥品(如?；撬岬?、營養素補充劑(如葡萄糖酸鋅、維生素等)、藥用輔料(如微晶纖維素、玉米淀粉等)及食品添加劑(如胭脂紅、安賽蜜等)等。b)參照《中國藥典》2020年版[1]、《中華本草》[9]和《中藥大辭典》[10]對保健食品的藥味信息進行標準化處理:i)將同一味藥的不同炮制規格改為原藥名,如“鹿茸粉”統一為“鹿茸”,“三七粉”統一為“三七”等;ii)規范化過程中若有改變名稱后功效影響顯著者,則保留原有記錄,分別錄入處理,如“生地黃”和“熟地黃”等。c)按照《允許保健食品聲稱的保健功能目錄 非營養素補充劑(2022年版)》(https://www.samr.gov.cn/hd/zjdc/202201/t20220113_339092.html)對保健食品的保健功能進行標準化處理:i)剔除已不在《允許保健食品聲稱的保健功能目錄 非營養素補充劑(2022年版)》中規定的保健功能,如“延緩衰老”“抗突變”;ii)對保健食品的保健功能進行規范化處理,如將“抗疲勞”統一為“緩解體力疲勞”,“輔助降血糖”統一為“有助于維持血糖健康水平”等。

1.3 數據分析

使用Microsoft Excel 2016對含枸杞子提取物的保健食品的保健功能、原料、性味歸經、功效成分/標志性成分進行頻數統計。應用SPSS Modeler 18.0軟件進行共現網絡分析及Apriori關聯規則分析。應用Gephi 0.9.7軟件進行“保健功能-原料”社團分析。

2 結果與分析

2.1 保健功能分析

在208例含枸杞子提取物的保健食品中,共涉及保健功能17種(圖2)。其中,聲稱具有“有助于增強免疫力”保健功能的保健食品100例,占比最高,聲稱具有“緩解體力疲勞”保健功能的保健品數量居其次,出現頻次為71次,可見含枸杞子提取物的保健食品主要的保健功能為“有助于增強免疫力”和“緩解體力疲勞”。

圖2 含枸杞子提取物的保健食品的保健功能頻數統計Fig.2 Frequency statistics of health-care functions of health products containing Lycium barbarum extract (LBE)

2.2 原料頻數及性味歸經分析

對208例含枸杞子提取物的保健食品配方中原料頻數分布進行分析,除枸杞子提取物外,共涉及原料138種,累計頻次為544次,其中提取物原料78種,累計頻次415次,可見提取物在保健食品原料中占據重要地位。高頻原料(頻次≥7次)共有20種,具體結果見表1。對高頻原料進行共現網絡分析并繪制網絡圖,見圖3。圖中最粗的線代表強鏈接,次粗的線代表中等鏈接,虛線代表弱鏈接。由圖3可知,枸杞子提取物與黃芪提取物、西洋參提取物、人參提取物、紅景天提取物、靈芝提取物及淫羊藿提取物關聯性較強,常常配伍使用。

表1 含枸杞子提取物的保健食品配方中原料頻數 統計(頻數≥7次)Table 1 Frequency statistics of raw materials of health products containing LBE (frequency≥7 times)

圖3 含枸杞子提取物的保健食品配方中高頻原料網絡分析Fig.3 Network analysis of high frequency raw materials of health products containing LBE

進一步對含枸杞子提取物的保健食品配方中,除枸杞子提取物外的其他原料進行性味歸經統計分析。藥性統計按出現的頻次高低依次為平性(24.29%)、溫性(25.30%)、微溫(18.42%)、涼性(13.97%)、寒性(9.51%)、微寒(7.89%)、大熱(0.40%)、熱性(0.20%),可見與枸杞子提取物配伍的原料多為平性及溫性藥;藥味統計按出現的頻次高低依次為甘(50.24%)、苦(13.32%)、辛(11.38%)、微苦(10.77%)、咸(5.33%)、酸(3.75%)、澀(2.42%)、淡(2.06%)、微甘(0.73%),與枸杞子提取物配伍的原料甘味藥最多;歸經統計按出現的頻次高低依次為肺(21.64%)、腎(20.03%)、心(17.89%)、脾(16.06%)、肝(15.83%)、胃(5.81%)大腸(1.30%)、膽(0.54%)、膀胱(0.46%)、三焦(0.23%)、心包(0.15%)、小腸(0.08%),可見與枸杞子提取物配伍的原料與五臟均相關(圖4)。

a-四氣;b-五味;c-歸經圖4 含枸杞子提取物的保健食品配方中原料四氣、五味、歸經分析Fig.4 Analysis of four natures, five flavors, and meridian distribution of raw materials in health products containing LBE

2.3 “保健功能-原料”社團分析

圖5為含枸杞子提取物保健食品的“保健功能-原料”復雜網絡社團分析結果,可以直觀地展示保健功能與原料間的聯系。圖中每個節點代表1種保健功能或1種原料,所有的保健功能和原料組成1個大網絡,整個大網絡又由8個小社團構成,不同的顏色代表不同的小社團,各社團的保健功能及主要原料見表2。

表2 不同保健功能及對應的主要原料Table 2 Different health-care functions and corresponding main raw materials

圖5 基于社團分析的含枸杞子提取物保健食品保健功能和原料的關聯分析Fig.5 Association analysis of health-care functions and raw materials in health products containing LBE

由圖5和表2可知,1號社團包含的保健功能為“有助于增強免疫力”“有助于抗氧化”“對電離輻射危害有輔助保護作用”“改善缺鐵性貧血”,其對應的病癥均與氣血兩虛相關[11-12],原料藥性偏平,藥味偏甘,主要歸腎、肺、脾經,以益氣養陰為主,并兼有補血養血?！熬徑怏w力疲勞”“有助于改善骨密度”“有助于維持血壓健康水平”保健功能同歸為2號社團,均與腎、肝、脾三臟緊密相關,治則以滋補肝腎,益氣健脾為主[13-15]?！皩瘜W性肝損傷有輔助保護作用”“有助于維持血脂(膽固醇/甘油三酯)健康水平”“有助于改善睡眠”均屬于3號社團,三者的治則均與補虛瀉實相關?；瘜W性肝損傷在中醫中屬于“脅痛”“癥積”“黃疸”“鼓脹”等范疇,其病機主要為肝腎陰虛、精血不足、濕熱瘀毒阻滯,治療時以補益肝腎、清熱化濕、活血化瘀為主[16];中醫學中將“高脂血癥”歸為“血瘀”“痰濕”“濁脂”,主要由過食肥甘、脾失健運、肝失疏泄、痰濁瘀阻導致,治療時多以降瀉濕濁、滋養肝腎及活血化瘀為主[6];“失眠癥”在中醫中可歸屬于“不寐”范疇,與氣血兩虛、陰陽失衡、脾胃運化失常、肝為邪所擾、失于藏魂、血瘀有關,治療時應當實則疏肝瀉火、清化痰熱、消導和中,虛則益氣養血、交通心腎,并兼有安神定志[17-18]。4號社團包括“緩解視覺疲勞”“輔助改善記憶”,治則與滋補肝腎、補益氣血有關[19-20]。5號社團包括“有助于改善黃褐斑”“有助于控制體內脂肪”,二者的病機均與氣滯血瘀相關,治則包括理氣、活血化瘀等[21-22]。6號社團對應的保健功能為“有助于維持血糖健康水平”,原料藥味以寒性藥為主,符合消渴癥為熱性證候的特點[23],藥性偏于甘苦辛,歸經以肺、脾、腎經居多,以清熱潤燥,養陰生津為主。7號、8號社團對應的保健功能分別為“耐缺氧”“有助于潤腸通便”,治則分別為益氣活血及清肝瀉火。

2.4 含枸杞子提取物的“有助于增強免疫力”“緩解體力疲勞”保健食品配方規律分析

“有助于增強免疫力”及“緩解體力疲勞”為含枸杞子提取物保健食品的主要保健功能,為進一步了解其組方規律,利用共現網絡及Apriori關聯規則算法對這2種保健功能的保健食品配方進行進一步分析。

分別對100例含枸杞子提取物的具有“有助于增強免疫力”保健功能和71例具有“緩解體力疲勞”保健功能的保健食品配方原料進行頻數分析,除枸杞子提取物外,分別涉及原料88、62種,累計頻次分別為237、200次,高頻原料(頻次≥5)見表3。分別對高頻原料進行共現網絡分析并繪制網絡圖,由圖6-a可知,具有“有助于增強免疫力”保健功能的保健食品中,枸杞子提取物常與靈芝提取物、黃芪提取物、西洋參提取物及鹿茸配伍;由圖6-b可知,具有“緩解體力疲勞”保健功能的保健食品中,枸杞子提取物常與西洋參提取物、人參提取物、淫羊藿提取物、鹿茸、黃芪提取物及紅景天提取物配伍使用。

表3 含枸杞子提取物的“有助于增強免疫力”“緩解 體力疲勞”保健食品配方中原料頻數統計(頻數≥5次)Table 3 Frequency statistics of raw materials in health products containing LBE with enhancing immunity and alleviating physical fatigue (frequency≥5 times)

進一步分別對具有“有助于增強免疫力”和“緩解體力疲勞”保健功能的枸杞子提取物保健食品配方中高頻原料進行Apriori關聯規則分析,因枸杞子提取物與所有原料均有關聯,會干擾其他原料間的關聯度,故將其剔除?；跀祿斓奶匦?設置支持度≥5%,置信度≥50%,最大前項數為1,關聯規則分析結果見表4(實例表示數據庫中關聯藥味出現的實際數目)。支持度表示在所有數據中關聯藥味出現的比例;置信度表示關聯藥味之間聯系的強度;增益用于衡量關聯規則前項出現提升后項出現的程度,若增益>1,則可以認為前項和后項之間有良好的相關性[24]。由表4可知,靈芝提取物-西洋參、黃芪提取物-西洋參及黃芪提取物-黃精提取物是“有助于增強免疫力”枸杞子提取物保健食品中主要的配伍藥物,“緩解體力疲勞”枸杞子提取物保健食品中主要的配伍藥物是西洋參提取物-刺五加提取物、鹿茸-麥冬提取物、西洋參提取物-麥冬提取物。

表4 含枸杞子提取物的“有助于增強免疫力”“緩解 體力疲勞”保健食品中高頻原料關聯規則分析Table 4 Analysis of association rules of high frequency raw materials in health products containing LBE with enhancing immunity and alleviating physical fatigue

2.5 質量控制分析

對208例含枸杞子提取物的保健食品的功效成分/標志性成分頻數分布進行分析,共涉及55種功效成分/標志性成分,累計頻次465次,出現頻次≥5次的共有17種,粗多糖位居第一,出現頻次為137次(表5)。多數含枸杞子提取物的保健食品中配伍人參、西洋參等富含皂苷的中藥或中藥提取物,因此總皂苷出現的頻次也較高,為81次。另外,部分功效成分/標志性成分可以反映保健食品的配方或者保健功能相關信息,如紅景天苷、淫羊藿苷、葛根素等指向所含特定中藥或中藥提取物,?；撬?、腺苷等能反映保健食品具有“緩解體力疲勞”的保健功能。

表5 含枸杞子提取物的保健食品的功效成分/標志性 成分頻數統計(頻數≥5次)Table 5 Frequency statistics of functional components of health products containing LBE (frequency≥5 times)

粗多糖為枸杞子提取物的主要功效成分/標志性成分,在含枸杞子提取物的保健食品中,多數保健食品(118例)以粗多糖含量作為其質量控制標準之一,部分保健食品(19例)僅以粗多糖含量作為其單一的質量控制標準。2020年10月,國家市場監督管理總局發布的《保健食品理化及衛生指標檢驗與評價技術指導原則(2020年版)》規定了保健食品中22種功效成分/標志性成分檢測方法,但是不包括粗多糖,對于保健食品中多糖的檢測,暫無其他標準可依。

目前,對于枸杞子提取物的質量控制研究相對較少,主要包括多糖含量測定與單糖組成分析。賈東升等[25]研究表明,糖化酶對枸杞多糖無水解能力,采用糖化酶水解麥芽糊精,醇沉-苯酚硫酸法可消除麥芽糊精的干擾,準確測定枸杞子提取物中枸杞多糖含量,但僅測定多糖含量無法全面反映其多糖信息。孫慧等[26]的研究表明,淀粉葡萄糖苷酶降解麥芽糊精的同時對枸杞多糖含量并無顯著影響,高效凝膠色譜可以實現不同分子質量范圍內多糖的精確定量,但并未說明麥芽糊精的添加對枸杞子提取物多糖分子質量分布的影響。潘妍等[27]認為根據總糖含量和枸杞多糖特征單糖的峰面積均可鑒別枸杞多糖和枸杞多糖糊精混合物。劉源才等[28]提出根據單糖組成結果可判別枸杞多糖的真偽,但這2種方法僅限于未添加糊精的枸杞多糖樣品存在的情況。

3 討論

枸杞子是我國傳統的藥食兩用特色中藥資源和大宗常用藥材,枸杞多糖是其主要的活性成分,枸杞子提取物富集了枸杞子中的多糖類物質,營養價值豐富。近年來,隨著我國大健康產業的迅速發展,以枸杞子提取物為原料的保健食品備受歡迎。利用數據挖掘和復雜網絡對含枸杞子提取物保健食品的組方規律進行分析,可為后續相關保健食品的研發提供思路。社團分析是復雜網絡算法的一種,社團結構是復雜系統模塊性和層次性的本質表現[7]。本研究應用社團分析挖掘“保健功能-保健功能”以及“保健功能-原料”之間的聯系,發現208例含枸杞子提取物保健食品的17種保健功能及138種原料被劃分為8個社團,結合中醫理論,可將其歸納為8種治則。同一個社團中有時包括多個保健功能,說明不同保健功能對應病癥的病機或者治則可能相同,用藥具有一定的相似性。這為不同保健功能保健食品研發時原料的選擇及組方設計提供了參考。關聯規則是常用的數據挖掘方法之一,在組方規律研究中,通過設定支持度和置信度,獲得聯系密切的藥物關聯,客觀反映用藥規律[29]。本研究應用關聯規則的Apriori算法挖掘含枸杞子提取物保健食品的主要保健功能的常用原料組合,發現“有助于增強免疫力”常用原料組合為靈芝提取物-西洋參、黃芪提取物-西洋參、黃芪提取物-黃精提取物,“緩解體力疲勞”常用原料組合為西洋參提取物-刺五加提取物、鹿茸-麥冬提取物、西洋參提取物-麥冬提取物。這可為相關功能保健食品的研發提供思路。

目前,枸杞子提取物及其保健食品的質量控制主要停留在粗多糖的含量測定。枸杞子由于本身糖類、果膠類成分較高,導致其提取物黏度較大、干粉軟化點較低,不易干燥,為了克服因軟化點較低造成的熱熔型黏壁現象,市售枸杞子提取物在生產過程中常會添加麥芽糊精[25],麥芽糊精的加入會干擾多糖的含量測定。單一的方法難以滿足枸杞多糖提取物質量控制需求,多種分析技術聯用成為其質量控制研究的新方向[30]。枸杞子提取物中的枸杞多糖含量及單糖組成可作為其定性和定量分析的重要指標。利用糖化酶可特異性水解麥芽糊精而對枸杞多糖基本無影響的特性,采用糖化酶酶解法排除麥芽糊精的干擾,通過測定糖化酶酶解前及糖化酶酶解后多糖含量、單糖組成及各單糖所占比例,根據其變化情況,可判斷枸杞子提取物中是否加入麥芽糊精,同時也可計算加入麥芽糊精的量。這為枸杞子提取物及其保健食品的質量控制提供了新的思路與方向。

4 結論

本研究利用數據挖掘技術及復雜網絡分析,揭示了含枸杞子提取物的保健食品中“保健功能-保健功能”及“保健功能-原料”之間的聯系,總結了不同保健功能的主要原料及“有助于增強免疫力”、“緩解體力疲勞”這2種保健功能的常用原料組合,為保健食品的研發提供思路。同時分析了枸杞子提取物及其保健食品的質量控制現狀,并為其質量控制提供了方向。