基于層次分析法的羅漢果清咽通便雙功能保健食品配方設計及“功效-頻率-口感”多維度立體評價

楊語哲,單東杰,姚鑒玲,呂芳,馬嘉慕,宋若蘭,鐘祥健,董英,鄧清月, 李仙仙,和映玉,李瑞雯,折改梅

(北京中醫藥大學 中藥學院,北京,100029)

中藥類保健食品以中藥標準控制的藥食同源物品為主要原料,依據中醫藥理論組方,經過安全性和功能性評價的保健食品[1],占我國功能保健食品的70%以上[2]。作為傳統中醫藥理論與現代保健需求相結合的產物[3],中藥類保健食品因具有明確的保健功能與廣泛的臨床基礎而備受關注。但目前中藥類保健食品研發中的中醫藥理論指導特色不夠鮮明,存在配方多為中藥原料簡單拼湊、設計過程中未充分體現中醫藥君臣佐使等配伍思想、易忽視單味原料部分功效、尚未充分利用歸經理論對于中藥定性定位的意義確定其適用范圍等現象。此外,隨著產品更新迭代,人們在關注保健食品功能的同時也對其口感等提出了更高要求[4],現有產品多依靠甜味劑、香精等矯嗅矯味以提高人們的順應性,倘若在設計之初在確保功能的同時將原料固有口感納入評價范圍,可以有效改善產品適口性并減少矯味劑的使用。針對以上情況,本研究通過關聯和決策等機器學習算法進行數據挖掘研究,充分結合君臣佐使等中醫基礎理論與原料功效、歸經和口感等特性,設計具有清咽潤喉、潤腸通便雙功能的保健食品配方。

近年來不斷惡化的空氣質量、激增的工作壓力和吸煙酗酒等不良的生活習慣使人們的呼吸道嚴重受損[5],且久坐、焦慮等也是便秘的常見誘因,越來越多的人同時遭受著慢性咽炎與慢性便秘的雙重困擾。二者皆有發病率高、病程長、難治愈、易反復且嚴重影響人們生活質量的特點[6-7],因此,通過服用保健食品等輔助措施來預防和控制其發生、發展態勢是非常重要的。研究發現慢性咽炎和慢性便秘中均可見脾胃濕熱證型[8],故可針對慢性咽炎與慢性便秘并存的亞健康狀態開發雙功能保健食品。

羅漢果(SiraitiaeFructus)是葫蘆科植物羅漢果Siraitiagrosuenorii(Swingle)C.Jeffreyex A.M.Lu et Z.Y.Zhang的干燥果實,具有清熱潤肺、利咽開音、滑腸通便的功能[9],是我國首批公布的藥食兩用材料之一?，F代藥理學研究表明,羅漢果中的三萜皂苷、黃酮類化合物具有止咳祛痰、抑菌、增強免疫等作用[10-11],是其清咽潤喉功能的物質基礎;羅漢果甜苷不僅能有效緩解氣道炎癥[12-13],還能調節離體腸管運動機能,促進胃排空和小腸蠕動[14-16],是羅漢果潤腸通便功能的主要活性成分。羅漢果具有良好的清咽潤喉和潤腸通便功能,可同時緩解慢性咽炎與習慣性便秘2種亞健康狀態,有很高的應用價值,而目前以羅漢果為主要原料的功能保健食品數量較少,開發雙功能產品潛力巨大。

本研究以羅漢果為例進行配方設計,采用關聯規則算法(Apriori)、網絡分析法、層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)等多種機器學習算法對注冊的含有羅漢果的保健食品批文信息、專利信息和中成藥信息等現有數據進行挖掘,分析總結內在規律。結合中醫治療脾胃濕熱證“補脾益氣、清熱燥濕、養陰生津”的治法[8,17],建立“類別-歸經-現有處方類型”AHP原料功效評價體系計算得分,篩選合適的原料藥味,圍繞羅漢果設計了具有“清咽潤喉”和“潤腸通便”雙功能的保健食品。通過對原料的功效、頻率、口感賦值比較篩選藥味,并結合中醫藥理論進行配方。將配方中所選原料3項得分按照AHP計算所得的“君臣佐使”藥味權重線性加權構建配方得分矩陣,聯用熵權-逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to solution, TOPSIS)綜合分析矩陣,從“功效-頻率-口感”3個維度評價配方,以期設計出既符合傳統中醫藥理論又滿足消費者需要的保健食品。具體分析方法及流程如圖1所示。

1 實驗方法

1.1 數據來源

在國家市場監督管理總局特殊食品安全監督管理司官方網站(http://www.samr.gov.cn/tssps/)分別以“清咽潤喉”“潤腸通便”為關鍵詞檢索,收錄含有羅漢果的保健食品批文信息;收錄藥智數據(https://db.yaozh.com/)中成藥處方數據庫中含有羅漢果的中成藥,目前僅檢索到具有止咳化痰功效的中成藥;在專利之星網站(https://www.patentstar.com.cn)中,分別以“清咽”“通便”為關鍵詞檢索,收錄含有羅漢果的相關專利信息。

共收錄保健食品批文42條,其中清咽潤喉功能的35條,有助于潤腸通便功能的7條;中成藥17條,均為化痰止咳功效;專利318條,其中清咽潤喉相關的213條,潤腸通便相關的105條。以上數據收錄時間均截至2021年10月1日。

圖1 含羅漢果雙功能保健食品配方設計流程Fig.1 Design process of dual function health food formula containing Siraitiae Fructus 注:EWM為熵權法(entropy weight method)。

1.2 數據庫建立與標準化

將收集得到的保健食品、中成藥以及專利數據信息導入Excel 2019按照功能合并整理,建立“清咽潤喉功能數據庫”和“潤腸通便功能數據庫”。合并批準文號不同而組成與功能相同的保健食品批文,并遵照《中華人民共和國藥典》(簡稱《中國藥典》)(2020年版)[9]收載標準對藥味名稱、性味、歸經、功效等進行規范處理(將同物異名者、同種中藥但規格相異者、僅經提取等特殊處理但功效未改變者統一規范為藥典名稱)。隨后依照衛生部《既是食品又是藥品的物品名單》、《可用于保健食品的物品名單》和《保健食品禁用物品名單》[18],剔除非保健食品原料,篩選得到可以用于保健食品的原料藥味。最終得到清咽潤喉作用的配方264條,潤腸通便作用的配方111條。

借助Excel 2019統計并分析以上2個數據庫中藥味的頻數和功能,合并高頻藥味,建立“具有清咽潤喉和有助于潤腸通便雙功能的保健食品原料數據庫”(以下簡稱“清咽通便雙功能原料數據庫”)。

1.3 原料篩選

利用SPSS Modeler 18.0的Apriori關聯規則算法和網絡圖進行數據挖掘與統計分析,分別得到具有清咽潤喉和潤腸通便功能的原料藥味的二次關聯結果及高頻藥對組合。圍繞“補脾益氣、清熱燥濕、養陰生津”的治法[8,17]需要建立保健食品原料藥味功效AHP評價體系,對篩選所得高頻原料藥味的類別、歸經、功效及現有處方類型等指標賦值,并借助SPSSAU網站(https://spssau.com/index.html)進行AHP分析確定各指標權重,線性加權求和并排序,選取高分者作為候選原料,計算結果作為“原料功效”得分。以候選原料在清咽通便雙功能原料數據庫中的出現頻次作為“原料頻率”得分。

藥食兩用材料在適口性與保健性方面有天然優勢,中藥氣味既可以表現其固有口感,又在一定程度上體現其功能,如苦味藥物多具抑菌活性,甜味藥物常有補益作用。因此本文采用《中國藥典》(2020年版)[9]“性狀”項下收錄的氣味描述作為原料的口感指標并賦值,分值大小與原料的適口性,即消費者接受該材料味道的容易程度成正比,根據中國消費者味感喜好分布[19]設置分數,甜為5,酸為2,咸為-1,辛(麻)為-2,苦、澀為-3,求和,得到“原料口感”得分,例如甘草“氣微,味甜而特殊”則賦值為5,玄參“氣特異似焦糖,味甘、微苦”則賦值為5-3=2,陳皮“氣香,味辛、苦”則得分為-2-3=-5。構建原料“功效-頻率-口感”得分矩陣。

1.4 配方設計與評價

基于原料功效與口感得分,結合藥對組合情況,篩選出11味候選原料按照中醫藥基礎理論設計10個具有“清咽潤喉”和“潤腸通便”雙功能的可能配方。借助SPSSAU網站進行AHP分析對“君臣佐使”賦權,將配方中各原料功效得分按照“君、臣、佐、使”相應權重線性加權求和,結果作為配方功效得分,依此類推,計算各配方頻率、口感得分,構建配方“功效-頻率-口感”得分矩陣。

借助SPSSAU網站對配方得分矩陣進行熵權-TOPSIS分析并按結果排序,完成保健食品配方評價。

2 結果與分析

2.1 含有羅漢果的原料數據庫藥味頻數分析

2.1.1 清咽潤喉功能數據庫

在清咽潤喉數據庫收錄的264條數據所涉及的200種原料藥味中出現頻數≥10次的共有30種。除羅漢果外,排名前5位的原料藥味分別為金銀花、甘草、菊花、胖大海和薄荷。參照《中藥學》(全國中醫藥行業高等教育“十三五”規劃教材)[20]將30種高頻原料藥按類別分類,其中清熱藥(10種)、化痰止咳平喘藥(7種)、補虛藥(7種)共占80.0%。

2.1.2 潤腸通便功能數據庫

在潤腸通便數據庫收錄的111條數據涉及到的166種原料藥味中出現頻數≥10次的共有23種。除羅漢果外,排名前5位的原料藥味分別為決明子、甘草、山楂、火麻仁和萊菔子。23種高頻原料中補虛藥(8種)、清熱藥(4種)、潤下藥(4種)共占69.6%。

2.1.3 清咽通便雙功能數據庫

對比發現,以上2個數據庫中除羅漢果外共有11味高頻原料(數據庫中頻數≥10次)同時出現,分別是金銀花、甘草、菊花、陳皮、百合、山楂、蒲公英、枸杞子、蜂蜜、苦杏仁和茯苓。合并2個數據庫中出現頻數≥10次的藥味建立清咽通便雙功能原料數據庫。在得到的40味原料中,清熱藥(12種)、補虛藥(11種)、化痰止咳平喘藥(7種)共占75.0%,符合中醫治療脾胃濕熱證“補脾益氣、清熱利濕”的治法特點[8,17]。提示這三類原料可以作為清咽潤喉與潤腸通便雙功能保健食品的候選原料藥味。

2.2 含有羅漢果的原料數據庫藥味關聯度及網絡分析

支持度表示關聯藥對在數據庫中的出現比例;置信度表示關聯藥對之間聯系的強弱;增益用來衡量藥對組合中前項與后項間的獨立性[21]。分別對具有清咽潤喉和潤腸通便功能的高頻藥味進行Apriori分析與網絡圖分析。以支持度≥5%、置信度≥50%作為篩選條件,按照增益降序排列,得到高頻藥味二次關聯組合,詳見表1。清咽潤喉數據庫表現為甘草-麥冬關聯性最強,菊花-陳皮及菊花-甘草的關聯性次之;潤腸通便數據庫中茯苓-蒲公英-金銀花-甘草配伍的關聯性尤為突出,同時展現出當歸-肉蓯蓉、甘草-陳皮、甘草-蒲公英-金銀花等的關聯關系。圖2展示了網絡圖分析結果,在清咽潤喉與潤腸通便數據庫中分別表現出茯苓、地黃、板藍根-桑白皮以及苦杏仁、郁李仁、肉蓯蓉-黑芝麻的關聯關系。

表1 高頻藥味二次關聯分析Table 1 Quadratic combination of high-frequency functional ingredients

a-清咽潤喉功能;b-潤腸通便功能圖2 含有羅漢果的數據庫高頻藥味網絡圖Fig.2 Clear throat moistening function and bowel defecation function high frequency network map of data base containing Siraitiae Fructus

2.3 AHP

2.3.1 AHP評價清咽通便雙功能原料

AHP主要步驟為確定不同評價要素,依據各要素間的相對重要關系用1～9分賦值構建兩兩比較矩陣,計算矩陣得到不同要素的權重,并進行一致性檢驗。如表2所示,本研究在課題組前期研究的基礎上[21]建立三級AHP評價體系。其中一級指標包括“原料藥味類別”“原料藥味歸經”“現有處方類型”3個要素,計算所得權重分別是55.71%、32.02%、12.26%。原料藥味類別項下設有9個二級指標,即清咽通便雙功能原料數據庫中40種藥味所涉及的全部類別;三級指標共包含9個要素,分別按照重要程度賦值,根據“補脾益氣、清熱燥濕、養陰生津”的治法綜合各藥味功效主治,將補脾/健脾、理氣/行氣、清熱、利濕、養陰生津潤燥功效分別賦值為4,消食健胃、潤腸通便、化痰利咽分別賦值為3,補肝腎/補氣賦值為2。原料藥味歸經項下根據中醫臟腑相表里的理論,設有5個二級指標。高頻原料功效按照三級指標賦值求和后,再按照二級、一級指標逐級加權求和,即可得到原料功效得分,照此排序,在40味原料中得分較高(>1.0)的共有16個,除羅漢果外排名前5的分別為甘草、蜂蜜、玉竹、陳皮和西洋參。分別計算各原料頻率與口感得分,具體結果見表3。

表2 AHP評價指標體系Table 2 Evaluation index system of AHP

2.3.2 AHP計算“君臣佐使”權重

基于“君臣佐使”理論為方中不同藥味的重要程度進行加權。參考臨床處方中君臣佐使主次配伍關系與相對用量配比大小[22]以及劉思鴻等[23]相關研究的賦權結果,按前文所示方法依據“君臣佐使”四項要素兩兩比較的相對重要關系用1～9分賦值建立判斷矩陣,利用AHP計算矩陣特征向量作為權重向量[24],為方便計算保留1位有效數字。最終計算得到君藥、臣藥、佐藥及使藥的權重向量分別為2、1、0.5、0.3。

表3 高頻原料藥味“功效-頻率-口感”得分矩陣Table 3 “Efficacy-Frequency-taste” score matrix of high frequency raw materials

2.4 配方評價及優選

綜合考慮關聯分析、網絡圖、AHP結果與原料口感得分后,篩選出甘草、蜂蜜、玉竹、羅漢果、西洋參、蘆根、胖大海、麥冬、青果、余甘子、茯苓共11味原料,依據中醫藥配伍理論,參考關聯分析及藥對組合結果,形成10個備選配方。通過比較配方矩陣發現,單項得分中以玉竹-西洋參為臣的配方功效得分最高,遠優于其余配方;以胖大海-麥冬為臣的配方頻率得分最高,遠優于其余配方,而以茯苓-蘆根為臣的配方口感得分最高。借助SPSSAU網站聯用熵權-TOPSIS法分析配方矩陣后按照相對接近度C進行排序,“相對接近度C”最接近1者為最佳方案,結果如表4示,10個組方的差別較大,排名第一的是胖大海-麥冬組合為臣的配方。

綜上優選所得以羅漢果為核心具有“清咽潤喉”和“潤腸通便”雙功能的保健食品配方由羅漢果、胖大海、麥冬、蜂蜜、甘草組成。此5者皆有悠久的藥食兩用歷史,方中羅漢果清熱潤肺為君;胖大海清熱利咽、滑腸通便,麥冬養陰生津、潤肺清心,二者一瀉一補,并為臣;蜂蜜補中潤燥為佐;甘草補脾益氣、清熱解毒為使。5味原料配伍組合可清熱解毒以驅邪,同時養陰生津以扶正,標本兼顧,共同發揮保健功效。

表4 含羅漢果雙功能保健食品配方矩陣熵權TOPSIS分析結果Table 4 Results of entropy-weight TOPSIS analysis on formula matrix of health food containing Siraitiae Fructus

3 討論

如何建立科學全面的中藥類保健食品配方評價體系仍是研究面臨的重要挑戰。本研究選擇羅漢果作為核心原料,從數據庫出發以功效、頻率、口感等原料特性為基礎,引入“君臣佐使”加權算法從整體性對備選配方進行綜合評價,以期設計安全、有效、經濟、美味的新時代保健食品。

中藥類保健食品原料的篩選過程中進一步結合中醫藥理論可以更全面地評價原料,更好地發揮藥食兩用材料養生保健優勢。本研究在課題組前期選用“藥味類別”和“現有處方類型”兩項目建立AHP評價指標體系篩選原料的基礎上[21],引入一級指標“歸經”和三級指標“藥味功效”兩項進一步細化評價指標。慢性咽炎與便秘皆可劃分為多種證型[5,25],本研究僅圍繞二者兼有的脾胃濕熱證型展開,故AHP體系以歸“肺/大腸、脾/胃經”權重較高,功效注重補脾、理氣、清熱、利濕。在潤腸通便數據庫高頻藥味二次關聯分析結果中表現出當歸-肉蓯蓉的關聯關系,此二者皆為補虛佳品,常配伍用于老年性血虛陽虛便秘[26],以補血潤燥、溫煦腎陽功效為主,與本研究所選證型不符,故而得分偏低,未成為候選原料。三級指標“藥味功效”的建立可以有效彌補僅憑藥味類別易忽視單味原料部分功效的不足。如苦杏仁(化痰止咳平喘藥)和決明子(清熱藥)具有良好的潤腸通便功效,若僅考慮藥味類別會使其功效得分偏低。需要指出的是,藥味類別常依據藥味臨床使用的主要功效而設定,除潤下藥以外,中藥飲片在臨床使用時,其滑腸通便的效果常被視為副作用,需要通過炮制、配伍等方式克服,而本研究恰好可利用其潤腸通便的功效來實現雙功能保健食品的設計。篩選保健食品原料時,只有針對特定證候類型與治法所需,充分考慮原料性味歸經,才能以飲食之性偏補己之不足、糾己之偏頗,發揮中藥類保健食品的優勢,達到養生保健的目的。

本研究改進了前期以君臣佐使原料藥味得分作為四項指標計算最優解評價配方,將方中所有成分的藥效作用進行了均一化處理[21],引入“君臣佐使”加權算法,使配方各項指標得分均呈現出原料藥味的綜合結果,以期充分體現不同配伍的差異性。君臣佐使是中醫藥理論的重要組成部分,“君、臣、佐、使”藥味的判定常從定性與定量2種角度展開[22]。本研究中“君臣佐使”權重兼有功效強弱與用量多少兩層含義,即計算配方功效時,“君臣佐使”權重代表各原料藥味對配方功效貢獻程度的不同,滿足君藥“針對主要癥狀起主要作用”的內涵;而計算配方頻率與配方口感時,“君臣佐使”權重則代表各原料藥味用量差異,符合“君藥量大”的一般情況,且通常某種原料用量越多對口感的影響程度也會越大。

高糖飲食對免疫穩態和炎癥性疾病具有諸多不利影響,會促進淋巴細胞介導的炎癥反應,加重炎癥性疾病[27-28],因此依靠加工后期使用甜味劑、香精等進行矯嗅矯味并不適合清咽通便類保健食品。為提高人們的順應性,必須從根本上尋找改善保健食品口感的方法。中藥類保健食品口感往往更多表現出中藥原料的特殊氣味[29],因此篩選口感較好的藥食兩用材料作為原料可以在很大程度上改善產品口感。中藥的性味有實際味道與功效表現雙重含義,最初的氣味定性是通過鼻聞口嘗得來的[30],但隨著性味理論的成熟化與系統化,部分中藥在發展的過程中,其性味與真實滋味有了一定的區別,但藥物口嘗滋味卻作為一種性狀鑒別依據在藥典中保留下來。選擇藥典“性狀”項下的氣味描述作為口感指標,相較“性味與歸經”項下描述更接近中藥原料的真實口感,又較口味測試結果更能表現原料性味特征,是原料篩選階段可兼顧原料功能與口感兩要素的選擇。

本研究的局限性在于所得數據庫容量較小,分析結果相對集中。后期擬結合動物實驗等研究結果綜合賦值,為原料和配方評價提供更客觀更精細化的指標。近年來羅漢果相關研究主要集中在有效部位或有效成分的作用機制,較少出現與羅漢果配伍有關的研究,后期可開展對于羅漢果-胖大海,羅漢果-麥冬等藥對配伍功效的研究,為配方篩選提供更可靠的依據。中藥制劑的不良口感一直是藥物制劑處方設計的考察重點,已有多種主、客觀評價法,例如多因素調查評價、模糊數學、電子舌、微電極陣列等被引入藥物口感評價研究[31]。如今中藥類保健食品的口感問題也逐漸進入人們的視線,除了功能原料的篩選,其他輔料的使用、加工工藝等多種因素皆可以對其產生影響。隨著電子舌在中藥研究領域廣泛應用[32],中藥五味的標準化檢驗方法開始建立[33-34],未來研究計劃結合智能感官技術[35]等對配方進行更客觀更深入的綜合口感評價,細化不同口感的分級,以修正口感篩選的計算公式。此外,本研究缺乏對處方可行性的驗證環節以及對藥味用量的詳細設計,未來研究會加強這些方面的內容。