Оптимизация процесса спиртового осаждения полисахаридов солодки на основе метода улучшенного энтропийного веса в сочетании с моделью TOPSIS и BPNN-моделированием
Согласно литературным данным, полисахариды солодки являются одним из основных активных ингредиентов солодки, обладающих такими физиологическими свойствами, как противоопухолевое, противовоспалительное, противовирусное и иммунорегулирующее. Они стали горячей точкой в исследованиях фармакологических активных ингредиентов солодки. В настоящее время исследования полисахаридов солодки в основном сосредоточены на процессах экстракции, методах очистки и изучении фармакологической активности. Исследования показали, что водорастворимые полисахариды солодки представляют собой многокомпонентные, сильно разветвленные и связанные с белками гетерополисахариды. Фармакологические исследования показали, что очищенные полисахариды обладают меньшей фармакологической активностью по сравнению с неочищенными полисахаридами. Предполагается, что основными причинами этого являются добавление химических реагентов, сложные этапы очистки и потеря белка. В этой статье речь пойдет об оптимизации процесса спиртового осаждения водорастворимых компонентов солодки, полисахаридов солодки.

Теория информационной энтропии, как объективный метод взвешивания, широко используется в исследованиях оптимизации множества показателей, участвующих в процессе экстракции традиционной китайской медицины и составных формул. Однако когда энтропийный вес традиционного метода энтропийного взвешивания превышает 0,5, изменения в отдельных данных приводят к удвоению веса, тем самым влияя на определение параметров процесса. Поэтому в данной статье используется усовершенствованный метод энтропийных весов, позволяющий эффективно преодолеть его недостатки, повысить точность принятия решений, получить более достоверные данные и сделать результаты более научными и обоснованными. Метод TOPSIS ранжирует экспериментальные планы на основе близости между объектом оценки и идеализированной целью и преобразует многочисленные показатели в комплексные. Это метод анализа решений по нескольким показателям, который может отражать общую ситуацию в выборке. В последние годы ученые объединили метод TOPSIS с методом энтропийных весов для присвоения весов показателям оценки, тем самым всесторонне оценивая экспериментальные схемы. Этот метод позволяет эффективно избежать субъективного вмешательства человеческого фактора в результаты эксперимента, делая результаты оценки более объективными и всеобъемлющими. Этот метод широко используется в комплексной оценке качества традиционной китайской медицины и подходит для решения задачи оптимизации процесса в данном исследовании. Нейронная сеть BP (BPNN) может преодолеть ограничения традиционных экспериментальных схем, таких как ортогональный дизайн и дизайн звездной точки, в оптимизации оптимальных параметров на заранее заданном уровне. Имитируя обработку сложной информации нервной системой человеческого мозга, можно создать математическую модель для изучения сложных нелинейных взаимосвязей.

В результате анализа литературы было установлено, что время осаждения спиртом, объемная доля этанола и относительная плотность концентрированного раствора оказывают значительное влияние на эффект осаждения полисахаридов спиртом. Поэтому наша исследовательская группа использовала полисахариды солодки, моносахариды, общее содержание сахара и количество экстракции в качестве оценочных показателей, обработала экспериментальные данные с помощью метода улучшенного энтропийного веса и метода энтропийного веса TOPSIS, изучила основные факторы спиртового осаждения полисахаридов солодки, сравнила применимость двух методов анализа в ортогональном дизайне, Определили оптимальный процесс осаждения спирта, а затем с помощью нейросетевого моделирования BP для имитационной оптимизации искали оптимальные параметры процесса осаждения спирта для полисахаридов солодки, чтобы выбрать стабильный и осуществимый процесс осаждения спирта для получения полисахаридов солодки и обеспечить научную основу для их дальнейшего развития, использования и комплексного контроля качества.

 

Фармакологические эффекты традиционной китайской медицины являются результатом согласованного действия множества компонентов, и смешанные общие сахара, содержащиеся в экстрактах традиционной китайской медицины, работают вместе, чтобы полисахариды лучше проявляли свои фармакологические эффекты. В промышленности бытует мнение, что "чем чище полисахариды, тем ниже их активность". В предыдущей литературе, посвященной процессу экстракции и спиртового осаждения полисахаридов в солодке, в качестве показателей в основном оценивались объем экстракции и содержание полисахаридов (или выход), а результаты оптимизации с трудом отражают сложную природу полисахаридов. Существующие исследования в основном используют порошок солодки в качестве сырья для экстракции, а сырые полисахариды, полученные на более поздней стадии, необходимо очистить методом Сэвиджа, эфиром, ацетоном, метанолом и другими химическими реактивами. Реагенты, используемые в процессе очистки, относительно вредны для человеческого организма. Процессы раннего дробления, обезжиривания этанолом или эфиром не только увеличивают производственные затраты и время, но и подвергают серьезной опасности физическое и психическое здоровье операторов. Кроме того, химические реагенты, используемые для удаления примесей и обезжиривания, в основном запрещены для производства препаратов традиционной китайской медицины. Поэтому, чтобы оптимизировать процесс спиртового осаждения полисахаридов солодки, в данной работе в качестве объекта исследования взяты кусочки отвара солодки. На основе однофакторных экспериментов выбраны такие основные факторы, как соотношение концентраций, время осаждения спиртом и объемная доля этанола, а в качестве показателей оценки использованы полисахариды солодки, общее количество сахаров, содержание моносахаридов и объем экстракции. Для обработки ортогональных экспериментальных данных используется метод улучшенного энтропийного веса в сочетании с методом моделирования TOPSIS, а для оптимизации процесса - моделирование BPNN. Сравнивая результаты использования только метода улучшенного энтропийного веса и метода улучшенного энтропийного веса в сочетании с методом TOPSIS, было обнаружено, что метод улучшенного энтропийного веса TOPSIS может полностью использовать информацию исходных данных, всесторонне оценить ортогональные экспериментальные результаты для получения оптимальной комбинации параметров, эффективно избежать субъективных факторов в процессе оптимизации, повысить точность и научность принятия решений, а также сделать результаты более надежными. Наконец, был определен оптимальный процесс осаждения полисахаридов солодки спиртом: концентрация экстракционного раствора до 2,5 мл/г, объемная доля этанола до 70%, осаждение в течение 20 часов.
На основе ортогональных экспериментов с помощью программы Matlab 12.0 была построена нейросетевая модель ВР. Путем обучения и тренировки данных ортогональных экспериментов была получена сетевая модель с хорошей точностью, стабильностью и надежностью. С помощью имитационного моделирования с использованием функции sim был получен оптимальный процесс: концентрирование экстракционного раствора до 2,0 мл/г, регулировка объемной доли этанола до 67% и осаждение спиртом в течение 24 часов. После проверки процесса было обнаружено, что комплексная оценка результата оптимизации с помощью BPNN-моделирования была немного ниже, чем у метода комплексной оценки и метода TOPSIS с улучшенным энтропийным весом, но значение RSD было небольшим. Нейронная сеть BP обладает сильной способностью к самообучению, а результирующий процесс более стабилен. Таким образом, результат оптимизации с помощью BPNN-моделирования был признан оптимальным процессом для осаждения полисахарида солодки спиртом.

В данном эксперименте был определен уровень факторов, влияющих на процесс осаждения полисахаридов солодки спиртом с помощью однофакторного исследования, эксперимент был организован с использованием ортогонального дизайна, а экспериментальные данные были обработаны с помощью усовершенствованного метода энтропийных весов, позволяющего преодолеть недостатки традиционных методов энтропийных весов, когда незначительные изменения энтропийного веса определенного показателя вызывают соответствующие изменения веса в два раза. Для оптимизации процесса спиртового осаждения полисахаридов солодки были выбраны несколько показателей для комплексной оценки. Путем сравнения результатов метода комплексной оценки и метода улучшенного энтропийного веса TOPSIS была определена важность факторов, влияющих на процесс спиртового осаждения полисахаридов солодки. Для оптимизации моделирования использовалась нейронная сеть B с ортогональным обучением параметров. Нелинейные задачи моделировались и оптимизировались без увеличения числа экспериментов, что позволило компенсировать недостатки предыдущих оптимизационных экспериментов. Полученные параметры процесса были более научными и надежными, обеспечивая объективную основу для дальнейшей разработки, исследования и крупномасштабного производства полисахаридов солодки, а также давая новые идеи для решения смежных вопросов оптимизации процесса.