Метод поверхности отклика Бокса Бенхнкена на основе спектра отпечатков пальцев в сочетании с нейронной сетью BP для оптимизации процесса экстракции черного перца по нескольким показателям
Перец - это высушенные почти зрелые или спелые плоды Piper nigrum L., растения из семейства Piperaceae. Плоды собирают с поздней осени до следующей весны, когда они становятся темно-зелеными, и сушат на солнце, чтобы получить черный перец. Он обладает согревающим и рассеивающим холод действием, снижает уровень ци и выводит мокроту, используется при рвоте, болях в животе и диарее. Перец используется в сочетании с другими лекарствами в различных традиционных китайских патентованных лекарствах и простых препаратах, таких как Qingyu Piwen Pill, Qiya Tiantengzi Pill, Pazhu Pill, Compound Geqing Tablet, Huoxue Zhitong Cream и т.д., а также используется как самостоятельное лекарство, например, Xiaoer Fuxin Zhixie Powder. Черный перец содержит множество алкалоидов, обладающих различными фармакологическими свойствами, такими как обезболивающее, противовоспалительное и антиоксидантное. Пиперин является представительным компонентом и показателем качества перца. В издании Китайской фармакопеи 2020 года содержание пиперина часто используется в качестве показателя оценки качества лекарственных трав или препаратов, таких как перец и черный перец, или для рецептов, приготовленных с использованием перца. В существующей литературе, посвященной методам экстракции перца, пиперин в основном используется в качестве единственного показателя оценки, без учета влияния процессов экстракции на содержание других алкалоидов в перце. Отпечаток пальца китайской медицины - это комплексный и количественный метод оценки качества для выявления внутренних характеристик традиционной китайской медицины. Он применяется для контроля качества традиционной китайской медицины с издания 2010 года Китайской фармакопеи, в основном с помощью химического отпечатка ВЭЖХ, который может эффективно преодолеть ограничения одного показателя оценки. Для оптимизации существующих процессов экстракции в основном используется оптимизация поверхности отклика и ортогональные эксперименты, но эксперименты по оптимизации поверхности отклика часто имеют ограничения, и выбранное решение не обязательно может быть лучшим решением. Нейронная сеть BP имитирует функцию и режим мышления нейронной сети человеческого мозга и использует обратное распространение для настройки весов и пороговых значений сети для решения сложных нелинейных задач с целью достижения идеальных результатов. С этой целью в данном исследовании предполагается использовать нейронную сеть BP в сочетании с отпечатком пальца традиционной китайской медицины и оптимизировать влияние таких факторов, как концентрация этанола, соотношение твердой и жидкой фаз и время ультразвука на процесс экстракции черного перца с помощью методологии поверхности отклика Бокса-Бенхнкена. Параметры процесса экстракции черного перца будут уточнены и станут основой для последующего производства соответствующих рецептур.

 

 

Традиционная китайская медицина оказывает фармакологическое действие за счет координации множества компонентов, но существующая литература по процессу экстракции пиперина из перца в основном оценивает его на основе одного показателя, а именно пиперина, и результаты процесса экстракции трудно отразить присущую традиционной китайской медицине сложную многокомпонентную природу. В данном исследовании для оценки процесса экстракции пиперина из черного перца использовались несколько показателей (содержание пиперина, т.е. отношение площади пика пиперина к общей площади пика, содержание общих компонентов в черном перце, т.е. отношение общей площади пика экстракта черного перца к общей площади пика, и сходство спектров отпечатков пальцев), что лучше отражает присущую традиционной китайской медицине природу синергетического эффекта нескольких компонентов. Он учитывает не только главный маркер качества черного перца - пиперин, но и другие неизвестные компоненты, фокусируется на индивидуальных и общих соображениях, является более научным и надежным и может предоставить более научную теоретическую и техническую поддержку для экстракции пиперина в перце.
В китайской фармакопее издания 2020 года и соответствующей литературе для количественного анализа пиперина использован метод ВЭЖХ, в котором подвижной фазой является вода с метанолом, детектором - ультрафиолетовый детектор, а длина волны обнаружения составляет 343 нм. После сканирования всей длины волны пиперина было обнаружено, что существует также пик поглощения при длине волны 240 нм, и значение абсорбции может соответствовать требованиям анализа. В то же время, требования к определению других алкалоидов также могут быть выполнены при длине волны 240 нм. Поэтому длина волны для определения спектра отпечатков пальцев в данном исследовании была выбрана равной 240 нм. После замены подвижной фазы с водного метанола на водный раствор ацетонитрила 0,1% муравьиной кислоты эффективность разделения компонентов значительно повысилась.
Имеются литературные сообщения. Среди них Wang et al. использовали ортогональную экспериментальную схему для получения оптимального процесса экстракции пиперина из черного перца методом ультразвуковой экстракции, который состоял из концентрации этанола 80%, соотношения твердого вещества и жидкости 1:20, мощности ультразвука 700 Вт и времени ультразвука 80 мин. Ванг и др. разработали метод поверхности отклика и получили оптимальные параметры процесса экстракции пиперина из белого перца методом рефлюкс-экстракции, которые включали соотношение материала и жидкости 1:12, 3 экстракции и 2,0 часа на каждую. Кроме того, экстракция пиперина из перца может быть осуществлена с помощью таких методов, как сверхкритическая экстракция CO2, сверхкритическая экстракция CO2 с помощью ферментов и ферментативная экстракция. В данном исследовании рассматривалось использование безводного этанола в качестве растворителя для экстракции и ультразвуковой экстракции в качестве метода экстракции для дальнейших исследований. Хотя методология поверхности отклика и ортогональный экспериментальный дизайн широко используются для оптимизации процессов экстракции, они часто имеют ограничения в оптимизации экспериментов, и выбранное решение не обязательно может быть лучшим. ВР-нейронная сеть может использовать способность нейронных сетей к самообучению, чтобы компенсировать недостатки предыдущих экспериментов по оптимизации и предложить новые решения для оптимизации методов экстракции. Данное исследование основано на технологии отпечатков пальцев традиционной китайской медицины и использует методологию поверхности отклика Бокса Бенхнкена в сочетании с нейронной сетью BP для оптимизации процесса экстракции черного перца. Результаты показывают, что процесс экстракции, полученный с помощью нейронной сети BP, превосходит процесс, полученный с помощью оптимизации поверхности отклика, и является более стабильным.