一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法

技术领域

本发明属于地黄加工技术领域，特别涉及一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法。

背景技术

地黄为玄参科植物地黄的干燥块根，具有清热凉血、养阴生津的功效。地黄中的主要化学成分是以梓醇为代表的环烯醚萜及其苷类成分、以毛蕊花糖苷为代表的苯乙醇苷类及糖类成分，生地黄的表面为灰黑色或者棕灰色，断面黑色，棕黑色或乌黑色。蒸制后，地黄的颜色变成黑漆色，主要原因是地黄的内部发生了美拉德反应。美拉德反应又称为“非酶棕色化反应”，是广泛存在于食品工业的一种非酶褐变，是羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间的反应，经过复杂的历程最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质类黑精或称拟黑素，所以又称羰氨反应。蒸制过程中，地黄内的多糖含量会增加，因此地黄的内部更加滋润。因此地黄内部滋润程度可以通过地黄的含糖量来判别。但是含糖量的测定比较复杂，不容易在生产过程中采用。现在通用的生产工艺中，熟地黄颜色达到什么标准是合格品，还没有一个明确的量化标准。现在基本靠人工观察，可靠性和均一性都没有办法保证。而且，蒸制过程和熟地黄的有效含量关系密切。因此，蒸制过程既要满足颜色要求，又要降低有效含量的损失。确定蒸制过程的时间停止节点在熟地黄的加工环节非常重要，为此，本发明提出一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法，该基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法设计合理，以地黄蒸制的照片作为研究对象，研究蒸制过程中地黄颜色的变化规律，从而找到地黄蒸制过程的停止条件，给出了熟地黄颜色的量化标准：黑度和润泽度，并给出了熟地黄蒸制过程的评分标准，应用本标准到熟地黄的蒸制效果的检验中，本文给出的标准和生产技术人员以及生产专家的评价一致，可以看出，本文给出的方法和标准能够应用到熟地黄生产过程控制中，作为熟地黄蒸制过程停止条件的可量化的判别标准。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法，具体步骤如下：

步骤一：原料准备；根据需要选用合适的地黄作为实验原料，并对实验原料进行检验；

步骤二：润制和蒸制；润制实验分成32个批次进行，每个批次1.5kg，按照药典的规定，首先把地黄原药材去除杂质，洗净，把洗净的生地黄装入塑料周转筐，放置在设定好温度的水浴箱或者恒温箱中，设定温度为15℃，25℃，30℃，45℃，润制17h后开始蒸制，蒸制结束后，每个批次取出4-5个代表性样本，切开，用高清摄像头内外拍照，拍摄的照片作为研究的主要对象；

步骤三：数据分析；具体步骤如下：

①除去背景和去噪声：首先，把拍摄的图像由彩色图转换为灰度图，由于拍摄时在拍照台上进行，拍照台面背景对图像有干扰，而且在拍照过程中，一些地黄的碎屑和地黄污渍也沾染了拍照台，需要对这部分干扰进行处理，因此需要对图片进行去噪声处理，根据地黄照片的特性，用如下方法进行处理：把图片转换成灰度图，然后把图像的像素值进行0-1化处理，得到一个像素矩阵，B＝{B

其中ε为预选给定的阈值；

为了更好的得到图像中地黄区域内像素的分布，对灰度图的色彩进行调节，用如下非线性公式调节：

； (3)

②Gamma分布：应用Gamma分布来分析图像的像素分布并描述图像中地黄的黑度和润泽度指标，Gamma分布的概率密度函数如下：

g(x，β (2)

其中α成为Gamma的形状参数，β成为Gamma分布的逆尺度参数， Gamma分布的均值和方差分别为：

根据Gamma分布的性质可以看出，当方差不变而均值增加时，Gamma 分布的图像向右移动，表示地黄图像的颜色越来越淡，由此，可以用 Gamma分布的均值作为判断地黄颜色的标准，称μ为地黄的黑度；

同时，当Gamma分布的形状函数不变而逆尺度参数变化时，Gamma分布图像的最大值点缓慢向左移动(移动不明显)，但图像的宽度明显减小，这说明图像像素分布的颜色比较单一，而熟地黄要求的滋润，说明地黄中水分或者糖分比较多，表现在图像上即图像中存在闪光的像素，这些像素的值会偏大，因此图像像素的分布应该更广，因此，可以用逆尺度参数作为地黄润泽程度的判断指标，称β为地黄的润泽度参数；

步骤四：停止条件分析确定；具体步骤如下：

①背景和噪声处理：首先把图像转换成灰度图，在地黄的周围，还有一些地黄碎屑和污渍，照片的背景也不是纯白色，首先需要去掉这些背景，并清除这些碎屑和污渍，首先，考察图片的直方图，直方图分成两个区域，一个区域的像素值小于0.2，另外一个区域的数值大于0.5，第一个区域为地黄区域，另外一个区域为背景区域，为清除背景，设定方程(1)中的阈值为0.3，应用方程(2)对图像进行滤波，得到滤波后的方程，但是图像的辨识度不高，地黄的颜色分布过于集中，因此用方程(3)的非线性变换，得到新的图像，使图像的辨识度增加，用此图像分析地黄的黑度和润泽度；

②Gamma分布的拟合：为了考察地黄图像的像素分布，对地黄图像进行尺度变换：

E

假设E

定义N

考察像素分布和Gamma分布的拟合情况，图像的像素分布和 Gamma分布的图形基本一致；

③黑度和润泽度的计算：根据Gamma分布的拟合结果，计算地黄图像的黑度和润泽度，通过计算得到地黄实验32个批次的黑度和润泽度的结果(每组的最差样本值)；

④标准样本和评分标准：选择内部黑度和润泽度都比较低的两个样本为标准样本值，取两个样本的平均值，根据熟地黄黑度和润泽度的标准，分别对32组样本的黑度和润泽度进行评分。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一中，检验的项目包括：水分、浸出物、毛蕊花糖苷和总灰分。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的④中熟地黄黑度和润泽度的标准为：内部黑度，外部黑度，内部润泽度，外部润泽度均大于50，评分A；内部黑度>50，其他三个有一个小于50，评分 B；内部黑度大于50，其他有两个以上小于50，评分C；内部黑度小于50，评分D。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中清洗过程不超过5min。

本发明的有益效果：此基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法以地黄蒸制的照片作为研究对象，研究蒸制过程中地黄颜色的变化规律，从而找到地黄蒸制过程的停止条件，给出了熟地黄颜色的量化标准：黑度和润泽度，并给出了熟地黄蒸制过程的评分标准，应用本标准到熟地黄的蒸制效果的检验中，本文给出的标准和生产技术人员以及生产专家的评价一致，可以看出，本文给出的方法和标准能够应用到熟地黄生产过程控制中，作为熟地黄蒸制过程停止条件的可量化的判别标准。

附图说明

图1本发明一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法的流程图；

图2本发明一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法的不同均值的Gamma分布图像；

图3本发明一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法的不同逆尺度参数的Gamma分布图像；

图4本发明一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法的地黄灰度图片的直方图；

图5本发明一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法的像素分布和Gamma分布的拟合情况示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种基于颜色变化的熟地黄蒸制停止条件分析方法，具体步骤如下：

步骤一：原料准备；根据需要选用合适的地黄作为实验原料，并对实验原料进行检验，本实验选用山西曲沃县2016年和2017年出产的地黄为实验原料，检验结果如下表：

原料检验结果表

步骤二：润制和蒸制；润制实验分成32个批次进行，每个批次 1.5kg，按照药典的规定，首先把地黄原药材去除杂质，洗净，把洗净的生地黄装入塑料周转筐，放置在设定好温度的水浴箱或者恒温箱中，设定温度为15℃，25℃，30℃，45℃，实际测量温度约为14.1℃， 21.2℃，30℃，35℃，润制17h后开始蒸制，蒸制结束后，每个批次取出4-5个代表性样本，切开，用高清摄像头内外拍照，拍摄的照片作为研究的主要对象，32个批次的实验过程总结如下：

实验批次温度湿度设定表

步骤三：数据分析；具体步骤如下：

①除去背景和去噪声：首先，把拍摄的图像由彩色图转换为灰度图，由于拍摄时在拍照台上进行，拍照台面背景对图像有干扰，而且在拍照过程中，一些地黄的碎屑和地黄污渍也沾染了拍照台，需要对这部分干扰进行处理，因此需要对图片进行去噪声处理，根据地黄照片的特性，用如下方法进行处理：把图片转换成灰度图，然后把图像的像素值进行0-1化处理，得到一个像素矩阵，B＝{B

其中ε为预选给定的阈值；

为了更好的得到图像中地黄区域内像素的分布，对灰度图的色彩进行调节，用如下非线性公式调节：

； (3)

②Gamma分布：应用Gamma分布来分析图像的像素分布并描述图像中地黄的黑度和润泽度指标，Gamma分布的概率密度函数如下：

g(x，β (2)

其中α成为Gamma的形状参数，β成为Gamma分布的逆尺度参数， Gamma分布的均值和方差分别为：

根据Gamma分布的性质可以看出，当方差不变而均值增加时，Gamma 分布的图像向右移动，如附图2；

表示地黄图像的颜色越来越淡，由此，可以用Gamma分布的均值作为判断地黄颜色的标准，称μ为地黄的黑度；

同时，当Gamma分布的形状函数不变而逆尺度参数变化时，Gamma分布图像的最大值点缓慢向左移动(移动不明显)，但图像的宽度明显减小，如附图3；

这说明图像像素分布的颜色比较单一，而熟地黄要求的滋润，说明地黄中水分或者糖分比较多，表现在图像上即图像中存在闪光的像素，这些像素的值会偏大，因此图像像素的分布应该更广，因此，可以用逆尺度参数作为地黄润泽程度的判断指标，称β为地黄的润泽度参数；

步骤四：停止条件分析确定；具体步骤如下：

①背景和噪声处理：首先把图像转换成灰度图，在地黄的周围，还有一些地黄碎屑和污渍，照片的背景也不是纯白色，首先需要去掉这些背景，并清除这些碎屑和污渍，首先，考察图片的直方图，如附图4；

从图中可以看出，直方图分成了两个区域，一个区域的像素值小于0.2，另外一个区域的数值大于0.5，第一个区域为地黄区域，另外一个区域为背景区域，为清除背景，设定方程(1)中的阈值为0.3，应用方程(2)对图像进行滤波，得到滤波后的方程，但是图像的辨识度不高，地黄的颜色分布过于集中，因此用方程(3)的非线性变换，得到新的图像，使图像的辨识度增加，用此图像分析地黄的黑度和润泽度；

②Gamma分布的拟合：为了考察地黄图像的像素分布，对地黄图像进行尺度变换：

E

假设E

定义N

以SX1601-Z100-40-1，SX1602-Z110-20-1，SX1701-Z100-50-1， SX1702-Z110-25-1四幅图像为例，考察像素分布和Gamma分布的拟合情况，结果见附图5；

图中平滑的曲线为模拟数据，比较曲折的曲线为图像数据，图中可以看出，图像的像素分布和Gamma分布的图形基本一致；

③黑度和润泽度的计算：根据Gamma分布的拟合结果，计算地黄图像的黑度和润泽度，通过计算得到地黄实验32个批次的黑度和润泽度的结果(每组的最差样本值)，列表如下：

山西曲沃2016年产地黄蒸制颜色实验结果

山西曲沃2017年产地黄蒸制颜色实验结果

根据计算可以看出，地黄的黑度和润泽度随着蒸制时间的增加而降低，但降低到一定的程度时，地黄的黑度和润泽度不再发生变化(或者变化非常缓慢)，可以认为这时地黄已经达到了最佳的黑度和润泽度指标，例如，山西16年的地黄110蒸制时(SX1602-Z110)，蒸制 1.5小时，内部的黑度为8.4，蒸制2小时，黑度为7.5；蒸制2.5 小时，黑度为7.5；蒸制3小时，黑度为7.8，黑度随着蒸制时间增加而降低，同时，黑度的值和蒸制的温度也有关系，山西17年地黄，100度蒸制时，达到的最小黑度值(内部)为7.8，115度蒸制时，达到的最小黑度值为7.2；蒸制温度为115度时，达到的最小黑度值为7.3；蒸制温度为120度时，地黄的最小黑度值为7.2，可以看出，随着蒸制温度的增加，地黄的内部黑度有下降的趋势。

地黄的润泽度变化和黑度变化的规律一致，地黄的润泽度随着蒸制时间的增加而降低，例如山西17年地黄100度蒸制时，蒸制4小时，地黄内部的润泽度为0.75，蒸制5小时，内部的润泽度为0.34，蒸制6小时，内部的润泽度为0.40，蒸制7小时，内部的润泽度为0.41，可以看出，地黄内部的润泽度随着蒸制时间的增加而减少，但是地黄的润泽度随蒸制温度的变化不明显。

从年份上看，16年地黄和17年地黄蒸制后，最小黑度值和平均黑度值基本一致，但是润泽度有很大不同，16年地黄的润泽度明显低于 17年的地黄。这说明蒸制后，16年地黄的润泽度好于17年的地黄，这源于16年的地黄，蒸制后糖分的转化(多糖转化为单糖)的效果更好

④标准样本和评分标准：取SX1604-Z120-25和SX1604-Z120-30的两个样本为标准样本值，综合来看，这两个样本的内部黑度和润泽度都比较低，取两个样本的平均值，给出熟地黄黑度和润泽度的标准为：

熟地黄黑度和润泽度的评分指标

32组样本的黑度和润泽度的评分如下：

SX16批次评价结果

SX17批次评价结果

从上述数据中可以看出，SX16年各批次的蒸制结果明显好于SX17年的蒸制结果，SX16各批次的最佳蒸制效果都能够达到A，而 SX17各批次的效果一般能达到B，这些评价结果和生产技术人员和专家给出的结果一致，本方法以地黄蒸制的照片作为研究对象，研究蒸制过程中地黄颜色的变化规律，从而找到地黄蒸制过程的停止条件，给出了熟地黄颜色的量化标准：黑度和润泽度，并给出了熟地黄蒸制过程的评分标准，可以看出，本文给出的方法和标准能够应用到熟地黄生产过程控制中，作为熟地黄蒸制过程停止条件的可量化的判别标准。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一中，检验的项目包括：水分、浸出物、毛蕊花糖苷和总灰分。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的④中熟地黄黑度和润泽度的标准为：内部黑度，外部黑度，内部润泽度，外部润泽度均大于50，评分A；内部黑度>50，其他三个有一个小于50，评分 B；内部黑度大于50，其他有两个以上小于50，评分C；内部黑度小于50，评分D。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中清洗过程不超过5min。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。