食藥同源產品產地溯源技術研究進展

鄧詩意，殷萍，張強，鄒攀，白雪，郭永澤，周學永，程奕，陳秋生*

1(天津市農業科學院農產品質量安全與營養研究所，天津，300381)2(天津農學院 食品科學與生物工程學院，天津，300392)

自遠古“神農嘗百草”就已有食藥同源的思想啟蒙，“食藥同源”在中國源遠流長，是傳承千年獨有的文化瑰寶。2020年新冠肺炎疫情形勢嚴峻，習近平總書記在北京指導新冠肺炎疫情防控工作時，明確要求“堅持中西醫結合，加大科研攻關力度，加快篩選研發具有較好臨床療效的藥物”[1]。實踐證明，食藥同源的產品，如甘草、藿香、金銀花、茯苓、陳皮等都在抗“疫”中發揮著舉足輕重的作用[2]，為人民健康做出獨特的貢獻。經過此次疫情“食藥同源”產品，受到了國內外消費者的關注。許多企業緊隨熱潮以藥膳大力加強“食藥同源”來滿足消費者的需求。

由于中藥材的產地、品種、炮制方法、采收期、藥用部位以及貯藏方法不同導致其有效成分含量差異較大，質量不穩定。同時，我國食藥同源產品的市場準則制度不夠完善，導致不法商人以次充好、以假亂真，惡意降低食藥的有效成分含量，侵害消費者和合法商人權益，有甚者危及到消費者健康。為此，2015年我國頒布《中華人民共和國食品安全法》建立溯源體系，保障消費者權益，打擊假冒偽劣。2021年“十四五”規劃特別提出“加快綠色發展，保障農產品質量安全”，切實保障農產品數量安全和質量安全，實現從吃得飽轉換成吃得好。為響應“十四五”計劃的號召，補齊質量監管短板，必須從技術監督體系對食藥同源產品的溯源地進行追蹤。從而保護消費者權益，維護食藥同源產品形象，保障食藥同源的產業健康發展，為食藥同源產品產地溯源提供可靠的理論支撐。傳統中藥辨別真偽主要有性狀鑒別、顯微鑒別等，國內外常用的辨別方法是藥物植物指紋圖譜[3]。目前，藥物植物指紋圖譜囊括在食藥同源溯源技術中，同時還有穩定同位素分析、近紅外光譜、礦物元素指紋圖譜、分子生物學、有效成分指紋圖譜等技術。本文綜述了國內外食藥同源產地溯源技術的研究進展及應用情況，并對未來發展趨勢進行展望。

1 食藥同源概述

20世紀30年代，我國開始有“醫食同源”、“藥食同源”的說法[5]；衛生部在2002年公布了87種“既是食品又是藥品物品名單”，正式確定了‘藥食同源’的概念[6]，到2020年已達到109種[7]，其中包含根莖類21種、果實類22種、種子類19種、葉類9種等其他種類(表1)。由于我國地域跨度大，氣候多樣，導致食藥同源產品受自身品性、生態環境等因素的交互影響，表現出強烈的地域性[8]，同種食藥同源產品有效成分的含量具有較大差異。根據“既是食品又是藥品物品名單”和《中國中藥區劃》[9]，食藥同源產品具有特定的產區，如青藏區盛產藏紅花，東北區盛產人參，華北區盛產酸棗仁、山楂、甘草等，華東區盛產杭白芷、江香薷、薄荷等，華中區盛產山茱萸、天麻、百合等，華南區盛產高良姜、陳皮等，西南區盛產天麻、鐵皮石斛等，西北區盛產當歸、枸杞等。不同的種植區域，不同的土質和氣候特征，形成了食藥同源產品獨特的道地性。中醫講究同一藥材不同部位，功效不同，道地藥材需要精確到特定部位。因此，入藥部位是決定藥材質量的關鍵，從而也為食藥同源產品產地溯源提供理論依據。

表1 食藥同源產品“入藥部位”歸類Table 1 Classification of homologous ‘medicinal parts’

2 產地溯源技術及應用

2.1 穩定同位素分析技術

穩定同位素分析技術具有指示、整合以及示蹤的能力，可實現不同類型食品、藥品等原產地識別[10]。主要利用C、O、H、N等穩定元素在不同地域的差異，進行產品產地溯源，其中C元素差異主要與光合作用途徑有關；O、H元素主要與地理環境(海拔、降水量)有關；N元素差異體現在肥料中N元素含量不同。穩定同位素分析技術已廣泛應用于大米[11]、茶[12]、酒[13]、畜禽[14]等各領域。DONG等[15]利用穩定同位素質譜儀(isotope ratio mass spectrometry，IRMS)區分45種商業蜂蜜，結果表明，δ13C蜂蜜值和蜂蜜中的蛋白C值有非常強的相關性，可準確區分各種植物性蜂蜜。PERINI等[16]和D′ARCHIVIO等[17]利用電感耦合等離子體對意大利、伊朗等地區的藏紅花進行分析檢測，結果表明，δ13C、δ15N、δ34S、δ2H等同位素可有效區分不同產地的藏紅花，準確率達到100%。楊燕等[18]利用C、N同位素比率及百分比含量測定云南、四川、甘肅3個主產區的27批當歸，結果表明不同產區的δ13C、δ15N同位素差異較大，可對當歸進行有效的產地判別。何偉忠等[19]利用元素分析儀和電感耦合等離子體對新疆不同地區的50份灰棗、47份駿棗進行檢測，結果表明總體溯源建模準確率分別86%和85.11%。穩定同位素分析技術在食藥中，不易隨著外界環境造成含量差異，僅受單一因素影響如C與光合作用相關，與海拔、地質等無關，從而可對食藥同源產品產地進行有效溯源。

2.2 近紅外光譜技術

近紅外光譜是介于可見光與中紅外光之間的電磁波。由于不同地理環境(土質、降水量、日照、海拔)的食藥有效成分含量差異較大，這種差異可借助近紅外光譜簡便、快速、無損的特點對食藥進行精準溯源。近年來，近紅外光譜適用于產品組分的品質控制和定量分析[20]，從而被廣泛地應用于農業[21]、醫藥[22]、工業[23]、食品[24]等各領域。國內外學者將近紅外光譜技術應用于食藥同源產品產地溯源。ARNDT等[25]應用近紅外光譜對澳大利亞等6個國家的64個杏仁進行分析，結果表明，杏仁溯源的準確率為80.2%，表明該方法在杏仁產地識別中具有可行性。XIAO等[26]對黃芪采用可見短波近紅外結合主成分分析(principal component analysis，PCA)進行鑒別，結果表明，5個地區所有模型準確率均超過98%，可對黃芪進行有效的產品產地溯源。ELHAMDAOUIl等[27]在摩洛哥采用中紅外光譜技術及PCA對8種棗進行鑒別，結果表明，模型判別準確率達到100%，模型回歸系數84%，表明該方法可鑒別不同產地的棗。劉秀明等[28]對云南、安徽、廣西、湖北等不同地域的葛根利用近紅外光譜進行判定，結果表明，模型種類識別率為100%，產地識別率為84.44%，該方法可很好地識別不同產地葛根。陳璐等[29]對河南、山東、河北、重慶4個地區的501個金銀花樣品采用近紅外光譜進行分析，結果表明，金銀花產地判別模型準確率為100%，該方法可有效對金銀花產地溯源。姚沖等[30]利用傅里葉變換近紅外光譜結合徑向基函數神經網絡模型對全球129個市的西紅花進行鑒別，結果表明，主產區的準確率最高為96.6%，可有效區分不同地區的西紅花。近紅外光譜技術建立的模型可有效區分不同地區的食藥同源，可應用于食藥同源產品產地溯源。

2.3 礦物元素指紋圖譜技術

受不同地區氣候、濕度、土壤等影響，地質含有的礦物元素不同、比例差異較大形成各地域獨特的地質風格，所以常用礦物元素指紋圖譜技術來實現食藥同源的產品產地溯源[31]。礦物元素含量常分為三類：常量元素、微量元素及痕量元素，且不同地區有各自的地質元素特征，形成不同的礦物元素指紋圖譜[32]。國內外礦物元素指紋圖譜技術在植源性農產品產地判別效果較好。目前，礦物元素指紋圖譜技術已經廣泛應用于食品、醫藥、食藥同源等產品產地溯源的研究[33]。KARABAGIAS等[34]對伯羅奔尼撒半島的3個地區野生花椒的礦物元素進行檢測，結果表明。模型準確率為85.7%和88.9%，可有效區分不同地區的花椒。KURAS等[35]對沙特阿拉伯4個不同品種的120個棗樣品采用電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS)和石墨爐原子吸收法進行檢測，結果表明，棗果皮的鐵含量高于果肉，果皮的鍶大于果肉20%，可有效地對棗進行產品產地溯源。LEE等[36]采用無機元素分析結合正交偏最小二乘法區分29個韓國紫蘇和11個中國紫蘇，結果表明中國紫蘇Rb元素大于韓國紫蘇，Rb元素最適合區分中國和韓國紫蘇。開建榮等[37]利用ICP-MS對寧夏4個地區4個品種枸杞進行檢測，結果表明Ni、Mo、Pb、Li、P、Hg、Ba、Th、Al、As、Zn、Ba可作為枸杞的特征性指標，區分不同產地的枸杞。趙玉洋等[38]對11個地區的鐵皮石斛利用電感耦合等離子體進行分析，結果表明Ni、Zn、Ba、Nd、Rb、La、Sr、Ca、Mg、Cu、Cs可作為鐵皮石斛的特征性指標，可有效對鐵皮石斛進行產品產地溯源。

2.4 分子生物學技術

分子生物學是基因通過DNA標記，運用聚合酶鏈反應從待測樣品中標記DNA片段，由于各生物的遺傳因子不同從而能夠準確鑒別不同地區的生物。因此該技術可以有效地對食藥同源進行產品產地溯源[39]。CAI等[40]利用高效液相色譜測化學指紋和ITS2序列作為DNA序列碼將10組東北人參進行轉換，結果表明，人參的總壓縮率為99.36%，可以用作化學指紋及DNA序列形成QR碼為人參溯源提供理論依據。TIAN等[41]利用DNA條形碼技術對人參與西洋參進行鑒別，結果表明可檢測0.001 ng基因組，西洋參故意摻假人參0.1%，表明可用于人參與西洋參溯源鑒定。王菲菲等[42]采用分子生物學結合化學成分對薄荷、胡椒薄荷、留蘭香進行鑒定，結果表明結合3種分類方法可對薄荷進行分子生物學產品產地溯源。孟嘯龍等[43]通過對5種山藥DNA條形碼篩選得出利用DNA序列鑒定5個山藥品種，表明DNA條形碼技術可鑒別山藥及混偽品。分子生物學技術常用于道地藥材鑒定，通過比對DNA序列等方法對食藥同源產品進行真偽鑒別，更穩定有效地進行產品產地溯源。

2.5 有效成分指紋圖譜技術

食藥同源的產品含量復雜多樣，然而不同的食藥同源的產品的主要有效成分以及含量差異較大，如區分山銀花與金銀花就主要取決于其主要有效成分指標綠原酸、木犀草苷[44]。有效成分指紋圖譜一般指生物指紋圖譜和化學指紋圖譜，生物指紋圖譜以DNA等為代表的圖譜；化學指紋圖譜以食藥同源產品中含有的元素、成分等形成的圖譜。有效成分指紋圖譜技術則是運用不同的指紋圖譜技術如高效液相色譜法等指紋圖譜技術來鑒別主要有效成分含量不同，從而分辨不同產區的食藥同源的產品。GU等[45]采用擴增片段長度多態性分析結合高效液相色譜對24個不同地區黨參和10批黨參進行分析，結果表明，圖譜相似度都超過0.8，可以有效對黨參進行溯源。ZHANG等[46]利用HPLC色譜指紋圖譜和化學計量學結合對10批當歸進行檢測，結果表明10批當歸相似度均大于0.923，具有良好的一致性，可區分不同地區的當歸。方宣啟等[47]利用非線性化學指紋圖譜對四川、吉林、云南、湖南4個產區的天麻及混偽品進行鑒別，結果表明不同產區的準確率為98.3%，可對天麻進行產品產地溯源。韓曉珂等[48]利用HPLC指紋圖譜對對安徽、陜西、廣西、鄭州、湖北、廣東6個地區的21批葛根和粉葛進行區分，結果表明HPLC共有15個共有峰，相似度0.946～1.000，均大于0.965，大豆苷元、染料木素、葛根素等主要成分的差異可區分葛根與粉葛，可對葛根和粉葛進行產品產地溯源。有效成分指紋圖譜技術可以全面反映食藥同源藥材的元素及化學成分含量，可全面地食藥同源進行產品產地溯源。

3 食藥同源產品產地溯源文獻數據分析

3.1 2010—2021年食藥同源發文趨勢

以中文文獻知網數據庫為來源，分別以“109種食藥同源中文名稱”、“溯源”為關鍵詞，時間為“2010年1月1日至2021年6月1日”為條件對文獻逐一檢索，作為第一次檢索；另再分別以“109種食藥同源中文名稱”和“產地”或“紅外”或“礦物元素”或“穩定同位素”或“分子生物學”為關鍵詞，時間與第1次檢索一致進行第2次逐一檢索。同時，在Web of Science和Pud Med數據庫中，利用主題“109種食藥同源英文名稱”和“traceability”逐一檢索2010年1月1日至2021年6月1日的文獻為第3次檢索；再利用“109種食藥同源英文名稱”和“origin”或“near infrared”或“IR”或“stable isotope”或“mineral element”或“molecular biology”為關鍵詞，時間條件不變逐一進行第4次檢索，合并4次檢索中英文獻共得3 496篇。由于蜂蜜文獻數量龐大，僅有效成分文獻已有910篇，分子生物學有684篇，將會影響食藥同源整體數據分析，因此蜂蜜所有的文獻將不計算在本文內。

食藥同源發文總量為1 902篇(除蜂蜜外)，年平均173篇，整體呈現上升趨勢(圖1)。其中，2020年總文獻量為276篇，較2010年總文獻量96篇增長187.5%，而2021年截至上半年發文量就已有132篇，預測2021年全年發文量將會呈持續上升趨勢。食藥同源是我們傳承千年的國粹之一，近年來隨著文化交流的加強，食藥同源也開始邁步走出國門。在中文數據庫知網檢索的文獻有1 519篇，而在Web of Science和Pud Med數據庫檢索的文獻有383篇。2010—2021年國內外總文獻比例中，國內文獻占79.9%，而國外文獻僅占20.1%。其中，2020年國內總文獻量為194篇，較2010年國內總文獻量80篇，增長了142.5%。2020年國外總文獻量為82篇，較2010年國外總文獻量16篇，增長了412.5%，國外文獻的數量更是大幅度上升?？梢?，國內外學者對食藥同源產品越發重視。由于受食藥同源傳統思想的影響，以及我國消費者對食藥同源產品的喜愛，我國學者加強了對食藥同源產品的研究。除此之外其他各國學者也順應該國消費者對食藥同源產品的市場需求，針對性開展溯源研究應用。

圖1 2010—2020年食藥同源文獻趨勢Fig.1 Trends in food and drug homologous literature from 2010 to 2020

3.2 食藥同源產品溯源文獻研究內容分析

在1 902篇文獻中，研究內容為溯源技術及應用的文獻，中文文獻共有56篇，占總文獻的2.9%；外文文獻共有383篇，占總文獻的20.1%，其中，第一作者為中國作者的有231篇，占總文獻的12.1%；研究內容為成分差異性鑒別的中外文文獻，共有1 449篇，占比77%?？梢钥闯?，針對食藥同源產品溯源技術的研究，主要以中國為主；同時，大部分文獻針對為藥同源產品的成分差異性鑒別研究，并未形成特定食藥同源產品的溯源技術或溯源模型。

通過對Web of Science和Pud Med數據庫檢索出的383篇外文文獻進行分析，全球共有39個國家對食藥同源產品進行溯源技術研究。發文量排在前十的國家為中國、西班牙、意大利、韓國、希臘、伊朗、日本、印度、澳大利亞、美國。其中，中國的發文量最高有231篇，占外文文獻的60.3%，其次是西班牙、意大利、韓國、希臘、伊朗、日本、印度、澳大利亞、美國、泰國等國家，分別占5.2%、3.1%、3.1%、2.3%、2.1%、1.8%、1.8%、1.8%、1.6%和1.3%(圖2)?？梢?，食藥同源產品在中國覆蓋最為廣闊，其次是西班牙和意大利，但食藥同源產品依然存在產地溯源未完全深入研究等問題。

圖2 2010—2020年食藥同源世界發文趨勢Fig.2 The trend of world publication of food and drug homology from 2010 to 2020

針對109種食藥同源產品，研究內容涉及種類最多的是中國有104種，其次是意大利10種，韓國7種，西班牙、印度、日本均為6種，澳大利亞5種。同時，國內對食藥同源產品開展溯源技術及溯源模型研究的食藥同源產品僅有15種，分別是當歸[18]、棗[19]、人參[24]、葛根[28,48]、金銀花[29]、西紅花[30]、百合[32]、枸杞[37]、鐵皮石斛[38]、天麻[47]和黃芪[49]，其余均為食藥同源產品成分差異性鑒別研究，成分差異性分析文獻量大于50篇的有12種食藥同源產品，小于10篇的有47種，介于10與50篇之間的有46種。文獻分析表明，有效成分差異是現國內外學者區分不同食藥同源產品的常規方法，但各國對大部分食藥同源產品僅停留在成分差異性分析，未深入源頭對其進行產地溯源研究?？梢?，產地溯源技術研究涉及的食藥同源產品種類較少，亟需利用食藥同源產品成分差異性研究建立溯源技術或溯源技術模型。

3.3 食藥同源溯源技術數據分析

溯源技術的運用頻次，可體現溯源技術在食藥同源產品上應用的覆蓋程度，以及了解食藥同源產品產地溯源較為公認的方法。從2010—2020年國內外食藥同源產品溯源技術運用頻次中看出(圖3)，中英文溯源總文獻有429篇，其中，穩定同位素分析技術發文量最低僅有23篇，占溯源總文獻量的5.4%，相反發文量最高的是紅外光譜指紋圖譜技術有171篇，是穩定同位素分析技術的7.4倍，占溯源總文獻量39.9%。其次是有效成分指紋圖譜技術有132篇，占溯源總文獻量的30.7%，礦物元素指紋圖譜技術有67篇，占溯源總文獻量的15.6%，分子生物學技術有36篇，占溯源總文獻量的8.4%。溯源技術整體呈上升趨勢，如近紅外光譜技術從2010年9篇增到2020年35篇，增幅為288.9%?？梢?，近紅外光譜技術因其無損、便捷的優點，國內外學者不僅將其廣泛應用于其他領域[21-24]，同時也應用于食藥同源產品。而有效成分指紋圖譜技術和礦物元素指紋圖譜技術，前者因是公認的常規鑒別技術后者是因其礦物元素種類較多且穩定的優點，也被廣泛應用于食藥同源產品溯源；而分子生物學技術作為一種新型技術，也得到了國內外學者越來越多的關注和研究，對于食藥同源產品溯源技術的發展起到了巨大的推動作用。

圖3 2010—2020年食藥同源溯源技術發展趨勢Fig.3 Development trend of food and drug homology traceability technology from 2010 to 2020

4 結論與展望

回顧2010—2021年食藥同源溯源技術研究，中國學者開展的研究占絕大多數，體現了中國在食藥同源研究領域的重要地位。然而，食藥同源產品產地溯源技術現今在中國的覆蓋范圍較窄，研究較薄弱，中國深入食藥同源研究溯源的僅有16種產品，有5種產品未見任何報道，其余88種產品僅研究了成分性差異分析，并未深入研究溯源或真偽辨別。食藥同源在中國有近千年的歷史，從2010年開始中藥溯源技術在不斷的發展與創新，國內外文獻呈上升趨勢，每年呈現12.5%增長。經研究統計2010—2021年所有文獻，發現不同國家對食藥同源產品的研究，體現在該國消費者對某種食藥同源產品大量消耗，如西班牙研究杏仁、黑胡椒、覆盆子、西紅花等食藥同源產品，是因為西班牙人民日常食用杏仁、覆盆子，以及大量采用黑胡椒、西紅花做香料；韓國研究紫蘇、人參、當歸、黑芝麻等食藥同源產品，是因為在韓國飲食文化中常出現以上幾種食藥同源產品融入食譜。同時還發現，溯源技術運用最廣泛的是國內外公認的有效成分指紋圖譜技術，其次是靠無損檢測、快速檢測位于第2位的紅外光譜技術。從世界范圍深入分析，2010—2021年食藥同源溯源或成分差異性分析的所有文獻可發現，全球科學工作者對食藥同源相關研究重視度有所提升，主要體現在食藥同源產品的真實性和道地性等方面的應用探索。研究人員基于遺傳因子、化學成分及礦物元素等幾個方面對食藥同源產品檢測分析，用于辨別食藥同源產品優劣或真偽。

食藥同源產品產地溯源是對食藥及相關土壤、水樣等環境因素易影響的樣品進行檢測，再篩選出特征性指標，建立模型及數據庫，從而達到區分不同產地的食藥。然而，食藥同源的產品常受地理環境因素等影響，導致食藥同源產品的有效成分、礦物元素或者同位素差異較大。目前，溯源技術已廣泛應用于農產品、食品、醫藥、工業等領域[10-14,20-23]。但是，由相關的溯源技術報道可知，單一溯源技術都存在一定的局限性，并不能對食藥同源產品產地進行精確地溯源。氣相色譜和液相色譜都具有較高的靈敏度且重復性好等特點，但氣相色譜分析速度慢，檢測費用較高；電子鼻具有分析速度快、重復性好等特點，但卻易受檢測環境影響；IRMS具有靈敏度高，準確性好等特點，但費用昂貴、分析速度較慢；ICP-MS能同時分析多元素，且分析速度快，但操作復雜、費用昂貴；分子生物學技術特異性強、重現性好，但易出現假陰性或假陽性。由于食藥同源產品的有效成分復雜，甚至存在未知的有效成分。因此，使用單一溯源技術已無法滿足食藥同源產品產地溯源的需求，研究人員應將多項技術相互融合對產品產地進行溯源研究。為了將溯源技術更好地應用于食藥同源產品產地溯源，需要將多個化學方法或儀器與化學計量法相結合，以擴大食藥同源指標檢測范圍，縮小產品產地地理范圍為目標，建立精確的化學計量法模型及食藥同源產品的指標數據庫，從而實現食藥同源產品產地準確溯源的目的。