食药同源产品产地溯源技术研究进展

邓诗意，殷萍，张强，邹攀，白雪，郭永泽，周学永，程奕，陈秋生*

1(天津市农业科学院农产品质量安全与营养研究所，天津，300381)2(天津农学院 食品科学与生物工程学院，天津，300392)

自远古“神农尝百草”就已有食药同源的思想启蒙，“食药同源”在中国源远流长，是传承千年独有的文化瑰宝。2020年新冠肺炎疫情形势严峻，习近平总书记在北京指导新冠肺炎疫情防控工作时，明确要求“坚持中西医结合，加大科研攻关力度，加快筛选研发具有较好临床疗效的药物”[1]。实践证明，食药同源的产品，如甘草、藿香、金银花、茯苓、陈皮等都在抗“疫”中发挥着举足轻重的作用[2]，为人民健康做出独特的贡献。经过此次疫情“食药同源”产品，受到了国内外消费者的关注。许多企业紧随热潮以药膳大力加强“食药同源”来满足消费者的需求。

由于中药材的产地、品种、炮制方法、采收期、药用部位以及贮藏方法不同导致其有效成分含量差异较大，质量不稳定。同时，我国食药同源产品的市场准则制度不够完善，导致不法商人以次充好、以假乱真，恶意降低食药的有效成分含量，侵害消费者和合法商人权益，有甚者危及到消费者健康。为此，2015年我国颁布《中华人民共和国食品安全法》建立溯源体系，保障消费者权益，打击假冒伪劣。2021年“十四五”规划特别提出“加快绿色发展，保障农产品质量安全”，切实保障农产品数量安全和质量安全，实现从吃得饱转换成吃得好。为响应“十四五”计划的号召，补齐质量监管短板，必须从技术监督体系对食药同源产品的溯源地进行追踪。从而保护消费者权益，维护食药同源产品形象，保障食药同源的产业健康发展，为食药同源产品产地溯源提供可靠的理论支撑。传统中药辨别真伪主要有性状鉴别、显微鉴别等，国内外常用的辨别方法是药物植物指纹图谱[3]。目前，药物植物指纹图谱囊括在食药同源溯源技术中，同时还有稳定同位素分析、近红外光谱、矿物元素指纹图谱、分子生物学、有效成分指纹图谱等技术。本文综述了国内外食药同源产地溯源技术的研究进展及应用情况，并对未来发展趋势进行展望。

1 食药同源概述

20世纪30年代，我国开始有“医食同源”、“药食同源”的说法[5]；卫生部在2002年公布了87种“既是食品又是药品物品名单”，正式确定了‘药食同源’的概念[6]，到2020年已达到109种[7]，其中包含根茎类21种、果实类22种、种子类19种、叶类9种等其他种类(表1)。由于我国地域跨度大，气候多样，导致食药同源产品受自身品性、生态环境等因素的交互影响，表现出强烈的地域性[8]，同种食药同源产品有效成分的含量具有较大差异。根据“既是食品又是药品物品名单”和《中国中药区划》[9]，食药同源产品具有特定的产区，如青藏区盛产藏红花，东北区盛产人参，华北区盛产酸枣仁、山楂、甘草等，华东区盛产杭白芷、江香薷、薄荷等，华中区盛产山茱萸、天麻、百合等，华南区盛产高良姜、陈皮等，西南区盛产天麻、铁皮石斛等，西北区盛产当归、枸杞等。不同的种植区域，不同的土质和气候特征，形成了食药同源产品独特的道地性。中医讲究同一药材不同部位，功效不同，道地药材需要精确到特定部位。因此，入药部位是决定药材质量的关键，从而也为食药同源产品产地溯源提供理论依据。

表1 食药同源产品“入药部位”归类Table 1 Classification of homologous ‘medicinal parts’

2 产地溯源技术及应用

2.1 稳定同位素分析技术

稳定同位素分析技术具有指示、整合以及示踪的能力，可实现不同类型食品、药品等原产地识别[10]。主要利用C、O、H、N等稳定元素在不同地域的差异，进行产品产地溯源，其中C元素差异主要与光合作用途径有关；O、H元素主要与地理环境(海拔、降水量)有关；N元素差异体现在肥料中N元素含量不同。稳定同位素分析技术已广泛应用于大米[11]、茶[12]、酒[13]、畜禽[14]等各领域。DONG等[15]利用稳定同位素质谱仪(isotope ratio mass spectrometry，IRMS)区分45种商业蜂蜜，结果表明，δ13C蜂蜜值和蜂蜜中的蛋白C值有非常强的相关性，可准确区分各种植物性蜂蜜。PERINI等[16]和D′ARCHIVIO等[17]利用电感耦合等离子体对意大利、伊朗等地区的藏红花进行分析检测，结果表明，δ13C、δ15N、δ34S、δ2H等同位素可有效区分不同产地的藏红花，准确率达到100%。杨燕等[18]利用C、N同位素比率及百分比含量测定云南、四川、甘肃3个主产区的27批当归，结果表明不同产区的δ13C、δ15N同位素差异较大，可对当归进行有效的产地判别。何伟忠等[19]利用元素分析仪和电感耦合等离子体对新疆不同地区的50份灰枣、47份骏枣进行检测，结果表明总体溯源建模准确率分别86%和85.11%。稳定同位素分析技术在食药中，不易随着外界环境造成含量差异，仅受单一因素影响如C与光合作用相关，与海拔、地质等无关，从而可对食药同源产品产地进行有效溯源。

2.2 近红外光谱技术

近红外光谱是介于可见光与中红外光之间的电磁波。由于不同地理环境(土质、降水量、日照、海拔)的食药有效成分含量差异较大，这种差异可借助近红外光谱简便、快速、无损的特点对食药进行精准溯源。近年来，近红外光谱适用于产品组分的品质控制和定量分析[20]，从而被广泛地应用于农业[21]、医药[22]、工业[23]、食品[24]等各领域。国内外学者将近红外光谱技术应用于食药同源产品产地溯源。ARNDT等[25]应用近红外光谱对澳大利亚等6个国家的64个杏仁进行分析，结果表明，杏仁溯源的准确率为80.2%，表明该方法在杏仁产地识别中具有可行性。XIAO等[26]对黄芪采用可见短波近红外结合主成分分析(principal component analysis，PCA)进行鉴别，结果表明，5个地区所有模型准确率均超过98%，可对黄芪进行有效的产品产地溯源。ELHAMDAOUIl等[27]在摩洛哥采用中红外光谱技术及PCA对8种枣进行鉴别，结果表明，模型判别准确率达到100%，模型回归系数84%，表明该方法可鉴别不同产地的枣。刘秀明等[28]对云南、安徽、广西、湖北等不同地域的葛根利用近红外光谱进行判定，结果表明，模型种类识别率为100%，产地识别率为84.44%，该方法可很好地识别不同产地葛根。陈璐等[29]对河南、山东、河北、重庆4个地区的501个金银花样品采用近红外光谱进行分析，结果表明，金银花产地判别模型准确率为100%，该方法可有效对金银花产地溯源。姚冲等[30]利用傅里叶变换近红外光谱结合径向基函数神经网络模型对全球129个市的西红花进行鉴别，结果表明，主产区的准确率最高为96.6%，可有效区分不同地区的西红花。近红外光谱技术建立的模型可有效区分不同地区的食药同源，可应用于食药同源产品产地溯源。

2.3 矿物元素指纹图谱技术

受不同地区气候、湿度、土壤等影响，地质含有的矿物元素不同、比例差异较大形成各地域独特的地质风格，所以常用矿物元素指纹图谱技术来实现食药同源的产品产地溯源[31]。矿物元素含量常分为三类：常量元素、微量元素及痕量元素，且不同地区有各自的地质元素特征，形成不同的矿物元素指纹图谱[32]。国内外矿物元素指纹图谱技术在植源性农产品产地判别效果较好。目前，矿物元素指纹图谱技术已经广泛应用于食品、医药、食药同源等产品产地溯源的研究[33]。KARABAGIAS等[34]对伯罗奔尼撒半岛的3个地区野生花椒的矿物元素进行检测，结果表明。模型准确率为85.7%和88.9%，可有效区分不同地区的花椒。KURAS等[35]对沙特阿拉伯4个不同品种的120个枣样品采用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS)和石墨炉原子吸收法进行检测，结果表明，枣果皮的铁含量高于果肉，果皮的锶大于果肉20%，可有效地对枣进行产品产地溯源。LEE等[36]采用无机元素分析结合正交偏最小二乘法区分29个韩国紫苏和11个中国紫苏，结果表明中国紫苏Rb元素大于韩国紫苏，Rb元素最适合区分中国和韩国紫苏。开建荣等[37]利用ICP-MS对宁夏4个地区4个品种枸杞进行检测，结果表明Ni、Mo、Pb、Li、P、Hg、Ba、Th、Al、As、Zn、Ba可作为枸杞的特征性指标，区分不同产地的枸杞。赵玉洋等[38]对11个地区的铁皮石斛利用电感耦合等离子体进行分析，结果表明Ni、Zn、Ba、Nd、Rb、La、Sr、Ca、Mg、Cu、Cs可作为铁皮石斛的特征性指标，可有效对铁皮石斛进行产品产地溯源。

2.4 分子生物学技术

分子生物学是基因通过DNA标记，运用聚合酶链反应从待测样品中标记DNA片段，由于各生物的遗传因子不同从而能够准确鉴别不同地区的生物。因此该技术可以有效地对食药同源进行产品产地溯源[39]。CAI等[40]利用高效液相色谱测化学指纹和ITS2序列作为DNA序列码将10组东北人参进行转换，结果表明，人参的总压缩率为99.36%，可以用作化学指纹及DNA序列形成QR码为人参溯源提供理论依据。TIAN等[41]利用DNA条形码技术对人参与西洋参进行鉴别，结果表明可检测0.001 ng基因组，西洋参故意掺假人参0.1%，表明可用于人参与西洋参溯源鉴定。王菲菲等[42]采用分子生物学结合化学成分对薄荷、胡椒薄荷、留兰香进行鉴定，结果表明结合3种分类方法可对薄荷进行分子生物学产品产地溯源。孟啸龙等[43]通过对5种山药DNA条形码筛选得出利用DNA序列鉴定5个山药品种，表明DNA条形码技术可鉴别山药及混伪品。分子生物学技术常用于道地药材鉴定，通过比对DNA序列等方法对食药同源产品进行真伪鉴别，更稳定有效地进行产品产地溯源。

2.5 有效成分指纹图谱技术

食药同源的产品含量复杂多样，然而不同的食药同源的产品的主要有效成分以及含量差异较大，如区分山银花与金银花就主要取决于其主要有效成分指标绿原酸、木犀草苷[44]。有效成分指纹图谱一般指生物指纹图谱和化学指纹图谱，生物指纹图谱以DNA等为代表的图谱；化学指纹图谱以食药同源产品中含有的元素、成分等形成的图谱。有效成分指纹图谱技术则是运用不同的指纹图谱技术如高效液相色谱法等指纹图谱技术来鉴别主要有效成分含量不同，从而分辨不同产区的食药同源的产品。GU等[45]采用扩增片段长度多态性分析结合高效液相色谱对24个不同地区党参和10批党参进行分析，结果表明，图谱相似度都超过0.8，可以有效对党参进行溯源。ZHANG等[46]利用HPLC色谱指纹图谱和化学计量学结合对10批当归进行检测，结果表明10批当归相似度均大于0.923，具有良好的一致性，可区分不同地区的当归。方宣启等[47]利用非线性化学指纹图谱对四川、吉林、云南、湖南4个产区的天麻及混伪品进行鉴别，结果表明不同产区的准确率为98.3%，可对天麻进行产品产地溯源。韩晓珂等[48]利用HPLC指纹图谱对对安徽、陕西、广西、郑州、湖北、广东6个地区的21批葛根和粉葛进行区分，结果表明HPLC共有15个共有峰，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异可区分葛根与粉葛，可对葛根和粉葛进行产品产地溯源。有效成分指纹图谱技术可以全面反映食药同源药材的元素及化学成分含量，可全面地食药同源进行产品产地溯源。

3 食药同源产品产地溯源文献数据分析

3.1 2010—2021年食药同源发文趋势

以中文文献知网数据库为来源，分别以“109种食药同源中文名称”、“溯源”为关键词，时间为“2010年1月1日至2021年6月1日”为条件对文献逐一检索，作为第一次检索；另再分别以“109种食药同源中文名称”和“产地”或“红外”或“矿物元素”或“稳定同位素”或“分子生物学”为关键词，时间与第1次检索一致进行第2次逐一检索。同时，在Web of Science和Pud Med数据库中，利用主题“109种食药同源英文名称”和“traceability”逐一检索2010年1月1日至2021年6月1日的文献为第3次检索；再利用“109种食药同源英文名称”和“origin”或“near infrared”或“IR”或“stable isotope”或“mineral element”或“molecular biology”为关键词，时间条件不变逐一进行第4次检索，合并4次检索中英文献共得3 496篇。由于蜂蜜文献数量庞大，仅有效成分文献已有910篇，分子生物学有684篇，将会影响食药同源整体数据分析，因此蜂蜜所有的文献将不计算在本文内。

食药同源发文总量为1 902篇(除蜂蜜外)，年平均173篇，整体呈现上升趋势(图1)。其中，2020年总文献量为276篇，较2010年总文献量96篇增长187.5%，而2021年截至上半年发文量就已有132篇，预测2021年全年发文量将会呈持续上升趋势。食药同源是我们传承千年的国粹之一，近年来随着文化交流的加强，食药同源也开始迈步走出国门。在中文数据库知网检索的文献有1 519篇，而在Web of Science和Pud Med数据库检索的文献有383篇。2010—2021年国内外总文献比例中，国内文献占79.9%，而国外文献仅占20.1%。其中，2020年国内总文献量为194篇，较2010年国内总文献量80篇，增长了142.5%。2020年国外总文献量为82篇，较2010年国外总文献量16篇，增长了412.5%，国外文献的数量更是大幅度上升。可见，国内外学者对食药同源产品越发重视。由于受食药同源传统思想的影响，以及我国消费者对食药同源产品的喜爱，我国学者加强了对食药同源产品的研究。除此之外其他各国学者也顺应该国消费者对食药同源产品的市场需求，针对性开展溯源研究应用。

图1 2010—2020年食药同源文献趋势Fig.1 Trends in food and drug homologous literature from 2010 to 2020

3.2 食药同源产品溯源文献研究内容分析

在1 902篇文献中，研究内容为溯源技术及应用的文献，中文文献共有56篇，占总文献的2.9%；外文文献共有383篇，占总文献的20.1%，其中，第一作者为中国作者的有231篇，占总文献的12.1%；研究内容为成分差异性鉴别的中外文文献，共有1 449篇，占比77%。可以看出，针对食药同源产品溯源技术的研究，主要以中国为主；同时，大部分文献针对为药同源产品的成分差异性鉴别研究，并未形成特定食药同源产品的溯源技术或溯源模型。

通过对Web of Science和Pud Med数据库检索出的383篇外文文献进行分析，全球共有39个国家对食药同源产品进行溯源技术研究。发文量排在前十的国家为中国、西班牙、意大利、韩国、希腊、伊朗、日本、印度、澳大利亚、美国。其中，中国的发文量最高有231篇，占外文文献的60.3%，其次是西班牙、意大利、韩国、希腊、伊朗、日本、印度、澳大利亚、美国、泰国等国家，分别占5.2%、3.1%、3.1%、2.3%、2.1%、1.8%、1.8%、1.8%、1.6%和1.3%(图2)。可见，食药同源产品在中国覆盖最为广阔，其次是西班牙和意大利，但食药同源产品依然存在产地溯源未完全深入研究等问题。

图2 2010—2020年食药同源世界发文趋势Fig.2 The trend of world publication of food and drug homology from 2010 to 2020

针对109种食药同源产品，研究内容涉及种类最多的是中国有104种，其次是意大利10种，韩国7种，西班牙、印度、日本均为6种，澳大利亚5种。同时，国内对食药同源产品开展溯源技术及溯源模型研究的食药同源产品仅有15种，分别是当归[18]、枣[19]、人参[24]、葛根[28,48]、金银花[29]、西红花[30]、百合[32]、枸杞[37]、铁皮石斛[38]、天麻[47]和黄芪[49]，其余均为食药同源产品成分差异性鉴别研究，成分差异性分析文献量大于50篇的有12种食药同源产品，小于10篇的有47种，介于10与50篇之间的有46种。文献分析表明，有效成分差异是现国内外学者区分不同食药同源产品的常规方法，但各国对大部分食药同源产品仅停留在成分差异性分析，未深入源头对其进行产地溯源研究。可见，产地溯源技术研究涉及的食药同源产品种类较少，亟需利用食药同源产品成分差异性研究建立溯源技术或溯源技术模型。

3.3 食药同源溯源技术数据分析

溯源技术的运用频次，可体现溯源技术在食药同源产品上应用的覆盖程度，以及了解食药同源产品产地溯源较为公认的方法。从2010—2020年国内外食药同源产品溯源技术运用频次中看出(图3)，中英文溯源总文献有429篇，其中，稳定同位素分析技术发文量最低仅有23篇，占溯源总文献量的5.4%，相反发文量最高的是红外光谱指纹图谱技术有171篇，是稳定同位素分析技术的7.4倍，占溯源总文献量39.9%。其次是有效成分指纹图谱技术有132篇，占溯源总文献量的30.7%，矿物元素指纹图谱技术有67篇，占溯源总文献量的15.6%，分子生物学技术有36篇，占溯源总文献量的8.4%。溯源技术整体呈上升趋势，如近红外光谱技术从2010年9篇增到2020年35篇，增幅为288.9%。可见，近红外光谱技术因其无损、便捷的优点，国内外学者不仅将其广泛应用于其他领域[21-24]，同时也应用于食药同源产品。而有效成分指纹图谱技术和矿物元素指纹图谱技术，前者因是公认的常规鉴别技术后者是因其矿物元素种类较多且稳定的优点，也被广泛应用于食药同源产品溯源；而分子生物学技术作为一种新型技术，也得到了国内外学者越来越多的关注和研究，对于食药同源产品溯源技术的发展起到了巨大的推动作用。

图3 2010—2020年食药同源溯源技术发展趋势Fig.3 Development trend of food and drug homology traceability technology from 2010 to 2020

4 结论与展望

回顾2010—2021年食药同源溯源技术研究，中国学者开展的研究占绝大多数，体现了中国在食药同源研究领域的重要地位。然而，食药同源产品产地溯源技术现今在中国的覆盖范围较窄，研究较薄弱，中国深入食药同源研究溯源的仅有16种产品，有5种产品未见任何报道，其余88种产品仅研究了成分性差异分析，并未深入研究溯源或真伪辨别。食药同源在中国有近千年的历史，从2010年开始中药溯源技术在不断的发展与创新，国内外文献呈上升趋势，每年呈现12.5%增长。经研究统计2010—2021年所有文献，发现不同国家对食药同源产品的研究，体现在该国消费者对某种食药同源产品大量消耗，如西班牙研究杏仁、黑胡椒、覆盆子、西红花等食药同源产品，是因为西班牙人民日常食用杏仁、覆盆子，以及大量采用黑胡椒、西红花做香料；韩国研究紫苏、人参、当归、黑芝麻等食药同源产品，是因为在韩国饮食文化中常出现以上几种食药同源产品融入食谱。同时还发现，溯源技术运用最广泛的是国内外公认的有效成分指纹图谱技术，其次是靠无损检测、快速检测位于第2位的红外光谱技术。从世界范围深入分析，2010—2021年食药同源溯源或成分差异性分析的所有文献可发现，全球科学工作者对食药同源相关研究重视度有所提升，主要体现在食药同源产品的真实性和道地性等方面的应用探索。研究人员基于遗传因子、化学成分及矿物元素等几个方面对食药同源产品检测分析，用于辨别食药同源产品优劣或真伪。

食药同源产品产地溯源是对食药及相关土壤、水样等环境因素易影响的样品进行检测，再筛选出特征性指标，建立模型及数据库，从而达到区分不同产地的食药。然而，食药同源的产品常受地理环境因素等影响，导致食药同源产品的有效成分、矿物元素或者同位素差异较大。目前，溯源技术已广泛应用于农产品、食品、医药、工业等领域[10-14,20-23]。但是，由相关的溯源技术报道可知，单一溯源技术都存在一定的局限性，并不能对食药同源产品产地进行精确地溯源。气相色谱和液相色谱都具有较高的灵敏度且重复性好等特点，但气相色谱分析速度慢，检测费用较高；电子鼻具有分析速度快、重复性好等特点，但却易受检测环境影响；IRMS具有灵敏度高，准确性好等特点，但费用昂贵、分析速度较慢；ICP-MS能同时分析多元素，且分析速度快，但操作复杂、费用昂贵；分子生物学技术特异性强、重现性好，但易出现假阴性或假阳性。由于食药同源产品的有效成分复杂，甚至存在未知的有效成分。因此，使用单一溯源技术已无法满足食药同源产品产地溯源的需求，研究人员应将多项技术相互融合对产品产地进行溯源研究。为了将溯源技术更好地应用于食药同源产品产地溯源，需要将多个化学方法或仪器与化学计量法相结合，以扩大食药同源指标检测范围，缩小产品产地地理范围为目标，建立精确的化学计量法模型及食药同源产品的指标数据库，从而实现食药同源产品产地准确溯源的目的。