黄连中重金属及其安全风险评估研究进展

吴虎平，张亚玉

（中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112）

黄连是毛茛科植物黄连（Coptis chinensis Franch.）、三角叶黄连（Coptis deltoidea C.Y.Cheng et Hsiao）或云连（Coptis teeta Wall.）的干燥根茎，其作为我国的传统中药，具有清热泻火的功效，不仅如此，随着人们运用现代技术对黄连的深入研究，黄连的其他诸多药理作用也被逐渐挖掘，扩大了黄连的应用范围[1]。但近年来我国土壤中的重金属含量严重超标，这些重金属在环境系统中迁移极为活跃，极易被植物吸收并积累，还具有不可逆性、难降解性和隐蔽性等特点。已有报道揭示部分黄连土壤重金属镉（Cd）超标，部分产区中黄连的Cd含量在0.407~0.503 mg/kg，且种植区土壤中的重金属残留量（铅Pb、砷As、汞Hg、Cd、铬Cr、铜Cu、锌Zn）与黄连药材中的含量呈正相关性，因此土壤中重金属超标对黄连安全生产造成潜在威胁[2]。因此，产区土壤重金属超标给黄连种植造成潜在重金属安全风险，特别是以黄连为基源的药品开发，最终威胁人类健康，阻碍产业良性发展[3]。

为了明确黄连产区土壤中重金属残留情况及可能引起的健康风险，促进科学用药，提高产品质量及其国内外市场竞争力，本文综述了黄连中重金属残留的来源、检测技术、残留特征及中药重金属的限量标准，以期为提高黄连用药安全提供解决方案。

1 黄连中重金属残留的来源

1.1 环境因素

黄连中重金属的污染主要来源于环境，包括土壤、大气和水[4-6]。其中，由于土壤是黄连等药材生长的基础，可通过提供营养物质，促进植物生长发育繁殖，所以当土壤中存在重金属或者重金属含量超标时，都会通过各种自然条件迁移至地表，从而被植物吸收，最终导致不同产地的土壤中重金属元素的含量出现差异，从而使黄连中重金属元素的含量发生改变，方清茂等[3]研究进一步证实了黄连中Cd的来源主要与土壤背景有关。除此之外，其他一些环境因素如工业废气、废水和固体废弃物，也会给黄连带来直接污染和间接污染，因为这些物质中含有大量的有害物质，包括Cd、Pb、Hg及As等多种重金属及其他废气[7]，植物通过叶面或者根系主动或被动吸收这些物质，影响正常生长和次生代谢产物积累[8]。

1.2 人为因素

除了环境中引入重金属，黄连在生产中人为投入品也会导致重金属超标的风险。为防治黄连等药材或相邻作物的病虫害，在栽培和种植药用植物过程中，施加混入As、Cu、Hg和Pb等重金属元素的农药、化肥等，如工业磷肥中的As，经过长期施用，造成重金属在土壤中的积累，植物通过根部或者叶片吸收这类有害物质，进而转运到黄连等药材体内各个部位，从而导致重金属残留[9]。人们应用不同的生产工艺和储藏手段，也会对黄连中重金属含量产生不同的影响，如在仓储过程中，为防治霉变、虫害和鼠害使用重金属制品的仓储熏蒸剂，从而会造成药材的重金属污染[10]；左甜甜等[11,12]分别用水煎煮、70%乙醇溶液回流提取和95%乙醇溶液震荡提取黄连等药材，发现水煎煮法对重金属的提取率最高。因此，了解这些导致黄连中重金属残留的环境及人为因素，有助于从根源防止黄连的污染，避免人为投入品间接引入重金属。

2 黄连中重金属含量的检测技术

黄连属于大宗药材，与其他中药材一样含有十分复杂的成分。前处理是精准测定黄连重金属的关键操作环节，根据黄连成分特征选择适宜的消解方法，可有效提高后续分析的准确度和精确度。前处理方法主要有微波消解法、湿法消解、干法消解和压力消解罐消解法，其中前3种方法均有应用[13]。

随着仪器的更新换代，新的仪器设备应用不断，提高了重金属的检出限和精确度，大大提高了检测效率和精确度。表1为黄连检测方法的主要发展历程分类，目前，应用于检测黄连中重金属残留量的主要方法为原子吸收光谱（AAS）法、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[14]，例如方清茂和谢光武两个团队分别采用原子吸收法和电感耦合等离子体质谱法，成功地检测出黄连样品中As元素的含量；2017年，顾国梁等利用ICP-AES快速测得黄连中Zn元素的含量[3,15,16]。与化学分析法相比，这3种方法操作简便，不易造成环境污染。不同的检测技术手段有各自的优势，同时也有自身的不足，就原子吸收光谱法而言，存在样品前期处理复杂、测定元素单一的问题，测定受元素灯种类的限制，随后，ICPAES法和ICP-MS法逐渐兴起[17]，其中以ICP-AES法的应用技术最为成熟，具有操作简便、灵敏度高、精密度高和测量范围广的优点，已经大量应用于黄连中微量元素含量的测定，但是部分元素在测定过程中存在互相干扰的问题；而ICP-MS法的应用技术更为先进，它是利用ICP技术联合质谱共同检测微量及痕量元素的含量，可以快速测量高浓度的元素（g/L到mg/L级），该方法已经作为法定的检测技术正式纳入《中国药典》（2020版）[18-21]。另外，随着ICP-MS技术的推广和应用，越来越多的研究者采用该方法测定食品、环境和植物中的重金属含量[16,22-24]。

表1 黄连重金属检测方法优缺点对比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of heavy metal detection methods in Coptis chinensis

续表

除了以上几种常用的检测重金属含量的方法外，近年来，出现了一种能快速、原位、多元素同时检测重金属残留的检测方法——激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，该检测法是随着激光技术、光谱仪器的出现而发展起来的光谱技术，其优点是通过定量和定性相结合的分析手段来同时检测多种元素，还具有操作简便、可靠和分析速度快等特点[33]，对保障药材的品质和安全有着十分重要的意义，在很多领域应用广泛[34-36]。

3 黄连中的主要重金属残留及其危害

通过观察黄连中重金属含量检测的结果，发现含量严重超标的重金属主要为Cu、Pb、As、Cd和Hg，如2012年，吴四维等[37]发现黄连中除As以外，Cd、Cu、Hg和Pb含量均超标；2020年，朱海兰等[17]也对黄连中这5种重金属的富集能力进行过研究，发现富集能力由强到弱的顺序为Cd、Cu、Hg、Pb和As。这些主要的重金属残留不仅影响药材的质量，还会危害人类的健康。

大多数的风险评估显示，黄连中Pb的风险较高[38]，它是一种有色的重金属，在自然界中分布广泛，已有研究表明，长期服用含有Pb的黄连药物，会造成人体生理生化活动紊乱，出现各种疾病，原因是它可以与人体内一系列蛋白质结合，干扰这些蛋白质发挥正常的功能[39,40]。同时，Cd元素在黄连中含量也很多，其易被植物吸收并积累，对植物产生毒害作用；由于Cd元素是普遍存在的非必需元素，具有很强的毒性，人体吸收后会损害血管，引起组织缺血，导致多系统损伤[41]；不仅如此，Cd还会影响Cu和Zn等微量元素的代谢、阻碍肠道吸收铁元素、抑制血红蛋白的合成等代谢过程，这最终都会导致内脏受损，影响人类的健康[42]。

另外，在黄连样品中检测到的As和Cu元素，虽然它们都是人体所必需的微量元素，但累积超过一定含量时也会影响人类的健康，如人们已经发现As元素在人体中过多的积累，导致器官和组织的功能出现异常，甚至在皮肤、肺脏等部位出现肿瘤[43]；利用铜离子污染的水源浇灌植物，部分铜离子会固定在植物根部，从而严重影响植物的正常生长；人体通过食有铜离子残留的食物、药品和水等而摄入过量的铜元素，会引发肝、肾和神经系统等各种病症，造成严重的危害[44]。

植物对Hg的摄取，与其他4种重金属离子进入植物的方式基本相似，但是Hg元素会通过剥夺其他必须元素的位置来扰乱植物的正常生长，而且汞中毒会使人体的中枢神经系统紊乱，表现出听力下降和四肢发麻等症状[45]。总之，重金属残留在黄连等药用植物中，不仅降低药材质量还危及人类的健康，由于中药用药周期一般较长，随意长期服用含有Cu、Pb、As、Cd及Hg等重金属元素残留的药物，会在人体内积累，最终呈现毒性。因此，世界各国、地区陆续对黄连基地环境进行评价[46,47]，国内外也制定了中药重金属的限量标准[48,49]，中药材重金属限量水平，见表2。

表2 中药材重金属限量水平Table 2 Limit levels of heavy metals in Chinese crude drugs

4 国内外中药重金属的限量标准

4.1 国内的限量标准

鉴于Cu、Pb、As、Cd和Hg等重金属超标对人体健康的影响，我国和世界其他各国对重金属含量进行了严格的规定。随着我国中药生产规模的扩大，其重金属残留问题已引起了人们的广泛关注，但是目前每个国家对中药中重金属的含量都有自己的限量标准。例如，早在2001年，中国对外贸易合作部出台了《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》，该标准规定了进出口的药用植物原料、提取物和饮片等的重金属含量检测方法和限量标准[50]，随着科技的发展，我国又颁布了最新版的《中国药典》（2020版），重新规定了中药中5种重金属的限量标准，Pb≤5.0 mg/kg，Cu≤20 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Cd≤1 mg/kg，As≤2.0 mg/kg[51]。但根据2015年颁布实施的《中医药-中药材重金属限量》显示，在ISO国际标准下（Traditional Chinese Medicine-Determination of heavy metals in herbal medicines used in Traditional Chinese Medicine ISO 18664 2015.8.1），Pb≤10 mg/kg，Hg≤3.0 mg/kg，Cd≤2.0 mg/kg，As≤4.0 mg/kg，此标准中规定的重金属限量明显高于绿色行业标准[52]。

4.2 国外的限量标准

德国作为最大的欧洲中药应用市场，规定中药中的Pb≤5.0 mg/kg，Hg≤1.0 mg/kg，Cd≤0.2 mg/kg；韩国规定生药中的Pb≤5.0 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，As≤3.0 mg/kg；新加坡规定中草药中的Pb≤20 mg/kg，Cu≤150 mg/kg，Hg≤0.5 mg/kg，Cd≤5.0 mg/kg，As（砷）≤5.0 mg/kg；英国规定中草药中的Pb≤5.0 mg/kg，Hg≤0.1 mg/kg，Cd≤1.0 mg/kg，As≤5.0 mg/kg；美国规定草药中的Pb≤5.0 mg/kg，Hg≤0.2 mg/kg，Cd≤0.3 mg/kg，As≤2.0 mg/kg[53]。总的来说，在中国、美国和英国的药典中，重金属限量水平基本相似，新加坡的重金属限量值相对较高，而韩国和德国的标准相对较低，要求也比较严格。另外，可能由于Cu是人体所需的微量营养元素，所以大部分国家并没有规定Cu的含量。

5 黄连中重金属的风险评估

以往黄连中重金属的风险评估多集中在土壤到药材生产的某个环节，比如单因子污染指数（Pi）、内梅罗指数法、综合污染指数、靶标危害系数法（THQ）等对黄连等中药材中的重金属进行风险评估。黄连重金属积累不仅与土壤环境有关、同时与自身生长习性有关，同时作为药品需要进一步结合食用量来确定其对人类健康的影响。近年来，我国黄连重金属风险评估逐渐完善，通过采用累积风险评估方法、中药中外源性有害残留物安全风险评估等多种综合评估方式，反映出了黄连中重金属残留的真实水平，如朱海兰等[17]在研究黄连中重金属和有害元素残留初步风险分析及富集特性时，通过中药中外源性有害残留物安全风险评估法，得出了黄连中Pb的MOE≤1，风险较高，且存在风险的样品比例达81.08%；周利等[54]在研究不同产地黄连中重金属的含量测定及不同用药方式下黄连重金属的风险评估时，建立了风险评估模型，计算出成人和小孩在两种用药方式下的THQ，得出黄连重金属含量处于安全范围，不会对人体产生明显危害；左甜甜等[55]在研究10种根和根茎类中药材中重金属及有害元素的风险评估及最大限量理论值时，采用危害指数法（HI法）和暴露限值法（MOE法）对黄连重金属及有害元素的风险进行确定性评估，得出黄连品种质量安全隐患较大的元素是Cd；2020年左甜甜等[56]进一步通过危害指数（HI）法、靶器官毒性剂量（TTD）法和证据权重（WOE）法等3种累积风险评估法，成功地发现黄连中Pb和Cd的联合暴露存在一定健康风险。因此，黄连等中药材中重金属的风险评估方法正在经过不断完善，以更好地适应各项指标的测定，有望进一步应用于实际生产中。

6 总结与展望

黄连具有悠久的用药历史，早在《神农本草经》中就有其药用价值的记载，可以治疗多种疾病，随着科技的发展，黄连新开发的应用功效得到了更多人的重视，比如其在抗癌与降血糖方面发挥着重要作用[57]。近年来，黄连的生产量不断增大，据2018年统计，作为我国黄连种植的原产地，重庆市石柱土家族自治县黄水镇年均新栽和收获黄连700 hm2左右，年产黄连2 500 000余千克，产值3.2亿元，不仅占全国黄连生产总量的60%，还居全球之首[58]。但由于重金属含量超标，严重影响了黄连的药用价值，导致黄连失去国际市场，所以，降低黄连中的重金属含量刻不容缓。

关于降低黄连中重金属残留量的问题，可以从以下几个方面考虑：

（1）发展高质量黄连生态农业种植体系：首先，从源头入手，选择无重金属污染的土壤环境条件作为黄连栽培基地，从而控制黄连重金属的污染；其次，适当增加黄连种植生态系统的生物多样性，保证整体黄连生态系统的稳定性和安全性，这是降低黄连中重金属污染最理想的渠道。

（2）科学施用投入品：施用绿色肥料和天然肥料，降低化肥的施用，加大对黄连专用肥的研制，这样可以有效降低因施肥不合理造成的重金属元素富集，采用生物防治和农业综合防治的措施，减少黄连中重金属的来源途径。

（3）改进加工储藏技术：严禁使用重金属制品仓储熏腌剂，改进加工技术，最大限度的控制重金属的污染的发生。

（4）利用分子生物学技术手段减少重金属含量：通过微生物基因组工程、酶工程、代谢工程等技术构建适合于规模化降解重金属的工程菌，以进一步阐明微生物降解重金属的途径及机理，最终使受重金属污染的环境得到修复。

（5）发展更加快速、灵敏、高效、实用的重金属检测技术：制备适用于各种环境的检测仪器，进一步提高仪器灵敏度和分辨率，降低干扰，扩增检测范围，以便切实控制好黄连中重金属的含量，达到技术与生产相结合的目的。

（6）完善重金属限量标准等相关制度：建立与国际双向接轨的检测技术平台与限量标准，以期更好地控制黄连中重金属的含量，提高黄连药用质量，进一步确保黄连的临床用药安全。