基金项目：五峰土家族自治县中药产业十四五发展规划编制和技术服务(20212h0211) 作者单位:430070 武汉理工大学化学化工与生命科学学院[朱婷(硕士研究生)㊁胡心怡(硕士研究生)㊁闵欣怡(硕士研究生)㊁郑雅芹(硕士研究生)㊁刘霞]
作者简介：朱婷(1998-),2022级在读硕士研究生㊂研究方向：中药资源与质量评价研究,E⁃mail:sixtnn@163
通信作者：刘霞(1973-)，博士，教授㊂研究方向：中药资源与质量评价研究,E⁃mail:lrx1125@126
朱婷 胡心怡 闵欣怡 郑雅芹 刘霞
【摘要】 我国中医药发展历史悠久，中药材的品质关系到我国中医药的可持续发展㊂传统中药材与新一代信息技术的融合创新势在必然，面对中药材在生产流通各环节中可能出现的质量问题，建立起一套高效可靠的中药材溯源体系十分必要㊂随着仪器分析和分子生物学技术的发展，一些新的技术如中药指纹图谱㊁同位素示踪技术㊁条形码技术和射频识别技术等相继出现，被用于中药材的质量和来源鉴定㊁
数据转化以及信息存储㊂中药材溯源系统是实现我国中药材全过程监督管理的重要手段，该系统的建立依赖于物联网㊁区块链㊁DNA 条形码等关键技术，新兴技术与中药材溯源系统的结合也弥补了传统中药溯源的不足㊂本文总结以上技术在中药材溯源体系中的研究应用情况，概述目前中药材全产业链追溯标准规范和在此基础上的溯源系统开发，归纳分析已建立中药材溯源系统的部分省份的经典案例，并以吉林省为例分析目前中药材溯源体系的试点建设情况，对迄今为止存在的问题进行浅析并提出建议，为进一步在全国范围内推广㊁发展和完善中药材质量溯源体系提供参考㊂ 【关键词】 中药材; 溯源系统; 指纹图谱; 同位素示踪技术; 区块链; 物联网; DNA 条形码; 全产业链
【中图分类号】 R282 【文献标识码】 A doi:10.3969/j.issn.1674⁃1749.2023.03.004Analysis on the status quo of quality traceability system of Chinese medicinal materials ZHU Ting ,HU Xinyi ,MIN Xinyi ,ZHENG Yaqin ,LIU Xia
School of Chemistry ,Chemical Engineering and Life Sciences ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China
Corresponding author :LIU Xia ,E⁃mail :lrx1125@126
【Abstract 】 Traditional Chinese medicine (TCM)has a long history of development,and the
quality of traditional Chinese medicinal materials is closely related to the sustainable development of TCM.
Therefore,it is imperative for TCM and the new generation of information technology to be integrated and
innovative.In the face of possible quality problems in the production and circulation of TCM,it is
necessary to establish an efficient and reliable quality traceability system for TCM.With the development of instrumental analysis and molecular biology technology,some new technologies have emerged,such as TCM
fingerprint,isotope tracer technology,bar code technology and radio frequency identification (RFID)tech⁃nology,which are used for quality and source identification,data transformation and information storage of TCM quality standardization,data and information.The quality traceability system of Chinese medicinal materials is an important means to realize the whole⁃process supervision and management of Chinese
medicinal materials.The establishment of the system relies on key technologies such as the Internet of
Things,blockchain,DNA barcode,etc.The combination of emerging technologies and the traceability
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system of Chinese medicinal materials also makes up for the deficiency of the traceability of TCM.This
paper summarized the research and application of the above technologies in the quality traceability system of Chinese medicinal materials,outlined the current traceability standards and norms of the whole industry chain of Chinese medicinal materials and the development of the traceability system,and analyzed the classic cases of some provinces in China that have established the traceability system of Chinese medicinal materials.Taking Jilin Province as an example,the pilot construction of Chinese herbal medicine traceability system was analyzed.Finally,the existing problems were analyzed and suggestions were put forward to provide references for further promoting,developing and improving the quality traceability system of Chinese herbal medicine nationwide.
【Key words】 Chinese medicinal materials; Traceability system; Fingerprint; Isotope tracer technique; Blockchain; Internet of Things; DNA barcoding; Whole industrial chain
中医药的发展已有数千年的历史，中药材的品质关系到中医药的可持续发展㊂长期以来，中药材的
种植生产都处于 粗放式经营”的状态，中药材的产出主要来自散户种植以及大型种植基地㊂随着时代的发展和科技的创新, 粗放式经营”会导致产量与质量不能并存，显然已不再适用于中药材的种植生产㊂目前中药材质量参差不齐，来源可靠性缺乏，加工不够规范，中药产品以次充好㊁假冒伪劣问题频发，这些问题亟待解决与完善㊂因此，面对中药材在生产流通各环节中可能出现的质量问题，建立起一套高效㊁现代化的中药材溯源体系十分必要㊂
国际标准化组织(international organization for standardization,ISO)把 可追溯性”定义为通过登记的识别码，对商品或行为的历史和使用或位置予以追踪的能力，具有跟踪和溯源双向性的特点[1]㊂中药材溯源是指将中药材从源头到生产流通各个环节的信息都准确记录下来，相当于为每个药材建立自己的专属档案，是保证药材质量和用药安全的可靠手段[2]㊂十几年来，政府出台了多项中药材溯源体系相关的标准规范，各省市高度重视并领导本地区中药材溯源系统的建设与运行，从事相关领域研究的学者也为中药材质量安全提出自己的见解㊂中药材溯源体系主要围绕种植㊁生产㊁流通和消费这4个环节展开建设，能够迅速准确地到问题的源头并在对应的环节进行处理，最终实现中药 来源可知㊁去向可追㊁质量可查㊁责任可究”的目的㊂传统的中药材溯源系统在数据可靠性㊁信息安全性㊁隐私保护性等方面难以获取消费者的信任，而结合了新兴技术的溯源系统，既能保障中药材的质量，一定程度上降低用药风险，又能满足数据流通上广大利益相关者(如企业㊁经销商㊁消费者等)的需求㊂本文主要总结中药材溯源所用到的技术，探讨基于新技术的中药溯源系统的设计与构建方案，概述目前中药
材全产业链追溯标准规范和在此基础上的系统开发，并归纳分析已建立中药材溯源系统的部分省份的经典案例，针对目前存在的问题提出一些对策和建议，为中药行业的标准化管理㊁规范化监督㊁现代化发展提供参考㊂
1 新技术推进我国中药材溯源体系的发展与完善 中药材溯源体系构建是一个复杂且漫长的过程，需要用到多种技术和方法㊂其中，中药材质量鉴定是整个溯源体系中的物质基础，传统的鉴定方法有性状鉴定㊁显微鉴定㊁理化鉴定[3]等㊂随着仪器分析和分子生物学技术的发展，出现了一些新的方法用于中药材的质量和来源鉴定㊁数据转化以及信息存储，如中药指纹图谱㊁同位素示踪技术㊁条形码技术和射频识别技术(radio frequency identification,RFID)㊂这些技术从各个方面推进了我国中药材溯源体系的不断发展与完善㊂
1.1 中药指纹图谱
中药指纹图谱按测定手段可分为中药化学(成分)指纹图谱和中药生物指纹图谱㊂中药化学指纹图谱是指采用光谱㊁谱等分析方法建立的用以表征中药化学成分特征的谱图[4]㊂光谱较为常用的有红外光谱(IR)㊁紫外光谱(UV)㊁核磁共振波谱法(NMR)㊁质谱(MS)；谱常用的有薄层谱(TLC)㊁气相谱(GC)㊁高效液相谱(HPLC)和毛细管电泳(CE)[5]㊂其中HPLC指纹图谱应用最广，可以与红外光谱㊁质谱等联用，它不仅能够提供化学成分的数量和相对位置，而且能够提供各成分的相对含量，这些对
于鉴定中药材的真伪优劣至关重要㊂近年来，刘娟等[6]采用HPLC法对12批不同来源的川芎样品进行指纹图谱研究，并测定不同产地川芎药材中阿魏酸㊁洋川芎内酯A和藁本内酯的含
量㊂张慧文等[7]联合应用傅里叶红外光谱法(FTIR)和HPLC指纹图谱，考察4个产地6批次荜茇，分析荜茇的红外光谱，并建立荜茇的HPLC指纹图谱，结果显示两种方法对荜茇的评价结果相互印证，各批次荜茇的化学成分基本相同，质量稳定㊂任艳平等[8]建立了可同时测定矮地茶中10个成分(3个儿茶素类㊁4个黄酮㊁2个酚酸和1个异香豆素类)的HPLC⁃ESI⁃MS/MS分析方法，并用于不同于产地矮地茶药材的分析㊂中药化学指纹图谱技术的优缺点及应用见表1㊂
中药生物指纹图谱可以作为中药化学指纹图谱的进一步补充和完善手段，在中药材品种鉴定以及种质选育等方面发挥特殊作用㊂一直以来,DNA 指纹图谱在中药研究各领域都有较为广泛的应用，许腊英等[9]探讨了乌梅炒炭炮制前后的DNA指纹图谱特征，并发现不同产地的乌梅生品DNA指纹图谱一致；黄稳等[10]利用SRAP标记构建了不同种金腰的DNA指纹图谱，对24种共计36份金腰属植物进行了遗传多态性和聚类研究㊂中药生物指纹图谱技术的方法特点及应用见表2㊂
1.2 同位素示踪技术
同位素示踪技术的基本原理是不同产地来源的物种中同位素的自然丰度存在差异，可用于物种的产地鉴别㊂目前，该技术已广泛应用于食品领域的产地溯源[11]，在中药材溯源方面的研究虽然尚未普及，
但也在逐步发展中㊂卓鱼周等[12]通过对贵州省两个不同产地的朱砂微量元素含量和硫同位素组成分析后发现，不同产地朱砂具有不同的微量元素组成，同一产地样品微量元素相关性较好，证实了同位素示踪技术应用于中药材产地识别的可行性㊂
表1 中药化学指纹图谱技术的优缺点及应用
化学指纹图谱优点缺点应用
紫外光谱(UV)操作简单方便，检测成本低，无
污染㊂
仅能提供化学成分吸收峰
信息，不能定量分析㊂
可鉴别不同产地的中药，检测中药有效成分㊂
核磁共振波谱法(NMR)可定量分析，具有普适性，谱图与
植物品种对应关系准确㊂
仪器价格昂贵，灵敏度
较低㊂
可测定中药材初级和次级代谢产物，鉴别中药优
劣㊂已用于蒲公英㊁柴胡㊁火麻㊁人参㊁姜黄等分析
鉴定㊂
质谱(MS)可与谱联用，快速高效，选择性张力计算
好，高灵敏度，高精度㊂
重复性稍差，须严格控制
操作条件㊂
鉴定中药化学成分以及检测有害成分，用于中药代
谢组学研究㊂
薄层谱(TLC)鉴别中药最普遍最常用的手段，操
作简单，成本低，专属性强，显
全指向性麦克风
容易㊂
对生物高分子的分离效果
不理想㊂
薄层板上斑点有无可判别药材真伪，斑点的颜尺
寸可反映药材优劣㊂
气相谱(GC)样品用量少，检测灵敏度高，分析
速度快㊂
难以分析不易挥发和热不
稳定的物质，定性能力弱㊂
用于极性较小的成分以及挥发性成分的分析，目前
多用于川芎㊁当归㊁广藿香等中药材的分析㊂
高效液相谱(HPLC)分离效率高，选择性好，灵敏度高,
操作自动化，应用范围广㊂
成本高㊁分析时间长㊂
对复杂的中药提取物的分离和天然产物的定性效
果较好，对中药质量及稳定性进行评估，鉴别药材
真伪优劣㊂
毛细管电泳(CE)用样量少㊁简单快捷㊁成本低㊂重现性差㊂已用于中药鉴定以及化学成分分析㊂
表2 中药生物指纹图谱技术的特点及应用
生物指纹图谱常用方法特点应用
蛋白指纹图谱聚丙烯酰胺凝胶电泳法(PAGE)简便快速，样品用量小，高
通量分析㊂
进行不同药材品种的鉴别，并且可以判定
其是否混杂㊂
1.3 条形码技术
条形码技术是为实现信息自动扫描而设计的一种以图形方式存储数据信息的可靠手段[13]，主要包括一维码和二维码，其中二维码成本低㊁信息容量大且容错率高㊂中药材质量溯源不仅要追溯药材的产地，而且要记录并存储中药材流通各个环节的相关信息㊂这些信息本身不能通过扫描直接获得，需要一个特殊介质去承载，因此将条形码技术引入中药材质量溯源系统的构建㊂
DNA是遗传信息的直接载体，具有稳定性和高度特异性，不仅能用于质量检测，还可当作各种中药的 身份证”，用于中药材基原鉴定[14]㊂把中药材的DNA序列连同条形码技术做成DNA条形码，利用光电扫描设备识读这些中药材的DNA条形码，并将数据准确录入计算机后进行处理，从而实现药材在流通环节中的电子化识别和监督㊂中药指纹图谱也可通过加工处理后转化为二维码，使得中药质量二维码追溯技术有实现的可能[15]㊂
1.4 RFID
RFID是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信并对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写的自动识别技术，从而达到识别目标和数据交换的目的[16]㊂利用这项技术制成的RFID电子标签，可以用来记录并实时更新中药材生产流通过程中的各项信息，其安全性和较长的使用寿命为中药质量溯源提供保障㊂比起条形码技术,RFID拥有防水㊁防磁㊁耐高温㊁高效率㊁信息可重复使用㊁数据实时更新等优势㊂但这项技术成本较高，研究应用尚未成熟，在企业间推广有一定难度[17]㊂
2 基于关键技术的中药材溯源系统弥补传统溯源的不足
影响中药材质量的环节众多且过程漫长，包括从中药材的种子种苗㊁栽培种植㊁采收加工，到包装㊁运输㊁贮藏，再到最终的上市销售㊂中药材质量溯源体系框架包括正向追踪和反向追溯两方面：正向追踪主要由药材种植基地㊁检测机构和监督部门负责，对药材的生产过程进行管理；反向追溯主要
由监督部门和消费者进行，对药材质量进行分析并反馈出现的问题[18]㊂
中药材溯源系统的构建关键在于保证数据真实性的同时形成数据流通和闭环，传统中药材溯源存在信息内容不全面㊁数据交换缓慢㊁识别码不统一㊁无法实现资源共享和跨系统查询㊁产业各方信任难等问题㊂但随着物联网㊁区块链㊁DNA条形码等新兴技术的发展，以上问题得到了改进与完善：物联网技术采用无线传感器网络，能够实时获取真实的中药材各项信息，视频监控中药材的生长过程和环境状况；区块链技术因其可靠数据库㊁分布式台账㊁数据难篡改和去中心化等特点，让中药材溯源的信息存储㊁数据共享更加快速㊁高效和透明;
DNA条形码技术使得每个中药材拥有自己的 身份证”，可用于中药材种质资源评估和物种鉴定，有效防止中药材出现假冒伪劣混杂等质量问题㊂关键技术的进步不仅弥补了我国传统中药溯源的不足，推动中药材溯源体系的发展，而且促进了中药材产业的创新与改革㊂
2.1 基于物联网的溯源系统
基于物联网的溯源系统主要组成部分有中药材种植物联网子系统㊁中药材产地溯源子系统㊁中药材经营企业子系统㊁中药材专业市场子系统㊁中药材饮片生产溯源子系统㊁中药材饮片经营溯源子系统㊁中药材饮片使用环节溯源子系统[19]㊂
借助物联网㊁无线传感网络㊁移动通信网络技术在中药材的种植田间建立智能感知系统，实时监测空气温湿度㊁土壤水分及温度㊁太阳辐射㊁风速风向和雨量等信息[20]㊂收集到的田间种植信息通过系统处理后到达监控终端，利用专家系统来进行灌溉控制㊁辅助施肥，采取云计算㊁统计分析等手段，对中药材的生长情况和种植环境信息进行综合处理，最终相关人员可在监控中心或者移动设备上查看[21]㊂基于物联网中药材追溯综合服务系统主要包括无线传感器设备㊁灌溉控制设备㊁视频监控终端和物联网综合支撑服务平台㊂见图1㊂
物联网各个设备都有其不可替代的功能，各司其职的同时相互合作㊂基于物联网的中药材溯源系统为中药材的生产种植提供智能感知㊁智能传输㊁智能管控㊁智能预警与专家系统等服务[22]，基本实现了中药材全过程的追踪溯源，为提升中药材的品质提供切实保障㊂见表3㊂
2.2 基于区块链的溯源系统
区块链，简而言之，就是一个又一个区块组成的链条㊂每一个区块中存储了一定的信息并按照各自产生的时间顺序连接起来㊂整个链条被保存在所有的服务器中，只要系统中有一台服务器可以工作，整条区块链的安全性就有所保障[23]㊂区块链
图1 基于物联网的中药材溯源系统模型
核桃清洗机表3 物联网设备及其功能介绍表设备功能
土壤水分传感器长期埋在土壤内测定浅层和深层的土壤墒情，获取相应的土壤水分指标与参数㊂土壤温度传感器反映土壤温度，测温范围-40℃~120℃㊂
投币器
光照传感器检测光照强度，依据测量场所设置量程㊂
风速风向传感器测量风速和风向，可安装到机器人㊁汽车等设备上观测㊂
灌溉控制设备测定中药材环境参数，全自动化实施灌溉控制㊂
技术作为一种分布式账本数据库，两大核心特点显而易见：数据难以篡改㊁去中心化㊂它具有数据隐私保护㊁安全性高㊁可追溯等明显的技术优势，以密码学方式确保数据的不变性和完整性，且无需第三方信任[24]㊂
中药材质量溯源体系要在种植㊁收购㊁贮藏㊁运输㊁加工等多个环节建立中药材的质量溯源指标，监管部门建立中药材各环节质量的监管溯源指标[25]㊂运用物联网进行溯源环节的各项基础数据信息采
集，直接记录存储在各个区块中，建立如图2所示的中药材溯源系统，来实现各个环节的质量溯源以及对各环节的监管㊂
基于区块链技术的中药材质量管理和追溯体系主要包括6个核心区块，分别是：种植区块㊁收购区块㊁贮藏区块㊁运输区块㊁加工区块和监管区块[23],6个区块分别记录的详细信息见表4㊂区块链技术的应用能在提高溯源效率的同时保证溯源结果的真实性㊂目前，中药材质量溯源体系已成为区块链技术的重要应用方向，一些公司已经启动了试点项目，在各大行业中实施区块链技术㊂
2.3 基于DNA条形码的溯源系统
种子种苗是中药材生产的源头，保证中药材种子种苗的优质是中药材溯源系统构建的首要任务㊂
当种子种苗极其细小㊁来源复杂且难以辨认㊁鉴定
困难时,DNA条形码技术不依赖种子种苗的外形特
征，具有取样少㊁操作简便㊁准确性高等优势，比起
其他技术，更加适用于中药材种子种苗的鉴定[26]㊂基于数据丰富的中药材DNA条形码数据库，可对中
药材种子种苗和市售中药材进行准确鉴定，从而保
证种质资源和上市药材的优秀㊂物种鉴定正确的
种子种苗用于生产种植，将种子种苗的有关信息及
其对应的DNA条形码录入数据库，并持续追踪中药
材的种植㊁加工㊁运输㊁贮藏㊁销售等过程，可在中药
材生产的各个环节中追溯中药材及其DNA条形码
序列信息[27]，保障了中药材的品质和安全㊂
在建立中药材溯源系统过程中，将中药材流通
环节中的参与者分为7种类型，分别是：种子种苗提
供商㊁种植户㊁生产加工商㊁经销商㊁消费者㊁监管人
员及中药材溯源系统后台管理人员[28]㊂针对不同类型的用户以及中药材溯源基本流程进行功能需求
分析，见表5㊂溯源系统主要有以下功能：中药材种子种苗提供商可以通过该系统提交种子种苗相关信息及其DNA条形码；消费者可以通过该系统追溯中药材的源头㊁生产㊁加工㊁贮藏等情况；生产加
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