中药材溯源技术现状及前景分析

摘要:为进一步完善溯源体系的建设，分别从信息采集方式、信息存储方式及追溯范围等方面剖析目前溯源体系中的全过程溯源技术和产地溯源技术。其中，使用广泛、成本适中的为物联网溯源技术；以区块链为主的新溯源技术溯源效果更好，但开发成本偏高。未来可以将物联网技术与区块链这类新兴溯源技术结合起来使用，让新技术作为其他溯源技术的二次溯源补充，提高溯源结果的可信度；同时，可以用产地溯源技术辅助验证溯源链条的真实性。

我国土地资源和种类较为丰富且环境气候类型多样，中药材种类繁多，产地分布较广。中药材从其栽培、采收、加工、运输，再到中成药物的研发、生产、经营等环节繁多。每个环节都会不同程度地影响最终药品的质量，而中药材的质量与临床用药的安全性和有效性关系最为密切。若没有安全可靠的溯源系统，一旦发生中药材药品质量事件，将无法快速精准地定位成品所涉及药材的产地、生产、流通信息，并展开质量关联性分析。这将严重影响到我国中药市场的高质量发展^[1,2]。笔者通过对目前已经在中药材质量溯源体系中使用的溯源技术进行分析和对比，旨在对比不同技术的优势和劣势，从而对我国中药材溯源系统的合理构建提出参考性建议。

1 政策导向

2015年至今，国家中医药管理局等多部门发布《中药材保护和发展规划（2015—2020年）》《全国道地药材生产基地建设规划（2018—2025年）》等多个规划意见，全都着重强调了药材溯源的重要性。《中华人民共和国中医药法》也明确提出建立中药材流通追溯体系，鼓励发展中药材流通体系；《药品管理法》明确生产经营企业应当建立、实施严格的追溯制定；《药品生产监督管理办法》详细指出药品生产企业应建立并实施药品追溯制度，赋予各级销售包装追溯标识，采用信息化手段实施药品追溯，并向药品追溯协同服务平台提供追溯信息。由此可见实现从药材到饮片，再到成品的全过程可追溯已成为大势所趋，构建溯源体系势在必行。

2 国家中药材质量溯源系统建设现状

目前国内中药材质量溯源体系的建设具有明显的区域化特征，各地都在建设自己的质量溯源系统。以安徽亳州为例，亳州市拥有目前国内最大的中药材交易市场。为了保证市场内中药材的质量，亳州市于2009推出了“亳州市中药材质量安全追溯系统”。企业可以通过直接使用该系统或者向该系统推送数据的方式提交溯源数据，实现了对中药材产业链的溯源，同时可以促使当地企业提高中药材质量，完善对产业链的管控。除了安徽亳州以外，四川成都、广西玉林及河北安国等地均建设了中药材溯源系统。由此可见，中药材质量溯源系统在国内的建设是呈区域化的。
国内中药材质量溯源体系建设的另一个特征是：不同溯源系统所使用技术不一，从而产生的差异化较大，主要表现在可溯源范畴、功能、数据的获取及存储方式等方面。可溯源范畴和功能的差异主要体现在系统是否只应用于中药材流通领域，是否涵盖上游种植、饮片加工及下游产品的追溯；数据获取方式的差异主要体现为数据通过技术手段自动采集，或由人工录入；数据存储方式的差异体现为存储在二维码中，或统一的数据库中，或分布式的区块链中。

3 溯源技术现状分析

随着技术的进步，中药溯源技术也经历了一次又一次的更新。根据溯源数据的采集方式和溯源范围，溯源技术可以从两个不同的维度进行分类。（见图1）根据数据采集方式的不同，溯源技术可以分为人工录入和自动录入两类。其中人工录入包括二维码溯源技术、区块链溯源技术等；自动录入包括窄带物联网（NB-Io T）、射频识别（RFID）等技术。根据溯源范围，溯源技术可以分为源头追溯和全过程追溯。其中源头追溯包括同位素溯源技术、中药质量标志物（quality marker,Q-Marker）溯源技术等；全过程溯源包括二维码溯源技术、区块链技术、NB-Io T、RFID等。

图1 溯源技术区别

3.1 全过程溯源技术

全过程溯源主要依靠溯源系统使用者主动上传数据实现。数据的采集、读取、储存等主要涉及以下技术。

3.1.1 二维码溯源技术

二维码溯源是一种信息的记录和读取技术：将中药材的种植、生产、加工等信息通过二维码的方式记录下来打印到药材的外包装上。扫描药材包装袋上的二维码可获取该药材生产全过程信息。二维码溯源成本低，不需要昂贵的设备，且在种植、饮片加工、成品流通等各个阶段的实施和查询都较为便捷，但存在易被仿制的弊端。

3.1.2 NB-Io T溯源技术

NB-Io T技术具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本的四大优势^[3]，解决了传统物联网存在的技术碎片化、覆盖不足的问题^[4]。采用NB-Io T技术，可以将监测设备，包括温度、湿度、风力、位置、摄像头等传感器设置在种植基地旁，将药材生长及农事活动等数据，实时采集并传输至系统终端。基地监控终端可设专人实施监管，通过温度、湿度等信息指导农事活动，及时纠正规范行为，最大限度地利用信息的即时性提升药材种植质量。
采用NB-Io T可实现多处、异地的中药材种植监控，降低实地巡查的频次，节约差旅费用；且NB-Io T可降低种植端的人力操作，更容易为广大种植农户所接受。但由于其低功耗和直接部署在移动网络环境的特点，一次只能传输少量数据，导致数据传输会有一定的时延，同时还需要向运营商支付运营费用；传感器的覆盖面积有一定的限制，面积较大的种植地块，可能需要设置不止一台传感终端才能覆盖；在种植轮作时，种植户需要实施终端传感设备的迁移。对于药材基地来说，设备的购买、迁移、运维等费用也是需要列入考虑的范畴。

3.1.3 RFID溯源技术

RFID技术是一种信息的读取技术，其工作原理为：当标签经过阅读器时，受阅读器的射频信号影响生成感应电流，依靠感应电流获得的电能将存储在标签芯片内的信息向外发送，阅读器收到信息并解码后提交至数据管理端进行进一步处理^[5]，从而实现标签的读取功能。（见图2）常见的应用有门禁卡、电子芯片、电子标签等。RFID溯源的实现方式是：给被监测的药材贴上电子标签，当电子标签经过各个环节的标签阅读器时系统就会记录对应的信息。RFID标签的芯片具有唯一编码无法被仿造，因此RFID标签的安全性极高。使用该技术可以将药材的生产、加工、包装、运输等环节的信息记录到系统中作为溯源的数据，实现药材加工生产全过程的质量可溯。

图2 RFID工作原理

3.1.4 NB-Io T与RFID对比

使用RFID技术可以高效地对药材生产加工等过程进行监测溯源，但是无法追溯药材源头的可靠性，无法确定药材种植全过程的操作是否合规，如果药材源头出现问题同样会对药品质量产生不小的影响。使用NB-Io T技术可以对固定区域的药材种植全过程进行监测，包括每天，甚至是每小时的环境信息及种植者的操作；但是对于有产品流转的加工生产环节，尤其是运输环节的监测效果就不是很好。
NB-Io T技术侧重于药材种植阶段，而RFID技术侧重于药材的加工生产阶段。单用其中任何一项技术都不能实现对药材从种植到销售的全过程的监测。因此，将两个技术有机串联结合起来：使用NB-Io T技术监测并记录药材从种植到采收的全过程，使用RFID技术监测并记录药材的生产、加工、运输以及出入库等信息，方能实现对中药材的全流程监测溯源，保证药品质量安全。

3.1.5 区块链溯源技术

区块链溯源是使用区块链技术进行药材溯源信息的储存^[6]。区块链由多个有序的“区块头+区块体”结构串联而成。（见图3）其中区块头中存放着上一区块的哈希值、时间戳等信息；区块体中存放着该区块的数据信息。每个区块的哈希值是由“区块头+区块体”的数据拼接后使用SHA256加密算法计算得出，加之每一个区块都包含着上一区块的哈希值，并且每当新增区块或者读取链条上的数据时都会对该链条的哈希值进行校验，验证不通过就无法进行操作。这样就能很好的保证一条链上的信息不被修改，若其中有一个区块信息被修改就无法通过下一个区块的验证。同时，区块链还具有不能删除的特性，所有的操作都会留痕，因此区块链中存放的信息安全性非常高。
使用区块链技术进行溯源，不会过度依赖实体服务器，既可以做到去中心化又可以兼顾安全性，但是对于技术层面的要求会比较高。

图3 区块链结构图

3.2 产地溯源技术

3.2.1 同位素溯源技术

同位素溯源是通过鉴别中药材稳定同位素的差异来实现溯源产地的^[7]。同位素是指具有相同的质子数、不同的中子数的同一种元素的不同核素。处在不同生长环境下的药材中同位素的比值会有所不同，从而可以通过这个比值对药材进行溯源。
付海燕等^[8]采用同位素溯源技术对国内6个产地的白术开展产地溯源研究，结果表明同位素溯源技术能够对不同产地的白术进行区分。MATTEO P等^[9]研究了意大利、伊朗、摩洛哥3个产地藏红花的同位素比值，结果显示使用同位素溯源技术可有效区分这3个产地的藏红花。康露等^[10]采用锶稳定同位素比值结合7种元素建模对红枣产地进行溯源研究，结果表明同位素溯源技术能有效区分。不同产地的红枣同位素溯源技术进行产地溯源的精度很高，使用该方法可以对药材地质土壤和地理环境差异较大的产地进行准确的定位；对于产地的地理位置相近或气候及土壤类型相同或相近的药材，则不能完全区分^[11,12,13]。
目前，同位素溯源技术在中药材产地研究中仍处于起步阶段^[14]，虽然使用该技术对中药材进行产地溯源已有应用，但从具体研究不难看出其主要是围绕名贵中药材开展，且研究的药材往往是从几个较小的范围内进行选择。这样得出的研究结果会存在一定的偶然性与误差，后续的研究应尽可能收集被研究药材所有产区的样本，进一步精准挖掘被研究药材的产地同位素特征规律。

3.2.2 中药质量标志物（Q-Marker）溯源技术

中药质量标志物（Q-Marker）的概念由刘昌孝院士^[15,16]提出。该技术是将成品药材与产地植株中的某些特定的化学成分进行比对从而达到对药物进行溯源的目的。宫瑞泽等^[17]使用Q-Marker方法对市面上流通的鹿茸进行研究，结果表明γ-氨基丁酸等数据的检测结果可以实现对鹿茸的基源、品种等的溯源。谭小娟等^[18]使用该方法对45批不同产地与炮制法的白术进行研究，结果表明该技术可以快速精准地识别所不同产地和炮制方法的白术。赖鑫^[19]对16批不同产地、不同种质、不同年限的川牛膝进行研究，结果显示单糖、滨蒿内酯等指标在不同产地以及不同年限之间具有显著差异，可以作为鉴别标准。赵秋龙^[20]对四川、河北等5个主要产地的白芍、不同产地的牡丹皮及不同产地的茯苓进行研究，成功确定出具有显著性差异的指标，可以用于产地溯源。
该方法的优势在于获得的成品药材的化学成分非常精确，通过比对后得出的品种、产地也会比较准确，对临床研究和使用具有非常好的效果；该方法应用的难点在于需要通过反复多次实验，系统地辨识中药形成过程中各环节化学物质组及传递变化的规律，使用在此基础上得出的结果进行比对，才能获得精确的结果。

4 溯源技术分析与前景展望

以上为目前较为常见的溯源技术，其中使用最为广泛的为物联网技术。其开发、部署、推广的成本与溯源效果等相较于其他技术是比较适中的。而以区块链为主的新溯源技术虽然溯源效果好，但技术门槛、开发成本及推广成本都偏高。这些新技术可以作为未来继续深入研究的一个方向，或者作为其他溯源技术的二次溯源补充，从而提高溯源结果的可信度。比如：在物联网溯源的基础上将每个流程的信息作为一个区块按照顺序添加至一条区块链上，这样一来每一条链都是一个药材的溯源链，物联网技术可以快速保存信息，区块链技术可以保证全流程的信息不被修改，每次查询时先进行区块链的校验，校验通过后方可查询由物联网设备收集上传的信息。
相较于全过程溯源技术，源头溯源技术更适用于辅助验证溯源链条的真实性。生产加工企业可以对种植基地提供的药材使用源头溯源技术进行抽检，将抽检结果与全过程溯源信息进行对比，进一步确定中药材全过程溯源信息的真实性和准确性，打击以次充好的行为。监管部门同样可以使用该方法对企业进行定期抽检，确保原材料的品质，遏制违规行为。
未来在这些技术的配合下，中药材溯源一定能实现预期目标，同时保证饮片及中成药的安全，真正实现从源头控制质量。