基于改進層次分析法的靈芝品質安全綜合評價

王民敬，裴海生，孫君社，譚曉妍，張秀清，孫 恬，劉鳳松，許璋陽，楊 玥，陳 洲

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基于改進層次分析法的靈芝品質安全綜合評價

王民敬1，裴海生1，孫君社1※，譚曉妍2，張秀清2，孫 恬3，劉鳳松3，許璋陽1，楊 玥1，陳 洲1

（1. 農業部規劃設計研究院，北京100125； 2. 中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083；3. 無限極（中國）有限公司，廣州 510623）

中藥材是中醫藥事業傳承和發展的物質基礎，靈芝是中國傳統的中藥材。該文通過改進的層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）對靈芝質量安全進行綜合評價，為靈芝種植“安全有效、質量可控”提供借鑒。根據中藥材質量安全標準，基于樣本波動大小和改進的AHP法，計算得到靈芝子實體質量安全指標（多糖、Pb、As、Hg、Cd）的權重；應用AHP綜合加權指數法對關鍵生長期（4層、5層、6層）、典型種植區域（武夷山、長白山、大別山）靈芝子實體質量安全指標風險水平進行評價，并與目前廣泛應用的內梅羅指數法計算得到的綜合風險指數進行對比。結果表明：靈芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5種質量安全指標單項風險指數大致規律為：Cd>Hg>多糖>As>Pb，均低于中藥材質量安全風險水平。改進AHP法得到靈芝質量安全風險指數范圍是0.2376～0.7598，小于1，為安全級，內梅羅法得到的風險指數范圍是0.2579～0.7292，也為安全級，2種方法比較總體差別不太明顯，分析認為質量安全指標權重大的指標多糖、Hg、Cd，其單項風險指數也大。為了進一步對比2種方法優劣，將單項風險指數較大、權重較大的質量安全指標Hg、Cd分別跟單項風險指數較小、權重較小的質量安全指標Pb、As調換，對人體危害較大的質量安全指標Hg和Cd單項風險指數降低，對人體危害較小的Pb和As單項風險指數升高，結果顯示綜合質量安全風險指數顯著降低，降低幅度達68.03%，采用改進AHP的加權綜合指數法比內梅羅指數法更能準確反映靈芝質量安全風險狀況。該研究不僅對靈芝質量安全評價具有較高借鑒價值，也為靈芝種植“產前、產中、產后”全程控制提供支撐。

多糖；重金屬；質量調控；靈芝；改進AHP；內梅羅指數；加權綜合指數

0 引 言

中藥材是中醫藥事業傳承和發展的物質基礎，是關系國計民生的戰略性資源[1]。靈芝作為中國傳統的中藥材，是食藥兩用真菌，發展歷史源遠流長。目前，靈芝生產周期長、耗時多；資源消耗大、效率低；標準缺乏、管理粗放、質量安全監控難；綜合利用低、高附加值產品開發薄弱。因此，確保靈芝產品“安全有效、質量可控、價值提升”已成為該行業急需解決的課題[2-4]。

本文重點研究靈芝質量安全評價，目前中國靈芝質量安全監控難，表現在質量安全評價以結果檢驗為主，還未實現生產過程控制[5-7]。中國尚缺乏靈芝中功效成份、有害物質殘留的檢測技術規范、限量標準及相關的數據庫，還未全面地對可能的風險來源進行分析和監控[8]。多糖是靈芝主要功效成分中具有生物活性的指標[9-10]，是企業生產中重點關注的指標。重金屬污染是當前靈芝生產中亟待解決的重要問題[4]。《中華人民共和國藥典》（簡稱《中國藥典》，2015年版[11]）和中國中藥材標準[12]中對多糖和重金屬鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）有明確標準要求。

本文選取武夷山、長白山、大別山仿野生道地段木靈芝樣本，綜合考慮功效成分和有害物質權重，選擇代表性指標靈芝多糖、重金屬（鉛、砷、汞、鎘），探討靈芝質量安全綜合評價方法，質量安全綜合評價及分級研究方面，主要集中在產地環境，尤其對土壤質量安全評價及分級研究較多[13-15]，有研究將土壤肥力和重金屬污染進行綜合評價[16]。在分級標準方面，按照有機、綠色、無公害等標準對農產品產地環境進行分級[17]。

目前，中國普遍將內梅羅指數法用于評價重金屬對土壤[18]、農產品[19]質量的影響。加權綜合指數法可揭示不同質量安全指標之間的關聯性，評價結果更靠近質量安全指標的真實情況[20]。加權綜合指數法各質量安全指標權重的確定是關鍵，應盡可能體現科學性和客觀性[21]。通過構建基于3標度的改進層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）風險指標的比較矩陣，確定重金屬污染物權重，值得借鑒[19]。

本文基于AHP綜合加權指數法對靈芝關鍵生長期（4層、5層、6層）、典型種植區域（武夷山、長白山、大別山）質量安全指標（多糖、Pb、As、Hg、Cd）權重確定，利用加權綜合評價方法評價，并與目前廣泛應用的內梅羅指數法計算得到的綜合風險指數進行對比，為靈芝種植產前、產中、產后全程控制提供支撐。

1 材料與方法

1.1 取樣與分析方法

選取段木靈芝品種，在靈芝生長關鍵期（4層、5層、6層）和成熟采摘期，選取武夷山區、長白山區、大別山區典型區域，每個區域隨機選取2～3個基地。其中，關鍵生長期（4層、5層、6層）靈芝子實體樣本采自武夷山區。

依據NY/T 1676-2008標準，用水提方法測定靈芝多糖，60目粉碎過篩[22]；依據《中國藥典》2015版[11]鉛、鎘、砷、汞測定法，采用原子吸收分光光度計法進行測定。

1.2 評價方法

1.2.1 單項風險指數法

式中IP為質量安全指標單項風險指數；C為質量安全指標樣本實測值，mg/kg；S是標準規定的靈芝質量安全指標值，mg/kg。若為正向指標，則C與S位置互換。IP<1則表明安全，IP>1則表明不安全，數值越大，說明該項質量安全指標風險越大。

1.2.2 內梅羅指數法

式中為質量安全指標綜合風險指數；(C/S)max為質量安全指標風險指數的最大值；(C/S)ave為質量安全指標風險指數的平均值。

1.2.3 加權綜合指數法

式中ICP是綜合質量安全指數；W是某種元素的權重系數。

1.3 基于改進AHP確定質量安全指標權重

運用AHP法構造判斷矩陣，若評價指標較多時，采用1～9標度法易使判斷過程出現復雜性、模糊性，造成判斷矩陣不易通過一致性檢驗[23]。基于AHP法，研究人員設計出3標度法[24]，此方法易被專家和決策人員接納。3標度法分為3個步驟，首先利用大家熟知的（0,1,2）對每一個指標進行兩兩比較，構建比較矩陣=(b)×，計算各指標排序指數。本文b根據中國中藥材質量安全標準中各指標值的相對大小：

其次將構建的比較矩陣轉化為判斷矩陣。計算，按每列求和，利用公式（1）計算判斷矩陣。

（1）

式中max=Max{r}，min=Min{r}，b=max/min。

最后通過判斷矩陣求出指標最大特征值、特征向量，并且進行一致性檢驗。

1.4 質量安全指標權重的確定

已有研究表明靈芝質量安全指標的篩選按照“關鍵性、關聯性、系統性”原則，可實現“少信息、多指標”目標[25-26]。根據靈芝質量安全研究現狀和企業生產實際，本文選定靈芝多糖、4種重金屬（Pb、As、Hg、Cd）為質量安全指標。在利用3標度法構造比較矩陣時，依據中國中藥材標準中質量安全指標在中藥材中的限量值定義b（見公式（2））。由于靈芝多糖和重金屬屬于不同類別質量安全指標，一般希望靈芝多糖含量越高越好，重金屬含量越低越好，不過在實際生產中需要兼顧靈芝多糖和重金屬含量。

綜合上述分析，本研究按照改進AHP法，對于同類的重金屬指標，其標準限量值低，則對應的指標權重越大，則Hg>Cd>As>Pb；對于不同類指標（多糖與重金屬）權重確定，借助實際樣本值波動情況（樣本典型代表性和樣本數量選取重要）以及企業生產需要確定。

1）指標波動分析

以靈芝子實體質量安全指標波動情況為例，波動大小為Cd>Hg>多糖>As>Pb，其中Cd波動最大，波動區間為[0.063, 3.210]；其次為Hg，波動區間為[0, 1.055]；第3為多糖，波動區間為[0.308 0, 0.549 5]；第4為As，波動區間為[0.061, 0.244]；Pb波動最小，波動區間為[0, 0.179]。見表1，圖1。

2）指標權重確定

按指標波動情況分析，質量安全指標權重大小排序為：Cd>Hg>多糖>As>Pb；按同類指標改進AHP法，質量安全指標權重大小排序為：Hg>Cd>As>Pb。兩種方法比較，Cd和Hg排序有變動，考慮樣本數量及取樣點存在一定差異，總體規律一致。

表1 段木赤靈芝子實體質量安全指標波動情況

a. 多糖

a. Polysaccharides

b. Pb

c. As

d. Hg

e. Cd

圖1 靈芝子實體樣本多糖和重金屬含量分布情況

Fig.1 Content distribution of polysaccharides and heavy metals onfruiting body samples

綜合考慮，質量安全指標權重排序為：Hg>Cd>多糖>As>Pb。見表2。

表2 中藥材質量安全指標標準值

注：按照權重越大參照值越小原則。

Note: According to principle of the larger weight the smaller reference value.

其中，指標兩兩比較按照多糖、鉛、砷、汞、鎘排序。

利用構造的比較矩陣，求出判斷矩陣（見公式（3））。

根據改進的AHP法，靈芝質量安全指標權重為W=[0.129 0, 0.033 3, 0.063 4, 0.512 8, 0.261 5]，（為1～5，代表多糖、Pb、As、Hg、Cd）。一致性檢驗（=0.053 0<0.1）表明，所構建的判斷矩陣滿足要求，可以通過一次性檢驗。

2 結果與分析

2.1 采樣結果分析

以武夷山靈芝產區為例，在子實體發育過程中，關鍵生長期的4層、5層和6層，子實體質量分別遞增30%（從4層到5層）和20%（從5層到6層）。從多糖得率來看，6層比4層增加4.5%。重金屬（Pb、As、Hg、Cd）含量隨著層數的增加而增加，6層時4種重金屬含量最高。綜合考慮各層子實體的質量和多糖得率、重金屬質量分數等因素，建議靈芝生長到5層時采收為宜。

不同地區靈芝子實體收獲后，樣品多糖質量分數范圍為2.91%～4.39%。武夷山區靈芝多糖質量分數最高，平均值為4.17%；大別山區次之，多糖質量分數平均值為3.1%；長白山區最低，多糖質量分數平均值為2.95%。不同地域和不同菌種的靈芝子實體多糖含量有差異。

對不同地區靈芝子實體重金屬（Pb、As、Hg、Cd）分析，所取樣本值均低于中國中藥材重金屬限量標準[12]。具體來說：對于重金屬Pb，大部分樣本Pb質量分數在0.5 mg/kg范圍內，幾個Pb 含量較高的樣本為長白山靈芝和武夷山靈芝，但均低于國家限量標準（5 mg/kg）；對于重金屬As，大部分樣本As質量分數在0.1～0.3 mg/kg范圍內，幾個As 含量較高的樣本為長白山區靈芝，低于中藥材國家限量標準（2 mg/kg）；對于重金屬Hg，大部分樣本Hg質量分數在0.1 mg/kg范圍內，幾個Hg含量較高的樣本為長白山靈芝，均低于國家限量標準（0.2 mg/kg）；對于重金屬Cd，武夷山區靈芝子實體樣本Cd質量分數分布在0.15 mg/kg附近，樣本平均值為0.12 mg/kg，長白山區和大別山區靈芝子實體Cd質量分數分布在0.25 mg/kg左右，除個別樣本超標，總體都低于中藥材標準對Cd的限量標準（0.3 mg/kg）。

2.2單項指數評價結果

由表3可知，不同類別（關鍵生長期、種植區域）靈芝子實體5個質量安全指標單項指數IP值均小于1，與中國中藥材標準比較可知，靈芝子實體樣本中多糖、Pb、As、Hg、Cd質量分數都符合中國中藥材標準。

靈芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5種質量安全指標單項指數IP值大致規律為：Cd>Hg>多糖>As>Pb。按照靈芝關鍵生長期分析，各指標質量安全風險按4層、5層、6層遞增的趨勢，多糖、Pb、As、Hg、Cd風險分別增加43.03%、210.38%、32.32%、37.70%、387.50%，重金屬Cd風險增加尤為顯著，其內在規律值得深入研究。按照靈芝不同種植區域分析，武夷山區靈芝質量安全風險最小，大別山區和長白山區重金屬Cd質量安全風險較大，接近質量安全指標限量值，仍為安全級。

表3 靈芝單項風險指數評價結果

注：4層～6層為武夷山區靈芝樣本均值單項指數法計算所得。

Note: Calculation of average single index method for from 4 to 6 layer ofin Wuyi mountain area.

2.3 靈芝質量安全綜合評價

靈芝質量安全風險綜合考慮多糖和重金屬，權重按前述方法計算得到，分別采用內梅羅指數法和改進的AHP法評價靈芝質量安全風險，見圖2。

由圖2可知，改進AHP法得到靈芝質量安全指數范圍是0.2376～0.7598；內梅羅法得到的指數范圍是0.2579～0.7292，總體差別不太明顯。分析認為質量安全指標權重大的指標多糖、Hg、Cd，其單項指數也大。以大別山靈芝為例，改進的AHP法得到的質量安全指數為0.641 6，內梅羅綜合指數得到的指數為0.709 6，風險降低9.58%。

為了區別兩種方法優劣，作如下假定：將長白山靈芝質量安全指標Pb（鉛）、As（砷）、Hg（汞）和Cd（鎘）的單項風險指數相應調換，見表4，多糖的單項風險指數不變。利用2種方法對變化后的長白山靈芝質量安全進行綜合評價。表明內梅羅綜合指數法的評價結果不變，而改進AHP法評價結果差異明顯，見圖3。

表4 調整前后長白山靈芝子實體單項指數評價結果

以4種重金屬（Pb、As、Hg、Cd）為例，將單項風險指數較大、權重較大的質量安全指標Hg和Cd分別與單項風險指數較小、權重較小的質量安全指標Pb和As對調，對人體危害比較大的Hg和Cd的單項風險指數降低，對人體危害比較小的Pb和As（或者是對人體內必需元素的Zn和Cu，更能說明問題，本文只涉及對人體危害較大的上述4種重金屬）的單項風險指數升高，結果顯示綜合質量安全風險指數顯著降低，降低幅度達68.03%。反之，對于單項風險指數比較小、權重比較大的情況，則質量安全風險指數提高。改進的AHP法的加權綜合指數法評價結果符合這一結論，能客觀、真實反映質量安全風險程度，而內梅羅評價結果具有虛假性。

從表5可知，基于改進AHP加權綜合指數法得到的靈芝質量安全風險指數具有如下特點：1）從靈芝關鍵生長期看，4層到6層靈芝質量安全風險呈現遞增現象，6層>5層>4層，6層靈芝比4層靈芝風險提高67.39%，在質量安全方面需要綜合考量。2）作為中國道地靈芝主產區，武夷山區靈芝質量安全風險最低，長白山區和大別山區靈芝質量安全風險較大，不過仍處于安全級。

表5 靈芝質量安全綜合指數比較

當前中國大健康產業快速發展，消費者的質量安全意識不斷提升，消費觀念從單純追求數量到“質與量”并重，更關注產品的質量安全水平。所以，對靈芝質量安全風險評價時，不單純評價多糖等功效成分的風險水平，還要考慮重金屬等有害物質的風險水平，在確定權重時，要兼顧“功效成分和有害物質”的關系。

隨著中國中藥材標準體系的逐步完善，功效成分、重金屬、農藥殘留、塑化劑等質量安全標準越來越嚴格，靈芝產業應當提早謀劃，利用“互聯網+”等現代技術手段和平臺，建立“產前、產中和產后”的全程質量安全管控體系，確保靈芝產業健康可持續發展。

3 結 論

利用改進AHP法獲得的權重系數可以揭示靈芝質量安全指標不同指標之間的內在聯系。

研究表明：1）靈芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5種質量安全指標單項指數大致規律為：Cd>Hg>多糖>As>Pb，均低于中藥材質量安全風險水平；2）改進AHP法得到靈芝質量安全指數范圍是0.2376～0.7598，內梅羅法得到的指數范圍是0.2579～0.7292，總體差別不太明顯，分析認為質量安全指標權重大的指標多糖、Hg、Cd，其單項指數也大；3）為了進一步對比兩種方法優劣，將單項風險指數較大、權重較大的質量安全指標Hg（汞）、Cd（鎘）分別跟單項風險指數較小、權重較小的質量安全指標Pb（鉛）、As（砷）對調，對人體危害較大的質量安全指標Hg（汞）和Cd（鎘）單項風險指數降低，對人體危害相對較小的Pb（鉛）和As（砷）單項風險指數升高，結果顯示綜合質量安全風險指數顯著降低，降低幅度達68.03%，采用改進AHP的加權綜合指數法比內梅羅指數法更能準確反映靈芝質量安全風險狀況。

建議在今后研究中參考中藥材商品規格等級標準，以中藥的臨床療效為其質量標準的重要準繩，對靈芝生產過程質量安全分級管控，針對不同質量安全等級標準，面向不同市場消費者，細分市場，實現優質優價，促進靈芝產業健康、可持續發展。

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Comprehensive evaluation on quality and safety ofbased on improved analytic hierarchy process

Wang Minjing1, Pei Haisheng1, Sun Junshe1※, Tan Xiaoyan2, Zhang Xiuqing2, Sun Tian3, Liu Fengsong3, Xu Zhangyang1, Yang Yue1, Chen Zhou1

(1.,100125,; 2.,,100083,; 3.().,, 510623,)

Traditional Chinese medicine is the material basis for the inheritance and development of traditional Chinese medical science, it is a strategic resource in the national economy and people's livelihood., as a traditional Chinese herbal medicine and edible fungus, has a long history in China. This paper explored on comprehensive evaluation method to quality and safety ofthrough improved AHP (analytic hierarchy process, referred to as AHP) method, it takes reference forcultivation of safety and effectiveness. According to the fluctuations of sample size and improved AHP method, the calculation for quality and safety indicators (polysaccharide, Pb, As, Hg, Cd) of’s fruiting body was based on the traditional Chinese medicinal materials quality safety standards, and through this method, we evaluated the risk levels of quality and safety indicators in typical planting areas, such as Wuyi mountain (Southeast of China), Changbai mountain (Northeast of China) and the Dabie mountain (South Central of China), which was based on AHP method key growth period (4 layers, 5 layers and 6 layers) by comprehensive weighted index, and compared with Nemerow index method widely used for the risk calculation. Besides, we compared it with the one calculated with the widely-used Nemerow index method. The results showed: 1) The general rules for quality and safety for five kinds of single index ofindicators (polysaccharide, Pb, As, Hg, and Cd) were Cd>Hg> polysaccharide >As>Pb, and they were lower than traditional Chinese medicinal materials quality and safety standards. 2) The quality risk index calculated with the improved AHP method ranged from 0.237 6 to 0.759 8, less than 1, for the safety level, while the one calculated with Nemerow index method ranged from 0.257 9 to 0.729 2, less than 1, for the safety level. On the whole, the difference was not significant. The analysis showed that the quota polysaccharide, Hg and Cd of heavier weight was larger in the single risk index. 3) In order to compare the advantages and disadvantages of these two methods further, we exchanged Hg and Cd of larger single risk index and weight with quotas Pb and As to the contrary. The risk index of more harmful quotas Hg and Cd decreased, while that of the less harmful quotas Pb and As increased. The results demonstrated that the comprehensive quality risk index declined by 68.03%. So the improved AHP method could more precisely reflect the quality risk ofthan Nemerow index method. The research is a good reference to the quality safety evaluation ofand provides support for the whole course control of the plantation of it (including preproduction, production, and postproduction). We suggest that this research should continue to advance, which is based on commercial specification and grade standards of Chinese herbal medicines, an important criterion in clinical curative effect of traditional Chinese medicine for the quality standard of, production process quality and safety grade control.

polysaccharides; heavy metals; quality control;; improved AHP; nemerow index; weighted composite index

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.041

S567.3+1

A

1002-6819(2017)-04-0302-07

2016-07-08

2016-11-20

國家自然科學基金（21576142）；無限極（中國）有限公司質量安全課題。

王民敬，男，工程師，主要從事農業工程集成模式、中藥材質量安全評價、農業產業化等方面的研究。北京農業部規劃設計研究院，100125。Email：wangminjing_2005@ 163.com

孫君社，男，院副總工程師、研究員，博士生導師，主要從事食品及農產品加工、中藥材種植管理模式、農業產業化研究。北京 農業部規劃設計研究院，100125。Email：sunjsh61@ 126.com

王民敬，裴海生，孫君社，譚曉妍，張秀清，孫 恬，劉鳳松，許璋陽，楊 玥，陳 洲. 基于改進層次分析法的靈芝品質安全綜合評價[J]. 農業工程學報，2017，33(4)：302－308. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.041 http://www.tcsae.org

Wang Minjing, Pei Haisheng, Sun Junshe, Tan Xiaoyan, Zhang Xiuqing, Sun Tian, Liu Fengsong, Xu Zhangyang, Yang Yue, Chen Zhou. Comprehensive evaluation on quality and safety ofbased on improved analytic hierarchy process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 302－308. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.041 http://www.tcsae.org