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Establishment and practice for evaluating model of best harvest time of traditional Chinese medicinal materials

药材适宜采收期综合评价模式的建立与实践



全 文 :专论 
药材适宜采收期综合评价模式的建立与实践
段金廒1 *  ,严 辉1 ,宿树兰1 ,钱大玮1 ,吴启南1 , 周荣汉2
( 1.南京中医药大学药学院,江苏 南京 210046; 2. 中国药科大学药学院,江苏 南京 210009)
摘 要:采收是药材生产过程中的重要环节, 直接影响着药材的质量与产量。随着我国中药材生产质量管理规范
( GAP )的实施和推广, 药材适宜采收期的客观评价与确定成为中药生产领域的共性问题之一。在课题组实施! 十
一五∀国家科技支撑计划项目! 药材采收、初加工、贮藏过程中共性技术研究∀的基础上, 运用中药资源化学的研究
思路与方法,通过对当归不同产地、不同采收期的系统评价,建立了客观表征植物生长发育与环境条件的物候关系
对药材品质形成与药用部位生物产量相互关联的多指标综合评价模式。首次较为系统地阐述了基于中药资源化
学的理论思想和研究方法,从药材生产过程中的时、空关系与物质动态积累规律诸方面探讨和建立客观评价和确定
药材适宜采收期的方法学,以期对我国中药材的规范化生产,保障药材的质量与产量提供理论指导和方法学支撑。
关键词:中药资源化学; 适宜采收期;评价模式; 当归
中图分类号: R282 4 文献标识码: A 文章编号: 02532670( 2010) 11175506
Establishment and practice for evaluating model of best harvest time
of traditional Chinese medicinal materials
DUAN Jinao1 , YAN Hui1 , SU Shulan1 , QIAN Dawei1 , WU Qinan1 , ZHU O Ronghan2
( 1. School of Pharmacy , Nanjing University o f T raditional Chinese Medicine, Nanjing 210046, China;
2. Schoo l o f Pharmacy , China Pharmaceut cal Univer sity, Nanjing 210009, China)
Abstract: T he harvest t ime of t radit ional Chinese medicinal materials ( T CMM ) is a ver y essent ial part
fo r production of T CMM , and affects their quality and yield The research on the best harvest t ime of
TCMM has been a key problem taken into account more and more w ith pract icing GAP of T CMM Based
on thoughts and methods o f resource chem ist ry, this paper established an evaluated mode to object iv ely de
termine the best harvest t ime of Angel ica sinensi s through system invest igat ing from dif ferent producing
ar eas and harvest t imes, and characterize the phenolog y and mult iindex components comprehensiv e crite
r ia T he author f irst ly proposed the suitable methods of the best harvest t ime of T CMM , which w as a ba
sis of theor y and methods of resource chemistr y of T CMM , and including the t imespace r elat ionships and
law s o f substances dynam ic accumulation These data could pr ovide the guidance for standardized produc
t ion and guaranteed quality and yield o f TCMM
Key words: resour ce chemist ry of t radit ional Chinese medicinal materials; best harvest t ime; ev aluated
model; A ng el ica sinensi s ( Oliv ) Diels
药材采收 ( harvest of t radit ional Chinese me
dicinal mater ials)是中药材生产中的重要环节,直接
影响着药材的质量与产量 [ 1]。随着我国中药材生产
质量管理规范( GAP)的实施和推广, 药材适宜采收
期的客观评价与确定成为中药生产领域的关键科学
问题之一[ 2] 。
目前沿用的药材采收期确定方法, 是基于药用
部位中单一指标性成分结合生物产量评价建立
的[ 3 ]。由于个体农耕式生产方式依然广泛存在, 药
材生产者仍然依据经验进行判断, 以月份或季节作
为时间尺度进行考量, 而忽视了不同地域的环境差
异、气候的年际变化等对药用物质形成和积累的影
响。同一生产品种存在着生产区域广、产地生态环
境差异大、生产方式不一致、产品质量参差不齐的现
1755中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月
收稿日期: 20100823 基金项目:国家! 十一五∀科技支撑计划项目( 2006BAI09B051, 2007BA137B02)
* 通讯作者 段金廒,教授,博士生导师,中国自然资源学会天然药物资源专业委员会主任委员。 Em ail: d ja@ nju tcm edu cn
实状况。因此, 基于单一化学成分指标来判断药材
适宜采收期,难以客观评价和控制其质量。本文针
对药材采收期确定过程中存在的问题, 探讨和建立
客观评价和确定药材适宜采收期的方法学, 以期为
我国中药材的规范化生产, 保障药材的质量与产量
提供理论指导和方法学支撑。
本课题组在承担和实施!十一五∀国家科技支撑
计划项目 # # # 中药资源可持续利用与产业共性关键
技术研究中的!药材采收、初加工、贮藏过程中共性
技术研究∀课题过程中,运用中药资源化学的研究思
路与方法,通过对当归不同产地不同采收期的系统
评价,建立了客观表征植物生长发育与环境条件的
物候关系,以及影响药材品质形成与药用部位生物
产量相关联的多指标综合评价模式。建立了客观表
征植物生长发育与环境条件的物候关系, 对药材品
质形成与药用部位生物产量相互关联的多指标综合
评价模式。从药材生产过程中的时、空关系与物质
动态积累规律诸方面, 探讨和建立客观评价和确定
药材适宜采收期的方法学。
1 以中药资源化学研究思路与方法为指导, 建立基
于多指标综合评价的药材适宜采收期方法学
1 1 理论基础:中药资源化学是中药资源学与天然
产物化学、分析化学等多学科交叉融合的一门新兴
学科,具有资源学和化学的双重属性和理论基础。
中药资源化学的研究思路是以中药和天然药用生物
资源为依托,集成天然产物化学、分析化学等相关学
科的研究技术与分析方法, 揭示药用资源生物整个
生命过程中可利用物质的动态积累规律和生物产量
间的关联规律, 强调围绕化学与资源间的时空关系
与特点。主要任务是:从资源学角度,重视药用生物
体可利用部位的生物产量与生态环境、物候节律相
互作用的关系等;从化学角度,重视资源生物在不同
生存条件和不同生长阶段其体内初生和次生代谢产
物的生物合成与可利用物质的动态积累过程评价
等。目的是促进中药及天然药用生物资源得到科学
合理、经济有效、全面综合的利用,实现资源的健康
可持续发展。
药材适宜采收期( the best harvest time of medici
nal materials)确立的基本原则是质量最优和产量最大
化。药材品质优良的核心评价指标是能够客观表征
临床功效的药用化学物质组成和量。然而,药用物质
的形成与积累过程直接受到生态环境、气候条件和人
为活动等复合因素的影响。不同物候期的资源生物
其药用部位的生长发育与化学物质的积累是动态的、
有节律的。从植物的发芽、展叶、开花、结实到根系的
膨大和地上部分的凋萎等均是生物长期适应季节性
周期变化的气候环境而形成的生长发育节律,其实质
是植物生长发育与环境条件的关系表征[ 4]。
因此, 物候的变化反映了植物生命现象对外部
环境变化的响应, 体现了植物体内初生和次生代谢
产物对环境变化的适应, 展现出资源与化学间的时
空关系与特点[ 56]。通过采集同一资源生物种类在
不同物候期特征性多指标代谢产物的动态积累和消
长变化数据,并结合其药用部位生物产量,在适宜数
学模型和分析方法支持下,建立科学合理的药材适
宜采收期方法学。
1 2 评价技术:近年来多学科交叉的技术方法如化
学计量学的引入,为客观评价中药材质量提供了技术
支撑。多指标综合评价药材适宜采收期的方法学研
究引入主成分分析方法,并建立了多指标成分的自权
重测定方法与多指标成分间的相关性评价体系。
主成分分析是化学计量学中的基本方法,该方
法可在不损失或尽量少损失原有指标的情况下, 将
多个具有相关性的指标转换成少数几个互相独立的
综合指标(即主成分)。通过将各指标得分与其权重
结合进行综合评分称为改良综合评分法, 是一种有
效的综合评价模型[ 7]。目前, 综合主成分评价模型
已广泛应用于经济社会各领域,
本文在中药资源化学研究思路和方法指导下,
基于主成分分析及其改良综合评分的方法,从多个
数值变量间的相互关系入手,利用降维思想将多个
变量简化为综合变量, 建立客观反映药材适宜采收
期的综合评价数学模型。最终, 建立基于主成分分
析法、聚类分析法与多指标综合评价相结合的药材
适宜采收期确定方法。
1 3 表征方法:依据中药资源与化学的时空关系和
变化特点,结合数学分析方法如主成分分析法、聚类
分析等,建立与多元功效相对应的多指标成分评价
方法。通过对不同采收期药材质量进行多因子综合
评价,建立基于主成分分析综合评分法的药材多指
标质量评价方法。具体步骤如下: 假设测定了 n个
样品,每个样品测得 m个指标的数值, 按公式:
X∃ij = X ij - X j
S j
( i= 1, 2, 3%, n; j= 1, 2, 3, %, m)
将原始指标标准化,然后用标准化的数据 X∃ij来计
算主成分,即 Z i= aiX = ailX 1 + a i2 X 2 + %+ a imX m
( i= 1, 2, %, m)。
当前 k 个主成分的累积贡献率达到某一特定的
1756 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月
值时(一般大于70%为宜) ,则保留前 k个主成分。选
择前 k个主成分( Z1 , Z2 , %, Zk ) ,以每个主成分的贡
献率 ci = i / m 作为权数, 构造综合评价函数: f =
c1 Z1+ c2Z2+ %+ ckZk。对各样品进行综合评价时,
f 值越大则表明该样品的综合评价效果越好[ 8]。
2 多指标选择的原则
21 多指标化学成分的选择: 以药材传统功效和生
物活性的现代科学认知为基础, 选择与中药功效和
(或)生物效应相关联的初生及次生代谢产物为指标,
建立科学、合理、适宜的多指标评价体系。对于功效
物质基础尚不明确的药材,可根据其所含化学成分类
型,建立具有覆盖性和包容性的化学部位(群)的多指
标评价体系。为保证药材适宜采收期评价指标选择
的客观性与确定性,提出以下建议供参考。
2 1 1 局限性与专属性原则:所选择的指标性成分
在生物系统中的分布是局限的,而不是普遍存在的,
强调指标性成分应具有种间的专属性和特征性。
2 1 2 遗传稳定性与化学稳定性原则:同一物种具
有一定保守性、遗传性和稳定性,其所含化学成分是
基因调控的结果,所选择的指标性成分应具有相对
的稳定性。同时,指标性化学成分的理化性质应是
稳定的,不稳定的成分不宜作为指标性成分。
2 1 3 整体性原则:多指标成分应能体现被评价生
物种类所含化学成分类型的组合特征, 反映其不同
物候周期和药材品质形成的内在指征。同时, 兼顾
能客观反映药材具有多元功效相关联的物质基础的
整体性。
2 1 4 动态性原则:指标性化学成分在药用生物体
内的积累是动态的,是受其生长发育与环境条件相
互作用和影响的结果。多指标成分评价体系应能客
观反映其时、空变化特征和动态积累规律,体现药材
品质的形成过程。
2 2 药用部位生物产量的选择:药用部位生物产量
是生产效率和经济效益的具体表现。药材适宜采收
期的确立既要重视指标性化学成分体系的选择, 同
时,也要重视其药用部位的生物产量,以实现药材生
产的质量最优和产量最大化原则。
3 当归药材适宜采收期研究方法的建立与评价
3 1 当归物候节律:当归从播种到再收获种子要经
过 3年,即 3个生长期,越两个冬。其植物生长周期
大致可分为育苗、成药和留种 3个阶段。当归生长
发育周期可分为第 1年为育苗期, 第 2年为成药期,
第 3年为抽薹开花结籽期。当归栽培过程是在第一
年获得种苗后于翌年 4月中旬将苗移栽田间, 4~ 7
月间地上部分的生长发育迅速, 8 月上中旬叶片生
长达到最大值, 8月下旬至 9月地上部分趋向衰老,
营养物质迅速向根部转移,药用部位根部的发育生
长进入高峰,根系增粗并呈肉质化的贮藏根。10月
底~ 11 月初, 随着气候渐冷当归地上部分凋谢枯
萎,肉质根进入休眠。
3 2 方法学建立
3 2 1 当归样品采集及生物产量测定:分别于当归
不同物候期采集样品。依我国当归药材主产地分别
在甘肃省岷县农业局中药材种植园、四川省宝兴县
陇东镇崇兴村大元包、云南省鹤庆县马厂村 3个产
地设立 8个采样点。各样地按照! S∀型路线分别设
立 1 m & 1 m 的样方, 每次采挖一个样方中所有当
归样品, 并记录株高、叶片数、鲜重等指标。样品分
地上部分(茎叶)与地下部分(根) , 置阴凉通风处晾
晒至干。经鉴定为伞形科植物当归 A ngelica sinen
si s ( Oliv ) Diels的根。当归样地及采集样品信息
见表 1。
3 2 2 多指标成分的选择:依据当归具有的补血和
血、调经止痛、润燥滑肠的功效, 以及现代研究表明
当归主要含挥发油类、有机酸类、内酯类、苯酞类、多
糖类等化学物质, 其中藁本内酯、正丁烯基酜内酯、
阿魏酸、多糖类等成分与其功效密切相关。在前人
研究的基础上,选择藁本内酯、正丁烯基酜内酯、阿
魏酸、总多糖等物质群作为当归药材适宜采收期多
指标评价体系。
3 2 3 主成分分析方法运用:通过对当归 3个产地
8个样点传统采收期样品进行多指标综合分析考
察。采用SPSS 13 0软件按照 1 3项下方法对多指
标分析结果进行主成分分析,由分析结果客观评价
不同产地当归药材的适宜采收期。
3 3 分析与结果
3 3 1 当归多指标成分分析结果: 采用 HPLC 分
析条件 [ 8] 对不同产地、不同物候期当归样品的多指
标成分进行测定, 得到当归药材中阿魏酸、藁本内
酯、正丁烯基酜内酯和总多糖的定性与定量分析结
果。同时,结合单株药材平均干物质量,计算各指标
的有效物质总量。结果见表 2。
3 3 2 主成分分析结果:通过对当归 3个产地 8个
样点不同物候期采收的当归样品进行多指标分析得
到的分析结果,运用主成分分析方法进行统计分析。
结果表明: F1、F2 主成分因子在当归质量评价中起
着主导作用,两个主成分的累积贡献率达 95%, 能
够较客观地反映当归药材的内在质量,故选取前两
1757中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月
表 1 当归样品采集信息
Table 1 Collected information of A sinensis samples
采样地 样地面积/ m2 经度 纬度 海拔/ m
生长
年限 样品编号 采收时间 物候期
甘肃省岷县岷阳镇中
药材种质园 1
690 104∋00∃91 34∋25∃87 2 314 第 2年 GM8、 GM9m、
GM9l、 GM10e、
GM10m、GM 10l、
GM11
20070814
20070917
20070930
20071010
20071015
20071021
20071103
叶盛期

根膨大期


叶枯萎期
甘肃省岷县岷阳镇中
药材种质园 2
710

104∋01∃03

34∋25∃86

2 314

第 2年

甘肃省岷县岷阳镇中
药材种质园 3
730

104∋00∃98

34∋25∃82

2 313

第 2年

甘肃省岷县麻子川乡
上沟村
( 500

104∋03∃14

34∋16∃39

2 525

第 2年

云南省鹤庆县草海镇
马厂村 1
( 600 100∋03∃26 26∋88∃61 3 086 第 2年 YH 6、YH 7、YH 8、
YH 9m、 YH9l、
YH 10e、YH 10l
20070628
20070719
20070812
20070914
20070925
20071011
20071023
叶盛期



叶枯萎期
云南省鹤庆县草海镇
马厂村 2
( 500

100∋03∃41

26∋28∃52

3 057

第 2年

云南省鹤庆县草海镇
马厂村 3
( 600

100∋03∃12

26∋28∃45

3 113

第 2年

四川省宝兴县陇东镇
崇兴村
( 500 102∋40∃95 30∋24∃99 2 311 第 1年 SB8、SB9e、SB9l、
SB10、SB11
20070815
20070910
20070928
20071008
20071028
叶盛期
根膨大期

叶枯萎期
表 2 当归样品中指标成分分析结果( n= 3)
Table 2 Analysis of marker components in A sinensis samples (n= 3)
样 品 藁本内酯/
mg
正丁烯基
内酯/ mg
阿魏酸/
mg
总多糖/
mg
样 品 藁本内酯/
m g
正丁烯基
内酯/ mg
阿魏酸/
m g
总多糖/
mg
YH 6 2 913 0 719 1 582 60 74 SB10e* 9 574 2 793 6 765 325 09
YH 7 4 956 1 250 1 618 44 04 SB10l 20 379 5 016 9 867 136 41
YH 8 13 978 3 526 6 758 374 27 GM8 3 937 1 385 0 194 111 72
YH 9m 41 433 7 984 24 544 463 50 GM9 22 175 4 288 8 534 296 22
YH 9l 62 467 8 957 20 602 509 19 GM9 23 774 4 423 10 153 201 13
YH 10e 225 496 16 803 40 483 600 37 GM10e 56 417 7 824 12 303 305 12
YH 10l 145 436 15 583 34 033 523 46 GM10m 63 192 14 264 18 363 360 96
YH 10e1* 192 936 18 587 46 917 647 60 GM10m1* 62 341 19 113 24 067 485 11
YH 10e2* 206 226 14 319 37 114 662 86 GM10m2* 62 5577 18 299 20 819 417 82
YH 10e3* 213 849 17 442 37 940 492 30 GM10m3* 55 218 10 781 13 853 278 90
SB8 3 586 1 066 2 538 32 03 GM10m4* 67 701 9 900 15 455 280 06
SB9e 5 230 1 144 3 013 148 27 GM10l 69 369 7 600 15 186 392 67
SB9l 12 264 2 838 7 619 202 06 GM11 71 375 9 206 15 426 440 20
* 不同产地当归传统采收期采集样品
* A sinensi s sam ples col lected at t radit ional collect ion period from dif feren t habitats
1758 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月
个主成分 F1、F2 进行分析(表 3)。依据当归不同产
地样品主成分因子总得分结果, 对各主要因子的权
重系数进行累加,权重系数计算的依据是其方差贡
献率的大小,即各主成分的贡献率与 2个主成分的
总贡献 率之比。第一主成分的 权重 wF1 =
0 635 25/ 0 956 42= 0 664 2,同理可得第 2主成分
的权重 wF2 为0 335 8。各主要成分因子得分与其
权重乘积之和相加得出各当归样品的总因子得分
F。F 与单株生物产量的乘积的最大值即为适宜采
收期。分析结果表明, 当归各产地的适宜采收期:甘
肃岷县(岷归)为 10月中旬; 云南鹤庆县为 10月上
旬;四川宝兴县为 10月下旬。甘肃、云南的评价结
果与传统采收期基本一致,而四川的当归适宜采收
期评价结果与传统采收期 10 月中旬相比则较晚。
基于当归物候期及多指标综合评价确定其适宜采收
期。见图 1。
表 3 当归不同物候期药材主成分因子得分排序
Table 3 Factor score list of main principal of A sinensis at various phenology
积分排名 样品编号 F1 F 2 F 积分排名 样品编号 F1 F2 F
1 YH 10e 2 988 47 0 314 81 2 090 644 4 SB8 - 0 086 49 - 1 615 02 - 0599 78
2 YH 10l 1 834 87 0 624 02 1 428 262 5 SB9e - 0 624 1 - 0 646 13 - 0631 5
3 YH 9l - 0 353 01 1 608 78 0 305 767 1 GM10m 0 800 27 0 206 04 0600 725
4 YH 9m - 0 420 92 1 505 5 0 225 98 2 GM11 0 003 16 0 894 44 0302 455
5 YH 8 - 1 306 34 1 126 75 - 0 489 3 3 GM10l 0 063 69 0 551 5 0227 499
6 YH 7 - 0 136 28 - 1 536 27 - 0 606 4 4 GM10e 0 237 49 - 0 052 95 0139 959
7 YH 6 - 0 299 22 - 1 357 33 - 0 654 54 5 GM9l - 0 107 31 - 0 474 21 - 0230 52
1 SB10l 0 290 57 - 1 025 65 - 0 151 42 6 GM9m - 0 668 63 0 352 21 - 0325 83
2 SB9l - 0 503 03 - 0 298 97 - 0 434 51 7 GM8 - 0 521 66 - 0 955 8 - 0667 45
3 SB10e - 1 191 54 0 778 27 - 0 530 07
图 1 以当归为例药材适宜采收期的评价模式
Fig 1 Evaluation modle of best harvest time of A sinensis
4 讨论
4 1 运用中药资源化学的研究思路和方法[ 9] ,在前
期对我国当归药材资源调查的基础上[ 1011] , 对 2007
年采集的不同产地、不同物候的 19批次当归样品进
行多指标综合分析和质量评价。样品采集覆盖我国
目前当归药材生产的各主产区, 采集时间覆盖了当
归药材成药期的各关键阶段。药材采集后统一于通
风阴凉处晾晒至干燥处理, 避免了因样品生产和采
集年份、干燥加工方法等因素不一致对分析结果的
影响。
4 2 分析结果表明,当归在叶盛期后, 随着气温逐
步下降其地上部分开始枯萎,当归药用部位根部迅
速膨大,同时其初生和次生代谢产物的合成和积累
也渐呈增势。至 10月中旬,当归根部膨大并呈肉质
化,此时根中代谢产物积累量与根部的生物产量均
达到高峰,即为当归药材的适宜采收期。通过该品
1759中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月
种适宜采收期的多指标评价研究表明, 植物初生与
次生产物的积累与生态环境因子以及物候变化密切
相关[ 1213] ,反映出代谢产物的合成与积累受环境诸
因子的诱导和影响,环境诸因子同时又影响着资源
生物的物候期变化,植物物候关系不仅反映了植物
内部生命现象对外部环境因素变化的响应, 也反映
了植物代谢产物对环境的适应。
4 3 采用主成分分析方法对不同产地、不同物候期
当归药材质量进行多因子综合分析评价, 较之以往
依据药材生物产量及其单一化学评价指标得到的结
果更为客观和合理。甘肃及云南产地当归研究结果
与当地传统采收期相一致, 印证了传统采收期的合
理性与科学性。四川产地当归适宜采收期与传统采
收期不一致可能与其采用直播种植方式及其生长周
期较短有关。
4 4 本文从药材生产过程中的时、空关系与物质动
态积累规律诸方面相关联,通过对当归不同产地、不
同采收期药材的系统评价, 探索建立了较为客观的
表征物候变化对当归药材品质形成与药用部位生物
产量相互关联的多指标综合评价模式。该研究模式
的提出与实践, 以期为药材生产过程中适宜采收期
的确定提供方法学参考, 对中药材的规范化生产提
供借鉴。
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1760 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 41 卷第 11 期 2010 年 11月