基于改进层次分析法的灵芝品质安全综合评价

王民敬，裴海生，孙君社，谭晓妍，张秀清，孙 恬，刘凤松，许璋阳，杨 玥，陈 洲



基于改进层次分析法的灵芝品质安全综合评价

王民敬1，裴海生1，孙君社1※，谭晓妍2，张秀清2，孙 恬3，刘凤松3，许璋阳1，杨 玥1，陈 洲1

（1. 农业部规划设计研究院，北京100125； 2. 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083；3. 无限极（中国）有限公司，广州 510623）

中药材是中医药事业传承和发展的物质基础，灵芝是中国传统的中药材。该文通过改进的层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）对灵芝质量安全进行综合评价，为灵芝种植“安全有效、质量可控”提供借鉴。根据中药材质量安全标准，基于样本波动大小和改进的AHP法，计算得到灵芝子实体质量安全指标（多糖、Pb、As、Hg、Cd）的权重；应用AHP综合加权指数法对关键生长期（4层、5层、6层）、典型种植区域（武夷山、长白山、大别山）灵芝子实体质量安全指标风险水平进行评价，并与目前广泛应用的内梅罗指数法计算得到的综合风险指数进行对比。结果表明：灵芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5种质量安全指标单项风险指数大致规律为：Cd>Hg>多糖>As>Pb，均低于中药材质量安全风险水平。改进AHP法得到灵芝质量安全风险指数范围是0.2376～0.7598，小于1，为安全级，内梅罗法得到的风险指数范围是0.2579～0.7292，也为安全级，2种方法比较总体差别不太明显，分析认为质量安全指标权重大的指标多糖、Hg、Cd，其单项风险指数也大。为了进一步对比2种方法优劣，将单项风险指数较大、权重较大的质量安全指标Hg、Cd分别跟单项风险指数较小、权重较小的质量安全指标Pb、As调换，对人体危害较大的质量安全指标Hg和Cd单项风险指数降低，对人体危害较小的Pb和As单项风险指数升高，结果显示综合质量安全风险指数显著降低，降低幅度达68.03%，采用改进AHP的加权综合指数法比内梅罗指数法更能准确反映灵芝质量安全风险状况。该研究不仅对灵芝质量安全评价具有较高借鉴价值，也为灵芝种植“产前、产中、产后”全程控制提供支撑。

多糖；重金属；质量调控；灵芝；改进AHP；内梅罗指数；加权综合指数

0 引 言

中药材是中医药事业传承和发展的物质基础，是关系国计民生的战略性资源[1]。灵芝作为中国传统的中药材，是食药两用真菌，发展历史源远流长。目前，灵芝生产周期长、耗时多；资源消耗大、效率低；标准缺乏、管理粗放、质量安全监控难；综合利用低、高附加值产品开发薄弱。因此，确保灵芝产品“安全有效、质量可控、价值提升”已成为该行业急需解决的课题[2-4]。

本文重点研究灵芝质量安全评价，目前中国灵芝质量安全监控难，表现在质量安全评价以结果检验为主，还未实现生产过程控制[5-7]。中国尚缺乏灵芝中功效成份、有害物质残留的检测技术规范、限量标准及相关的数据库，还未全面地对可能的风险来源进行分析和监控[8]。多糖是灵芝主要功效成分中具有生物活性的指标[9-10]，是企业生产中重点关注的指标。重金属污染是当前灵芝生产中亟待解决的重要问题[4]。《中华人民共和国药典》（简称《中国药典》，2015年版[11]）和中国中药材标准[12]中对多糖和重金属铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）有明确标准要求。

本文选取武夷山、长白山、大别山仿野生道地段木灵芝样本，综合考虑功效成分和有害物质权重，选择代表性指标灵芝多糖、重金属（铅、砷、汞、镉），探讨灵芝质量安全综合评价方法，质量安全综合评价及分级研究方面，主要集中在产地环境，尤其对土壤质量安全评价及分级研究较多[13-15]，有研究将土壤肥力和重金属污染进行综合评价[16]。在分级标准方面，按照有机、绿色、无公害等标准对农产品产地环境进行分级[17]。

目前，中国普遍将内梅罗指数法用于评价重金属对土壤[18]、农产品[19]质量的影响。加权综合指数法可揭示不同质量安全指标之间的关联性，评价结果更靠近质量安全指标的真实情况[20]。加权综合指数法各质量安全指标权重的确定是关键，应尽可能体现科学性和客观性[21]。通过构建基于3标度的改进层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）风险指标的比较矩阵，确定重金属污染物权重，值得借鉴[19]。

本文基于AHP综合加权指数法对灵芝关键生长期（4层、5层、6层）、典型种植区域（武夷山、长白山、大别山）质量安全指标（多糖、Pb、As、Hg、Cd）权重确定，利用加权综合评价方法评价，并与目前广泛应用的内梅罗指数法计算得到的综合风险指数进行对比，为灵芝种植产前、产中、产后全程控制提供支撑。

1 材料与方法

1.1 取样与分析方法

选取段木灵芝品种，在灵芝生长关键期（4层、5层、6层）和成熟采摘期，选取武夷山区、长白山区、大别山区典型区域，每个区域随机选取2～3个基地。其中，关键生长期（4层、5层、6层）灵芝子实体样本采自武夷山区。

依据NY/T 1676-2008标准，用水提方法测定灵芝多糖，60目粉碎过筛[22]；依据《中国药典》2015版[11]铅、镉、砷、汞测定法，采用原子吸收分光光度计法进行测定。

1.2 评价方法

1.2.1 单项风险指数法

式中IP为质量安全指标单项风险指数；C为质量安全指标样本实测值，mg/kg；S是标准规定的灵芝质量安全指标值，mg/kg。若为正向指标，则C与S位置互换。IP<1则表明安全，IP>1则表明不安全，数值越大，说明该项质量安全指标风险越大。

1.2.2 内梅罗指数法

式中为质量安全指标综合风险指数；(C/S)max为质量安全指标风险指数的最大值；(C/S)ave为质量安全指标风险指数的平均值。

1.2.3 加权综合指数法

式中ICP是综合质量安全指数；W是某种元素的权重系数。

1.3 基于改进AHP确定质量安全指标权重

运用AHP法构造判断矩阵，若评价指标较多时，采用1～9标度法易使判断过程出现复杂性、模糊性，造成判断矩阵不易通过一致性检验[23]。基于AHP法，研究人员设计出3标度法[24]，此方法易被专家和决策人员接纳。3标度法分为3个步骤，首先利用大家熟知的（0,1,2）对每一个指标进行两两比较，构建比较矩阵=(b)×，计算各指标排序指数。本文b根据中国中药材质量安全标准中各指标值的相对大小：

其次将构建的比较矩阵转化为判断矩阵。计算，按每列求和，利用公式（1）计算判断矩阵。

（1）

式中max=Max{r}，min=Min{r}，b=max/min。

最后通过判断矩阵求出指标最大特征值、特征向量，并且进行一致性检验。

1.4 质量安全指标权重的确定

已有研究表明灵芝质量安全指标的筛选按照“关键性、关联性、系统性”原则，可实现“少信息、多指标”目标[25-26]。根据灵芝质量安全研究现状和企业生产实际，本文选定灵芝多糖、4种重金属（Pb、As、Hg、Cd）为质量安全指标。在利用3标度法构造比较矩阵时，依据中国中药材标准中质量安全指标在中药材中的限量值定义b（见公式（2））。由于灵芝多糖和重金属属于不同类别质量安全指标，一般希望灵芝多糖含量越高越好，重金属含量越低越好，不过在实际生产中需要兼顾灵芝多糖和重金属含量。

综合上述分析，本研究按照改进AHP法，对于同类的重金属指标，其标准限量值低，则对应的指标权重越大，则Hg>Cd>As>Pb；对于不同类指标（多糖与重金属）权重确定，借助实际样本值波动情况（样本典型代表性和样本数量选取重要）以及企业生产需要确定。

1）指标波动分析

以灵芝子实体质量安全指标波动情况为例，波动大小为Cd>Hg>多糖>As>Pb，其中Cd波动最大，波动区间为[0.063, 3.210]；其次为Hg，波动区间为[0, 1.055]；第3为多糖，波动区间为[0.308 0, 0.549 5]；第4为As，波动区间为[0.061, 0.244]；Pb波动最小，波动区间为[0, 0.179]。见表1，图1。

2）指标权重确定

按指标波动情况分析，质量安全指标权重大小排序为：Cd>Hg>多糖>As>Pb；按同类指标改进AHP法，质量安全指标权重大小排序为：Hg>Cd>As>Pb。两种方法比较，Cd和Hg排序有变动，考虑样本数量及取样点存在一定差异，总体规律一致。

表1 段木赤灵芝子实体质量安全指标波动情况

a. 多糖

a. Polysaccharides

b. Pb

c. As

d. Hg

e. Cd

图1 灵芝子实体样本多糖和重金属含量分布情况

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

综合考虑，质量安全指标权重排序为：Hg>Cd>多糖>As>Pb。见表2。

表2 中药材质量安全指标标准值

注：按照权重越大参照值越小原则。

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

其中，指标两两比较按照多糖、铅、砷、汞、镉排序。

利用构造的比较矩阵，求出判断矩阵（见公式（3））。

根据改进的AHP法，灵芝质量安全指标权重为W=[0.129 0, 0.033 3, 0.063 4, 0.512 8, 0.261 5]，（为1～5，代表多糖、Pb、As、Hg、Cd）。一致性检验（=0.053 0<0.1）表明，所构建的判断矩阵满足要求，可以通过一次性检验。

2 结果与分析

2.1 采样结果分析

以武夷山灵芝产区为例，在子实体发育过程中，关键生长期的4层、5层和6层，子实体质量分别递增30%（从4层到5层）和20%（从5层到6层）。从多糖得率来看，6层比4层增加4.5%。重金属（Pb、As、Hg、Cd）含量随着层数的增加而增加，6层时4种重金属含量最高。综合考虑各层子实体的质量和多糖得率、重金属质量分数等因素，建议灵芝生长到5层时采收为宜。

不同地区灵芝子实体收获后，样品多糖质量分数范围为2.91%～4.39%。武夷山区灵芝多糖质量分数最高，平均值为4.17%；大别山区次之，多糖质量分数平均值为3.1%；长白山区最低，多糖质量分数平均值为2.95%。不同地域和不同菌种的灵芝子实体多糖含量有差异。

对不同地区灵芝子实体重金属（Pb、As、Hg、Cd）分析，所取样本值均低于中国中药材重金属限量标准[12]。具体来说：对于重金属Pb，大部分样本Pb质量分数在0.5 mg/kg范围内，几个Pb 含量较高的样本为长白山灵芝和武夷山灵芝，但均低于国家限量标准（5 mg/kg）；对于重金属As，大部分样本As质量分数在0.1～0.3 mg/kg范围内，几个As 含量较高的样本为长白山区灵芝，低于中药材国家限量标准（2 mg/kg）；对于重金属Hg，大部分样本Hg质量分数在0.1 mg/kg范围内，几个Hg含量较高的样本为长白山灵芝，均低于国家限量标准（0.2 mg/kg）；对于重金属Cd，武夷山区灵芝子实体样本Cd质量分数分布在0.15 mg/kg附近，样本平均值为0.12 mg/kg，长白山区和大别山区灵芝子实体Cd质量分数分布在0.25 mg/kg左右，除个别样本超标，总体都低于中药材标准对Cd的限量标准（0.3 mg/kg）。

2.2单项指数评价结果

由表3可知，不同类别（关键生长期、种植区域）灵芝子实体5个质量安全指标单项指数IP值均小于1，与中国中药材标准比较可知，灵芝子实体样本中多糖、Pb、As、Hg、Cd质量分数都符合中国中药材标准。

灵芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5种质量安全指标单项指数IP值大致规律为：Cd>Hg>多糖>As>Pb。按照灵芝关键生长期分析，各指标质量安全风险按4层、5层、6层递增的趋势，多糖、Pb、As、Hg、Cd风险分别增加43.03%、210.38%、32.32%、37.70%、387.50%，重金属Cd风险增加尤为显著，其内在规律值得深入研究。按照灵芝不同种植区域分析，武夷山区灵芝质量安全风险最小，大别山区和长白山区重金属Cd质量安全风险较大，接近质量安全指标限量值，仍为安全级。

表3 灵芝单项风险指数评价结果

注：4层～6层为武夷山区灵芝样本均值单项指数法计算所得。

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

2.3 灵芝质量安全综合评价

灵芝质量安全风险综合考虑多糖和重金属，权重按前述方法计算得到，分别采用内梅罗指数法和改进的AHP法评价灵芝质量安全风险，见图2。

由图2可知，改进AHP法得到灵芝质量安全指数范围是0.2376～0.7598；内梅罗法得到的指数范围是0.2579～0.7292，总体差别不太明显。分析认为质量安全指标权重大的指标多糖、Hg、Cd，其单项指数也大。以大别山灵芝为例，改进的AHP法得到的质量安全指数为0.641 6，内梅罗综合指数得到的指数为0.709 6，风险降低9.58%。

为了区别两种方法优劣，作如下假定：将长白山灵芝质量安全指标Pb（铅）、As（砷）、Hg（汞）和Cd（镉）的单项风险指数相应调换，见表4，多糖的单项风险指数不变。利用2种方法对变化后的长白山灵芝质量安全进行综合评价。表明内梅罗综合指数法的评价结果不变，而改进AHP法评价结果差异明显，见图3。

表4 调整前后长白山灵芝子实体单项指数评价结果

以4种重金属（Pb、As、Hg、Cd）为例，将单项风险指数较大、权重较大的质量安全指标Hg和Cd分别与单项风险指数较小、权重较小的质量安全指标Pb和As对调，对人体危害比较大的Hg和Cd的单项风险指数降低，对人体危害比较小的Pb和As（或者是对人体内必需元素的Zn和Cu，更能说明问题，本文只涉及对人体危害较大的上述4种重金属）的单项风险指数升高，结果显示综合质量安全风险指数显著降低，降低幅度达68.03%。反之，对于单项风险指数比较小、权重比较大的情况，则质量安全风险指数提高。改进的AHP法的加权综合指数法评价结果符合这一结论，能客观、真实反映质量安全风险程度，而内梅罗评价结果具有虚假性。

从表5可知，基于改进AHP加权综合指数法得到的灵芝质量安全风险指数具有如下特点：1）从灵芝关键生长期看，4层到6层灵芝质量安全风险呈现递增现象，6层>5层>4层，6层灵芝比4层灵芝风险提高67.39%，在质量安全方面需要综合考量。2）作为中国道地灵芝主产区，武夷山区灵芝质量安全风险最低，长白山区和大别山区灵芝质量安全风险较大，不过仍处于安全级。

表5 灵芝质量安全综合指数比较

当前中国大健康产业快速发展，消费者的质量安全意识不断提升，消费观念从单纯追求数量到“质与量”并重，更关注产品的质量安全水平。所以，对灵芝质量安全风险评价时，不单纯评价多糖等功效成分的风险水平，还要考虑重金属等有害物质的风险水平，在确定权重时，要兼顾“功效成分和有害物质”的关系。

随着中国中药材标准体系的逐步完善，功效成分、重金属、农药残留、塑化剂等质量安全标准越来越严格，灵芝产业应当提早谋划，利用“互联网+”等现代技术手段和平台，建立“产前、产中和产后”的全程质量安全管控体系，确保灵芝产业健康可持续发展。

3 结 论

利用改进AHP法获得的权重系数可以揭示灵芝质量安全指标不同指标之间的内在联系。

研究表明：1）灵芝多糖、Pb、As、Hg、Cd等5种质量安全指标单项指数大致规律为：Cd>Hg>多糖>As>Pb，均低于中药材质量安全风险水平；2）改进AHP法得到灵芝质量安全指数范围是0.2376～0.7598，内梅罗法得到的指数范围是0.2579～0.7292，总体差别不太明显，分析认为质量安全指标权重大的指标多糖、Hg、Cd，其单项指数也大；3）为了进一步对比两种方法优劣，将单项风险指数较大、权重较大的质量安全指标Hg（汞）、Cd（镉）分别跟单项风险指数较小、权重较小的质量安全指标Pb（铅）、As（砷）对调，对人体危害较大的质量安全指标Hg（汞）和Cd（镉）单项风险指数降低，对人体危害相对较小的Pb（铅）和As（砷）单项风险指数升高，结果显示综合质量安全风险指数显著降低，降低幅度达68.03%，采用改进AHP的加权综合指数法比内梅罗指数法更能准确反映灵芝质量安全风险状况。

建议在今后研究中参考中药材商品规格等级标准，以中药的临床疗效为其质量标准的重要准绳，对灵芝生产过程质量安全分级管控，针对不同质量安全等级标准，面向不同市场消费者，细分市场，实现优质优价，促进灵芝产业健康、可持续发展。

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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

国家自然科学基金（21576142）；无限极（中国）有限公司质量安全课题。

王民敬，男，工程师，主要从事农业工程集成模式、中药材质量安全评价、农业产业化等方面的研究。北京农业部规划设计研究院，100125。Email：wangminjing_2005@ 163.com

孙君社，男，院副总工程师、研究员，博士生导师，主要从事食品及农产品加工、中药材种植管理模式、农业产业化研究。北京 农业部规划设计研究院，100125。Email：sunjsh61@ 126.com

王民敬，裴海生，孙君社，谭晓妍，张秀清，孙 恬，刘凤松，许璋阳，杨 玥，陈 洲. 基于改进层次分析法的灵芝品质安全综合评价[J]. 农业工程学报，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