同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

馬楠，鹿保鑫，劉雪嬌，付磊

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319）

同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

馬楠，鹿保鑫*，劉雪嬌，付磊

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319）

穩(wěn)定同位素指紋圖譜技術(shù)具有靈敏度高、實(shí)驗(yàn)操作簡便、可較好的區(qū)分被追蹤物質(zhì)是新加入的還是試驗(yàn)系統(tǒng)固定的等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源之中，對(duì)區(qū)分我國不同地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品有重要意義。主要闡述了同位素指紋圖譜技術(shù)的基本原理及其在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的優(yōu)越性和局限性，綜述了其在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用情況，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

同位素指紋圖譜技術(shù)；農(nóng)產(chǎn)品；溯源；應(yīng)用前景

隨著全球農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的不斷發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品安全已日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，如近年來日本出現(xiàn)的“毒泡菜事件”、歐洲出現(xiàn)的“馬肉事件”以及我國出現(xiàn)的“鎘大米事件”等都嚴(yán)重影響到人的身體健康甚至生命安全[1]，因此為保證食品安全，世界各國都強(qiáng)調(diào)食品要從“農(nóng)田到餐桌”進(jìn)行全過程監(jiān)控，有效召回或撤銷出現(xiàn)問題的產(chǎn)品，實(shí)施食品安全追溯制度。食品的產(chǎn)地追溯技術(shù)既是食品危害物溯源的前提基礎(chǔ)，同時(shí)也是保障食品質(zhì)量安全的有效技術(shù)手段[2]。有研究顯示，英國物理學(xué)家Thomson J．J．在上世紀(jì)20年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素的存在，但是由于當(dāng)時(shí)沒有成熟的測試技術(shù)手段以及經(jīng)濟(jì)條件等因素的影響，人們忽視了同位素的價(jià)值。直到上世紀(jì)50年代初，隨著傅立葉變換核磁共振技術(shù)以及質(zhì)譜-色譜聯(lián)用技術(shù)的出現(xiàn)，人們才真正了解并應(yīng)用這門技術(shù)[3]穩(wěn)定同位素比值分析法首次用在食品中是在1978年。美國學(xué)者White博士用此法來鑒別蜂蜜真假[4]。近些年，該技術(shù)在國際上已廣泛應(yīng)用于植源性食品，如果汁、蜂蜜、橄欖油、牛奶、蘆筍和動(dòng)物源性產(chǎn)品，如雞肉、羊肉、牛肉等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源研究中[5-12]。隨著同位素指紋圖譜分析技術(shù)不斷發(fā)展，試驗(yàn)儀器設(shè)備逐漸趨于完善成熟，穩(wěn)定同位素指紋技術(shù)也逐漸投入到實(shí)際農(nóng)產(chǎn)品追溯方面[13]，逐漸成為了農(nóng)產(chǎn)品追溯體系中不可或缺的技術(shù)之一。

1 穩(wěn)定性同位素指紋圖譜技術(shù)

近些年，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的研究，同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源研究方面得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

該技術(shù)的原理是生物體內(nèi)穩(wěn)定同位素會(huì)因環(huán)境、生物代謝類型、土壤、氣候及飼料種類等因素的影響而發(fā)生自然分餾效應(yīng)，由于生物體不斷與外界發(fā)生理化和生化反應(yīng)，導(dǎo)致了生物體內(nèi)某種元素的“重”同位素和“輕”同位素比值的可測量變化[14]，從而使來源不同的物質(zhì)中同位素豐度存在自然差異，而這種自然差異能夠攜帶環(huán)境因子的信息，從而反映出生物體所處的環(huán)境[15]。該技術(shù)正是利用這一原理實(shí)現(xiàn)食品產(chǎn)地追溯。

到目前為止，同位素分析過程中應(yīng)用的最主要的元素是C、S、H、N、O、B、Pb和Sr。而不同地域來源及不同種類的生物體內(nèi)同位素會(huì)因各種因素的影響而存在自然豐度的差異，其主要的指標(biāo)有13C/12C，15N/14N，18O/16O，2H/1H和34S/32S等。但是，由于環(huán)境因素如：溫度、降水量等變化，使得由單一同位素測得的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，無法確定數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，科學(xué)家們從對(duì)單一同位素的分析，發(fā)展到多種同位素分析、同位素比值分析、結(jié)合元素或其他生物化學(xué)方法等的統(tǒng)一分析。

該技術(shù)是通過對(duì)來源不同的生物體內(nèi)多種同位素及其比值進(jìn)行分析，再進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析、單因素方差分析、Duncan’s多重比較分析和系統(tǒng)聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法篩選出有效指標(biāo)，從而建立數(shù)據(jù)庫及判別模型，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的追溯與認(rèn)證。如Rummel等[16]利用IRMS對(duì)來自多個(gè)地區(qū)的150個(gè)橙汁樣品中的多種同位素（N，C，Sr，S，H）進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)離赤道越近（古巴、墨西哥和佛羅里達(dá)），2H值越大，而古巴橙汁中34S值（0.88%～1.096%）明顯高于墨西哥（0.181‰～1.025%）。另外，在阿根廷種植區(qū)橙汁中15N值較高（0.8%～0.9%）其原因是由于該地區(qū)廣泛施用有機(jī)肥，而在意大利和希臘種植區(qū)廣泛施用合成氮肥，導(dǎo)致該地區(qū)15N值最低（<0.4%）。Simpkins等[17]利用IRMS對(duì)來自巴西的38個(gè)果肉樣品以及42個(gè)濃縮果汁樣品和澳大利亞的40個(gè)橙汁樣品進(jìn)行碳同位素研究，發(fā)現(xiàn)其同位素豐度都存在地域性差異。

2 同位素指紋圖譜技術(shù)優(yōu)勢與局限性

2.1同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的優(yōu)勢同位素指紋圖譜追溯技術(shù)體系的建立既能增強(qiáng)消費(fèi)者對(duì)食品領(lǐng)域的信心，又能保證食品安全，同時(shí)該技術(shù)也是保護(hù)地區(qū)品牌和特色產(chǎn)品的有效手段。實(shí)踐證明，穩(wěn)定同位素指紋圖譜技術(shù)是溯源體系中新興的重要檢測手段，具有其他產(chǎn)地溯源技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。首先，1）基本效應(yīng)和儀器條件的變化對(duì)穩(wěn)定同位素比值的測定影響較少，故該技術(shù)具有準(zhǔn)確度高、無污染、精密度好等優(yōu)點(diǎn)[1]；2）靈敏度高、實(shí)驗(yàn)操作簡便、可較好的區(qū)分被追蹤物質(zhì)是新加入的還是試驗(yàn)系統(tǒng)固定的等優(yōu)點(diǎn)；（3）穩(wěn)定同位素沒有放射性，不會(huì)造成二次污染，并且可以檢測10-14～10-19g水平的劑量[18]；其次，同位素不會(huì)隨著生物體物理性質(zhì)的變化而變化，它是生物體的自然屬性。故它可以成為辨別農(nóng)產(chǎn)品來源的科學(xué)技術(shù)的有力手段。Suzuki等[19]通過對(duì)中國蘋果和日本蘋果O和C同位素組成分析，得出中國和日本的蘋果樣品O和C同位素組成有顯著差異，可較好的區(qū)分中國和日本蘋果，同時(shí)利用這種方法對(duì)日本國內(nèi)不同產(chǎn)地的蘋果也能進(jìn)行正確判別。Rummel等[20]通過對(duì)產(chǎn)自非洲、北美、歐洲和南美150份橙汁中δ2H、δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr進(jìn)行測定，得出不同產(chǎn)地的橙汁同位素組成有明顯地域差異，其同位素的組成與巖石特征、氣候和地形等差異有顯著關(guān)系，另外還發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的橙汁中δ15N顯著高于地區(qū)的橙汁產(chǎn)品，其原因是由于阿根廷廣泛施用有機(jī)肥，而希臘和意大利施用的是合成肥。

2.2 同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的局限性

穩(wěn)定同位素指紋圖譜技術(shù)雖然具有靈敏度高、實(shí)驗(yàn)操作簡便、可較好的區(qū)分被追蹤物質(zhì)是新加入的還是試驗(yàn)系統(tǒng)固定的等優(yōu)點(diǎn)，但是利用該技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地進(jìn)行鑒別，容易受到大陸效應(yīng)、緯度效應(yīng)和海拔效應(yīng)的綜合影響，同時(shí)會(huì)隨著地理位置的變化而變化[21]。因此，該技術(shù)的局限性不可忽略。例如，動(dòng)物源農(nóng)產(chǎn)品中的同位素組成不僅與它們代謝過程中同位素分餾有關(guān)，而且還受到它們所食用的植物飼料中同位素組成的影響。對(duì)于動(dòng)物源農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地追溯方面，許多問題還有待進(jìn)一步研究，如目前還不完全清楚動(dòng)物不同部位、不同化學(xué)成分中同位素組成情況，而在進(jìn)行溯源研究時(shí)，還沒有統(tǒng)一的組織部位及化學(xué)成分作為檢測對(duì)象進(jìn)行參考[22]；氣候、飲水、飼料、地質(zhì)、土壤及動(dòng)物體本身等因素對(duì)組織中的同位素組成的影響還沒有完全的規(guī)律可循；動(dòng)物在一生當(dāng)中可能會(huì)更換不同的生活環(huán)境或者經(jīng)常會(huì)食用來源不同地區(qū)的飼料，致使對(duì)動(dòng)物的產(chǎn)地來源判斷比較困難[23]。以上因素在動(dòng)物源農(nóng)產(chǎn)品中還需要進(jìn)一步的研究與探討。而在植物源農(nóng)產(chǎn)品中，植物組織中的同位素組成與其生長的地理環(huán)境、氣候環(huán)境（海拔、緯度、大氣壓力、溫度、濕度及降雨量等因素）、與其來源物質(zhì)（H2O，CO2，NH4+，NO2-）的同化過程密切相關(guān)。例如，土壤中的含碳植物碳的固定過程（如C3、C4）決定了C同位素的組成；局部地下水（如冰雪融水和大氣降水）決定了O和H同位素組成。利用該技術(shù)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的實(shí)際研究情況比較復(fù)雜，需要有相應(yīng)的試驗(yàn)田連續(xù)多年進(jìn)行研究，分析各種影響因素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的影響，把影響因素水平降到合理的范圍內(nèi)，實(shí)際工作、分析難度較高[24]。另外，穩(wěn)定性同位素技術(shù)需要一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)庫支撐，該技術(shù)實(shí)驗(yàn)室一次性投入比較大，且對(duì)檢測設(shè)備要求比較高，以上各個(gè)因素就限制了該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的廣泛應(yīng)用[25]。

3 同位素指紋圖譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

穩(wěn)定同位素技術(shù)之所以能成為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源研究的最有效的手段之一，其主要原因是由于生物體中的同位素組成能夠反映其生長環(huán)境中的很多因素，如地質(zhì)、氣候、飼料種類、飲水及動(dòng)植物的代謝類型等[22]，被認(rèn)為是追溯農(nóng)產(chǎn)品來源的一種有效方法。國內(nèi)外對(duì)其在追溯農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地來源上的應(yīng)用報(bào)道日益增多。該技術(shù)在以下農(nóng)產(chǎn)品上應(yīng)用廣泛。

Horacek等利用穩(wěn)定同位素指紋分析技術(shù)對(duì)澳大利亞、韓國、新西蘭、美國和墨西哥的牛肉樣品進(jìn)行分析，得到不同地區(qū)牛肉樣品中同位素比值有顯著差異[26]，穩(wěn)定同位素指紋分析技術(shù)用于牛肉產(chǎn)地溯源是有效可行的。KOSIR，IJ等利用核磁共振光譜和同位素質(zhì)譜技術(shù)測定斯洛文尼亞3個(gè)不同地區(qū)紅酒中的同位素比值，結(jié)合主成分分析方法可成功地進(jìn)行判別[27]。

Brescia等利用IRMS測定不同原產(chǎn)地的牛奶中的15N/14N、Ba和13C/12C元素含量，結(jié)果表明不同原產(chǎn)地的牛奶中同位素的比值有顯著差別，證明了IRMS適用于乳制品的產(chǎn)地判別[28]。Martinelli等測定了來自歐洲、南美、澳大利亞和美國的氣泡葡萄酒中的同位素，發(fā)現(xiàn)具有顯著差異[29]。

Yaeko等[30]用IRMS研究了美國、日本、澳大利亞共14個(gè)大米樣品，得出選擇的日本大米樣品產(chǎn)地主要分布在日本西海岸。Bontempo等[31]采用同位素比率質(zhì)譜儀測定來自3個(gè)地區(qū)的番茄糊、番茄醬和番茄汁等番茄制品中18O/16O、34S/32S、D/H、13C/12C和15N/14N的比率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加工方式不同的番茄制品中δ18Owater、δ18Obulk、δD含量有極顯著差異。

Scampicchio等[32]選取意大利不同地區(qū)的不同熱處理方式的牛奶，進(jìn)行牛奶及其組分（乳清、酪蛋白、脂肪）中δ15N和δ13C值的測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同熱處理方式的牛奶中δ15N、δ13C值都有顯著差異；然后對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主成分分析、線性判別分析等，進(jìn)而建立判別模型，經(jīng)過驗(yàn)證該模型對(duì)不同加工類型、不同地域牛奶樣品均可有效判別，正確判別率達(dá)100%。

Simon Branch等[33]測定了來自歐洲、加拿大和美國小麥樣品中的鉛、δ15N、鍶、硒、δ13C和鎘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅僅用δ13C就能完全區(qū)分3個(gè)來源不同地域的小麥樣品。上述研究中通過對(duì)不同地域的小麥中C、N同位素的分析，發(fā)現(xiàn)不同地域中某一同位素的含量有著明顯的不同。Kawasaki等[34]在中國、越南和澳大利亞進(jìn)行了大米的樣品采集，并測定了樣品中Sr同位素87Sr和86Sr的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)87Sr/86Sr比值在0.715～0.717的高比值大米出現(xiàn)在澳大利亞地區(qū)，而越南和中國大米中87Sr/86Sr的值在0.710～0.711之間。

Oda等[34]通過對(duì)來自中國、澳大利亞、美國、越南和日本大米樣品中的87Sr/86Sr和11B/10B值的測定，得到不同地域間87Sr/86Sr和11B/10B比值不同，且有明顯地域差異。故以11B/10B和87Sr/86Sr為特征值可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同產(chǎn)地的大米樣品的判別。

Christoph等通過對(duì)1997年到2001年生產(chǎn)的克羅地亞葡萄酒和匈牙利葡萄酒中δ18O%和δD%值的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿海種植和大陸種植區(qū)的克羅地亞葡萄酒中的δ18O%值存在顯著差異，而匈牙利葡萄酒同位素與種植地區(qū)同位素相比具有較小差異或幾乎無差異。其原因主要是由于靠近亞得里亞海的干熱氣候引起的[35]。Schmidt等通過測定歐洲35個(gè)、巴西10個(gè)和美國23個(gè)牛肉樣品中的δ34S%，δ15N%和δ13C%值，成功的判別出了它們的地理來源，同時(shí)對(duì)愛爾蘭牛肉中飼料喂養(yǎng)牛肉和牧場牛肉也有很好的判別[36]。王慧文利用同位素質(zhì)譜測定了不同地區(qū)脫脂雞肉中的δ15N%和δ13C%以及飼料中δ13C%值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C、N同位素?cái)?shù)值在各地區(qū)存在顯著差異，而飼料中δ13C%值與雞肉粗蛋白中的δ13C%值高度相關(guān)，故可以利用同位素技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地域雞肉的地理追溯[37]。

4 前景展望

近些年，穩(wěn)定同位素指紋圖譜技術(shù)在判別農(nóng)產(chǎn)品的真?zhèn)魏妥匪蒉r(nóng)作物的品種、地理起源上起了很重要的作用，可見該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯體系中有很大的發(fā)展空間。而且發(fā)現(xiàn)該技術(shù)與其它的產(chǎn)地追溯技術(shù)相結(jié)合判別的農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地來源更加準(zhǔn)確。因此，研究快速、準(zhǔn)確、廉價(jià)的鑒定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的方法是今后的一個(gè)發(fā)展方向。目前我國的穩(wěn)定同位素指紋圖譜溯源技術(shù)才剛剛起步，仍需建立健全的各種農(nóng)產(chǎn)品同位素指紋圖譜產(chǎn)地溯源數(shù)據(jù)庫，這樣該技術(shù)才能在我國日益發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

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The Usage of Isotope Fingerprint Technology in the Origin Traceability of Agricultural Production

MA Nan，LU Bao-xin*，LIU Xue-jiao，F(xiàn)U Lei
（College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural Universitiy，Daqing 163319，Heilongjiang，China）

Stable Isotope fingerprint technology had the advantage of high sensitivity，simple experimental operation.It could be also used to distinguish the tracking material whether it was a new addition or it was inherent to the test system，etc.It had been widely used in the origin of agricultural products traceability，it was of great significance to distinguish agricultural products from different regions of China.This paper mainly expounded the basic principles of the isotope fingerprinting technology and its advantages and limitations in the agricultural product origin traceability，the application situation of the origin of agricultural products was briefly introduced and the prospect was put forward.

isotope fingerprint technology；agricultural products；origin traceability；application prospect

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.047

2016-08-20

馬楠（1992—），女（漢），碩士在讀，研究方向：糧食、油脂及植物蛋白工程。

*通信作者