盧 麗,劉 青,丁 博,李志勇*,李波平,關(guān)麗軍,謝湘娜
(1.廣州海關(guān) 廣東省動(dòng)植物與食品進(jìn)出口技術(shù)措施研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510623;2.廣州醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院,廣東 廣州 511436)
櫻桃酸甜可口、營(yíng)養(yǎng)豐富,備受?chē)?guó)人青睞。它們?cè)趶V東及香港地區(qū)被直譯為“車(chē)?yán)遄印?,即英語(yǔ)單詞“Cherry”(櫻桃)的音譯,但并非指中國(guó)櫻桃,而指產(chǎn)于美國(guó)、加拿大、智利等美洲國(guó)家的個(gè)大、皮厚的進(jìn)口櫻桃。櫻桃色澤鮮艷、晶瑩美麗,加之果實(shí)富含糖、蛋白質(zhì)、維生素及鈣、鐵、磷、鉀等多種元素,使其成為一種價(jià)值較高的特色進(jìn)口水果之一。2014年中國(guó)已成為櫻桃進(jìn)口量第三大國(guó),櫻桃進(jìn)口額世界第一[1]。
中國(guó)目前也有車(chē)?yán)遄庸麡?shù)的引種,山東、大連的部分品種櫻桃在外觀上與進(jìn)口車(chē)?yán)遄踊疽粯?,難以肉眼區(qū)分。不法商家為獲得更大的市場(chǎng)利益,以次充好以及假冒產(chǎn)地的情況時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響了行業(yè)的健康發(fā)展及消費(fèi)者利益。因此,高價(jià)值特色農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地鑒別技術(shù)的研究越來(lái)越多引起研究者的關(guān)注。
近年來(lái),利用現(xiàn)代分析技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)地鑒別有較多報(bào)道[2-4]。礦物元素指紋圖譜技術(shù)可通過(guò)分析不同來(lái)源生物體中礦物元素的組成和含量,再利用方差分析、聚類(lèi)分析和判別分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法篩選出有效指標(biāo),進(jìn)而建立判別模型和數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的溯源和確證[3]。目前,用于產(chǎn)地溯源的礦物元素分析方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(Inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy,ICP-OES)[5-21]。本文利用ICP-MS和ICP-OES測(cè)定櫻桃中51種元素含量,并基于化學(xué)計(jì)量學(xué)中主成分分析(Principal component analysis,PCA)和偏最小二乘法-判別分析(Partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)法建立了美國(guó)、加拿大、中國(guó)3個(gè)產(chǎn)地櫻桃的判別模型。該技術(shù)的建立可為規(guī)范中國(guó)櫻桃消費(fèi)市場(chǎng),提高相關(guān)部門(mén)的反欺詐監(jiān)管水平,維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益,具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
92份櫻桃樣品分別來(lái)自美國(guó)(50個(gè))、中國(guó)(31個(gè))和加拿大(11個(gè))。其中11個(gè)加拿大及20個(gè)美國(guó)樣品為廣州機(jī)場(chǎng)口岸進(jìn)口,其余為廣州大型超市、百果園水果超市或淘寶原產(chǎn)地購(gòu)買(mǎi)而得。
濃硝酸(UP級(jí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%,蘇州晶瑞公司);實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率>18.2 MΩ·cm,20 ℃);43種ICP-MS多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液IV-ICP-MS-71A(10 μg/mL,iNORGANic Ventures);多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液IV-CCS-5(100 mg/L,iNORGANic Ventures);16種元素ICP-MS混標(biāo)(100 mg/L,O2si);定制3種元素ICP-MS稀土內(nèi)標(biāo)混標(biāo)Re、Rh、In(100 μg/mL)均購(gòu)自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。鋰(100 μg/mL,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院);鈉、鎂、磷、鉀、鈣(1 000 μg/mL,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院);生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10021(GSB-12豆角)和GBW10020(GSB-11柑橘葉)均購(gòu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)。含有Ba、Be、Ce、Co、Li、Mg、Rh、U的調(diào)諧液(10 μg/mL)購(gòu)于美國(guó)珀金埃爾默儀器公司。
Pro Blends 5勻漿機(jī)(飛利浦);MS 303TS/02型電子天平(美國(guó)梅特勒-托利多公司);Milstone超級(jí)微波消解儀(意大利Milestone公司);Milli-Q超純水系統(tǒng)(Millipore公司);Perkinelmer SPB·50-48石墨消解儀、PE ELAN-DRC-e電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、PE 5300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)PE公司)。實(shí)驗(yàn)所用消化管為石英材質(zhì),盡量不使用玻璃材質(zhì)器具。
1.3.1 樣品采集2018年5月~8月,收集廣州機(jī)場(chǎng)口岸進(jìn)口的美國(guó)和加拿大產(chǎn)區(qū)櫻桃樣品,同時(shí)在廣州永旺、百佳、CASMIA TASTE等大型超市或淘寶原產(chǎn)地,以約每周一次的頻率購(gòu)買(mǎi)美國(guó)或國(guó)產(chǎn)櫻桃樣品。
將收集到的櫻桃樣品先用去離子水洗凈,瀝干水分,去核,將果肉放入勻漿機(jī)攪拌成勻漿,待測(cè)。
1.3.2 樣本消解及元素含量測(cè)定參考GB 5009.268-2016食品中多元素檢測(cè)方法[22],準(zhǔn)確稱(chēng)取1.0 g櫻桃勻漿樣品于石英消化管中,加入3 mL濃硝酸,放入超級(jí)微波消解儀中,采用程序升溫法進(jìn)行超級(jí)微波消解,待消解完成后,再放入石墨消解儀以130 ℃加熱趕酸約2 h,最后用去離子水轉(zhuǎn)移樣品,定容至25 mL。采用同樣方法制備試劑空白和質(zhì)控樣品。
1.3.3 數(shù)據(jù)處理用SIMCA軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和線性判別分析(PLS-DA),比較不同產(chǎn)地櫻桃中礦物元素的差異顯著性,建立櫻桃產(chǎn)地判別模型,鑒別櫻桃產(chǎn)地來(lái)源并驗(yàn)證產(chǎn)地判別效果。
采用ICP-MS和ICP-OES測(cè)定櫻桃樣品中Be、B、Na、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Pb、Th、U、Tl共51種礦物元素的含量。其中,Na、Mg、P、K、Ca用ICP-OES檢測(cè),其它元素用ICP-MS檢測(cè),均采用外標(biāo)法定量。ICP-MS用內(nèi)標(biāo)元素Rh和In保證儀器的穩(wěn)定性,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。用生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10021(GSB-12豆角)和GBW10020(GSB-11柑橘葉)作為質(zhì)控樣,對(duì)質(zhì)控樣中沒(méi)有參考值的元素Ga、Zr和Nb以及特殊元素Al和Si進(jìn)行6次平行測(cè)定的加標(biāo)回收試驗(yàn),作為測(cè)試方法準(zhǔn)確性的判定依據(jù)。
GBW10021(GSB-12豆角)和 GBW10020(GSB-11柑橘葉)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),除了鋁和硅2種元素檢測(cè)值低于證書(shū)給定值外,其他各待測(cè)元素的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)值相吻合,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均不大于10.33%。硅和鋁因其存在形式和元素本身的性質(zhì),在只用硝酸不加氫氟酸的微波消解條件下難以全部以游離態(tài)離子溶出,故只檢出酸可溶性硅和鋁的含量。采用加標(biāo)回收的方法驗(yàn)證Al和Si以及生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)缺少的Ga、Zr、Nb。這5種元素6次平行測(cè)試的加標(biāo)回收率為90.6%~99.4%,RSD為2.5%~9.0%。從質(zhì)控樣及加標(biāo)回收檢測(cè)結(jié)果可知,該方法測(cè)定櫻桃樣品中51種元素具有良好的準(zhǔn)確性和精密度。
表1 生物成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)值及檢測(cè)結(jié)果(n=3)
(續(xù)表1)
Elements(10-6)GBW10021(GSB-12 beans)certificate valueMeasured valueRSD/%GBW10020(GSB-11 citrus leaves)certificate valueMeasured valueRSD/%Si?(0.27)0.049 59.470.41±0.080.045 013.8Sm??29±428.96.4380±7752.18Sn(0.2)0.1879.083.8±0.53.821.08Sr55±352.42.50170±101750.76Tb??4.1±0.53.641.9411±19.610.75Th0.055±0.0100.059 47.230.14±0.020.1281.45Ti21±419.60.5138±1028.30.89Tl??4.2±0.83.481.1460±8560.26Tm??1.8±0.31.545.533.8±0.92.970.78U??90±585.52.1845±1038.71.02V0.51±0.060.5104.001.16±0.131.102.16Y0.155±0.0170.1493.420.42±0.040.4003.23Yb??11±29.165.3825±523.01.67Zn32±231.79.1118±216.10.11
*indicate the unit is 10-2,**indicate the unit is 10-9
2.2.1 不同國(guó)家櫻桃樣品的分布情況農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源鑒定研究中,樣品的來(lái)源真實(shí)性問(wèn)題決定產(chǎn)地溯源鑒定模型的準(zhǔn)確性,其評(píng)估方法主要有地理標(biāo)簽標(biāo)記和樣品成分分析兩種方法,本文采用樣品成分分析法評(píng)估櫻桃樣品來(lái)源的真實(shí)性。研究選擇植物生長(zhǎng)過(guò)程中必需的大量元素Mg和Ca以及微量元素Mn、Fe和Zn為代表元素,依據(jù)櫻桃樣品中此5種元素含量來(lái)評(píng)估美國(guó)、加拿大和中國(guó)產(chǎn)地來(lái)源的樣品代表性問(wèn)題,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布描述方法之一的QQ圖,判斷3個(gè)產(chǎn)地來(lái)源樣品是否符合正態(tài)分布,以評(píng)估櫻桃樣品的來(lái)源真實(shí)性問(wèn)題?;?1個(gè)中國(guó)樣品、50個(gè)美國(guó)樣品和11個(gè)加拿大樣品中Mg、Ca、Mn、Fe和Zn元素含量,發(fā)現(xiàn)3個(gè)國(guó)家樣品中礦物質(zhì)含量數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布,以植物大量必需元素Ca和微量必需元素Fe的QQ圖進(jìn)行解釋(圖1)。由圖可知,中國(guó)、美國(guó)和加拿大三地區(qū)來(lái)源的櫻桃樣品中必需元素的含量數(shù)據(jù)呈線性關(guān)系,該規(guī)律表明3個(gè)國(guó)家來(lái)源的櫻桃樣品呈正態(tài)分布趨勢(shì),由此推測(cè)從國(guó)內(nèi)海關(guān)口岸、市場(chǎng)及櫻桃生產(chǎn)基地購(gòu)買(mǎi)的樣品具有一定代表性,樣品的來(lái)源真實(shí)性比較可靠,可用于產(chǎn)地溯源模型的鑒定研究。
圖1 不同國(guó)家櫻桃樣品中典型代表大量必需元素Ca與微量必需元素Fe含量的QQ圖分布
2.2.2 不同產(chǎn)區(qū)樣品礦物元素含量分析對(duì)中國(guó)、美國(guó)和加拿大來(lái)源的櫻桃樣品進(jìn)行ICP-OES和ICP-MS分析,51種礦物質(zhì)元素含量見(jiàn)表3。櫻桃樣品中大量必需元素Mg、Si、P、K和Ca,以及微量必需元素B、Na、Fe、Mn、Cu、Zn的含量均在1 mg/kg以上,而Mo和Ni兩種微量必需元素含量比較低,尤其是Mo元素,除了加拿大櫻桃的Mo含量在22 μg/kg左右外,其余兩產(chǎn)地櫻桃中Mo含量均低于10 μg/kg。櫻桃樣品中非必需元素中除Al外,其余非必需元素含量均較低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)櫻桃樣品中單一必需元素含量在相同的數(shù)量級(jí)范圍內(nèi),因此單一元素含量信息無(wú)法判別樣品的產(chǎn)地來(lái)源,需開(kāi)展多元素含量分析,構(gòu)建櫻桃樣品的產(chǎn)地溯源鑒定模型。
表3 不同地區(qū)櫻桃樣品中礦物元素含量
*indicate the unit is mg/kg;-:no detected
圖2 PCA 判別模型
2.2.3 PCA主成分分析由表3可見(jiàn),同一元素在不同國(guó)家間以及同一地區(qū)不同批次間樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差較大,表明選擇此51種元素作為研究對(duì)象時(shí),單一元素因素組內(nèi)和組間差異顯著,不能通過(guò)某1個(gè)或幾個(gè)元素進(jìn)行產(chǎn)地來(lái)源的鑒定,需根據(jù)櫻桃中51種元素含量分布情況,進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析來(lái)鑒別櫻桃產(chǎn)地。將不同產(chǎn)地櫻桃中51種元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA),結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn),除2個(gè)美國(guó)櫻桃和2個(gè)加拿大櫻桃樣品離群外,中國(guó)與美國(guó)、加拿大兩國(guó)產(chǎn)地來(lái)源的櫻桃具有不同的聚集效應(yīng),因美國(guó)與加拿大地域相近,其櫻桃樣品分布區(qū)域相同,而中國(guó)與兩者的地理位置相距甚遠(yuǎn),使得櫻桃樣品分布區(qū)域顯著不同。由此可通過(guò)櫻桃中金屬元素含量分布情況,進(jìn)行櫻桃產(chǎn)地來(lái)源判別。另外,4個(gè)中國(guó)產(chǎn)地櫻桃樣品分布到美國(guó)加拿大區(qū)域,推測(cè)可能是產(chǎn)地信息標(biāo)記錯(cuò)誤。
圖3 PLS-DA 判別模型
圖4 PLS-DA 模型的元素VIP值分布情況
圖5 優(yōu)化后PLS-DA產(chǎn)地溯源鑒定模型
2.2.4 PLS-DA判別分析為進(jìn)一步優(yōu)化櫻桃產(chǎn)地溯源的判別模型,將93個(gè)櫻桃樣品的51種元素含量進(jìn)行偏最小二乘法判別分析(PLS-DA),構(gòu)建不同產(chǎn)地櫻桃的PLS-DA鑒定模型(圖3)。由圖可知,與PCA鑒定模型相似,PLS-DA模型中不同國(guó)家產(chǎn)地來(lái)源櫻桃樣品也具有一定聚類(lèi)效應(yīng);其中美國(guó)和加拿大櫻桃樣品有一定區(qū)分,但無(wú)法顯著區(qū)分;而中國(guó)櫻桃可顯著區(qū)分美國(guó)、加拿大兩國(guó)。與PCA模型一樣,也有4個(gè)中國(guó)櫻桃樣品分布到美國(guó)加拿大區(qū)域之內(nèi),推測(cè)可能是樣品來(lái)源信息標(biāo)記錯(cuò)誤導(dǎo)致。
51種元素含量信息顯示PLS-DA模型變量參數(shù)比較多,需優(yōu)化減少模型的變量參數(shù)。本研究通過(guò)變量對(duì)模型的重要性指標(biāo)(VIP)來(lái)優(yōu)化模型的變量數(shù)目,以減少金屬元素變量(圖4)。由圖4可知,以VIP>1的元素為顯著變量,確定PLS-DA模型的顯著變量元素有Pr、Nd、Ce、Y、Co、Mo、Mn、Dy、Gd、Ni、Ho、Sm、Sr、Er、Ga、U、Na、Yb、Be和Zn。其中Mo、Mn、Zn是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素,Co和Na是植物可能必需營(yíng)養(yǎng)元素,Pr、Nd、Ce、Y、Dy、Gd、Ho、Sm、Er、Yb為稀土元素,Be和Sr為堿金屬元素。由此可知,在16個(gè)植物必需元素中,櫻桃對(duì)其中的Mo、Mn、Zn 3個(gè)必需營(yíng)養(yǎng)元素吸收差異顯著,對(duì)鈉和鈷2個(gè)可能必需營(yíng)養(yǎng)元素吸收差異顯著;此外,櫻桃對(duì)10個(gè)稀土元素的吸收差異也比較顯著。以此20個(gè)顯著元素變量構(gòu)成的PLS-DA鑒定模型分析結(jié)果見(jiàn)圖5。
由圖3和圖5可知,PLS-DA產(chǎn)地溯源鑒定模型中元素變量參數(shù)優(yōu)化前后,產(chǎn)地溯源鑒定模型結(jié)果基本一致,由此推測(cè)此20種元素變量為主要貢獻(xiàn)率成分,在后續(xù)櫻桃樣品PLS-DA產(chǎn)地溯源模型構(gòu)建過(guò)程中,僅需檢測(cè)分析此20種元素的含量信息,即可構(gòu)建櫻桃樣品產(chǎn)地溯源鑒定模型。
2.2.5 不同產(chǎn)地櫻桃產(chǎn)地溯源模型中主成分貢獻(xiàn)率元素以PLS-DA模型分析所得20種顯著性的元素含量數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析(圖6)。研究表明,PCA產(chǎn)地溯源鑒定模型與PLS-DA結(jié)果一致,說(shuō)明挑選出的20種顯著性元素含量信息均可應(yīng)用于兩種模型鑒定中國(guó)與美國(guó)、加拿大兩地的櫻桃樣品。由圖6B可見(jiàn),美國(guó)和加拿大2個(gè)產(chǎn)地櫻桃樣品的溯源鑒定模型中主成分貢獻(xiàn)率元素為Mo、Ga、Sr和U;而中國(guó)產(chǎn)地櫻桃樣品的溯源鑒定模型中主成分貢獻(xiàn)元素為Pr、Nd、Ce、Y、Co、Mn、Dy、Gd、Ni、Ho、Sm、Er、Na、Yb、Be和Zn,其中又以稀土元素為主,這可能與櫻桃樣品來(lái)源有關(guān),中國(guó)櫻桃樣品主要來(lái)源于稀土元素礦產(chǎn)資源主要分布地區(qū)之一的山東省,導(dǎo)致山東櫻桃樣品中稀土元素含量較高,與美國(guó)、加拿大兩國(guó)櫻桃樣品相比,中國(guó)櫻桃中稀土元素含量比較顯著。
圖6 優(yōu)化后櫻桃樣品的PCA產(chǎn)地溯源鑒定模型的分析結(jié)果
優(yōu)化后櫻桃產(chǎn)地溯源鑒定PCA模型中20種元素的第一主成分和第二主成分的方差貢獻(xiàn)率如下:
t[1]=0.184Be+0.075Na+0.230Mn+0.256Co+0.234Ni+0.152Zn-0.126Ga-0.149Sr+0.284Y-0.112Mo+0.298Ce+0.298Pr+0.292Nd+0.248Sm+0.263Gd+0.279Dy+0.247Ho+0.241Er+0.183Yb-0.090U;
t[2]=-0.012Be+0.024Na-0.282Mn-0.173Co-0.240Ni-0.177Zn-0.552Ga-0.218Sr-0.112Y-0.040Mo-0.048Ce-0.095Pr-0.105Nd+0.107Sm+0.102Gd-0.018Dy+0.057Ho+0.188Er+0.360Yb+0.249U。
圖7 優(yōu)化后櫻桃樣品的PCA產(chǎn)地溯源鑒定模型的三維示意圖
采用優(yōu)化后PCA鑒定模型的第一主成分和第二主成分以及中國(guó)、美國(guó)和加拿大櫻桃構(gòu)成三維PCA模型(圖7),結(jié)果顯示,3個(gè)產(chǎn)區(qū)三維圖與二維圖一樣,均可顯示出中國(guó)產(chǎn)地櫻桃顯著不同于美國(guó)和加拿大。
選擇2018年和2019年收集的20個(gè)櫻桃樣品作為鑒別模型的盲樣驗(yàn)證樣品,分別是6個(gè)加拿大樣品(1個(gè)2019年樣品)、8個(gè)美國(guó)樣品(3個(gè)2019年樣品)和6個(gè)中國(guó)樣品(2個(gè)2019年樣品),利用構(gòu)建的2018年櫻桃樣品PLS-DA產(chǎn)地溯源鑒定模型預(yù)測(cè)判斷20個(gè)樣品的產(chǎn)地來(lái)源。結(jié)果顯示,該模型可正確鑒定5個(gè)加拿大產(chǎn)地樣品,4個(gè)美國(guó)樣品和5個(gè)中國(guó)樣品;對(duì)加拿大、美國(guó)、中國(guó)3個(gè)產(chǎn)地樣品識(shí)別率分別為83.3%、50%、83.3%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),PLS-DA產(chǎn)地溯源鑒定模型對(duì)2019年收集來(lái)源的1個(gè)加拿大樣品、3個(gè)美國(guó)樣品和1個(gè)中國(guó)樣品,預(yù)測(cè)識(shí)別錯(cuò)誤;由此可知,櫻桃的產(chǎn)地溯源模型識(shí)別率還與樣品的年份密切相關(guān)。
采用ICP-MS和ICP-OES多元素分析技術(shù),對(duì)美國(guó)、加拿大、中國(guó)3個(gè)產(chǎn)地92個(gè)櫻桃中的51種元素進(jìn)行了測(cè)定,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布描述方法之一的QQ圖,判斷三產(chǎn)地來(lái)源的樣品符合正態(tài)分布,確立櫻桃樣品的來(lái)源真實(shí)可靠,并進(jìn)行PCA和PLS-DA分析,成功建立了判別模型,并通過(guò)PLS-DA模型的VIP值優(yōu)化櫻桃樣品中元素變量數(shù)目,將模型變量降至20種元素;發(fā)現(xiàn)中國(guó)產(chǎn)地來(lái)源的櫻桃樣品中稀土元素含量顯著高于美國(guó)、加拿大。該方法基本可滿足對(duì)美國(guó)、加拿大和中國(guó)產(chǎn)區(qū)櫻桃的產(chǎn)地溯源要求。