基于鍶元素含量及其穩(wěn)定同位素比值的庫爾勒香梨產(chǎn)地鑒別

趙多勇，康 露，王 智，喬坤云，劉志虎，袁玉偉，郭 航，張 瑞，王 成

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室（烏魯木齊），新疆農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830091；2.酒泉市林果服務(wù)中心，甘肅 酒泉 735008；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與營養(yǎng)研究所，浙江 杭州 310021）

庫爾勒香梨是中歐互認(rèn)的地理標(biāo)志產(chǎn)品之一，屬地域性極強(qiáng)的品種，具有1 400多年的栽培歷史[1]。優(yōu)質(zhì)庫爾勒香梨的原產(chǎn)地鑒別對保障公平貿(mào)易至關(guān)重要，正確識(shí)別原產(chǎn)地并確證產(chǎn)品原產(chǎn)地信息的真實(shí)性對于提升庫爾勒香梨的品牌影響力具有重要意義。自2013年歐盟爆發(fā)“馬肉丑聞事件”以來，食品真實(shí)性已成為各國政府和食品產(chǎn)業(yè)關(guān)心的熱點(diǎn)問題[2]。

穩(wěn)定同位素指紋分析技術(shù)是目前國際通用的鑒別食品產(chǎn)地真實(shí)性技術(shù)[3-4]。鍶（Sr）穩(wěn)定同位素起初主要用于追溯巖石及礦物的來源[5-6]，后被逐漸引入到食品安全領(lǐng)域[7]。Sr穩(wěn)定同位素包括84Sr、86Sr、87Sr和88Sr共4 種，其相對豐度分別為82.584 5%、7.001 5%、9.856 6%和0.557 4%[7-8]。在食品產(chǎn)地真實(shí)性鑒別中，Sr穩(wěn)定同位素（87Sr/86Sr）是最常用的同位素之一[7,9]，也被認(rèn)為是很有潛力的溯源指標(biāo)[10]。Sr元素及其同位素因其特殊的地球化學(xué)特性已引起關(guān)注，并逐漸被應(yīng)用到食品、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的真實(shí)性鑒別等領(lǐng)域。比如已有文獻(xiàn)報(bào)道[11-14]Sr穩(wěn)定同位素研究葡萄與葡萄酒產(chǎn)地關(guān)系分析葡萄與葡萄酒中Sr穩(wěn)定同位素組成[11-12]，探討土壤、品種、年際等影響葡萄酒同位素組成的客觀因素。此外，國外針對橄欖油[15-16]、咖啡豆[17-18]、火腿[19]等食品的產(chǎn)地溯源也已開展研究。在國內(nèi)，Sr穩(wěn)定同位素已在茶葉[20-21]、牛肉[22]、蜂蜜[23-24]、小麥[25]等產(chǎn)品的產(chǎn)地鑒別中開展研究。新疆特色農(nóng)產(chǎn)品資源十分豐富，截至目前，大量的名特優(yōu)新農(nóng)產(chǎn)品的品牌仍未有效建立與產(chǎn)地之間的聯(lián)系，這將導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)無法提供科學(xué)、有效的打假證據(jù)。對不同產(chǎn)地來源庫爾勒香梨果實(shí)Sr元素及其同位素組成特征，及Sr同位素鑒別新疆庫爾勒香梨產(chǎn)地的可行性均鮮見報(bào)道。

本研究以不同產(chǎn)地、來源的庫爾勒香梨為研究對象，分析其Sr元素含量及87Sr/86Sr同位素特征值，比較不同產(chǎn)地、來源土壤Sr元素含量差異及香梨果實(shí)中Sr同位素組成及差異，探討Sr穩(wěn)定同位素鑒別庫爾勒香梨產(chǎn)地真實(shí)性的可行性，為Sr元素及其同位素作為庫爾勒香梨準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定的溯源指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。不同產(chǎn)地Sr穩(wěn)定同位素具有差異性是鑒別產(chǎn)地真實(shí)性的關(guān)鍵問題，因此，本研究的關(guān)鍵在于分析并比較新疆庫爾勒香梨與甘肅香梨、陜西紅香酥梨樣品的87Sr/86Sr同位素比值及差異，進(jìn)而分析Sr穩(wěn)定同位素鑒別新疆庫爾勒香梨產(chǎn)地的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Sr特效樹脂（粒徑100～150 μm） 法國TrisKem International公司；Ge、In和Bi標(biāo)準(zhǔn)品 安捷倫科技（中國）有限公司。

2015年8—9 月，在新疆、甘肅和陜西3 個(gè)省區(qū)生產(chǎn)基地的81 戶果園采集梨樣品共計(jì)81 批次，每批次樣品約5 kg，其中，新疆庫爾勒香梨采自庫爾勒市、尉犁縣、輪臺(tái)縣、沙雅縣、新和縣、庫車市、阿瓦提縣、阿克蘇市8 個(gè)縣市，共66 批次樣品；甘肅香梨采自甘肅省酒泉市，共7 批次樣品；陜西紅香酥梨采自陜西省渭南市臨渭區(qū)孝義鎮(zhèn)，共8 批次樣品。

2015年在新疆、甘肅、陜西用土鉆采集81 批次土壤（0～40 cm）樣品（與上述81 批次梨樣品對應(yīng)），一戶梨園對應(yīng)一批次土壤樣品，并分別收集2013—2018年新疆產(chǎn)地上述8 個(gè)縣市土壤樣品，每年60 批次，連續(xù)5 年采集土壤樣品共計(jì)321 批次。

1.2 儀器與設(shè)備

7700X電感耦合等離子質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）儀 美國Agilent公司；Savillex消解罐 美國Savillex公司；Neptune plus型多接收器電感耦合等離子質(zhì)譜（multi collector inductively coupled plasma mass spectrometry，MC-ICP-MS）儀美國Thermo Fisher公司；Scientz-18N真空冷凍干燥機(jī)凍干 寧波新芝生物科技股份有限公司；QM-3SP2行星式球磨儀 南京大學(xué)儀器廠；Milli Q去離子水生產(chǎn)器 美國Millipore公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

用削皮機(jī)分離梨的果實(shí)樣品皮層，棄去果核，分別收集果皮和果肉，勻漿后用真空冷凍干燥機(jī)凍干，粉碎并過100 目尼龍篩，收集篩下物并迅速裝入棕色小玻璃瓶中，用封口膜封口。所有土壤樣品揀出石子、樹枝等雜物，風(fēng)干后用行星式球磨儀研磨，過100 目篩，收集篩下物待測。

1.3.2 Sr元素含量測定

采用ICP-MS測定。為保證測定結(jié)果的可靠性，元素含量在測定過程中用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（內(nèi)標(biāo)物為Ge、In和Bi標(biāo)準(zhǔn)品）進(jìn)行分析控制，每測定10 個(gè)樣品，測定1 次標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.3.3 Sr穩(wěn)定同位素測定

Sr同位素化學(xué)分離和測試在北京科薈測試技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)室完成。稱取150 mg樣品（對于Sr含量低的樣品，適當(dāng)增加稱樣量），加入15 mL消解罐中，加入1 mL濃硝酸和1 mL高氯酸，密閉加熱12 h，蒸干，重復(fù)每次加2 mL濃硫酸后蒸干的操作3 次。取溶好的樣品加2 滴濃HNO3蒸干后加入1.5 mL 3.5 mol/L HNO3溶液，待上柱分離。Sr同位素分離采用Sr特效樹脂，用7 mL 3.5 mol/L HNO3溶液淋洗7 次，然后用4 mL Milli-Q去離子水淋洗Sr，每次加4 mL去離子水后蒸干的操作重復(fù)5 次；將提純的Sr蒸干后，加2 滴濃硝酸再次蒸干，之后加入1 mL 2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HNO3溶液，待測。Sr同位素組成測試在MC-ICP-MS上進(jìn)行。Sr同位素儀器分餾校正采用指數(shù)方程，以88Sr/86Sr＝8.375 209進(jìn)行校正。

對于Sr同位素組成的測定，全部采用靜態(tài)方式，法拉第杯結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。Sr穩(wěn)定同位素包括84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其質(zhì)量數(shù)分別為84、86、87和88，L3和L1主要測定其干擾元素，故法拉第杯不測量元素和天然豐度。H2質(zhì)量數(shù)為88Sr，此處不涉及干擾元素，因此法拉第杯也不對此測量。本實(shí)驗(yàn)測量83Kr以監(jiān)控84Kr、86Kr對84Sr、86Sr的干擾，測量85Rb以監(jiān)控87Rb對87Sr的干擾。在測試樣品之前，使用NIST 987 200 μg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液對MC-ICP-MS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，包括等離子體部分（矩管位置和載氣流速等參數(shù)）參數(shù)和離子透鏡參數(shù)，以達(dá)到最大靈敏度。儀器的操作條件及其參數(shù)見表2。

表1 MC-ICP-MS測定Sr同位素的法拉第杯結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Faraday cup parameters for the determination of Sr isotopes by MC-ICP-MS

表2 儀器測試參數(shù)Table 2 Instrumental testing parameters

化學(xué)分離后的樣品用2% HNO3溶液引入質(zhì)譜，使得88Sr的信號(hào)強(qiáng)度為8 V左右（溶液中Sr質(zhì)量濃度約為200 μg/L），使用自由霧化器進(jìn)樣方式。樣品測試完成后，使用2% HNO3溶液清洗進(jìn)樣系統(tǒng)后，測量下一個(gè)樣品。87Sr/86Sr比值采用88Sr/86Sr＝8.375 209進(jìn)行指數(shù)歸一化校正。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地、年際梨園土壤中Sr含量比較

分析不同產(chǎn)地可知，新疆、甘肅和陜西產(chǎn)地梨園土壤Sr含量存在顯著差異（P＜0.05），新疆產(chǎn)地梨園土壤Sr含量最高，平均值為346.56 mg/kg；甘肅酒泉市次之，為193.22 mg/kg；陜西渭南市最低，為148.09 mg/kg（圖1A）。分析新疆8 個(gè)縣市土壤Sr含量可知，庫爾勒市梨園土壤Sr含量顯著高于其他7 個(gè)縣市（P＜0.05），其他7 個(gè)縣市的土壤Sr含量不存在顯著差異（圖1B），庫爾勒市土壤Sr含量最高，平均值為495.08 mg/kg；新和縣土壤Sr含量最低，為250.77 mg/kg。

圖1 不同產(chǎn)地梨園土壤Sr含量及差異比較Fig.1 Comparison of Sr contents in pear orchard soil samples from different geographical origins

如圖2所示，2013—2018年間新疆產(chǎn)地梨園土壤中Sr含量不存在顯著差異，即同一產(chǎn)地梨園土壤中Sr元素的含量年際間不存在顯著差異。

圖2 不同年際新疆梨園土壤Sr含量及差異比較Fig.2 Comparison of Sr contents in pear orchard soil samples from different years in Xinjiang

2.2 不同產(chǎn)地香梨果實(shí)Sr含量比較

由圖3A可知，無論是新疆、甘肅還是陜西，梨果皮與果肉Sr含量均存在顯著差異（P＜0.05），且果皮中Sr含量約為果肉的3～5 倍。然而，新疆、甘肅和陜西3 個(gè)產(chǎn)地果皮中Sr含量不存在顯著差異，同樣，3 個(gè)產(chǎn)地果肉中Sr含量也不存在顯著差異。通過比較新疆8 個(gè)縣市庫爾勒香梨果皮中的Sr含量可知，庫車市Sr含量顯著高于其他7 個(gè)縣市（P＜0.05），庫爾勒市所產(chǎn)香梨果皮中Sr含量最低（圖3B）。結(jié)合圖2可知，并非土壤Sr總含量越高，果實(shí)中Sr總量越高。

圖3 不同產(chǎn)地梨果皮、果肉Sr含量及差異比較Fig.3 Comparison of Sr contents in pear peel and pulp from different geographical origins

2.3 香梨果實(shí)與土壤Sr含量相關(guān)性分析

由表3可知，香梨果皮和果肉中Sr含量存在極顯著相關(guān)（P＜0.01），而香梨果皮與土壤、果肉與土壤間Sr含量不存在顯著相關(guān)性。這說明，土壤Sr含量高時(shí)，果實(shí)中的Sr總量不一定也高。

表3 庫爾勒香梨果皮、果肉和梨園土壤中Sr含量相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients of Sr contents in peel, pulp and soil of Korla fragrant pears

2.4 不同產(chǎn)地梨果實(shí)Sr穩(wěn)定同位素分析

由表4可知，香梨果皮和果肉中87Sr/86Sr同位素比值不存在顯著差異（P＞0.05），但不同產(chǎn)地梨果皮/果肉中87Sr/86Sr值存在極顯著差異（P＜0.01），由此可知，用果皮或果肉均可對香梨進(jìn)行產(chǎn)地鑒別。

表4 庫爾勒香梨、甘肅香梨和紅香酥梨果實(shí)中87Sr/86Sr值差異比較Table 4 Comparison of 87Sr/86Sr isotopic ratios in peel and pulp of Korla fragrant pear, Gansu fragrant pear and Hongxiangsu pear

由于香梨果皮Sr含量約為果肉中Sr總量的3～5 倍，且果皮與果肉87Sr/86Sr比值不存在顯著差異，而分析樣品前處理方法可知，果皮Sr含量高，更容易分離提取，因此用果皮87Sr/86Sr同位素比值鑒別香梨產(chǎn)地更高效。從圖4可知，甘肅香梨87Sr/86Sr值明顯高于新疆和陜西，新疆庫爾勒香梨、甘肅香梨和陜西紅香酥梨分布在不同的區(qū)域，而陜西紅香酥梨和新疆庫爾勒香梨87Sr/86Sr值雖然存在顯著差異，但比值略高于新疆庫爾勒香梨。通過進(jìn)一步比較后發(fā)現(xiàn)，新疆庫車市、沙雅縣和新和縣共3 個(gè)縣香梨果皮的87Sr/86Sr值比較接近于陜西紅香酥梨。為鑒別同一品種梨的產(chǎn)地真實(shí)性，87Sr/86Sr值可作為新疆和甘肅2 個(gè)產(chǎn)地香梨的有效判別指標(biāo)，但鑒別陜西紅香酥梨和新疆庫爾勒香梨產(chǎn)地時(shí)，陜西紅香酥梨易被誤判為庫車、沙雅和新和縣共3 個(gè)縣的香梨。

圖4 不同產(chǎn)地來源梨果皮87Sr/86Sr值與1/Sr值之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between 87Sr/86Sr isotopic ratio and 1/Sr value in peel of Korla fragrant pear, Gansu fragrant pear and Hongxiangsu pear

3 討論與結(jié)論

3.1 Sr元素含量的產(chǎn)地差異與影響因素

Sr元素作為產(chǎn)地溯源研究中的重要指標(biāo)之一，在葡萄酒、橄欖油等各類食品的產(chǎn)地真實(shí)性鑒別中得到廣泛的應(yīng)用。果皮、果肉與產(chǎn)地土壤Sr元素總含量不存在顯著相關(guān)性，說明有2 種可能性：1）土壤并非果實(shí)中Sr元素的唯一來源，除了土壤以外，還有可能通過灌溉水等其他途徑輸入[24]；2）果實(shí)中Sr元素含量通常與土壤有效態(tài)Sr元素有顯著相關(guān)性，而與土壤Sr元素總含量不存在顯著相關(guān)性。因此，梨園土壤有效態(tài)Sr元素含量與果實(shí)Sr元素含量及其相關(guān)性有待于后續(xù)研究的進(jìn)一步證實(shí)。

3.2 Sr穩(wěn)定同位素的產(chǎn)地差異與影響因素

大量的研究表明，農(nóng)產(chǎn)品中的87Sr/86Sr值與土壤有效態(tài)Sr的87Sr/86Sr值有很好的相關(guān)性[25,26-28]。例如，研究發(fā)現(xiàn)葡萄酒87Sr/86Sr值與葡萄產(chǎn)地土壤87Sr/86Sr值具有很好的相關(guān)性，且不受葡萄品種及采摘年份的影響[13-14,29-30]。劉宏艷[25]研究表明，地理因子對小麥籽粒Sr同位素變異貢獻(xiàn)最大，而品種對其同位素不存在顯著影響。小麥籽粒87Sr/86Sr值與土壤有效態(tài)Sr元素同位素值相關(guān)性最大，同時(shí)也受到地下水的影響[25]。本研究探討庫爾勒香梨果皮與果肉Sr元素含量及87Sr/86Sr值的相互關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基本與之前的研究結(jié)果一致，即年際因子、果實(shí)部位對香梨果實(shí)的87Sr/86Sr值影響極小，與采用果皮或者果肉的87Sr/86Sr值鑒別產(chǎn)地的效果一致。此外，對于87Sr/86Sr值較為接近的產(chǎn)地（例如陜西渭南孝義鎮(zhèn)和新疆庫車、沙雅縣、新和縣），只選擇87Sr/86Sr值進(jìn)行產(chǎn)地真實(shí)性鑒別會(huì)受到較大限制，若同時(shí)結(jié)合土壤Sr元素含量則可進(jìn)行有效判別，或者結(jié)合其他元素或穩(wěn)定同位素進(jìn)行有效判別。

3.3 Sr元素結(jié)合穩(wěn)定同位素鑒別庫爾勒香梨的可行性

多項(xiàng)研究表明，基于Sr元素結(jié)合87Sr/86Sr值鑒別葡萄酒[14]、紅棗[31]產(chǎn)地可行，本研究發(fā)現(xiàn)，87Sr/86Sr值可有效判別香梨的新疆、甘肅兩省產(chǎn)地，因?yàn)樾陆◣鞝柪帐小⑽纠缈h、輪臺(tái)縣、沙雅縣、新和縣、庫車市、阿瓦提縣、阿克蘇市8 個(gè)縣市）與甘肅（酒泉市）共2 個(gè)產(chǎn)地香梨87Sr/86Sr值有顯著差異。同時(shí)，陜西渭南產(chǎn)紅香酥梨87Sr/86Sr值與新疆8 個(gè)縣市產(chǎn)庫爾勒香梨87Sr/86Sr值的總體樣本間有顯著差異，但是新疆庫爾勒香梨產(chǎn)地的庫車市、沙雅縣、新和縣3 個(gè)縣的香梨87Sr/86Sr值和陜西省渭南紅香酥梨果實(shí)87Sr/86Sr值不存在顯著差異，所以僅基于87Sr/86Sr值鑒別產(chǎn)地，很容易誤判。因此需87Sr/86Sr值、土壤Sr元素含量2 個(gè)指標(biāo)鑒別新疆、甘肅兩省庫爾勒香梨產(chǎn)地。

Sr同位素可作為庫爾勒香梨溯源新疆和甘肅兩省的可靠衡量指標(biāo)；果皮和果肉Sr元素含量具有極顯著相關(guān)性，果皮Sr含量顯著高于果肉，測定果皮Sr同位素更容易且準(zhǔn)確性更好，因此實(shí)際檢測中優(yōu)先推薦使用Sr含量高的果皮作為測定Sr同位素的原材料。