新疆甜瓜鍶同位素、礦質(zhì)元素特征及產(chǎn)地溯源

康 露， 王 賢， 趙多勇， 劉河疆*

（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(cè)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(píng)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.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830091）

在食品可追溯性分析領(lǐng)域，穩(wěn)定同位素是一項(xiàng)較新的技術(shù)[1]。農(nóng)產(chǎn)品的“指紋”與農(nóng)產(chǎn)品的種植環(huán)境、栽培管理措施等密切相關(guān)，是品質(zhì)形成和產(chǎn)地判別分析的主要依據(jù)之一[2-4]。He等對(duì)于來自中國(guó)不同地區(qū)的瑪咖，其判別精度的排序?yàn)椋旱V物元素（80.2%）等同于穩(wěn)定同位素與礦物元素結(jié)合（80.2%），高于穩(wěn)定同位素（71.9%）。K、B、Mn、Fe、Mo、Cd和As被認(rèn)為是鑒別中國(guó)不同地區(qū)瑪咖的主要鑒別指標(biāo)[5]。

礦質(zhì)元素、同位素和有機(jī)成分等可作為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的有效方法之一[6-7]。由于儀器設(shè)備和分析測(cè)試方法地不斷改進(jìn)，m（87Sr）∶m（86Sr）不斷地應(yīng)用于產(chǎn)地溯源研究，在食用農(nóng)產(chǎn)品的真實(shí)性鑒別中發(fā)揮了一定作用[8]。通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定茶葉中多元素，經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)模型判定，能區(qū)分不同產(chǎn)地的茶葉樣品[9]。由Sr及m（87Sr）∶m（86Sr）組成特征可判別不同產(chǎn)地的棗樣品[10]。在農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)過程中，穩(wěn)定的Sr不進(jìn)行分餾，m（87Sr）∶m（86Sr）是判別動(dòng)物源和植物源性農(nóng)產(chǎn)品的有效指標(biāo)之一，特別是在氣候條件類似，其他同位素差異較小，起到重要的判別作用[11]。

作者運(yùn)用熱電離質(zhì)譜儀（ISOPROBE-T）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）分別測(cè)定甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和礦質(zhì)元素含量，運(yùn)用主成分分析、Fisher判別分析建立甜瓜的產(chǎn)地判別模型，以期為新疆甜瓜產(chǎn)地判別分析提供參考。

1 材料與方法

1.1樣品采集

新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜的信息如表1所示，甜瓜的品種和經(jīng)緯度范圍見下表。

表1 不同甜瓜產(chǎn)地樣品信息Table 1 Information of different melon origin samples

1.2 樣品前處理

采集的甜瓜樣品用自來水和去離子水沖洗后，晾干，甜瓜樣品按四分法取樣，取可食部分勻漿，-18℃冷凍保存，備用。

1.3 儀器參數(shù)

ICP-MS的儀器參數(shù)設(shè)置參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行，采樣錐、截取錐、分離錐分別為1.1、0.88、1.0 mm。射頻功率為1 600 W，Ar流量為15 L/min，He流量為5 mL/min，采樣深度為6.5 mm，進(jìn)樣流量為0.1 mL/min。

1.4 礦質(zhì)元素含量的測(cè)定

取10 mg/L的多元素混標(biāo)，加5%體積分?jǐn)?shù)HNO3，配 制 成0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1μg/mL的混標(biāo)，用于測(cè)定V、Mn、Cu、Zn、Rb、Sr等多種礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。取100 mg/L的多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HNO3配制成0、0.5、1、2、5、10、20μg/mL的混標(biāo)，用于測(cè)定Na，K，Mg，F(xiàn)e和Ca元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.5 鍶同位素的測(cè)定

稱取0.1 g左右樣品于低壓密閉溶樣罐中，加銣鍶稀釋劑，用HF+HNO3+HClO4溶解24 h，蒸干，加入6 mol/L HCl轉(zhuǎn)為氯化物蒸干。用0.5 mol/L HCl溶解，離心，上清液加入陽離子交換柱，用1.75 mol/L HCl淋洗Rb，用2.5 mol/L HCl淋洗Sr，蒸干，采用ISOPROBE-T熱電離質(zhì)譜測(cè)定，多法拉第接收器進(jìn)行采集。m（86Sr）∶m（88Sr）=0.119 4為質(zhì)量分餾校正，標(biāo)準(zhǔn)值：NBS987為0.710 250±7，空白：Rb 2×10-10g，Sr 2×10-10g。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用SPSS 26.0軟件對(duì)m（87Sr）∶m（86Sr）和多種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍶含量及其同位素特征

甜瓜中穩(wěn)定同位素比值受地域、海拔、降水等外界環(huán)境因素影響，使不同地域甜瓜鍶同位素豐度發(fā)生變化，因此在前期研究中鍶同位素成為判別產(chǎn)地的主要指標(biāo)之一。甜瓜Sr含量及m（87Sr）∶m（86Sr）如表2、圖1所示，由此可知，新疆哈密、吐魯番、巴州和阿克蘇4個(gè)區(qū)域的甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）存在差異，其中巴州、阿克蘇的甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）顯著高于哈密、吐魯番地區(qū)，巴州、阿克蘇甜瓜產(chǎn)地的m（87Sr）∶m（86Sr）數(shù)值變化幅度較哈密、吐魯番地區(qū)的高。不同地區(qū)甜瓜Sr含量有所不同，巴州、阿克蘇和吐魯番地區(qū)的Sr含量顯著高于哈密地區(qū)。

表2 新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜Sr及m（87Sr）∶m（86Sr）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of Sr and m（87Sr）∶m（86Sr）in melon from different regions in Xinjiang

圖1 新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）箱型圖Fig.1 Box diagram of m（87Sr）∶m（86Sr）in melon from different origins in Xinjiang

圖2 、圖3、圖4分別是1∶m（Sr）、m（K+Na）∶m（Sr）、m（Mg）∶m（Sr）與m（87Sr）∶m（86Sr）區(qū)分新疆地區(qū)不同甜瓜產(chǎn)地。結(jié)合1∶m（Sr）、m（K+Na）∶m（Sr）、m（Mg）∶m（Sr）與m（87Sr）∶m（86Sr）均可區(qū)分新疆地區(qū)不同甜瓜產(chǎn)地，說明在判別產(chǎn)地時(shí)，僅依靠某種單項(xiàng)技術(shù)手段很難進(jìn)行有效鑒別，需要結(jié)合多種技術(shù)手段聯(lián)合判別。m（K+Na）∶m（Sr）與m（87Sr）∶m（86Sr）判別甜瓜產(chǎn)地時(shí)，哈密、吐魯番地區(qū)的部分樣本存在重疊，說明甜瓜中K、Na含量容易受到施肥等管理方式影響。因此，在選擇判別的指標(biāo)時(shí)應(yīng)盡量避免甜瓜種植過程施用量過大的元素，從而減少人為措施帶來干擾。

圖2 Sr含量及m（87Sr）∶m（86Sr）區(qū)分新疆地區(qū)不同甜瓜產(chǎn)地Fig.2 Content of Sr and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon origins in Xinjiang

圖3 m（K+Na）∶m（Sr）及m（87Sr）∶m（86Sr）區(qū)分新疆地區(qū)不同甜瓜產(chǎn)地Fig.3 m（K+Na）∶m（Sr）and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon originins Xinjiang

圖4 m（Mg）∶m（Sr）及m（87Sr）∶m（86Sr）區(qū)分新疆地區(qū)不同甜瓜產(chǎn)地Fig.4 m（Mg）∶m（Sr）and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon origins in Xinjiang

2.2 礦質(zhì)元素含量特征及主成分分析

新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜礦物元素含量如表3所示。哈密、吐魯番、巴州和阿克蘇的19種礦質(zhì)元素含量存在差異，其中Al、Ca、Fe、K、Na、Co、Ni、As、Rb、Mo、Pb和Ba 12種礦質(zhì)元素含量差異顯著，而Al、Ca、Fe、K、Na和Rb 6種礦質(zhì)元素的質(zhì)量濃度大于1 mg/kg。哈密地區(qū)甜瓜Al、Fe和Rb的含量顯著高于吐魯番、巴州和阿克蘇等地；巴州地區(qū)甜瓜Ca、Na的含量顯著高于吐魯番、哈密和阿克蘇等地；阿克蘇地區(qū)甜瓜的K元素含量顯著高于吐魯番、哈密和巴州等地。

表3 新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜礦物元素的含量Table 3 Content of mineral elements in melon from different regions in Xinjiang

新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和礦物元素的相關(guān)性如表4所示。Al和Cu、Mg、Ba呈極顯著正相關(guān)；Cu和Mn、Co呈極顯著正相關(guān)；Mn和Ca、Zn呈極顯著正相關(guān)；Ba和V、Rb呈極顯著正相關(guān)；Pb和As呈極顯著正相關(guān)；Mo和Ni呈極顯著正相關(guān)；As和Cr呈極顯著負(fù)相關(guān)。m（87Sr）∶m（86Sr）與Al、Mn呈顯著負(fù)相關(guān)；Sr與Al、Fe、Mn呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 新疆地區(qū)不同產(chǎn)地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和礦物元素的相關(guān)性Table 4 Correlation between m（87Sr）∶m（86Sr）and mineral elements in melon from different regions in Xinjiang

采用主成分分析篩選判別產(chǎn)地的關(guān)鍵指標(biāo)。首先對(duì)不同產(chǎn)地甜瓜的m（87Sr）∶m（86Sr）及20種礦質(zhì)元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，刪除數(shù)據(jù)中為0的變量，獲得包含420個(gè)數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)集。m（87Sr）∶m（86Sr）及礦質(zhì)元素前6個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率如表5所示，礦質(zhì)元素選取特征值高于1和方差累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%以上的幾個(gè)主成分進(jìn)行降維，前6個(gè)主成分的方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.0%，PC1、PC2、PC3、PC4、PC5和PC6的方差貢獻(xiàn)率分別為22.4%、19.8%、18.5%、10.0%、7.8%、6.5%，能有效地對(duì)m（87Sr）∶m（86Sr）及20種礦質(zhì)元素進(jìn)行降維，獲得126個(gè)載荷系數(shù)信息。

表5 m（87Sr）∶m（86Sr）及礦質(zhì)元素前6個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 5 Variance and cumulative contribution rates of m（87Sr）∶m（86Sr）and the first 6 principal components of mineral elements

續(xù)表3

2.3 基于費(fèi)希爾判別分析的甜瓜產(chǎn)地判別模型

應(yīng)用費(fèi)希爾判別分析函數(shù)對(duì)新疆不同甜瓜產(chǎn)地樣品進(jìn)行判別分析，通過共線性診斷分析，選取方差膨脹系數(shù)（VIF）<5的變量作為自變量，不同甜瓜產(chǎn)地作為分組變量，建立新疆不同甜瓜產(chǎn)地判別模型如下：

圖5為判定函數(shù)1和判定函數(shù)2區(qū)分哈密、吐魯番、巴州、阿克蘇產(chǎn)地甜瓜的散點(diǎn)圖。通過威爾克Lambda分析，假設(shè)顯著性水平α=0.05，判別函數(shù)1和判別函數(shù)2對(duì)分類結(jié)果達(dá)到顯著水平，其判別結(jié)果可接受。判別函數(shù)1的方差百分比為97.0%，相關(guān)性為0.999；判別函數(shù)2的方差百分比為2.6%，相關(guān)性為0.958；選取判別函數(shù)1作為主要判別函數(shù)對(duì)新疆不同甜瓜產(chǎn)地判別的主要依據(jù)。根據(jù)不同甜瓜產(chǎn)地，劃分為哈密、吐魯番、巴州和阿克蘇4類。選取m（87Sr）∶m（86Sr）、m（Ca）、m（K）、m（Na）、m（V）、m（Cr）、m（Ni）、m（As）和m（Rb）等9個(gè)指標(biāo)可以明顯判別出甜瓜產(chǎn)地，這說明威爾克Lambda判別分析有效。

圖5 判定函數(shù)區(qū)分甜瓜產(chǎn)地得分散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of the determination function to distinguish the origins of melon

新疆不同產(chǎn)地甜瓜的判別分析結(jié)果如表6所示。根據(jù)判別模型對(duì)哈密、吐魯番、巴州和阿克蘇4個(gè)產(chǎn)地的甜瓜樣品進(jìn)行分類，利用回代檢驗(yàn)和留一交叉驗(yàn)證對(duì)判別模型進(jìn)行檢驗(yàn)。哈密、吐魯番、巴州和阿克蘇4個(gè)區(qū)域的甜瓜樣品回代檢驗(yàn)的整體判別率均為100%；而留一交叉驗(yàn)證的判別率有所降低，其中吐魯番的判別率為75%，吐魯番產(chǎn)地的甜瓜有一個(gè)樣品被誤判為巴州地區(qū)，而其余三地的判別率為100%，整體正確判別率為93.8%。

表6 新疆不同產(chǎn)地甜瓜的判別分析結(jié)果Table 6 Discriminant analysis of melon from different origins in Xinjiang

3 討 論

結(jié)合穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素或僅采用礦質(zhì)元素初始驗(yàn)證的正確率均高于95%，穩(wěn)定同位素與礦質(zhì)元素的結(jié)合進(jìn)行產(chǎn)地判別分析更具潛力[12]。穩(wěn)定同位素和多元素溯源法的總正確率分別為95.7%、100%，交叉驗(yàn)證率分別為91.5%、97.9%。穩(wěn)定同位素和礦物元素均可作為骨原料地理來源的良好指標(biāo)[13]，應(yīng)用PLS-DA對(duì)同位素?cái)?shù)據(jù)可進(jìn)行地理位置的判別[14]。童成英等[15]對(duì)茶葉中多礦質(zhì)元素、稀土元素、穩(wěn)定同位素技術(shù)判別茶葉產(chǎn)地的方法指出，不同的判別技術(shù)方法存在著一定的優(yōu)缺點(diǎn)。除礦質(zhì)元素和同位素作為溯源的指標(biāo)外，還有花青素、紅外光譜技術(shù)等指標(biāo)和技術(shù)手段用來鑒別產(chǎn)地。穆晶晶等[16]對(duì)不同地區(qū)徐紫薯6號(hào)花青素總含量進(jìn)行分析，表明花青素總含量和組成與地域關(guān)系很大，能作為判別徐紫薯6號(hào)的產(chǎn)地。孫曉明等[17]運(yùn)用近紅外光譜對(duì)水蜜桃產(chǎn)地進(jìn)行判別分析。

在構(gòu)建判別模型時(shí)，所選用的樣本數(shù)量越多，該模型也越有說服力，為確保判別模型的準(zhǔn)確判別率，今后還需要繼續(xù)增加樣品數(shù)量，來不斷修正判別模型的各項(xiàng)系數(shù)。

4 結(jié)語

采用熱電離質(zhì)譜儀和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和多種礦質(zhì)元素含量，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)主成分和判別分析建立模型，對(duì)新疆不同產(chǎn)地甜瓜進(jìn)行判別分析。選取m（87Sr）∶m（86Sr）和8種礦質(zhì)元素（鈣、鉀、鈉、釩、鉻、鎳、砷和銣）建立的判別模型，4個(gè)產(chǎn)地甜瓜回代檢驗(yàn)、留一交叉驗(yàn)證的整體判別率分別為100%、93.8%。利用m（87Sr）∶m（86Sr）和多種礦質(zhì)元素結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)新疆不同產(chǎn)地甜瓜判別可行。