基于鍶同位素和7種元素的紅棗產(chǎn)地判別

康 露, 楊明花, 趙多勇, 劉河疆,*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(烏魯木齊)/新疆農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點實驗室， 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)境重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830091；3.伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 新疆 伊寧 835000)

地理來源認證，包括穩(wěn)定同位素在內(nèi)的多元素分析可以作為食品安全性的可能指標，認證方法一種是用多元分析來確定Al、Ca、Cl、Mg、Mn、Fe和Zn等元素的含量；另一種是側(cè)重于一些特殊元素，如Sr、O和H的穩(wěn)定同位素比值[1]。目前，運用穩(wěn)定同位素、礦物質(zhì)元素或?qū)煞N技術(shù)結(jié)合進行產(chǎn)地判別分析的方法[2]，在葡萄酒、茶葉、稻米、果蔬等中均有報道。葡萄酒87Sr/86Sr比值及K/Rb、Ca/Sr是葡萄酒地理來源測定的合適指標[3]。劉志等[4]建立西湖龍井茶與山東、重慶產(chǎn)區(qū)茶葉δ13C、δ15N、δ2H 和δ18O 的線性判別分析(LDA) 模型，3 個產(chǎn)區(qū)茶葉判別準確度均高達90.0%以上。包括87Sr/86Sr的7種穩(wěn)定同位素比率和25種元素也被用于建立主成分分析和步進式線性判別分析，以確定大米的地理起源[5]。

Opatic等[6]結(jié)合穩(wěn)定同位素比值和元素組成參數(shù)，采用判別分析模型對商品蔬菜的來源進行了初步研究，使用交叉驗證的留一判別分析模型對生菜、甜椒和番茄的預(yù)測分別為86.2%、71.1%和74.4%。Wang等[7]采集5個不同紅棗產(chǎn)區(qū)的樣品，根據(jù)同位素和21種元素利用正交偏最小二乘驗證紅棗的地理起源。前期研究發(fā)現(xiàn)：新疆若羌縣鐵干里克鄉(xiāng)灰棗具有較高鍶含量和較低的鍶同位素比值，而新疆瓦石峽鄉(xiāng)灰棗具有較低的鍶含量及較高的鍶同位素比值；與中國生物標準鍶含量2.5 mg/kg相比，若羌灰棗鍶含量較高，而河南新鄭灰棗鍶含量相對較低[8]。在前期縣域尺度的基礎(chǔ)上，本研究采集了大尺度范圍內(nèi)不同區(qū)域紅棗，運用熱電離質(zhì)譜儀(ISOPROBE- T)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP- MS)分別測定新疆不同產(chǎn)地紅棗和河南、山西紅棗中87Sr/86Sr和礦物質(zhì)元素含量，采用化學(xué)計量學(xué)主成分分析、Fisher判別分析建立紅棗產(chǎn)地判別模型，以期為不同產(chǎn)地紅棗判別提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆不同產(chǎn)地紅棗和河南新鄭、山西太谷的紅棗品種和經(jīng)緯度范圍信息如表1。

表1 紅棗樣品信息

10 mg/L多元素混合標準品，包含Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Y、Mo、Cd、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Yb、W、Tl、Pb、Bi、Th、U、Nb、Zr、Sr共計33種元素，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司；HNO3、H2O2，分析純，默克股份兩合公司；HCl，優(yōu)級純，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BIOFUGE STRATOS型離心機、Element XR型HR- ICP- MS，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；萬分之一天平，梅特勒- 托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1樣品前處理

采集的紅棗樣品分別用自來水和去離子水沖洗后晾干；紅棗去核，冷凍干燥后，采用液氮研磨至粉末狀，-18 ℃冷凍保存，備用。

1.3.2元素含量的測定

分別吸取0、25、50、125、250、1 250、2 500 μL多元素混合標準品，用體積分數(shù)5%的HNO3定容至25 mL，配制成0、0.01、0.02、0.05、0.10、0.50、1.00 μg/mL的混合標準使用液，用于測定標準曲線。稱取0.2 g左右的紅棗凍干粉于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL濃HNO3和3 mL H2O2，進行微波消解。冷卻后，定容至25 mL容量瓶，搖勻，待測。

1.3.3Sr穩(wěn)定同位素的測定

在Sr同位素測定的過程中，同位素比值測定結(jié)果易受87Rb的干擾，因此，去除Rb元素的干擾十分重要，也是同位素分析的一個強制性步驟[9]。

1)樣品的消解。稱取0.5～1.0 g的樣品于聚四氟乙烯容量罐中，加入1 mL的濃HNO3常溫反應(yīng)12 h，再加入1 mL H2O2常溫反應(yīng)12 h，控溫電熱板100 ℃反應(yīng)24 h后蒸干，冷卻后加入1 mL濃HNO3、1 mL H2O2常溫反應(yīng)12 h，控溫電熱板100 ℃反應(yīng)24 h后再次蒸干，加入1 mL 6 mol/L HCl，控溫電熱板150 ℃加熱至樣品完全溶解，蒸干樣品。將1.2 mL 0.5 mol/L HCl加入容量罐中微熱，溶解樣品并轉(zhuǎn)移到塑料離心管中，在離心機上離心分離10 min，棄去下部殘渣。

2)Sr的分離。上層清液加入到處理好的分離柱[φ0.5 cm×15 cm，AG50W×8(H+)100～200目]中，等柱中溶液流完后，用少量高純水對稱沖洗分離柱的四角。先用33 mL 2 mol/L的HCl淋洗K、Na、Fe、Ca、Mg等雜質(zhì)，再改用6 mL 3 mol/L的HCl溶液淋洗Sr于石英燒杯中，蒸干備用。

3)同位素的測定。同位素測定在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院ISOPROBE- T質(zhì)譜儀上完成，儀器配備9個法拉第杯和4個離子計數(shù)檢測器。參數(shù)設(shè)置為：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為15 L/min，He為5 mL/min，采樣深度為6.5 mm，進樣速度為0.1 mL/min。Sr同位素采用單Re帶點樣，加入TaF5發(fā)射劑，靜態(tài)多接收方式測量。質(zhì)量分餾用86Sr/88Sr=0.119 4校正，標準測量結(jié)果：NBS987標樣為87Sr/86Sr=0.710 250±7，實驗室流程本底： Sr 2×10-10g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 26.0軟件對紅棗87Sr/86Sr和33種元素含量進行相關(guān)性分析、差異顯著性檢驗和判別分析。判別模型中回代檢驗正確的對100%原始分組個案進行分類；交叉驗證正確的對87.0%原始分組個案進行分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍶含量及同位素特征分析

不同產(chǎn)地紅棗的Sr含量及87Sr/86Sr如表2和圖1。河南新鄭，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5個區(qū)域的紅棗87Sr/86Sr存在差異，其中新疆策勒紅棗87Sr/86Sr顯著高于河南新鄭，山西太谷，新疆于田、哈密的紅棗；而河南新鄭，山西太谷，新疆于田紅棗87Sr/86Sr顯著高于新疆哈密的紅棗，但87Sr/86Sr的波動程度低于新疆哈密。不同地區(qū)紅棗Sr含量有所不同，河南新鄭，山西太谷，新疆于田、策勒紅棗的Sr含量顯著低于新疆哈密。土壤的理化性質(zhì)影響植物對Sr的吸收，交換性Ca含量和陽離子交換量較高的土壤不利于植物富集Sr[10]。在元素篩選方面，選取受栽培措施影響小的稀土元素鍶穩(wěn)定同位素作為判別指標，不易受到外界栽培施肥措施的影響。棗樹適宜生長在堿性土壤、砂質(zhì)土中，耐干旱[11]，以上5個區(qū)域均符合紅棗的生長條件。

表2 不同產(chǎn)地紅棗Sr含量及87Sr/86Sr的統(tǒng)計結(jié)果

圖1 不同產(chǎn)地紅棗87Sr/86Sr箱型圖

圖2為1/Sr及87Sr/86Sr區(qū)分不同紅棗產(chǎn)地。除新疆于田和山西太谷的紅棗樣品重疊外，運用Sr含量及87Sr/86Sr能區(qū)分河南新鄭，新疆哈密、策勒的紅棗。雖然新疆于田和山西太谷之間的地理距離較遠，但這2個產(chǎn)地的紅棗未能得到有效區(qū)分，進一步說明僅依靠某種元素或者穩(wěn)定同位素不能有效區(qū)分紅棗的產(chǎn)地。在連續(xù)4個不同的收獲年份中，反映土壤生物有效性的87Sr/86Sr值沒有變化，且不同葡萄品種之間沒有差異，同位素與土壤生物有效度之間存在著嚴格的關(guān)系，87Sr/86Sr即使在很小的規(guī)模下，也可用于食品原產(chǎn)地溯源[12]。在白葡萄酒和紅葡萄酒的釀造過程中，鍶同位素的組成是保持不變的，葡萄和最終釀造的葡萄酒都保留了同位素特征，這種特征來自葡萄種植土壤的不穩(wěn)定部分[13]。

圖2 1/Sr及87Sr/86Sr區(qū)分不同紅棗產(chǎn)地分析

2.2 礦物質(zhì)元素含量特征及主成分分析

不同產(chǎn)地紅棗除Sr以外其余32種元素的含量如表3。河南新鄭，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5地的32種元素含量存在差異，其中Li、Sc、Co、Zn、Rb、Cs、Tl、Bi和Zr 9種元素含量存在顯著性差異，其中僅有Rb、Zn 2種礦物質(zhì)元素的含量大于1 mg/kg。河南新鄭、新疆于田紅棗Rb的含量顯著高于新疆哈密、策勒；山西太谷紅棗Zn的含量顯著高于新疆于田。據(jù)報道，河南新鄭土壤類型為褐土類，主要有立黃土、紅黃土等，紅棗種植區(qū)域土壤為覆砂褐土、潮土等，潮土分布在河流沖積物、洪積物和河湖相沉積物這3種母質(zhì)上[14]。山西晉中土壤類型為褐土[15]。新疆哈密土壤類型為未改造的單源類土壤和第四紀洪積物堆積[16]，于田縣、策勒縣的土壤類型為沙土。故不同產(chǎn)地結(jié)棗種植土壤因成土母質(zhì)差異及土壤中礦物質(zhì)含量的差異引起紅棗中礦物質(zhì)含量存在差異。

表3 不同產(chǎn)地紅棗32種元素的含量

不同產(chǎn)地紅棗87Sr/86Sr和33種元素的相關(guān)性如表4。呈極顯著正相關(guān)的有Sc與Ni、Cu，V與Ga、La、Ce、Pr、Nd 、Th、 Nb，Co與Cd、W、Nb，Ni與Cu、Ba，Zn與Cd、Cu、Bi，Ga與La、Ce、Pr、Nd、Th，Rb與Cs，La與Ce、Pr、Nd、Gd、Th、U，Y與Dy，Cd與Bi，Ba與Pb、U，Ce與Pr、Nd、Gd、Th、U，Pr與Nd、Gd、Dy、Pb、Th、U，Nd與Gd、Dy、Th、U，Gd與Dy、Yb，Dy與Yb、Th，Yb與Th，Pb與U，Th與U、Nb；呈極顯著負相關(guān)的有Sr與Tl，Cd與Nb。在巖漿演化過程中，某些微量元素與預(yù)期的地球化學(xué)模式密切相關(guān)，其中87Sr與86Sr比值必然與相應(yīng)的87Rb與86Sr比值呈線性相關(guān)，可能反映了土壤形成過程中含Rb和87Sr的礦物的風(fēng)化作用，與母系基巖巖漿儲層的87Sr與86Sr比值相匹配[17]。87Sr/86Sr和33種元素的相關(guān)性結(jié)果說明，每種礦物質(zhì)元素都在一定程度上反映了紅棗的產(chǎn)地特征，且這些礦物質(zhì)元素之間具有一定的相關(guān)性，能夠采取降維的方式篩選用于紅棗產(chǎn)地溯源的特征礦物質(zhì)元素。

表4 紅棗87Sr/86Sr和33種元素的相關(guān)性

續(xù)表4

在進行主成分分析之前，首先對不同產(chǎn)地紅棗的87Sr/86Sr及33種元素數(shù)據(jù)進行標準化處理，刪除數(shù)據(jù)中為0的變量，獲得包含782個數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)集。不同產(chǎn)地紅棗87Sr/86Sr及元素前9個主成分的方差貢獻率和累計貢獻率如表5。紅棗的元素選取特征值高于1和方差累計貢獻率大于80%以上的幾個主成分進行降維，前9個主成分的方差累計貢獻率為86.7%，PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6、PC7、PC8和PC9的方差貢獻率分別為26.5%、15.9%、12.8%、8.8%、6.7%、4.8%、4.0%、3.9%、3.3%，能有效地對紅棗87Sr/86Sr及33種元素進行降維，獲得306個載荷系數(shù)信息。在世界范圍內(nèi)，利用鍶穩(wěn)定同位素判別水生植物來源的混合模型表明：灌溉用水是植物鍶的主要來源(35%～85%)；來自基質(zhì)的黏土(4%～38%)和肥料(5%～19%)均有貢獻，鍶來源的比例取決于植物種類[18]。因此，可以推測土壤類型、灌溉用水是影響紅棗礦物質(zhì)元素含量差異的主要原因之一，其次與氣候、土壤含水量以及栽培方式有關(guān)。河南新鄭、山西太谷紅棗原產(chǎn)地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，新疆哈密、于田、策勒屬于溫帶大陸性氣候；河南新鄭、山西太谷的年際降水量高于新疆哈密、于田、策勒，土壤含水量的高低影響紅棗礦物質(zhì)元素的吸收。

表5 紅棗前9個主成分的貢獻率

旋轉(zhuǎn)后的主成分分析載荷矩陣如表6。第一主成分PC1中V、Ga、La、Ce、Pr、Nd、Th元素的載荷系數(shù)較高，第二主成分PC2中Cr、Cd、Tl、Bi元素的載荷系數(shù)較高，前2個主成分主要包括V、Ga、La、Ce、Pr、Nd、 Th、Cr、Cd、Tl、Bi元素。第一、第二主成分的特征值分別為9.0、5.4，方差貢獻率分別為26.5%、15.9%，前2個主成分的累計貢獻率為42.4%，能夠代表不同產(chǎn)地紅棗礦物質(zhì)元素的大量信息，篩選出代表紅棗產(chǎn)地的主要礦物質(zhì)元素類別。

表6 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

87Sr/86Sr和33種元素的特征向量如表7。由表7可得PC1和PC2的函數(shù)表達式。將標準化的數(shù)據(jù)采用PC1和PC2的函數(shù)表達式計算，得到不同產(chǎn)地紅棗87Sr/86Sr及33種元素的各主成分得分、綜合得分及排序，如表8。5個產(chǎn)地紅棗綜合排名由高到低依次為太谷、新鄭、于田、策勒、哈密。

表7 基于主成分分析的各項指標特征向量

表8 不同產(chǎn)地紅棗主成分得分

2.3 基于Fisher判別分析的紅棗產(chǎn)地判別模型建立

應(yīng)用Fisher判別分析函數(shù)對不同紅棗產(chǎn)地樣品進行判別分析，通過共線性診斷分析，選取方差膨脹系數(shù)VIF<5的變量(87Sr/86Sr、Sc、V、Co、Zn、Y、Cd、Cs)作為自變量，對所有變量進行了標準化處理，不同紅棗產(chǎn)地作為分組變量，建立不同紅棗產(chǎn)地判別模型如下：

Y1=6 603.83287Sr/86Sr-92.897Sc+33.301V+32.930Co+0.807Zn+16.582Y-54.508Cd-23.322Cs-4 699.301；Y2=-1 526.04287Sr/86Sr+241.189Sc+177.449V-358.872Co-0.119Zn+48.370Y-119.924Cd+64.965Cs+1 081.776。

圖3為判定函數(shù)1和判定函數(shù)2區(qū)分新鄭、太谷、哈密、于田和策勒產(chǎn)地紅棗的散點圖。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、判別函數(shù)2對分類結(jié)果均達到顯著水平，其判別結(jié)果可接受。判別函數(shù)1的方差百分比為77.2%，相關(guān)性為0.991；判別函數(shù)2的方差百分比為15.2%，相關(guān)性為0.958；判別函數(shù)1和判別函數(shù)2的累積方差百分比為92.5%，選取判別函數(shù)1和判別函數(shù)2作為主要判別函數(shù)對不同紅棗產(chǎn)地進行判別。根據(jù)不同紅棗產(chǎn)地，劃分為河南新鄭，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5類。選取的87Sr/86Sr、Sc、V、Co、Zn、Y、Cd和Cs 8個指標可以明顯判別出紅棗產(chǎn)地，這說明威爾克Lambda判別分析能夠判別紅棗產(chǎn)地。

圖3 判別函數(shù)區(qū)分紅棗產(chǎn)地的得分散點圖

不同產(chǎn)地紅棗的判別分析結(jié)果如表9。回代檢驗是將所有樣本進行檢驗，樣本的錯判率是相應(yīng)總體率的偏低估計；而留一交叉檢驗?zāi)茌^好地反應(yīng)模型的判別率[19]。根據(jù)判別模型對河南新鄭，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5個產(chǎn)地的紅棗樣品進行分類，利用回代檢驗和留一交叉驗證對判別模型進行檢驗。河南新鄭，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5個區(qū)域的紅棗樣品回代檢驗的整體判別率均為100%，說明了多元素可用于紅棗產(chǎn)地判別分析；而留一交叉驗證的判別率有所降低，其中河南新鄭和山西太谷的判別率分別為33.3%、80.0%，地理位置相近可能是兩地紅棗出現(xiàn)誤判的主要因素。河南新鄭的紅棗有2個樣品產(chǎn)地被誤判為山西太谷，山西太谷的紅棗有1個樣品產(chǎn)地被誤判為河南新鄭，而其余3地的判別率為100%，整體正確判別率為82.7%。同時，模型的準確性與多種因素有關(guān)，如樣本的數(shù)量、代表性、覆蓋區(qū)域等。在構(gòu)建判別模型時，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確判別率，今后還需要繼續(xù)增加樣品數(shù)量，不斷修正判別模型的各項系數(shù)。此外，對一種商品的來源進行判別分析的一個重要先決條件是是否有相應(yīng)國家和國際的數(shù)據(jù)庫[20]。

表9 不同產(chǎn)地紅棗的判別結(jié)果

3 結(jié) 論

本研究采用熱電離質(zhì)譜儀和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定紅棗87Sr/86Sr和33種元素含量，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)主成分分析和判別分析建立判別模型，對新疆不同產(chǎn)地紅棗和河南新鄭、山西太谷紅棗進行判別分析。多重比較結(jié)果表明：河南新鄭、新疆于田紅棗Rb含量顯著高于新疆哈密、策勒，山西太谷紅棗Zn含量顯著高于新疆于田。新疆策勒紅棗87Sr/86Sr顯著高于河南新鄭，山西太谷，新疆于田、哈密；而河南新鄭、山西太谷、新疆于田紅棗87Sr/86Sr顯著高于新疆哈密。通過共線性診斷分析，選取87Sr/86Sr和7種元素(Sc、V、Co、Zn、Y、Cd、Cs)建立判別模型，5個產(chǎn)地紅棗回代檢驗、留一交叉驗證的整體判別率分別為100%、82.7%。利用87Sr/86Sr和7種元素結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法可用于不同產(chǎn)地紅棗的判別。