同位素質譜及近紅外光譜技術在棉花產(chǎn)地溯源中應用進展

王靜，劉超子，王銘，連素梅，高欣*

（1.中國海關科學技術研究中心，北京 100026；2.青島海關技術中心，山東 青島 266109；3.石家莊海關技術中心，石家莊 050051）

棉花是國際重要的大宗資源性農(nóng)產(chǎn)品之一，廣泛應用于紡織、輕工、醫(yī)藥、軍事、建筑等領域；作為世界上最重要的紡織纖維之一，棉纖維使用量占世界紡織用纖維使用總量的1/3 左右；棉花貿(mào)易在全球商品貿(mào)易中也占有重要地位，全球約有150 多個國家參與了棉花的進出口貿(mào)易[1-2]。我國是棉花生產(chǎn)大國，也是消費大國，棉花產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的近四分之一，消費量占全球的近三分之一，進口量位居全球第一位。據(jù)海關總署海關統(tǒng)計數(shù)據(jù)在線查詢平臺（http://stats.customs.gov.cn/）數(shù)據(jù)，2022 年1-12月我國進口棉花193.6 萬t，來自世界37 個國家和地區(qū)。 我國棉花進口總體呈現(xiàn)出規(guī)模大、來源地集中、依存度較大等特征，來源地主要集中在美國、巴西2 國，其次是印度、貝寧、澳大利亞、蘇丹、布基納法索等[3-4]。 不同產(chǎn)地棉花品質不同[5-6]，個別棉花加工企業(yè)受利益驅使人為摻雜摻假、以次充好、偽造原產(chǎn)地等，造成一系列質量不合格的問題[7]，且不同地區(qū)所產(chǎn)棉花的性能差異較大[8]。 而棉花品質直接關系下游紡織品的質量和產(chǎn)量[9]，配棉不合理時，容易出現(xiàn)織物橫檔的情況，給生產(chǎn)企業(yè)帶來不必要的損失。 此外， 在2018 年中美貿(mào)易摩擦背景下，中國提高了從美國進口棉花的關稅[10]，然而只有通過檢測技術將美國棉花與其他國外棉花區(qū)分開來，該政策才能順利執(zhí)行。因此，對棉花品質及產(chǎn)地進行鑒別很有必要，有關部門也急切期望發(fā)展完善進口棉花原產(chǎn)地鑒別的儀器分析等技術手段。

近年來，隨著科技的突飛猛進，產(chǎn)地溯源技術也不斷發(fā)展與完善，逐步形成了技術體系，目前主要有質譜、光譜、電子鼻等技術[11-12]。 它們通過分析產(chǎn)品中含有的礦物質元素含量、 同位素含量與比率、有機成分的結構組成和官能團、揮發(fā)成分的整體信息等特征成分或指標，結合化學計量學研究方法，建立產(chǎn)品特征性指紋圖譜，對不同產(chǎn)地的產(chǎn)品進行產(chǎn)地溯源。筆者等對同位素溯源技術以及近紅外光譜技術原理及其在部分植源性農(nóng)產(chǎn)品尤其是棉花產(chǎn)地溯源研究中的應用進行綜述，期望為棉花產(chǎn)地鑒別技術的發(fā)展提供思路。

1 同位素溯源技術在產(chǎn)地鑒別中的應用

同位素是原子核內(nèi)質子數(shù)相同、中子數(shù)不同的一類核素。在自然界中大多數(shù)元素普遍存在2 種或2 種以上的同位素，例如碳元素（C）有3 種同位素，分別為14C（有放射性）、13C、12C，鍶元素（Sr）則存在84Sr、86Sr、87Sr、88Sr、90Sr（有放射性）等多種同位素。不同地區(qū)的大氣、土壤、水等環(huán)境中的生源要素（如碳、氮、氫、氧等）同位素組成具有差異，這種差異會通過植物與土壤、降水之間的物質交換傳導到植物中。通過對農(nóng)作物中各種元素同位素組成和含量差異進行分析， 可以實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品不同產(chǎn)地的區(qū)分。20 世紀80 年代，隨著貿(mào)易全球化和食品偽造問題增加，穩(wěn)定同位素技術開始被應用于農(nóng)產(chǎn)品溯源領域，以證明某些食品的產(chǎn)地和真實性，應用范圍從最初的葡萄酒、乳品等特色農(nóng)產(chǎn)品[13-14]，不斷擴大到中藥材、茶葉、有機食品等[15-16]，再到現(xiàn)在的動物源食品和植物源食品[17-18]，涵蓋了各種類型和形式的農(nóng)產(chǎn)品。 目前，穩(wěn)定同位素技術已經(jīng)成為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源領域的重要技術之一。

穩(wěn)定同位素溯源技術通常需要使用專業(yè)儀器進行檢測和計算， 常用儀器主要有熱電離質譜儀（thermal ionization mass spectrometry, TIMS）、穩(wěn)定同位素比質譜儀（stable isotope ratio mass spectrometry, IRMS）、 連續(xù)流動同位素比質譜儀（continuous-flow IRMS,CF-IRMS）、元素分析儀- 穩(wěn)定性同位素比值測量儀（elementary analyzer-IRMS, EAIRMS）、 燃燒-催化還原-穩(wěn)定性同位素比值測量儀、離子色譜- 連續(xù)流動- 穩(wěn)定性同位素比值測量儀（ion chromatograph CF-IRMS, IC-CF-IRMS）等。穩(wěn)定同位素分析中通常使用相對量來表述同位素富集程度，如同位素豐度比、同位素比率。以碳元素為例， 其同位素豐度比和比率分別為δ13C/12C、δ13C‰，進而通過對比不同產(chǎn)地農(nóng)作物中同位素豐度比和比率的差異進行產(chǎn)地鑒別。 例如，馬明等[19]利用TIMS 法分析檢測不同產(chǎn)地進口大麥的87Sr/86Sr 值、 利用IRMS 法對進口大麥中δ13C 進行測定，發(fā)現(xiàn)不同國別大麥中的87Sr/86Sr 和δ13C 有顯著性差異，可以100%區(qū)分北美、法國和澳大利亞大麥。 趙多勇等[20]借助多接收器電感耦合等離子質譜儀對產(chǎn)自不同省市的庫爾勒香梨中87Sr/86Sr 同位素比值進行了測定， 經(jīng)方差分析， 不同產(chǎn)地梨中87Sr/86Sr 值存在極顯著差異（P＜0.01），可作為庫爾勒香梨溯源新疆和甘肅2 省的可靠衡量指標。

隨著穩(wěn)定同位素技術的不斷發(fā)展， 近年來，一些研究者將其應用于棉花產(chǎn)地溯源中。 2019 年Ziegler 等[21]在蘇格蘭大學環(huán)境研究中心（Scottish Universities Environmental Research Centre,SUERC）使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對11 種金屬元素（Al、Cu、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na、Sr、Ti、Zn） 進 行了分析， 使用CF-IRMS 法進行穩(wěn)定同位素分析（δ2H、δ13C）， 分析不確定度為0.06‰（δ13C）、1.00‰（δ2H）、0.19%（Zn）、1.16%（Mn）；發(fā)現(xiàn)印度棉花富含重氫同位素，烏茲別克斯坦的棉花幾乎不含重氫同位素，中國棉花的錳元素、土耳其和烏茲別克斯坦棉花的Sr 元素較有特點， 并以這些獨特的化學和同位素特征正確分辨出72%的棉花樣本的原產(chǎn)國。Ratovo 等[22]采用IRMS 法對烏干達有機棉、吉爾吉斯斯坦有機棉、土耳其有機棉、巴西有機棉、以色列有機棉及以這些有機棉為原料制成的紗線中的δ2H、δ13C、δ18O 進行分析，分析不確定度分別為0.1‰（δ13C）、0.5‰（δ18O）和2.1‰（δ2H）。 該研究結果顯示：吉爾吉斯斯坦有機棉和烏干達有機棉的δ2H 值分布在-35.9‰～11.2‰，難以區(qū)分；以色列、土耳其、巴西的有機棉測試數(shù)據(jù)沒有受到不同收獲季的影響，呈現(xiàn)出了高靈敏性和特異性，在產(chǎn)地溯源中的準確率較高。上海珩渥檢測技術服務有限公司[23]在其網(wǎng)站上向潛在客戶展示了2 份由美國和德國實驗室出具的關于棉花原產(chǎn)地的報告，其中美國某實驗室出具的#22-429160“使用穩(wěn)定同位素報告地理來源”報告中顯示，原產(chǎn)地標稱為巴西的棉花可能來自巴西也可能來自秘魯，這表明通過同位素法對棉產(chǎn)地進行溯源的技術在美國和德國商業(yè)實驗室得到了實際應用。 COTTONUSA已和Oritain公司簽訂協(xié)議[24]， 由Oritain 公司對Supima 棉纖維獨特的天然化學成分進行分析， 創(chuàng)建SUPIMA○R棉原產(chǎn)地的化學“指紋”，用于SUPIMA○R棉原產(chǎn)地聲明。Oritain 公司通過分析棉花樣本中微量元素和同位素，成功地鑒定了15 個樣本的原產(chǎn)地，準確率高達100%[25]。 以上研究和實例充分證明了利用同位素質譜技術對棉花產(chǎn)品進行溯源的可行性。

穩(wěn)定同位素產(chǎn)地溯源方法的優(yōu)勢在于，農(nóng)產(chǎn)品中穩(wěn)定同位素的比率不易受到儲存時間、儲存條件以及化學物質變化的影響，同位素比率可通過分析質譜圖簡單計算得到，檢測結果直觀。 然而在實際應用過程中，受不同年份氣候變化、土壤類型、生物學因素等的影響，同一產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定同位素豐度也可能存在差異，因此需要建立大量的數(shù)據(jù)庫和模型來提高穩(wěn)定同位素產(chǎn)地溯源技術的鑒別能力。此外，把該技術與礦物質元素指紋圖譜結合起來使用，可以提高結果的準確性。

2 近紅外光譜技術在產(chǎn)地鑒別中的應用

不同產(chǎn)地農(nóng)作物受到不同氣候、 環(huán)境的影響，會導致同一作物品種農(nóng)產(chǎn)品的化學、 生物成分組成、含量產(chǎn)生一定差異。通過對成分的檢測，可以實現(xiàn)對不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品的鑒別。近紅外光譜分析作為1 種快速、無損的檢測技術，是近年來發(fā)展迅速的1種成分檢測手段。 該技術的原理為，在近紅外光（780～2 526 nm 波段，主要利用波段為1 100～2 500 nm）的照射下，有機物質中能量較高的化學鍵基團（主要為C-H、N-H、S-H、C＝C、C＝O）吸收與其振動、轉動頻率相一致（主要為倍頻和合頻）的近紅外光，產(chǎn)生近紅外透射和反射光譜。 近紅外光譜圖中含有豐富的分子結構、組成、狀態(tài)等信息，通過檢測不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品的近紅外光譜圖，結合化學計量學技術建立模型，可實現(xiàn)對未知樣品產(chǎn)地的判別。 在20 世紀90 年代，近紅外光譜技術開始被引入農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源領域；如今，近紅外光譜技術已經(jīng)在寶石[26]、中草藥[27-28]、水產(chǎn)品[29]、谷物[30-31]、煤炭[32]等產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源中得到應用。 例如，劉星等[33]和夏珍珍等[34]分別選取不同產(chǎn)地的普洱茶生（熟）茶、栽培香菇作為樣本，利用近紅外光譜儀進行掃描獲得近紅外漫反射光譜后，通過偏最小二乘判別分析（partial least squares discrimination analysis, PLS-DA）建立模型，初步實現(xiàn)了普洱茶生（熟）茶、香菇產(chǎn)地的判別。

2010 年以來， 近紅外光譜產(chǎn)地溯源技術逐漸應用于棉花產(chǎn)地溯源。美國科研人員Fortier 等[35]利用近紅外光譜技術結合主成分分析（principal component analysis,PCA）方法對來自美國的國內(nèi)棉及印度、中國、贊比亞、巴拉圭、巴基斯坦和津巴布韋等地的其他棉花進行了初步檢測， 通過PCA 方法實現(xiàn)了美國國內(nèi)棉和其他棉花的良好分離。 在我國，孫武勇等[36]對棉花纖維品質檢測和產(chǎn)地溯源的近紅外光譜分析技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述，并對需要解決的問題進行了分析。筆者等采集美國棉花和印度棉花各20 份， 通過傅里葉近紅外光譜分析技術，由固體分析模塊及棉花樣品專用分析附件在12 000～3 800 cm-1范圍內(nèi)對樣品進行測試，使用Thermo fisher 公司TQ 分析軟件建立產(chǎn)地判別模型，另外隨機選取25 份棉花用于模型測試驗證，測試結果顯示“模型分析結果”與“樣品實際類別”匹配度均在99%以上（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。 由此可見，近紅外光譜分析結合化學計量學的方法，也可以應用于棉花產(chǎn)地溯源。

相對于穩(wěn)定同位素產(chǎn)地溯源方法，近紅外光譜產(chǎn)地溯源方法具有許多優(yōu)勢，包括無需樣品制備或樣品制備方法簡單，非破壞性檢測，操作簡便快速，采樣系統(tǒng)靈活多樣，儀器設備廉價等，適用于大批量樣品的在線或現(xiàn)場檢測。但由于近紅外光譜區(qū)主要為化學鍵振動、轉動的倍頻和合頻信號，譜帶強度是其基頻吸收的十萬分之一，導致檢測靈敏度相對較低，并且譜圖通常為多種吸收峰的疊加，加之環(huán)境溫度、濕度及樣品粒度的影響導致非線性和多變性，大大增加了分析難度，需要結合化學計量學方法，利用大量代表性樣本建立模型，來提高檢測的穩(wěn)定性和準確性。

3 化學計量學分析方法在產(chǎn)地鑒別中的應用

在產(chǎn)地溯源研究中，無論是同位素技術，還是紅外光譜分析技術，都結合了多種化學計量學分析方法。 化學計量學中常用的統(tǒng)計回歸方法有很多，如聚類分析（clustering analysis, CA）、PCA、PLSDA、判別偏最小二乘法（discriminant partial least squares, DPLS）法、正交偏最小二乘判別分析法（orthogonal PLS-DA, OPLS-DA）、 線性判別分析（linear discriminant analysis, LDA）等，這些均可用來建立定量數(shù)學模型，實際應用時，需要根據(jù)研究對象的特點進行選擇，選用不同統(tǒng)計學方法會有不同的結果判別率。 孫曉明等[37]利用近紅外光譜分析技術對來自不同省份的水蜜桃進行研究后，認為支持向量機（support vector machine, SVM）法對光譜數(shù)據(jù)有效性差異的識別優(yōu)于PCA-LDA、DPLS 法，更適用于水蜜桃產(chǎn)地溯源。 姜浩琛等[38]對國內(nèi)3 省份10 個青蘿卜樣品進行了碳同位素比值（δ13C）、氮同位素比值（δ15N）、Co、Cd 等18 種礦物質元素測試并進行分析，單因素方差分析結果表明部分礦物元素含量在不同省份間存在顯著差異，繼而又采用不同的化學計量法進行計量分析， 相對于PLS-DA 法，LDA 法建立的模型對青蘿卜樣品的判別準確率更高，效果更好。

4 結語

隨著化學分析技術分辨率、靈敏度的提升和化學計量學方法的迭代，目前同位素分析、近紅外光譜分析等多種成熟的化學儀器分析技術可以辨別產(chǎn)地環(huán)境影響導致的農(nóng)作物化學組成的細微差別，廣泛應用于各種農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源。但這些技術在棉花產(chǎn)地溯源上的應用尚較少，還存在檢測手段單一、檢測樣本量較少、檢測靈敏度和檢測準確率低等問題。目前世界范圍內(nèi)對棉花產(chǎn)地溯源的需求旺盛， 急需借鑒其他農(nóng)作物產(chǎn)地溯源技術的成熟經(jīng)驗，結合棉花特點，開發(fā)高通量、高準確度的棉花產(chǎn)地溯源技術，以滿足海關進出口商品監(jiān)管及市場監(jiān)管的需要，維護消費者權益。