基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的食品檢驗(yàn)應(yīng)用研究進(jìn)展

摘 要：穩(wěn)定同位素技術(shù)因其先進(jìn)性，正逐漸成為食品領(lǐng)域備受關(guān)注的研究方法。本文全面綜述了穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品檢驗(yàn)中的重要性及其應(yīng)用，詳細(xì)介紹了穩(wěn)定同位素技術(shù)的原理及重要性，通過(guò)具體實(shí)例深入探討了穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品領(lǐng)域的多方面應(yīng)用，包括食品溯源、農(nóng)獸藥殘留的檢測(cè)以及營(yíng)養(yǎng)成分代謝分析，并對(duì)穩(wěn)定同位素技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為其在食品分析領(lǐng)域有更廣泛、深入的應(yīng)用提供助力。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定同位素技術(shù)；食品檢驗(yàn)；真實(shí)性；食品安全；營(yíng)養(yǎng)代謝

Research Progress on the Application of Stable Isotope Technology in Food Inspection

SUN Xueli

（Linyi Center for Disease Control and Prevention， Linyi 276000， China）

Abstract： Due to its progressiveness nature， stable isotope technology is gradually becoming a research method of great concern in the food field. This article provides a comprehensive overview of the importance and widespread application of stable isotope technology in food inspection. The principle and research progress of stable isotope technology were introduced in detail， the various applications of stable isotope technology in the food industry were explored in depth through specific examples， including food traceability， detection of agricultural and veterinary drug residues， and analysis of nutrient metabolism. And the future development trends of stable isotope technology were discussed， in order to provide assistance for its wider and deeper applications in the field of food analysis.

Keywords： stable isotope technology; food inspection; authenticity; food safety; nutrition metabolism

隨著科技的不斷進(jìn)步和生活水平的提高，人們認(rèn)識(shí)到食物不僅是能量和營(yíng)養(yǎng)素的來(lái)源，還在促進(jìn)健康和預(yù)防疾病方面扮演著重要的角色[1]。食品檢測(cè)的目的不僅是為了食品安全，還在于減少不良飲食對(duì)健康和經(jīng)濟(jì)造成的不利影響。在這一背景下，穩(wěn)定同位素技術(shù)以其高度靈敏、高選擇性和精確性而廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)概念

1.1 穩(wěn)定同位素技術(shù)

同位素是指在元素周期表中質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的同一類元素，分為放射性同位素和穩(wěn)定同位素。穩(wěn)定同位素技術(shù)是一種基于相對(duì)較長(zhǎng)半衰期的穩(wěn)定同位素進(jìn)行檢測(cè)的方法，用于標(biāo)記和追蹤化學(xué)、生物和地球系統(tǒng)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。該技術(shù)的核心原理在于利用同位素的質(zhì)量差異，通過(guò)同位素標(biāo)記、質(zhì)譜分析和同位素分餾等步驟來(lái)研究樣品中的化學(xué)反應(yīng)、代謝途徑和環(huán)境變化過(guò)程。通過(guò)質(zhì)譜分析等手段，同位素標(biāo)記的分子的相對(duì)豐度可以被準(zhǔn)確測(cè)定，進(jìn)而揭示樣品中物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其相對(duì)較長(zhǎng)的半衰期和非放射性特性，降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境的輻射風(fēng)險(xiǎn)。此外，穩(wěn)定同位素技術(shù)具有高準(zhǔn)確度、無(wú)污染且高靈敏度的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、食品、營(yíng)養(yǎng)代謝和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等得到廣泛應(yīng)用[2]。

1.2 穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究進(jìn)展

穩(wěn)定同位素技術(shù)近年來(lái)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用方面取得了顯著的研究進(jìn)展。利用該技術(shù)可以深入研究食物中的同位素組成，揭示食品的產(chǎn)地、生長(zhǎng)環(huán)境和生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)追蹤植物和動(dòng)物體內(nèi)同位素的變化，可以了解食物鏈中的能量和物質(zhì)傳遞過(guò)程，為提高食品質(zhì)量以及食品欺詐行為的檢測(cè)效率提供科學(xué)依據(jù)。有學(xué)者通過(guò)分析穩(wěn)定同位素在不同地區(qū)蔬菜中的分布，成功追蹤了蔬菜的產(chǎn)地和生長(zhǎng)環(huán)境，為確保食品質(zhì)量和源頭可追溯性提供了實(shí)質(zhì)性的支持[3]。此外，穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品成分分析中也取得了一定的進(jìn)展。通過(guò)標(biāo)記食品中的特定成分，如蛋白質(zhì)、糖類和脂肪，能夠追蹤它們?cè)谑称分苽浜拖^(guò)程中的變化，為改善食品加工工藝和解決飲食相關(guān)健康問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)[4]。穩(wěn)定同位素分析技術(shù)已成為我國(guó)打擊食品欺詐、驗(yàn)證食品來(lái)源和標(biāo)簽聲明的重要工具之一。

2 穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 食品溯源及真實(shí)性檢測(cè)

食品真實(shí)性是消費(fèi)者關(guān)注的核心問(wèn)題。通過(guò)食品溯源，能夠揭示食品可能存在的標(biāo)簽錯(cuò)誤、成分替代、食品摻假以及原產(chǎn)地、物種或制作方法不正確等問(wèn)題，對(duì)消費(fèi)者的保護(hù)至關(guān)重要。穩(wěn)定同位素作為生物（包括食品）的天然印記發(fā)揮著重要作用，它能夠反映生物與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的交互關(guān)系。受到氣候、降水、海拔、農(nóng)作物種植方式和動(dòng)物養(yǎng)殖方式等因素的影響，穩(wěn)定同位素會(huì)發(fā)生不同程度的分餾作用，從而反映出不同的地域和農(nóng)業(yè)信息。由于穩(wěn)定同位素比值較少受人為因素和檢測(cè)環(huán)境的影響，在食品溯源研究中得到廣泛應(yīng)用。在食品產(chǎn)地溯源中，最常見(jiàn)的4種穩(wěn)定同位素是碳、氫、氧、氮[5]。此外，還發(fā)現(xiàn)硫、鍶、鉛等穩(wěn)定同位素也能夠進(jìn)行同位素分析和地理位置溯源。

目前，穩(wěn)定同位素技術(shù)已廣泛應(yīng)用于肉類、谷物、牛奶、大米、蜂蜜、果汁、葡萄酒及有機(jī)食品等多種食品的產(chǎn)地溯源和真實(shí)性檢測(cè)領(lǐng)域[6]。隨著有機(jī)食品的需求不斷上升且價(jià)格相對(duì)較高，消費(fèi)者購(gòu)買時(shí)迫切希望了解有機(jī)食品的真實(shí)性。植物性有機(jī)食品在生產(chǎn)中禁止使用氮肥，通過(guò)穩(wěn)定同位素技術(shù)檢測(cè)食品中的δ15N值可以區(qū)分有機(jī)產(chǎn)品與普通產(chǎn)品[7]。此外，有學(xué)者對(duì)我國(guó)牛肉產(chǎn)地進(jìn)行溯源研究，發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的牛肉中，穩(wěn)定性C、N同位素組成差異顯著，可用于鑒別農(nóng)區(qū)和牧區(qū)喂養(yǎng)的牛[8]。然而，在不同地點(diǎn)飼養(yǎng)但使用相同商業(yè)飼料的動(dòng)物可能存在誤導(dǎo)性的同位素值，從而無(wú)法真實(shí)反映產(chǎn)品區(qū)域的實(shí)際情況。因此，在實(shí)際分析中，需全面考慮環(huán)境因素、動(dòng)物品種、組織類型和采樣季節(jié)等因素，以提高溯源和真實(shí)性檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 農(nóng)、獸藥殘留檢驗(yàn)

農(nóng)藥和獸藥在提高糧食產(chǎn)量、改善動(dòng)物養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖方面發(fā)揮著不可或缺的作用。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)踐中，農(nóng)藥廣泛用于控制雜草、害蟲(chóng)，并調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)，獸藥常用于預(yù)防和治療動(dòng)物疾病，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。然而，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)的發(fā)展，農(nóng)獸藥的使用逐漸增多，但其殘留問(wèn)題也成為一個(gè)不容忽視的挑戰(zhàn)。農(nóng)獸藥殘留問(wèn)題一直是食品安全領(lǐng)域的重要研究課題。食品中殘留的農(nóng)藥可能會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響，如過(guò)敏反應(yīng)、血液紊亂、內(nèi)分泌干擾、神經(jīng)紊亂、突變、致畸、致癌和抗生素耐藥性等。

為了確保食品質(zhì)量和公共健康，迫切需要一種高效、靈敏、可靠的農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)方法。穩(wěn)定同位素技術(shù)作為一種獨(dú)特的分析手段，在農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)中展現(xiàn)出了巨大的潛力。相比傳統(tǒng)的色譜質(zhì)譜技術(shù)，穩(wěn)定同位素技術(shù)具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。穩(wěn)定同位素技術(shù)能夠通過(guò)測(cè)定樣品中特定同位素的比例來(lái)追蹤農(nóng)獸藥的代謝途徑和殘留情況。其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)外部因素的較小敏感性和高分辨率，使其能夠準(zhǔn)確判斷藥物在生物體內(nèi)的代謝過(guò)程，解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中存在的誤差問(wèn)題。通過(guò)內(nèi)標(biāo)的方式，穩(wěn)定同位素技術(shù)能夠減小基質(zhì)干擾和檢測(cè)誤差的影響，提高農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，特別對(duì)于低濃度樣品的分析更為優(yōu)越[4]。管秋美等[9]以同位素為內(nèi)標(biāo)物，建立了7種農(nóng)藥的超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜同位素內(nèi)標(biāo)檢測(cè)方法，并成功應(yīng)用于88種水果的檢測(cè)。

2.3 霉菌毒素檢驗(yàn)

霉菌毒素是由曲霉屬、鐮刀菌屬、青霉屬、鏈格孢屬和其他真菌產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)多樣的次生有毒代謝物，存在于多種食品中，如谷物、堅(jiān)果和油料等[10]。霉菌毒素種類繁多，為確保食品安全，已開(kāi)發(fā)多種分析方法用于檢測(cè)食品中的霉菌毒素，其中穩(wěn)定同位素技術(shù)在霉菌毒素檢驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。穩(wěn)定同位素技術(shù)通過(guò)測(cè)定樣品中特定同位素的比例，可以精確追蹤霉菌毒素的來(lái)源、傳播和代謝途徑。目前，穩(wěn)定同位素稀釋質(zhì)譜法已成為真菌毒素檢測(cè)的可靠方法，廣泛用于測(cè)定多種霉菌毒素水平，如黃曲霉毒素、伏馬菌素、鐮孢菌素毒素、赭曲霉毒素和棒曲霉素[11]。王興龍等[12]利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜方法，結(jié)合穩(wěn)定同位素內(nèi)標(biāo)定量技術(shù)，成功測(cè)定了葡萄酒中赭曲霉毒素A的水平，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法適用于大批量葡萄酒中赭曲霉毒素A的快速、準(zhǔn)確定量檢測(cè)。吳宇等[11]采用簡(jiǎn)單的提取稀釋的快速前處理方法，結(jié)合穩(wěn)定同位素內(nèi)標(biāo)法，成功測(cè)定了植物油中黃曲霉毒素等16種真菌毒素。這些研究為食品安全領(lǐng)域提供了有效的檢測(cè)手段。

2.4 營(yíng)養(yǎng)成分代謝分析

2.4.1 氨基酸和蛋白質(zhì)代謝

氨基酸和蛋白質(zhì)的代謝與體型、年齡、代謝率、膳食攝入等多個(gè)生理過(guò)程密切相關(guān)，穩(wěn)定同位素技術(shù)在體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基酸代謝的研究中發(fā)展較為成熟，通過(guò)結(jié)合質(zhì)譜和數(shù)學(xué)模型具有高度特異性和精確性的優(yōu)點(diǎn)[4]。研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用U-13C-葡萄糖示蹤技術(shù)證實(shí)葡萄糖可通過(guò)糖酵解和三羧酸循環(huán)衍生的中間體重新合成非必需氨基酸，并可以通過(guò)穩(wěn)定同位素富集葡萄糖和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）分析進(jìn)行定量測(cè)定[13]。為滿足機(jī)體代謝的需要，膳食中蛋白質(zhì)的攝入應(yīng)包括人體所需的各種氨基酸，食物蛋白質(zhì)源的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值取決于氨基酸組成和營(yíng)養(yǎng)上不可缺少的氨基酸的生物利用度，穩(wěn)定同位素技術(shù)可以通過(guò)標(biāo)記氨基酸作為指示劑，用于測(cè)定氨基酸的生物利用度。目前，已成功采用14C或13C標(biāo)記氨基酸的方法來(lái)確定成人體內(nèi)氨基酸的生物利用度，15N標(biāo)記的蛋白質(zhì)和13C-亮氨酸平衡可用于評(píng)估餐后蛋白質(zhì)的凈利用率[14]。

2.4.2 脂質(zhì)代謝

肥胖是全球主要的公共健康問(wèn)題，與脂質(zhì)代謝異常密切相關(guān)。穩(wěn)定同位素示蹤劑在揭示肥胖發(fā)生和治療機(jī)制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)利用13C-棕櫚酸酯示蹤，可以測(cè)量血漿中脂肪酸的出現(xiàn)率和氧化率，該技術(shù)還被用于研究飲食誘導(dǎo)的體重減輕是否改變體內(nèi)脂肪組織中餐后脂肪攝取的指標(biāo)，以及這些變化是否與超重人群的體重恢復(fù)有關(guān)[15]。多不飽和脂肪酸主要包括魚(yú)油、二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic Acid，EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic Acid，DHA），對(duì)預(yù)防和調(diào)節(jié)肥胖風(fēng)險(xiǎn)具有積極作用[16]。通過(guò)穩(wěn)定同位素分析揭示，魚(yú)油能夠通過(guò)降低肥胖男性載脂蛋白B-100的生成，有效減少血漿中三酰甘油濃度[4]。氮穩(wěn)定同位素比率可作為EPA和DHA攝入量的生物標(biāo)志物，通過(guò)穩(wěn)定同位素技術(shù)分析，表明n-3多不飽和脂肪酸的抗肥胖作用可能部分通過(guò)與遺傳因素相互作用而實(shí)現(xiàn)。

2.4.3 糖代謝

碳水化合物代謝包括糖酵解、三羧酸循環(huán)、磷酸戊糖途徑和糖異生等多種代謝途徑，涉及多種代謝物。穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為準(zhǔn)確鑒定碳水化合物代謝產(chǎn)物、定量和定性分析的關(guān)鍵工具。常用的同位素標(biāo)記底物為多種葡萄糖同位素。通過(guò)使用選擇性標(biāo)記的1-13C-葡萄糖和6-13C-葡萄糖，可以追蹤血漿中的13C-乳酸標(biāo)記，從而診斷葡萄糖的異常利用[4]。通常，葡萄糖是三羧酸循環(huán)的主要碳源，但在某些情況下，乳酸充當(dāng)葡萄糖的燃料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模，可以排除同位素交換的干擾，確認(rèn)葡萄糖是三羧酸循環(huán)的主要碳貢獻(xiàn)者。糖異生是糖代謝中糖酵解的相反代謝途徑，對(duì)維持正常的全身血糖水平至關(guān)重要。糖異生失調(diào)會(huì)導(dǎo)致代謝疾病的發(fā)生。穩(wěn)定同位素示蹤代謝組學(xué)將更廣泛地用于研究糖異生的代謝途徑和通量，為深入探討糖異生的代謝途徑和通量提供應(yīng)用[17]。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)展望

穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為提高食品安全性、真實(shí)性和質(zhì)量提供了科學(xué)手段，有助于保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益并促進(jìn)整個(gè)食品產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。盡管檢測(cè)技術(shù)取得進(jìn)步，但由于復(fù)雜性、靈敏度有限，以及痕量水平、基質(zhì)等因素影響，在保障食品質(zhì)量安全方面仍存在諸多挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)有效的化學(xué)或生物化學(xué)方法制備穩(wěn)定同位素標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)品。此外，食品中污染物的分子結(jié)構(gòu)、類型和濃度差異大，準(zhǔn)確定量不同食品基質(zhì)中的分析物具有挑戰(zhàn)性，因此必須優(yōu)化樣品制備和色譜操作條件，以測(cè)定不同污染物。

人體各方面都處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，營(yíng)養(yǎng)代謝失調(diào)會(huì)影響人體健康。穩(wěn)定同位素示蹤劑與色譜-質(zhì)譜聯(lián)用可成功用于人體營(yíng)養(yǎng)代謝體內(nèi)動(dòng)力學(xué)的評(píng)估。隨著不斷地發(fā)展，穩(wěn)定同位素標(biāo)記可能成為未來(lái)代謝組學(xué)研究的常規(guī)工具，結(jié)合分子和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，有助于深入了解人體營(yíng)養(yǎng)素的代謝變化并闡明相關(guān)機(jī)制。

4 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)定同位素技術(shù)在食品檢驗(yàn)領(lǐng)域的研究進(jìn)展為提升食品安全、真實(shí)性和質(zhì)量控制提供了強(qiáng)大的科學(xué)支持。隨著科技的不斷創(chuàng)新，該技術(shù)已成為食品分析中不可或缺的工具，為確保食品的高質(zhì)量和健康安全性提供了有效手段。通過(guò)應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)，研究者們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)食品真實(shí)性、安全性和營(yíng)養(yǎng)代謝等方面的深入研究。穩(wěn)定同位素技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用為食品檢驗(yàn)領(lǐng)域帶來(lái)了新的思路和方法。在未來(lái)，期望該技術(shù)繼續(xù)推動(dòng)食品安全和質(zhì)量的提升，為人們提供更加健康、安全的食品。

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作者簡(jiǎn)介：孫學(xué)麗（1982—），女，山東臨沂人，碩士，主管技師。研究方向：食品、水、職業(yè)衛(wèi)生等理化檢驗(yàn)等。