國內外穩定同位素技術在肉品溯源中應用的現狀

張宏博,姜 樂,杜 艷,靳志敏,范 鑫,鄭玉山

(內蒙古自治區食品檢驗檢測中心,內蒙古呼和浩特 010090)

國內外穩定同位素技術在肉品溯源中應用的現狀

張宏博,姜 樂,杜 艷,靳志敏,范 鑫,鄭玉山*

(內蒙古自治區食品檢驗檢測中心,內蒙古呼和浩特 010090)

為進一步探索和明確穩定同位素技術在我國肉品溯源中應用的不足和未來研究發展方向,本文通過對當前國內外穩定同位素技術應用于食品尤其是肉制品產地溯源檢測中的研究進展進行了總結,列舉了可應用于肉制品溯源檢測的主要同位素元素種類,指出了其來源和含量影響因素,分析了將該技術應用于肉制品產地溯源的技術關鍵及其可行性。

穩定同位素,肉制品,溯源技術

食品的可追溯性表現為通過記錄標識的方法回溯某個實體來歷、用途和位置的能力或表現為能夠追溯食品在生產、加工和流通過程中任何特定階段的能力。可追溯體系建設在肉類行業方心未艾,效果顯著[1]。近年來,隨著我國肉品工業的發展和人們生活水平的不斷提高,消費者對肉制品的要求從只追求數量轉變為追求質量。然而,從瘋牛病到口蹄疫,到更多的人畜共患傳染病,當今的食品安全仍然存在著很大的問題。2002年我國出口到歐盟的蝦仁被檢測出含有氯霉素,導致歐盟對我國的水產品進口全面禁止,從而給我國帶來了極大的經濟損失。因此,建立食品的“可追溯體系”及溯源檢測技術不僅可以滿足“從農田到餐桌”的質量安全保證,還可以及時有效的召回問題產品,最低限度地減小了經濟損失[2]。

研究表明,信息不對稱是導致食品,尤其是肉制品質量安全問題的根本原因[3]。消費者可以借助溯源技術,實現肉制品源頭可追溯、流向可跟蹤、信息可存儲、產品可召回,對肉制品的安全生產和運輸物流進行全程監督和跟蹤,從而對肉制品在各個環節的安全性實現高度控制,保證肉制品品質[4]。隨著定量檢驗檢測技術的推廣和發展,以及穩定同位素具有放射性低的特性,國外很早就開始對其研究和開發,并應用于醫學、地質、環境科學等領域[5]。在鑒別食品成分摻雜摻假和食品產地溯源技術研究中,有些同位素分析方法已得到美國官方分析化學師協會(AOAC)及標準化委員會(CEN)的承認[6]。

內蒙古位于我國的北部邊疆,以其優越的地理環境和豐富的草原資源,已經成為國家重要的畜產品基地。然而,近年來對畜產品的研究大量集中于屠宰加工和肉品品質的基礎或機理研究,如張宏博、靳燁等從2013～2016年一直致力于巴美肉羊的屠宰加工和羊肉品質,以及杜洛克和伊比利亞豬等生豬的屠宰加工和豬肉品質的研究等[7-10],而對于肉制品產地溯源的研究相對匱乏。

因此,如何對肉制品進行有效跟蹤和追溯,從飼養、屠宰、加工、包裝、儲藏、分銷運輸到零售的完整生產和供應鏈中建立有效的安全機制,開發準確的溯源技術,從源頭上保證肉制品安全是個很有意義的課題。

1 食品溯源概況

食品溯源技術是一種保障人們飲食安全、提高消費者對食品質量與安全的信心,以及適應國際貿易形勢的技術手段[11]。其可追溯性主要涉及對產品進行標識和跟蹤兩個方面[12]。隨著科學技術的發展和食品監督管理體系的建立和不斷完善,食品安全的可追溯工作越來越受到關注和重視,并被認為是管理和控制食品質量與安全問題的重要手段[13-14]。

食品的溯源技術一般分為兩類,一類是電子信息編碼技術,即將動物的來源、品種、飼養過程、屠宰、加工、貯存、運輸、銷售等從農場到餐桌的各個環節記錄并自動編入條形碼,最終通過條形碼來追溯以上環節;另一類是檢測技術追溯,即通過一些物理、化學、生物學的方法來鑒別產品的真偽,同時追溯產品的品種、飼養制度和產地來源[15]。

對于肉制品質量與安全追溯而言,早在19世紀,食品溯源體系已經應用于動物及動物產品的生產。它是對食品生產、流通過程中各關鍵環節的信息加以有效管理,以此來實現預警和追溯,預防和減少肉制品安全問題的出現,且一旦出現問題即可以迅速追溯至源頭的技術[16-17]。因此,肉制品質量與安全追溯,是保障消費者獲得動物來源、食品質量,以及食品安全等方面信息的有效手段。

2 穩定同位素溯源技術

2.1 概述

食品的溯源技術主要用于驗證已標明產地產品的真實性,并與條形碼溯源技術形成互為驗證的平行技術。同時,食品溯源技術可以識別錯標記或假冒產品,并甄別有特別標注產品,如“有機”、“綠色”、“生態”等產品[17]。穩定同位素溯源技術是以穩定同位素質譜技術為基礎,該技術具有靈敏度高、實驗手續簡便,以及區分被追蹤物質是實驗系統固有的,還是實驗過程中新加入的[18]。

具體而言,同位素可以分為穩定同位素、天然同位素和人工放射性同位素三種。它是指位于元素周期表同一位置,質子數相同,中子數不同的系列元素[19]。一般而言,元素的物理性質由原子核決定,而化學性質由電子結構決定。因此,某一元素因其所有同位素均具有相同的電子數和電子結構,其化學性質極為相似。然而,這種相似性并不是無限的。同位素質量的不同可以在一定程度上使元素的物理化學性質發生變化,當一個分子中的任何一個原子被它的同位素代替時,其化學行為均會發生微小的變化。這種由于原子量的改變使得元素物理性質和化學性質發生變化的現象稱為同位素效應[20]。

2.2 穩定同位素溯源技術的基本原理

研究表明,同位素溯源技術的基本原理與依據是同位素的自然分餾效應,該分餾效應是指同位素比值不同的兩種物質之間或同一物質兩個相態之間發生的同位素分配作用[20]。Hilmar等基于同位素的組成攜帶環境因子的信息,并受氣候、地質、環境、生物代謝類型等因素的影響而將同位素溯源技術形容為“同位素指紋”,以此作為區分不同來源物質的自然標簽[21]。同時,同位素的交換反應和動力學作用是引起同位素分餾的兩種主要過程。

在基于穩定同位素的食品及肉制品溯源體系中,通常涉及到的穩定同位素有碳、氮、氧、氫、硫、鍶和硼同位素[11]。

2.2.1 碳 碳有兩種穩定同位素,分別是12C和13C。δ13C在不同植物中的差異性主要是由于植物固定CO2的方式不同造成[20]。研究發現,通過測定13C/12C的比值,可以準確鑒別動物攝入的飼料是C3植物還是C4植物及其光合作用原理[22]。

2.2.2 氮 氮有兩種穩定同位素,分別是14N和15N。δ15N的差異主要源于含氮物質的不同來源,如人和動物的廢棄物、化學肥料、空氣、微生物作用等[23]。同時,含氮飼料也是造成肉中δ15N值差異的重要因素。例如,飼喂豆科植物可以降低δ15N值,而飼喂含氮飼料可以使δ15N值顯著提高[24]。

2.2.3 氧 氧有三種穩定同位素,分別是16O、17O和18O。研究發現,降水中的δ18O隨地理位置的變化而變化,而地下水與大氣降水的同位素組成相近。因此,距離海洋的遠近將影響地下水中18O 的濃度,即離海洋較近的地區,18O 的濃度相對較高[20]。

2.2.4 氫 氫有兩種穩定同位素,分別是1H和2H。其中,氫同位素由于其質量較小,因此在許多物理和生物過程中更容易被分餾。同時,研究發現,氫同位素比值的變化規律受緯度效應、海拔效應和大陸效應的綜合影響,也隨著地理位置的變化而變化[25]。

2.2.5 硫 硫屬于非金屬成礦元素,主要以硫化物和硫酸鹽形式存在。其同位素含量變化范圍較大,且其在自然界中的變化是通過硫酸鹽細菌還原作用過程中發生的同位素動力學效應和硫酸鹽與硫化物之間、不同硫化物之間發生的各種化學交換反應兩種類型的同位素分餾機制引起的。δ34S值受土壤、工業廢棄物、肥料的影響較大[26-27]。因此,生物體中硫同位素組成與其來源有關,能夠有效的進行食品及肉制品產地溯源。

2.2.6 鍶 鍶有四種同位素,分別是84Sr、86Sr、87Sr、88Sr。87Sr/86Sr與巖床中能被生物體利用的含鍶礦化物有關,該比率只依賴于巖石和土壤類型,而不依賴于人類活動、氣候及生產季節的變化。同時,放射性衰變產生的一定量的87Sr 可以用來作為追蹤產品地理來源的指標[25]。因此,鍶同位素比值對于鑒別食品真偽、判斷動植物產品產地來源大有幫助,因為相對于輕同位素來說,它有著不同的轄域。當生物體來自有著相似氣候的不同地區時,即δ18O和δ2H 值相同時,鍶同位素比值的判別效果比較好,能夠提供那些地區的不同巖石學信息[25]。

2.2.7 硼 硼有兩種穩定同位素,分別是10B和11B。硼同位素分餾作用主要發生在水溶液系統中,而導致不同土壤中硼同位素組成差異的另一個原因是硼化肥的使用[28]。

3 國外肉制品穩定同位素溯源技術研究現狀

從21世紀開始,各國肉制品專家已經越來越多的開始進行穩定同位素的肉制品溯源技術方面的研究,并逐步應用于牛肉和羊肉的摻雜摻假鑒別中[29]。

3.1 動物飼料營養調控

Piasentier等[30]研究發現,飼料因素對羊肉粗脂肪和粗蛋白中δ13C的豐度值的影響極為顯著。同時,粗蛋白中的δ15N值受肉羊品種的影響較為顯著而飼料對其沒有影響。該研究結論對鑒別不同品種肉羊是否食用了相同飼料具有一定的借鑒作用,且具有進一步深入研究的價值。

Renou等人在2004年對法國牛肉研究發現,選擇不同地理位置和不同海拔高度飼養的肉牛,牛肉中δ18O值根據氣候條件的不同而不同,且δ18O值由于飼喂的飼料不同而不同[31]。同年,Boner等人對德國牛肉研究發現,選擇不同農場的肉牛,根據其肌肉組織水中的δ2H和δ18O可以進行牛肉的產地溯源。同時,Boner等人研究發現,牛肉粗蛋白中δ13C值可以作為牛肉有機養殖的判斷指標[32]。

Schmidt等人研究發現,根據δ13C和δ15N在歐洲牛肉和美洲牛肉中的差異,可以得出其飼料組成不同的結論。同時,其研究也發現,δ13C值可以作為鑒別有機牛肉和傳統牛肉的指標之一[33]。該研究結果也與近幾年Radloff的研究結果一致,即飼料因素對牛肉中δ13C值的影響極為顯著[34]。

Carrijo 等[35]在2006年研究發現,飼料中肉骨粉的水平可以根據肉雞肌肉中δ13C和δ15N來追溯,隨著飼料中肉骨粉含量的增加,肉雞肌肉中δ13C和δ15N也逐漸增加。因此,該研究表明,肌肉中δ13C和δ15N可以判斷飼料中是否含有肉骨粉,以及判斷肉骨粉在飼料中所占的比值。同時,實驗還發現家禽肌肉組織中新陳代謝速度最快的是胸肌。

3.2 肉品產地判斷

利用肉中水的δ18O值也可以鑒別不同國家的牛肉和雞肉。同時,利用肉灰分中的δ87Sr也可以區分不同國家的牛肉以及經過不同飼養方式的雞肉[35]。例如,Camin等人研究發現,歐洲不同國家和地區的羊肉,其羊肉水中δ2H值與當地水源關系顯著[27]。而Nakashiita等人研究也同樣發現,日本牛肉粗蛋白中的δ18O值也與當地水源中的δ18O值密切相關[36]。

基于非洲廣袤的土地及其繁多的物種和多樣化的生態特征,以及不同地區其各種穩定同位素特性均存在顯著差異[37],Sandberg等人在2012年和Erasmus等人在2016年對非洲不同地區羊肉的最新研究結果發現,同位素13C可以作為鑒別飼料的重要元素,不同飼料飼喂的動物均會呈現出不同的同位素特性[38-39]。

3.3 肉品摻假鑒別

目前,穩定同位素技術在鑒別蜂蜜、果汁、油脂、葡萄酒摻假,判斷果汁、葡萄酒、乳品、谷物等的產地來源及追溯動物的飼料原料和摻雜摻假辨別等方面顯示了無可替代的優越性[40]。然而,其在肉品摻假鑒別中卻應用較少[41]。因此,利用穩定同位素技術進行肉品摻雜摻假鑒別的研究具有重要的應用價值。

4 我國肉制品穩定同位素溯源技術研究現狀

相比于歐盟等西方國家,我國對食品質量信息追溯體系的研究開始時間較晚,且在該方面所做的工作也比較淺顯。自2000年來,我國才在果蔬、水產品、糧油產品等方面開展食品可追溯技術及系統研究,并逐步制定了一些相關標準[42]。楊信延等在2008年構建了一個以蔬菜安全生產管理為核心的蔬菜質量信息追溯系統[43];鄭火國等在2009年采用計算機信息技術,開發了糧油產品質量安全可追溯系統[42];2012年至2013年,彭霞將射頻識別技術應用于海產品供應鏈溯源系統,而顏波和孫傳恒等從物聯網角度構建了水產品的追溯平臺[44-46]。

當前,我國也利用穩定同位素對肉制品進行了大量溯源技術的研究,并重點集中于碳、氫、氧等穩定同位素方面[47]。呂軍等2015年利用穩定同位素進行了牛肉產地溯源的研究。研究發現,來自山東省、內蒙古自治區和山西省的牛肉樣品,其δ13C、δ15N、δ2H、δ18O值都有顯著的差異,利用δ13C、δ15N、δ2H、δ18O值可對牛肉產地來源進行追溯,并且可以利用δ13C值推斷各地肉牛飼料的主要成分[48]。同時,研究也表明,穩定性氫同位素和穩定性氧同位素的比值在肉制品中主要受緯度、海拔和氣候等影響,在利用穩定性氫同位素和穩定性氧同位素對肉制品產地溯源時,也應考慮緯度、海拔和氣候的因素[48]。

郭波莉等通過利用穩定性碳、氮同位素對我國牛肉產地溯源的可行性研究發現,不同產地來源的牛肉,其δ13C值的差異及其顯著,且飼料中C4植物所占的比例可以用牛肌肉中δ13C值預測,而牧區與農區喂養的牛可以用δ15N鑒別[12]。對于利用穩定同位素技術追溯雞肉地理來源方面,王慧文等的研究表明,脫脂肌肉中,其粗蛋白中的δ13C值與飼料中的δ13C值相關性及其顯著,而其δ2H值與水源中δ18O值相關性顯著[2]。

肉品中的鍶雖然也具有相應的穩定同位素,且δ87Sr/δ86Sr與各地的地質條件緊密相關,可以作為追溯肉品地理起源的一個指標[49],然而由于其是一種痕量元素,在肌肉中含量很低,因此樣品中δ87Sr/δ86Sr微小的變化很難測定出來,難以廣泛應用。

在肉制品質量信息的追溯與控制方面,我國物品編碼中心和陜西標準化研究院分別制定和編制了《牛肉制品溯源指南》和《牛肉質量跟蹤與溯源系統實用方案》[11]。昝林森等在2005年開發了牛肉安全生產全過程質量跟蹤與追溯信息系統[50];陳長喜等在2010年開發了涵蓋肉雞生產與屠宰加工標準體系,具有第三方認證的肉雞產業技術體系生產監測與產品質量可追溯平臺[51]。

此外,政府也在生豬的屠宰加工,以及豬肉的分割、包裝和銷售方面建立了可追溯系統平臺,鼓勵支持生豬屠宰加工企業加入,并可實現豬肉相關信息消費終端追溯查詢模式。政府的主導經歷了農業部自2004年以來的農產品質量安全追溯體系探索、2008年啟動的農墾農產品質量追溯系統建設,以及商務部自2009年開始“放心肉”服務體系試點建設、于2010～2014年分五批共58個城市進行的肉類蔬菜流通追溯體系試點建設[3]。

5 結語

隨著近年來食品安全問題的日益嚴峻、新食品安全法的貫徹實施,以及對食品摻雜摻假的嚴厲打擊,穩定同位素技術的應用雖然越來越廣,但基于穩定同位素的肉制品溯源技術在追溯肉制品的地理起源和飼料來源方面應用卻較少。尤其是在國內,利用穩定同位素技術進行牛肉溯源性研究剛剛起步[52],而利用該技術進行地理標志羊肉溯源性的研究更是空白。因此,肉制品穩定性同位素溯源技術具有廣闊前景,對于確保動物產品的安全,以及杜絕地理標志保護產品的摻雜摻假有重要的意義。

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A review of the developments in application of stable isotope on determining geographic origin of meat products

ZHANG Hong-bo,JIANG Le,DU Yan,JIN Zhi-min,FAN Xin,ZHENG Yu-shan*

(Inner Mongolia Autonomous Regin Food Inspection Texting Center,Hohhot 010090,China)

To detect the application of stable isotope technique which is used for determining meat geographic origin,the present paper investigates the domestic and overseas developments on this technique and lists the main elements as well as their influence factors. It also points out the key technology and practicability of this technique,the domestic shortcomings of this application and the future direction of researches and developments.

stable isotope;meat;geographic origin

2017-01-19

張宏博(1986-)，男，博士，工程師，研究方向：畜產品加工，E-mail：nmgspjys_zhb2016@126.com。

*通訊作者:鄭玉山(1961-)，男，本科，正高級工程師，研究方向：食品質量與安全，E-mail：nmgzys@126.com。

內蒙古自治區科技重大專項。

TS207

A

1002-0306(2017)15-0347-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.065