穩定同位素技術在動植物源食品溯源中的應用研究

彭凱秀，劉 歡，劉 鴿，張秀珍，李 凡，田秀慧，宮向紅，王 斌，孫春曉，徐英江，李煥軍,

（1.山東省海洋資源與環境研究院，山東煙臺 264006；2.上海海洋大學食品學院，上海 200120；3.山東省海洋生態修復重點實驗室，山東煙臺 264006）

近年來食品市場發展迅速，食品安全問題日益突出，對于食品溯源問題，世界各國相繼出臺了有關食品溯源的各種法律和政策。我國在《農產品質量安全》以及《食品安全法》中，明確了食品農產品的追蹤與溯源的重要性。穩定同位素作為生物（包括食品）的一種天然印記，可以反映生物與當地環境的交互，能為食品溯源提供一種科學的、獨立的、穩定的、跟隨整個食物鏈流動的身份信息[1]。由于穩定同位素比值較少受人為因素和檢測環境的影響，因此該技術準確度高、無污染且靈敏度高，已應用于食品溯源研究中[2]。

為了彌補可追溯體系的不足及建立健全可靠的食品安全保障體系，促進動植物源食品產地溯源技術的研究，本文梳理了近年來國內外穩定同位素技術在動物源食品和植物源食品溯源中的應用進展，并對同位素溯源技術的推廣應用難點及發展方向進行展望。

1 食品追溯技術

溯源是一個基礎性概念，該制度可分為追蹤和溯源，追蹤指對食品銷售之后流轉信息的查詢，目的是召回或者控制食源性疾病的擴散；溯源指對食品銷售前供應鏈上的信息查詢，目的是追查引起食品安全問題的環節，以便準確快速地問責[3]。

食品追溯技術主要分為兩大類：一類是數據編碼技術，即人為地將食品從農場到餐桌各個環節的相關信息通過特定的編碼規則提取出來，再利用不同信息記錄和承載技術，實現追溯查蹤的目的，但在實際生產過程中，食品要經過復雜的加工、運輸、儲藏、銷售等程序，產品的每一過程都記錄在案很難實現，且數據編碼技術無法識別原始數據的造假問題，給后續環節中溯源追責留下了很多隱患。另一類是食品鑒別技術，即通過物理、化學、生物等方法來獲得食品本身屬性，通過與生產環節聯系起來實現真偽鑒別和食品溯源的目的[4]，目前比較常見的食品追溯技術包括：礦物元素溯源、近紅外光譜溯源、金屬元素分析法、DNA 技術溯源和穩定同位素溯源等。其中穩定同位素技術是近年來新興的一種食品檢測方法，以往多被用在地質勘測、環境監測和土壤成分研究領域，近來被應用在國內外的食品產地溯源中并取得了不錯的成果，是目前被認為最有發展前景的食品產地溯源方法之一。

2 穩定同位素分析技術溯源

同位素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。在自然界中，生物體不斷與外界環境進行物質交換，體內同位素組成受氣候、環境、生物代謝類型等因素的影響而發生自然分餾效應，從而使不同來源的物質同位素自然豐度存在差異，這種差異攜有環境因素的信息，可以反映生物體的環境條件[5]。同位素的自然分餾效應是同位素溯源技術的基本原理與依據，利用同位素分析技術，可以鑒別食品成分摻假，追溯食品污染物來源及產地等。

同位素可分為穩定同位素、天然同位素和人工放射性同位素三種。其中穩定同位素因其沒有放射性，不會造成二次污染，國內外很早就對其進行開發、研究和應用。碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）是食品產地溯源中最常見的四種穩定同位素，在受到不同因素影響后，如各種地球化學因素（氣候、降水、海拔等）、農作物種植方式、動物養殖方式等，會發生不同程度的分餾作用，因此認為穩定同位素反映著不同的地域和農業信息。隨著研究的不斷深入發現還有一些穩定同位素如硫（S）、鍶（Sr）、鉛（Pb）等也能很好地進行同位素分析和地理位置溯源。

3 穩定同位素技術在動植物源食品溯源中的應用

3.1 植物源食品

由于植物一般都固定生長，所以其體內同位素組成直接反應其生長地域和環境。作為糧食主產區的亞洲國家，特別是東南亞國家也開始了一系列穩定同位素的溯源研究。

3.1.1 谷物 大米和小麥是我國的重要主糧，不同產地由于氣候等條件不同導致口感、營養價值等差異較大，因此有必要對優勢產地的大米和小麥產品進行產地和真偽溯源。

在谷物溯源分析中，δ13C、δ15N 同位素應用最為廣泛，且大跨度地區的谷物溯源準確率很高[6]。通過對比不同國家大米中δ13C、δ15N 同位素差異，發現我國南北方地理緯度跨度約50°，大米中δ13C 變化明顯，而日本大米種植地區跨度小，δ13C 比較接近，此外大米中δ13C、δ15N 的差異還與不同國家氣溫和施肥習慣相關[7]。Rashmi 等[8]分析了印度不同州的小麥中δ13C 和δ15N，發現基于δ13C 值，可以觀察到一些地理起源的小麥獨特的指紋，證實δ13C 可用于不同地理位置小麥溯源。劉宏艷的研究也證實了這一點，河南、河北與陜西3 個試驗點種植的3 種不同基因型的小麥，在采集樣本后加工得到制粉產品（麩皮、次粉、面粉）發現不同制粉產品中δ13C 值具有地域特征，δ15N 則無顯著差異[9]。將穩定同位素和元素分析結合后，可提高谷物來源產地判別的準確性，Abdullah 等[10]總共分析了53 個大米樣品的元素組成和穩定同位素組成，并使用主成分分析和線性判別分析的化學計量學方法劃分區域，可達到98.1%正確分類，分類模型內部和外部驗證測試的預測準確性分別為96.2%和84.6%，表明元素組成和穩定的同位素具有很高的潛力可用于鑒定來自不同來源的水稻品種。

3.1.2 葡萄酒 隨著葡萄酒產品需求的增加，在葡萄酒市場上出現的假冒葡萄酒數量也在增加，包括產地標簽錯誤和假冒的葡萄酒品牌等。因此，穩定同位素技術在葡萄酒產品的產地溯源變得很有必要。

δ87Sr 值反映了葡萄生長的土壤情況，是判別葡萄酒來源的重要指標，Durante 等[11]研究了土壤、葡萄枝、葡萄酒的δ87Sr 值，發現葡萄枝中的δ87Sr 值與土壤中的同位素值非常接近，葡萄酒中δ87Sr 值與土壤和葡萄枝可以相互對應，這在很大程度上確認了土壤和葡萄枝中的δ87Sr 值可用于追蹤葡萄酒地理分布。而對于葡萄酒中的揮發成分(如乙醇、乙酸、丙三醇等)的δ13C 值也可以區分不同產地的葡萄酒，用于葡萄酒的產地溯源分析[12]。Orellana 等[13]對4 個主要葡萄酒產區的133 種葡萄酒進行地理分類，利用多種元素分析結合δ2H、δ18O 同位素，發現在線性判別分析下正確分類率高達96.2%，可以實現對葡萄酒的認證，明確葡萄酒的地理起源。Fan 等[14]收集了三種不同地理來源的葡萄酒，利用元素分析和δ18O 同位素測定，可以達到95%的分類率，這些研究都為葡萄酒的溯源數據庫的建立提供了基礎。

3.1.3 茶葉 茶葉的流行不僅是因為其理想的香氣和清爽的口感，還因為它的保健作用，研究表明喝茶可以降低血糖活性、預防糖尿病、減少血液膽固醇水平等[15]。雖然茶葉作為保健飲品已有四五千年的歷史，但市面上仍存在以次充好的現象，且難以區分，所以需要對茶葉進行區別與溯源。

次頓等[16]測定了安徽、福建、貴州、山東、四川、浙江、西藏7 地區的綠茶樣品的δ13C、δ15N、δ2H、δ18O 和δ34S 五種同位素，發現同位素存在一定差異且多同位素指標組合判別準確率可達84.8%，因此利用穩定性同位素指標與多元統計分析方法相結合可以對不同地域來源的綠茶進行有效區分。Ni 等[17]分析了從不同產地綠茶樣品中的多種元素含量和穩定同位素特征，測試了線性判別分析（LDA）、偏最小二乘判別分析（PLS-DA）和決策樹（DT）辨別茶葉地理來源的能力，發現上述三種方法的預測準確性均大于70%，表明多種元素含量和穩定的同位素特征可以實現綠茶的有效溯源。為了證明茶葉的采后加工方式對茶葉內穩定同位素的影響，劉志等[18]研究了五種烘干方式后西湖龍井中δ13C、δ15N、δ2H、δ18O同位素的差異率，發現個別同位素比有變化，但多因素橢圓置信區間測試結果顯示五種烘干之間并沒有顯著差異，基于此測試了西湖、山東和重慶三個地區的溯源，經過2000 次隨機循環，發現準確度均高達90.0%，充分驗證了溯源的有效性及判別模型的穩定性。

3.1.4 果蔬 果蔬因其豐富的營養和功效在人們日常生產和消費中所占的比重逐漸增大，果蔬產品的安全也成為人們關注的焦點。果蔬中同位素主要反映地域信息及農業生產情況等，所以溯源技術是保障果蔬品質的重要手段。

果蔬中穩定同位素的分餾效應主要受到降水、土壤、氣候等環境影響，Chung 等[19]利用δ13C、δ15N、δ18O 和δ34S 結合OPLS-DA 來分析中韓香菇干地理起源，研究發現中韓香菇干的δ15N 和δ18O 有良好的區別率，可以很好地預測干香菇片的地理起源。Pianezze 等[20]首次使用穩定同位素比率（δ2H，δ13C，δ15N，δ18O 和δ34S）進行大蒜產地表征，其數據分布顯示出部分重疊，但是地理來源對不同的比率有一定的影響，盡管采樣點相對靠近，但通過線性判別分析方法仍可實現具有良好地理分類預測性能的模型。Mahne 等[21]研究δ13C、δ15N、δ18O 和δ34S 四種同位素配合元素分析對四個地區的馬鈴薯進行分析，發現穩定同位素配合礦物元素分析總體成功率可達100%。Magdas 等[22]研究錳濃度，穩定同位素（δ2H、δ18O、δ13C、δ15N）和稀土元素三種方法對常規種植蘿卜和有機蘿卜的區分率，結果表明錳含量是最有效的分化標記之一，此外δ15N 值和大量的稀土元素能夠分別以83.3%（初始分類）和81%（交叉驗證）的百分比區分有機種植的胡蘿卜樣品。一般來說鑒別有機標簽是通過施肥情況造成δ15N 和δ34S 的差異來實現的，但近期提出了一種更有效的基于植物硫酸鹽中δ18O 值分析的有機認證新方法，相較于傳統同位素標記，有機蔬菜中δ18O硫酸鹽含量穩定，可以更加準確地鑒別有機蔬菜[23]。

對于植物產品，利用單一的δ13C、δ18O、δ15N 值對產地進行溯源很少能夠得到滿意的結果，而將2～4 種穩定同位素相結合可大大提升成功率。表1列舉了穩定同位素在植物源食品方面的應用。

表1 穩定同位素在植物源食品溯源中的應用Table 1 Application of stable isotopes in the traceability of plant food

3.2 動物源食品

動物產品中同位素既受動物飼料的影響，也受動物自身代謝過程中同位素分餾的影響，動物飼料來源不同且動物在飼養過程可能會遷移，因此動物產品的產地溯源比較復雜。

3.2.1 畜禽肉品 瘋牛病、口蹄疫、禽流感等動物疫情的發生，使消費者在選擇動物性產品時高度關注其食品安全與產地問題。應用穩定同位素技術溯源動物源產地是基于分析不同類別的樣品（包括脫脂干物質、脂肪、組織水分及毛發）中的穩定同位素來獲得其產地判別率的。

牛肉的溯源是國際上起源最早的溯源體系之一，所以目前對牛肉的溯源研究較多且較深入，Guo 等[47]研究來自中國不同省份59 種牛樣品中δ13C、δ15N 值的變化，發現脫脂牛肉、粗脂肪和尾毛的δ13C、δ15N 值存在一定的區域性，δ13C 值在尾毛處的變化最顯著，δ15N 值在脫脂牛肉中變化最顯著。Behkami 等[48]也驗證了牛肉和牛尾毛之間的相關性，并確定在開發牛奶地理可追溯性數據庫中使用牛尾毛δ13C 和δ15N 值的可行性。由此可知，可以根據牛肉、牛尾毛、牛奶之間的較強的相關性，建立可追溯數據庫，實現連續溯源。郭波莉等[49]隨后也證實了牛肉中δ13C、δ15N、δ2H 三種穩定同位素與牧草及水源之間的關系可以用于牛肉的產地溯源。對飲食引起的同位素差異，Macari 等[50]用羊肉中的類胡蘿卜素色素和δ15N 值鑒定綠色食草飼料的綿羊肉，很好地區分飲食中食用豆類的羔羊與不食用豆類的羔羊。

穩定同位素在畜禽方面的溯源研究較多，其中δ13C、δ15N 同位素應用最為廣泛，但目前市面上對畜禽肉的溯源主要集中在生肉制品，而Epova 等[51]研究了干腌火腿中δ87Sr 值的差異，發現產品中添加的鹽是造成δ87Sr 差異的主要原因，通過生肉和鹽δ87Sr 值測定可以區分腌制火腿的地理起源，故對于簡單肉加工制品，可以通過添加非傳統元素如δ87Sr 和δ204Pb，統一量化加工過程中產生的元素變化，以達到產品溯源目的。

3.2.2 乳與乳制品 牛奶被稱為最接近完美的食品，這主要歸功于其優異的營養品質。但是人們對國產乳及乳制品的安全仍存在疑問，因此需要研究強有力的有效的溯源手段。

同位素構建的多元指紋圖譜可以將牛奶中的同位素比率與土壤、水和草料成分聯系起來[52]。Behkami等[53]認為降水作為環境因素會影響牛奶的同位素信息，并基于降水量與牛奶之間的強相關性分析δ18O 和δ2H，認為降水同位素信息確實有建立牛奶的地理起源可追溯體系的潛力，之后也有研究證實了多元素指紋圖譜和同位素指紋圖譜對區分不同地區牛奶樣品來源的有用性[54]。相較于其他加工制品，乳制品加工過程對同位素影響較小，Bontempo 等[55]研究從牛奶到奶酪沿生產鏈的同位素和元素組成的演變，發現利用穩定同位素（δ15N、δ18O、δ2H）可以區別水牛乳（PDO）和普通牛奶制作的奶酪。郭秀秀[56]研究了不同國家奶粉中δ13C、δ2H、δ18O、δ15N 四種同位素，發現四種同位素組合測試對奶粉的溯源準確率高達80%，可以有效鑒別奶粉產地和標簽。

3.2.3 水產品 水產品營養價值豐富，含有人體所需的各種氨基酸，特別是人體需求量最大的亮氨酸和賴氨酸，不同地區養殖的水產品口感品質存在差別，市場上以次充好、冒充知名地方品牌的現象屢見不鮮，因此需要一種有效的水產品鑒別技術。

造成水產品同位素差異的原因主要是養殖環境和養殖方式的不同，Zhang 等[57]利用δ13C 和δ15N 檢測三個扇貝物種，證明使用穩定同位素分析可有效鑒定扇貝的地理起源和種類，且平均準確率高達92%。Camin 等[58]測量了來自意大利不同養殖場虹鱒魚的飼料、儲罐、脂質和脫脂魚片中δ13C、δ2H、δ18O、δ15N 值，發現可以根據飼料的類型追蹤虹鱒魚地理起源，此外根據飼料還可以進行白蝦、鰻魚、虎蝦等水產品淡水養殖和野生的快速辨別[59-61]。Zhao 等[62]測定了我國不同地區的野生和人工培養的日本海參樣品的氨基酸δ13C 值。通過多變量統計分析，區分了不同采樣子區域的樣品，對于野生樣品和人工養殖樣品，8 個日本海參采樣子區域的總體正確分類率為100%，交叉驗證率為100%，表明穩定同位素對水產品溯源和鑒別的適用性。

目前穩定同位素在動物源食品中的應用主要集中在牛肉、羊肉、雞肉和乳制品等方面。動物源食品產地溯源在國外開始較早，我國的同位素溯源研究尚處在探索階段，尤其在水產品溯源方面的研究較少。表2總結了穩定同位素在動物源食品溯源的研究進展。

表2 穩定同位素在動物源食品溯源中的應用Table 2 Application of stable isotopes in the traceability of animal food

4 結語與展望

穩定同位素技術不需要復雜的前處理步驟，處理后的樣品不容易變性或受到污染，準確性高，穩定性好，在食品溯源方面發揮著重要的作用，具有廣闊的應用全景。近年來已經在畜禽肉、乳制品、水產品、谷物、葡萄酒、茶葉、果蔬等溯源方面取得了一系列成果。

但該技術仍存在一些局限性，主要體現在以下幾個方面：一是目前食品上的溯源主要是利用穩定輕同位素（C、H、O、N、S）進行分析，而對一些非傳統的同位素如Sr、Pb 等的研究較少；二是溯源對象比較專一、不全面，如在畜禽肉制品主要集中在生肉產地溯源，無法對市面上流通更多的熟肉制品進行準確鑒別；三是溯源太過籠統化，如稻米籽粒在不同部位存在分餾差異、果蔬的皮和果肉中同位素也存在差異，目前對這種劃分組織的細致研究較少；四是部分產品的同位素無法測定或者測定結果不穩定，如目前無法穩定測定動植物體內的氫穩定同位素，且植物體內的部分氫會不斷與周圍環境水中的氫發生互換；五是利用同位素溯源研究的系統性和深度不足，當前溯源研究只簡單集中在幾個地區產品的研究，樣本數量較少，無法建立系統的溯源數據庫。

為進一步加強同位素溯源準確性和可靠性，在技術方面仍需從以下幾個方面進行加強：一是深入研究動物不同部位（皮毛、肌肉、內臟等）和植物不同部位（根、葉、枝、果實等）的同位素含量，使同位素溯源研究更加細化和全面化；二是針對地形、氣候、地質等環境因素對植物生長關鍵過程中的同位素分餾，結合有效成分進一步解釋產地特征；三是收集大量樣品，探索不同區域、不同種類樣品的溯源指標，建立和完善溯源數據庫；四是當使用單獨穩定同位素測定有難度時，需要與其他檢測方法或技術（元素分析、氣象色譜、液相色譜等）聯合測定。此外，在實際應用推廣中，還需要政府和科研工作者努力去推廣實驗，制定相關溯源標準等。