食品安全檢驗量值溯源體系的構建

楊耀武， 霍江蓮， 安 平， 林志國， 齊香榮， 蘆 云， 盧曉蕊，張 英， 楊曉婷， 劉文清， 郭江瑩， 李云巧

（1.中國合格評定國家認可中心，北京 100062；2.中科國邦（北京）檢驗檢測有限公司，北京 102629；3.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；4.北京市產品質量監督檢驗院，北京 101300；5.中國食品發酵工業研究院有限公司，北京 100015；6.北京智云達科技股份有限公司，北京 100081；7.中國計量科學研究院，北京 100013）

民以食為天，食以安為先，安以質為本。食品安全和食品質量事關人民健康、社會穩定、對外貿易和民族繁榮，食品檢驗是食品安全得以實現的一個重要途徑。近年來，隨著我國對食品領域監管力度的逐步加大，使得檢驗結果能夠實現實驗室內及實驗室間的準確一致、可靠可比成為食品相關量值溯源的核心要求[1]。

目前，國內外針對食品安全溯源的研究較多，但很多研究集中在食品管理學上，主要針對食品原料和產地構建質量追溯體系[2-6]，雖然隨著信息化技術的發展，通過區塊鏈技術和5G技術對食品源頭進行溯源的應用越來越廣，食品原料和產地供應的保障程度越來越高[7-10]，但這方面的溯源仍然存在很多的不可控因素，即使同一產地的產品也可能因為環境條件、生產過程、運輸方式等因素導致食品質量差別較大，因此，食品質量最終仍需通過食品檢驗檢測來判斷是否符合國家相關標準或要求。而為了保證食品檢驗的準確性和可靠性，食品安全檢驗的量值溯源體系就顯得尤為重要。目前，我國對食品安全檢驗的量值溯源的研究主要針對單個（類）檢驗項目或領域，如食品中重金屬含量檢驗的量值溯源研究[11-12]、食品無機成分檢測量值溯源體系研究[1]等；或者針對食品安全檢驗量值溯源某個關鍵因素（如標準物質、儀器設備等）進行研究，如乳制品成分分析儀的量值溯源研究[13]、食品添加劑的標準物質研制[14]、轉基因大豆粉國家標準物質的研制[15]、動物性食品中磺胺類及雌激素類獸藥殘留標準物質的研制[16]等，而很少從影響量值溯源結果的各個關鍵因素的評估入手對食品安全量值溯源體系進行系統性研究。另外，對食品標準物質的研究是為食品安全檢驗提供溯源途徑和依據，但并不能指導食品安全檢驗實驗室建立量值溯源體系。因此，食品安全檢驗領域迫切需要一套科學的、可行的量值溯源體系模型來指導實驗室建立自己的食品安全檢驗量值溯源體系。

作者根據目前我國食品安全檢驗涉及的領域和相關方法，通過對不同領域和方法的關鍵量值進行系統分析、評估和歸納，并對標準物質的可獲得性進行評估和分析，采用直接測量、比對傳遞等量值溯源方式保證檢驗結果溯源到國際單位制（SI）或國家計量標準，并在其基礎上，依托國家重點研發計劃項目構建了食品安全檢驗量值溯源軟件系統平臺，期望能夠通過對標準物質、設備和檢驗過程中的關鍵量值進行分析和評估，幫助食品檢驗實驗室科學地建立食品安全檢驗量值溯源體系，保障食品安全檢驗結果的準確性、一致性和可溯源性。

1 食品安全檢驗量值溯源的概念和體系

1.1 量值溯源的概念

量值溯源國際上稱為計量溯源性，國際通用計量學基本術語（VIM）中對計量溯源性的定義為：通過文件規定的不間斷的校準鏈，將測量結果與參照對象聯系起來，校準鏈中的每項校準均會引入測量不確定度[17]。對計量溯源性的定義進行分析，包含以下幾方面含義：1）不間斷的校準鏈也稱為溯源鏈，嚴格意義上來說，所有的測量，其結果都應按照溯源鏈追溯到國際單位制SI；2）當技術上不可能溯源到國際單位制SI時，應通過有證標準物質的標準值，或使用能夠滿足預期要求，并能通過比對等方式保證測量結果的參考測量程序、規定方法或描述清晰的協議標準等溯源到適當的參考標準，從而使測量的準確性和一致性得到技術保證[18]；3）量值溯源的實現，必須具備可以密切聯系測量結果的參照對象，如標準物質、國家或國際測量標準物質等；4）每個可溯源的測量結果均應附有合理評定的測量不確定度。

1.2 食品安全檢驗量值溯源體系

量值溯源是為追求高品質的、有效的檢驗結果而采取的一項重要技術措施。在食品安全檢驗領域，結果的有效性來源于檢驗結果的可靠性和可比性，結果的可靠性來源于縱向的量值溯源結果，而結果的可比性則來源于同級實驗室間檢驗結果的橫向對比。因此，保證食品安全檢驗結果的有效性是一項綜合工程，食品安全檢驗實驗室出于市場競爭的壓力和自身利益與效益的驅動，應主動作為量值溯源和內外部質量控制的發起者和參與者，充分評估食品安全檢驗的內外部溯源因素（包括標準物質、儀器設備、方法標準以及試劑耗材等），并對需要量值溯源的儀器設備按照要求進行校準和檢定，積極尋求并參加實驗室間比對、能力驗證等活動[19]，從而保證檢驗結果的可靠性。

本研究中通過對多家中國合格評定國家認可中心認可的食品安全檢驗實驗室在實際檢測工作中的量值溯源體系進行綜合分析、比較和評估，認為食品安全檢驗實驗室應根據實際工作涉及的食品安全檢驗領域及相關的檢驗方法，按圖1所示的食品理化、微生物和分子生物學領域的溯源體系模型，對溯源性因素根據其對檢驗結果準確性和可靠性貢獻大小進行充分評估，建立適當的控制級別。可按溯源性貢獻從大到小分為較高控制級別、中等控制級別和基本控制級別等（也可標注不同顏色表示不同的控制級別，如圖1所示），對較高和中等控制級別的溯源性因素進行溯源體系評估分析。不同實驗室可根據實際情況適當予以調整并建立自身的食品安全檢驗量值溯源體系。

圖1 食品安全檢驗量值溯源體系模型Fig.1 Model of traceability system of food safety inspection

由圖1可以看出，標準物質在食品安全檢驗量值溯源體系中占據了主導地位，包括理化檢驗量值溯源的標準物質/有證標準物質、微生物檢驗的標準菌株以及分子生物學檢驗的含目標基因DNA的質量標準分子等。標準物質是具有一種或多種確定特性足夠均勻且穩定的材料，并已被確定其符合測量過程的預期用途，其特性值表征了其物理、化學或生物所對應特性量的值，具有良好的可追溯性[20]。在我國，標準物質分為一級標準物質（GBW）和二級標準物質（GBW（E）），均為國家有證標準物質（CRM），需要經過國家計量行政審批。國際通用的基準標準物質（PRM）類別目前在我國沒有單獨分級，而是列入一級標準物質進行管理。我國標準物質量值溯源和分級體系如圖2[21]所示。其中，一級標準物質采用絕對測量法或兩種以上不同原理的準確可靠方法定值，若只有一種方法，可采用多個實驗室合作定值，其不確定度具有國內最高水平。而二級標準物質采用與一級標準物質進行比較測量的方法或一級標準物質的定值方法定值，其不確定度和均勻性均未達到一級標準物質的水平，但能夠滿足一般測量的需要[21]，實驗室檢驗采用的工作用標準物質一般為二級標準物質，因此，二級標準物質也叫工作標準物質。

圖2 我國標準物質量值溯源等級Fig.2 Hierarchy scheme of reference material in China

對于食品安全檢驗的量值溯源來說，標準物質是溯源過程中不可或缺的部分。圖3展示了包括抽樣和樣品制備的食品檢驗流程[20]，可以看出標準物質在樣品制備、儀器校準、檢驗數據評估、檢驗結果計算以及測量不確定度評估中都發揮著重要作用。因此，在食品檢驗過程中使用標準物質是實現食品安全檢驗量值溯源、保證測量結果準確一致的重要手段。

圖3 標準物質在食品安全檢驗過程中的作用Fig.3 Role of reference material in food safety inspection

食品安全檢驗實驗室在使用標準物質進行量值溯源時，應注意：1）充分評估標準物質對預期用途的適用性，如對于食品安全檢驗理化分析中的痕量組分（如重金屬殘留等），應明確是否是全部含量、不完全消解得到的含量、浸出含量或是包含痕量元素的某個特定組成。對食品安全檢驗溯源中最常用的有證標準物質（CRM）進行標準物質適用性評估的通用流程如圖4[20]所示。2）確認標準物質特性值關于計量溯源性的聲明，實驗室可以通過聲明中特性值溯源到的測量標準來判斷標準物質是否適用于預期的檢驗活動。對于有證標準物質尤其一級標準物質來說，通常應溯源至國際單位制SI（見圖2）。3）遵守標準物質使用和儲存說明，避免不正確的使用標準物質，以保證標準物質特性值及其不確定度的有效性。4）遵守標準物質證書上的有效期限，不使用超過有效期的標準物質，尤其是有證標準物質。5）對于可多次使用的標準物質，應遵循標準物質生產者提供的標準物質包裝和儲存使用說明，確保包裝的嚴密性和儲存方式的恰當性。6）標準物質的取樣，應能代表整個包裝樣品特性，以保證特性值和不確定度的有效性。同時，應按說明給出的最小取樣量取樣，小于最小取樣量的取樣沒有代表性，有必要時，標準物質應按說明在取樣前再次均勻化。7）當使用實物標準物質時，其基質應盡量與食品樣品匹配。

圖4 有證標準物質（CRM）預期用途適用性評估Fig.4 Applicability evaluation of Certified Reference Materials（CRM）for intended use

隨著我國對食品安全檢驗的日益重視，與溯源相關的標準物質（包括有證標準物質和基準標準物質）的數量、種類已基本滿足食品安全檢驗的需求。根據國家標準物質資源共享平臺（CNRM）的數據，截至2021年4月，我國食品相關一級標準物質173種，二級標準物質201種[22]，涉及食品添加劑、食品限量物質、食品包裝中殘留有害物質等，覆蓋食品理化、食品微生物和分子生物學三大檢驗領域。因此，對于食品安全檢驗來說，首選采用我國研制和生產的標準物質進行量值溯源。

食品安全檢驗量值溯源除標準物質外，檢驗過程中使用的標準方法和關鍵儀器設備等也是重要的溯源性因素（見圖1），尤其當標準物質不可獲得時，這些溯源性因素在實驗室參加外部質控（如能力驗證、實驗室間比對等）或儀器設備校準和檢定等從而獲得橫向可比性的活動中就顯得尤為重要。因此，實驗室應根據自身的檢驗活動對采用的標準方法和關鍵儀器設備進行充分評估，制定標準方法核查程序和關鍵儀器設備校準、檢定程序，并按照評估結果和程序要求定期對標準方法的適用性進行核查，對關鍵儀器設備進行校準或檢定。

2 食品安全檢驗量值溯源體系的重要參量

食品安全檢驗主要涉及食品理化檢驗（含儀器分析、常規理化分析等）、微生物檢驗和分子生物學檢驗3個領域（見圖1），實驗室在進行量值溯源評估時，應充分考慮不同檢驗類型的標準物質和關鍵儀器設備的可獲得性、不確定度及相關技術指標等重要參量的溯源性要求，評估相應的關鍵溯源參量數據，構建量值溯源體系架構，有條件的實驗室，應形成溯源體系數據庫，確保檢驗結果的準確性和可靠性[18]。作者依據《國家食品安全監督抽檢實施細則（2019年版）》[23]涉及的檢驗項目，以大米中鎘檢驗、全脂奶粉中大腸菌群檢驗和轉基因玉米檢驗為例，分別敘述食品安全檢驗理化、微生物和分子生物學檢驗領域的量值溯源體系架構和重要參量，其在《國家食品安全監督抽檢實施細則（2019年版）》中 分類、風險等級和依據標準如表1所示。

表1 食品安全檢驗項目分類、風險等級及檢驗依據Table 1 Classification，risk level and testing basis of food safety inspection items

2.1 食品理化檢驗量值溯源體系架構和重要參量

對于食品安全理化檢驗來說，影響結果準確性和可靠性的因素比較多，從量值溯源的角度來看，主要包括標準物質、檢驗方法、儀器設備等。本文中以大米中鎘檢驗為例，標準物質的溯源指標參量包括技術指標（如標準物質純度和配置要求、測量范圍、規格、不確定度等）、控制級別、溯源等級圖類別及其他因素（如有效期、校準周期等）等，如表2所示。

表2 食品理化檢驗標準物質溯源指標參量Table 2 Traceability parameters of reference material for physical and chemical inspection of food

關鍵儀器設備溯源指標參量則包括技術指標（如儀器的測量范圍、規格、不確定度等）、控制級別、溯源等級圖類別及其他因素（如有效期、校準周期等）等，如表3所示。由表3可以看出，大米中鎘檢驗的主要儀器為原子吸收分光光度計和天平，其控制級別最高，為1級。

表3 食品理化檢驗關鍵儀器溯源指標參量Table 3 Traceability parameters of important equipment for physical and chemical inspection of food

2.2 食品微生物量值溯源體系架構和重要參量

對于食品安全微生物檢驗來說，影響結果準確性和可靠性的溯源性因素主要包括標準菌株和儀器設備等。本文中以全脂奶粉中大腸菌群檢驗為例，其標準菌株的溯源指標參量包括標準菌株來源、保存要求、控制級別、溯源等級圖類別等，如表4所示。

表4 食品微生物檢驗標準菌株溯源指標參量Table 4 Traceability parameters of standard strain in food microbiology inspection

續表3

食品安全微生物檢驗領域的主要儀器包括電子天平、無菌吸管、恒溫培養箱和培養物保存冰箱等，其控制級別為1級（見表5），其他溯源指標參量與理化檢驗類似（見表3、表5）。

相位噪聲是PLL合成頻率源衡量其頻譜純度的重要參量。PLL合成頻率源的噪聲主要來源于4個部分，分別是參考信號源、鑒相器、VCO以及數字N分頻器，圖2為PLL合成頻率源的相位噪聲模型。其中，Kd為鑒相器的增益，Kv為壓控靈敏度，θnr,θnd,θnv,θnn,θno分別為參考信號源、鑒相器、VCO、數字N分頻器和PLL合成頻率源輸出信號的相位噪聲。

表5 食品微生物檢驗關鍵儀器溯源指標參量Table 5 Traceability parameters of important equipment in food microbiology inspection

2.3 食品分子生物學量值溯源體系架構和重要參量

對于食品安全分子生物學檢驗來說，與理化和微生物檢驗不同，分子生物學檢驗對象屬于痕量級別，主要依靠聚合酶鏈反應（PCR）對基因片段進行指數擴增后進行檢驗，所以影響結果準確性和可靠性的溯源性因素主要包括含有目標DNA的質量標準分子DNA和PCR儀以及其他重要輔助儀器設備（如移液器、微量核酸分析儀等）等。本文中以轉基因玉米檢驗為例，從質量標準分子DNA和儀器設備的技術指標（如DNA分子的拷貝數、儀器的測量范圍、規格、不確定度等）以及其他因素（如有效期、校準周期等）構建量值溯源架構，形成不同控制級別的量值溯源指標參量（見表6和表7）。從表中可以看出，溯源控制級別為1級的標準物質和儀器設備主要為質量標準分子DNA、實時熒光PCR儀、離心機、微量移液器等，都與其痕量分析的特征相吻合。

表6 食品分子生物學檢驗標準分子DNA溯源指標參量Table 6 Traceability parameters of standard DNA in food molecular biology inspection

表7 食品分子生物學檢驗關鍵儀器溯源指標參量Table 7 Traceability parameters of important equipment in food molecular biology inspection

2.4 食品安全檢驗量值溯源等級圖

從表1~7可以看出，在對量值溯源重要參量進行評估過程中，量值溯源等級圖也是一個重要的參量，所謂的量值溯源等級圖是用框圖的形式來表示量值溯源的技術特性，其可以清晰直觀的表明計量器具或標準物質的計量特性與給定的量值基準之間的關系，代表了量值溯源等級的順序，是對溯源鏈的一種說明。繪制食品安全檢驗實驗室標準物質和重要儀器設備的量值溯源等級圖是一件技術性和專業性較強的工作[24]，應有專業人員根據相關標準、作業指導書、儀器設備性能指標以及自身的專業理論、實踐經驗進行繪制，同時，在繪制過程中，應充分考慮溯源過程中的不確定度，并應用到實際的檢驗過程中。

食品安全檢驗涉及的理化、微生物和分子生物學檢驗中的標準物質、標準菌株、質量標準分子DNA及重要儀器設備等重要組成部分的溯源性需要繪制溯源等級圖，并在溯源等級圖上清晰標明確定的特性值和量值溯源到上級計量標準的途徑。

我國食品安全檢驗中涉及的標準物質量值溯源等級圖如圖2所示。

在我國，儀器設備的溯源通常由儀器使用方或服務供應商根據校準方案進行核查、校準或檢定，并根據校準方案要求定期送上一級計量機構進行校準或檢定，以確保檢驗結果的溯源性能通過不間斷的校準鏈與適當參考標準相鏈接[18]。上一級計量機構通常包括中國計量科學研究院、獲得相關資質或授權的校準或檢定實驗室（如獲得中國合格評定國家認可中心認可的校準實驗室、我國法定計量機構或計量行政主管部門授權的相關校準或檢定實驗室等）。

以下為食品安全檢驗常用儀器設備的溯源等級圖示例，不同的實驗室可以根據自身需求和情況進行相應的調整。

2.4.1 質量溯源等級圖示例食品安全檢驗涉及的理化、微生物和分子生物學檢驗中質量組分量值溯源等級圖示例如圖5所示。

圖5 質量溯源等級Fig.5 Hierarchy scheme of mass measurement

2.4.2 原子吸收分光光度計溯源等級圖示例食品安全檢驗涉及的食品理化檢驗領域中原子吸收分光光度計量值溯源等級圖示例如圖6所示。

圖6 原子吸收分光光度計溯源等級Fig.6 Hierarchy scheme of atomic absorption spectrophotometer

2.4.3 標準菌株溯源等級圖示例食品安全檢驗涉及的微生物檢驗領域中標準菌株量值溯源等級圖示例如圖7所示。

圖7 標準菌株溯源等級Fig.7 Hierarchy scheme of standard strain

2.4.4 分子生物學基因序列溯源等級圖示例食品安全檢驗涉及的分子生物學檢驗領域中基因序列溯源等級圖示例如圖8[25]所示。

圖8 基因序列溯源等級Fig.8 Hierarchy scheme of gene sequences

2.4.5 相對分子質量溯源等級圖示例食品安全檢驗涉及的分子生物學檢測中相對分子質量溯源等級圖示例如圖9[25]所示。

圖9 相對分子質量溯源等級Fig.9 Hierarchy scheme of molecular mass

3 互聯網+食品安全檢驗量值溯源平臺的構建

隨著創新2.0下的“互聯網+”新業態大環境的發展和逐步成熟，移動互聯網、云計算和大數據技術也越來越多地應用到食品安全質量保證的各個過程和領域，如前言提到的食品管理學領域就有很多5G技術和區塊鏈技術的運用研究，但對于食品安全檢驗的量值溯源來說，目前互聯網技術的應用尚處于空白。作者所在課題組依托國家重點研發計劃項目“食品安全檢驗在線質控系統研究”（項目編號：2018YFC1603400），構建了食品安全檢驗量值溯源軟件系統平臺。該平臺有以下特點：

1）功能模塊集成度高 可實現數據采集、資源管理、信息檢索等功能模塊，并可根據需要隨時增減模塊；

2）平臺功能齊全 依據《國家食品安全監督抽檢實施細則（2019年版）》的分類原則，實現針對食品分類的9大類、19小類，以及課題研究的50項檢測項目，根據理化、微生物、分子生物學等指標信息對溯源體系和判定規則進行采集、錄入、整理、查詢和分析等；

3）開放程度高 可根據國家食品安全監管的新要求、食品安全檢驗要求或客戶要求對平臺的數據和字段即時修改、增減和錄入；

4）內部數據關聯性強 平臺依據《國家食品安全監督抽檢實施細則（2019年版）》的分類將溯源體系和智能判定體系進行有機融合，可根據所有字段和數據，如食品類別、檢測領域、檢測項目、檢測方法和標準、風險等級、判定依據等，對食品的溯源體系和判定要求進行檢索和查詢；

5）兼容性強 支持同食品安全檢驗不確定度評估方法研究輸出的研究結果和數據對接的統一接口，實現國家重點研發計劃 （項目編號：2018YFC1603400）項目組各平臺之間的數據交換；同時，技術支持檢測設備對接平臺的統一接口，實現設備同平臺的無縫對接，數據在各設備間共享、傳輸、轉換。

目前，該平臺已基本構建完畢，相關的量值溯源數據正在錄入和擴展當中，相信隨著平臺數據的不斷增加和完善，用戶數量的逐漸增加，將會極大促進我國食品安全檢驗實驗室科學、規范地建立量值溯源體系，平臺的開放性和可擴展性也將極大地方便用戶獲取需要的溯源數據，保證食品安全檢驗結果的正確性和可靠性。

4 結語

食品檢驗結果可靠性和準確性對食品安全來說至關重要，而可靠和準確的檢測結果以檢測數據結果的可溯源性為基礎。本研究中對如何進行食品安全檢驗量值溯源體系構建進行了系統的闡述，并對體系中涉及的關鍵因素和關鍵參量的評價和溯源展開討論。同時，隨著互聯網技術的飛速發展，尤其2019年至今，在全世界范圍的新冠疫情形勢下，食品安全檢驗實驗室迫切需要一個可以進行遠程量值溯源數據獲取和共享的平臺。因此，作者構建的食品安全檢驗量值溯源體系平臺將對我國食品安全風險監測、監督、抽查提供科學的溯源統計和判定依據，保障我國食品安全檢驗的準確性、真實性與可溯源性，產生顯著的經濟和社會效益。