稳定同位素技术在动植物源食品溯源中的应用研究

彭凯秀，刘 欢，刘 鸽，张秀珍，李 凡，田秀慧，宫向红，王 斌，孙春晓，徐英江，李焕军,

（1.山东省海洋资源与环境研究院，山东烟台 264006；2.上海海洋大学食品学院，上海 200120；3.山东省海洋生态修复重点实验室，山东烟台 264006）

近年来食品市场发展迅速，食品安全问题日益突出，对于食品溯源问题，世界各国相继出台了有关食品溯源的各种法律和政策。我国在《农产品质量安全》以及《食品安全法》中，明确了食品农产品的追踪与溯源的重要性。稳定同位素作为生物（包括食品）的一种天然印记，可以反映生物与当地环境的交互，能为食品溯源提供一种科学的、独立的、稳定的、跟随整个食物链流动的身份信息[1]。由于稳定同位素比值较少受人为因素和检测环境的影响，因此该技术准确度高、无污染且灵敏度高，已应用于食品溯源研究中[2]。

为了弥补可追溯体系的不足及建立健全可靠的食品安全保障体系，促进动植物源食品产地溯源技术的研究，本文梳理了近年来国内外稳定同位素技术在动物源食品和植物源食品溯源中的应用进展，并对同位素溯源技术的推广应用难点及发展方向进行展望。

1 食品追溯技术

溯源是一个基础性概念，该制度可分为追踪和溯源，追踪指对食品销售之后流转信息的查询，目的是召回或者控制食源性疾病的扩散；溯源指对食品销售前供应链上的信息查询，目的是追查引起食品安全问题的环节，以便准确快速地问责[3]。

食品追溯技术主要分为两大类：一类是数据编码技术，即人为地将食品从农场到餐桌各个环节的相关信息通过特定的编码规则提取出来，再利用不同信息记录和承载技术，实现追溯查踪的目的，但在实际生产过程中，食品要经过复杂的加工、运输、储藏、销售等程序，产品的每一过程都记录在案很难实现，且数据编码技术无法识别原始数据的造假问题，给后续环节中溯源追责留下了很多隐患。另一类是食品鉴别技术，即通过物理、化学、生物等方法来获得食品本身属性，通过与生产环节联系起来实现真伪鉴别和食品溯源的目的[4]，目前比较常见的食品追溯技术包括：矿物元素溯源、近红外光谱溯源、金属元素分析法、DNA 技术溯源和稳定同位素溯源等。其中稳定同位素技术是近年来新兴的一种食品检测方法，以往多被用在地质勘测、环境监测和土壤成分研究领域，近来被应用在国内外的食品产地溯源中并取得了不错的成果，是目前被认为最有发展前景的食品产地溯源方法之一。

2 稳定同位素分析技术溯源

同位素是指位于元素周期表同一位置，质子数相同，中子数不同的系列元素。在自然界中，生物体不断与外界环境进行物质交换，体内同位素组成受气候、环境、生物代谢类型等因素的影响而发生自然分馏效应，从而使不同来源的物质同位素自然丰度存在差异，这种差异携有环境因素的信息，可以反映生物体的环境条件[5]。同位素的自然分馏效应是同位素溯源技术的基本原理与依据，利用同位素分析技术，可以鉴别食品成分掺假，追溯食品污染物来源及产地等。

同位素可分为稳定同位素、天然同位素和人工放射性同位素三种。其中稳定同位素因其没有放射性，不会造成二次污染，国内外很早就对其进行开发、研究和应用。碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）是食品产地溯源中最常见的四种稳定同位素，在受到不同因素影响后，如各种地球化学因素（气候、降水、海拔等）、农作物种植方式、动物养殖方式等，会发生不同程度的分馏作用，因此认为稳定同位素反映着不同的地域和农业信息。随着研究的不断深入发现还有一些稳定同位素如硫（S）、锶（Sr）、铅（Pb）等也能很好地进行同位素分析和地理位置溯源。

3 稳定同位素技术在动植物源食品溯源中的应用

3.1 植物源食品

由于植物一般都固定生长，所以其体内同位素组成直接反应其生长地域和环境。作为粮食主产区的亚洲国家，特别是东南亚国家也开始了一系列稳定同位素的溯源研究。

3.1.1 谷物 大米和小麦是我国的重要主粮，不同产地由于气候等条件不同导致口感、营养价值等差异较大，因此有必要对优势产地的大米和小麦产品进行产地和真伪溯源。

在谷物溯源分析中，δ13C、δ15N 同位素应用最为广泛，且大跨度地区的谷物溯源准确率很高[6]。通过对比不同国家大米中δ13C、δ15N 同位素差异，发现我国南北方地理纬度跨度约50°，大米中δ13C 变化明显，而日本大米种植地区跨度小，δ13C 比较接近，此外大米中δ13C、δ15N 的差异还与不同国家气温和施肥习惯相关[7]。Rashmi 等[8]分析了印度不同州的小麦中δ13C 和δ15N，发现基于δ13C 值，可以观察到一些地理起源的小麦独特的指纹，证实δ13C 可用于不同地理位置小麦溯源。刘宏艳的研究也证实了这一点，河南、河北与陕西3 个试验点种植的3 种不同基因型的小麦，在采集样本后加工得到制粉产品（麸皮、次粉、面粉）发现不同制粉产品中δ13C 值具有地域特征，δ15N 则无显著差异[9]。将稳定同位素和元素分析结合后，可提高谷物来源产地判别的准确性，Abdullah 等[10]总共分析了53 个大米样品的元素组成和稳定同位素组成，并使用主成分分析和线性判别分析的化学计量学方法划分区域，可达到98.1%正确分类，分类模型内部和外部验证测试的预测准确性分别为96.2%和84.6%，表明元素组成和稳定的同位素具有很高的潜力可用于鉴定来自不同来源的水稻品种。

3.1.2 葡萄酒 随着葡萄酒产品需求的增加，在葡萄酒市场上出现的假冒葡萄酒数量也在增加，包括产地标签错误和假冒的葡萄酒品牌等。因此，稳定同位素技术在葡萄酒产品的产地溯源变得很有必要。

δ87Sr 值反映了葡萄生长的土壤情况，是判别葡萄酒来源的重要指标，Durante 等[11]研究了土壤、葡萄枝、葡萄酒的δ87Sr 值，发现葡萄枝中的δ87Sr 值与土壤中的同位素值非常接近，葡萄酒中δ87Sr 值与土壤和葡萄枝可以相互对应，这在很大程度上确认了土壤和葡萄枝中的δ87Sr 值可用于追踪葡萄酒地理分布。而对于葡萄酒中的挥发成分(如乙醇、乙酸、丙三醇等)的δ13C 值也可以区分不同产地的葡萄酒，用于葡萄酒的产地溯源分析[12]。Orellana 等[13]对4 个主要葡萄酒产区的133 种葡萄酒进行地理分类，利用多种元素分析结合δ2H、δ18O 同位素，发现在线性判别分析下正确分类率高达96.2%，可以实现对葡萄酒的认证，明确葡萄酒的地理起源。Fan 等[14]收集了三种不同地理来源的葡萄酒，利用元素分析和δ18O 同位素测定，可以达到95%的分类率，这些研究都为葡萄酒的溯源数据库的建立提供了基础。

3.1.3 茶叶 茶叶的流行不仅是因为其理想的香气和清爽的口感，还因为它的保健作用，研究表明喝茶可以降低血糖活性、预防糖尿病、减少血液胆固醇水平等[15]。虽然茶叶作为保健饮品已有四五千年的历史，但市面上仍存在以次充好的现象，且难以区分，所以需要对茶叶进行区别与溯源。

次顿等[16]测定了安徽、福建、贵州、山东、四川、浙江、西藏7 地区的绿茶样品的δ13C、δ15N、δ2H、δ18O 和δ34S 五种同位素，发现同位素存在一定差异且多同位素指标组合判别准确率可达84.8%，因此利用稳定性同位素指标与多元统计分析方法相结合可以对不同地域来源的绿茶进行有效区分。Ni 等[17]分析了从不同产地绿茶样品中的多种元素含量和稳定同位素特征，测试了线性判别分析（LDA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和决策树（DT）辨别茶叶地理来源的能力，发现上述三种方法的预测准确性均大于70%，表明多种元素含量和稳定的同位素特征可以实现绿茶的有效溯源。为了证明茶叶的采后加工方式对茶叶内稳定同位素的影响，刘志等[18]研究了五种烘干方式后西湖龙井中δ13C、δ15N、δ2H、δ18O同位素的差异率，发现个别同位素比有变化，但多因素椭圆置信区间测试结果显示五种烘干之间并没有显著差异，基于此测试了西湖、山东和重庆三个地区的溯源，经过2000 次随机循环，发现准确度均高达90.0%，充分验证了溯源的有效性及判别模型的稳定性。

3.1.4 果蔬 果蔬因其丰富的营养和功效在人们日常生产和消费中所占的比重逐渐增大，果蔬产品的安全也成为人们关注的焦点。果蔬中同位素主要反映地域信息及农业生产情况等，所以溯源技术是保障果蔬品质的重要手段。

果蔬中稳定同位素的分馏效应主要受到降水、土壤、气候等环境影响，Chung 等[19]利用δ13C、δ15N、δ18O 和δ34S 结合OPLS-DA 来分析中韩香菇干地理起源，研究发现中韩香菇干的δ15N 和δ18O 有良好的区别率，可以很好地预测干香菇片的地理起源。Pianezze 等[20]首次使用稳定同位素比率（δ2H，δ13C，δ15N，δ18O 和δ34S）进行大蒜产地表征，其数据分布显示出部分重叠，但是地理来源对不同的比率有一定的影响，尽管采样点相对靠近，但通过线性判别分析方法仍可实现具有良好地理分类预测性能的模型。Mahne 等[21]研究δ13C、δ15N、δ18O 和δ34S 四种同位素配合元素分析对四个地区的马铃薯进行分析，发现稳定同位素配合矿物元素分析总体成功率可达100%。Magdas 等[22]研究锰浓度，稳定同位素（δ2H、δ18O、δ13C、δ15N）和稀土元素三种方法对常规种植萝卜和有机萝卜的区分率，结果表明锰含量是最有效的分化标记之一，此外δ15N 值和大量的稀土元素能够分别以83.3%（初始分类）和81%（交叉验证）的百分比区分有机种植的胡萝卜样品。一般来说鉴别有机标签是通过施肥情况造成δ15N 和δ34S 的差异来实现的，但近期提出了一种更有效的基于植物硫酸盐中δ18O 值分析的有机认证新方法，相较于传统同位素标记，有机蔬菜中δ18O硫酸盐含量稳定，可以更加准确地鉴别有机蔬菜[23]。

对于植物产品，利用单一的δ13C、δ18O、δ15N 值对产地进行溯源很少能够得到满意的结果，而将2～4 种稳定同位素相结合可大大提升成功率。表1列举了稳定同位素在植物源食品方面的应用。

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

3.2 动物源食品

动物产品中同位素既受动物饲料的影响，也受动物自身代谢过程中同位素分馏的影响，动物饲料来源不同且动物在饲养过程可能会迁移，因此动物产品的产地溯源比较复杂。

3.2.1 畜禽肉品 疯牛病、口蹄疫、禽流感等动物疫情的发生，使消费者在选择动物性产品时高度关注其食品安全与产地问题。应用稳定同位素技术溯源动物源产地是基于分析不同类别的样品（包括脱脂干物质、脂肪、组织水分及毛发）中的稳定同位素来获得其产地判别率的。

牛肉的溯源是国际上起源最早的溯源体系之一，所以目前对牛肉的溯源研究较多且较深入，Guo 等[47]研究来自中国不同省份59 种牛样品中δ13C、δ15N 值的变化，发现脱脂牛肉、粗脂肪和尾毛的δ13C、δ15N 值存在一定的区域性，δ13C 值在尾毛处的变化最显著，δ15N 值在脱脂牛肉中变化最显著。Behkami 等[48]也验证了牛肉和牛尾毛之间的相关性，并确定在开发牛奶地理可追溯性数据库中使用牛尾毛δ13C 和δ15N 值的可行性。由此可知，可以根据牛肉、牛尾毛、牛奶之间的较强的相关性，建立可追溯数据库，实现连续溯源。郭波莉等[49]随后也证实了牛肉中δ13C、δ15N、δ2H 三种稳定同位素与牧草及水源之间的关系可以用于牛肉的产地溯源。对饮食引起的同位素差异，Macari 等[50]用羊肉中的类胡萝卜素色素和δ15N 值鉴定绿色食草饲料的绵羊肉，很好地区分饮食中食用豆类的羔羊与不食用豆类的羔羊。

稳定同位素在畜禽方面的溯源研究较多，其中δ13C、δ15N 同位素应用最为广泛，但目前市面上对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 值的差异，发现产品中添加的盐是造成δ87Sr 差异的主要原因，通过生肉和盐δ87Sr 值测定可以区分腌制火腿的地理起源，故对于简单肉加工制品，可以通过添加非传统元素如δ87Sr 和δ204Pb，统一量化加工过程中产生的元素变化，以达到产品溯源目的。

3.2.2 乳与乳制品 牛奶被称为最接近完美的食品，这主要归功于其优异的营养品质。但是人们对国产乳及乳制品的安全仍存在疑问，因此需要研究强有力的有效的溯源手段。

同位素构建的多元指纹图谱可以将牛奶中的同位素比率与土壤、水和草料成分联系起来[52]。Behkami等[53]认为降水作为环境因素会影响牛奶的同位素信息，并基于降水量与牛奶之间的强相关性分析δ18O 和δ2H，认为降水同位素信息确实有建立牛奶的地理起源可追溯体系的潜力，之后也有研究证实了多元素指纹图谱和同位素指纹图谱对区分不同地区牛奶样品来源的有用性[54]。相较于其他加工制品，乳制品加工过程对同位素影响较小，Bontempo 等[55]研究从牛奶到奶酪沿生产链的同位素和元素组成的演变，发现利用稳定同位素（δ15N、δ18O、δ2H）可以区别水牛乳（PDO）和普通牛奶制作的奶酪。郭秀秀[56]研究了不同国家奶粉中δ13C、δ2H、δ18O、δ15N 四种同位素，发现四种同位素组合测试对奶粉的溯源准确率高达80%，可以有效鉴别奶粉产地和标签。

3.2.3 水产品 水产品营养价值丰富，含有人体所需的各种氨基酸，特别是人体需求量最大的亮氨酸和赖氨酸，不同地区养殖的水产品口感品质存在差别，市场上以次充好、冒充知名地方品牌的现象屡见不鲜，因此需要一种有效的水产品鉴别技术。

造成水产品同位素差异的原因主要是养殖环境和养殖方式的不同，Zhang 等[57]利用δ13C 和δ15N 检测三个扇贝物种，证明使用稳定同位素分析可有效鉴定扇贝的地理起源和种类，且平均准确率高达92%。Camin 等[58]测量了来自意大利不同养殖场虹鳟鱼的饲料、储罐、脂质和脱脂鱼片中δ13C、δ2H、δ18O、δ15N 值，发现可以根据饲料的类型追踪虹鳟鱼地理起源，此外根据饲料还可以进行白虾、鳗鱼、虎虾等水产品淡水养殖和野生的快速辨别[59-61]。Zhao 等[62]测定了我国不同地区的野生和人工培养的日本海参样品的氨基酸δ13C 值。通过多变量统计分析，区分了不同采样子区域的样品，对于野生样品和人工养殖样品，8 个日本海参采样子区域的总体正确分类率为100%，交叉验证率为100%，表明稳定同位素对水产品溯源和鉴别的适用性。

目前稳定同位素在动物源食品中的应用主要集中在牛肉、羊肉、鸡肉和乳制品等方面。动物源食品产地溯源在国外开始较早，我国的同位素溯源研究尚处在探索阶段，尤其在水产品溯源方面的研究较少。表2总结了稳定同位素在动物源食品溯源的研究进展。

表2 稳定同位素在动物源食品溯源中的应用Table 2 Application of stable isotopes in the traceability of animal food

4 结语与展望

稳定同位素技术不需要复杂的前处理步骤，处理后的样品不容易变性或受到污染，准确性高，稳定性好，在食品溯源方面发挥着重要的作用，具有广阔的应用全景。近年来已经在畜禽肉、乳制品、水产品、谷物、葡萄酒、茶叶、果蔬等溯源方面取得了一系列成果。

但该技术仍存在一些局限性，主要体现在以下几个方面：一是目前食品上的溯源主要是利用稳定轻同位素（C、H、O、N、S）进行分析，而对一些非传统的同位素如Sr、Pb 等的研究较少；二是溯源对象比较专一、不全面，如在畜禽肉制品主要集中在生肉产地溯源，无法对市面上流通更多的熟肉制品进行准确鉴别；三是溯源太过笼统化，如稻米籽粒在不同部位存在分馏差异、果蔬的皮和果肉中同位素也存在差异，目前对这种划分组织的细致研究较少；四是部分产品的同位素无法测定或者测定结果不稳定，如目前无法稳定测定动植物体内的氢稳定同位素，且植物体内的部分氢会不断与周围环境水中的氢发生互换；五是利用同位素溯源研究的系统性和深度不足，当前溯源研究只简单集中在几个地区产品的研究，样本数量较少，无法建立系统的溯源数据库。

为进一步加强同位素溯源准确性和可靠性，在技术方面仍需从以下几个方面进行加强：一是深入研究动物不同部位（皮毛、肌肉、内脏等）和植物不同部位（根、叶、枝、果实等）的同位素含量，使同位素溯源研究更加细化和全面化；二是针对地形、气候、地质等环境因素对植物生长关键过程中的同位素分馏，结合有效成分进一步解释产地特征；三是收集大量样品，探索不同区域、不同种类样品的溯源指标，建立和完善溯源数据库；四是当使用单独稳定同位素测定有难度时，需要与其他检测方法或技术（元素分析、气象色谱、液相色谱等）联合测定。此外，在实际应用推广中，还需要政府和科研工作者努力去推广实验，制定相关溯源标准等。