劉雯雯，陳 巖，楊 慧，耿安靜，王富華*

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510640）

谷物是提供人體所需能量最經(jīng)濟(jì)、最重要的食物來(lái)源，其生產(chǎn)和消費(fèi)與人們的生活密切相關(guān)。近年來(lái)隨著生活水平的提高，人們對(duì)谷物的要求已由往昔的“吃飽”轉(zhuǎn)為“吃好”，谷物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和質(zhì)量安全也備受關(guān)注。谷物的品質(zhì)主要受其生長(zhǎng)環(huán)境的諸多因素（氣候、降水、土壤類型等）影響，優(yōu)良適宜的生長(zhǎng)環(huán)境往往產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的谷物。如涼爽的氣候環(huán)境與適宜的日光和土壤濕度造就了泰國(guó)茉莉香米的優(yōu)異品質(zhì)，充足的光照和較大的晝夜溫差使五常大米的干物質(zhì)積累豐富[1]，類似的還有印度巴斯馬蒂香米、日本越光米等。這些谷物的優(yōu)良品質(zhì)特征與地域特色相關(guān)，其與普通谷物相比能獲取更高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。基于此，為了降低成本并增加收入，不法商販?zhǔn)褂锰摷贅?biāo)簽、假冒優(yōu)質(zhì)谷物及欺詐現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，破壞了公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，也損害了消費(fèi)者的健康。因此，進(jìn)行谷物產(chǎn)地溯源，獲取原產(chǎn)地真實(shí)性信息，是有效解決食品摻假和欺詐、保障食品質(zhì)量安全的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的溯源方法是基于物聯(lián)網(wǎng)和標(biāo)簽技術(shù)人為提取食品生產(chǎn)、流通各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，進(jìn)而追溯來(lái)源、查詢?nèi)ハ騕2]。但這類方法存在信息記錄可人為更改或操縱、未知環(huán)節(jié)存在時(shí)無(wú)法溯源等不足?；谑称繁碚鞣治龅乃菰捶椒ň哂衅者m性好、可靠性強(qiáng)、不受人為干擾等特點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用于食品溯源中。這類方法將食品本體屬性數(shù)據(jù)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自然信息（產(chǎn)地環(huán)境、種養(yǎng)殖方式等）關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)，可獲取未知背景下的食品生產(chǎn)、加工、貯藏等信息，是一類有效、準(zhǔn)確的產(chǎn)地溯源方法[3-4]。目前，這類方法在谷物產(chǎn)地溯源研究中多集中于關(guān)聯(lián)產(chǎn)地環(huán)境與谷物中的穩(wěn)定同位素[5-6]、礦物元素[7-8]、化學(xué)成分[9-11]等信息。其中穩(wěn)定同位素和礦物元素與環(huán)境高度相關(guān)，并且具有分析結(jié)果可靠、靈敏度高的特點(diǎn)，是產(chǎn)地溯源研究的關(guān)注重點(diǎn)。本文對(duì)近十余年來(lái)穩(wěn)定同位素及礦物元素分析在谷物產(chǎn)地溯源應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述，以期為產(chǎn)地溯源研究提供參考。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)

1.1 穩(wěn)定同位素技術(shù)原理

同位素是指原子序數(shù)相同、質(zhì)量數(shù)不同的元素，包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素兩大類。由于質(zhì)量數(shù)差異，在物理、化學(xué)及生物化學(xué)作用過(guò)程中，一種元素的不同同位素在兩種或兩種以上物質(zhì)（物相）之間的分配具有不同同位素組成的現(xiàn)象叫做同位素分餾[12]。同位素分餾是穩(wěn)定同位素溯源的基本原理和依據(jù)，氣候、環(huán)境、生物代謝類型等因素都會(huì)影響同位素分餾，使得不同種類及不同地域來(lái)源的生物體內(nèi)同位素組成存在差異，這種差異可用于區(qū)分不同種類的產(chǎn)品及可能的產(chǎn)地。同位素組成常用同位素比值（δ）表示，其定義的表達(dá)式如下。

式中：R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)分別是樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重同位素和輕同位素的豐度比。

1.2 常用同位素變化機(jī)理

C、N、H、O、S、Sr是產(chǎn)地溯源中最為常用的穩(wěn)定同位素，其組成變化與氣候、降水、海拔、地質(zhì)環(huán)境、生物代謝、栽培方式等因素息息相關(guān)。通常利用元素分析儀-同位素比率質(zhì)譜法（elemental analyzer-isotope-ratio mass spectrometry，EA-IRMS）、熱電離質(zhì)譜（thermal ionization mass spectrometry，TI-MS）或多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry，MC-ICP-MS）進(jìn)行測(cè)定。

C穩(wěn)定同位素包括12C和13C，自然豐度分別是98.89%和1.11%。植物中C同位素組成主要受光合作用的C同位素動(dòng)力學(xué)分餾影響，不同光合途徑的植物具有明顯不同的δ13C值。前人研究結(jié)果表明，C3途徑植物（如小麥、水稻、水果等）的δ13C值為-35%～-20%，C4途徑植物（如玉米、甘蔗）的δ13C值為-15%～-7%，景天酸代謝途徑植物（如菠蘿、仙人掌）的δ13C值則介于C3途徑植物和C4途徑植物之間，為-22%～-10%[13]。除此之外，植物中C同位素組成還與溫度、降水、大氣CO2濃度、海拔高度等氣候環(huán)境因素相關(guān)，目前比較明確的是C3途徑植物的δ13C值隨年降水量或可利用水分量的增加而減小，隨大氣CO2濃度的增加而減小，隨海拔高度的升高而增大[14]。

N穩(wěn)定同位素包括14N和15N，自然豐度分別是99.63%和0.37%。N是植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，雖然空氣中含有78%的N2，但大部分植物不能直接吸收N2，只有一些固氮植物能夠利用與其共生的根瘤菌可將N2轉(zhuǎn)化為可吸收的NH3，而其他植物必須從其他氮源中吸收NO3-和NH4

+來(lái)獲取N。由于不同的氮源具有不同的δ15N值，如干濕氮沉降的δ15N值為-11.0%～3.5%[15]，人工合成化學(xué)肥料的δ15N值為-6%～6%，糞肥和有機(jī)肥的δ15N值為1%～37%[16]，導(dǎo)致了吸收不同氮源的植物體內(nèi)δ15N值也不同。另外，氣候環(huán)境也對(duì)植物體內(nèi)δ15N值有著重要影響。

H穩(wěn)定同位素包括1H和D，自然豐度分別是99.985%和0.015%。O同位素包括16O、17O和18O，自然豐度分別是99.759%、0.037%和0.204%。H和O是水的組成元素，其同位素組成會(huì)隨著水循環(huán)過(guò)程中的擴(kuò)散、物態(tài)轉(zhuǎn)換（如蒸發(fā)、冷凍、葉片蒸騰等）發(fā)生規(guī)律性變化。一般而言，大氣降水的δD和δ18O值從海岸到內(nèi)陸逐漸降低，隨著緯度和海拔高度的增加而減小。同時(shí)由于溫度因素，冬季的δD和δ18O值遠(yuǎn)比夏季的小[12]。

S同位素眾多，最常見(jiàn)的是32S和34S。硫酸鹽細(xì)菌還原作用、硫酸鹽與硫化物間及不同硫化物間化學(xué)交換反應(yīng)是影響S同位素分餾的重要因素。植物體中的S同位素組成與植物吸收大氣硫化物以及硫在植物中的新陳代謝有關(guān)。由于不同地區(qū)使用的煤和石油來(lái)源于不同的地質(zhì)環(huán)境，其燃燒排放污染物的δ34S值不同，直接導(dǎo)致了大氣降水δ34S值有差異，也進(jìn)而影響了植物的δ34S值。此外，含硫肥料的使用和工業(yè)煙霧的沉降也會(huì)對(duì)植物的δ34S值造成影響[7,17]。

Sr同位素包括84Sr、86Sr、87Sr和88Sr，其中87Sr是Rb天然衰變的產(chǎn)物。動(dòng)植物體內(nèi)的87Sr/86Sr來(lái)源于巖床中能被生物體利用的含Sr礦化物，由于每個(gè)地區(qū)巖床中由Rb放射衰變產(chǎn)生的87Sr含量具有差異，故87Sr/86Sr具有區(qū)域性特征[12]。87Sr/86Sr在植物代謝和生長(zhǎng)過(guò)程中不發(fā)生明顯的分餾作用，受氣候、季節(jié)等環(huán)境因素影響小。在面對(duì)氣候環(huán)境相似的產(chǎn)區(qū)，87Sr/86Sr通常能提供較好的產(chǎn)地判別信息[7]。

1.3 穩(wěn)定同位素技術(shù)在谷物產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

表1 基于穩(wěn)定同位素的谷物產(chǎn)地溯源研究Table 1 Geographical traceability of cereal grains based on stable isotopes

穩(wěn)定同位素技術(shù)進(jìn)行谷物產(chǎn)地溯源的相關(guān)研究如表1所示，其中C、N同位素應(yīng)用最為廣泛。Wu Yuluan[28]、Rashmai[29]等的研究表明不同國(guó)家、不同省份小麥的δ13C值存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異，其δ13C值與種植區(qū)域相關(guān)。Branch等[23]在分析小麥籽粒中δ13C、δ15N和重金屬含量及同位素比值時(shí)，也發(fā)現(xiàn)以δ13C值為指標(biāo)可完全區(qū)分北美、加拿大和歐洲的小麥樣品。除了單獨(dú)使用一種同位素溯源外，C、N同位素聯(lián)合溯源也是常用的方法。Suzuki等[18]研究了日本、美國(guó)、澳大利亞大米中的C、N元素含量和δ13C、δ15N、δ18O值，發(fā)現(xiàn)大米C、N元素含量以及C、N同位素組成與對(duì)應(yīng)產(chǎn)地其他植物中的值一致，基于上述5 種變量建立雷達(dá)圖分析可快速區(qū)分不同產(chǎn)地的大米。鐘敏[19]研究了中國(guó)6 個(gè)省份大米的δ13C和δ15N值，并與國(guó)外大米的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)研究，以δ13C和δ15N值為變量，通過(guò)HCA可分別區(qū)分美國(guó)大米和中國(guó)大米、日本大米和中國(guó)大米，但中國(guó)不同省份大米的區(qū)分效果不好。Luo Donghui等[30]的研究也表明了小麥的δ13C和δ15N值具有地域特征，δ13C和δ15N值組合可用于小麥的產(chǎn)地溯源。

H同位素與大氣降水、環(huán)境水源、溫度等因素相關(guān)，也可用于產(chǎn)地溯源。Suzuki等[31]在對(duì)日本大米的研究中發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)大米中脂肪酸的δD值具有明顯差異，PCC結(jié)果也顯示大米中脂肪酸的δD值與環(huán)境水的δD值（r＝0.63）和平均溫度（r＝0.84）具有良好的相關(guān)性；大米的δ18O值也與平均最低氣溫正相關(guān)[32]，證明了δD值可表征產(chǎn)地環(huán)境信息。Liu Hongyan等[33]在對(duì)中國(guó)小麥及其環(huán)境水的研究中，也發(fā)現(xiàn)了不同地區(qū)小麥和土壤水的δD值存在極顯著性差異（P＜0.01），小麥的δD值變化趨勢(shì)與土壤水、雨水的δD值變化趨勢(shì)一致，并且與成熟期0～20 cm深度采集的土壤水的δD值呈正相關(guān)（r＝0.645），揭示了小麥δD值變化的可能來(lái)源，為產(chǎn)地溯源提供理論依據(jù)。O同位素用于產(chǎn)地溯源的研究也多見(jiàn)報(bào)道，Brescia等[34]比較了意大利、土耳其、加拿大、澳大利亞的杜倫麥的δ18O值，ANOVA結(jié)果顯示不同產(chǎn)地的杜倫麥的δ18O值明顯不同，可實(shí)現(xiàn)粗略區(qū)分。Korenaga等[20]進(jìn)一步以δ13C、δ15N和δ18O值為變量，采用PCA區(qū)分了日本大米與澳大利亞和美國(guó)大米，解釋了同位素組成與產(chǎn)地環(huán)境的相關(guān)性。S同位素也是產(chǎn)地溯源的重要指標(biāo)，Chung等[21]在研究韓國(guó)、中國(guó)和菲律賓的糙米的同位素組成時(shí)，結(jié)果顯示糙米的δ15N、δ18O、δ34S值受產(chǎn)地的影響比δ13C值更明顯，其中δ18O和δ34S值的組合區(qū)分產(chǎn)地的效果更佳，并且通過(guò)PCA可清楚區(qū)分不同地區(qū)的糙米。

Sr同位素主要表征地質(zhì)環(huán)境信息，其組成變化只與不同來(lái)源的Sr混合作用有關(guān)，能克服氣候相似情況下輕質(zhì)同位素區(qū)分產(chǎn)地效果不好的問(wèn)題，為產(chǎn)地溯源提供有效指標(biāo)。Kawasaki等[35]研究了日本、澳大利亞、加利福尼亞、中國(guó)、越南糙米中的87Sr/86Sr比值，結(jié)果顯示不同地區(qū)糙米中87Sr/86Sr比值具有差異（澳大利亞＞中國(guó)和越南＞日本），證明了87Sr/86Sr比值可作為糙米產(chǎn)地溯源的重要指標(biāo)，并且通過(guò)分析田間實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期施肥的樣品，還發(fā)現(xiàn)施肥方式不影響糙米的87Sr/86Sr比值。Lagad等[22]比較分析了印度河恒河平原5 個(gè)地區(qū)的巴斯馬蒂大米及其種植土壤和灌溉水的87Sr/86Sr比值，結(jié)果顯示北方邦南部種植的大米含有較高的87Sr/86Sr比值，大米的87Sr/86Sr比值與對(duì)應(yīng)土壤和灌溉水的值顯著相關(guān)，通過(guò)與文獻(xiàn)報(bào)道的87Sr/86Sr比值對(duì)比研究，可部分區(qū)分印度巴斯馬蒂大米和除澳大利亞和泰國(guó)之外的其他國(guó)家原產(chǎn)大米樣品。Liu Hongyan等[24]在研究中國(guó)3 個(gè)地區(qū)的冬小麥及其種植土壤的δ13C、δ15N、δD值和87Sr/86Sr比值時(shí)，同樣觀察到不同地區(qū)的小麥及其土壤中的87Sr/86Sr比值均存在極顯著性差異（P＜0.01），而且二者顯著正相關(guān)。CDA結(jié)果顯示，在利用δ13C、δ15N、δD值區(qū)分小麥產(chǎn)地準(zhǔn)確率不佳（77.8%）的情況下，結(jié)合87Sr/86Sr比值可顯著提高判別準(zhǔn)確率（98.1%）。后續(xù)Liu Hongyan等[25]還進(jìn)一步探討了小麥87Sr/86Sr比值差異的來(lái)源，通過(guò)比較分析小麥及種植土壤和地下水的87Sr/86Sr比值，發(fā)現(xiàn)小麥中87Sr/86Sr比值的變化趨勢(shì)與相應(yīng)土壤和地下水的相一致，表明了小麥中87Sr/86Sr比值的變化主要受土壤風(fēng)化產(chǎn)物和地下水所影響。同時(shí)以Rb含量、Sr含量和87Sr/86Sr比值分別為X、Y、Z坐標(biāo)軸，通過(guò)三維散點(diǎn)圖可清楚區(qū)分不同產(chǎn)地的小麥。

利用穩(wěn)定同位素溯源谷物產(chǎn)地時(shí)，谷物中同位素組成差異除了來(lái)源于產(chǎn)地環(huán)境的差異，還可能與谷物品種、采收、加工等因素相關(guān)，部分學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究。Wu Yuluan等[28]分析了不同地區(qū)（黑龍江、山東和江蘇）5 種谷物的δ13C和δ15N值，結(jié)果顯示，不同種類谷物的δ13C值存在顯著性差異，其中大米、大豆、小米、小麥和玉米的平均δ13C值分別約為-27:、-25:、-12:、-23:和-11:，C3植物的大米、大豆、小麥和C4植物的小米、玉米的δ13C值差異明顯，表明谷物的δ13C值差異不僅由產(chǎn)地環(huán)境差異引起，還與谷物種類相關(guān)。但在δ15N值上，可能由于土壤營(yíng)養(yǎng)和肥料的影響，不同種類谷物的差異不顯著。同時(shí)該研究還探討了水稻品種對(duì)同位素組成差異的影響，分析了廣東地區(qū)5 個(gè)品種水稻樣品的δ13C和δ15N值，發(fā)現(xiàn)不同品種的水稻的δ13C值差異不顯著。Liu Hongyan等[36]也開(kāi)展了類似研究，分析測(cè)定了2010—2012年采收的來(lái)自中國(guó)不同地區(qū)（河北、河南、山西）10 個(gè)品種小麥中的δ13C、δ15N和δD值，探討區(qū)域差異、品種、采收年份及其相互作用對(duì)小麥籽粒同位素組成的影響；ANOVA結(jié)果顯示，相比于品種和采收年份，區(qū)域差異更能影響小麥中δ13C、δ15N、δD值的變化，區(qū)域差異對(duì)δ13C、δ15N、δD值的貢獻(xiàn)率分別為47.57%、58.02%、27.96%。除了品種、采收年份外，同一稻穗不同位置的谷粒，如強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒，因質(zhì)量、品質(zhì)、生長(zhǎng)過(guò)程和對(duì)環(huán)境因素的反應(yīng)都存在不同，在強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒間也有可能存在同位素組成的差異。Chen Tianjin等[37]比較了來(lái)自黑龍江省五常和富錦地區(qū)的水稻稻穗強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒中的輕質(zhì)同位素組成，并分析其對(duì)產(chǎn)地溯源的影響；結(jié)果顯示，強(qiáng)勢(shì)粒及弱勢(shì)粒中δ13C、δ18O、δ15N值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，上述差異的存在導(dǎo)致不同產(chǎn)地水稻的δ13C、δ15N值間有交叉，進(jìn)而推測(cè)以δD和δ18O值為變量更適合用于稻米產(chǎn)地溯源。

此外，小麥一般是加工成粉制品后在市面上流通，其加工過(guò)程對(duì)小麥同位素組成及產(chǎn)地溯源的影響也引起了研究者的關(guān)注。Liu Hongyan等[26]開(kāi)展了小麥及其制粉產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源初步研究，分析了不同產(chǎn)地、品種的小麥制粉（麩皮、次粉和面粉）和提取物（脫脂面粉、面筋、脂質(zhì)、淀粉和粗纖維）的δ13C和δ15N值的變化情況；結(jié)果顯示，δ13C值在小麥加工過(guò)程中變化顯著，且不同小麥制粉產(chǎn)品和提取物的δ13C值均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；同樣，不同小麥制粉產(chǎn)品和提取物的δ15N值也呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；但δ15N值的變化主要與產(chǎn)地相關(guān)，加工過(guò)程及品種間差異對(duì)δ15N值的影響不明顯，故δ15N值更適合用于小麥及其制粉產(chǎn)品的地理溯源。Wadood等[27]在分析不同地區(qū)、品種、采收年份小麥籽粒及其制粉產(chǎn)品（麩皮、胚芽、皮磨粉、心磨粉）的δ13C和δ15N值時(shí)也得到了類似的結(jié)果，即小麥籽粒和其制粉產(chǎn)品的δ15N值沒(méi)有顯著性差異，小麥籽粒和其不同制粉產(chǎn)品的δ13C和δ15N值呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；并且通過(guò)CDA區(qū)分不同地區(qū)的小麥及其制粉產(chǎn)品，交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率為90.1%。

2 礦物元素分析技術(shù)

2.1 礦物元素分析技術(shù)原理

礦物元素是生物體內(nèi)基本組成成分之一，是參與生物代謝的重要物質(zhì)。但生物體自身無(wú)法合成礦物元素，必須從周圍環(huán)境中攝取。對(duì)于植物而言，通常是以生長(zhǎng)環(huán)境中土壤、水、大氣等為載體，通過(guò)根系吸收礦物元素進(jìn)入體內(nèi)參與各項(xiàng)生命活動(dòng)，故植物體內(nèi)的礦物元素組成與其生長(zhǎng)環(huán)境的元素組成密切相關(guān)。不同地域的礦物元素組成及含量有所差異，導(dǎo)致不同地域來(lái)源的植物體內(nèi)礦物元素組成及含量也有各自的特征差異[38-39]，這種特征性差異可用于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源研究。一般而言，在產(chǎn)地溯源實(shí)踐中，通常利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES）或電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）同時(shí)測(cè)定多種常量、微量及痕量元素，并篩選出具有顯著差異的元素作為鑒別因子，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行產(chǎn)地區(qū)分。

2.2 礦物元素分析技術(shù)在谷物產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

表2 基于礦物元素的谷物產(chǎn)地溯源研究Table 2 Geographical traceability of cereal grains based on mineral elements

近年來(lái)，礦物元素分析技術(shù)已廣泛用于大米、小麥等谷物的產(chǎn)地溯源研究，取得了較理想的效果[48]，相關(guān)研究匯總?cè)绫?所示。Gonzálvez等[40]分析了西班牙、日本、巴西、印度大米中的32 種礦物元素含量，結(jié)合LDA篩選溯源指標(biāo)和區(qū)分產(chǎn)地；結(jié)果顯示Cd、Co、Ti、La、Pr、Eu、Er和Yb含量是大米產(chǎn)地溯源的重要指標(biāo)，并且LDA建立的判別模型對(duì)驗(yàn)證集樣品的產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率為91.3%。Cheajesadagul等[41]在分析泰國(guó)香米和外國(guó)大米中的礦物元素時(shí)，利用基于B、Co、Sr、Mo、Rb、Se 6 種元素含量的雷達(dá)圖分析可簡(jiǎn)單快速區(qū)分泰國(guó)香米和外國(guó)大米；同時(shí)在進(jìn)一步使用多元統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)DA比PCA區(qū)分產(chǎn)地效果更好，區(qū)分泰國(guó)香米和外國(guó)大米的交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率為100%，區(qū)分泰國(guó)不同地區(qū)香米的交叉驗(yàn)證準(zhǔn)確率為90.32%。

中國(guó)學(xué)者也報(bào)道了應(yīng)用礦物元素分析技術(shù)進(jìn)行大米產(chǎn)地溯源的研究成果。Shen Shigang等[42]分析了黑龍江、河北、湖北、山西的大米及其種植土壤中15 種元素含量及其可交換形態(tài)；結(jié)果顯示，不同產(chǎn)地大米中的Mg、K、Ca、Na、Be、Mn、Ni、Cu、Cd含量存在顯著性差異，并且與土壤中的礦物元素含量密切相關(guān)，可表征產(chǎn)地環(huán)境信息；LDA結(jié)果也顯示以這9 種元素為變量的回代檢驗(yàn)判別準(zhǔn)確率為100%，交叉檢驗(yàn)判別準(zhǔn)確率為93.8%，并且CA結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了這9 種元素是產(chǎn)地溯源的良好指標(biāo)。黎永樂(lè)等[43]分析了五常地區(qū)、東北地區(qū)、南方地區(qū)大米樣品的14 種礦物元素含量，結(jié)合PCA、Fisher判別、ANN等計(jì)量學(xué)方法區(qū)分大米產(chǎn)地，結(jié)果顯示PCA對(duì)樣品產(chǎn)地的分類效果較差，而Fisher判別和ANN則可準(zhǔn)確區(qū)分五常地區(qū)的大米樣品和其他地區(qū)的大米樣品，平均準(zhǔn)確識(shí)別率分別為93.5%和96.4%。

除了應(yīng)用于不同國(guó)家、不同省份的大米產(chǎn)地區(qū)分，部分學(xué)者還探討了礦物元素應(yīng)用于地理距離更近的、同一省份不同地區(qū)的大米產(chǎn)地溯源可行性。宋雪健等[38]研究發(fā)現(xiàn)黑龍江省五常、建三江和查哈陽(yáng)3 個(gè)地區(qū)大米中礦物元素含量存在差異，其中Na、Mg、Ca、Mn、Zn、Y、Er含量存在顯著或極顯著差異，為產(chǎn)地溯源提供了理論依據(jù)。Li Gang等[44]研究了福建省9 個(gè)地區(qū)大米中的礦物元素含量，發(fā)現(xiàn)福建省大米的Mo含量明顯高于越南和西班牙大米，Se含量則低于中國(guó)平均水平，且約有12%的樣品Cd含量超標(biāo)；進(jìn)一步結(jié)合計(jì)量學(xué)分析進(jìn)行產(chǎn)地區(qū)分，結(jié)果顯示，當(dāng)元素含量異常值較多時(shí)，F(xiàn)IA比PCA和DA能更有效的進(jìn)行產(chǎn)地分類，并且確定了Ca、Ni、Fe和Cd含量是重要的產(chǎn)地判別指標(biāo)。

礦物元素應(yīng)用于小麥產(chǎn)地溯源也取得了一定成果。Zhao Haiyan等[49]分析了兩年間在河北、河南、山西、山東收集的小麥籽粒的礦物元素含量，ANOVA結(jié)果顯示不同地區(qū)的小麥樣品礦物元素含量有其各自的特征，其含量差異是環(huán)境（地域、年際）和品種共同作用的結(jié)果，其中土壤是植物體中礦物元素的主要來(lái)源，土壤中的礦物元素含量與植物體中的具有一定的相關(guān)性。在后續(xù)研究中，Zhao Haiyan等[45]分析了河北和河南小麥及其產(chǎn)地的表層土壤和母質(zhì)土壤樣品中的礦物元素含量，發(fā)現(xiàn)小麥中Cr、Mn、Ga、Rb、Sr、Zr、Cd含量與表層土壤中相應(yīng)元素的總含量呈顯著相關(guān)；表層土壤中所有元素（除Se外）含量與母質(zhì)土壤中相應(yīng)元素的總含量相關(guān)；結(jié)合PCA和LDA進(jìn)行小麥產(chǎn)地區(qū)分，都得到較高的判別準(zhǔn)確率，確認(rèn)了Cr、Mn、Ga、Rb、Sr、Zr、Cd含量是小麥產(chǎn)地溯源的有效指標(biāo)。在相關(guān)研究中，Zhao Haiyan等[46]還研究了產(chǎn)地、品種及其相互作用對(duì)礦物元素含量的影響程度，ANOVA顯示影響程度為：產(chǎn)地＞品種＞相互作用，其中產(chǎn)地主要影響的是Na、Ca、Fe、Zn和Mo元素含量，品種主要影響的是Mg、Mn、Cu和Ba元素含量；進(jìn)而篩選出Na、Ca、Fe、Zn、Mo這5 種與產(chǎn)地密切相關(guān)、受品種影響較小的元素，并以此作為變量用LDA區(qū)分小麥產(chǎn)地，判別準(zhǔn)確率為91.1%。Liu Hongyan等[47]也研究了地域、品種、年際及其相互作用對(duì)小麥籽粒礦物元素信息的影響，通過(guò)分析河北、河南、陜西小麥籽粒及其種植土壤的礦物元素含量，發(fā)現(xiàn)品種主要影響B(tài)a含量，年際影響Mg、Al、Ca、Fe、C、Zn、As等大部分元素，而與地域密切相關(guān)的主要是Mn、S、Mo、Cd，基于Mn、S、Mo、Cd的建立的LDA模型，判別準(zhǔn)確率為98.5%。

3 穩(wěn)定同位素和礦物元素聯(lián)合分析

單獨(dú)使用穩(wěn)定同位素或者礦物元素進(jìn)行谷物產(chǎn)地溯源已經(jīng)取得了不少成果，但任何一種方法都有一定的局限，特別是在進(jìn)行精確度要求較高的產(chǎn)地溯源研究中，這些局限會(huì)影響溯源的準(zhǔn)確性。近年來(lái)，多技術(shù)和多參數(shù)聯(lián)合分析逐漸成為產(chǎn)地溯源研究的熱點(diǎn)，聯(lián)合分析可細(xì)化地域信息，篩選更具有特征的分析參數(shù)，提高判別模型準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的產(chǎn)地溯源。其中穩(wěn)定同位素與礦物元素聯(lián)合分析是頗具潛力的產(chǎn)地溯源技術(shù)，在植物源性產(chǎn)品[48,50]和動(dòng)物源性產(chǎn)品[51]溯源中都取得了不錯(cuò)的效果。

穩(wěn)定同位素和礦物元素聯(lián)合分析應(yīng)用于谷物溯源的相關(guān)研究匯總?cè)绫?所示。Kelly等[52]率先使用穩(wěn)定同位素與礦物元素聯(lián)合分析區(qū)分美國(guó)、歐洲、印度和巴基斯坦地區(qū)的大米，研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的大米均有其各自特征，其中美國(guó)大米B含量普遍較高，阿肯色州的大米Ho含量明顯高于其他地區(qū)，歐洲大米Mg含量較高，印度巴斯馬提香米δ18O值較低，證明了大米中微量元素和穩(wěn)定同位素用于地理溯源的可行性；同時(shí)還以δ13C、δ18O值和B、Mg、Se、Rb、Gd、Ho、W含量為變量，通過(guò)CDA清楚區(qū)分了3 個(gè)地區(qū)的大米?；谫Q(mào)易全球化的現(xiàn)實(shí)考慮以及對(duì)不同產(chǎn)地大米信息的需求，Li等[53]在后續(xù)的研究中拓展了樣品的地理來(lái)源，研究了來(lái)自世界各國(guó)（澳大利亞、中國(guó)、法國(guó)、印度、意大利、日本、韓國(guó)、馬來(lái)西亞、緬甸、巴基斯坦、西班牙、臺(tái)灣、泰國(guó)、美國(guó)和越南）的大米樣品中的穩(wěn)定同位素和礦物元素組成；研究結(jié)果顯示，以δ13C、δ18O、δ15N值和Mg、Al、K、Mn、Fe、Co、Cu、Zn，As、Se、Mo、Cd含量共15 個(gè)指標(biāo)為變量，通過(guò)CDA可實(shí)現(xiàn)廣義地區(qū)（亞洲、澳大利亞、歐洲、印度和巴基斯坦、北美、東南亞）的區(qū)分，判別準(zhǔn)確率為90.7%；此外，該研究還基于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了香米種類、粳稻種類的判別分析，區(qū)分效果良好。

Goitom Asfaha等[54]分析了歐洲17 個(gè)采樣地點(diǎn)的谷物樣品的穩(wěn)定同位素和礦物元素組成，結(jié)合PCA和PLS-DA區(qū)分谷物產(chǎn)地，研究將采樣地點(diǎn)按緯度（南歐、北歐）、與海洋環(huán)境（大西洋、地中海、內(nèi)陸）的距離、土壤巖石的地質(zhì)學(xué)（頁(yè)巖、酸性巖漿、石灰?guī)r、玄武巖）分類成不同組別，以δ13C、δ15N、δ18O、δ34S、87Sr/86Sr值和Na、K、Ca、Cu、Rb含量為變量進(jìn)行判別分析；結(jié)果顯示，前兩組別的分類效果要優(yōu)于地質(zhì)學(xué)的分類效果，并且通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)可區(qū)分15 個(gè)采樣地點(diǎn)的谷物。

結(jié)合穩(wěn)定同位素、礦物元素分析和化學(xué)計(jì)量學(xué)，Chung等[55]也開(kāi)展了亞洲不同國(guó)家大米的產(chǎn)地溯源研究，研究分析了柬埔寨、中國(guó)、日本、韓國(guó)、菲律賓、泰國(guó)大米中穩(wěn)定同位素和礦物元素組成，發(fā)現(xiàn)亞洲不同國(guó)家大米中δ34S值和K、Mg、Na、Ca、Mn、Fe、Zn含量存在顯著性差異；采用多元統(tǒng)計(jì)分析區(qū)分產(chǎn)地，其中PCA可區(qū)分大多數(shù)國(guó)家的大米，但無(wú)法有效區(qū)分菲律賓和日本的大米；而以δ34S值和Mn、Mg含量為主要變量的OPLS-DA可明顯區(qū)分韓國(guó)和其他國(guó)家的大米。

除了溯源來(lái)自不同國(guó)家的谷物，穩(wěn)定同位素與礦物元素聯(lián)合分析也被報(bào)道已應(yīng)用于中國(guó)、泰國(guó)和阿根廷等國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的谷物產(chǎn)地溯源。邵圣枝等[56]分析了黑龍江、江蘇和遼寧大米中的穩(wěn)定同位素組成和23 種元素含量，結(jié)果顯示，各地區(qū)的δ13C、δ2H、δ18O、δ15N值處于不同的范圍區(qū)間，Pb、Sr同位素比率也各不相同；礦物元素的含量變化差異大，表現(xiàn)出一定的地域特征；通過(guò)PCA-LDA能實(shí)現(xiàn)不同省份大米有效區(qū)分和判別，判別準(zhǔn)確率為91%。Kukusamude等[57]用INAA代替ICP-MS測(cè)定元素含量，結(jié)合穩(wěn)定同位素分析，進(jìn)行泰國(guó)不同省份大米的溯源研究；LDA結(jié)果顯示判別準(zhǔn)確率為100%，交叉驗(yàn)證率為75.5%，并確認(rèn)了δ18O值和Mg、Cl、As含量是良好的溯源指標(biāo)。Podio等[58]分析了阿根廷3 個(gè)省份小麥樣品及其土壤和灌溉水的穩(wěn)定同位素和礦物元素組成，DA結(jié)果顯示K/Rb、Ca/Sr、87Sr/86Sr、δ13C值和Ba、Co、Mo、Zn、Mn、Eu、Na含量是產(chǎn)地溯源的11 個(gè)關(guān)鍵變量，可完全區(qū)分不同地區(qū)的小麥；同時(shí)，GPA和CCA結(jié)果表明了小麥樣品中的元素和同位素特征與其對(duì)應(yīng)栽培土壤及灌溉水的元素和同位素特征具有良好的一致性和相關(guān)性。

表3 基于穩(wěn)定同位素及礦物元素的谷物產(chǎn)地溯源研究Table 3 Geographical traceability of cereal grains based on both stable isotopes and mineral elements

4 產(chǎn)地溯源化學(xué)計(jì)量學(xué)

化學(xué)計(jì)量學(xué)是應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)及其他相關(guān)學(xué)科的理論和方法去設(shè)計(jì)和選擇最優(yōu)的測(cè)量過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方法，并通過(guò)對(duì)化學(xué)數(shù)據(jù)的解析，最大限度地獲取有用的化學(xué)信息[59]。在基于穩(wěn)定同位素及礦物元素分析的谷物產(chǎn)地溯源研究中，常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法包括：ANOVA、CA、判別分析（含LDA、CDA、Fisher判別）、PCA、PCC、ANN等。ANOVA和PCC通常是用于初步比較不同產(chǎn)地谷物中穩(wěn)定同位素和礦物元素的變化情況，分析其差異顯著性和相關(guān)性，以篩選出具有顯著性差異和相關(guān)性強(qiáng)的關(guān)鍵變量。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合后續(xù)的分類和模式識(shí)別方法進(jìn)行產(chǎn)地溯源。分類和模式識(shí)別方法主要分為有監(jiān)督法和無(wú)監(jiān)督法。有監(jiān)督法是事先規(guī)定了分類的標(biāo)準(zhǔn)和種類的數(shù)目，通過(guò)大批已知樣本和信息的處理得到判別函數(shù)，再預(yù)報(bào)所要判別的對(duì)象屬于哪類，LDA、CDA、Fisher判別和ANN均屬于有監(jiān)督法。無(wú)監(jiān)督法是事先沒(méi)有規(guī)定分類的標(biāo)準(zhǔn)和種類的數(shù)目，要求通過(guò)信息處理找出合適的分類方法，常見(jiàn)的有PCA和CA等。對(duì)于同一數(shù)據(jù)，不同分類和模式識(shí)別方法在進(jìn)行產(chǎn)地溯源時(shí)取得的結(jié)果不盡相同。如黎永樂(lè)等[43]測(cè)定大米樣品中礦物元素含量，并采用PCA、Fisher判別、ANN對(duì)大米進(jìn)行產(chǎn)地分類，結(jié)果顯示區(qū)分效果順序依次為：ANN＞Fisher判別＞PCA。故在不同情況下，不同分類和模式識(shí)別方法沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣，只有通過(guò)對(duì)實(shí)際樣本的區(qū)分效果來(lái)評(píng)估。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，穩(wěn)定同位素和礦物元素分析技術(shù)已逐漸成為谷物產(chǎn)地溯源的有力工具。在穩(wěn)定同位素方面，C、N、O、H、S等輕質(zhì)同位素已廣泛應(yīng)用于溯源研究中，并取得了不錯(cuò)的效果；Sr、Pb、B等與地質(zhì)相關(guān)的重質(zhì)同位素也展示出了其在產(chǎn)地溯源中的重大潛力。產(chǎn)地溯源研究也從以往單一同位素指標(biāo)判別趨向于多種同位素組合判別，從簡(jiǎn)單的差異性分析趨向于結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)分析，以提供更多的產(chǎn)地環(huán)境信息和提高溯源準(zhǔn)確率。在礦物元素分析方面，已有不少研究探討了礦物元素與產(chǎn)地的相關(guān)性，并且證實(shí)了Cd、Co、Mn、Mg、Na、Ti、La、Pr、Eu、Yb、B、Sr、Mo、Rb、Se、K、Ca、Be、Ni、Cu、Zn、Y、Er、Fe、Cr、Ga、Zr、As、Ba等元素含量與谷物產(chǎn)地環(huán)境具有一定的相關(guān)性，可作為產(chǎn)地溯源的有效依據(jù)。近期，穩(wěn)定同位素及礦物元素聯(lián)合分析在產(chǎn)地溯源方面也取得了一定的進(jìn)展，聯(lián)合分析可有效彌補(bǔ)單一方法的不足，擴(kuò)大數(shù)據(jù)信息量，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)可篩選關(guān)鍵溯源指標(biāo)，獲得更加準(zhǔn)確可靠的溯源結(jié)果。

然而，在利用穩(wěn)定同位素及礦物元素分析進(jìn)行產(chǎn)地溯源時(shí)，目前仍有部分問(wèn)題亟待解決。主要體現(xiàn)在：1）部分農(nóng)產(chǎn)品的同位素很難測(cè)定或測(cè)定結(jié)果不穩(wěn)定，如目前尚無(wú)完全成熟的測(cè)定生物體中穩(wěn)定性氫同位素的方法，且生物體中的部分氫會(huì)不斷與周圍環(huán)境水中的氫發(fā)生交換；2）“種植-生產(chǎn)-加工”過(guò)程中影響谷物同位素和礦物元素組成的因素及變化規(guī)律尚未明確，如氣候、季節(jié)改變對(duì)同位素組成的影響，土壤、品種對(duì)礦物元素組成的影響，有機(jī)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的施肥方式對(duì)氮同位素和礦物元素的影響等，需要連續(xù)開(kāi)展多年的田間實(shí)驗(yàn)研究分析各種影響因素，實(shí)際工作難度大；3）適用于產(chǎn)地溯源的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究尚未完善，產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率有待提高；4）溯源研究的系統(tǒng)性和深度不足，當(dāng)前僅限于少數(shù)幾個(gè)地區(qū)、幾個(gè)品種的定性研究，樣品數(shù)量較少，尚未建立可用的同位素和礦物元素溯源數(shù)據(jù)庫(kù)。

為進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)定同位素及礦物元素溯源谷物產(chǎn)地的有效性和準(zhǔn)確性，在技術(shù)方面仍需加強(qiáng)以下內(nèi)容的研究：1）挖掘氣候、地質(zhì)等環(huán)境因素和人為因素對(duì)谷物同位素和元素組成影響的變化規(guī)律及其關(guān)鍵過(guò)程的同位素分餾及元素遷移特征，并結(jié)合有效成分測(cè)定進(jìn)一步解釋產(chǎn)地特征；2）擴(kuò)大地域范圍和樣品量，篩選和擴(kuò)充代表地域特征的溯源指標(biāo)，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析，建立和完善谷物產(chǎn)地溯源的鑒別模型；3）在大量樣本基礎(chǔ)上結(jié)合其他技術(shù)手段，如光譜、色譜等，補(bǔ)充豐富產(chǎn)地環(huán)境信息，提高模型判別精度等。在實(shí)際應(yīng)用方面，雖然國(guó)內(nèi)外研究嘗試已取得了階段性進(jìn)展，并且明確了穩(wěn)定同位素及礦物元素技術(shù)用于產(chǎn)地溯源的可行性，但距離實(shí)現(xiàn)應(yīng)用階段還需進(jìn)一步完善。在后續(xù)的技術(shù)推廣和應(yīng)用中，仍需要政府和科研工作者共同努力去推廣實(shí)驗(yàn)，廣泛收集不同產(chǎn)地的大量樣本信息，構(gòu)建完善統(tǒng)一的同位素和礦物元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，制定相關(guān)溯源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。