穩(wěn)定同位素質(zhì)譜技術(shù)在馬鈴薯產(chǎn)品溯源和產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用綜述

柳沙 張海芳 楊曉宇 張宏博 馮濤 栗昇

摘 要：穩(wěn)定同位素質(zhì)譜在植物源性食品安全方面的應(yīng)用主要包括產(chǎn)品摻假鑒別、有機(jī)食品認(rèn)證和地標(biāo)性食品溯源3大類。本文通過對(duì)穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)原理、當(dāng)前國內(nèi)外馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和科研水平的闡述，分析了內(nèi)蒙古自治區(qū)作為我國馬鈴薯的重要主產(chǎn)區(qū)，運(yùn)用同位素溯源技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品地理標(biāo)志認(rèn)證和預(yù)防馬鈴薯摻雜摻假的必要趨勢(shì)。

A review of the Application of Stable Isotope Mass Spectrometry in Potato Product Traceability and Geographical Origin Traceability

LIU Sha2， ZHANG Haifang1， YANG Xiaoyu1， ZHANG Hongbo2， FENG Tao3， LI Sheng1*

（1.Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering， Hohhot 010011， China; 2.Center for Market Regulation Evaluation & Inspection of Inner Mongolia， Hohhot 010010， China; 3.Inner Mongolia King Goal Technology Service Co.， Ltd.， Hohhot 010010， China）

Abstract： The applications of stable isotope mass spectrometry in plant food safety mainly include product identification， organic food certification and landmark food traceability. In this paper， the principle of stable isotope technology and the current development situation and scientific research level of potato industry at home and abroad are expounded， which shows that Inner Mongolia is an important potato production area in China， it is imperative to prevent adulteration of potatoes certified by geographical indications by using isotope tracing technique.

Keywords： plant derived food safety; potato; geographical indication certification; isotope traceability technology

產(chǎn)地溯源是有效實(shí)施食品原產(chǎn)地追溯、保護(hù)名優(yōu)產(chǎn)品的重要技術(shù)手段。國內(nèi)外動(dòng)物源性食品產(chǎn)地溯源技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，植物源性食品產(chǎn)地判別的研究也日益增加。植物源性食品的溯源對(duì)象已由茶葉、咖啡、橄欖油、蜂蜜、葡萄酒和果汁等發(fā)展至番茄、大蒜、蘑菇、小麥和土豆等食品[1]。目前，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜在植物源性食品安全方面的應(yīng)用主要涉及產(chǎn)品摻假識(shí)別、有機(jī)食品認(rèn)證及地標(biāo)性食品溯源3大部分。

近年來，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的溯源受到消費(fèi)者和監(jiān)管部門的高度關(guān)注。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源是重金屬溯源的前提和基礎(chǔ)。農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地與它們的營養(yǎng)成分、質(zhì)量和味道密切相關(guān)，相關(guān)部門先后出臺(tái)了許多相關(guān)政策與認(rèn)證方法，以便辨別地域性名優(yōu)特產(chǎn)?！掇r(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志管理辦法》于2008年初期實(shí)施，現(xiàn)被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部所保護(hù)的地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品已有3 000多種，地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品深受廣大消費(fèi)者的青睞。隨著經(jīng)濟(jì)國際化發(fā)展和電子商務(wù)等經(jīng)濟(jì)形態(tài)的出現(xiàn)，如何防止及監(jiān)管食品及農(nóng)產(chǎn)品在跨區(qū)域、跨國境流通過程中摻假，已經(jīng)成為全球性的新挑戰(zhàn)[2]。

1 穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)

1.1 基本原理

同位素溯源技術(shù)是目前用來追蹤不同來源食品并進(jìn)行名優(yōu)產(chǎn)品保護(hù)的一項(xiàng)高效工具，在食品安全領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。同位素是指質(zhì)子數(shù)一樣，但中子數(shù)有所不同，在元素周期表中居于同位的一種核素，互稱之為同位素，它們之間存在類似性與相異性關(guān)系。物質(zhì)的化學(xué)特性基本上是由組成物體原子的殼層電子構(gòu)造所確定的，而同位素有完全相同的殼層電子構(gòu)造，從而使它們的宏觀化學(xué)和生物特性相似，這便是同位素的相似性。同位素的相異性主要體現(xiàn)在原子核的結(jié)構(gòu)差異，同位素間具有不同的質(zhì)量數(shù)和核物理特征[3]。

利用同位素間物理性質(zhì)的相異性，人們能夠更高效地實(shí)現(xiàn)同位素分離和分析，基本原理是同位素的自然分餾效應(yīng)，該分餾效應(yīng)是指同位素比值差異的兩個(gè)物質(zhì)間或相同物質(zhì)兩種相態(tài)間產(chǎn)生的同位素分配作用[4]。通過分析C、N、H、O和Pb等同位素指紋在不同區(qū)域植源性產(chǎn)品中的特異性差異，從而可以鑒別不同來源的植源性產(chǎn)品。植物光合作用的碳代謝途徑不同，按照CO2的利用方式植物可分為碳-3、碳-4、CAM植物。CAM植物位于碳-3與碳-4中間，碳-3植物多在高緯度、高海拔地區(qū)的溫涼地帶地區(qū)，而碳-4植物則多在熱帶和亞熱帶中生長與發(fā)育，因此植株的碳同位素組成不但與其透光性以及碳代謝路線相關(guān)，還受外界環(huán)境因子的影響。氫和氧同位素天然豐度的差異，一般和植被中可使用水分的重要來源相關(guān)，如大氣降雨、地下水或海洋水。氫和氧身為水的重要構(gòu)成元素，其同位素構(gòu)成會(huì)由于水循環(huán)系統(tǒng)流程中的快速擴(kuò)展、物態(tài)轉(zhuǎn)換（如揮發(fā)、冷凍、葉片蒸騰等）而產(chǎn)生規(guī)律性改變，因此氫、氧同位素比例存在典型的緯度效應(yīng)、陸地效應(yīng)及其氣候季節(jié)效應(yīng)[5]。此外，植被的氮同位素構(gòu)成也受植被種類、化學(xué)肥料、天氣條件和水土情況等各種因素的直接影響，而土壤中N同位素的組成大多與農(nóng)作物施肥相關(guān)，因此也會(huì)影響礦化、硝化、N的吸收及反硝化等生物轉(zhuǎn)化過程，從而直接影響氮同位素的分餾效應(yīng)[6]。δ15N主要與該區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)有關(guān)，特別是農(nóng)業(yè)施肥對(duì)生物體N同位素濃度的影響較大[7]。

1.2 穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)分類

依據(jù)不同外設(shè)預(yù)處理裝置，用于檢測(cè)的穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜可分為元素分析儀同位素比質(zhì)譜、多用途氣體在線制備裝置同位素比質(zhì)譜、氣相色譜同位素比質(zhì)譜及液相色譜同位素比質(zhì)譜。元素分析儀同位素比質(zhì)譜可用于檢測(cè)整個(gè)液體樣品、固體樣品或是從樣品中分離的某一組織中的同位素，是目前應(yīng)用最廣泛的同位素分析技術(shù);氣相色譜同位素比質(zhì)譜時(shí)常用于檢測(cè)從樣品中提取的某一種氣體或混合氣體化合物的同位素，如檢測(cè)植物油中脂肪酸的δ13C、黃油中固醇激素的δ13C值、酒品的中揮發(fā)性成分的δ13C、可可油中脂肪酸的δ13C、白酒中乙醇的δ13C與δ18O及水果中揮發(fā)物的δD與δ13C[8-9];液相色譜同位素比質(zhì)譜可用于檢測(cè)從樣品中提取的非揮發(fā)性化合物的同位素，例如蜂蜜中糖組分的δ13C、測(cè)定橙汁中果糖、葡萄糖、二糖和多糖的δ13C值等。目前應(yīng)用于食品真實(shí)性鑒定最多的是元素分析儀同位素比質(zhì)譜，其應(yīng)用案例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他幾種同位素比質(zhì)譜。

2 馬鈴薯溯源的研究情況

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是我國馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū)之一，其出產(chǎn)的馬鈴薯口感綿軟深受廣大消費(fèi)者的喜愛。目前內(nèi)蒙古地區(qū)出產(chǎn)的馬鈴薯品種繁多，不同品種和地域的馬鈴薯在食用風(fēng)味口感和質(zhì)量品質(zhì)上有一定的差別。至今，國內(nèi)外對(duì)于馬鈴薯原產(chǎn)地的溯源研究相對(duì)匱乏及薄弱。因此，為了給馬鈴薯品種提供鑒別依據(jù)，更好地維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，避免買到假冒或低品質(zhì)的馬鈴薯產(chǎn)品，有必要建立可供參考的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)體系對(duì)區(qū)域內(nèi)馬鈴薯進(jìn)行鑒定。

2.1 馬鈴薯的分布

在我國馬鈴薯栽培地區(qū)也比較集中，大致分為北部一作區(qū)、中原二作區(qū)、西南部混作區(qū)和南部冬作區(qū)等4個(gè)地區(qū)[10]。國內(nèi)馬鈴薯栽培面積和產(chǎn)量處于全球前列，約占世界的1/4。馬鈴薯具備經(jīng)濟(jì)效益較高、抗旱、耐瘠薄和水分利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)的栽培面積正逐漸擴(kuò)大。此外，自我國提出了馬鈴薯的主糧化策略開始，相關(guān)部門給予了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈高度重視，還提議通過充分利用中國南部冬閑田增加馬鈴薯的栽培面積[11]。內(nèi)蒙古自治區(qū)一直是中國馬鈴薯的重要產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)量都長期保持在較高水平。馬鈴薯及其相關(guān)產(chǎn)品是內(nèi)蒙古的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)于發(fā)展當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)廣大農(nóng)戶增收，調(diào)節(jié)農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，保證糧食安全方面均具有很大的意義[12]。

2.2 馬鈴薯的發(fā)展

如今，食品加工業(yè)迅速發(fā)展，馬鈴薯可加工成各種速凍方便食品和休閑食品，如脫水制品、油炸薯片、膨化食品等，同時(shí)其還可深加工成果葡糖漿、檸檬酸、生產(chǎn)可生物降解的塑料等。我國農(nóng)業(yè)部門自2015年開始實(shí)施馬鈴薯主糧化策略，把馬鈴薯視為對(duì)我國重要地區(qū)主要糧食適當(dāng)補(bǔ)充，使主糧種類更為豐富多樣、營養(yǎng)成分更為多樣化，這將成為提高糧食安全水平的新舉措。該戰(zhàn)略的宗旨是促進(jìn)馬鈴薯由副食消費(fèi)轉(zhuǎn)為主糧消費(fèi)、由原料產(chǎn)品消費(fèi)轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化系列成品、由溫飽消費(fèi)轉(zhuǎn)為營養(yǎng)保健消費(fèi)[13]。中國在國際上率先提出馬鈴薯主食產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略，取得了突破性進(jìn)展。至今為止，已經(jīng)研發(fā)銷售6大系列260多種國內(nèi)本土特色的主食產(chǎn)品。通過不斷延伸產(chǎn)業(yè)鏈、完善供應(yīng)鏈、提升價(jià)值鏈，使馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的增值空間不斷拓寬。

3 國內(nèi)外穩(wěn)定同位素技術(shù)在馬鈴薯及相關(guān)產(chǎn)品中的應(yīng)用

食品產(chǎn)地追溯法是污染物溯源的前提基礎(chǔ)，同時(shí)也是食物產(chǎn)業(yè)鏈追溯的關(guān)鍵部分，近年來，中國特色農(nóng)業(yè)、全國各地的名優(yōu)特產(chǎn)、地方產(chǎn)品、國家地理標(biāo)識(shí)產(chǎn)品越來越受到人們重視。同位素技術(shù)在鑒別果汁、蜂蜜、乳制品和葡萄酒的等方面應(yīng)用廣泛，但在馬鈴薯及其相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用卻較少。

3.1 國外馬鈴薯及相關(guān)產(chǎn)品穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)研究現(xiàn)狀

在歐洲，標(biāo)有有機(jī)食品的商品受到越來越多居民的歡迎，在流通領(lǐng)域鑒別有機(jī)食品的訴求較高。穩(wěn)定同位素技術(shù)可以確定食物產(chǎn)地來源、追蹤食物污染源、鑒定食物摻假、追蹤農(nóng)業(yè)獸藥等在生物體內(nèi)吸收、代謝與具體分布等的變化規(guī)律，還可以高效追蹤和區(qū)分有機(jī)食物和普通食品[14]。

Longobardi[15]等使用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)和同位素比率質(zhì)譜儀檢測(cè)意大利西西里島、阿普利亞區(qū)、托斯卡納區(qū)3個(gè)地區(qū)的馬鈴薯樣本中的32種揮發(fā)性成分和碳、硫、氧同位素，其研究成果中發(fā)現(xiàn)15種揮發(fā)性成分與各種同位素之間均存在著明顯的地區(qū)差別，結(jié)果表明單獨(dú)使用揮發(fā)性成分或同位素的準(zhǔn)確判斷率為91.7%，而同時(shí)使用揮發(fā)性成分和同位素則達(dá)到了100%準(zhǔn)確判斷率。

Mahne等[16]對(duì)斯洛文尼亞4個(gè)區(qū)域種植的土豆進(jìn)行了研究，研究應(yīng)用同位素質(zhì)譜對(duì)δ13C、δ15N、δ18O和δ34S進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)對(duì)多種元素進(jìn)行測(cè)定，其包含Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Br、Rb和Sr及稀有元素Sc、Y、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Dy和Er。通過多變量判定分析后可100%區(qū)分及定義馬鈴薯品種，此研究建立了馬鈴薯最新的數(shù)據(jù)庫，并創(chuàng)造了可追溯性模型。

CHUNG等[17]運(yùn)用同位素比率質(zhì)譜儀測(cè)定了韓國地區(qū)的5種馬鈴薯C、N、O及S元素，結(jié)果表明δ13CVPDB和δ15NAIR均可以有效區(qū)分5種的馬鈴薯的地域和品種，但δ18OVSMOW和δ34SVCDT僅可以有效區(qū)分5種的馬鈴薯的地域，同位素質(zhì)譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法進(jìn)行食品產(chǎn)地的溯源，具有廣闊的發(fā)展前景。

在相同的土壤及氣候條件影響下，Camin等[18]發(fā)現(xiàn)有機(jī)馬鈴薯的δ15N值（7.17‰）明顯高于普通馬鈴薯δ15N值（3.36‰），以δ15N值4.3‰為閾值鑒別有機(jī)馬鈴薯假陽性率為15%。Sturm等[19]也利用δ15N值有效鑒別了有機(jī)韭菜和有機(jī)馬鈴薯，再次驗(yàn)證了同位素比質(zhì)譜儀法是鑒定有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的有效方法。

3.2 我國馬鈴薯及相關(guān)產(chǎn)品穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國于1994年把地理標(biāo)志納入商標(biāo)法律體系進(jìn)行保護(hù)，但同發(fā)達(dá)國家比較，此項(xiàng)研究水平較為落后，名優(yōu)商品的以假亂真、以次充好等現(xiàn)狀也較為嚴(yán)峻[20]。近年來，穩(wěn)定同位素質(zhì)譜法在我國判別植物源產(chǎn)地領(lǐng)域起到較大的作用，同位素技術(shù)不需要復(fù)雜的前處理步驟，處理后的樣品不容易受到污染或者變性，準(zhǔn)確性高穩(wěn)定性好，在食品溯源及農(nóng)產(chǎn)品溯源方面均發(fā)揮著重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

淀粉是植物光合作用的主產(chǎn)物，而各類植物來源的淀粉因光合作用的合成途徑差異具有不一樣的δ13C值。按照光合作用合成途徑的差異，植物包括碳-3植物，碳-4植物和CAM植物，其中碳-3植物的δ13C遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳-4植物的δ13C[21]。王紹清等[22]用掃描電鏡和穩(wěn)定碳同位素比質(zhì)譜技術(shù)對(duì)馬鈴薯淀粉中摻假玉米淀粉進(jìn)行定性和半定量鑒別。根據(jù)馬鈴薯淀粉與玉米淀粉在顆粒超微形貌上的明顯差別，運(yùn)用掃描電鏡清晰辨別出馬鈴薯淀粉中摻假的卡米淀粉顆粒。當(dāng)玉米淀粉的摻假量大于10%時(shí)，根據(jù)二者在穩(wěn)定碳同位素比上的自然顯著差異，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定碳同位素比法不僅能夠定性鑒別馬鈴薯淀粉中的卡米淀粉摻假行為，而且依照給出的公式可以估算出摻假玉米淀粉的含量。

有研究應(yīng)用同位素比質(zhì)譜技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古中西部地區(qū)種植比較廣泛的4種馬鈴薯（226、福瑞特、青九及黑心一號(hào)）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并參照了其馬鈴薯樣本中的水分、灰分、含氮量和淀粉含量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，226、福瑞特、青九和黑心一號(hào)4種不同品種馬鈴薯樣品的13C和δ15N含量有明顯的分離趨勢(shì)，但不能有效區(qū)分4種樣品。當(dāng)與水分、灰分、氮含量、淀粉含量合并分析時(shí)，可有效區(qū)分4種馬鈴薯。這為進(jìn)一步積累基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)建立起信息庫和數(shù)據(jù)體系，為更好地區(qū)分馬鈴薯產(chǎn)區(qū)、打造內(nèi)蒙古地理標(biāo)志產(chǎn)品提供技術(shù)支撐，同時(shí)促進(jìn)內(nèi)蒙古地區(qū)優(yōu)質(zhì)馬鈴薯產(chǎn)品地方標(biāo)準(zhǔn)的建立。

張欣昕等[23]通過同位素比質(zhì)譜技術(shù)及確定樣本微量元素的方法分別對(duì)內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆、四川和廣東5個(gè)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行代表性樣品采集，測(cè)定樣品種礦質(zhì)元素含量及穩(wěn)定同位素比值。結(jié)果說明采用步進(jìn)式方法篩出Na、Al、P、Mn、Co、Ni、Gu和Cd 8種指紋指標(biāo)，8種元素的交叉驗(yàn)證的正確判別率為89.3%;δ13C比值和δ15N比值基本可以高效地區(qū)分內(nèi)蒙古樣品與黑龍江、新疆、廣東3個(gè)區(qū)域的樣品，如單獨(dú)選用δ13C和δ15N建立的判別模型，判別正確率為82.0%，在組合應(yīng)用Na等元素及δ13C、δ15N的綜合指標(biāo)下，不同產(chǎn)地的初始判別正確率高達(dá)94.7%，而交叉驗(yàn)證正確率達(dá)93.2%，均高于礦質(zhì)元素含量和同位素比值單獨(dú)判別正確率，判別結(jié)果較好。結(jié)果表明利用礦物元素和穩(wěn)定同位素相結(jié)合的方法可以對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)地進(jìn)行有效的判別，判別正確率很高，這是產(chǎn)地溯源的有效方法。

4 討論

國內(nèi)外關(guān)于穩(wěn)定同位素應(yīng)用于馬鈴薯產(chǎn)地溯源仍然存在一些問題。用IRIMS進(jìn)行馬鈴薯產(chǎn)地溯源時(shí)，多數(shù)研究局限于某一國家或國內(nèi)少數(shù)幾個(gè)地區(qū)、幾個(gè)品種，樣品整體數(shù)量不足，不能全面精準(zhǔn)地區(qū)分馬鈴薯的地標(biāo)性，研究的深度尚且不夠。所以，增大抽樣量、多元素是建立真實(shí)、安全、有效的同位素?cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的首要條件，對(duì)今后系統(tǒng)性研究有著重大意義。

當(dāng)馬鈴薯產(chǎn)地相對(duì)接近，同位素指標(biāo)區(qū)分不明顯時(shí)，需要采用多種技術(shù)融合的方法，如合并頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用、采取礦物質(zhì)指紋指標(biāo)等檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)原產(chǎn)地的精準(zhǔn)溯源。除此以外，鍶、鉛等與地質(zhì)條件相關(guān)的重質(zhì)元素的穩(wěn)定同位素也展現(xiàn)了在產(chǎn)地溯源中的重要作用。穩(wěn)定同位素技術(shù)與多種指紋分析技術(shù)聯(lián)用，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析將成為植物源性產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的最有效方法。

在鑒別馬鈴薯淀粉摻假中，穩(wěn)定同位素合并掃描電鏡可定性和半定量鑒別其樣品，清晰辨別鑒定其真?zhèn)涡?，并結(jié)合數(shù)據(jù)模型可精準(zhǔn)計(jì)算出摻假量，這將成為鑒別馬鈴薯相關(guān)產(chǎn)品真?zhèn)蔚闹匾侄危邱R鈴薯作為主食補(bǔ)充政策的長期有效技術(shù)支撐。

5 展望

我國相關(guān)農(nóng)業(yè)同位素溯源的研究還處在探索階段，對(duì)于特定農(nóng)產(chǎn)品追溯技術(shù)研究缺乏系統(tǒng)的開展。但是，隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)品追溯體系越來越完善，穩(wěn)定同位素技術(shù)已在食品原產(chǎn)地鑒定和食品摻假中發(fā)揮逐漸重要的作用，現(xiàn)已逐步成為對(duì)馬鈴薯及其他農(nóng)作物產(chǎn)品追溯的有效工具，有著廣闊的前景，對(duì)于杜絕產(chǎn)品的摻假及其保護(hù)地理標(biāo)志產(chǎn)品有著重要的意義。在建立和完善溯源數(shù)據(jù)庫應(yīng)用推廣中，還需要相關(guān)人員努力推廣實(shí)踐，制定相關(guān)產(chǎn)品的溯源標(biāo)準(zhǔn)、建立和完善全國性的溯源數(shù)據(jù)庫。

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