多元素分析判別奶粉產地來源研究

譚凱燕，梁曉琳，繆　璐，黎德勇，李全陽，*（.廣西壯族自治區產品質量檢驗研究院，廣西南寧530007；.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

多元素分析判別奶粉產地來源研究

譚凱燕1，2，梁曉琳2，繆璐1，黎德勇1，李全陽2，*
（1.廣西壯族自治區產品質量檢驗研究院，廣西南寧530007；2.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

為了探索奶粉產地溯源的可靠方法，以3個不同產區的12種奶粉為研究對象，分別用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP）測定了樣品中的Ca、K、Mg、Na、Al、Fe、Sr共7種元素的含量，用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定了樣品中的Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ba、Pb、Sc、Y、La、Ce、Nd共15種元素的含量，用分光光度法測定了P元素的含量，采用SPSS統計分析對上述23種元素的含量分別進行了方差分析、主成分分析和聚類分析。結果表明：不同地區的奶粉樣品中元素含量有其各自的特征。主成分分析和聚類分析使奶粉樣品分成不同的類別，其類別與品種及來源地基本一致，聚類的整體正確率為91.67%。

奶粉，元素，溯源，ICP，ICP-MS，多元統計分析

近年來，隨著經濟的發展，消費水平的提高，人們對食品安全的關注程度也越來越高，而食品的原產地來源成為了眾多消費者關注的焦點，據瑞士的一項評估報告表明，有82%的消費者表示他們在購買食品的時候會以食品的原產地來作為他們是否購買的主要因素［1］。奶粉作為一種貨架期較長，流通范圍較廣的乳制品，由于保留了鮮奶的主要營養物質又易于儲藏、攜帶方便而廣受消費者的青睞。但是，近年來“大頭娃娃”“三聚氰胺”等奶粉質量安全事故頻發，不僅極大的挫傷了消費者對奶粉安全的信心，也給乳制品企業帶來了嚴重的損失。為了保障乳制品的質量安全，增強消費者的信心，對奶粉進行“追根溯源”理應成為各方關注的焦點，在前期本研究團隊就實現了FTIR技術來進行奶粉溯源［2］，但是在國內用多元素分析來對奶粉進行溯源的研究尚未見報道。

食品中的元素含量與當地的土壤、大氣、水等環境因素密切相關，不同的地區元素組成特征不同，因此用多元素分析來進行奶粉產地溯源大有可為。在國外，乳制品中已有用多元素分析來進行產地溯源的報道：Brescia等就曾用多元素分析來識別荷斯坦牛奶的原產地［3］；Bontempo等用49種礦物質元素結合同位素比率來對阿爾卑斯地區的奶酪原產地進行識別，樣品正確歸類率為94%［4］；Brescia等用15種元素結合同位素分析來對水牛奶和mozzarella奶酪進行溯源，建立的模型正確預測率為93%［5］。在國內，應用礦物質元素分析來對乳制品溯源的研究尚未見報道，但有其他食品的元素溯源研究：郭波莉等用多元素分析來判別牛肉的產地來源，篩選出22種元素中Se、Sr、Fe、Ni和Zn這5種元素最有利于原產地識別，整體正確判對率為98.4%［6］；張強和李艷琴研究了中國5個地區的39個苦蕎品種的7種礦質元素，發現判別結果回判正確率和交互驗證正確率均為97.4%［7］；孫淑敏研究了礦物質元素對羊肉的產地溯源，結果表明12種元素對單個地域樣品的回代檢驗和交叉檢驗的整體正確率分別為93.9%和88.9%，說明礦物質元素指紋分析對羊肉產地溯源是有效可行的［8］。陳輝等則綜述了多元素在蜂蜜溯源中的應用［9］。

為此，本研究選用新疆，黑龍江，廣西三個產地的12種奶粉，研究比較它們的Ca、K、Mg、Na、Al、Fe、Sr、Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ba、Pb、Sc、Y、La、Ce、Nd和P 23種元素含量的差異，并結合多元統計分析的方差分析、主成分分析和系統聚類分析以期發現這些差異與其原產地的對應關系，為奶粉的產地溯源提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與設備

嬰兒奶粉2種，購買于南寧市場，奶源基地為黑龍江；全脂奶粉購買奶源基地為新疆的全脂奶粉3種，購買奶源基地為黑龍江的全脂奶粉3種，購買奶源基地為廣西的全脂奶粉4種，共計12種奶粉樣品，單個樣品隨機編號1～12，其中有2種奶粉為嬰兒奶粉，進行了一些元素的營養強化，用來作為對照判別元素識別的可靠性，看統計分析能否將其區分出來，因此，將2種嬰兒奶粉作為一個組編號為B，將新疆的3種奶粉作為一組編號為X，將黑龍江的3種奶粉作為一組編號為H，將廣西的4種奶粉作為一組編號為G，所有樣品均生產于12月，避免了季節因素對實驗結果的影響，并且同一品牌樣品有相同的生產批號和生產日期，購買時已與廠家進行了考察核實，確定了樣品奶源的產地，樣品的相關信息見表1，其中有2個樣品來自黑龍江同一個地方，有4個樣品來自廣西同一個地方，共計8個不同市；濃硝酸北京化工廠，優級純；30%過氧化氫西隴化工股份有限公司，優級純；高純氬氣純度大于等于99.999%；標準品多元素（Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ca、Li、Mg、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn）標準溶液［ρ（各元素）=100.0μg/mL］國家有色金屬及電子材料分析測試中心；22種（Ag、Al、As、Ba、Bi、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Se、Sr、V、Zn）混合離子標準溶液［ρ（各元素）=0.001g/L］上海市計量測試技術研究院；18種（Ce、Ho、Sc、U、Dy、La、Sm、Yb、Er、Lu、Tb、Y、Eu、Nd、Th、Gd、Pr、Tm）稀土金屬元素混合標準溶液［ρ（各元素）=100.0μg/mL］美國AccuStandard；磷（P）國家標準樣品［ρ（P）=1000.0μg/mL］國家有色金屬及電子材料分析測試中心；鉬酸銨天津市光復科技發展有限公司，分析純；偏釩酸銨國藥集團化學試劑有限公司，分析純；氫氧化鈉天津市福晨化學試劑廠，分析純；2，4-二硝基酚上海試劑三廠，指示劑；硫酸廉江市愛廉化試劑有限公司，優級純。

表1　奶粉產地相關信息Table 1　Producing area’information of milk powder

AL204-IC電子天平METTLER TOLEDO；PYPIV-40超純水儀電阻率＞18.2，廣州品業儀器設備有限公司；Multiwave3000微博消解儀Anton Pear公司；6000 SERIES電感耦合等離子體發射光譜儀美國熱電；XSERIES2電感耦合等離子體質譜儀美國熱電；UV-2401PC分光光度計日本島津。

1.2樣品前處理方法

稱取奶粉約0.5g（精確到0.0001g）置于50mL微波消解管中，加入濃硝酸，30%過氧化氫2mL，放在趕酸器上（100℃）進行預消解，待樣品劇烈反應（約1h），不再冒泡后，拿出放置冷卻到室溫，補加濃硝酸約1～2mL，使消解管內溶液體積約為6mL，放入微波消解儀中，設置升壓速度：0.3Bar/s；紅外強度：130℃；壓力上限：18Bar；轉動模式：連續轉動，并按表2條件進行微波消解，消解完畢后用去離子水沖洗蓋子內壁，沖洗液流入消解管，取出消解管并在趕酸器上趕酸至剩余溶液為2mL，轉移到50mL比色管，用去離子水定容，搖勻。在相同條件下做試劑空白實驗。

表2　微波消解程序Table 2　Microwave digestion procedure

1.3儀器分析方法

收集到的臨床資料可能是零碎的、片面的、混亂的、有矛盾的甚至是錯誤的，必須經過分析、處理和判斷才能使之完整化、真實化、系統化，才能用于臨床[7]。例如一位老年患者到口腔科門診，主訴“牙痛”。口腔科醫生做了詳細的口腔檢查，沒有發現異常，就診斷“神經痛”。該患者到另外一個醫院口腔科門診，醫生發現患者不是牙痛，疼痛部位在顳頜關節處，每當咬合時發生，而且咬合時可以聽到聲響。遂診斷“顳頜關節炎”。

按表3等離子體發射光譜儀儀器條件（見表3）測定奶粉中的Ca、K、Mg、Na、Al、Fe、Sr共7種元素的含量。

按表4電感耦合等離子體質譜儀儀器條件（見表4）測定奶粉中的Li、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Ba、Pb、Sc、Y、La、Ce、Nd共15種元素的含量。

磷（P）元素的含量測定取適量1.2處理好的試樣參照GB 5413.22-2010［10］進行。

1.4數據處理

用SPSS 19.0軟件對數據進行方差分析、Duncan多重比較分析、聚類分析（系統聚類，聚類距離為歐式距離）和主成分分析。

2　結果與討論

2.1奶粉中元素含量差異分析

對不同地域12種奶粉中的23種元素測定結果進行了不同地區間的方差分析，對4組奶粉地區間不同元素的方差分析和多重比較的結果見表5。

表3　ICP 6000工作參數Table 3　Working parameters of ICP 6000

表4　ICP-MS XSERIES 2工作參數Table 4　Working parameters of ICP-MS XSERIES 2

表5　方差分析結果（±SD）Table 5　The result of ANOVA（±SD）

表5　方差分析結果（±SD）Table 5　The result of ANOVA（±SD）

注：同一行上標的字母不同時，表示數據之間的差異顯著（p＜0.05）。

B X H G Ca（mg/100g）　530.7929±68.0151a　1043.3283±24.3779c　936.8322±12.8315b　915.0882±21.5486bK（mg/100g）　702.3559±91.42499a　1262.2022±99.5707b　1358.4131±44.8580c　1277.8756±104.6925bcMg（mg/100g）　47.8827±2.4456a　75.4400±3.0994c　75.1394±5.9034c　69.12738±2.9143bNa（mg/100g）　221.1656±29.8460a　380.4537±72.81037b　361.2392±3.8674b　426.2673±26.0974cAl（mg/100g）　1.898705±0.0881c　1.3662±0.2753a　1.5598±0.1987ab　1.7177±0.2498bFe（mg/100g）　6.6235±1.2318c　0.7327±0.1441a　0.8083±0.1573a　1.8438±1.0115bSr（μg/100g）　249.5558±4.5952a　838.9025±100.3810b　544.3387±42.7363c　163.2711±8.6285dP（mg/100g）　366.2500±93.3937a　725.8333±40.0492b　749.8333±9.4571b　718.3750±34.2485bLi（μg/100g）　14.1986±5.9076b　19.2883±8.5881c　5.9975±1.2893a　3.0757±0.9733aCr（μg/100g）　143.7677±5.9076b　113.0662±22.2227a　140.3739±26.9768b　140.5711±19.7120bMn（μg/100g）　31.1889±6.6748b　7.1469±0.5532a　28.3115±0.2759b　7.6203±1.1751aCo（μg/100g）　0.6916±0.0597a　1.0932±0.0244b　1.1734±0.1654c　1.0393±0.0463bcNi（μg/100g）　15.6242±0.8313a　18.5900±1.1015a　28.7072±12.0704b　36.9726±11.3891bCu（μg/100g）　155.5185±9.9998c　17.5388±2.3392a　28.1815±4.4721a　76.3198±9.4293bZn（μg/100g）　2.2756±0.1223b　1.3797±0.1331a　1.4169±0.0267a　1.3294±0.0348aSe（μg/100g）　14.7181±3.5551b　15.7414±3.1101b　11.6916±2.9720a　15.4129±1.8292bBa（μg/100g）　41.2915±15.9831a　70.7081±12.7984b　94.0314±36.5376c　50.7948±6.0809abPb（μg/100g）　0.6563±0.2330a　0.6553±0.1560a　0.8466±0.2813ab　1.1039±0.3528bSc（μg/100g）　17.5916±0.8090a　18.4860±2.1777ab　20.1486±0.9968bc　20.7043±1.9506cY（μg/100g）　1.9431±0.2879a　0.2302±0.0636b　0.1612±0.0206b　0.1818±0.0317bLa（μg/100g）　1.0752±0.4813c　0.5255±0.3033b　0.2632±0.0090a　0.2996±0.0516abCe（μg/100g）　1.4219±0.1248b　0.8247±0.2612a　0.7355±0.0243a　0.7932±0.0869aNd（μg/100g）　0.9059±0.3621b　0.3033±0.0974a　0.2606±0.0101a　0.2785±0.0490a元素

表5中Duncan多重比較分析的結果也表明不同組別中元素含量有其各自的特征。一些元素的標準偏差偏大，說明這些元素可能在同一省份不同的市內差異也較大［11］。23種元素中，沒有任何一種元素是4組之間均無顯著差異的，即至少都有1組與其余3組差異顯著，最典型的是Sr，4組樣品的Sr元素含量兩兩之間差異顯著，說明Sr元素對于樣品的地域識別是很有幫助的，前人研究發現鍶元素及其同位素因其特殊的地球化學特性經常被用于農產品的溯源研究中［12］。B組樣品的元素含量與其余3組差異最大，B組中Ca、K、Mg、Al、Fe、P、Li、Sr、Co、Cu、Zn、Y、La、Ce和Nd 15種元素含量與其他3組均有顯著性差異，其中Al、Fe、Cu、Zn、Y、La、Ce和Nd 8種元素含量顯著高于X、H、G組；Ca、K、Mg、P、Co 5種元素含量顯著低于其余3組，Li含量顯著低于X組，但顯著高于H、G組。這種差異可能是由于嬰兒配方奶粉相比成人全脂奶粉添加了一些其他物質，使得某些元素的相對含量降低，同時又進行了幾種元素的營養強化使這幾種元素的含量增加，這種人為的元素干預導致溯源識別的困難增加，但是可以作為后期方法可靠性判別的一個對照。X組中Ca、Li、Sr、Cr 4種元素含量與其他3組有顯著性差異，其中Ca、Li、Sr含量顯著高于其他3組，Cr含量顯著低于其余3組。這可能與新疆的土壤環境相關，新疆的土壤中Ca含量較高［13］。H組中Sr、Se、Ba 3種元素與其他3組有顯著性差異，Se含量顯著低于其他3組，Ba含量顯著高于其余3組。G組種Mg、Na、Fe、Sr、Cu5種元素含量與其他3組有顯著性差異，其中Na在4組中含量最高，Sr在4組中含量最低，Fe和Cu含量高于X、H組但低于B組，Mg含量低于X、H組但高于B組。由同種奶粉的不同產地分析可以看出，P、Zn、Y、Ce和Nd元素含量差異不顯著，其余18種元素含量差異顯著。

2.2奶粉中元素含量的主成分分析

對不同地區存在顯著差異的23種元素進行主成分分析，結果見表6。

表6　前4個主成分中各變量的特征向量及累計方差貢獻率Table 6　The eigenvectors and cumulative contribution of variance of the first four principal components

由表6可以看出前4個主成分的累計方差貢獻率達到了82.91%，表明前4個主成分已經有足夠的信息可以代表原始數據。從特征向量中可以看出，第1主成分主要綜合了奶粉樣品的Ca、K、Mg、Co、Zn、Nd和P 7種元素的含量信息，第2主成分主要綜合了Na、Al和Pb 3種元素的含量信息，第3主成分主要綜合了Mn和Ba的含量信息，第4主成分主要綜合了Sr和Cr的含量信息。

再利用第1和第2主成分的標準化得分作散點圖，結果如圖1所示。

圖1　第1和第2主成分得分散點圖Fig.1　Scatter plot of PC1 and PC2

由圖1可以看出，通過第1主成分和第2主成分的得分可以區分不同地區的奶粉樣品。從第1主成分來看，B組樣品雖然與H組樣品同來自黑龍江，但B組與其余三組樣品的散點相距較遠，其第1主成分得分均為負值，其余3組為正值，再結合表5和表6的分析結果可以發現，第1主成分主要綜合了奶粉樣品的Ca、K、Mg、Co、Zn、Nd和P的含量信息，而B組樣品的Ca、K、Mg、P、Co元素含量顯著低于其余3組。并且可以發現B組樣品的散點之間本身相距也較遠，X、H、G組散點相對集中，這是因為B組為兩種不同的嬰兒奶粉，一種為初生嬰兒奶粉，一種為健兒成長奶粉。這也充分說明了多元素分析是靈敏度很高的，完全可以將不同品種的奶粉區分開來。從第2主成分來看，G組樣品的第2主成分得分均為正值，X組均為負值，B、H組既有正值，又有負值，再結合表5和表6的分析結果可以發現，第2主成分主要綜合了Na、Al、Ni和Pb的含量信息，而G組樣品Na、Ni和Pb元素含量均高于其余三組，Al的含量在同品種奶粉中也是含量最高。這與前文元素含量差異分析的規律一致。由此可見，用主成分分析可以更綜合、直觀的反映樣品中的多元素信息，在前人的食品產地溯源中也多次運用了主成分分析［14-15］。

2.3奶粉中元素含量的聚類分析

對奶粉多元素分析結果進行系統聚類分析，分析結果如圖2所示。

圖2　系統聚類樹狀圖Fig.2　Dendrogram of hierarchical cluster analysis

由圖2可以看出，在縱坐標為19個單位時可以看到所有樣品聚為2個表征群，1、2號為一個表征群，3～12號為一個表征群。結合前文的編號可以看出，1、2號樣品為進行了營養元素強化的嬰幼兒奶粉，3～12號為成人全脂奶粉，這進一步印證了多元素分析具有較好的靈敏度，能夠區分細微的元素含量差異。除1、2號樣品之外，其余3個地區的樣品在縱坐標為5個單位時聚為三個表征群，其中9～12號樣品為一個表征群，根據前文的編號，9～12號樣品均來自廣西，6、7、8號樣品先聚為一類，再和4、5號樣品聚為一類，最后4～8號樣品再和3號樣品聚為一類，根據前文編號，6、7、8號樣品來自黑龍江，3、4、5號樣品來自新疆，所以3號樣品出現了誤判，整個聚類分析的正確率為91.67%。說明聚類分析在奶粉的產地溯源中取得了較理想的效果，這種“物以類聚”的分析方法在產品溯源中受到科研工作者的廣泛應用［14-17］。

3　結論

3.1三個地區奶粉的元素具有各自的特征，P、Zn、Y、Ce和Nd差異不顯著，其余18種元素均至少有1組與其余2組差異顯著，Sr元素兩兩之間均差異顯著，反映了不同地區奶粉礦物質元素組成的復雜性和多樣性，為奶粉的產地識別提供了線索。

3.2元素分析結合主成分分析和聚類分析能較好的識別不同種類的奶粉以及很好的區分同種奶粉的不同產地，整體聚類的正確率為91.67%。

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Determination of milk powder geographical origin based on multi-element analysis

TAN Kai-yan1，2，LIANG Xiao-lin2，MIAO Lu1，LI De-yong1，LI Quan-yang2，*
（1.Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality，Nanning 530007，China；2.College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to explore the reliable method of milk powder origin traceability，12 kinds of milk powder came from 3 regions were regarded as object of study.The contents of 7 chemical elements of Ca，K，Mg，Na，Al，Fe，Sr were detected by ICP-AES.The contents of 15 chemical elements of Li，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Se，Ba，Pb，Sc，Y，La，Ce，Nd were detected by ICP-MS.The content of P was detected by spectrophotometric method.Then SPSS was used to analyze the data by analysis of variance（ANOVA），principal component analysis（PCA）and cluster analysis（CA）.Results showed that the element contents were different in the milk powder samples from different locals.PCA and CA classified the samples of milk powder into different categories，which was consistent to the variety and the geographical origin.The overall accuracy of CA achieved 91.67%.

milk powder；element；origin traceability；ICP；ICP-MS；multivariate statistical analysis

TS207.3

A

1002-0306（2015）02-0052-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.002

2014－05－26

譚凱燕（1976-），女，在職碩士研究生，工程師，研究方向：食品檢測與安全。

李全陽（1964-），男，博士研究生，教授，研究方向：食品科學，乳品科學，食品營養與長壽。

國家自然科學基金項目（31071576）；廣西大學科研基金項目（GXL090325）。