礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源中的應用

劉美玲，高玎玲，閆鑫磊，郭 軍

(內蒙古農業大學食品科學與工程學院，呼和浩特 010018)

礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源中的應用

劉美玲，高玎玲，閆鑫磊，郭 軍

(內蒙古農業大學食品科學與工程學院，呼和浩特 010018)

對以化學計量學為基礎的礦物質指紋技術的基本原理以及國內外動物性食品產地溯源中的應用研究進展進行綜述，分析了礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源應用中存在的問題，并對其今后的發展前景進行了展望。

礦物質；指紋技術；產地溯源；動物源食品

近20年來，瘋牛病[1]、禽流感[2]、三聚氰胺[3]、瘦肉精[4]和加工肉制品致癌風險[5-6]等所造成的一系列食品安全問題，使得消費者對食品安全性和食品的真實性愈加關注。瑞士聯邦公共衛生組織調查表明，82% 的消費者表示食物的產地來源是決定他們購買食品的關鍵因素，而71% 的消費者認為畜肉產品的產地來源是他們選購的標準[7]。因此建立有效的動物性食品產地溯源技術，不僅有利于保護地區品牌，而且有助于在動物性食品發生各類問題時及時召回產品。

食品溯源是對食品生產等過程中主要環節的關鍵信息進行追溯，一旦出現問題即可迅速追溯至其源頭[8]。食品產地溯源是對食品原產地的識別過程，能夠明確所銷售得食品來源于何處[9]。食品追溯體系最早是1997年歐盟為應對“瘋牛病”問題逐步建立并完善起來的食品安全管理制度[10]。2002 年我國開始對食品溯源體系進行研究，至今已經制定了《上海市動物免疫標識管理辦法》等一系列相關的標準和指南[11]。按照 FAO/WHO 的定義，動物產品可追溯是指沿產品生產、加工、銷售等不同環節跟蹤產品移動的能力[12]，而可追溯體系是指提供食品來源的途徑。目前，全球已有 78% 的國家制定了畜禽標識法規，69% 的國家已有可追溯管理的法律[13]。國際上地理標志資源比較豐富的國家已經對原產地名稱進行了保護[14]。國內的食品產地溯源研究起步較晚，更鮮有動物源性食品方面相關研究的報道，因此該研究領域具有較大的發展潛力[15]。

目前用于食品產地溯源的技術有電子標簽技術[16]、穩定性同位素指紋(同位素種類和比例)分析技術[17]、礦物元素指紋(譜)分析技術[18]、有機成分指紋(指標集)分析技術[19]、紅外光譜指紋技術[20]和DNA指紋分析技術[21]等。其中礦物元素指紋分析技術有較明顯的地理特征，可用的分析指標較多，已成為食品產地溯源的有效技術之一[9]。在數據處理方面，常采用方差分析、多重比較分析、判別分析、聚類分析等礦物元素譜(形象地稱為“指紋”)地區特征分析技術[22]。此外，原子吸收光譜儀[23]、原子熒光光譜儀[24]、原子發射光譜儀[25]、氣相色譜儀[26]、極譜儀[27]、分光光譜儀[28]和電感耦合等離子體質譜儀[29]等是檢測礦物元素含量的常用儀器。ICP-MS因其具有檢測速度快、取樣量少等優點，并可同時對多種元素進行測定，因此在食品產地溯源研究中被廣泛應用[9]。

1 礦物元素指紋溯源技術的原理及分析技術

不同地域的生物體內礦物元素的地域差異較為明顯[30]，分析不同來源食品中元素的含量的差異，便可鑒別其產地來源。礦物元素指紋分析技術用于食品產地溯源的主要決定性因素是從多種礦物元素中選出能夠準確反映與該食品相關的且較為穩定的礦物元素指紋信息[7]，并依據判別分析等化學計量學方法對來源于不同地域產品指標間的差異進行研究，從而尋找出不同地區來源產品的差異性指標，建立判別模型，以鑒別未知樣品[9]。

以化學計量學為基礎的指紋判別或以模式分析為基礎的鑒別技術可為動物性食品的產地鑒別提供一類新的理論和分析原理、引入全新的思維方式，是解決該問題的一類新的策略和方法。判別模型和模型建立是化學計量學的高層次應用。該方法采集已知樣本集的部分指紋數據，建立判別模型，然后將未知樣品代入此模型中，判別未知樣品的歸屬。將化學計量學理論、實驗設計和結果分析引入礦物質的研究中，不僅可以為產地溯源引入新的策略，同時也是一類對食品礦物質進行評價的全新方法。食品領域最常用的模式識別包括主成分分析、分層聚類分析、線性判別分析、軟獨立模式分類、偏最小二乘、和偏最小二乘判別分析等。此外還有支持相量機和人工神經網絡法等。目前采用化學計量學的指紋特征分析技術在食品真實性判別研究中發展較快。較為成功案例如S.M.Ruth等[31]成功地利用類胡蘿卜素指紋鑒別有機和非有機雞蛋，該小組在世界范圍內采樣并進行研究，發現利用該方法對有機和非有機雞蛋的判別正確率可達95%以上。郭軍等[32]以利用乳牛的脂肪酸和氨基酸指紋建立了原奶或液態奶真實性鑒別方法和系統。上述兩例的原理和策略同樣可用于礦物質指紋鑒別，但目前國內報道的礦物質指紋分析基本都僅采用了PCA。PCA是化學計量學和多變量統計學的最基本分析模塊，分析的是樣本指紋的自然特征。其基本原理是將多個指標(變量)壓縮簡化為較少的新指標，將變量的共性成分盡量集中到前幾個新指標(變量)中。通常前三個變量集中有60%～99%的共性成分，也稱主成分1～3。用前三個主成分的得分向量在三維空間投射樣本，同類樣本就能投射到同一個空間區域，不同樣本的投射區域相隔較遠。HCA是計算各樣品間的距離，以距離最遠的兩個樣品作為基準創建新組，然后將剩余樣品的距離與之比較，距離靠近哪個樣品，就與該樣品聚為一類[33]。SIMCA方法的基本思路是對樣本進行PCA分析得到整個樣本的分類，再建立各個樣本相應的類模型，然后根據該模型對未知樣品進行再次分類[32]。在實際應用中，需根據所要達到的目的，選擇不同的模式識別方法。

2 礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源中的應用及其局限性

2.1 礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源中的應用

動物體內的礦物元素受土壤、水和空氣等環境因素的影響，且與飼料和動物自身代謝密切相關[34]。郭波莉[35]等研究表明，飼料中的元素強化對動物肌肉中Se和La的含量影響顯著；對Ni在高劑量下影響大，但在低劑量下影響小；對Ce幾乎無影響。國內外學者篩選與地域之間具有密切相關性的礦物元素，并確定研究動物性食品產地溯源的可靠指標。目前礦物元素指紋分析技術已應用于牛肉[36]、羊肉[30]、水產品[37]和乳及乳制品[38]等動物性食品的產地溯源研究中。

2.1.1 礦物質指紋技術在牛肉產地溯源中的應用 由于養殖地區是影響牛肉品質的重要因素之一，且礦物質指紋技術對產地來源的識別率較高，因此國內外許多學者利用牛肉中多種礦物元素含量的差異對牛肉的原產地進行鑒別。郭波莉[36]等從中國 4 大牛肉產區吉林、貴州、寧夏、河北采集61份牛肉樣品，利用電感耦合等離子體質譜儀對脫脂牛肉樣品中的Na、Mg、K、Ca、Al、V等22種元素的含量進行了測定，并對 16 種元素進行了主成分分析，其中前 5 個主成分的貢獻率為 82.17%。判別分析選出的牛肉產地來源有效指標對吉林、貴州、河北牛肉樣品的判別率均高達100%，對寧夏牛肉樣品的判別率為 91%，總體判別正確率為 98.4%。該實驗表明多礦物元素指紋分析是進行牛肉產地溯源的有效技術。Zhao[39]等采集來源于中國不同省份的脫脂牛肉樣品，進行穩定同位素和多礦物元素測定，并用主成分分析對數據進行降維和模式判別，正確率可達100%，交叉驗證率同樣為100%。這一研究表明，通過穩定同位素和多元素分析相結合的方法可以成功地鑒別中國不同地理起源的牛肉樣品。Franke[40-41]等利用電感耦合等離子體質譜法對來自不同國家的干燥牛肉樣品中的礦物元素含量進行測定。研究表明，礦物元素 B、Ca、Cd、Cu、Dy、Zn 等元素可用于牛肉干的產地判別，它們對干燥牛肉產地的判別率為79%。

2.1.2 礦物質指紋技術在羊肉產地溯源中的應用 羊大多時間在戶外放養，較少進行飼料補充，因此羊組織中所含的礦物元素與當地環境關系更為密切[30]。近年來，隨著國民收入的日趨增加，消費者的飲食結構也發生了巨大的轉變。高蛋白、低膽固醇、肉嫩味美的羊肉愈加受到消費者青睞，但在享受美味的同時許多消費者愈加關注羊肉的品質問題。為了滿足消費者的需求，國內外研究人員利用羊肉中礦物元素含量的差異進行羊肉的產地鑒別。孫淑敏等[34]分別從中國內蒙古阿拉善盟、錫林郭勒盟和呼倫貝爾市三個牧區以及重慶市和山東省菏澤市兩個農區共采集羊肉樣品 99 份，利用電感耦合等離子體質譜儀測定了脫脂羊肉中 25 種礦物元素的含量，并利用主成分分析和線性判別分析等多元分析方法進行了數據處理。研究表明，脫脂羊肉中元素含量存在明顯的地域差異。判別分析認為 Be、Na、Cr等12 種元素為羊肉產地來源的判別指標，所建立的判別模型對羊肉樣品整體的判別率以及交叉檢驗率分別為 93.9%和 88.9%。其中重慶市、菏澤市和阿拉善盟的肉樣均 100%正確歸類，且農區的正確判別率 (100%)明顯高于牧區 (90%)。研究同時顯示，多礦物元素分析是羊肉產地溯源的有效手段。Sun[38]等對來自中國不同農牧區的羊肉進行研究，結果表明，礦物元素分析技術在羊肉產地溯源中是可行的。孫淑敏等[42]認為礦物元素指紋分析技術是羊肉產地溯源的有效手段，其研究表明Ca、Zn、Be、Ni、Fe、Se 等元素是羊肉產地溯源的有效指標，它們對農牧區樣品的判別率為 均可達到90%以上。

2.1.3 礦物質指紋技術在水產品產地溯源中的應用 地理標志性水產品產地溯源有很大難度，傳統方法主要依靠經驗，以水產品外觀和氣味等特征進行判別，這很難客觀的對原產地地域水產品進行準確區分，不利于保護特色產品，確保公平競爭[43]。研究人員經過在不斷地探索，研究出了元素指紋判別技術。目前利用礦物元素對水產品進行產地溯源的研究已有報道。楊健[44]等應用電感耦合等離子質譜儀分別對江蘇太湖與洪澤湖水域大銀魚體內 12 種礦物元素特征進行了分析，且通過主成分分析和判別分析研究了大銀魚體內元素含量的差異。主成分分析顯示兩水域魚體礦物質指紋特征差異明顯，判別分析能成功區分兩地大銀魚，判別正確率可達100%。楊文斌[45]等以中華絨螯蟹第三步足為試樣，采用電感耦合等離子質譜儀測定了21種礦物元素。判別分析結果顯示，該種測定方法對太湖、石臼湖和固城湖的中華絨螯蟹的判別率分別達到100%、80%和100%，綜合判別率為93.3%。此研究表明，利用中華絨螯蟹第三步足礦物質指紋判別法對太湖、石臼湖和固城湖的中華絨螯蟹群體進行產地判別是可行的。Liu Xiaofang[46]等應用電感耦合等離子質譜儀分別對渤海、黃海和東海3 個水域的海參體內15 種元素進行檢測，并采用主成分分析、聚類分析等方法進行分析。結果表明，這些分析方法對海參產地的判別率與交叉驗證率均達到100%，該研究表明，應用電感耦合等離子體質譜儀的礦物質分析技術對我國三大海域海參進行產地識別是可行的。郭利攀等[47]采用電感耦合等離子體質譜以及原子吸收光譜測定東海(舟山、溫州和寧波)3個地區的4種經濟魚類(鯧魚、帶魚、魷魚和小黃魚)所含的 25 種礦物元素，利用偏最小二乘判別分析與概率神經網絡所建立的判別模型，判別率分別為97.92%和 100%。該研究證明，礦物元素指紋的產地判別技術能夠成功應用于東海 3 個產地的 4 種經濟魚類的產地識別。才讓卓瑪等[48]通過電感耦合等離子體質譜儀測定了汕頭、惠東、珠海及欽州 等7個地區香港牡蠣中的 Ag、As、Ba、Zn等20 種無機元素含量，利用主成分分析法和聚類分析法對礦物元素含量進行分析。主成分分析篩選出 4 個主成分，聚類分析將香港牡蠣聚為 5 類，結果表明，來自香港牡蠣中所含的無機元素能夠初步實現其產地溯源。Costas[49]等對西班牙加利西亞湖泊貽貝中的礦物元素進行了線性判別分析，其產地判別率為95.6%。該研究結果證明了痕量元素和微量元素應用于加利西亞貽貝的指紋圖譜，可準確區分加利西亞和非加利西亞的貽貝。Silva[50]等應用溶液法-電感耦合等離子體質譜技術對葡萄牙地區條長臀鱈耳石中的微量元素進行測定，發現4種礦物元素(Sr、Ba、Mg、Li)的含量在3 個不同地區的鱈魚中均有差異，結果顯示該技術對3個地區的判別準確率分別達到87%、63%和57%。

2.1.4 礦物質指紋在乳及乳制品產地溯源中的應用 食品產地溯源是影響乳及乳制品安全的關鍵因素之一，因此迫切要求對其進行產地溯源研究。乳及乳制品的產地溯源始于歐美國家，國內在這方面起步較晚。譚凱燕[51]等研究選取了新疆、黑龍江、廣西等3個產地的12種奶粉，研究其23種元素含量的差異。同時結合主成分分析和聚類分析對不同產地的奶粉進行識別，其整體聚類的準確率為91.67%。Brescia[52]等用礦物元素結合同位素對水牛奶和mozzarella奶酪進行產地溯源，所建模型預測率為93%。Mendil[38]等認為，土耳其的各種奶酪中礦物元素的含量均有差異。Bontempo[53]等對意大利的阿爾卑斯地區的7種奶酪采用49種礦物質和同位素對其進行原產地判別，判別率為94% 。

2.2 礦物質指紋溯源技術的局限性

我國對動物性食品產地溯源的研究尚處于初級階段，很多動物性食品還沒有開展深入和系統地研究，特征礦物元素數據庫尚未建立。動物性食品中礦物元素含量受多種因素的影響，使動物性食品的產地溯源較為復雜。譬如家禽在飼養過程中，主要食用混合飼料，且每批飼料來源不確定，影響動物性食品產地判別[15]。有些污染元素如鎘、鉛、鋅等只在腎臟、肝臟等器官中累積，而在肌肉中累積較少，不能有效地區分污染區和非污染區[7]。因此研究者們需選取影響溯源因素較少的動物性食品進行研究，并致力于礦物元素產地溯源體系地建立，以期使動物性食品產地溯源達到更好的效果。

3 展望

礦物元素指紋技術在動物性食品產地溯源中起到了非常重要的作用，是目前動物性食品產地溯源的一項可行策略，在牛肉、羊肉、水產品和乳及乳制品等動物性食品上的研究均有成功報道。目前許多國家已開始將產地溯源研究成果用于食品安全追溯體系。我國在這方面也在努力，對地理標志產品的保護也促進了我國食品產地溯源技術的發展。但是每種溯源技術都有優缺點，礦物元素指紋技術在動物性食品產地溯源中可能引入了很多不確定因素，因此礦物質指紋溯源需要掌握充分的產品背景信息，并采用功能更強大的化學計量學分析模塊或模塊組進行研究，必要時使用人工智能模塊或介入人工邏輯判斷，以期建立更穩健的判別模型。另外還可使用多種溯源策略技術，如穩定同位素指紋技術和近紅外光譜技術等聯合用于溯源，或因地制宜，在充分掌握檢驗對象背景資料的前提下，量身定做適合該種或該類食品的溯源方法。食品的營養品質與其產地來源密切相關，高效、實用的產地溯源技術既有利于實施食品原產地追溯，又能夠進行原產地保護。隨著研究方法的日益增加和研究領域的不斷擴大，礦物質指紋技術在動物性食品產地溯源的應用前景將更加廣闊。◇

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(責任編輯 李婷婷)

Application of Mineral Fingerprint in Geographical Origin Tracing of Animal-derived Foods

LIU Mei-ling，GAO Ding-ling，YAN Xin-lei，GUO Jun

(Food Science and Engineering College of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Fundamental principles of geographical origin tracing of animal food by mineral fingerprint analysis that based on chemometrics，and correlating domestic and international research progress were reviewed.Shortcoming of the geographical origin tracing strategy and the future practical application possibility were discussed as well.

mineral；fingerprint technique；geographical origin tracing；animal-derived food

內蒙古自治區自然科學基金項目(項目編號：2015MS0342)。

劉美玲(1991— )，女，碩士研究生，研究方向：食品加工與安全。

郭 軍(1969— )，男，博士，教授，研究方向：營養與食品安全。