碳氮同位素溯源技術在畜禽產品中的應用

付 才，馬書林，王紅云，黃志國

（1.河北省農林科學院遺傳生理研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院糧油作物研究所，河北 石家莊 050035）

近年來，隨著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，人們的飲食結構發生了巨大轉變，消費類型也由七八十年代的以糧食為主轉變為目前的對肉、蛋和奶需求的增加。此外，歐洲“瘋牛病”以及我國“三聚氰胺”和“禽流感”等重大食品安全事件的發生，也使得人們對食品的安全性更加重視。為了確保食品安全，實行食品安全追溯制度，就必須從生產到餐桌進行全程監控。在歐洲一些發達國家（英國、法國、德國、意大利、比利時等）的肉類生產中，溯源系統已經得到了應用[1]。歐盟在《食品法》中規定，動物性食品、飼料、供食品生產用的畜禽，以及在制造動物性食品和飼料過程中與其相關的物品，在其整個生產鏈條中每個環節（生產、加工、銷售）必須確立食品信息的溯源體系，否則，不允許上市銷售[2]。進入21世紀以來，國內外在食品安全上利用穩定同位素技術的研究不斷增多，如在畜禽產品溯源中，常用的穩定同位素包括碳（C）、氮（N）、氫（H）、氧（O）和硫（S）等。對碳、氮同位素的基本原理以及同位素溯源技術在畜禽產品鑒別和來源方面的研究進展進行綜述，旨為建立與完善我國畜禽產品安全追溯制度和保障消費者的權益提供參考。

1 同位素指紋溯源技術的基本原理

穩定同位素組成常用δ值表示，δ值指樣品中某元素的穩定同位素比值相對標準（標樣）相應比值的千分偏差。在自然界，生物體與外界環境進行物質交換過程中，其同位素組成受環境、生物代謝類型、氣候等因素的影響而發生自然分餾效應，從而導致不同地域來源動植物的組織中同位素的δ值存在差異[3]，這種差異是由于生物體所處的環境條件不同造成的。同位素組成是生物體的一種“自然指紋”，與生物體生長的環境密切相關，往往不隨化學添加劑的添加而改變，其能為畜禽產品溯源提供一種獨立、客觀、穩定的以及隨整個畜禽產品鏈流動的身份鑒定信息[4]。因此，同位素自然分餾效應可以作為同位素指紋溯源技術的基本原理和依據。通過同位素指紋信息，不僅可以追溯畜禽產品原產地和食品污染物來源，還可以鑒別產品成分是否摻假等。

穩定性碳同位素比率用δ13C（‰） 表示，δ13C的相對標準為V-PDB；穩定性氮同位素比率用δ15N（‰）表示，δ15N的相對標準為空氣。計算公式為：

δ= （R樣品/R標準-1） ×1 000‰

式中，R為輕同位素與重同位素豐度比，即13C與12C的比值（13C/12C） 或15N與14N的比值（15N/14N）。

1.1 碳同位素

碳有2種穩定同位素，分別是12C和13C。由于植物固定二氧化碳的方式不同，導致在不同種類植物中δ13C值并不相同。植物固定二氧化碳的途徑有C3、C4和景天酸代謝（CAM）3條，因此，可將植物分為C3植物、C4植物和CAM植物[5，6]。不同種類植物的δ13C值差異很大，其中，C3植物碳同位素的δ值為-34‰～-22‰，其中在（-27±2） ‰范圍內出現的頻率最多；C4植物碳同位素的 δ值為-19‰～-9‰，其中在（-13±2）‰范圍內出現的頻率最多；CAM植物碳同位素的δ值變化范圍較大，為-38‰～-13‰，平均值為 （-17±2） ‰，介于 C3植物與 C4植物之間[7，8]。由此可見，植物δ13C值的大小主要受光合作用方式和外界環境因子2個方面的影響，不同地域生長的植物由于光合作用和環境因素的不同，因此，其δ13C值的大小存在差異，也就是說，植物的δ13C值是環境因子和生物因子共同影響的結果[9]。

1.2 氮同位素

氮有2種穩定同位素，分別是14N和15N。研究發現，不同來源的含氮物質，氮同位素的δ值不同。來自人類和畜禽排泄物的δ15N值明顯富集，范圍為10‰～20‰；大氣沉降硝酸鹽的δ15N值范圍為2‰～8‰；人工合成的化學肥料δ15N值較低，范圍為-3‰～3‰[10]。植物的δ15N值取決于其生長過程中土壤環境硝酸鹽和氨水的含量，而土壤的δ15N值取決于氣候和地理2個因素[3]；動物組織中氮同位素的組成來源于其新陳代謝和食用物質兩方面因素的影響。呼吸作用使得氮同位素進行大量分餾，δ15N值范圍為3‰～5‰[11]。另外，種植過程中常年使用化肥和有機肥，以及動物源性飼料在畜禽養殖中的應用，也會影響生物體氮同位素的組成[12]。

2 碳氮同位素在畜禽產品產地溯源中的應用

目前，應用碳氮2種同位素的δ值來確認畜禽產品產地來源的研究日益增多。然而，對于畜禽動物性產品而言，它們的同位素組成較為復雜。畜禽飼養過程中同位素的組成主要受飼料配方、新陳代謝過程中同位素分餾以及飼料配方中原材料的來源等因素的影響[13，14]。

2.1 在牛肉產地溯源的應用

Boner等[15]對采自德國不同農場（有機飼養和傳統飼養）的牛肉樣品進行了粗蛋白質的δ13C值測定，結果顯示，不同飼養模式下的牛肉δ13C值不同，可以將δ13C值＜-20‰作為牛肉有機養殖的判斷指標。Schmidt等[16]對來自美國的23個牛肉樣品和來自歐洲的35個牛肉樣品進行碳氮同位素檢測分析，結果表明，美國牛肉與歐洲牛肉的δ13C值存在差異，并且愛爾蘭牛肉與其他歐洲國家牛肉相比δ13C值和δ15N值均存在顯著差異；此外，通過分析碳氮2種穩定性同位素的δ值，還可以區分常規養殖與有機養殖的牛肉。

國內學者郭波莉等[17]利用同位素比率質譜儀（IRMS），對來自我國河北、貴州、寧夏、吉林四大肉牛產區的牛肉樣品和牛尾毛進行了碳氮同位素的δ值測定，結果顯示，各地牛肉的δ13C值和δ15N值存在極顯著差異，牛組織的δ13C值順序為吉林＞貴州＞寧夏＞河北。貴州和河北兩地樣品的δ15N值明顯高于吉林和寧夏兩地樣品。而且，脫脂牛肉和粗脂肪的δ13C值和δ15N值與牛尾毛的δ13C值和δ15N值存在極顯著的正相關，說明利用牛尾毛替代牛肉組織進行牛肉產地溯源研究是可行的；不同產地來源牛尾毛中穩定碳、氮、同位素的δ值大小取決于不同地域飼養牛的飼料組成、地域海拔和緯度的變化程度[17]，通過測定牛肉的δ13C值和δ15N值可以區分不同產地來源的牛肉，同時利用牛肉中穩定性同位素碳的δ值可以推斷牛飼料的主要成分[18]。孫豐梅等[19，20]研究結果表明，牛不同組織的δ13C值隨著牛粗飼料中C4植物比例的加大而升高，并且均與粗飼料中C4植物的比例呈極顯著的正相關，因此，可以用牛組織的δ13C值推斷牛所采食的粗飼料中C4植物所占的比例。劉澤鑫等[21]通過檢測牛尾毛的δ13C值和δ15N值對陜西關中不同區（縣） 來源牛尾毛樣品進行聚類分析，結果顯示，乾縣和永壽縣樣品聚為一類；麟游縣樣品聚為一類；楊凌區和眉縣牛尾毛樣品聚為一類；鳳翔縣、岐山縣和扶風縣分類不十分明顯，分散在上述3類中。說明此地肉牛組織的碳氮同位素組成存在差異，利用該項技術可以進行肉牛小范圍地域的溯源。

2.2 在羊肉產地溯源中的應用

孫淑敏[22]利用同位素比率質譜儀，對來自內蒙古自治區3個牧區（呼倫貝爾市、阿拉善盟、錫林郭勒盟）以及重慶市和山東省菏澤市2個農區的羊肉、羊頸毛及飼料樣品的碳、氮、氫3種同位素的δ值進行了測定，發現不同地域羊組織的碳氮同位素的δ值存在顯著差異，羊組織的δ13C值與羊所食用的粗飼料δ13C值高度相關，主要受牧草種類的影響；當地飼料和地域環境決定羊組織的δ15N值大小。羊頸毛的δ13C值和δ15N值與羊肉的δ13C值和δ15N值呈顯著正相關。利用羊頸毛替代羊肉作為產地溯源的材料是可行的，通過檢測羊頸毛的δ13C值和δ15N值可以判別羊肉的產地。羊肉的δD值主要與當地飲水的δD值高度相關，不同地域來源的羊肉δD值存在顯著差異。判別分析結果表明，利用氫同位素的δ值較利用碳氮同位素的δ值對羊肉產地的正確判別率從80.8%提高到88.9%[23，24]。因此，利用碳、氮和氫3種穩定同位素可更加準確地辨別羊肉的產地。

2.3 在雞肉產地溯源中的應用

王慧文等[25]通過穩定同位素質譜技術，分析了不同地區雞肉的碳氫同位素δ值、飼料的碳同位素δ值以及飲水的氧同位素δ值，結果顯示，不同地區雞肉的δ13C值與其所食用飼料的δ13C值呈極顯著正相關，δD值與飲水的δ18O值呈高度正相關，說明可以根據雞肉的δ13C值和δD值推斷肉雞所食用的飼料及肉雞產地。雞肉碳同位素的δ值受基礎日糧中玉米含量的影響，而日糧中玉米含量對雞肉氮同位素的δ值影響較小[26]。此外，利用δ13C值、δ15N值、δ34S值和δD值這4個參數可以更加準確地對雞肉產地進行溯源，判別率高達100%；各地飲水的δ18O值與雞肉的δD值呈極顯著正相關（p＜0.01）；雞肉的δ13C值和δ15N值受飼料與氣候等因素的影響，δ34S值依賴于地理位置和產地表面的地質特點[27]。

2.4 在雞蛋溯源中的應用

現在市面銷售雞蛋的生產方式主要有散養、籠養和有機3種。與籠養雞和散養雞相比，有機飼養雞有更大的活動空間，有機會自由地尋找食物，如蟲、草和種子等，可以少量食用或不食用化學合成的食物。因此，普遍認為，采用散養方式和有機飼養方式生產的雞蛋更符合消費者的消費心理[28]。目前，我國還沒有針對以上3種飼養方式所產雞蛋的國家和行業標準。戴祁等[29]利用同位素比率質譜儀測定了3種飼養模式雞蛋各組分的碳氮穩定同位素的δ值，結果顯示，利用該方法測定雞蛋各組分的碳氮同位素δ值具有良好的重復性，標準差均＜0.2‰（n=6）；雞蛋各組分的δ13C值和δ15N值均存在差異，其中，δ13C值順序為蛋黃＜蛋清＜蛋殼膜，δ15N值順序為蛋殼膜＜蛋清＜蛋黃，二者的變化規律相反；雞蛋各組分的δ13C值與δ15N值之間呈線性相關。將散養與籠養生產的雞蛋進行對比后發現，二者蛋清的δ13C值和δ15N值分布范圍不同，其中，散養雞蛋的δ13C值和δ15N值分布范圍分別為-18.00‰～-14.97‰和3.02‰～4.37‰，而籠養雞蛋的δ13C值和δ15N值分布范圍分別為-18.96‰～-15.98‰和1.66‰～2.68‰。可以看出，通過碳氮同位素的δ值，能夠有效地區分散養與籠養雞蛋。

2.5 在原料乳溯源中的應用

Kornexl等[30]和 Ghidini等[31]認為，通過牛乳的δ18O值及其特定成分的δ15N值、δ13C值、δ34S值和δ87Sr值能夠確定乳及乳制品的產地來源；不同飼養條件下奶牛飼料中玉米所占的比例不同，因此，通過檢測牛乳的δ13C值能夠將有機乳與傳統乳區分開來。研究表明，有機乳的脂肪δ13C值較低，最高值為-28.0‰；而傳統乳的脂肪δ13C值為-26.6‰或者更高[32]。Knobbe等[33]研究了奶牛不同飼養模式下牛乳和尿液的同位素組成變化，結果顯示，飼喂不同比例的C3或C4植物日糧會影響牛乳和尿液的δ13C值，其中，飼喂牧草組牛乳和尿液的δ13C值均＜飼喂玉米組。牧草組，乳和尿中的δ13C值均＞所食用飼料的δ13C值；玉米組，乳中的δ13C值卻＜所食用飼料的δ13C值，尿中δ13C值與所食用飼料的δ13C值在同一范圍內。乳中的δ15N值在2種飼養模式下無明顯差異，同一飼養模式下需要飼喂較長時間才能使尿液中的δ15N值達到平衡。利用碳氮同位素進行牛奶溯源研究，不僅可以了解不同地區奶牛的飼養方式和飼料來源，還可以為區分有機乳與傳統乳提供判斷依據。

3 存在的問題及今后研究方向

盡管目前有關畜禽產品溯源技術的研究較多，但大多處于初步探索階段，在理論和技術方面還有許多問題需要解決。該項技術與生產實際仍然存在較大差距，今后，應從以下方面進行研究：

（1）飼料、飲水、地域、季節、氣候和貯藏加工工藝等多種因素對畜禽同位素組成的影響；

（2）深入研究畜禽組織的同位素平衡與轉化時間；

（3）畜禽不同組織碳、氮等同位素的組成情況及含量；

（4）揭示影響畜禽同位素組成的機理；

（5）不斷建立和更新畜禽產品產地同位素溯源數據庫；

（6）建立一套可應用于實際的完整的理論體系和模型。

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