基于礦物元素指紋差異的不同產地灘羊肉判別

馬夢斌，羅瑞明，李亞蕾

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

寧夏鹽池縣屬陜、甘、寧、蒙4 省（區）交界地帶，東鄰陜西定邊縣，南接甘肅環縣，北靠內蒙古鄂托克前旗[1-2]。灘羊肉質細嫩鮮美，且含脂率低，不膻不腥，是公認的優質羊肉之一，備受消費者青睞。曾被多地引進，但因生態條件與原產地寧夏不同，而未能保持其原有的品種特性，出現了冒用、濫用品牌的現象[3-4]。此外，品種資源保護體系不完善，阻礙了灘羊產業的穩定健康發展以及灘羊種質資源和地方特色的保護。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，在此基礎上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[5]。因此，構建一種能有效區分灘羊肉產地的技術體系和指標體系是當前亟需解決的問題。

食品可追溯體系作為保證食品安全、增強消費者信心的基本原則之一，研究的關鍵是確定能表征地域信息的特異性指標。其中穩定性同位素和礦物元素指紋分析被認為是追溯產地來源的最為可靠的技術手段之一。此外，近紅外光譜技術也在食品產地溯源中有一定的應用[6]。 礦物元素指紋圖譜技術的原理是不同的土壤質地是由不同的地層巖石背景形成的，土壤與巖石風化的母質密切相關，從而造成不同地域土壤中礦物元素含量及比例等具有地理地質特異性[7]。食品中的礦物元素組成主要受地域環境因子（土壤、水、空氣等）的影響，在地域間可形成其典型的組成特征，被認為是食品產地的有效溯源指標[6,8]。電感耦合等離子質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技術靈敏度高、檢出限低、線性范圍寬、樣品干擾小，通過分析樣品中的特征性元素組成，可追溯食品及其原料的產地來源，并可鑒別食品的種類[9]。目前已應用在動物性食品溯源與鑒別研究，郭波莉[10]和Heaton[11]等通過分析牛肉中礦物元素的含量差異，篩選了對產地進行判別的有效溯源指標。 Zhao Yan等[12]將穩定同位素和多礦物元素分析兩種方法結合，鑒別不同起源的牛肉樣品，正確率和交叉驗證率均為100%。Franke等[13-14]通過分析不同國家家禽肉與干燥牛肉樣品中礦物元素含量差異，逐步判別篩選出特征元素，并對產地判別。此外還被應用于大米[15-16]、西洋參[17]、大豆[18]、蜂蜜[19-20]、龍井茶[21]、胡蘿卜[22]、 亞麻籽[23]、松茸[24]等產品產地溯源與鑒別研究。

本研究采用ICP-MS技術測定寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣灘羊背最長肌中K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba 25 種礦物元素含量，并結合方差分析、主成分分析、線性判別分析和逐步判別分析等方法確定不同地域灘羊肉中礦物元素含量差異，開發用于原產地鑒別的判別模型，探討利用多礦物元素指紋判別灘羊肉產地來源的可能性，篩選出有效的溯源指標，為灘羊肉產地溯源提供一定的理論依據和技術支撐，并為灘羊產業資源開發與利用提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選取7 個月齡左右，平均體質量為（18.00±2.00）kg 健康狀況良好的灘羊，購自寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣各60 只，共計240 只，灘羊肉由寧夏鹽池縣鑫海食品有限公司提供。

濃硝酸（65.00%）、鹽酸（37.00%） 國藥集團化學試劑有限公司；超純水由Dura series超純水處理系統制得；K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba元素標準溶液（1 000 μg/mL） 國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

1.2 儀器與設備

JJ-2勻漿機 上海汗諾儀器有限公司；iCAPQ電感藕合等離子質譜 美國Thermo Fisher Scientific公司；WX-8000微波消解儀 上海屹堯儀器科技發展有限公司；千分精密電子天平 天津博達宏力稱重設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 采樣方法

屠宰后在每只灘羊的背最長肌處取肉樣200.00 g左右，裝袋標記于-20 ℃冰箱中貯藏。

1.3.2 標準溶液的配制

吸取單元素標準溶液，用65.00% HNO3將標準溶液稀釋成20.00 mg/L的儲備液，取20.00 mg/L的儲備液再次稀釋為200.00、400.00 μg/L的儲備液，取200.00、400.00 μg/L 儲備液適量依次配制成0.00、8.00、16.00、24.00、32.00、48.00、64.00 μg/L的系列標準溶液，搖勻待用。

1.3.3 樣品前處理

稱取100.00 g樣品至勻漿機，勻漿至均勻，取樣待測。

1.3.4 ICP-MS工作參數

射頻功率為1 050 W；霧化氣流量為0.86 L/min；樣品提升速率為1.20 L/min；離子透鏡電壓為8.25 V；冷卻氣流量為13.80 L/min；載氣流量為0.98 L/min；模擬電壓和脈沖電壓分別為-1 900 V和900 V；數據采集模式為跳峰；駐留時間為50.00 ms；每質量數采集數據點為50.00 ms；積分時間為500.00 ms。

1.3.5 元素含量測定

利用微波消解結合ICP-MS測定灘羊肉中25 種礦物元素的含量。參考郭波莉等[10]的方法，稱取0.50 g樣品至聚四氟乙烯消解罐中，加入5.00 mL 65.00% HNO3和1.00 mL H2O。靜置，反應結束后密封，放入微波消解儀，消解程序見表1。待溫度冷卻至50 ℃以下后，取出消解罐放入通風櫥中，打開消解罐，用超純水潤洗，轉移至50.00 mL容量瓶中，至少潤洗3～4 次，用超純水稀釋定容至刻度，待測[25]。空白對照同法處理。利用ICP-MS測定樣品中的K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba 25 種礦物質元素含量。若樣品帶有雜質無法消解完全，需將溶液過0.45 μm水相濾膜后方能上機。

表 1 樣品消解程序Table 1 Sample digestion procedure

1.4 數據處理

采用SPSS 23.0軟件對不同地域灘羊肉中礦物元素含量進行方差分析、主成分分析及判別分析。

2 結果與分析

2.1 不同地域灘羊肉中礦物元素含量差異分析

通過對寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣灘羊背最長肌中的25 種元素含量進行方差分析，每組樣本做3 個平行。其中K、Na、Ca、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Sn和Ba 17 種礦物元素含量在4 個地區間均存在顯著性差異（P＜0.05）（表2），元素Be、V、Co、Ag、Cd、Sb、Te和Cs的含量在地區間差異不顯著。寧夏鹽池縣Mg、Cr、Mn、Ni、Cu、Se和Rb 7 種礦物元素含量顯著高于其他3 個地區，Na、Ca、Zn、Sr和Mo元素含量低于其他3 個地區；內蒙古自治區鄂托克前旗樣品中的Ca、Mo和Sn 3 種礦物元素含量最高，K、Mg、P、Fe和Rb元素含量最低；陜西省定邊縣樣品的K、P、Fe和Sr 4 種礦物元素含量最高，Cr、Mn和Se元素含量最低；甘肅省環縣樣品的Na、Zn和Ba 3 種元素的含量最高，Cu元素含量最低。可見，不同地域灘羊肉中礦物元素含量及組成都有其各自的表觀特征，礦物元素在小范圍相似地域之間具有較大的差異性[26]。礦物元素含量的差異揭示了不同地區灘羊肉存在差異，但還是不足以對區域進行準確判別，采用主成分分析和線性判別分析進一步判別灘羊肉產地。

表 2 不同地域灘羊肉中礦物元素含量Table 2 Mineral elements contents in Tan sheep meat samples from four growing regions mg/kg

2.2 灘羊肉中礦物元素的主成分分析

主成分分析通過降維消除樣品中各元素間的相關性，提取既完全沒有相關性又保留了原元素變化信息的幾個主成分，從而達到多元統計分析的目的[27-30]。本研究對地域間存在顯著差異的17 種礦物元素含量進行主成分分析。結果顯示，第1主成分方差貢獻率為26.403%，第2主成分方差貢獻率為22.285%，第3主成分方差貢獻率為11.733%，第4主成分方差貢獻率為7.537%，第5主成分方差貢獻率為6.230%，前5 個主成分的累計方差貢獻率達74.000%（表3）。4 個地區主成分的特征向量圖見 圖1，不同區域的灘羊肉可以被準確區分且有明顯的分布特征。綜合可得，Cr、Mn、Ni、Cu、Se 和Rb 6 種礦物元素對第1主成分影響最大；K、P、Fe和Sn 4 種元素對第2主成分的影響明顯；第3主成分主要受Na和Ba的影響。第4主成分主要受Mo的影響，第5主成分主要受Ca的影響。上述分析表明，主成分分析可以把不同地域來源灘羊肉樣品中的礦物元素差異規律直觀的表現出來，且可以找到差異顯著性的特征元素，為灘羊原產地指紋特征模型的構建提供理論依據。

表 3 前5 個主成分的載荷矩陣及方差貢獻率Table 3 Loading matrix and cumulative contribution to total variance of the first five principal components

圖 1 灘羊肉樣品前3 個主成分特征向量雷達圖Fig. 1 Radar images of the first three principal components

2.3 灘羊肉中礦物元素的判別分析

為進一步了解各礦物元素含量指標對灘羊肉產地判別的作用及效果，對在地域間存在顯著差異的17 種礦物元素（K、Na、Ca、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Sn和Ba）進行逐步判別分析，參考鹿保鑫等[31-32]的方法建立判別模型，見表4。

結果顯示，Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn 10 種對地域判別顯著的元素先后被引入到判別模型中。具體判別模型如式（1）～（4）：

式中：A、B、C和D分別為寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣；Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn為礦物元素 值/（mg/kg）；YA、YB、YC和YD分別為寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣灘羊的背最長肌礦物元素含量值。

表 4 Fisher判別函數系數Table 4 Fisher discriminant function coefficients

表 5 4 個地區灘羊肉樣品的LDA結果Table 5 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

參考孫淑敏[6]的方法，利用此判別模型對灘羊肉樣品進行歸類并結合交叉檢驗法對模型的有效性進行驗證。結果顯示，寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣灘羊肉均被正確分類且產地的整體正確判別率為100%（表5），表明所建立的判別分析模型對灘羊肉產地有較好的判別效果，具有實際應用意義，為灘羊肉的原產地保護提供了一定的鑒定 依據[7,21]。此外，利用樣品的前3 個判別函數得分作散點圖（圖2），可以直觀地看出不同地域來源的灘羊肉樣品有其各自的空間分布特征，說明篩選出的10 種元素指標（Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn）對灘羊肉樣品具有有效的判別力，基于礦物元素指紋的差異可以有效鑒別不同產地的灘羊肉。

圖 2 灘羊肉樣品的前3判別函數得分圖Fig. 2 Scatter plots of Tan sheep meat sample scores on the first three discriminant functions

3 結 論

通過分析寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣灘羊背最長肌中25 種礦物元素含量組成特征，明確了不同地域灘羊肉中17 種礦物元素存在地域性差異。通過多元統計分析實現了對灘羊肉產地的有效判別，確定了礦物元素Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn 10 項有效溯源指標，構建出的判別模型對灘羊肉整體判別正確率達100%，表明礦物元素指紋分析結合多元統計方法對鑒別灘羊肉產地有效可行。該結果為進一步分析地域因素對灘羊肉礦物元素指紋信息的影響提供了前提條件。該模型的建立可應用于灘羊肉原產地鑒別，對寧夏鹽池縣灘羊種質資源的保護提供了有效的技術支持，從本質上認識了不同地域灘羊肉礦物元素組成特征，灘羊肉中礦物元素含量可能受地區土壤、水等的影響，后續將進一步探究多因素對不同產地灘羊肉中礦物元素含量差異的影響，為解析礦物元素指標形成原因及基于礦物元素指紋的灘羊肉產地溯源提供新的理論依據。