綜合肉樣及環境礦物質元素信息的灘羊肉產地鑒別

王雪蓉，羅瑞明，李亞蕾，馬夢斌

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

寧夏鹽池灘羊肉質細嫩鮮美、含脂率低、不腥不膻，被列為寧夏“五寶”之一[1-2]。寧夏鹽池縣被命名為“中國灘羊之鄉”，“鹽池灘羊肉”為地理標志性產品，地域特征鮮明[3]。近年來，出現其他產地灘羊肉冒用“鹽池灘羊肉”原產地標識的現象，嚴重影響了寧夏灘羊肉產業的健康發展[4]。因此，對標識鹽池灘羊的羊肉進行產地溯源鑒定，是保護寧夏鹽池縣地理標志性產品必須突破的技術瓶頸。

在探索食品與農產品產地溯源方面，礦物質指紋圖譜分析是一種公認的有效、有前景的分析技術[5-7]。電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技術靈敏度高、檢測速度快[8]、樣品干擾小，通過分析樣品中的特征元素組成，可追溯食品及其原料的產地來源，并可鑒別食品的種類[9-10]。近年來礦物質元素溯源已經在動植物溯源中成功應用，如王潔等[11]對龍井茶基于礦物元素進行產地溯源；Zhao Yan等[12]結合穩定同位素和多礦物元素分析方法鑒別不同起源牛肉樣品，正確辨別率達95%以上。對羊肉礦物元素溯源的研究主要集中在探尋能表征地域差異的特定元素指標方面，土壤、飲水及飼草等自然環境因素對動物體內的礦物元素種類、含量有決定性影響[13]。然而，一些必需微量元素經常作為營養強化元素添加到動物飼料中，而且動物組織對礦物元素富集作用不同，導致一些礦物元素在不同地域間原有的差異發生改變[14-16]。所以，只對灘羊肉進行溯源，判別結果有不確定性，必須結合環境因素，才能獲得有效的產地溯源指標。

本研究根據鹽池縣地區分布特征（中北部及萌城一帶主要為灰鈣土，南部黃土高原丘陵區主要為黑壚土，北部鄂爾多斯緩坡丘陵主要為風沙土[17-20]）確定可以較為全面的代表鹽池縣指紋信息的3 個采樣點，即麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮[21-26]。采用ICP-MS針對鹽池縣灘羊肉（背最長?。┖铜h境（土壤、灘羊飼喂草料、飲用水）中25 種（K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba）礦物元素進行測定，結合多元統計分析篩選出各鄉鎮具有代表性的灘羊肉產地溯源指標及環境溯源指標，篩選出二者間有聯系的綜合指標。隨機選取寧夏鹽池縣、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樣品測定其礦物元素，建立判別模型并驗證所篩元素，增加判別結果的準確性，為鹽池縣灘羊肉礦物元素指紋分析提供有效的技術指標。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選取七月齡左右、平均體質量（18.00±2.00） kg健康狀況良好的麻黃山鄉、馮記溝鄉和高沙窩鎮灘羊各60 只，麻黃山鄉、馮記溝鄉和高沙窩鎮土壤、飲用水和灘羊飼喂草料各取樣20 份，以上材料均由寧夏鹽池縣鑫海食品有限公司提供。隨機選取寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣七月齡左右，平均體質量為（18.00±2.00） kg健康狀況良好的灘羊各40 只，供驗證實驗用。

氫氟酸（MOS級） 上海旭恒商貿有限公司；高氯酸（MOS級） 南京化學實劑有限公司；K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba（1 000.00 μg/mL）元素標準溶液 北京儀化通標科技有限公司；濃硝酸（65.00%）、濃鹽酸（37.00%）國藥集團化學試劑有限公司；Dura series超純水（＞18.20 MΩ·cm）為實驗室自制。

1.2 儀器與設備

JJ-2勻漿機 上海汗諾儀器有限公司；iCAPQ ICPMS儀 美國Thermo Fisher Scientific公司；WX-8000微波消解儀 上海新儀微波化學科技有限公司；球磨儀德國Restsch公司；TAS-986原子吸收分光光度計 北京譜析通用儀器有限責任公司；ICP-MS儀 美國PerkinElmer公司。

1.3 方法

1.3.1 采樣方法

將麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮3 個區域內灘羊養殖較集中的地方作為目標中心樣點，距離確定的目標中心樣點100 km左右東西南北方向的小型散養灘羊區作為四角采樣點，環境樣品的采樣點與肉樣的采樣地點對應。灘羊肉：屠宰后取灘羊背最長肌處樣品（200.00±20.00） g，裝袋標記，于-20 ℃冰箱中貯藏。土壤：采用剖面法采集灘羊活動區0.00～20.00 cm表層土壤，所取土樣等量混合取1.00 kg，入袋保存。灘羊飼喂草料：在采樣區各取灘羊采食草料200.00 g，所取草料等量混合取500.00 g，入袋保存。飲用水：在采樣區各取水樣500.00 mL，所取的水樣等量混合取1.00 L，入瓶保存。

1.3.2 標準溶液配制

用65.00% HNO3溶液將單元素標準溶液稀釋成20.00 mg/L儲備液，繼續稀釋得到200.00、400.00 μg/L儲備液，依次配制成0.00、8.00、16.00、24.00、32.00、48.00、64.00 μg/L系列標準溶液，搖勻備用。

1.3.3 樣品前處理

灘羊肉：稱取100.00 g樣品，勻漿待測；土壤：去除雜質，室溫下自然風干，研磨，過200 目篩；草料：將樣品用去離子水清洗后烘干至質量恒定，研磨，過篩。

1.3.4 ICP-MS工作條件

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-1 900.00 V和900.00 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

參考郭波莉等[27]的方法，利用微波消解結合ICP-MS對灘羊肉及草料中礦物元素進行測定，灘羊飲用水直接測定，同時以相同方法進行空白對照。

土壤中各元素含量測定：Ca、Na、Mg元素含量依據NY/T 296—1995《土壤全量鈣、鈉、鎂的測定》；P元素含量依據HJ 632—2011《土壤總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》；Be、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba元素含量依據DZ/T 0223—2001《電感耦合等離子體質譜分析方法通則》；K元素含量依據GB 9836—1988《土壤全鉀測定法》；V、Ag元素含量依據HJ 781—2016《固體廢物22 種金屬元素的測定 電感耦合等離子體發射光譜法》；Mn、Fe元素的含量依據HJ 804—2016《土壤8 種有效態元素的測定二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發射光譜法》；Se元素含量依據HJ 680—2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 23.0軟件對寧夏鹽池縣三鄉鎮灘羊肉、環境樣品以及驗證實驗寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣的樣品中的礦物元素含量進行多元統計分析。

2 結果與分析

2.1 鹽池縣灘羊肉中礦物質元素含量差異分析

對寧夏鹽池縣麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮灘羊背最長肌中礦物元素含量進行方差分析，結果顯示，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3 個地區間均存在顯著性差異（P＜0.05）（表1）。

2.2 鹽池縣灘羊肉中礦物質元素的主成分分析（principal components analysis，PCA）

表2 麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮灘羊肉中礦物元素主成分的方差貢獻率及載荷矩陣Table 2 Contribution rates and loading matrix of the principle components of mineral elements in Tan sheep meat

PCA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[28]。本研究對鹽池縣麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮灘羊中存在顯著性差異的17 種礦物元素含量分別進行（表2、圖1）。結果顯示，麻黃山鄉灘羊肉中礦物元素前3 個主成分的累計方差貢獻率達96.581%，結合主成分得分圖可直觀地看出麻黃山鄉灘羊肉中礦物元素的分布特征，第1主成分主要由K、Ca、Na、Mg、P、Mn、Cr、Ni、Cu、Se、Rb、Sr、Sn、Ba 14 種元素構成，第2主成分主要由Fe、Zn 2 種元素構成。馮記溝鄉灘羊肉中礦物元素前4 個主成分的累計方差貢獻率達92.589%結合主成分得分圖看，第1主成分主要由Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 種元素構成，Ca、Na、Zn、Sr 4 種元素對第2主成分貢獻大。高沙窩鎮灘羊肉中礦物元素前4 個主成分的累計方差貢獻率達85.419%，結合主成分得分圖分析，第1主成分主要由Mn、Ni、Cr、Cu、Mo、Sn、Ba 7 種元素構成，第2主成分主要由Na、Zn、Rb、Sr 4 種元素構成。上述分析表明，可以把灘羊肉樣品中的礦物元素差異規律直觀地表現出來，且找到鹽池縣三地區差異顯著性的特征元素。

圖1 麻黃山鄉（A）、馮記溝鄉（B）、高沙窩鎮（C）灘羊肉礦物元素前2 個主成分得分圖Fig.1 Scatter plots of the first 2 PC for Tan sheep meat from Mahuangshan (A), Fengjigou (B) and Gaoshawo towns (C)

2.3 鹽池縣灘羊肉中礦物元素含量聚類分析

為分析礦物元素指標對于灘羊肉產地溯源的影響力大小，采用K-均值聚類，在三維空間內，將指標進行聚類，篩選最優指標[29]。利用所取得的主成分貢獻值結果進行聚類分析（表3）。

表3 麻黃山鄉、馮記溝鄉和高沙窩鎮灘羊肉中礦物元素含量聚類分析結果Table 3 Cluster analysis of mineral elements in Tan sheep meat samples from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns

麻黃山鄉灘羊肉中17 種礦物元素指標分為3 類。其中第1類包括Cr、Ni、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba，結合2.2節結果，Cr、Ni、Rb、Sr、Sn、Ba 6 種元素可作為麻黃山鄉灘羊肉的礦物元素溯源指標。馮記溝鄉灘羊肉中17 種礦物元素指標分為4 類。第1類包括K、Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba，結合2.2節結果，Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 種元素可作為馮記溝鄉灘羊肉的礦物元素溯源指標。高沙窩鎮灘羊肉中17 種礦物元素指標分為4 類。第1類包括K、Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba，結合2.2節結果，Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 種元素為高沙窩鎮灘羊肉的礦物元素溯源指標。綜合上述分析結果篩選出鹽池縣灘羊肉的礦物元素指標為Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn 9 種元素。

2.4 鹽池縣環境中礦物質元素差異分析

對鹽池縣三地區土壤、灘羊飼喂草料、飲用水中礦物元素含量進行方差分析。如表4～6所示，元素K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba、V、Se、Cd和Sn的含量在土壤中差異顯著（P＜0.05）；元素K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba和V的含量在灘羊飼喂飼料中差異顯著（P＜0.05）；元素K、Ca、Na、Mg、P和Sr的含量在飲用水中差異顯著（P＜0.05）。

麻黃山鄉、馮記溝鄉和高沙窩鎮灘羊飼喂草料中Mo元素在三鄉鎮間差異不顯著，在灘羊肉中同樣差異不顯著，表明灘羊肉中元素含量與灘羊飼喂飼料、土壤和飲用水中的元素含量有一定的影響及聯系。

表4 鹽池地區土壤中礦物元素含量Table 4 Mineral element contents in soils from Mahuangshan,Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

表5 鹽池地區灘羊飼喂草料中礦物元素含量Table 5 Mineral element contents in forages for Tan sheep from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

表6 鹽池地區飲用水中礦物元素含量Table 6 Mineral element contents in drinking water from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

2.5 鹽池縣環境中礦物元素

對鹽池土壤元素中存在差異的19 種礦物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba、V、Se、Cd、Sn）、灘羊飼喂飼料中存在差異的16 種礦物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba和V）以及飲用水中存在差異的6 種礦物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P和Sr）進行PCA。

表7 鹽池縣土壤、草料、飲用水中礦物元素主成分的貢獻率及載荷矩陣Table 7 Contribution rates and loading matrix of the principle components of mineral elements in the environment

圖2 鹽池縣土壤、草料、飲用水中礦物元素前2 個主成分得分圖Fig.2 Scatter plots of the first 2 PC for mineral elements in drinking water, soil and forage

如表7、圖2所示，土壤中礦物元素前4 個主成分的累計方差貢獻率達93.046%，結合主成分得分圖看出土壤中第1主成分主要由K、P、Mg、Cr、Ni、Ca、Zn、Rb、Ba、V、Na 11 種元素構成，第2主成分主要由Sn、Fe元素構成。灘羊飼喂草料中礦物元素前3 個主成分的累計方差貢獻率達91.512%，結合主成分得分圖看出草料中第1主成分主要由Cr、Ni、Sr、Ba、V、Fe 6 種元素構成，第2主成分主要由Cu、Zn、Mo元素構成。飲用水中礦物元素前2 個主成分的累計方差貢獻率達92.075%。結合主成分得分圖，第1主成分主要由Ca、Na、Mg元素構成；第2主成分主要由K元素構成。

2.6 鹽池縣環境中礦物元素含量聚類分析

利用所得土壤、灘羊飼喂草料、飲用水中礦物元素含量主成分貢獻值結果進行聚類分析（表8）。

根據K-均值聚類分析，土壤中的19 種礦物元素指標分為3 類，其中第1類包括V、Cu、Ni、Zn、Cd、Ba、Rb、K、P、Ca、Mg，結合2.5節結果可得V、Ni、Zn、Ba、Rb、K、P、Ca、Mg 9 種元素為土壤的礦物元素溯源指標。灘羊飼喂草料中的16 種礦物元素指標分為2 類，其中第1類包括Mo、V、Cu、Ni、Zn、Ba、Cr、Sr、Fe，結合2.5節結果可得V、Ni、Ba、Cr、Sr、Fe 6 種元素為灘羊飼喂草料的礦物元素溯源指標。飲用水中的6 種礦物元素指標分為2 類，第1類包括Ca、Na、Mg，結合2.5節結果可確定其為飲用水的礦物元素溯源指標。

綜合土壤、灘羊飼喂草料及飲用水的礦物元素溯源指標，篩選出鹽池縣環境的礦物元素指標為K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe。結合鹽池縣環境的礦物元素指標與鹽池縣灘羊肉的礦物元素指標（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）可知其有共同的元素溯源指標（Cr、Ni、Rb、Sr、Ba），說明灘羊肉中礦物元素的含量特征與環境有一定的聯系，基于礦物元素指紋分析鹽池縣灘羊肉原產地溯源信息是可靠的。

表8 土壤、灘羊飼喂草料和飲用水中礦物元素含量聚類分析結果Table 8 Cluster analysis of mineral element contents in soil, forage and drinking water for Tan sheep

2.7 灘羊肉與環境中礦物質元素的判別分析

利用已篩選出元素指紋信息對隨機樣品產地的鑒別效果尚不明顯，溯源指紋信息的可靠性及穩定性需進一步驗證。本研究繼續選取在寧夏鹽池縣、內蒙古自治區鄂托克前旗、陜西省定邊縣和甘肅省環縣4 省隨機采集的灘羊肉樣品為實驗材料，檢驗已篩選出的溯源指標對隨機灘羊肉樣品的產地鑒別效果。

2.7.1 與鹽池縣灘羊肉密切相關的元素對灘羊肉產地判別分析

表9 Fisher判別函數系數Table 9 Fisher discriminant function coefficients

利用與鹽池灘羊肉密切相關的9 種元素（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）對灘羊肉產地進行判別分析，參考鹿保鑫等[29-30]的方法建立判別模型（分析數據見表9），樣本隨機分為兩組，1/3的樣本作為測試集，2/3的樣本作為訓練集，建立模型并檢驗已建模型的有效性。

結果顯示，Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba 8 種對地域判別顯著的元素先后被引入到判別模型中，具體判別模型函數式如下：

式中：Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba為礦物元素值/（mg/kg）；YA、YB、YC和YD分別為寧夏鹽池縣、內蒙古鄂托克前旗、陜西定邊縣和甘肅環縣灘羊背最長肌礦物元素含量值/（mg/kg）。

利用此判別模型對測試集樣本進行歸類并結合交叉檢驗法對模型的有效性進行驗證。如表10所示，4 個地域灘羊肉回代檢驗和交叉檢驗的分類正確率分別為97.50%、95.00%。

表10 4 個地域灘羊肉樣品的LDA結果Table 10 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

2.7.2 與環境密切相關的元素對灘羊肉產地判別分析

利用與環境密切相關的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe），參照2.7.1節對灘羊肉產地進行判別分析，K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Ni、Zn 8 種對地域判別顯著的元素先后被引入到判別模型中，如表11所示，4 個地域灘羊肉回代檢驗和交叉檢驗的分類正確率分別為93.80%、97.50%。

表11 4 個地域灘羊肉樣品的LDA結果Table 11 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

2.7.3 與環境密切相關的元素結合與灘羊肉密切相關的元素對灘羊肉產地判別分析

將灘羊肉與環境密切相關的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe、Cu、Mo、Mn、Sn），參照2.7.1節對灘羊肉產地進行判別分析，其中K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Zn 8 種對地域判別顯著的元素先后被引入到判別模型中，結果顯示，4 個地域灘羊肉回代檢驗和交叉檢驗的分類正確率分別為96.30%、95.00%（表12）。

表12 4 個地域灘羊肉樣品的LDA結果Table 12 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

上述正確判別率均達90%以上，說明篩選出的溯源指標對隨機灘羊肉樣品產地鑒別有效，篩選出的元素指標是灘羊肉產地溯源的理想信息指標。

3 結 論

通過對寧夏鹽池縣麻黃山鄉、馮記溝鄉、高沙窩鎮的灘羊肉、土壤、飲用水和灘羊飼喂草料中25 種礦物元素（K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba）含量進行差異分析、聚類分析，篩選出鹽池灘羊肉與環境的產地溯源指標，對篩選的產地溯源指標進行驗證，得出如下結論：

1）Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn 9 種元素含量與鹽池縣灘羊肉密切相關；K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe 13 種元素含量與鹽池縣環境密切相關，鹽池灘羊肉與環境有共同的元素指標（Cr、Ni、Rb、Sr、Ba），表明灘羊肉中元素含量與灘羊飼喂飼料、土壤和飲用水中的元素含量有關，有一定的影響及聯系；灘羊肉礦物元素溯源指標僅有部分元素指標與環境溯源指標一致，可能是礦物元素在灘羊體內轉移、富集、代謝等原因所致。

2）與鹽池縣灘羊肉密切相關的元素（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）、與鹽池縣環境密切相關的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe）以及二者結合的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe、Cu、Mo、Mn、Sn）對隨機灘羊肉樣品產地鑒別有效，是灘羊肉產地溯源的理想指紋信息指標。