基于穩定同位素技術的食品檢驗應用研究進展

摘 要：穩定同位素技術因其先進性，正逐漸成為食品領域備受關注的研究方法。本文全面綜述了穩定同位素技術在食品檢驗中的重要性及其應用，詳細介紹了穩定同位素技術的原理及重要性，通過具體實例深入探討了穩定同位素技術在食品領域的多方面應用，包括食品溯源、農獸藥殘留的檢測以及營養成分代謝分析，并對穩定同位素技術在未來的發展趨勢進行了展望，以期為其在食品分析領域有更廣泛、深入的應用提供助力。

關鍵詞：穩定同位素技術；食品檢驗；真實性；食品安全；營養代謝

Research Progress on the Application of Stable Isotope Technology in Food Inspection

SUN Xueli

（Linyi Center for Disease Control and Prevention， Linyi 276000， China）

Abstract： Due to its progressiveness nature， stable isotope technology is gradually becoming a research method of great concern in the food field. This article provides a comprehensive overview of the importance and widespread application of stable isotope technology in food inspection. The principle and research progress of stable isotope technology were introduced in detail， the various applications of stable isotope technology in the food industry were explored in depth through specific examples， including food traceability， detection of agricultural and veterinary drug residues， and analysis of nutrient metabolism. And the future development trends of stable isotope technology were discussed， in order to provide assistance for its wider and deeper applications in the field of food analysis.

Keywords： stable isotope technology; food inspection; authenticity; food safety; nutrition metabolism

隨著科技的不斷進步和生活水平的提高，人們認識到食物不僅是能量和營養素的來源，還在促進健康和預防疾病方面扮演著重要的角色[1]。食品檢測的目的不僅是為了食品安全，還在于減少不良飲食對健康和經濟造成的不利影響。在這一背景下，穩定同位素技術以其高度靈敏、高選擇性和精確性而廣泛應用于食品檢測領域。

1 穩定同位素技術概念

1.1 穩定同位素技術

同位素是指在元素周期表中質子數相同但中子數不同的同一類元素，分為放射性同位素和穩定同位素。穩定同位素技術是一種基于相對較長半衰期的穩定同位素進行檢測的方法，用于標記和追蹤化學、生物和地球系統中的物質轉化過程。該技術的核心原理在于利用同位素的質量差異，通過同位素標記、質譜分析和同位素分餾等步驟來研究樣品中的化學反應、代謝途徑和環境變化過程。通過質譜分析等手段，同位素標記的分子的相對豐度可以被準確測定，進而揭示樣品中物質的動態變化。穩定同位素技術的優勢在于其相對較長的半衰期和非放射性特性，降低了對實驗人員和環境的輻射風險。此外，穩定同位素技術具有高準確度、無污染且高靈敏度的特點，在農業、食品、營養代謝和生物醫學領域等得到廣泛應用[2]。

1.2 穩定同位素技術的研究進展

穩定同位素技術近年來在食品領域的應用方面取得了顯著的研究進展。利用該技術可以深入研究食物中的同位素組成，揭示食品的產地、生長環境和生產過程。通過追蹤植物和動物體內同位素的變化，可以了解食物鏈中的能量和物質傳遞過程，為提高食品質量以及食品欺詐行為的檢測效率提供科學依據。有學者通過分析穩定同位素在不同地區蔬菜中的分布，成功追蹤了蔬菜的產地和生長環境，為確保食品質量和源頭可追溯性提供了實質性的支持[3]。此外，穩定同位素技術在食品成分分析中也取得了一定的進展。通過標記食品中的特定成分，如蛋白質、糖類和脂肪，能夠追蹤它們在食品制備和消化過程中的變化，為改善食品加工工藝和解決飲食相關健康問題奠定了基礎[4]。穩定同位素分析技術已成為我國打擊食品欺詐、驗證食品來源和標簽聲明的重要工具之一。

2 穩定同位素技術在食品檢驗中的應用

2.1 食品溯源及真實性檢測

食品真實性是消費者關注的核心問題。通過食品溯源，能夠揭示食品可能存在的標簽錯誤、成分替代、食品摻假以及原產地、物種或制作方法不正確等問題，對消費者的保護至關重要。穩定同位素作為生物（包括食品）的天然印記發揮著重要作用，它能夠反映生物與當地環境的交互關系。受到氣候、降水、海拔、農作物種植方式和動物養殖方式等因素的影響，穩定同位素會發生不同程度的分餾作用，從而反映出不同的地域和農業信息。由于穩定同位素比值較少受人為因素和檢測環境的影響，在食品溯源研究中得到廣泛應用。在食品產地溯源中，最常見的4種穩定同位素是碳、氫、氧、氮[5]。此外，還發現硫、鍶、鉛等穩定同位素也能夠進行同位素分析和地理位置溯源。

目前，穩定同位素技術已廣泛應用于肉類、谷物、牛奶、大米、蜂蜜、果汁、葡萄酒及有機食品等多種食品的產地溯源和真實性檢測領域[6]。隨著有機食品的需求不斷上升且價格相對較高，消費者購買時迫切希望了解有機食品的真實性。植物性有機食品在生產中禁止使用氮肥，通過穩定同位素技術檢測食品中的δ15N值可以區分有機產品與普通產品[7]。此外，有學者對我國牛肉產地進行溯源研究，發現不同來源的牛肉中，穩定性C、N同位素組成差異顯著，可用于鑒別農區和牧區喂養的牛[8]。然而，在不同地點飼養但使用相同商業飼料的動物可能存在誤導性的同位素值，從而無法真實反映產品區域的實際情況。因此，在實際分析中，需全面考慮環境因素、動物品種、組織類型和采樣季節等因素，以提高溯源和真實性檢測的準確性。

2.2 農、獸藥殘留檢驗

農藥和獸藥在提高糧食產量、改善動物養殖和水產養殖方面發揮著不可或缺的作用。在現代農業實踐中，農藥廣泛用于控制雜草、害蟲，并調節植物生長，獸藥常用于預防和治療動物疾病，促進其生長發育。然而，隨著農業生產和畜牧業的發展，農獸藥的使用逐漸增多，但其殘留問題也成為一個不容忽視的挑戰。農獸藥殘留問題一直是食品安全領域的重要研究課題。食品中殘留的農藥可能會對人體健康產生不利影響，如過敏反應、血液紊亂、內分泌干擾、神經紊亂、突變、致畸、致癌和抗生素耐藥性等。

為了確保食品質量和公共健康，迫切需要一種高效、靈敏、可靠的農獸藥殘留檢測方法。穩定同位素技術作為一種獨特的分析手段，在農獸藥殘留檢測中展現出了巨大的潛力。相比傳統的色譜質譜技術，穩定同位素技術具有更高的準確性和穩定性。穩定同位素技術能夠通過測定樣品中特定同位素的比例來追蹤農獸藥的代謝途徑和殘留情況。其優勢在于對外部因素的較小敏感性和高分辨率，使其能夠準確判斷藥物在生物體內的代謝過程，解決了傳統檢測方法中存在的誤差問題。通過內標的方式，穩定同位素技術能夠減小基質干擾和檢測誤差的影響，提高農獸藥殘留檢測結果的精準性，特別對于低濃度樣品的分析更為優越[4]。管秋美等[9]以同位素為內標物，建立了7種農藥的超高效液相色譜-串聯質譜同位素內標檢測方法，并成功應用于88種水果的檢測。

2.3 霉菌毒素檢驗

霉菌毒素是由曲霉屬、鐮刀菌屬、青霉屬、鏈格孢屬和其他真菌產生的結構多樣的次生有毒代謝物，存在于多種食品中，如谷物、堅果和油料等[10]。霉菌毒素種類繁多，為確保食品安全，已開發多種分析方法用于檢測食品中的霉菌毒素，其中穩定同位素技術在霉菌毒素檢驗中發揮著重要作用。穩定同位素技術通過測定樣品中特定同位素的比例，可以精確追蹤霉菌毒素的來源、傳播和代謝途徑。目前，穩定同位素稀釋質譜法已成為真菌毒素檢測的可靠方法，廣泛用于測定多種霉菌毒素水平，如黃曲霉毒素、伏馬菌素、鐮孢菌素毒素、赭曲霉毒素和棒曲霉素[11]。王興龍等[12]利用超高效液相色譜-串聯質譜方法，結合穩定同位素內標定量技術，成功測定了葡萄酒中赭曲霉毒素A的水平，實驗結果證實該方法適用于大批量葡萄酒中赭曲霉毒素A的快速、準確定量檢測。吳宇等[11]采用簡單的提取稀釋的快速前處理方法，結合穩定同位素內標法，成功測定了植物油中黃曲霉毒素等16種真菌毒素。這些研究為食品安全領域提供了有效的檢測手段。

2.4 營養成分代謝分析

2.4.1 氨基酸和蛋白質代謝

氨基酸和蛋白質的代謝與體型、年齡、代謝率、膳食攝入等多個生理過程密切相關，穩定同位素技術在體內蛋白質、氨基酸代謝的研究中發展較為成熟，通過結合質譜和數學模型具有高度特異性和精確性的優點[4]。研究人員發現可以利用U-13C-葡萄糖示蹤技術證實葡萄糖可通過糖酵解和三羧酸循環衍生的中間體重新合成非必需氨基酸，并可以通過穩定同位素富集葡萄糖和氣相色譜質譜聯用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）分析進行定量測定[13]。為滿足機體代謝的需要，膳食中蛋白質的攝入應包括人體所需的各種氨基酸，食物蛋白質源的營養價值取決于氨基酸組成和營養上不可缺少的氨基酸的生物利用度，穩定同位素技術可以通過標記氨基酸作為指示劑，用于測定氨基酸的生物利用度。目前，已成功采用14C或13C標記氨基酸的方法來確定成人體內氨基酸的生物利用度，15N標記的蛋白質和13C-亮氨酸平衡可用于評估餐后蛋白質的凈利用率[14]。

2.4.2 脂質代謝

肥胖是全球主要的公共健康問題，與脂質代謝異常密切相關。穩定同位素示蹤劑在揭示肥胖發生和治療機制方面發揮著關鍵作用。通過利用13C-棕櫚酸酯示蹤，可以測量血漿中脂肪酸的出現率和氧化率，該技術還被用于研究飲食誘導的體重減輕是否改變體內脂肪組織中餐后脂肪攝取的指標，以及這些變化是否與超重人群的體重恢復有關[15]。多不飽和脂肪酸主要包括魚油、二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic Acid，EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic Acid，DHA），對預防和調節肥胖風險具有積極作用[16]。通過穩定同位素分析揭示，魚油能夠通過降低肥胖男性載脂蛋白B-100的生成，有效減少血漿中三酰甘油濃度[4]。氮穩定同位素比率可作為EPA和DHA攝入量的生物標志物，通過穩定同位素技術分析，表明n-3多不飽和脂肪酸的抗肥胖作用可能部分通過與遺傳因素相互作用而實現。

2.4.3 糖代謝

碳水化合物代謝包括糖酵解、三羧酸循環、磷酸戊糖途徑和糖異生等多種代謝途徑，涉及多種代謝物。穩定同位素技術已成為準確鑒定碳水化合物代謝產物、定量和定性分析的關鍵工具。常用的同位素標記底物為多種葡萄糖同位素。通過使用選擇性標記的1-13C-葡萄糖和6-13C-葡萄糖，可以追蹤血漿中的13C-乳酸標記，從而診斷葡萄糖的異常利用[4]。通常，葡萄糖是三羧酸循環的主要碳源，但在某些情況下，乳酸充當葡萄糖的燃料，通過實驗和數學建模，可以排除同位素交換的干擾，確認葡萄糖是三羧酸循環的主要碳貢獻者。糖異生是糖代謝中糖酵解的相反代謝途徑，對維持正常的全身血糖水平至關重要。糖異生失調會導致代謝疾病的發生。穩定同位素示蹤代謝組學將更廣泛地用于研究糖異生的代謝途徑和通量，為深入探討糖異生的代謝途徑和通量提供應用[17]。

3 穩定同位素技術展望

穩定同位素技術在食品領域的廣泛應用為提高食品安全性、真實性和質量提供了科學手段，有助于保護消費者權益并促進整個食品產業的可持續發展。盡管檢測技術取得進步，但由于復雜性、靈敏度有限，以及痕量水平、基質等因素影響，在保障食品質量安全方面仍存在諸多挑戰，需要開發有效的化學或生物化學方法制備穩定同位素標記標準品。此外，食品中污染物的分子結構、類型和濃度差異大，準確定量不同食品基質中的分析物具有挑戰性，因此必須優化樣品制備和色譜操作條件，以測定不同污染物。

人體各方面都處于動態穩態過程，營養代謝失調會影響人體健康。穩定同位素示蹤劑與色譜-質譜聯用可成功用于人體營養代謝體內動力學的評估。隨著不斷地發展，穩定同位素標記可能成為未來代謝組學研究的常規工具，結合分子和細胞生物學技術，有助于深入了解人體營養素的代謝變化并闡明相關機制。

4 結語

穩定同位素技術在食品檢驗領域的研究進展為提升食品安全、真實性和質量控制提供了強大的科學支持。隨著科技的不斷創新，該技術已成為食品分析中不可或缺的工具，為確保食品的高質量和健康安全性提供了有效手段。通過應用穩定同位素技術，研究者們成功實現了對食品真實性、安全性和營養代謝等方面的深入研究。穩定同位素技術的不斷發展和應用為食品檢驗領域帶來了新的思路和方法。在未來，期望該技術繼續推動食品安全和質量的提升，為人們提供更加健康、安全的食品。

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作者簡介：孫學麗（1982—），女，山東臨沂人，碩士，主管技師。研究方向：食品、水、職業衛生等理化檢驗等。