有机食品稳定同位素溯源技术研究进展

项锦欣

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

有机食品稳定同位素溯源技术研究进展

项锦欣

（重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054）

有机食品有效追溯技术的缺失给有机食品市场监管带来巨大困难。稳定同位素丰度作为食品生长环境（土壤、水、大气、肥料、饲料等）的“自然指纹”的特性使其近期在有机食品追溯中受到极大关注。作者在查阅大量有关稳定同位素溯源有机食品的相关文献的基础上，综述了稳定同位素的概念、用于有机食品溯源的原理以及在植物性和动物性有机食品溯源中的应用情况。最后，就当前稳定同位素溯源技术的局限性提出了今后的研究方向。

稳定同位素丰度；有机食品；溯源；应用

近年来，有机食品的需求量日益增加，市场行情看好。但由于目前缺乏有效可靠的有机食品鉴别方法[1]，使有机食品的市场监管成为一大难题。食品市场上普通食品冒充有机食品的情况时有出现，全球有机食品欺诈案件时有发生。因此，为维护有机食品的市场秩序、保障消费者利益，迫切需要一种能有效区别有机食品与普通食品的方法。虽然稳定同位素技术在食品领域的应用历史已有20多年[2-4]，但将其应用于食品身份鉴定的研究才刚刚起步。稳定同位素技术不仅能判断食品产地来源、追溯食品污染源、鉴别食品掺假、示踪农兽药等在生物体内吸收、代谢和分布等规律[5]，还能有效追溯与鉴别有机食品与普通食品。为推动这项技术在我国的发展，作者在广泛查阅文献的基础上，对稳定同位素技术在有机食品溯源中的研究和应用概况进行了综述。

1 稳定同位素

将质子数相同、中子数不同的具有相同原子序列的物质称为同位素。根据同位素的稳定性将其分为放射性同位素和稳定同位素[6]。放射性同位素又称为放射性核素，因原子核“衰变”而不间断地自发释放出α射线、β射线或γ 射线，直至变成另一种稳定同位素。通常用半衰期表示放射性核素衰变速度。稳定同位素半衰期显著长于放射性核素，常见的稳定同位素主要有2H、13C、15N、18O、34S等，无放射性，不会造成二次污染，在制备、合成、使用过程中无需特殊防护，可以安全操作[7]。

2 稳定同位素技术基本原理

生物体与其外界生长环境发生着广泛的物质交换，并直接影响着生物体内的代谢类型。同位素在生物体内累积的种类与数量直接决定于生物品种及其生存环境（土壤、水、大气、肥料、饲料等）。将环境因素对生物体同位素组成与丰度的影响称为同位素自然分馏效应。因此，根据生物体同位素自然分馏的结果实际上是生物体所处环境的“自然指纹”[8-9]，根据其可判断生物体的生长环境并对其进行溯源。另外，生物体内稳定同位素的种类及分布状态随加工、贮藏等变化的幅度很小，是食品原料种（养）环境条件的忠实反映者。借此，可对有机食品与普通食品进行身份鉴别。

3 稳定同位素技术在有机食品溯源中的应用

3.1 稳定同位素技术在植物性有机食品溯源中的应用

稳定同位素技术在区别植物性有机食品与普通食品时，主要依据植物生长过程中氮营养素的来源进行判断，常以15N/14N比率（即δ15N）为判定指标。植物性有机食品的栽培不允许使用合成氮肥，只能使用有机肥料。研究发现合成氮肥的δ15N值接近于零[10-11]，而有机肥料（动物粪便、作物绿肥等）的δ15N值则较高[12]。因此，同位素分馏结果使植物性有机食品的δ15N值显著高于普通食品[13]。施用合成肥料植物的δ15N值（5.8‰）比施用生物堆肥的植物（8.8‰）低[14-15]。但需要指出的是植物老叶和果实的δ15N值对肥料种类的依赖性最高[16]，而不同种类植物的δ15N值对肥料种类的敏感型差异很大[17]。常见有机与普通蔬菜的稳定同位素丰度及差异状况见表1。

表1 常见植物性食品的稳定同位素丰度Table 1 The abundance of stable isotopes in common plant foods

3.1.1 蔬菜

Rogers[18]发现有机生菜、卷心菜、洋葱和大白菜的δ34S值和δ18O值与普通产品无明显差异，而其δ15N值和δ13C值则分别显著高于和低于普通产品。Camin等[19]报道有机马铃薯的δ15N值（7.17‰）明显高于普通产品（3.36‰），以δ15N值4.3‰为阈值鉴别有机马铃薯的假阳性率为15%。Sturm等[20]利用δ15N值成功鉴别了有机韭菜和有机马铃薯，但无法鉴别有机番茄、甜辣椒、大蒜、洋葱和胡萝卜等产品。Bateman等[21]利用δ15N值成功鉴别了有机番茄和有机生菜，但无法鉴别有机胡萝卜。而Kelly等[22]则发现用δ15N值只能鉴别有机番茄，无法鉴别有机生菜。Schmidt等[23]发现有机种植番茄的δ15N值（7‰）显著高于普通种植（约0‰）。Georgi等[24]发现δ15N值在鉴别短生长期有机蔬菜（番茄、豌豆、花椰菜、黄瓜、西葫芦等，生长期＜80 d）时比长生长期蔬菜（南瓜、茄子、马铃薯豆、玉米等，生长期＞80 d）更有效，前者有机产品的δ15N值明显高于普通产品。Flores等[25]研究发现有机栽培的胡椒的叶与果实的δ15N值与普通产品之间差异显著，但δ13C值无明显差异。Mihailova等[26]发现施用有机肥料的生菜、马铃薯和番茄的δ15NNO3值较施用合成氮肥的高，而其δ18ONO3值则明显低于施用合成氮肥者；结合利用δ15NNO3值和δ18ONO3值是区分有机食品的良好办法，鉴定结果的准确度可达84.8%。

3.1.2 水果

Rapisarda等[27]发现两个品种有机橙子（Navelina和Taroco）果肉蛋白质δ15N值（6.21‰和6.76‰）显著高于普通产品（4.43‰和5.53‰），同样有机产品果肉氨基酸δ15N值（5.67‰和6.15‰）显著高于普通产品（4.39‰和5.09‰）。利用果肉中蛋白质与氨基酸的δ15N值可使橙子有机产品的追溯准确率达到90.63%。Rapisarda等[28]还应用δ15N值鉴别了使用不同有机肥料的橙子（Valencia late），结果发现使用柑橘副产物、牲畜粪便和家禽粪便堆肥的有机橙子果肉蛋白质δ15N值显著高于普通产品。Camin等[29]对2006—2008年产自意大利的橙子、克莱门氏小柑橘、草莓和桃子的研究发现果肉δ15N值可有效鉴别有机产品。但有机产品的δ15N值受生产年份、作物种类、品种的影响非常明显。陈历水等[30]研究发现结合黑加仑果实的δ13C值和δ15N值可实现对黑加仑果汁产地的有效溯源，准确率可达到86.9%。

3.1.3 其他作物

目前有关研究利用稳定同位素鉴别有机粮食作物的研究非常少。Laursen等[31]对来自严格控制种植条件的144块实验田的有机小麦、大麦、蚕豆、马铃薯等的研究发现，利用δ15N值可成功鉴别作物种植时使用的肥料种类（有机或合成），但无法鉴别出有机产品，尤其对能进行空气固氮作用的豆类，δ15N值的鉴别效力非常有限。δ15N与δ18O结合利用可成功鉴别有机马铃薯，而δ15N与δ2H结合可用于有机小麦和大麦的鉴别。冯海强等[32]提出可以用茶叶中δ15N是否高于7‰作为判断产品是否是有机茶的标准。

3.2 稳定同位素技术在动物性有机食品追溯中的应用

目前主要基于动物对不同饲草中稳定同位素的蓄积差异性，利用稳定同位素技术来追溯动物的饲料来源、饲养方式等情况，以鉴定其产品是否为有机产品。其依据主要是不同类型饲草的δ13C值不同，C3饲草（青草、干草、大豆等）的δ13C值较低，而C4饲草（玉米、高粱等）的δ13C值较高，景天酸代谢植物（仙人掌、凤梨）的δ13C值居中。天然草场几乎都为C3植物，因此有机方式饲养的动物产品的δ13C值较普通产品更低。常见有机与普通动物性食品稳定同位素丰度及差异情况见表2。

表2 常见动物性食品的稳定同位素丰度Table 2 The abundance of stable isotopes in common animal foods

3.2.1 肉

对有机肉的溯源主要基于肉的δ13C值和肉中蛋白质的δ15N值来实现。Piasentier等[33]研究发现利用羔羊肉脂肪δ13C值和蛋白质δ13C值和δ15N值很难区别有机羊肉与普通羊肉产品，但可利用δ15N值区别在相同饲养模式下不同的羊肉品种。Boner等[34]的研究表明δ13C值在鉴别来自德国的有机牛肉时非常有效，并认为有机牛肉产品的δ13C值应低于-20‰。Schmidt等[35]研究发现爱尔兰有机牛肉的δ13C值（-26.0‰）较普通牛肉（-24.5‰）低，而δ15N值（7.8‰）和δ34S值（7.9‰）较普通牛肉（分别为6.6‰、7.2‰）高。Bahar等[36]则发现有机牛肉的δ13C值较稳定，而普通牛肉的δ13C值则随生产季节变化。王慧文等[37]研究发现可以根据鸡肉粗蛋白的δ13C值来推断肉鸡饲料的主要成分，溯源其是否为有机产品。郭波莉等[38]研究发现牛组织中δ13C值可预测其膳食中C4植物所占的比例，δ15N值可区分牧区与农区喂养的牛；δ13C指标对牛肉产地来源的正确判别率高于δ15N指标，两项指标相互补充可显著提高产地来源的正确判别率。

3.2.2 奶

牛奶中的稳定同位素比率主要由奶牛的饲料决定。用青草等有机喂养的奶牛所产牛奶的δ13C丰度比用玉米[39]或其他农作物[40]喂养的奶牛所产牛奶的δ13C值低。Molkentin等[41]经周年采样分析后发现牛奶的δ13C值变化情况，结果发现有机牛奶δ13C值的最大值（-28‰）低于普通市售牛奶δ13C值的最小值（-26.6‰）。Molkentin等[42]随后利用δ13C值＞-26.6‰为普通牛奶的判定标准对来自3 个有机农场、3 个普通农场的268 种零售牛奶追溯后发现，此标准对普通牛奶判定准确率达到了99%。该小组进一步研究发现，有机牛奶与普通牛奶的δ34S值无显著差异，但有机牛奶的δ13C值变化在-27.03‰到-23.75‰之间，而普通牛奶的δ13C值为-23.29‰到-21.16‰[43]。据此，他们提出利用蛋白质的δ13C值或δ15N值可成功区别有机牛奶与普通牛奶，判定的δ13C值或δ15N值的阈值分别为-23.50‰和5.50‰。

3.2.3 蛋

蛋壳的同位素组成可以提供母鸡的饲养条件、圈舍情况等信息。饲料喂养的鸡所产鸡蛋的δ15N值普遍较低，而有机养殖的鸡所产鸡蛋δ15N值较高。一般来说，主要食用C3植物的鸡所产的鸡蛋的δ13C值较低，而商业化养殖的鸡所产鸡蛋的δ13C值则较高。Rogers等[44]研究了18 种笼养、仓谷饲养、自由饲养和有机饲养的鸡所产鸡蛋的蛋黄、蛋白和蛋膜的δ15N值。结果发现，与笼养和仓谷饲养相比，自由放养和有机饲养的鸡所产的鸡蛋的蛋黄、蛋白和蛋膜的δ15N值更高。但是，由于部分有机产品的δ15N值与普通产品重叠，仅根据δ15N值无法完全区别开有机蛋与普通蛋。

4 结 语

目前，稳定同位素溯源技术已被证明是鉴别植物性和动物性有机食品的一个好方法，但它仍有一定的局限性。首先，有些有机产品与普通产品的某种同位素相比没有显著差异，在此情况下，稳定同位素溯源技术无法实现对有机产品的鉴别；其次，对于同一种食物的有机产品，产地对其同种稳定同位素丰度的影响仍存在很大差异，这将导致无法建立稳定同位素溯源技术鉴别有机产品的统一标准；还有，若有机产品生产过程中使用少量的合成化肥或强化饲料，稳定同位素技术也难以鉴别。为进一步加强稳定同位素技术对有机产品追溯的有效性和准确性，需从以下方面进一步加强研究：1）在更大、更广的范围内对稳定同位素丰度与有机产品的种类（养）模式的关系进行研究，寻找更为科学合理的限值；2）研究食物组成成分的稳定同位素丰度，以建立基于组分稳定同位素丰度的有机产品追溯技术；3）研究多种稳定同位素联合用于有机产品鉴别与追溯的可行性，及其相关方法与技术体系的建立；4）开发天然稳定同位素比质谱法与其他方法（如近红外光谱法）联合的有机产品追溯技术。

[1] WOTHINGTON V. Nutritional quality of organic versus conventional fruits, vegetables, and grains[J]. Journal of Alternative and Complementary Medicine, 2001, 7(2): 161-173.

[2] 郭波莉, 魏益民, 潘家荣. 同位素指纹分析技术在食品产地溯源中的应用进展[J]. 农业工程学报, 2007, 23(3): 284-289.

[3] KELLY S D, HEATON K, HOOGEWRFF J. Tracing the geographical origin of food: the application of multi-element and multi-isotope analysis[J]. Trends in Food Science & Technology, 2005, 16(12): 555-567.

[4] ROSSMANN A. Determination of stable isotope ratios in food analysis[J]. Food Reviews International, 2001, 17(3): 347-381.

[5] 潘家荣, 卢澄, 郭波莉. 同位素技术在食品安全中的应用[C]//第五届核农学青年科技工作者学术交流会. 北京: 中国原子能农学会, 2006: 1-8.

[6] 王慧文, 杨曙明. 稳定同位素技术在农产品溯源体系中的应用[J].食品工业科技, 2007, 28(4): 200-203.

[7] 徐大刚, 李良君, 杜晓宁, 等. 稳定同位素技术的研究与发展[C]//中国核科学技术进展报告. 北京: 中国核学会, 2009: 73-77.

[8] 杨国华, 刘福昶. 稳定同位素[M]. 北京: 原子能出版社, 1988: 11-12. [9] 王福钧. 农学中同位素示踪技术[M]. 北京: 农业出版社, 1989: 3-5.

[10] SHEARER G B, KOHL D H, COMMONER B. The precision of determinations of the natural abundance of nitrogen-15 in soils, fertilizers, and shelf chemicals[J]. Soil Science, 1974, 118(5): 308-316.

[11] FREYER H D, ALY A I M. Nitrogen-15 variations in fertilizer nitrogen[J]. Journal of Environmental Quality, 1974, 3(4): 405-406.

[12] KREITLER C W. Nitrogen-isotope ratio studies of soils and groundwater nitrate from alluvial fan aquifers in Texas[J]. Journal of Hydrology, 1979, 42(1/2): 147-170.

[13] CHOI W J, RO H M, HOBBIE E A. Patterns of natural15N in soils and plants from chemically and organically fertilized uplands[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(11): 1493-1500.

[14] KOHL D H, SHEARER G B, COMMONER B. Variation of15N in corn and soil following application of fertilizer nitrogen[J]. Soil Science Society of America Journal, 1973, 37(6): 888-892.

[15] BATEMAN A S, KELLY S D, JICKELLS T D. Nitrogen isotope relationships between crops and fertilizer: implications for using nitrogen isotope analysis as an indicator of agricultural regime[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(14): 5760-5765.

[16] del AMOR F M, NAVARRO J, APARICIO P M. Isotopic discrimination as a tool for organic farming certification in sweet pepper[J]. Journal of Environmental Quality, 2008, 37(1): 182-185.

[17] STURM M, KACJAN-MARSIC N, LOJEN S. Can δ15N in lettuce tissues reveal the use of synthetic nitrogen fertiliser in organic production[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2011, 91(2): 262-267.

[18] ROGERS K M. Nitrogen isotopes as a screening tool to determine the growing regimen of some organic and nonorganic supermarket produce from New Zealand[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(11): 4078-4083.

[19] CAMIN F, MOSCHELLA A, MISELLI F, et al. Evaluation of markers for the traceability of potato tubers grown in organic versus conventional regime[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2007, 87(7): 1330-1336.

[20] STURM M, LOJEN S. Nitrogen isotopic signature of vegetables from Slovenian market and its suitability as an indicator of organic production[J]. Isotopes in Environmental and Health Studies, 2011, 47(2): 214-220.

[21] BATEMAN A S, KELLY S D, WOOLFA M. Nitrogen isotope composition of organically and conventionally grown crops[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(7): 2664-2670.

[22] KELLY S D, BATEMAN A S. Comparison of mineral concentrations in commercially grown organic and conventional crops-tomatoes (Lycopersicon esculentum) and lettuces (Lactuca sativa)[J]. Food Chemistry, 2010, 119(2): 738-745.

[23] SCHMIDT H L, ROBMANN A R, VOERKELIUS S V, et al. Isotope characteristics of vegetables and wheat form conventional and organic production[J]. Environmental and Health Studies, 2005, 41(3): 223-228.

[24] GEORGI M, VOERKELIUS S, ROSSMANN A, et al. Multielement isotope ratios of vegetables form intergrate and organic production[J]. Plant and Soil, 2005, 275(1/2): 93-100.

[25] FLORES P, FENOLL J, HELLIN P. The feasibility of using δ15N and δ13C values for discriminating between conventionally and organically fertilized pepper (Capsicum annuum L.)[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(7): 5740-5745.

[26] MIHAILOVA A, PEDENTCHOUK N, KELLY S D. Stable isotope analysis of plant-derived nitrate-novel method for discrimination between organically and conventionally grown vegetables[J]. Food Chemistry, 2014, 154(1): 238-245

[27] RAPISARDA P, CALABRETTA M L, ROMANO G, et al. Nitrogen metabolism components as a tool to discriminate between organic and conventional citrus fruits[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(7): 2664-2669.

[28] RAPISARDA P, CAMIN F, FABRONI S, et al. Influence of different organic fertilizers on quality parameters and the δ15N, δ13C, δ2H, δ34S, and δ18O values of orange fruit (Citrus sinensis L. Osbeck)[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(6): 3502-3506.

[29] CAMIN F, PERINI M, BONTEMPO L, et al. Potential isotopic and chemical markers for characterising organic fruits[J]. Food Chemistry, 2011, 125(3): 1072-1082.

[30] 陈历水, 丁庆波, 苏晓霞, 等. 碳和氮稳定同位素在黑加仑产地区分中的应用[J]. 食品科学, 2013, 34(24): 249-253.

[31] LAURSEN K H, MIHAILOVA A, KELLY S D, et al. Is it really organic-multi-isotopic analysis as a tool to discriminate between organic and conventional plants[J]. Food Chemistry, 2013, 141(3): 2812-2820.

[32] 冯海强, 潘志强, 于翠平, 等. 利用15N自然丰度法鉴别有机茶的可行性分析[J]. 核农学报, 2011, 25(2): 308-312

[33] PIASENTIER E, VALUSSO R, CAMIN F, et al. Stable isotope ratio analysis for authentication of lamb meat[J]. Meat Science, 2003, 64(3): 239-247.

[34] BONER M, ORSTEL H. Stable isotope variation as a tool to trace the authenticity of beef[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2004, 378(2): 301-310.

[35] SCHMIDT O, QUILTER J M , BAHAR B, et al. Inferring the origin and dietary history of beef from C, N and S stable isotope ratio analysis[J]. Food Chemistry, 2005, 91(3): 545-549.

[36] BAHAR B, SCHMIDT O, MOLONEY A P, et al. Seasonal variation in the C, N and S stable isotope composition of retail organic and conventional Irish beef[J]. Food Chemistry, 2008, 106(3): 1299-1305.

[37] 王慧文. 利用稳定同位素进行鸡肉溯源的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2007: 297-305.

[38] 郭波莉, 魏益民, 潘家荣, 等. 碳、氮同位素在牛肉产地溯源中的应用研究[J]. 中国农业科学, 2007, 40(2): 365-372.

[39] DENIRO M J, EPSTEIN S. Influence of diet on the distribution of nitrogen isotopes in animals[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1981, 45(3): 341-351.

[40] KNOBBE N, VOGL J, PRITZKOW W, et al. C and N stable isotope variation in urine and milk of cattle depending on the diet[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2006, 386(1): 104-108.

[41] MOLKENTIN J, GIESEMANN A. Differentiation of organically and conventionally produced milk by stable isotope and fatty acid analysis[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2007, 388(1): 297-305.

[42] MOLKENTIN J. Authentication of organic milk using δ13C and the α-linolenic acid content of milk fat[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(3): 785-790.

[43] MOLKENTIN J, GIESEMANN A. Follow-up of stable isotope analysis of organic versus conventional milk[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2010, 398(3): 1493-1500.

[44] ROGERS K M. Stable isotopes as a tool to differentiate eggs laid by caged, barn, free range, and organic hens[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(10): 4236-4242.

A Review of the Application of Stable Isotope Technology to Traceability of Organic Foods

XIANG Jin-xin
(School of Chemical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The lack of effective methods for tracing organic foods brought about a lot of difficulties in inspecting and governing the market of organic foods. Because the abundance of stable isotopes provides a natural fingerprint for foodproducing environment (soil, water, air, fertilizer, feed, etc.), stable isotope technology has attracted much attention for its application in tracing organic foods. This article summarizes an extensive review of the available literature regarding the concept of stable isotope as well as the principle and applications of stable isotope technology in tracing organic plant foods (vegetables, fruits and cereals) and organic animal foods (meat, milk and egg). In addition, the limitation and future research directions of this technology in tracing organic foods are proposed in the present work.

stable isotope abundance; organic food; traceability; application

TS207.3

A

1002-6630（2014）15-0345-04

10.7506/spkx1002-6630-201415067

2014-04-04

项锦欣（1973—），女，讲师，硕士，研究方向为食品安全。E-mail：513769306@qq.com