矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源中的应用

刘美玲，高玎玲，闫鑫磊，郭 军

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源中的应用

刘美玲，高玎玲，闫鑫磊，郭 军

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院，呼和浩特 010018)

对以化学计量学为基础的矿物质指纹技术的基本原理以及国内外动物性食品产地溯源中的应用研究进展进行综述，分析了矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源应用中存在的问题，并对其今后的发展前景进行了展望。

矿物质；指纹技术；产地溯源；动物源食品

近20年来，疯牛病[1]、禽流感[2]、三聚氰胺[3]、瘦肉精[4]和加工肉制品致癌风险[5-6]等所造成的一系列食品安全问题，使得消费者对食品安全性和食品的真实性愈加关注。瑞士联邦公共卫生组织调查表明，82% 的消费者表示食物的产地来源是决定他们购买食品的关键因素，而71% 的消费者认为畜肉产品的产地来源是他们选购的标准[7]。因此建立有效的动物性食品产地溯源技术，不仅有利于保护地区品牌，而且有助于在动物性食品发生各类问题时及时召回产品。

食品溯源是对食品生产等过程中主要环节的关键信息进行追溯，一旦出现问题即可迅速追溯至其源头[8]。食品产地溯源是对食品原产地的识别过程，能够明确所销售得食品来源于何处[9]。食品追溯体系最早是1997年欧盟为应对“疯牛病”问题逐步建立并完善起来的食品安全管理制度[10]。2002 年我国开始对食品溯源体系进行研究，至今已经制定了《上海市动物免疫标识管理办法》等一系列相关的标准和指南[11]。按照 FAO/WHO 的定义，动物产品可追溯是指沿产品生产、加工、销售等不同环节跟踪产品移动的能力[12]，而可追溯体系是指提供食品来源的途径。目前，全球已有 78% 的国家制定了畜禽标识法规，69% 的国家已有可追溯管理的法律[13]。国际上地理标志资源比较丰富的国家已经对原产地名称进行了保护[14]。国内的食品产地溯源研究起步较晚，更鲜有动物源性食品方面相关研究的报道，因此该研究领域具有较大的发展潜力[15]。

目前用于食品产地溯源的技术有电子标签技术[16]、稳定性同位素指纹(同位素种类和比例)分析技术[17]、矿物元素指纹(谱)分析技术[18]、有机成分指纹(指标集)分析技术[19]、红外光谱指纹技术[20]和DNA指纹分析技术[21]等。其中矿物元素指纹分析技术有较明显的地理特征，可用的分析指标较多，已成为食品产地溯源的有效技术之一[9]。在数据处理方面，常采用方差分析、多重比较分析、判别分析、聚类分析等矿物元素谱(形象地称为“指纹”)地区特征分析技术[22]。此外，原子吸收光谱仪[23]、原子荧光光谱仪[24]、原子发射光谱仪[25]、气相色谱仪[26]、极谱仪[27]、分光光谱仪[28]和电感耦合等离子体质谱仪[29]等是检测矿物元素含量的常用仪器。ICP-MS因其具有检测速度快、取样量少等优点，并可同时对多种元素进行测定，因此在食品产地溯源研究中被广泛应用[9]。

1 矿物元素指纹溯源技术的原理及分析技术

不同地域的生物体内矿物元素的地域差异较为明显[30]，分析不同来源食品中元素的含量的差异，便可鉴别其产地来源。矿物元素指纹分析技术用于食品产地溯源的主要决定性因素是从多种矿物元素中选出能够准确反映与该食品相关的且较为稳定的矿物元素指纹信息[7]，并依据判别分析等化学计量学方法对来源于不同地域产品指标间的差异进行研究，从而寻找出不同地区来源产品的差异性指标，建立判别模型，以鉴别未知样品[9]。

以化学计量学为基础的指纹判别或以模式分析为基础的鉴别技术可为动物性食品的产地鉴别提供一类新的理论和分析原理、引入全新的思维方式，是解决该问题的一类新的策略和方法。判别模型和模型建立是化学计量学的高层次应用。该方法采集已知样本集的部分指纹数据，建立判别模型，然后将未知样品代入此模型中，判别未知样品的归属。将化学计量学理论、实验设计和结果分析引入矿物质的研究中，不仅可以为产地溯源引入新的策略，同时也是一类对食品矿物质进行评价的全新方法。食品领域最常用的模式识别包括主成分分析、分层聚类分析、线性判别分析、软独立模式分类、偏最小二乘、和偏最小二乘判别分析等。此外还有支持相量机和人工神经网络法等。目前采用化学计量学的指纹特征分析技术在食品真实性判别研究中发展较快。较为成功案例如S.M.Ruth等[31]成功地利用类胡萝卜素指纹鉴别有机和非有机鸡蛋，该小组在世界范围内采样并进行研究，发现利用该方法对有机和非有机鸡蛋的判别正确率可达95%以上。郭军等[32]以利用乳牛的脂肪酸和氨基酸指纹建立了原奶或液态奶真实性鉴别方法和系统。上述两例的原理和策略同样可用于矿物质指纹鉴别，但目前国内报道的矿物质指纹分析基本都仅采用了PCA。PCA是化学计量学和多变量统计学的最基本分析模块，分析的是样本指纹的自然特征。其基本原理是将多个指标(变量)压缩简化为较少的新指标，将变量的共性成分尽量集中到前几个新指标(变量)中。通常前三个变量集中有60%～99%的共性成分，也称主成分1～3。用前三个主成分的得分向量在三维空间投射样本，同类样本就能投射到同一个空间区域，不同样本的投射区域相隔较远。HCA是计算各样品间的距离，以距离最远的两个样品作为基准创建新组，然后将剩余样品的距离与之比较，距离靠近哪个样品，就与该样品聚为一类[33]。SIMCA方法的基本思路是对样本进行PCA分析得到整个样本的分类，再建立各个样本相应的类模型，然后根据该模型对未知样品进行再次分类[32]。在实际应用中，需根据所要达到的目的，选择不同的模式识别方法。

2 矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源中的应用及其局限性

2.1 矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源中的应用

动物体内的矿物元素受土壤、水和空气等环境因素的影响，且与饲料和动物自身代谢密切相关[34]。郭波莉[35]等研究表明，饲料中的元素强化对动物肌肉中Se和La的含量影响显著；对Ni在高剂量下影响大，但在低剂量下影响小；对Ce几乎无影响。国内外学者筛选与地域之间具有密切相关性的矿物元素，并确定研究动物性食品产地溯源的可靠指标。目前矿物元素指纹分析技术已应用于牛肉[36]、羊肉[30]、水产品[37]和乳及乳制品[38]等动物性食品的产地溯源研究中。

2.1.1 矿物质指纹技术在牛肉产地溯源中的应用 由于养殖地区是影响牛肉品质的重要因素之一，且矿物质指纹技术对产地来源的识别率较高，因此国内外许多学者利用牛肉中多种矿物元素含量的差异对牛肉的原产地进行鉴别。郭波莉[36]等从中国 4 大牛肉产区吉林、贵州、宁夏、河北采集61份牛肉样品，利用电感耦合等离子体质谱仪对脱脂牛肉样品中的Na、Mg、K、Ca、Al、V等22种元素的含量进行了测定，并对 16 种元素进行了主成分分析，其中前 5 个主成分的贡献率为 82.17%。判别分析选出的牛肉产地来源有效指标对吉林、贵州、河北牛肉样品的判别率均高达100%，对宁夏牛肉样品的判别率为 91%，总体判别正确率为 98.4%。该实验表明多矿物元素指纹分析是进行牛肉产地溯源的有效技术。Zhao[39]等采集来源于中国不同省份的脱脂牛肉样品，进行稳定同位素和多矿物元素测定，并用主成分分析对数据进行降维和模式判别，正确率可达100%，交叉验证率同样为100%。这一研究表明，通过稳定同位素和多元素分析相结合的方法可以成功地鉴别中国不同地理起源的牛肉样品。Franke[40-41]等利用电感耦合等离子体质谱法对来自不同国家的干燥牛肉样品中的矿物元素含量进行测定。研究表明，矿物元素 B、Ca、Cd、Cu、Dy、Zn 等元素可用于牛肉干的产地判别，它们对干燥牛肉产地的判别率为79%。

2.1.2 矿物质指纹技术在羊肉产地溯源中的应用 羊大多时间在户外放养，较少进行饲料补充，因此羊组织中所含的矿物元素与当地环境关系更为密切[30]。近年来，随着国民收入的日趋增加，消费者的饮食结构也发生了巨大的转变。高蛋白、低胆固醇、肉嫩味美的羊肉愈加受到消费者青睐，但在享受美味的同时许多消费者愈加关注羊肉的品质问题。为了满足消费者的需求，国内外研究人员利用羊肉中矿物元素含量的差异进行羊肉的产地鉴别。孙淑敏等[34]分别从中国内蒙古阿拉善盟、锡林郭勒盟和呼伦贝尔市三个牧区以及重庆市和山东省菏泽市两个农区共采集羊肉样品 99 份，利用电感耦合等离子体质谱仪测定了脱脂羊肉中 25 种矿物元素的含量，并利用主成分分析和线性判别分析等多元分析方法进行了数据处理。研究表明，脱脂羊肉中元素含量存在明显的地域差异。判别分析认为 Be、Na、Cr等12 种元素为羊肉产地来源的判别指标，所建立的判别模型对羊肉样品整体的判别率以及交叉检验率分别为 93.9%和 88.9%。其中重庆市、菏泽市和阿拉善盟的肉样均 100%正确归类，且农区的正确判别率 (100%)明显高于牧区 (90%)。研究同时显示，多矿物元素分析是羊肉产地溯源的有效手段。Sun[38]等对来自中国不同农牧区的羊肉进行研究，结果表明，矿物元素分析技术在羊肉产地溯源中是可行的。孙淑敏等[42]认为矿物元素指纹分析技术是羊肉产地溯源的有效手段，其研究表明Ca、Zn、Be、Ni、Fe、Se 等元素是羊肉产地溯源的有效指标，它们对农牧区样品的判别率为 均可达到90%以上。

2.1.3 矿物质指纹技术在水产品产地溯源中的应用 地理标志性水产品产地溯源有很大难度，传统方法主要依靠经验，以水产品外观和气味等特征进行判别，这很难客观的对原产地地域水产品进行准确区分，不利于保护特色产品，确保公平竞争[43]。研究人员经过在不断地探索，研究出了元素指纹判别技术。目前利用矿物元素对水产品进行产地溯源的研究已有报道。杨健[44]等应用电感耦合等离子质谱仪分别对江苏太湖与洪泽湖水域大银鱼体内 12 种矿物元素特征进行了分析，且通过主成分分析和判别分析研究了大银鱼体内元素含量的差异。主成分分析显示两水域鱼体矿物质指纹特征差异明显，判别分析能成功区分两地大银鱼，判别正确率可达100%。杨文斌[45]等以中华绒螯蟹第三步足为试样，采用电感耦合等离子质谱仪测定了21种矿物元素。判别分析结果显示，该种测定方法对太湖、石臼湖和固城湖的中华绒螯蟹的判别率分别达到100%、80%和100%，综合判别率为93.3%。此研究表明，利用中华绒螯蟹第三步足矿物质指纹判别法对太湖、石臼湖和固城湖的中华绒螯蟹群体进行产地判别是可行的。Liu Xiaofang[46]等应用电感耦合等离子质谱仪分别对渤海、黄海和东海3 个水域的海参体内15 种元素进行检测，并采用主成分分析、聚类分析等方法进行分析。结果表明，这些分析方法对海参产地的判别率与交叉验证率均达到100%，该研究表明，应用电感耦合等离子体质谱仪的矿物质分析技术对我国三大海域海参进行产地识别是可行的。郭利攀等[47]采用电感耦合等离子体质谱以及原子吸收光谱测定东海(舟山、温州和宁波)3个地区的4种经济鱼类(鲳鱼、带鱼、鱿鱼和小黄鱼)所含的 25 种矿物元素，利用偏最小二乘判别分析与概率神经网络所建立的判别模型，判别率分别为97.92%和 100%。该研究证明，矿物元素指纹的产地判别技术能够成功应用于东海 3 个产地的 4 种经济鱼类的产地识别。才让卓玛等[48]通过电感耦合等离子体质谱仪测定了汕头、惠东、珠海及钦州 等7个地区香港牡蛎中的 Ag、As、Ba、Zn等20 种无机元素含量，利用主成分分析法和聚类分析法对矿物元素含量进行分析。主成分分析筛选出 4 个主成分，聚类分析将香港牡蛎聚为 5 类，结果表明，来自香港牡蛎中所含的无机元素能够初步实现其产地溯源。Costas[49]等对西班牙加利西亚湖泊贻贝中的矿物元素进行了线性判别分析，其产地判别率为95.6%。该研究结果证明了痕量元素和微量元素应用于加利西亚贻贝的指纹图谱，可准确区分加利西亚和非加利西亚的贻贝。Silva[50]等应用溶液法-电感耦合等离子体质谱技术对葡萄牙地区条长臀鳕耳石中的微量元素进行测定，发现4种矿物元素(Sr、Ba、Mg、Li)的含量在3 个不同地区的鳕鱼中均有差异，结果显示该技术对3个地区的判别准确率分别达到87%、63%和57%。

2.1.4 矿物质指纹在乳及乳制品产地溯源中的应用 食品产地溯源是影响乳及乳制品安全的关键因素之一，因此迫切要求对其进行产地溯源研究。乳及乳制品的产地溯源始于欧美国家，国内在这方面起步较晚。谭凯燕[51]等研究选取了新疆、黑龙江、广西等3个产地的12种奶粉，研究其23种元素含量的差异。同时结合主成分分析和聚类分析对不同产地的奶粉进行识别，其整体聚类的准确率为91.67%。Brescia[52]等用矿物元素结合同位素对水牛奶和mozzarella奶酪进行产地溯源，所建模型预测率为93%。Mendil[38]等认为，土耳其的各种奶酪中矿物元素的含量均有差异。Bontempo[53]等对意大利的阿尔卑斯地区的7种奶酪采用49种矿物质和同位素对其进行原产地判别，判别率为94% 。

2.2 矿物质指纹溯源技术的局限性

我国对动物性食品产地溯源的研究尚处于初级阶段，很多动物性食品还没有开展深入和系统地研究，特征矿物元素数据库尚未建立。动物性食品中矿物元素含量受多种因素的影响，使动物性食品的产地溯源较为复杂。譬如家禽在饲养过程中，主要食用混合饲料，且每批饲料来源不确定，影响动物性食品产地判别[15]。有些污染元素如镉、铅、锌等只在肾脏、肝脏等器官中累积，而在肌肉中累积较少，不能有效地区分污染区和非污染区[7]。因此研究者们需选取影响溯源因素较少的动物性食品进行研究，并致力于矿物元素产地溯源体系地建立，以期使动物性食品产地溯源达到更好的效果。

3 展望

矿物元素指纹技术在动物性食品产地溯源中起到了非常重要的作用，是目前动物性食品产地溯源的一项可行策略，在牛肉、羊肉、水产品和乳及乳制品等动物性食品上的研究均有成功报道。目前许多国家已开始将产地溯源研究成果用于食品安全追溯体系。我国在这方面也在努力，对地理标志产品的保护也促进了我国食品产地溯源技术的发展。但是每种溯源技术都有优缺点，矿物元素指纹技术在动物性食品产地溯源中可能引入了很多不确定因素，因此矿物质指纹溯源需要掌握充分的产品背景信息，并采用功能更强大的化学计量学分析模块或模块组进行研究，必要时使用人工智能模块或介入人工逻辑判断，以期建立更稳健的判别模型。另外还可使用多种溯源策略技术，如稳定同位素指纹技术和近红外光谱技术等联合用于溯源，或因地制宜，在充分掌握检验对象背景资料的前提下，量身定做适合该种或该类食品的溯源方法。食品的营养品质与其产地来源密切相关，高效、实用的产地溯源技术既有利于实施食品原产地追溯，又能够进行原产地保护。随着研究方法的日益增加和研究领域的不断扩大，矿物质指纹技术在动物性食品产地溯源的应用前景将更加广阔。◇

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(责任编辑 李婷婷)

Application of Mineral Fingerprint in Geographical Origin Tracing of Animal-derived Foods

LIU Mei-ling，GAO Ding-ling，YAN Xin-lei，GUO Jun

(Food Science and Engineering College of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Fundamental principles of geographical origin tracing of animal food by mineral fingerprint analysis that based on chemometrics，and correlating domestic and international research progress were reviewed.Shortcoming of the geographical origin tracing strategy and the future practical application possibility were discussed as well.

mineral；fingerprint technique；geographical origin tracing；animal-derived food

内蒙古自治区自然科学基金项目(项目编号：2015MS0342)。

刘美玲(1991— )，女，硕士研究生，研究方向：食品加工与安全。

郭 军(1969— )，男，博士，教授，研究方向：营养与食品安全。