综合肉样及环境矿物质元素信息的滩羊肉产地鉴别

王雪蓉，罗瑞明，李亚蕾，马梦斌

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

宁夏盐池滩羊肉质细嫩鲜美、含脂率低、不腥不膻，被列为宁夏“五宝”之一[1-2]。宁夏盐池县被命名为“中国滩羊之乡”，“盐池滩羊肉”为地理标志性产品，地域特征鲜明[3]。近年来，出现其他产地滩羊肉冒用“盐池滩羊肉”原产地标识的现象，严重影响了宁夏滩羊肉产业的健康发展[4]。因此，对标识盐池滩羊的羊肉进行产地溯源鉴定，是保护宁夏盐池县地理标志性产品必须突破的技术瓶颈。

在探索食品与农产品产地溯源方面，矿物质指纹图谱分析是一种公认的有效、有前景的分析技术[5-7]。电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技术灵敏度高、检测速度快[8]、样品干扰小，通过分析样品中的特征元素组成，可追溯食品及其原料的产地来源，并可鉴别食品的种类[9-10]。近年来矿物质元素溯源已经在动植物溯源中成功应用，如王洁等[11]对龙井茶基于矿物元素进行产地溯源；Zhao Yan等[12]结合稳定同位素和多矿物元素分析方法鉴别不同起源牛肉样品，正确辨别率达95%以上。对羊肉矿物元素溯源的研究主要集中在探寻能表征地域差异的特定元素指标方面，土壤、饮水及饲草等自然环境因素对动物体内的矿物元素种类、含量有决定性影响[13]。然而，一些必需微量元素经常作为营养强化元素添加到动物饲料中，而且动物组织对矿物元素富集作用不同，导致一些矿物元素在不同地域间原有的差异发生改变[14-16]。所以，只对滩羊肉进行溯源，判别结果有不确定性，必须结合环境因素，才能获得有效的产地溯源指标。

本研究根据盐池县地区分布特征（中北部及萌城一带主要为灰钙土，南部黄土高原丘陵区主要为黑垆土，北部鄂尔多斯缓坡丘陵主要为风沙土[17-20]）确定可以较为全面的代表盐池县指纹信息的3 个采样点，即麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇[21-26]。采用ICP-MS针对盐池县滩羊肉（背最长肌）和环境（土壤、滩羊饲喂草料、饮用水）中25 种（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）矿物元素进行测定，结合多元统计分析筛选出各乡镇具有代表性的滩羊肉产地溯源指标及环境溯源指标，筛选出二者间有联系的综合指标。随机选取宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊肉样品测定其矿物元素，建立判别模型并验证所筛元素，增加判别结果的准确性，为盐池县滩羊肉矿物元素指纹分析提供有效的技术指标。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

选取七月龄左右、平均体质量（18.00±2.00） kg健康状况良好的麻黄山乡、冯记沟乡和高沙窝镇滩羊各60 只，麻黄山乡、冯记沟乡和高沙窝镇土壤、饮用水和滩羊饲喂草料各取样20 份，以上材料均由宁夏盐池县鑫海食品有限公司提供。随机选取宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县七月龄左右，平均体质量为（18.00±2.00） kg健康状况良好的滩羊各40 只，供验证实验用。

氢氟酸（MOS级） 上海旭恒商贸有限公司；高氯酸（MOS级） 南京化学实剂有限公司；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）元素标准溶液 北京仪化通标科技有限公司；浓硝酸（65.00%）、浓盐酸（37.00%）国药集团化学试剂有限公司；Dura series超纯水（＞18.20 MΩ·cm）为实验室自制。

1.2 仪器与设备

JJ-2匀浆机 上海汗诺仪器有限公司；iCAPQ ICPMS仪 美国Thermo Fisher Scientific公司；WX-8000微波消解仪 上海新仪微波化学科技有限公司；球磨仪德国Restsch公司；TAS-986原子吸收分光光度计 北京谱析通用仪器有限责任公司；ICP-MS仪 美国PerkinElmer公司。

1.3 方法

1.3.1 采样方法

将麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇3 个区域内滩羊养殖较集中的地方作为目标中心样点，距离确定的目标中心样点100 km左右东西南北方向的小型散养滩羊区作为四角采样点，环境样品的采样点与肉样的采样地点对应。滩羊肉：屠宰后取滩羊背最长肌处样品（200.00±20.00） g，装袋标记，于-20 ℃冰箱中贮藏。土壤：采用剖面法采集滩羊活动区0.00～20.00 cm表层土壤，所取土样等量混合取1.00 kg，入袋保存。滩羊饲喂草料：在采样区各取滩羊采食草料200.00 g，所取草料等量混合取500.00 g，入袋保存。饮用水：在采样区各取水样500.00 mL，所取的水样等量混合取1.00 L，入瓶保存。

1.3.2 标准溶液配制

用65.00% HNO3溶液将单元素标准溶液稀释成20.00 mg/L储备液，继续稀释得到200.00、400.00 μg/L储备液，依次配制成0.00、8.00、16.00、24.00、32.00、48.00、64.00 μg/L系列标准溶液，摇匀备用。

1.3.3 样品前处理

滩羊肉：称取100.00 g样品，匀浆待测；土壤：去除杂质，室温下自然风干，研磨，过200 目筛；草料：将样品用去离子水清洗后烘干至质量恒定，研磨，过筛。

1.3.4 ICP-MS工作条件

射频功率为1 050 W；雾化气流量为0.86 L/min；样品提升速率为1.20 L/min；离子透镜电压为8.25 V；冷却气流量为13.80 L/min；载气流量为0.98 L/min；模拟电压和脉冲电压分别为-1 900.00 V和900.00 V；数据采集模式为跳峰；驻留时间为50.00 ms；每质量数采集数据点为50.00 ms；积分时间为500.00 ms。

1.3.5 元素含量测定

参考郭波莉等[27]的方法，利用微波消解结合ICP-MS对滩羊肉及草料中矿物元素进行测定，滩羊饮用水直接测定，同时以相同方法进行空白对照。

土壤中各元素含量测定：Ca、Na、Mg元素含量依据NY/T 296—1995《土壤全量钙、钠、镁的测定》；P元素含量依据HJ 632—2011《土壤总磷的测定 碱熔-鉬锑抗分光光度法》；Be、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Cd、Sn、Sb、Te、Cs、Ba元素含量依据DZ/T 0223—2001《电感耦合等离子体质谱分析方法通则》；K元素含量依据GB 9836—1988《土壤全钾测定法》；V、Ag元素含量依据HJ 781—2016《固体废物22 种金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》；Mn、Fe元素的含量依据HJ 804—2016《土壤8 种有效态元素的测定二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法》；Se元素含量依据HJ 680—2013《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解/原子荧光法》。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 23.0软件对宁夏盐池县三乡镇滩羊肉、环境样品以及验证实验宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县的样品中的矿物元素含量进行多元统计分析。

2 结果与分析

2.1 盐池县滩羊肉中矿物质元素含量差异分析

对宁夏盐池县麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇滩羊背最长肌中矿物元素含量进行方差分析，结果显示，K、Na、Ca、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Sn和Ba 17 种矿物元素含量在3 个地区间均存在显著性差异（P＜0.05）（表1）。

2.2 盐池县滩羊肉中矿物质元素的主成分分析（principal components analysis，PCA）

表2 麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇滩羊肉中矿物元素主成分的方差贡献率及载荷矩阵Table 2 Contribution rates and loading matrix of the principle components of mineral elements in Tan sheep meat

PCA通过降维消除样品中各元素间的相关性，提取既完全没有相关性又保留了原元素变化信息的几个主成分，从而达到多元统计分析的目的[28]。本研究对盐池县麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇滩羊中存在显著性差异的17 种矿物元素含量分别进行（表2、图1）。结果显示，麻黄山乡滩羊肉中矿物元素前3 个主成分的累计方差贡献率达96.581%，结合主成分得分图可直观地看出麻黄山乡滩羊肉中矿物元素的分布特征，第1主成分主要由K、Ca、Na、Mg、P、Mn、Cr、Ni、Cu、Se、Rb、Sr、Sn、Ba 14 种元素构成，第2主成分主要由Fe、Zn 2 种元素构成。冯记沟乡滩羊肉中矿物元素前4 个主成分的累计方差贡献率达92.589%结合主成分得分图看，第1主成分主要由Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 种元素构成，Ca、Na、Zn、Sr 4 种元素对第2主成分贡献大。高沙窝镇滩羊肉中矿物元素前4 个主成分的累计方差贡献率达85.419%，结合主成分得分图分析，第1主成分主要由Mn、Ni、Cr、Cu、Mo、Sn、Ba 7 种元素构成，第2主成分主要由Na、Zn、Rb、Sr 4 种元素构成。上述分析表明，可以把滩羊肉样品中的矿物元素差异规律直观地表现出来，且找到盐池县三地区差异显著性的特征元素。

图1 麻黄山乡（A）、冯记沟乡（B）、高沙窝镇（C）滩羊肉矿物元素前2 个主成分得分图Fig.1 Scatter plots of the first 2 PC for Tan sheep meat from Mahuangshan (A), Fengjigou (B) and Gaoshawo towns (C)

2.3 盐池县滩羊肉中矿物元素含量聚类分析

为分析矿物元素指标对于滩羊肉产地溯源的影响力大小，采用K-均值聚类，在三维空间内，将指标进行聚类，筛选最优指标[29]。利用所取得的主成分贡献值结果进行聚类分析（表3）。

表3 麻黄山乡、冯记沟乡和高沙窝镇滩羊肉中矿物元素含量聚类分析结果Table 3 Cluster analysis of mineral elements in Tan sheep meat samples from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns

麻黄山乡滩羊肉中17 种矿物元素指标分为3 类。其中第1类包括Cr、Ni、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba，结合2.2节结果，Cr、Ni、Rb、Sr、Sn、Ba 6 种元素可作为麻黄山乡滩羊肉的矿物元素溯源指标。冯记沟乡滩羊肉中17 种矿物元素指标分为4 类。第1类包括K、Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba，结合2.2节结果，Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 种元素可作为冯记沟乡滩羊肉的矿物元素溯源指标。高沙窝镇滩羊肉中17 种矿物元素指标分为4 类。第1类包括K、Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba，结合2.2节结果，Cr、Mn、Ni、Cu、Mo、Sn、Ba 7 种元素为高沙窝镇滩羊肉的矿物元素溯源指标。综合上述分析结果筛选出盐池县滩羊肉的矿物元素指标为Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn 9 种元素。

2.4 盐池县环境中矿物质元素差异分析

对盐池县三地区土壤、滩羊饲喂草料、饮用水中矿物元素含量进行方差分析。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的含量在土壤中差异显著（P＜0.05）；元素K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba和V的含量在滩羊饲喂饲料中差异显著（P＜0.05）；元素K、Ca、Na、Mg、P和Sr的含量在饮用水中差异显著（P＜0.05）。

麻黄山乡、冯记沟乡和高沙窝镇滩羊饲喂草料中Mo元素在三乡镇间差异不显著，在滩羊肉中同样差异不显著，表明滩羊肉中元素含量与滩羊饲喂饲料、土壤和饮用水中的元素含量有一定的影响及联系。

表4 盐池地区土壤中矿物元素含量Table 4 Mineral element contents in soils from Mahuangshan,Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

表5 盐池地区滩羊饲喂草料中矿物元素含量Table 5 Mineral element contents in forages for Tan sheep from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

表6 盐池地区饮用水中矿物元素含量Table 6 Mineral element contents in drinking water from Mahuangshan, Fengjigou and Gaoshawo towns mg/kg

2.5 盐池县环境中矿物元素

对盐池土壤元素中存在差异的19 种矿物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba、V、Se、Cd、Sn）、滩羊饲喂饲料中存在差异的16 种矿物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Mo、Ba和V）以及饮用水中存在差异的6 种矿物元素含量（K、Ca、Na、Mg、P和Sr）进行PCA。

表7 盐池县土壤、草料、饮用水中矿物元素主成分的贡献率及载荷矩阵Table 7 Contribution rates and loading matrix of the principle components of mineral elements in the environment

图2 盐池县土壤、草料、饮用水中矿物元素前2 个主成分得分图Fig.2 Scatter plots of the first 2 PC for mineral elements in drinking water, soil and forage

如表7、图2所示，土壤中矿物元素前4 个主成分的累计方差贡献率达93.046%，结合主成分得分图看出土壤中第1主成分主要由K、P、Mg、Cr、Ni、Ca、Zn、Rb、Ba、V、Na 11 种元素构成，第2主成分主要由Sn、Fe元素构成。滩羊饲喂草料中矿物元素前3 个主成分的累计方差贡献率达91.512%，结合主成分得分图看出草料中第1主成分主要由Cr、Ni、Sr、Ba、V、Fe 6 种元素构成，第2主成分主要由Cu、Zn、Mo元素构成。饮用水中矿物元素前2 个主成分的累计方差贡献率达92.075%。结合主成分得分图，第1主成分主要由Ca、Na、Mg元素构成；第2主成分主要由K元素构成。

2.6 盐池县环境中矿物元素含量聚类分析

利用所得土壤、滩羊饲喂草料、饮用水中矿物元素含量主成分贡献值结果进行聚类分析（表8）。

根据K-均值聚类分析，土壤中的19 种矿物元素指标分为3 类，其中第1类包括V、Cu、Ni、Zn、Cd、Ba、Rb、K、P、Ca、Mg，结合2.5节结果可得V、Ni、Zn、Ba、Rb、K、P、Ca、Mg 9 种元素为土壤的矿物元素溯源指标。滩羊饲喂草料中的16 种矿物元素指标分为2 类，其中第1类包括Mo、V、Cu、Ni、Zn、Ba、Cr、Sr、Fe，结合2.5节结果可得V、Ni、Ba、Cr、Sr、Fe 6 种元素为滩羊饲喂草料的矿物元素溯源指标。饮用水中的6 种矿物元素指标分为2 类，第1类包括Ca、Na、Mg，结合2.5节结果可确定其为饮用水的矿物元素溯源指标。

综合土壤、滩羊饲喂草料及饮用水的矿物元素溯源指标，筛选出盐池县环境的矿物元素指标为K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe。结合盐池县环境的矿物元素指标与盐池县滩羊肉的矿物元素指标（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）可知其有共同的元素溯源指标（Cr、Ni、Rb、Sr、Ba），说明滩羊肉中矿物元素的含量特征与环境有一定的联系，基于矿物元素指纹分析盐池县滩羊肉原产地溯源信息是可靠的。

表8 土壤、滩羊饲喂草料和饮用水中矿物元素含量聚类分析结果Table 8 Cluster analysis of mineral element contents in soil, forage and drinking water for Tan sheep

2.7 滩羊肉与环境中矿物质元素的判别分析

利用已筛选出元素指纹信息对随机样品产地的鉴别效果尚不明显，溯源指纹信息的可靠性及稳定性需进一步验证。本研究继续选取在宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县4 省随机采集的滩羊肉样品为实验材料，检验已筛选出的溯源指标对随机滩羊肉样品的产地鉴别效果。

2.7.1 与盐池县滩羊肉密切相关的元素对滩羊肉产地判别分析

表9 Fisher判别函数系数Table 9 Fisher discriminant function coefficients

利用与盐池滩羊肉密切相关的9 种元素（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）对滩羊肉产地进行判别分析，参考鹿保鑫等[29-30]的方法建立判别模型（分析数据见表9），样本随机分为两组，1/3的样本作为测试集，2/3的样本作为训练集，建立模型并检验已建模型的有效性。

结果显示，Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba 8 种对地域判别显著的元素先后被引入到判别模型中，具体判别模型函数式如下：

式中：Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Sn、Ba为矿物元素值/（mg/kg）；YA、YB、YC和YD分别为宁夏盐池县、内蒙古鄂托克前旗、陕西定边县和甘肃环县滩羊背最长肌矿物元素含量值/（mg/kg）。

利用此判别模型对测试集样本进行归类并结合交叉检验法对模型的有效性进行验证。如表10所示，4 个地域滩羊肉回代检验和交叉检验的分类正确率分别为97.50%、95.00%。

表10 4 个地域滩羊肉样品的LDA结果Table 10 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

2.7.2 与环境密切相关的元素对滩羊肉产地判别分析

利用与环境密切相关的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe），参照2.7.1节对滩羊肉产地进行判别分析，K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Ni、Zn 8 种对地域判别显著的元素先后被引入到判别模型中，如表11所示，4 个地域滩羊肉回代检验和交叉检验的分类正确率分别为93.80%、97.50%。

表11 4 个地域滩羊肉样品的LDA结果Table 11 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

2.7.3 与环境密切相关的元素结合与滩羊肉密切相关的元素对滩羊肉产地判别分析

将滩羊肉与环境密切相关的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe、Cu、Mo、Mn、Sn），参照2.7.1节对滩羊肉产地进行判别分析，其中K、Ca、Na、Mg、P、Cr、Mn、Zn 8 种对地域判别显著的元素先后被引入到判别模型中，结果显示，4 个地域滩羊肉回代检验和交叉检验的分类正确率分别为96.30%、95.00%（表12）。

表12 4 个地域滩羊肉样品的LDA结果Table 12 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

上述正确判别率均达90%以上，说明筛选出的溯源指标对随机滩羊肉样品产地鉴别有效，筛选出的元素指标是滩羊肉产地溯源的理想信息指标。

3 结 论

通过对宁夏盐池县麻黄山乡、冯记沟乡、高沙窝镇的滩羊肉、土壤、饮用水和滩羊饲喂草料中25 种矿物元素（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）含量进行差异分析、聚类分析，筛选出盐池滩羊肉与环境的产地溯源指标，对筛选的产地溯源指标进行验证，得出如下结论：

1）Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn 9 种元素含量与盐池县滩羊肉密切相关；K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe 13 种元素含量与盐池县环境密切相关，盐池滩羊肉与环境有共同的元素指标（Cr、Ni、Rb、Sr、Ba），表明滩羊肉中元素含量与滩羊饲喂饲料、土壤和饮用水中的元素含量有关，有一定的影响及联系；滩羊肉矿物元素溯源指标仅有部分元素指标与环境溯源指标一致，可能是矿物元素在滩羊体内转移、富集、代谢等原因所致。

2）与盐池县滩羊肉密切相关的元素（Cr、Ni、Cu、Rb、Sr、Mo、Ba、Mn、Sn）、与盐池县环境密切相关的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe）以及二者结合的元素（K、P、Ca、Na、Mg、V、Ni、Zn、Ba、Rb、Cr、Sr、Fe、Cu、Mo、Mn、Sn）对随机滩羊肉样品产地鉴别有效，是滩羊肉产地溯源的理想指纹信息指标。