水产品溯源技术研究进展

区兑鹏 张小军

(1 浙江海洋大学食品与药学学院，浙江舟山 316022；2 浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316022)

随着我国居民收入水平的不断提高，人们的营养膳食观念也在逐渐转变。水产品作为优质蛋白质的重要来源之一，已成为人们日常食物消费的重要组成部分[1]。水产品的蛋白质利用率比畜禽类高很多，且其脂肪含量较低，一般在5%以下[2]，更加适合于现代低脂饮食。水产品需求的快速增长促进了水产养殖业的迅猛发展，但也导致了水产品质量安全事件的频发，给我国水产养殖业和相关出口贸易企业造成了很大的经济损失[3]。如2002年的“氯霉素事件”[4]，2005年的“孔雀石绿事件”[5]，2006年的大闸蟹、福寿螺、桂花鱼和多宝鱼事件[6-7]，等。水产品质量安全事件的频发使得欧盟、韩国、日本等对来自中国的水产品甚至农产品制定了更加严格的准入标准，加大了进口管控力度，给我国水产品在国内外市场的形象带来极大的负面影响。当前，技术性贸易壁垒已逐渐成为我国水产品出口的最大障碍。为增强我国水产品的国际竞争力，打破国外水产品技术贸易壁垒，及时鉴别水产品来源以及对销售过程中水产品的质量进行监管成为水产行业亟待解决的问题。食品的可追溯体系就是利用现代化信息管理技术使每件商品拥有独特的标码，做到“从原料到餐桌”的全程可追踪性。在检测技术日益先进的今天，标签技术等一些在运输及销售环节容易出现错漏的技术逐渐被更加先进的检测技术所取代[8]。本文从物理、化学、生物3个方面对近年来水产品溯源技术的研究进展进行归纳总结，并对水产品产地溯源技术研究的发展趋势进行展望。

1 生物技术

1.1 DNA条码技术

2003年，加拿大研究人员开发了1种基于分子的DNA条码识别系统[9]，其本质上是1种使用基因组中标准的、与位置一致的短DNA序列作为分子诊断物种水平的鉴定技术[10]。DNA条码序列相对于整个基因组来说非常短，可以合理、快速、廉价地获得，适用于鱼类的分子诊断应用[11]。我国DNA条码技术起步较晚，现有的技术主要应用于中药材[12]、小麦[13]及猪体[14]等。随着技术的逐渐成熟，DNA条码技术在水产品溯源、鱼种鉴定、渔业生物多样性保护中得到了越来越多的应用。

胡冉冉等[15]选取线粒体COI基因和16S rRNA基因片段作为海参物种鉴定的通用DNA条形码，用于鉴定市售海参，在24份市售海参样品中，有10份样品的物种鉴定结果与标签名称相符，6份样品与标签名称不符，说明存在将低价海参品种标为高价海参的现象，其余8份样品的标签只有商品名而没有明确的物种信息。利用DNA条形码技术对其鉴定可得到明确的海参物种信息。研究结果证实，DNA条形码技术可应用于市售海参的物种鉴定，为海参产品的监管提供了技术支撑。

赵建等[16]研究利用线粒体COΙ基因序列对149个采集的鳢样本和122条GenBank中已有序列进行分析，利用邻接法(neighbour-joining，NJ)和最大似然法(maximum likelihood tree，ML)分别构建系统进化树，发现存在由多个种组成的巴卡鳢和南鳢复合支系。研究表明，COI基因测序是我国土著鳢科鱼类物种鉴定的有效工具，并可用于进行外来观赏鱼的鉴定。

1.2 分子生物技术

由于所在水域或生长环境不同，水产品所携带的微生物种类也具有极大的差异，利用这些差异可对水产品产地进行溯源。聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE)技术就是此类技术的代表，该技术具有简便快速、可操作性强等特点。

Pimentel等[17]运用PCR-DGGE和454焦磷酸测序对葡萄牙3家不同养殖场的鲈鱼进行了判别分析，他们采集鲈鱼皮肤黏液中存在的特定细菌群落，通过非度量多维标度分析得出，3家养殖场所获得的数据在三维空间中明显分开，并且在PCR-DGGE谱中细菌群落明显不同，证明特定细菌群落可以作为水产品产地表征，通过该技术能够追踪到鱼类各自的产地来源。

Cohen等[18]运用变性梯度凝胶电泳，以非侵入性和非破坏性的方式对采自同一时期不同地理位置的海马黏液中的细菌进行了16S rDNA片段分析。结果发现，同一位置采样的标本显示出更高的相似度，表明地理位置影响了野生海马的细菌指纹。该方法具有揭示产地特征并追踪活海马起源的潜力。

1.3 蛋白质组学技术

基因组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术已被证明是研究生物系统和生理学的重要工具[19]。蛋白质组是指1个细胞在特定时间和特定环境条件下所有蛋白质的表达。蛋白质组学技术将在鱼类品种鉴定等研究领域发挥越来越重要的作用[20]。

Monti等[21]研究了基于蛋白质的十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE)分离，通过基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption ionization，MALDI)和高效液相色谱-电喷雾离子化-质谱(high-perfor manceliquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry，HPLC-ESI-MS)进行肽的测序，采用蛋白质组学方法，结合气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)和电感耦合等离子体质谱技术(inductively coupled plasma mass spectrometry ICP-MS)分析测定养殖鲈鱼和野生鲈鱼体内的脂肪酸和金属离子含量，结果表明，养殖鲈鱼与野生鲈鱼的肌肉有明显的化学和生化差异。这些信息可用于水产品溯源、食品安全风险管理和认证分析。

Hu等[22]采用靶向蛋白质组学方法，通过特征肽段对中国对虾、日本对虾和南美白对虾等3种对虾进行物种鉴别。结果显示，共鉴定出27条来自3种对虾的特征肽段，其中16条来自于日本对虾，6条来自于南美白对虾，5条来自于中国对虾，表明通过特征肽段可以快速有效地鉴定这3种对虾。最后，使用4种来自市场的未建模样品对筛选所得的肽段进行实际样品的验证，证实使用特征肽段可以有效地鉴定这3种对虾。

2 化学技术

2.1 稳定同位素溯源

在自然界存在的同位素中以稳定同位素居多，常用的稳定同位素的元素有氢、碳、氧、氮、硫等。由于不同同位素之间拥有相同的电子结构，因而在宏观上也有相同的生物和化学性质。稳定的同位素组成可提供有关生物制品的生态和地理起源的信息，适用于食品产地溯源的研究[23]。稳定同位素已用于研究牛奶[24]、茶叶[25]、杨梅[26]等的地理起源。

Han等[27]对中国烟台和刘家峡两个地点采集的鲑鱼样本进行了多元素分析，运用电感耦合等离子体原子发射光谱法(electron-coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES)测定鱼体中18种元素的含量。采用线性判别分析(linear discriminant analysis，LDA)，k近邻法(k-nearest neighbor，KNN)和偏最小二乘法判别分析(partial least squares-discriiminate analysis，PLS-DA)在内的多变量统计数据比较两个不同区域的鱼体样本。LDA、PLS-DA和KNN方法的总体分类准确率分别为97.56%、97.56%和98.78%。结果表明，鲑鱼的地理起源可以根据多元素分析进行准确分类，而不受季节影响。

Zhang等[28]以δ13C和δ15N确定了575个来自7个不同产地的扇贝样本，并通过LDA测试了另外150个样本。结果表明，LDA用于原产地预测的准确率为92%，而物种预测的准确率为98.3%。

2.2 有机成分溯源

水产品的脂肪酸组成不仅受食物来源的影响，还受其自身的生理和生态特征以及季节、纬度和个体生长发育阶段的影响[29]。温度会影响鱼类的脂肪酸组成，在低温条件下，鱼体中的多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)含量较高。当温度升高时，饱和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)含量会逐渐增加。研究表明，PUFA的含量与承受低温的能力有关。迁徙鱼类的迁移和产卵行为改变了其体内脂肪酸组成[30]。此外，随着纬度的增加，浮游动物中总脂肪酸和单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid，MUFA)的数量继续增加，这与浮游植物的主要种类以及浮游动物的生活环境有关[31]。海洋动物的脂肪酸组成主要受食物来源和环境条件的影响，存在显著差异。海洋动物的脂肪酸组成可以反映和指示特定的生活环境，即海洋动物的脂肪酸组成具有明显的地理指纹特征。因此，测定脂肪酸组合物可以用于海产品的产地溯源。

Zhang等[28]测定了分别来自中国7个地方的3种扇贝共300个样品的脂肪酸含量以及脂肪酸δ13C值。结果显示，脂肪酸谱和脂肪酸δ13C指纹图谱对原产地预测的准确率分别为92.0%和85.3%。两种方法的结合提高了识别率，准确率达100.0%，表明脂肪酸谱和脂肪酸δ13C指纹图谱结合可以成为扇贝精确溯源的工具。

Gong等[32]对太平洋东部3个收获地点的鱿鱼进行脂肪酸和碳氮同位素比值(δ13C和δ15N)鉴定。结果表明，δ15N，C16∶1n7，C17∶1n7，C18∶2n6，C20∶1n7和C20∶4n6为区分来源的有效变量，稳定同位素比率与脂肪酸分析的结合使用可以追溯巨型鱿鱼的地理起源。

3 物理技术

3.1 光谱技术

近年来，一些光谱与化学计量学相结合的技术由于具有快速、简便等优点，已被广泛用于鱼类质量和真实性测试中[33]。目前常用的光谱技术包括红外光谱(infrared spectroscopy，IR)、荧光光谱、核磁共振谱(nuclear magnetic resonance，NMR)等，这些技术仍在不断发展。

3.1.1 拉曼光谱技术

拉曼光谱法是1种基于非弹性拉曼散射的分子振动技术，这是1种伴随分子振动并触发分子极化率变化的物理效应。典型的拉曼光谱显示散射光的强度与拉曼位移的波长之间的关系，其特征在于清晰且具有很好分辨的谱带，这些谱带可提供有关所分析物质的分子结构和组成的信息[34]。

Velioglu等[35]采用拉曼光谱法对来自6个不同种类的64个鱼体样品进行了分析。结果表明，拉曼光谱法和化学计量学方法可以有效用于鱼类的鉴别。

3.1.2 红外光谱技术

红外光谱法涉及电磁光谱的3个不同子区域，即现代近红外光谱(near infrared，NIR)，中红外光谱(mid-infrared，MIR)和远红外光谱(far infrared，FIR)，它们被样品吸收会导致分子键中原子的振动。这些振动给出了大量的信息，这些信息不仅与化学键有关，还与样品中的一般分子构象、结构和分子间的相互作用有关[36]。

Liu等[37]使用近红外光谱仪(near infrared spectrum instrument，NIRS)分析来预测中国4个地理来源(广东，海南，广西和福建)的出口罗非鱼片的化学成分。通过相似分类法(soft independent modeling of class analogy，SIMCA)对罗非鱼进行分类时，来自广东的罗非鱼占80%以上，海南、广西以及福建的罗非鱼中,75%的鱼片被准确地分配给相应的集群。这项研究的结果表明，近红外光谱技术与模式识别方法相结合是1种可实现出口罗非鱼片原产地追溯的可行方法。

Ghidini等[38]将NIRS与化学计量分析方法相结合，用于研究快速鉴定欧洲鲈鱼的地理来源(西、中或东地中海)。对1 100至2 500 nm的NIR光谱进行探索性主成分分析(principal component analysis，PCA)，区分了鲈鱼的地理来源，其中东地中海的准确率为100%，中地中海为88%，西地中海为85%。

3.1.3 荧光光谱技术

荧光光谱法可以直接研究食物基质中的荧光成分。高光谱荧光成像还可以揭示样品中荧光成分的空间分布。荧光光谱和图像都可视为样品的唯一指纹。目前，荧光光谱在确定鱼类种类和地理起源方面仍缺乏应用[39]。

Eaton等[40]利用类比法，通过软件独立建模的并行因子来分析虾(分别产自厄瓜多尔、菲律宾、泰国和美国)提取物的荧光数据。试验有2个分类为统计异常值，剩余的22个样本以95%的置信度准确识别出原产国。结果表明，对虾进行荧光测量可能适用于虾类的地理分类，或者可以推断出动物的生长环境。

3.1.4 原子光谱技术

原子光谱是原子中电子能量变化时发射的一系列不同波长的光谱，每1种原子的光谱都不同，称为该原子的特征光谱，并且动物源性食品中元素的组成会因地理位置、外界环境等因素的变化而受到影响[41]。因此，可以利用原子光谱技术对水产品进行判别。原子光谱技术主要包括原子吸收光谱技术、原子发射光谱技术等。

Guo等[42]从舟山、温州、宁波3个地点采集了鲳鱼、带鱼、鱿鱼、小黄鱼样本，利用原子吸收光谱和电感耦合等离子体质谱对样本体内的Na、Mg、Si等25种元素进行了测定，采用PCA、PLS-DA和概率神经网络(pulse neutron neutron，PNN)进行统计分析。结果表明，PCA可以分别对每种海鱼的产地进行区分，而PLS-DA和PNN可在不区分海鱼种类的前提下进行判别，并且判别准确率分别达到97.92%和100%。利用原子光谱技术进行产地溯源分析时，常需要与多种测定方法相结合，以便提高判别效率，这也是原子光谱在水产品溯源方面未来研究的方向[43]。

3.1.5 核磁共振技术

核磁共振检测技术是1种无损检测技术，在食品领域应用越来越多。NMR分为高分辨率和低分辨率两种，主要根据特征组分及其含量的高低来作为PCA的判别指标，其本质是由磁矩不为零的原子核受电磁波辐射发生跃迁而形成的吸收光谱，技术优点是光谱稳定，分析方法简便，前处理较少[44]。

Rochfort等[45]运用NMR和GC-MS对澳大利亚蓝贻贝进行了代谢组学评估，并与新西兰绿色唇贻贝进行了比较研究。结果表明，该方法可用于确定贻贝的产地，并可以发展成为对水产业有用的追溯工具。

3.2 质谱技术

3.2.1 稳定同位素比率质谱技术

稳定同位素质谱在食品检测以及溯源的应用有以下优点：操作简便、灵敏度高、能够有效区分被追踪物质的来源[46]。目前已见报道的食品检测主要有蜂蜜[47]、酒[48]、肉类[49]等，其在食品检测以及溯源领域具有较大的发展潜力。

Gopi等[50]使用稳定同位素比率质谱仪对斑节对虾进行稳定同位素分析(stable isotope analysis，SIA)和X射线荧光(X-ray fluorescence，XRF)分析，使用LDA和随机森林计算方法(random forest，RF)分析了同位素和元素数据(31个元素)。LDA和RF具有一致的结果，XRF有效区分了生产方法和地理起源(准确度高达100%)，而SIA准确度稍低(准确度为95%)。研究表明，SIA和XRF是确定斑节对虾来源的有效补充方法。

Gopi等[51]还使用稳定同位素分析(SIA)和X射线荧光(XRF)分析确定亚洲鲈鱼的生产方法和地理起源。使用单变量和多变量分析、RF和LDA等3种不同的统计方法对数据进行了分析。SIA模型的准确度为84%，使用XRF进行元素分析的模型的准确度为72%，而SIA与元素模型的组合在确定出处方面的准确度为81%。

3.2.2 电感耦合等离子体质谱技术

电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)近些年发展迅速，由于其干扰少、灵敏度高、超痕量检测限、可以同时进行多种元素的分析检测等特点，成为无机微量元素分析的重点技术之一[52]。水生生物体内微量元素组成及其体内微量元素的含量因受生长环境和水质的影响会产生差异[53]，从而可以通过对生物体中非金属元素和金属元素的定量检测分析进行水产品产地溯源。

Ricardo等[54]使用ICP-MS分析源自葡萄牙沿海8个不同生态区域以及其中1个区域内4个不同地方的蛤标本，测量了4个元素比(Mg/Ca，Mn/Ca，Sr/Ca和Ba/Ca)。运用线性判别函数对抽样的8个生态区域中的蛤进行分析，平均准确率为90%，表明电感耦合等离子体质谱可以用于追踪蛤的地理起源。

Northern等[55]使用电感耦合等离子体质谱法测定从新西兰东部和东南部采集的大钩鱿鱼喙中Onykia基因的痕量金属，发现23种微量金属元素平均占喙质量的3.7%，Na、K、P、Ca，Mn、B和Zn(都是海水中的主要元素)占痕量元素含量的99%以上。研究表明，从鱿鱼喙中的痕量元素中可以识别出其生活水域的海水，进一步的研究可使微量元素概况成为鱿鱼及其捕食者有用的地理标志，从而成为鱿鱼的溯源依据。

3.3 色谱技术

3.3.1 气相色谱技术

气相色谱技术(gas chromatography，GC)是目前1种较为成熟的分离分析技术，其分辨率高、重复性好、灵敏度高，尤其适合分析挥发性和半挥发性物质，但是对特定物质的分析需要寻找合适的分离提取技术，增加了时间和劳动量[56]。

Zhao等[57]运用气相色谱-同位素比率质谱仪(gas chromatography-isotopes ratio mass spectrometry，GC-IRMS)结合氨基酸(AAS)碳稳定同位素指纹图谱的方法鉴定从中国不同采样点采集的刺参的地理起源。研究表明，AAS碳稳定同位素指纹图谱可提高刺参的识别度，区分来自不同采样子区域的样品，说明AAS化合物特异性同位素分析作为1种有潜力的方法，可以准确地识别中国沿海地区日本刺参的地理起源。

3.3.2 高效液相色谱技术

高效液相色谱技术是根据食品中化学成分的种类和含量不同，建立一定的指纹图谱，从而对食品产地溯源进行分析和检测。该技术灵敏度高、重现性好、样品前处理也比较简单[58]，已被应用于葡萄酒[59]、大米[60]、茶叶[61]等产品的产地判别中，但在动物源性食品中应用较少。

王雪松等[62]通过超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱(ultra performance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometry，UHPLC-ESI-TOF-HRMS)对不同产地(胶南、威海和大连)仿刺参磷脂轮廓进行分析，采用PCA对不同产地的仿刺参进行聚类分析，并构建了PLS-DA模型。该研究所构建的方法能够基于磷脂轮廓对不同产地的仿刺参进行有效区分，可用于仿刺参的产地鉴别和溯源工作，为高值海产品的溯源研究提供了方法学参考，并为评价不同产地仿刺参营养价值差异研究提供数据支持。

4 其他技术

4.1 几何形态计量学方法

Ibáňnez等[63]应用几何形态计量学方法(geometric morphometric method，GMM)分析了来自墨西哥城中央鱼市场3个不同贸易场所的标本，并将其与先前从墨西哥湾和太平洋沿岸已知地区收集的标本的鳞片形状进行了比较。应用留一法程序来验证形状上的判别函数的结果和尺寸-形状空间中的相对翘曲(形状加尺寸)。判别结果正确率为83.3%，表明鱼鳞片差异具有追踪鱼产地的作用。

4.2 区块链技术

区块链技术使分散管理成为1种新形式的分布式软件体系结构，其中组件可以在共享系统状态上达成协议，而不必依赖中央集成点。区块链技术的出现为食品可追溯性、去中心化、防篡改等提供了保障，提高了数据欺诈的难度，并确保了数据的安全性。如果将区块链与农产品的可追溯性相结合，则可以最大程度保证可追溯数据的安全，进而调节生产者的生产行为，提高消费者对食品质量的信心[64]。目前区块链技术已经成功运用于加纳罗非鱼[65]、金枪鱼[66]以及新南威尔士州南海岸鱼类[67]的溯源。

5 展望

中国是渔业生产大国，水产品进出口贸易是促进国民经济增长的一个重要方面，而产地溯源体制是保证水产品质量安全以及增强消费者对水产品市场信任度的重要手段。近年来，水产品质量安全可追溯技术体系在国内外获得了广泛关注，被认为是保证水产品质量安全的有效途径。随着对水产领域研究的不断深入，应加快技术引进和技术创新，在缩短溯源时间的同时，将多种技术结合联用，以提高溯源的准确率，降低成本。因此，研究快速的检测方法并在市场以及基层普及，结合物联网和信息技术建立对应方法的数据库，在全球范围内建立一套统一的水产品质量安全可追溯制度和体系将是我们今后的工作重点。