食品产地溯源中同位素分析的研究进展

食品产地溯源中同位素分析的研究进展

0法国法上的食品溯源建立和完善食品跟踪制度是确保食品安全的基本原则之一，也是提高消费者对食品安全的信心的基本原则之一。食品的产地溯源是其非常重要的组成部分,它有利于实施产地保护,保护地区名牌,保护特色产品,确保公平竞争,并在疫病等食品安全事件发生时能有效防止食源性病原菌的扩散,有效召回产品。瑞士公共卫生联邦局最新统计显示,82%的消费者表示食品的产地来源是他们购买选择食品的主要依据。同位素指纹分析是用于食品产地溯源的一项有效技术。近年来,国际上在此方面进行了一些探索性的研究。本文主要介绍了同位素指纹溯源技术的基本原理,产地溯源中几种常用同位素的变化机理,以及同位素指纹技术在食品产地溯源中的研究现状,旨在推动同位素溯源技术在食品安全领域的研究与应用,促进食品追溯制度的建立与完善。1生物包括食品产品的“自然指纹”自然界中,生物体不断与外界环境进行物质交换,体内同位素组成受气候、环境、生物代谢类型等因素影响而发生自然分馏效应,从而使不同来源的物质中同位素自然丰度存在差异,这种差异携有环境因子的信息,反映生物体所处的环境条件。生物体中稳定性同位素组成是物质的自然属性,可作为物质的一种“自然指纹”,区分不同来源的物质。换言之,生物体中同位素指纹是外部环境在生物体中打下的“烙印”。因此,同位素指纹是所有生物(包括食品产品)的一个自然标签,它与生物的生长环境密切相关,且不随化学添加剂的改变而改变,它能为食品产地溯源提供一种科学的、独立的、不可改变的,以及随整个食品链流动的身份鉴定信息。利用此信息,不但可以直接判断产品的来源地,也可以作为一种监督、检查手段,确证货物是从认证的有机土地上生产出来的,确定标签上的声明和可追溯文档的真实性。同位素的自然分馏效应是同位素指纹溯源技术的基本原理与依据。2o、c、n、s、b、sr和pb在食品产地溯源中,常用的同位素包括H、O、C、N、S、B、Sr和Pb。不同的同位素组成受气候、地形、土壤及生物代谢类型等因素的影响其变化规律有很大差异。2.1水的稳定性同位素比率随立地条件的变化氢、氧是水分子的组成部分,它们是示踪水循环最理想的同位素。氢有1H、2H、3H三种稳定同位素,常用2H/1H表示稳定氢同位素组成;氧有三种稳定性同位素:16O、17O和18O,常用18O/16O表示稳定氧同位素组成。理论与实践研究表明,水中稳定性同位素比率在水循环中主要受混合作用及因物理条件如雨水的凝结、蒸发等变化引起同位素分馏作用而产生规律性的变化。一般而言,自然界水中氢、氧同位素比率具有典型的纬度效应、陆地效应、季节效应及高程效应,即δ18O、δ2H值随纬度的增加而减小,由海岸向内陆方向呈递减趋势,气温越低重元素含量越低,海拔高度增加,δ18O、δ2H值减小,它们与地域密切相关。苏小四等分析了2000年8月～9月雨季和2001年3月～4月旱季黄河断面上河水的δ18O、δ2H的沿程变化情况,发现从黄河源头到入海口,黄河水具有稳定性同位素比例逐渐增大的趋势。水中的δ18O、δ2H值受温度和降水量的影响也发生变化。高纬度地区影响降水中稳定同位素比率变化的主要因素是温度,在低纬度热带地区则是降水量,中纬度地区温度和降水量共同影响同位素比率的变化。动植物进行物质交换时,从环境中获得水,其组织中的同位素比率与其生长地域的环境直接相关。2.2环境因子对植物13c值的影响植物中的碳同位素组成与植物的光合碳代谢途径有关,同时受环境因子的影响,即植物中的δ13C值是生物因子与环境因子共同作用的结果。根据植物固定CO2的方式可将其分为C3、C4和CAM植物。不同种类植物的δ13C值有很大差异。C3植物的δ13C值变化在-34‰～-22‰之间,以-27±2‰范围内出现的频度最高;C4植物的δ13C值变化在-19‰～-9‰之间,以-13±2‰范围内出现的频度最高;CAM植物的δ13C值变化范围较宽,在-38‰～-13‰之间,平均值为-17±2‰,介于C3植物与C4植物之间。植物中碳同位素组成不但与其光合碳代谢途径有关,还受外界环境因子的影响。据前人研究,影响植物碳同位素分馏的气候环境因素有温度、降水、压力、光照、大气压及大气中CO2的碳同位素组成等。温度是影响植物碳同位素分馏的重要气候因子,但它对植物δ13C值的影响结果比较复杂。最近有学者认为δ13C-T是一种非线性关系,它具有抛物线的特征,抛物线的拐点对应着植物最佳生长温度点,如果温度低于最佳生长温度,δ13C-T则为正相关,反之,则为负相关。植物在最佳生长温度点有最大的CO2的同化率和最大的碳同位素分馏。植物的可利用水量也是影响植物碳同位素组成的重要因素。当土壤含水量少、空气湿度降低以及降雨量不足时,植物为了减少水分的蒸发,会关闭气孔,导致气孔导通系数减小,从而引起植物叶内CO2浓度下降,光合作用产物的δ13C值升高,即δ13C值有随湿度的降低而增加的规律。光照条件的变化可以影响植物叶子的气孔导通系数、CO2的吸收率及叶内CO2的分压,从而对植物的碳同位素组成产生影响,植物13C随光照的增强而增大。大气压的变化可导致植物叶片内外CO2的分压(pi/pa)的变化,从而影响植物碳同位素分馏。许多研究结果表明,植物碳同位素组成随海拔高度的升高而变重,被认为主要是由大气压降低,植物的pi/pa值减小,植物碳同位素分馏变小的缘故。此外,大气中的碳同位素组成不是一个常数,与大气的CO2浓度一样,它随时间和空间而发生变化。通常情况下,CO2浓度较高的大气具有较低的δ13C值。2.3土壤、植物和人工林生物元素组成氮有14N和15N两种稳定同位素,空气中14N/15N值恒为1/272,因此常以相对于大气氮(N2)的千分偏差来表示含氮物质的N同位素组成。氮在地球上的丰度虽然很低,但它在生命过程中起着很重要的作用,氮是地表水环境中主要营养元素之一。不同来源的含氮物质中具有不同的氮同位素组成。大气沉降NO-3的δ15N值范围为+2‰～+8‰,来自人类和动物废物的δ15N值其15N明显富集,范围为+10‰～+20‰,相反,人工合成的化学肥料的15N比较贫化,它们的δ15N值范围为-3‰～+3‰。植物中的氮取决于土壤中的氮池(硝酸盐和氨水),而土壤中氮同位素组成取决于地理和气候条件,并与农业施肥有关,它们会影响矿化、硝化、氮的吸收和反硝化等生物转化过程,进而影响氮同位素分馏效应和氮的流失程度。动物体中δ15N值受其食物源和新陈代谢两方面的因素影响。呼吸过程导致相当大的氮同位素分馏,使氮同位素的富集度为3‰～4‰。2.4之间的峰值硫同位素是金矿床研究中应用最广泛的稳定同位素之一,常用来判断成矿物质来源、探讨成矿构造、环境演化等,同时它也是研究酸雨中硫污染源的一项常用指标。不同岩石类型中硫同位素组成有较大差异。糜棱岩型矿石硫同位素值变化在-5.8‰～+0.8‰之间,峰值集中在0附近;石英脉型矿石硫同位素值变化在+3.0‰～+11.0‰之间,但是峰值出现在+4‰和+8‰附近。不同地区降水中硫同位素组成有明显差异,这主要与大气污染的硫源有关。在沿海地区以海源硫酸盐为主,而在重工业地区则以工业释放的SO2和固体颗粒物为主。海源硫酸盐的δ34S值为典型的正值,大约为+20‰,煤炭燃烧产生的SO2和固体颗粒物的δ34S值随产煤地区的不同而异。来自不同地区的煤和重油其形成的地质背景不同,它们的硫同位素组成有很大的差异,从而造成其燃烧产物中硫同位素组成不同。珠江三角洲地区煤的燃烧产物SO2的硫同位素组成在4.1‰～5.7‰之间,颗粒物的硫同位素组成为11.8‰～12.3‰;湘桂走廊地区煤的燃烧产物SO2的硫同位素组成在-19.4‰～1.7‰之间,颗粒物的硫同位素组成为-6.4‰～10.1‰;贵阳地区煤炭的燃烧产生的SO2其δ34S平均值为-15.06‰,颗粒态硫δ34S平均值为-2.32‰。土壤中硫同位素组成不但与地质环境、降雨等因素有关,还受施肥等农业生产条件的影响。生物体中有机硫同位素组成与其来源密切相关,它能提供有用的地域来源信息。2.5自然水质对11b含量的影响硼的同位素比率在环境科学、生物科学和地球化学科学中应用较多,这主要是由于不同的地球化学过程会引起硼同位素的分馏效应,从而导致岩石、海洋沉积物和自然水中11B/10B比率变化较大。例如胶体矿物、海水中的盐在沉淀时会吸附10B,使自然水尤其是海水中11B含量增加。硼同位素发生自然分馏的另一个重要机制是硼酸、B(OH)3与硼酸盐离子、B(OH)-4之间随着pH的改变会发生交换作用,这种交换会导致硼酸中富集11B。以上这些自然过程会导致δ11B值高达90‰。硼同位素组成除受自然因素影响外,农业生产中施加含硼的化肥也会影响11B/10B比率,这就导致不同土壤中硼同位素组成有较大差异。2.6岩床和岩体中多岩矿物组成和年龄锶是第五周期ⅡA族元素,它在自然界有4个同位素,即84Sr,86Sr,87Sr,88Sr。其中87Sr是87Rb天然衰变的产物。所以在含铷的岩石和矿物中87Sr的含量是岩石和矿物形成所经历的时间的函数,这一特点是利用Rb-Sr法测定地质年龄的依据。Rb和Sr都是典型的分散元素,在自然界中主要以类质同象的形式分布在造岩矿物中,很少形成自己的独立矿物。Rb的离子半径(0.147nm)和K(0.133nm)十分相近,Sr的半径(0.113nm)和Ca(0.099)相似。因此,在地表岩和沉积物中Rb主要分散在含K的矿物中,如白云母、黑云母和钾长石;而Sr主要分散在含Ca的矿物中,如斜长石、角闪石、辉石、碳酸盐。尽管动植物的吸收与代谢过程会象改变S、C、H、O和N同位素一样改变锶的同位素比率,但由放射衰变产生的一定量的87Sr可作为地域溯源的指标。动植物体中的87Sr/86Sr与岩床中能被生物体利用的含锶矿化物有关。岩床中87Sr/86Sr与岩石中87Rb的含量及岩石的寿命有关,而且不同性质的岩石中87Sr/86Sr比值有差异。酸性岩石(如含硅石较多的花岗岩)中87Sr/86Sr的比值较高,这是因为随着时间的延长,Rb/Sr比率增高;而碱性岩石(如玄武岩和碳酸岩)中87Sr/86Sr比值相对较低。因此,锶同位素比值是判断动植物产地来源、鉴别真假的一种有效指标。当生物体中δ18O和δD相同时,即在气候差异比较小的地区,锶同位素比率的判别效果比较好。2.7放射性变换产物的丰度自20世纪80年代以来,铅的同位素技术广泛应用于环境样品来监测和解析铅的来源变化,如大气颗粒物、树木年轮、湖泊底泥、冰雪、苔藓、淡水和动物牙齿等方面的应用。这主要由于铅有4种天然的同位素,即:204Pb、206Pb、207Pb和208Pb。其中204Pb的半衰期为1.4×1017年,半衰期很长,一般都把它当成稳定的参考同位素处理。而206Pb、207Pb和208Pb分别是238U、235U和232Th的放射性衰变的最终产物,其丰度在不断变化。天然物质中由于原生的Pb以及U和Th的含量不同,年代不同,其铅的同位素丰度组成也就不同,成为一种特征。这一特征一般不因它所经历的化学、物理变化而改变。这就有可能把铅的同位素丰度比作为含铅物质的一种“指纹”去识别、区分铅的不同来源。铅的同位素的“指纹”记录方法的优点在于可以给出可能的铅的来源及传播路径,而且样品用量比较少。同时,由于各地区在地质结构、地质年龄和矿物质含量上存在差异以及各地区降水分布的不同,造成了不同地区铅的同位素组成差异。动植物体内的金属元素大部分来自于土壤及地表水,其铅同位素组成也因此具有地区标志。因此,铅同位素丰度比也可作为判断动植物的产地的标识。在铅的四种同位素丰度中,由于204Pb的丰度较低,测定精度较差,所以一般常选用206Pb/207Pb和208Pb/207Pb作为检测指标进行研究。从以上资料分析中可以看出,国内外学者对土壤、地质及植物中同位素自然丰度的变化规律进行了大量研究,而且已将其广泛应用到环境科学、生物科学及地球化学科学中。这些研究和应用为食品产地溯源提供了一定的理论依据。3在食品生产区的起源中研究同位素指纹分析对食品产地溯源的方法是普遍适用的,食品原料如葡萄酒、饮料、乳品、肉品、水果、蔬菜、谷物等均可以用这种新方法进行分析。3.1葡萄酒中同位素组成国际上利用同位素分析对葡萄酒产地溯源方面的研究最多,比较成熟。自1990年以来,欧盟就从不同国家收集葡萄酒样品,如从意大利、法国和西班牙收集了400个样品,从德国收集了200个样品,建立了不同地域葡萄酒中同位素组成数据库,当时主要是用2H-NMR测定氢同位素比率(欧盟法规2676/1990)。到1997年,开始测定葡萄酒中水的δ18O和乙醇中的δ13C值,并在法国、意大利、英国、西班牙和德国建立了分析这些指标的十个实验室。目前,锶和硼等同位素也用于葡萄酒地域来源分析中。而且有关学者研究发现,葡萄酒中锶同位素组成受季节、气候及加工工艺的影响较小,它是判断葡萄酒地域来源比较理想的指标。但此方面的研究报道很少,还需要进一步研究证实。3.2果汁稳定性分析方法稳定性同位素分析在果汁中的研究应用已有20年的历史,最早主要是通过碳同位素分析鉴别C3植物产品如桔子汁、苹果汁或葡萄汁中掺加C4植物产品如玉米糖浆或甘蔗糖。这种方法在20世纪70年代已得到官方的认可。80年代,随着2H-NMR技术在鉴别苹果汁或桔子汁中加入甜菜糖的应用,稳定性同位素分析在食品质量控制中的应用日益受到欧洲政府的重视。到90年代,果汁中稳定性同位素分析方法在欧洲就被作为一种官方的方法得到发展和认可。在果汁产地来源方面的研究报道相对较少,目前还处于探索有效溯源指标阶段,还未建立完整的数据库用于实际溯源中。但大量的研究已经表明,同位素指纹分析是用于地域判别很有前途的方法。3.3不同乳中抗氧化酶活性的关系欧洲自1998年到2000年在澳大利亚、法国、德国、意大利、西班牙和英国实施开发鉴别原料乳、黄油和奶酪地域来源方法研究的项目以来,利用同位素技术判断乳产品地域来源的研究报道迅速增加。目前资料报道也主要集中在筛选有效溯源指标体系研究方面。具体为研究乳产品不同组成成分中的同位素自然丰度比,不同组织中各同位素指标的组成差异、相关关系,以及季节、气候、奶牛品种对这些指标的影响变化规律。对于不同乳产品,测定的同位素指标有一定差异。在原料乳研究方面,常测定全乳、酪蛋白、乳清中的δ13C值和δ15N值,乳糖中的δ13C值及乳中水的δ18O值;在黄油研究方面,常测定全黄油的δ13C值,黄油蛋白中的δ13C、δ15N、δ34S和δ87Sr值,以及黄油水中的δ18O值;在奶酪方面,常测定酪蛋白的δ13C、δ15N和δ34S值,甘油的δ13C和δ18O值。乳中不同成分的同位素组成有很大差异。全乳中的δ13C值低于酪蛋白和乳糖中的δ13C值,黄油蛋白中的δ13C显著高于黄油中的δ13C值,这主要由于脂肪对13C有贫化作用;乳清中的δ15N值显著低于酪蛋白中的δ15N值,而后者与全乳中的值比较接近,这可能由于不同乳成分中氨基酸组成和相对含量差异较大所致。但不同组织中的同位素指标有显著相关性,它们均可作为产地溯源的指标。原料乳和黄油水中δ18O值在地区之间有差异,但它们受气候的影响比较明显,如夏季和秋季乳中水的δ18O值明显高于春季和冬季的样品。因此,用原料乳和黄油水中δ18O值作为地域溯源指标时,应了解产品生产的季节信息。测奶酪水中的δ18O值就不能得到合理的结果,因为在奶酪制作过程中要加入或失去一部分水分。奶牛品种对乳中水的δ18O值有一定影响,但其影响远小于膳食和地域的影响。3.4肉中水和肉中水的原产地溯源在肉制品研究方面,最近的报道主要是对牛肉和羊肉产地溯源的研究。选用的同位素指标常为δ13C、δ15N、δ34S、δ18O和δD。动物组织中碳同位素组成主要与其饲料种类密切相关,它可以表征饲料中C4植物所占的比例;氮同位素组成不但与饲料种类有关,也与土壤、气候及农业施肥等因素有关;δ18O和δD与动物生长的气候、地形有关。不同地域来源的肉组织中同位素组成有明显差异。Schmidt等研究发现美国(23个样品)与欧洲(35个样品)的牛肉中δ13C值差异很大,而且爱尔兰与其他欧洲国家牛肉的δ13C、δ15N值也存在明显差异;综合分析C、N、S同位素,还可区分出常规养殖的牛肉与有机养殖的牛肉。关于肉品水中δ18O和δD作为产地溯源的指标目前还用异议,一些学者认为它们可以作为产地溯源的指标,但另一些研究者发现肉中水的δ18O值不但受季节的影响较大,而且受肉的储存期和储存环境影响也很大。InesThiem等将50g切碎的牛肉分别在18.5℃和21.5℃下贮藏了10h,分析肉中水的δ18O值的变化情况,发现每1hδ18O值分别增加了0.3‰和0.4‰。此外,胴体喷水冷却对肉中水的δ18O值改变也很大。这些因素的影响掩盖了地域之间的差异。对此有些学者建议测定牛肉粉、牛尾毛或骨中的δ18O和δD。动物的产地溯源比较复杂,因为动物产品中同位素组成既受它们所食用的植物饲料中同位素组成的影响,也受动物代谢过程中同位素分馏的影响,而且动物经常食用不同地区来源的饲料,或者一生中在不同地方饲养。Bettina等指出,羊的产地溯源研究最为简单,因为它主要食用当地饲料,而且不需要育肥。对牛而言,传统养殖的牛追溯比较容易,而育肥牛的追溯比较复杂,因为牛的饲养地不断转移,同一地方的牛可能来自不同地方,体组织的成分可能是另一地域的膳食,牛组织中的元素和化合物可能反映的是两个或多个地区的信息。家禽肉的产地溯源最为复杂,因为家禽食用混和饲料与浓缩饲料,每批饲料成分差异很大,这就需要更尖端的技术分析其产地来源。随着育肥体系的发展,追溯动物的地域来源将越来越复杂。因此,在以后溯源中了解动物的生长史显得尤为重要。德国学者MichaelSchwertl提出以牛尾毛为材料可以研究牛的生活史。因为牛尾毛相对其他组织而言比较特殊,牛尾毛主要由角蛋白构成,据报道,一旦角蛋白的结构确定,毛发组织的代谢就会停止,不再与