食品产地溯源及确证技术研究

食品产地溯源及确证技术研究

0食品产地溯源及确证技术概述[研究意义]随着污染和食品安全隐患的加剧，食品区域的来源经常受到国家管理部门和消费者的高度重视。各国纷纷出台政策,保护地区名牌,保护特色产品。欧盟对地域名优特产品的认证有3种标签,即原产地保护产品(protecteddesignationoforigin,PDO)、地区名牌保护产品(protectedgeographicalindication,PGI)和传统特色保护产品(traditionalspecialityguaranteed,TSG)。中国于2008年2月1日实施了《农产品地理标志管理办法》,并在推行无公害食品、绿色食品、有机食品和地理标志农产品(称作“三品一标”),以保护地区名优特农产品。但在实际生产和流通中,受经济利益的驱动,常出现以假乱真,以次充好,以一般食品冒充名优特产品,欺骗消费者的现象。因此,地理标志产品、名优特产品的长期发展需要严格的管理,特别需要使用科学的技术手段进行监测和检查,才能保护生产者和消费者的利益,保护产业的可持续发展。食品产地溯源和确证技术是近年来各国学者研究和发展的一项新技术,它能够为地理标志产品、地区名优特产品的追溯和甄别提供技术支撑。【前人研究进展】各国学者把稳定性同位素指纹分析、矿物元素指纹分析、近红外光谱指纹分析、有机成分指纹分析等不同化学分析方法应用于食品产地溯源及确证技术研究之中,结合多元数理统计方法,从地域特征指标筛选、技术方法的可行性分析,到判别模型建立、验证等方面,均有不同程度的探索。目前,该技术的研究思路和方法已初步形成,技术体系也在逐步建立。【本研究切入点】分析目前用于食品产地溯源及确证的稳定同位素指纹、矿物元素指纹、红外光谱指纹和有机成分指纹4种分析技术的原理、方法特点及应用。【拟解决的关键问题】提出食品产地溯源及确证技术研究的基本思路、步骤、方法,为食品安全监管提供支撑。1食品确证的应用食品溯源(foodtracing)是指从供应链下游向上游识别一个特定产品或一批产品来源的过程。食品产地溯源(foodgeographicalorigintracing),即识别食品原产地的过程,明确市场销售食品来自何地。食品产地溯源可通过纸笔、电子标签、耳标等跟踪信息的方式实现。在跟踪信息丢失或伪造的情况下,可通过稳定同位素指纹、矿物元素指纹、红外光谱指纹和有机成分指纹分析等技术进行溯源。食品确证(foodauthenticity)是指消费者购买的食品与其商标或产品说明的一致性,即证明产品的真实性。食品确证的目的是为了维护公平交易,保证产品信誉,保护消费者的利益。食品确证常常涉及到产地、品种、质量、品牌、种植和加工方法等,如地方名牌、传统工艺、自然产品、有机农业产品等。食品产地确证(foodgeographicaloriginauthenticity)即是通过客观的方法证实食品是否真正来自某个地区。食品产地溯源及确证技术研究主要是探寻表征不同地域来源食品的特异性指标。稳定同位素指纹、矿物元素指纹、红外光谱指纹和有机成分指纹分析技术常被用于食品产地溯源及确证技术研究之中。不同溯源技术的基本原理和特点不同。1.1同位素分析技术在自然界中,生物体不断与外界环境进行物质交换,其体内的13C/12C、15N/14N、2H/1H、34S/32S等稳定性同位素组成受气候、环境、生物代谢类型等因素的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,可作为物质的一种“自然指纹”,区分不同地域来源的物质。因此,同位素指纹是所有生物的一个自然标签,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。同位素分析技术具有样品前处理简单,用样量少,检测精度高和分析速度快等特点。但此方法也存在一定的局限性,如碳同位素组成主要反映动物饲料组成,饲料的改变和混用常常会掩盖地域来源信息;产品中15N的丰度值同时受气候条件和氮肥施用的影响,会导致试验结果不稳定;氢和氧同位素组成主要受降水、气候、地形等环境因素的影响,可能无法有效区分来自气候和地形相似地区的产品;硫同位素的影响因素较为复杂,变化规律不明显,而锶等重同位素在动物体内含量极低。此外,稳定同位素组成分析的仪器设备昂贵,分析成本较高。1.2测矿物元素含量的仪器受地质、水和土壤环境因素的影响,不同地域土壤中矿物元素的组成和含量存在差异,导致在不同地域生长的生物体有其各自的矿物元素指纹特征。生物体中的矿物元素按照含量分为常量元素、微量元素和痕量元素。检测矿物元素含量的仪器有原子吸收光谱仪(AAS)、原子荧光光谱仪(AFS)和等离子体质谱仪等(ICP-MS)等。等离子体质谱仪由于检测精度高、检出限低、灵敏度高、检测速度快、用样量少,并可同时检测多种元素的特点,在食品产地溯源方面的应用日益增多。矿物元素指纹分析技术样品前处理简单,检测速度快,检测成本相对比较低,而且矿物元素比较稳定,在食品加工过程中不易发生变化;同时用于溯源的检测指标比较多,对食品产地来源的正确判别率比较高,已成为食品产地溯源的有效技术之一。矿物元素指纹分析技术用于食品产地溯源的关键是需要从种类繁多的元素中筛选出与食品生长地域密切相关的、稳定的元素指纹信息。1.3红外和理化指标法红外光谱(infraredspectra)指以波长或波数为横坐标,以强度或其它随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为0.8—2.5μm)、中红外光谱(2.5—25μm)和远红外光谱(25—1000μm)。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱;对被物质所吸收的红外射线进行分光,可得到红外吸收光谱。不同地域来源的生物体受外界环境的影响其化学组成和结构存在一定的差异,从而形成光谱形状、吸收位置或强度不同的特征光谱图。利用此原理可判别、确证食品的地域来源。红外光谱检测速度快,对样品无损,且检测成本低,是用于食品产地溯源的较廉价的方法。但由于红外光谱主要反映的是食品中有机成分的组成、含量、结构和功能团等特征,食品在贮藏、加工过程中由于有机成分的组成、含量等变化而使红外光谱特征发生变化,致使与食品产地溯源的光谱指纹特征不稳定。这是红外光谱用于食品产地溯源的局限性所在。1.4不同地域特征的指纹检测受温度、湿度、日照、降雨和土壤等因素的影响,不同地域来源的同一种食品中的脂肪、蛋白质、糖类、维生素和香气成分等有机成分的组成和含量有显著差异,形成不同地域特定的指纹特征。通过对不同地域食品中有机成分特征的筛选研究,可建立食品产地的有机成分指纹溯源技术。不同地域来源食品中有机成分指纹分析可明确食品的地域品质特征,对地区名优特产品的营养品质区分和鉴别起到支撑作用。但食品中有机成分易受加工工艺和贮存条件等因素影响,致使利用有机成分指纹信息进行食品产地鉴别具有一定的难度和缺陷。而且不同的有机成分有其特有的样品前处理方法和检测方法,一般样品前处理方法和检测方面比较复杂,且耗时较长。2食品生产区的回归技术的应用2.1不同地域的牛奶在食品产地溯源中,常用的同位素包括H、O、C、N、S、B、Sr和Pb。研究主要集中在分析不同地域来源食品中同位素组成差异、食品各组分中同位素组成特征,以及各项同位素指标对食品产地来源的正确判别率,并建立溯源数据库或绘制溯源地图。Schmidt等研究发现,美国(n=23)与欧洲(n=35)的牛肉中δ13C值差异很大,而且爱尔兰与其它欧洲国家牛肉的δ13C、δ15N值也存在明显差异;Martinelli等分析了来自26个国家的麦当劳牛肉汉堡中的δ13C和δ15N值,发现低纬度国家样品中的δ13C值显著高于高纬度国家,表明汉堡即使是一种全球性的食品,也包含了一定的地域信息;Osorio等利用C、N、H、S同位素有效区分了来自欧洲国家和非欧洲国家的牛肉;Crittenden等分析了澳大利亚和新西兰7个牛奶主产区的脱脂牛奶和乳酪蛋白中的δ13C、δ15N、δ18O、δ34S和δ87Sr,结果表明相对于酪蛋白,脱脂牛奶对δ13C和δ15N有富集作用,对δ34S有贫化作用,两者的δ87Sr值则相近,澳大利亚牛奶中的δ18O和δ34S值明显高于欧洲其它牛奶产区。德国、意大利、西班牙等欧盟国家在葡萄酒产地溯源方面的研究比较多,已初步建立了其国内葡萄酒产地的氢和氧同位素溯源数据库。郭波莉等从中国肉牛主产区吉林、贵州、宁夏、河北4个地域采集牛肉样品和牛尾毛样品,检测了其中的δ13C、δ15N、δ2H、206Pb/207Pb、208Pb/207Pb和87Sr/86Sr值,结果表明,不同地域来源样品中稳定碳、氮、氢、铅和锶同位素均有显著差异,单一同位素指标对牛肉产地的正确判别率比较低,最高的仅为73%,而δ13C、δ15N和δ2H3项指标组合对牛肉产地的正确判别率可达到92%。2.2不同地域对咖啡、甘蔗酒的判别效果矿物元素检测指标种类多,利用ICP-MS可同时检测几十种矿物元素。国内外研究主要是筛选在地域之间有显著差异的矿物元素指标,并利用逐步判别分析、主成分分析和聚类分析等对元素进行筛选和降维处理,确定出对食品产地溯源有效的指标。Coetzee等测定了来自南非3个地区40个葡萄酒样品中的40种元素,通过分析得出Li、B、Mg、Al、Si、Cl、Sc、Mn、Ni、Ga、Se、Rb、Sr、Nb、Cs、Ba、La、W、Ti、U20种元素在地区之间有显著差异,通过逐步判别分析,筛选出Al、Mn、Rb、Ba、W、Ti6种元素,它们能完全区分3个地区的葡萄酒样品。Jaroslava等分析了来自捷克斯洛伐克共和国不同地域53个葡萄酒样品中的27种元素指标,发现Al、Ba、Ca、Co、K、Li、Mg、Mn、Mo、Rb、Sr、V及Sr/Ba、Sr/Ga、Sr/Mg对葡萄酒地域的判别效果比较好,用它们对所分析样品中白葡萄酒的正确判别率为97.4%,对红葡萄酒的正确判别率为100%。Anderson等检测了来自印尼、东非、中美洲和南美洲160个咖啡样品中的18种元素含量,并利用多元统计方法对其进行分类,结果认为多元素分析与数学分类技术结合能很好地判别食品的地域来源。Andrea等分析了巴西东北、中部和南部地区的咖啡、甘蔗酒中Al、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Pb、S、Se、Si、Sn、Sr、Zn15种元素含量,结果表明地域之间有一定差异,但产品中的元素含量主要与加工方式有关,通过主成分分析和聚类分析可明确区分出工业与家庭制作的甘蔗酒,并可以判别出即溶咖啡与炒咖啡。Antonio等测定了来自亚洲和非洲85个茶叶样品中的17种矿物元素含量,得出利用元素指纹分析可以很好地判断茶叶的产地来源。在蜂蜜研究方面,Arvanitoyannis等利用AAS、HPLC、GC-MS、ES-MS、TLC、NMR等仪器对不同地域来源的蜂蜜进行各项指标的分析,指出微量元素与痕量元素分析是判断不同地域来源蜂蜜非常有效的方法。Hernández等测定了加拿利群岛116个蜂蜜样品中的Fe、Cu、Zn、Mg、Ca、Sr、K、Na、Li和Ru10项元素指标,发现这些指标能很好区分不同地区的蜂蜜样品。郭波莉等从中国肉牛产区吉林、贵州、宁夏、河北4个地域采集牛肉样品,检测了脱脂牛肉中的Na、Mg、Al、K、Ca、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Sr、Zr、Mo、Sn、Sb、Ba、Pb22种矿物元素的含量,方差分析结果显示,样品中Na、K、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ga、As、Se、Sr、Mo、Sb、Ba和Pb16种元素在地域之间呈极显著差异;对16种元素进行主成分分析,结果表明前5个主成分的累计方差贡献率达到82.17%,第1主成分主要综合了牛肉样品中Mn、Co、As、Se、Sr、Ba和Pb7种元素含量的信息,第2主成分主要综合了样品中Na和Ca的含量信息,第3主成分主要综合了样品中Fe和Ni的含量信息,第4主成分主要表示了K含量的信息,第5主成分主要表示了Mo含量的信息;对16项有极显著差异的指标进行逐步判别分析,筛选对地域判别有效的变量,剔除不必要的干扰变量,进而建立判别模型。分析结果显示,在0.05显著水平下,Se、Sr、Fe、Ni和Zn5项指标引入到判别模型中,此5项指标对牛肉产地的整体正确判别率为98.3%。2.3近红外光谱结合pls法和化学计量学法目前,红外光谱溯源技术已经用于葡萄酒、橄榄油、稻米、小麦、茶叶等植源性食品,以及牛肉和羊肉等动物源性食品的品种、产地来源鉴别中。Cozzolino等采用近红外光谱技术鉴别澳大利亚不同品种的白葡萄酒产地,利用PCA结合PLS法初步建立了葡萄酒的判别模型,其对雷司令和波尔多葡萄酒产地的识别率为分别为100%和96%。Liu等利用近红外光谱结合D-PLS和LDA法可以识别来自澳大利亚、新西兰和欧盟的雷司令葡萄酒。Cozzolino等采用近红外光谱技术对来自澳大利亚和新西兰白葡萄酒的正确判别率达86%。此外,MIR结合LDA和D-PLS法还能鉴别无机生产和有机生产的葡萄酒。近红外光谱结合PLS法对地中海不同产地橄榄油的正确识别率可达93.9%。Picque等利用MIR结合PLS-LDA和PLS-GA法对欧洲4个国家橄榄油的正确判别率分别达96%和100%。Casale等和Oliveri等研究表明,近红外光谱结合化学计量学分析是对橄榄油原产地保护的有效手段。Arana等采用近红外光谱对来自西班牙不同产地的Viura和Chardonnay两个品种葡萄进行识别,结合PLS法对品种和产地的正确判别率分别为97.2%和79.2%。Iizuka和Aishima发现,日本北部、中部、西部和南部地区的酱油产品的近红外光谱存在差异,结合LDA、PLS和ANN法对产地的交叉检验正确率分别为81.6%,84.2%和76.3%。Kim等采用近红外光谱结合PLS法能够完全正确识别韩国和非韩国产的稻米。赵海燕等分析了中国4大小麦主产区陕西、河南、河北和山东2007/2008年和2008/2009年小麦籽粒样品的近红外光谱,结合DPLS法对产地的整体判别率为82.5%。廖布岩利用近红外光谱结合标准法和因子法可以识别黄山毛峰茶的不同产地。陈永明等利用近外光谱结合遗传算法和ANN对产自意大利、西班牙和土耳其的橄榄油的识别率达100%。Fu等对浙江不同产地枇杷进行了近红外光谱分析,采用SIMCA法对产地的正确判别率达80%。李勇等建立了判别牛肉产地来源的近红外光谱模型,对吉林、贵州、宁夏和河北4大产区牛肉的正确识别率为100%。孙淑敏等利用近红外光谱结合化学计量学方法实现了对中国5个不同地域来源羊肉的识别。张宁等利用近红外光谱技术结合SIMCA法对来自山东、河北、宁夏和内蒙古的羊肉正确识别率分别为95%、100%、100%、100%。2.4产地溯源模型的建立食品产地有机成分指纹溯源技术目前主要是利用GC、GC-MS和HPLC等测定植物源食品如橄榄油、酒类、咖啡等和动物源食品如牛肉、羊肉、牛乳等中的脂肪酸组成和含量。在植物源食品产地溯源研究方面,LuciaGiansante和DariaDiVincenzo等利用GC分析了来自意大利4个地区Frantoio、Bosana、Dritta和Leccino橄榄油中脂肪酸组成和含量,结果表明不同地域来源的橄榄油中C16:0(棕榈酸)、C16:1(棕榈酸油酸)、C18:0(硬脂酸)、C18:1(油酸)、C18:2(亚油酸)和C18:3(亚麻酸)含量差异显著,结合PCA和LDA分析方法,对5个地区橄榄油的正确判别率达到96%。Stefanoudaki等利用GC分析了来自哈尼亚Chrysopigi、Falasarna、Kakopetros和FloriaandKares5个地区的橄榄油中脂肪酸的组成和含量,发现利用橄榄油中棕榈酸、油酸和亚油酸含量差异可将5个地区的橄榄油准确区分开。Ollivier等通过GC测定橄榄油中脂肪酸成分及含量,结合LDA识别来自法国的6个橄榄油产地,而且以饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸及单不饱和脂肪酸、三酰基甘油等为代表的37个变量建立产地判别模型,正确判别率为100%,并利用这些数据构建成橄榄油产地溯源数据库。Ranalli等利用GC分析了意大利安德里亚、巴里、于普利亚法萨诺和于佛罗伦萨4个地区的橄榄油,发现橄榄油中的脂肪酸和维生素含量在地域之间有显著差异,它们对4个地区的正确判别率达96%。Salvador等采用GC分析了来自Toledo-N,Toledo-SE1,Toledo-SE2,Cornicabra和Ciudad5个地区的橄榄油,Cornicabra的单不饱和脂肪(MUFA)含量极显著高于其它地区,而饱和脂肪酸(SFA)极显著低于其它地区,Toledo-N的多不饱和脂肪酸(PUFA)含量极显著高于其它地区,而MUFA含量极显著低于其它地区,根据这些差异对4个地区的正确判别率达100%。Scott等通过对橄榄油脂肪酸组成和含量差异分析进行了产地溯源,判别效果较好。Rodríyuez-Delgado等利用HPLC检测分析了来自Tenerife-S,Tenerife-N和Lanzarote3个地域红酒中的15种酚醛酸,结合多重比较、PCA和LDA分析方法,对3个地域的整体判别率达到90.9%,其中对Lanzarote地域的正确判别率达到100%。Alonso-Salces等运用反相HPLC测定了咖啡豆中的酚醛酸,发现酚醛酸中的酚酸和肉桂酸可以作为判别咖啡豆产地的特征成分,结合LDA和PLS-DA,对喀麦隆和越南咖啡豆的分类准确率达100%,对喀麦隆和印度尼西亚咖啡豆的分类准确率为94%。Kamm采用LC-GC技术分析来自南美、亚洲、非洲和非洲/亚洲混合的可可脂,发现根据月桂酸和甾基脂(sterylesters)的含量差异对4个产区可可脂产地的正确判别率达100%。在动物源食品产地溯源研究方面,Matter采用气相色谱法测定不同地域羊脂肪的酯化产物,发现来自不同地区羊的C18:2n-6和C18:3n-3两种脂肪酸甲酯有显著差异,根据这些差异可对羊肉产地来源进行判别。Fisher等研究了英国Soay、Welshmountain、Suffoik和Mule4个地域的羊肉,采用气相色谱法分析它们的脂肪组成、含量及风味物质,结果表明不同地域来源羊肉中n-3PUFA和n-6PUFA含量上有显著差异,它们对羊肉产地来源的正确判别率可达92%。Renou等分析了来自法国3个地区LePin(50m)、Mirecourt(280m)和Theix(850m)的牛肉脂肪酸差异,发现PUFA含量随着地域海拔的升高而增加,对3个地区的正确判别率达到96%。Enser等采用气相色谱技术研究了来自UK和European两个地域肉牛的脂肪酸含量和脂肪酸组成,研究发现不同地域来源地牛肉中n-3多不饱和脂肪酸和n-6多不饱和脂肪酸的含量差异很大,可依据此差异对牛肉产地来源进行判别。程碧君等研究发现,吉林、宁夏、贵州和河北4大牛肉产区的牛肉中脂肪酸组成和含量有显著差异,吉林和河北地区牛肉中的SFA含量显著高于贵州和宁夏地区,宁夏地区牛肉中C16:1和C18:1单不饱和脂肪酸含量均显著高于其它地区,贵州与河北地区牛肉中a-C18:3、C20:5和PUFA-n3极显著高于吉林和宁夏地区;通过判别分析,初步筛选出a-C18:3、C14:0、C17:0、SFA和MUFA5项可用于牛肉产地溯源的潜在指标,它们对4个地域牛肉产地来源的整体判别率为82.0%。此外,Collomb等研究了来自瑞士平原(海拔600—650m)、高山(海拔900—1210m)和高地(海拔1275—2121m)牛乳中的脂肪酸差异,结果表明平原牛奶中不饱和脂肪酸含量最低,而高地牛奶的反式油酸和亚油酸含量最高。3不同地域、不同研究对象及问题的分析通过对食品产地溯源技术原理、特点及国内外应用的归纳、总结分析可以得出,食品产地溯源及确证技术研究的基本思路及步骤为:分析表征地域差异的特性、建立判别模型、验证判别模型、建立数据库、判别和举证分析(图)。分析表征地域差异的特性是研究的关键,涉及检测技术和方法,检测指标的筛选和确定等。通过分析不同地域来源食品中单一组分、复合组分的含量值、稳定性同位素比值,利用多元统计分析,提取特异性的地