食品产地溯源技术的建立及应用（一）

食品产地溯源是食品溯源指从终产品（或中间产品）一步追溯到“源头”，包括产地或产地的产地某一个单元。可追溯单元的技术大小和规模取决于食品原料种类和种养殖情况。一般而言，立及对植物源性食品，应用可追溯到一个基地或一个区域；对动物源性食品，食品溯源可追溯到大型动物的产地个体或小型动物的群或养殖基地。

食品溯源体系的技术建立及应用对保障食品安全、增强消费者信心具有重要意义。立及食品产地溯源是应用食品溯源体系的重要组成部分，有利于实施食品原产地保护战略，食品溯源保护名牌，产地保护特色产品，技术稳定市场秩序，立及并在食源性疾病爆发时，应用能较准确地定位其发生的区域和范围，采取有效应急措施，遏制食源性病原菌的扩散，建立食品快速召回体系。食品产地溯源技术主要包括同位素指纹图谱技术、红外光谱指纹技术、DNA分子指纹图谱技术、化学轮廓指纹图谱技术以及耦合技术等。

目前发达国家，如英国、德国等，主要采用的食品产地溯源指标包括同位素比率、矿物元素含量及比例、DNA分子指纹、有机成分（蛋白质、脂肪、醇类等）的含量、微生物图谱、感观特性及挥发性成分等。

一、基本原理

同一种食品的原料，由于产地环境不同和生产方式不同，其物理特性、化学组成、遗传基础存在或多或少的差异，即形成不同产地的“指纹”，这是食品产地溯源的基础。食品产地溯源技术的基本原理是根据食品的特点及其产地分布，通过代表性、典型性和极端性取样，测定可能表征食品产地特性的物理指标、化学指标和生物性指标等，借助主成分分析、判别分析、聚类分析等统计手段，筛选和确定表征不同食品产地的特征性指标，初步建立食品产地溯源模型。在此前提下，扩大取样数量，对初步食品产地溯源模型进行修正，确定食品产地溯源的特征指纹图谱，包括同位素指纹图谱、红外光谱指纹图谱、DNA分子指纹图谱、化学组成指纹图谱、微生物指纹图谱等，建立食品产地特征指纹图谱数据库。对于一个未知产地的食品，测定其相应的特征性指标值，通过产地溯源模型计算，可判别该食品的产地。

二、指纹图谱种类

1、同位素指纹图谱

在自然界，同一个元素具有多种核素，它们的化学性质几乎相同，核素的质子数相同，但中子数（或质量数）不同。这些具有相同质子数、不同中子数的核素互称为同位素。如碳元素具有¹¹C、¹²C、¹³C、¹⁴C和¹⁵C五种同位素，质子数均为6，中子数分别为5、6、7、8和9。根据是否具有放射性，可将同位素分为放射性同位素和非放射性同位素。如¹¹C、¹⁴C和¹⁵C为放射性同位素，¹²C和¹³C为非放射性同位素。放射性同位素在食品科学中的应用已经进行了大量的研究，而非放射性同位素(也称稳定性同位素)近年来在农业与食品科学中才被广泛应用。

稳定性同位素的研究在生物学领域的发展十分迅速。在环境科学领域，稳定性同位素的非放射性以及非破坏性整合的特征，已被应用于研究植物与其生物和非生物环境相互作用。20世纪80年代以来，稳定性同位素技术在植物生态学研究中得到广泛应用和发展，也已成为研究植物-环境相互关系的强有力工具，可以解决许多其他方法难以解决的问题，成为生态学和环境科学领域最有效的研究手段之一。在植物生理生态学方面，稳定同位素(²H、¹³C、¹⁵N和180）可对生源元素的吸收、水分来源、水分平衡和利用效率等进行测定，从而研究植物的光合作用途径；在生态系统生态学方面，稳定同位素技术可用来研究生态系统的气体交换、生态系统功能及对全球变化的响应等；在动物生态学方面，稳定同位素也已广泛应用于区分动物的食物来源、食物链、食物网和群落结构以及动物的迁移活动等。

近几年来，稳定同位素已广泛应用于食品溯源体系的建立。其基本前提是自然界中同位素的分馏作用。同位素分馏是指自然界中由物理、化学以及生物作用所造成的某一元素的同位素在两种物质或两种物相间分配上的差异现象。引起同位素分馏的主要机制有两种。第一种是同位素交换反应，是不同化合物之间、不同物相之间或单个分子之间发生同位素分配变化的反应，是可逆反应；反应前后的分子数、化学组分不变，只是同位素浓度在分子组分间重新分配。第二种是同位素动力学效应，是指物理或化学反应过程中同位素质量不同所引起的反应速率的差异，是不可逆反应；在不可逆反应中，结果总是导致轻同位素在反应产物中富集。同位素比值（R）为某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比，例如D/H、¹³C/¹²C、¹⁵N/¹⁴N、¹⁸O/¹⁶O、³⁴S/³²S等。由于自然界中轻同位素的丰度很高，而重同位素的丰度很低，R值就很低且冗长繁琐不便于比较，故在实际工作中采用了样品的δ值来表示样品的同位素比值。样品（sq)的同位素比值Rsp与一标准物质(st)的同位素比值Rsp比较，比较结果称为样品的δ值，其定义为：

Δ（‰)=Rsp/Rsp—1）X1000

即样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分之差。

对同位素标准物质的要求包括：组成均一、性质稳定；数量较多、可长期使用；化学制备和同位素测量的手续简便；大致为天然同位素比值变化范围的中值，以便用于绝大多数样品的测定，可以作为世界范围的零点。

稳定同位素技术在植源性食品溯源中应用的原理是根据植物种类不同，对环境中的稳定同位素吸收差异，以及不同玮度、不同气候区、不同地理条件（内路与沿海）氢、氧、碳、氮、硫同位素丰度的差异。植物中氢氧稳定同位素比例主要受降雨以及灌溉水的影响，降水受同位素大气分馏的影响；植物中碳稳定同位素比例受植物种类、气候条件和农艺措施的影响；植物中氮稳定同位素比例受植物种类、土壤条件和肥料种类的影响。而动物源性食品同位素比例主要受饲料和饮用水的影响。不同产地的动物源饲料和饮用水等同位素构成存在显著差异，这就为动物源性食品产地溯源提供了可能。

1、氢稳定同位素

氢，相对原子质量为1.00782503207，自然界中其同位素分别是氕、氘和氚氣（¹H，H、³H）。氕原子核只有1个质子，丰度达99.98%，是构造最简单的原子，在自然界中非常稳定，其半衰期大于2.8X1023年；氘为氢的一种稳定形态同位素，相对原子质量为2.0141017778，也被称为重氢，它的原子核由1个质子和1个中子组成；氚，亦称超重氢，相对原子质量为3.0160492777，它的原子核由1个质子和2个中子组成，并带有放射性，会发生β衰变，形成质量数为3的氦，其半衰期为12.32年，自然界中存在量极微，从核反应制得。表4-1为氢同位素的物理特性。氢同位素分析结果均以标准平均大洋水（StandardMeanOceanWater，即SMOW）为标准报导，D/Hsmow=(155.76±0.10)X10^-6。图4-1所示为天然物质氘同位素含量图（Holden，2004)。

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