碳氮同位素溯源技术在畜禽产品中的应用

付 才，马书林，王红云，黄志国

（1.河北省农林科学院遗传生理研究所，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院粮油作物研究所，河北 石家庄 050035）

近年来，随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，人们的饮食结构发生了巨大转变，消费类型也由七八十年代的以粮食为主转变为目前的对肉、蛋和奶需求的增加。此外，欧洲“疯牛病”以及我国“三聚氰胺”和“禽流感”等重大食品安全事件的发生，也使得人们对食品的安全性更加重视。为了确保食品安全，实行食品安全追溯制度，就必须从生产到餐桌进行全程监控。在欧洲一些发达国家（英国、法国、德国、意大利、比利时等）的肉类生产中，溯源系统已经得到了应用[1]。欧盟在《食品法》中规定，动物性食品、饲料、供食品生产用的畜禽，以及在制造动物性食品和饲料过程中与其相关的物品，在其整个生产链条中每个环节（生产、加工、销售）必须确立食品信息的溯源体系，否则，不允许上市销售[2]。进入21世纪以来，国内外在食品安全上利用稳定同位素技术的研究不断增多，如在畜禽产品溯源中，常用的稳定同位素包括碳（C）、氮（N）、氢（H）、氧（O）和硫（S）等。对碳、氮同位素的基本原理以及同位素溯源技术在畜禽产品鉴别和来源方面的研究进展进行综述，旨为建立与完善我国畜禽产品安全追溯制度和保障消费者的权益提供参考。

1 同位素指纹溯源技术的基本原理

稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差。在自然界，生物体与外界环境进行物质交换过程中，其同位素组成受环境、生物代谢类型、气候等因素的影响而发生自然分馏效应，从而导致不同地域来源动植物的组织中同位素的δ值存在差异[3]，这种差异是由于生物体所处的环境条件不同造成的。同位素组成是生物体的一种“自然指纹”，与生物体生长的环境密切相关，往往不随化学添加剂的添加而改变，其能为畜禽产品溯源提供一种独立、客观、稳定的以及随整个畜禽产品链流动的身份鉴定信息[4]。因此，同位素自然分馏效应可以作为同位素指纹溯源技术的基本原理和依据。通过同位素指纹信息，不仅可以追溯畜禽产品原产地和食品污染物来源，还可以鉴别产品成分是否掺假等。

稳定性碳同位素比率用δ13C（‰） 表示，δ13C的相对标准为V-PDB；稳定性氮同位素比率用δ15N（‰）表示，δ15N的相对标准为空气。计算公式为：

δ= （R样品/R标准-1） ×1 000‰

式中，R为轻同位素与重同位素丰度比，即13C与12C的比值（13C/12C） 或15N与14N的比值（15N/14N）。

1.1 碳同位素

碳有2种稳定同位素，分别是12C和13C。由于植物固定二氧化碳的方式不同，导致在不同种类植物中δ13C值并不相同。植物固定二氧化碳的途径有C3、C4和景天酸代谢（CAM）3条，因此，可将植物分为C3植物、C4植物和CAM植物[5，6]。不同种类植物的δ13C值差异很大，其中，C3植物碳同位素的δ值为-34‰～-22‰，其中在（-27±2） ‰范围内出现的频率最多；C4植物碳同位素的 δ值为-19‰～-9‰，其中在（-13±2）‰范围内出现的频率最多；CAM植物碳同位素的δ值变化范围较大，为-38‰～-13‰，平均值为 （-17±2） ‰，介于 C3植物与 C4植物之间[7，8]。由此可见，植物δ13C值的大小主要受光合作用方式和外界环境因子2个方面的影响，不同地域生长的植物由于光合作用和环境因素的不同，因此，其δ13C值的大小存在差异，也就是说，植物的δ13C值是环境因子和生物因子共同影响的结果[9]。

1.2 氮同位素

氮有2种稳定同位素，分别是14N和15N。研究发现，不同来源的含氮物质，氮同位素的δ值不同。来自人类和畜禽排泄物的δ15N值明显富集，范围为10‰～20‰；大气沉降硝酸盐的δ15N值范围为2‰～8‰；人工合成的化学肥料δ15N值较低，范围为-3‰～3‰[10]。植物的δ15N值取决于其生长过程中土壤环境硝酸盐和氨水的含量，而土壤的δ15N值取决于气候和地理2个因素[3]；动物组织中氮同位素的组成来源于其新陈代谢和食用物质两方面因素的影响。呼吸作用使得氮同位素进行大量分馏，δ15N值范围为3‰～5‰[11]。另外，种植过程中常年使用化肥和有机肥，以及动物源性饲料在畜禽养殖中的应用，也会影响生物体氮同位素的组成[12]。

2 碳氮同位素在畜禽产品产地溯源中的应用

目前，应用碳氮2种同位素的δ值来确认畜禽产品产地来源的研究日益增多。然而，对于畜禽动物性产品而言，它们的同位素组成较为复杂。畜禽饲养过程中同位素的组成主要受饲料配方、新陈代谢过程中同位素分馏以及饲料配方中原材料的来源等因素的影响[13，14]。

2.1 在牛肉产地溯源的应用

Boner等[15]对采自德国不同农场（有机饲养和传统饲养）的牛肉样品进行了粗蛋白质的δ13C值测定，结果显示，不同饲养模式下的牛肉δ13C值不同，可以将δ13C值＜-20‰作为牛肉有机养殖的判断指标。Schmidt等[16]对来自美国的23个牛肉样品和来自欧洲的35个牛肉样品进行碳氮同位素检测分析，结果表明，美国牛肉与欧洲牛肉的δ13C值存在差异，并且爱尔兰牛肉与其他欧洲国家牛肉相比δ13C值和δ15N值均存在显著差异；此外，通过分析碳氮2种稳定性同位素的δ值，还可以区分常规养殖与有机养殖的牛肉。

国内学者郭波莉等[17]利用同位素比率质谱仪（IRMS），对来自我国河北、贵州、宁夏、吉林四大肉牛产区的牛肉样品和牛尾毛进行了碳氮同位素的δ值测定，结果显示，各地牛肉的δ13C值和δ15N值存在极显著差异，牛组织的δ13C值顺序为吉林＞贵州＞宁夏＞河北。贵州和河北两地样品的δ15N值明显高于吉林和宁夏两地样品。而且，脱脂牛肉和粗脂肪的δ13C值和δ15N值与牛尾毛的δ13C值和δ15N值存在极显著的正相关，说明利用牛尾毛替代牛肉组织进行牛肉产地溯源研究是可行的；不同产地来源牛尾毛中稳定碳、氮、同位素的δ值大小取决于不同地域饲养牛的饲料组成、地域海拔和纬度的变化程度[17]，通过测定牛肉的δ13C值和δ15N值可以区分不同产地来源的牛肉，同时利用牛肉中稳定性同位素碳的δ值可以推断牛饲料的主要成分[18]。孙丰梅等[19，20]研究结果表明，牛不同组织的δ13C值随着牛粗饲料中C4植物比例的加大而升高，并且均与粗饲料中C4植物的比例呈极显著的正相关，因此，可以用牛组织的δ13C值推断牛所采食的粗饲料中C4植物所占的比例。刘泽鑫等[21]通过检测牛尾毛的δ13C值和δ15N值对陕西关中不同区（县） 来源牛尾毛样品进行聚类分析，结果显示，乾县和永寿县样品聚为一类；麟游县样品聚为一类；杨凌区和眉县牛尾毛样品聚为一类；凤翔县、岐山县和扶风县分类不十分明显，分散在上述3类中。说明此地肉牛组织的碳氮同位素组成存在差异，利用该项技术可以进行肉牛小范围地域的溯源。

2.2 在羊肉产地溯源中的应用

孙淑敏[22]利用同位素比率质谱仪，对来自内蒙古自治区3个牧区（呼伦贝尔市、阿拉善盟、锡林郭勒盟）以及重庆市和山东省菏泽市2个农区的羊肉、羊颈毛及饲料样品的碳、氮、氢3种同位素的δ值进行了测定，发现不同地域羊组织的碳氮同位素的δ值存在显著差异，羊组织的δ13C值与羊所食用的粗饲料δ13C值高度相关，主要受牧草种类的影响；当地饲料和地域环境决定羊组织的δ15N值大小。羊颈毛的δ13C值和δ15N值与羊肉的δ13C值和δ15N值呈显著正相关。利用羊颈毛替代羊肉作为产地溯源的材料是可行的，通过检测羊颈毛的δ13C值和δ15N值可以判别羊肉的产地。羊肉的δD值主要与当地饮水的δD值高度相关，不同地域来源的羊肉δD值存在显著差异。判别分析结果表明，利用氢同位素的δ值较利用碳氮同位素的δ值对羊肉产地的正确判别率从80.8%提高到88.9%[23，24]。因此，利用碳、氮和氢3种稳定同位素可更加准确地辨别羊肉的产地。

2.3 在鸡肉产地溯源中的应用

王慧文等[25]通过稳定同位素质谱技术，分析了不同地区鸡肉的碳氢同位素δ值、饲料的碳同位素δ值以及饮水的氧同位素δ值，结果显示，不同地区鸡肉的δ13C值与其所食用饲料的δ13C值呈极显著正相关，δD值与饮水的δ18O值呈高度正相关，说明可以根据鸡肉的δ13C值和δD值推断肉鸡所食用的饲料及肉鸡产地。鸡肉碳同位素的δ值受基础日粮中玉米含量的影响，而日粮中玉米含量对鸡肉氮同位素的δ值影响较小[26]。此外，利用δ13C值、δ15N值、δ34S值和δD值这4个参数可以更加准确地对鸡肉产地进行溯源，判别率高达100%；各地饮水的δ18O值与鸡肉的δD值呈极显著正相关（p＜0.01）；鸡肉的δ13C值和δ15N值受饲料与气候等因素的影响，δ34S值依赖于地理位置和产地表面的地质特点[27]。

2.4 在鸡蛋溯源中的应用

现在市面销售鸡蛋的生产方式主要有散养、笼养和有机3种。与笼养鸡和散养鸡相比，有机饲养鸡有更大的活动空间，有机会自由地寻找食物，如虫、草和种子等，可以少量食用或不食用化学合成的食物。因此，普遍认为，采用散养方式和有机饲养方式生产的鸡蛋更符合消费者的消费心理[28]。目前，我国还没有针对以上3种饲养方式所产鸡蛋的国家和行业标准。戴祁等[29]利用同位素比率质谱仪测定了3种饲养模式鸡蛋各组分的碳氮稳定同位素的δ值，结果显示，利用该方法测定鸡蛋各组分的碳氮同位素δ值具有良好的重复性，标准差均＜0.2‰（n=6）；鸡蛋各组分的δ13C值和δ15N值均存在差异，其中，δ13C值顺序为蛋黄＜蛋清＜蛋壳膜，δ15N值顺序为蛋壳膜＜蛋清＜蛋黄，二者的变化规律相反；鸡蛋各组分的δ13C值与δ15N值之间呈线性相关。将散养与笼养生产的鸡蛋进行对比后发现，二者蛋清的δ13C值和δ15N值分布范围不同，其中，散养鸡蛋的δ13C值和δ15N值分布范围分别为-18.00‰～-14.97‰和3.02‰～4.37‰，而笼养鸡蛋的δ13C值和δ15N值分布范围分别为-18.96‰～-15.98‰和1.66‰～2.68‰。可以看出，通过碳氮同位素的δ值，能够有效地区分散养与笼养鸡蛋。

2.5 在原料乳溯源中的应用

Kornexl等[30]和 Ghidini等[31]认为，通过牛乳的δ18O值及其特定成分的δ15N值、δ13C值、δ34S值和δ87Sr值能够确定乳及乳制品的产地来源；不同饲养条件下奶牛饲料中玉米所占的比例不同，因此，通过检测牛乳的δ13C值能够将有机乳与传统乳区分开来。研究表明，有机乳的脂肪δ13C值较低，最高值为-28.0‰；而传统乳的脂肪δ13C值为-26.6‰或者更高[32]。Knobbe等[33]研究了奶牛不同饲养模式下牛乳和尿液的同位素组成变化，结果显示，饲喂不同比例的C3或C4植物日粮会影响牛乳和尿液的δ13C值，其中，饲喂牧草组牛乳和尿液的δ13C值均＜饲喂玉米组。牧草组，乳和尿中的δ13C值均＞所食用饲料的δ13C值；玉米组，乳中的δ13C值却＜所食用饲料的δ13C值，尿中δ13C值与所食用饲料的δ13C值在同一范围内。乳中的δ15N值在2种饲养模式下无明显差异，同一饲养模式下需要饲喂较长时间才能使尿液中的δ15N值达到平衡。利用碳氮同位素进行牛奶溯源研究，不仅可以了解不同地区奶牛的饲养方式和饲料来源，还可以为区分有机乳与传统乳提供判断依据。

3 存在的问题及今后研究方向

尽管目前有关畜禽产品溯源技术的研究较多，但大多处于初步探索阶段，在理论和技术方面还有许多问题需要解决。该项技术与生产实际仍然存在较大差距，今后，应从以下方面进行研究：

（1）饲料、饮水、地域、季节、气候和贮藏加工工艺等多种因素对畜禽同位素组成的影响；

（2）深入研究畜禽组织的同位素平衡与转化时间；

（3）畜禽不同组织碳、氮等同位素的组成情况及含量；

（4）揭示影响畜禽同位素组成的机理；

（5）不断建立和更新畜禽产品产地同位素溯源数据库；

（6）建立一套可应用于实际的完整的理论体系和模型。

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