基于矿物元素指纹差异的不同产地滩羊肉判别

马梦斌，罗瑞明，李亚蕾

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

宁夏盐池县属陕、甘、宁、蒙4 省（区）交界地带，东邻陕西定边县，南接甘肃环县，北靠内蒙古鄂托克前旗[1-2]。滩羊肉质细嫩鲜美，且含脂率低，不膻不腥，是公认的优质羊肉之一，备受消费者青睐。曾被多地引进，但因生态条件与原产地宁夏不同，而未能保持其原有的品种特性，出现了冒用、滥用品牌的现象[3-4]。此外，品种资源保护体系不完善，阻碍了滩羊产业的稳定健康发展以及滩羊种质资源和地方特色的保护。以化学计量学为基础的指纹判别或以模式分析为基础的鉴别技术可为动物性食品的产地鉴别提供一类新的理论和分析原理，在此基础上引入全新的思维方式，是解决该问题的一类新的策略和方法[5]。因此，构建一种能有效区分滩羊肉产地的技术体系和指标体系是当前亟需解决的问题。

食品可追溯体系作为保证食品安全、增强消费者信心的基本原则之一，研究的关键是确定能表征地域信息的特异性指标。其中稳定性同位素和矿物元素指纹分析被认为是追溯产地来源的最为可靠的技术手段之一。此外，近红外光谱技术也在食品产地溯源中有一定的应用[6]。 矿物元素指纹图谱技术的原理是不同的土壤质地是由不同的地层岩石背景形成的，土壤与岩石风化的母质密切相关，从而造成不同地域土壤中矿物元素含量及比例等具有地理地质特异性[7]。食品中的矿物元素组成主要受地域环境因子（土壤、水、空气等）的影响，在地域间可形成其典型的组成特征，被认为是食品产地的有效溯源指标[6,8]。电感耦合等离子质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）技术灵敏度高、检出限低、线性范围宽、样品干扰小，通过分析样品中的特征性元素组成，可追溯食品及其原料的产地来源，并可鉴别食品的种类[9]。目前已应用在动物性食品溯源与鉴别研究，郭波莉[10]和Heaton[11]等通过分析牛肉中矿物元素的含量差异，筛选了对产地进行判别的有效溯源指标。 Zhao Yan等[12]将稳定同位素和多矿物元素分析两种方法结合，鉴别不同起源的牛肉样品，正确率和交叉验证率均为100%。Franke等[13-14]通过分析不同国家家禽肉与干燥牛肉样品中矿物元素含量差异，逐步判别筛选出特征元素，并对产地判别。此外还被应用于大米[15-16]、西洋参[17]、大豆[18]、蜂蜜[19-20]、龙井茶[21]、胡萝卜[22]、 亚麻籽[23]、松茸[24]等产品产地溯源与鉴别研究。

本研究采用ICP-MS技术测定宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊背最长肌中K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba 25 种矿物元素含量，并结合方差分析、主成分分析、线性判别分析和逐步判别分析等方法确定不同地域滩羊肉中矿物元素含量差异，开发用于原产地鉴别的判别模型，探讨利用多矿物元素指纹判别滩羊肉产地来源的可能性，筛选出有效的溯源指标，为滩羊肉产地溯源提供一定的理论依据和技术支撑，并为滩羊产业资源开发与利用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

选取7 个月龄左右，平均体质量为（18.00±2.00）kg 健康状况良好的滩羊，购自宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县各60 只，共计240 只，滩羊肉由宁夏盐池县鑫海食品有限公司提供。

浓硝酸（65.00%）、盐酸（37.00%） 国药集团化学试剂有限公司；超纯水由Dura series超纯水处理系统制得；K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba元素标准溶液（1 000 μg/mL） 国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.2 仪器与设备

JJ-2匀浆机 上海汗诺仪器有限公司；iCAPQ电感藕合等离子质谱 美国Thermo Fisher Scientific公司；WX-8000微波消解仪 上海屹尧仪器科技发展有限公司；千分精密电子天平 天津博达宏力称重设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 采样方法

屠宰后在每只滩羊的背最长肌处取肉样200.00 g左右，装袋标记于-20 ℃冰箱中贮藏。

1.3.2 标准溶液的配制

吸取单元素标准溶液，用65.00% HNO3将标准溶液稀释成20.00 mg/L的储备液，取20.00 mg/L的储备液再次稀释为200.00、400.00 μg/L的储备液，取200.00、400.00 μg/L 储备液适量依次配制成0.00、8.00、16.00、24.00、32.00、48.00、64.00 μg/L的系列标准溶液，摇匀待用。

1.3.3 样品前处理

称取100.00 g样品至匀浆机，匀浆至均匀，取样待测。

1.3.4 ICP-MS工作参数

射频功率为1 050 W；雾化气流量为0.86 L/min；样品提升速率为1.20 L/min；离子透镜电压为8.25 V；冷却气流量为13.80 L/min；载气流量为0.98 L/min；模拟电压和脉冲电压分别为-1 900 V和900 V；数据采集模式为跳峰；驻留时间为50.00 ms；每质量数采集数据点为50.00 ms；积分时间为500.00 ms。

1.3.5 元素含量测定

利用微波消解结合ICP-MS测定滩羊肉中25 种矿物元素的含量。参考郭波莉等[10]的方法，称取0.50 g样品至聚四氟乙烯消解罐中，加入5.00 mL 65.00% HNO3和1.00 mL H2O。静置，反应结束后密封，放入微波消解仪，消解程序见表1。待温度冷却至50 ℃以下后，取出消解罐放入通风橱中，打开消解罐，用超纯水润洗，转移至50.00 mL容量瓶中，至少润洗3～4 次，用超纯水稀释定容至刻度，待测[25]。空白对照同法处理。利用ICP-MS测定样品中的K、Na、Ca、Mg、P、Be、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Te、Cs和Ba 25 种矿物质元素含量。若样品带有杂质无法消解完全，需将溶液过0.45 μm水相滤膜后方能上机。

表 1 样品消解程序Table 1 Sample digestion procedure

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0软件对不同地域滩羊肉中矿物元素含量进行方差分析、主成分分析及判别分析。

2 结果与分析

2.1 不同地域滩羊肉中矿物元素含量差异分析

通过对宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊背最长肌中的25 种元素含量进行方差分析，每组样本做3 个平行。其中K、Na、Ca、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Sn和Ba 17 种矿物元素含量在4 个地区间均存在显著性差异（P＜0.05）（表2），元素Be、V、Co、Ag、Cd、Sb、Te和Cs的含量在地区间差异不显著。宁夏盐池县Mg、Cr、Mn、Ni、Cu、Se和Rb 7 种矿物元素含量显著高于其他3 个地区，Na、Ca、Zn、Sr和Mo元素含量低于其他3 个地区；内蒙古自治区鄂托克前旗样品中的Ca、Mo和Sn 3 种矿物元素含量最高，K、Mg、P、Fe和Rb元素含量最低；陕西省定边县样品的K、P、Fe和Sr 4 种矿物元素含量最高，Cr、Mn和Se元素含量最低；甘肃省环县样品的Na、Zn和Ba 3 种元素的含量最高，Cu元素含量最低。可见，不同地域滩羊肉中矿物元素含量及组成都有其各自的表观特征，矿物元素在小范围相似地域之间具有较大的差异性[26]。矿物元素含量的差异揭示了不同地区滩羊肉存在差异，但还是不足以对区域进行准确判别，采用主成分分析和线性判别分析进一步判别滩羊肉产地。

表 2 不同地域滩羊肉中矿物元素含量Table 2 Mineral elements contents in Tan sheep meat samples from four growing regions mg/kg

2.2 滩羊肉中矿物元素的主成分分析

主成分分析通过降维消除样品中各元素间的相关性，提取既完全没有相关性又保留了原元素变化信息的几个主成分，从而达到多元统计分析的目的[27-30]。本研究对地域间存在显著差异的17 种矿物元素含量进行主成分分析。结果显示，第1主成分方差贡献率为26.403%，第2主成分方差贡献率为22.285%，第3主成分方差贡献率为11.733%，第4主成分方差贡献率为7.537%，第5主成分方差贡献率为6.230%，前5 个主成分的累计方差贡献率达74.000%（表3）。4 个地区主成分的特征向量图见 图1，不同区域的滩羊肉可以被准确区分且有明显的分布特征。综合可得，Cr、Mn、Ni、Cu、Se 和Rb 6 种矿物元素对第1主成分影响最大；K、P、Fe和Sn 4 种元素对第2主成分的影响明显；第3主成分主要受Na和Ba的影响。第4主成分主要受Mo的影响，第5主成分主要受Ca的影响。上述分析表明，主成分分析可以把不同地域来源滩羊肉样品中的矿物元素差异规律直观的表现出来，且可以找到差异显著性的特征元素，为滩羊原产地指纹特征模型的构建提供理论依据。

表 3 前5 个主成分的载荷矩阵及方差贡献率Table 3 Loading matrix and cumulative contribution to total variance of the first five principal components

图 1 滩羊肉样品前3 个主成分特征向量雷达图Fig. 1 Radar images of the first three principal components

2.3 滩羊肉中矿物元素的判别分析

为进一步了解各矿物元素含量指标对滩羊肉产地判别的作用及效果，对在地域间存在显著差异的17 种矿物元素（K、Na、Ca、Mg、P、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Sn和Ba）进行逐步判别分析，参考鹿保鑫等[31-32]的方法建立判别模型，见表4。

结果显示，Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn 10 种对地域判别显著的元素先后被引入到判别模型中。具体判别模型如式（1）～（4）：

式中：A、B、C和D分别为宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县；Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn为矿物元素 值/（mg/kg）；YA、YB、YC和YD分别为宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊的背最长肌矿物元素含量值。

表 4 Fisher判别函数系数Table 4 Fisher discriminant function coefficients

表 5 4 个地区滩羊肉样品的LDA结果Table 5 LDA results of Tan sheep meat samples from four regions

参考孙淑敏[6]的方法，利用此判别模型对滩羊肉样品进行归类并结合交叉检验法对模型的有效性进行验证。结果显示，宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊肉均被正确分类且产地的整体正确判别率为100%（表5），表明所建立的判别分析模型对滩羊肉产地有较好的判别效果，具有实际应用意义，为滩羊肉的原产地保护提供了一定的鉴定 依据[7,21]。此外，利用样品的前3 个判别函数得分作散点图（图2），可以直观地看出不同地域来源的滩羊肉样品有其各自的空间分布特征，说明筛选出的10 种元素指标（Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn）对滩羊肉样品具有有效的判别力，基于矿物元素指纹的差异可以有效鉴别不同产地的滩羊肉。

图 2 滩羊肉样品的前3判别函数得分图Fig. 2 Scatter plots of Tan sheep meat sample scores on the first three discriminant functions

3 结 论

通过分析宁夏盐池县、内蒙古自治区鄂托克前旗、陕西省定边县和甘肃省环县滩羊背最长肌中25 种矿物元素含量组成特征，明确了不同地域滩羊肉中17 种矿物元素存在地域性差异。通过多元统计分析实现了对滩羊肉产地的有效判别，确定了矿物元素Ca、P、Cr、Mn、Ni、Cu、Se、Rb、Mo和Sn 10 项有效溯源指标，构建出的判别模型对滩羊肉整体判别正确率达100%，表明矿物元素指纹分析结合多元统计方法对鉴别滩羊肉产地有效可行。该结果为进一步分析地域因素对滩羊肉矿物元素指纹信息的影响提供了前提条件。该模型的建立可应用于滩羊肉原产地鉴别，对宁夏盐池县滩羊种质资源的保护提供了有效的技术支持，从本质上认识了不同地域滩羊肉矿物元素组成特征，滩羊肉中矿物元素含量可能受地区土壤、水等的影响，后续将进一步探究多因素对不同产地滩羊肉中矿物元素含量差异的影响，为解析矿物元素指标形成原因及基于矿物元素指纹的滩羊肉产地溯源提供新的理论依据。