新疆甜瓜锶同位素、矿质元素特征及产地溯源

康 露， 王 贤， 赵多勇， 刘河疆*

（1.新疆农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所/农业农村部 农产品质量安全风险评估实验室（乌鲁木齐）/新疆农产品质量安全重点实验室，新疆 乌鲁木齐830091；2.农业农村部 西北绿洲农业环境重点实验室，新疆乌鲁木齐830091）

在食品可追溯性分析领域，稳定同位素是一项较新的技术[1]。农产品的“指纹”与农产品的种植环境、栽培管理措施等密切相关，是品质形成和产地判别分析的主要依据之一[2-4]。He等对于来自中国不同地区的玛咖，其判别精度的排序为：矿物元素（80.2%）等同于稳定同位素与矿物元素结合（80.2%），高于稳定同位素（71.9%）。K、B、Mn、Fe、Mo、Cd和As被认为是鉴别中国不同地区玛咖的主要鉴别指标[5]。

矿质元素、同位素和有机成分等可作为农产品产地溯源的有效方法之一[6-7]。由于仪器设备和分析测试方法地不断改进，m（87Sr）∶m（86Sr）不断地应用于产地溯源研究，在食用农产品的真实性鉴别中发挥了一定作用[8]。通过电感耦合等离子体质谱仪测定茶叶中多元素，经过一系列数学模型判定，能区分不同产地的茶叶样品[9]。由Sr及m（87Sr）∶m（86Sr）组成特征可判别不同产地的枣样品[10]。在农产品生长过程中，稳定的Sr不进行分馏，m（87Sr）∶m（86Sr）是判别动物源和植物源性农产品的有效指标之一，特别是在气候条件类似，其他同位素差异较小，起到重要的判别作用[11]。

作者运用热电离质谱仪（ISOPROBE-T）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分别测定甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和矿质元素含量，运用主成分分析、Fisher判别分析建立甜瓜的产地判别模型，以期为新疆甜瓜产地判别分析提供参考。

1 材料与方法

1.1样品采集

新疆地区不同产地甜瓜的信息如表1所示，甜瓜的品种和经纬度范围见下表。

表1 不同甜瓜产地样品信息Table 1 Information of different melon origin samples

1.2 样品前处理

采集的甜瓜样品用自来水和去离子水冲洗后，晾干，甜瓜样品按四分法取样，取可食部分匀浆，-18℃冷冻保存，备用。

1.3 仪器参数

ICP-MS的仪器参数设置参照文献[10]进行，采样锥、截取锥、分离锥分别为1.1、0.88、1.0 mm。射频功率为1 600 W，Ar流量为15 L/min，He流量为5 mL/min，采样深度为6.5 mm，进样流量为0.1 mL/min。

1.4 矿质元素含量的测定

取10 mg/L的多元素混标，加5%体积分数HNO3，配 制 成0、0.01、0.02、0.05、0.1、0.5、1μg/mL的混标，用于测定V、Mn、Cu、Zn、Rb、Sr等多种矿质元素的标准曲线。取100 mg/L的多元素混合标准溶液，加质量分数5%的HNO3配制成0、0.5、1、2、5、10、20μg/mL的混标，用于测定Na，K，Mg，Fe和Ca元素的标准曲线。

1.5 锶同位素的测定

称取0.1 g左右样品于低压密闭溶样罐中，加铷锶稀释剂，用HF+HNO3+HClO4溶解24 h，蒸干，加入6 mol/L HCl转为氯化物蒸干。用0.5 mol/L HCl溶解，离心，上清液加入阳离子交换柱，用1.75 mol/L HCl淋洗Rb，用2.5 mol/L HCl淋洗Sr，蒸干，采用ISOPROBE-T热电离质谱测定，多法拉第接收器进行采集。m（86Sr）∶m（88Sr）=0.119 4为质量分馏校正，标准值：NBS987为0.710 250±7，空白：Rb 2×10-10g，Sr 2×10-10g。

1.6 数据统计与分析

运用SPSS 26.0软件对m（87Sr）∶m（86Sr）和多种矿质元素含量进行差异显著性检验和判别分析。

2 结果与分析

2.1 锶含量及其同位素特征

甜瓜中稳定同位素比值受地域、海拔、降水等外界环境因素影响，使不同地域甜瓜锶同位素丰度发生变化，因此在前期研究中锶同位素成为判别产地的主要指标之一。甜瓜Sr含量及m（87Sr）∶m（86Sr）如表2、图1所示，由此可知，新疆哈密、吐鲁番、巴州和阿克苏4个区域的甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）存在差异，其中巴州、阿克苏的甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）显著高于哈密、吐鲁番地区，巴州、阿克苏甜瓜产地的m（87Sr）∶m（86Sr）数值变化幅度较哈密、吐鲁番地区的高。不同地区甜瓜Sr含量有所不同，巴州、阿克苏和吐鲁番地区的Sr含量显著高于哈密地区。

表2 新疆地区不同产地甜瓜Sr及m（87Sr）∶m（86Sr）的统计结果Table 2 Statistical results of Sr and m（87Sr）∶m（86Sr）in melon from different regions in Xinjiang

图1 新疆地区不同产地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）箱型图Fig.1 Box diagram of m（87Sr）∶m（86Sr）in melon from different origins in Xinjiang

图2 、图3、图4分别是1∶m（Sr）、m（K+Na）∶m（Sr）、m（Mg）∶m（Sr）与m（87Sr）∶m（86Sr）区分新疆地区不同甜瓜产地。结合1∶m（Sr）、m（K+Na）∶m（Sr）、m（Mg）∶m（Sr）与m（87Sr）∶m（86Sr）均可区分新疆地区不同甜瓜产地，说明在判别产地时，仅依靠某种单项技术手段很难进行有效鉴别，需要结合多种技术手段联合判别。m（K+Na）∶m（Sr）与m（87Sr）∶m（86Sr）判别甜瓜产地时，哈密、吐鲁番地区的部分样本存在重叠，说明甜瓜中K、Na含量容易受到施肥等管理方式影响。因此，在选择判别的指标时应尽量避免甜瓜种植过程施用量过大的元素，从而减少人为措施带来干扰。

图2 Sr含量及m（87Sr）∶m（86Sr）区分新疆地区不同甜瓜产地Fig.2 Content of Sr and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon origins in Xinjiang

图3 m（K+Na）∶m（Sr）及m（87Sr）∶m（86Sr）区分新疆地区不同甜瓜产地Fig.3 m（K+Na）∶m（Sr）and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon originins Xinjiang

图4 m（Mg）∶m（Sr）及m（87Sr）∶m（86Sr）区分新疆地区不同甜瓜产地Fig.4 m（Mg）∶m（Sr）and m（87Sr）∶m（86Sr）distinguish different melon origins in Xinjiang

2.2 矿质元素含量特征及主成分分析

新疆地区不同产地甜瓜矿物元素含量如表3所示。哈密、吐鲁番、巴州和阿克苏的19种矿质元素含量存在差异，其中Al、Ca、Fe、K、Na、Co、Ni、As、Rb、Mo、Pb和Ba 12种矿质元素含量差异显著，而Al、Ca、Fe、K、Na和Rb 6种矿质元素的质量浓度大于1 mg/kg。哈密地区甜瓜Al、Fe和Rb的含量显著高于吐鲁番、巴州和阿克苏等地；巴州地区甜瓜Ca、Na的含量显著高于吐鲁番、哈密和阿克苏等地；阿克苏地区甜瓜的K元素含量显著高于吐鲁番、哈密和巴州等地。

表3 新疆地区不同产地甜瓜矿物元素的含量Table 3 Content of mineral elements in melon from different regions in Xinjiang

新疆地区不同产地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和矿物元素的相关性如表4所示。Al和Cu、Mg、Ba呈极显著正相关；Cu和Mn、Co呈极显著正相关；Mn和Ca、Zn呈极显著正相关；Ba和V、Rb呈极显著正相关；Pb和As呈极显著正相关；Mo和Ni呈极显著正相关；As和Cr呈极显著负相关。m（87Sr）∶m（86Sr）与Al、Mn呈显著负相关；Sr与Al、Fe、Mn呈显著负相关。

表4 新疆地区不同产地甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和矿物元素的相关性Table 4 Correlation between m（87Sr）∶m（86Sr）and mineral elements in melon from different regions in Xinjiang

采用主成分分析筛选判别产地的关键指标。首先对不同产地甜瓜的m（87Sr）∶m（86Sr）及20种矿质元素数据进行标准化，删除数据中为0的变量，获得包含420个数据信息的数据集。m（87Sr）∶m（86Sr）及矿质元素前6个主成分的方差贡献率和累计贡献率如表5所示，矿质元素选取特征值高于1和方差累计贡献率大于80%以上的几个主成分进行降维，前6个主成分的方差累计贡献率为85.0%，PC1、PC2、PC3、PC4、PC5和PC6的方差贡献率分别为22.4%、19.8%、18.5%、10.0%、7.8%、6.5%，能有效地对m（87Sr）∶m（86Sr）及20种矿质元素进行降维，获得126个载荷系数信息。

表5 m（87Sr）∶m（86Sr）及矿质元素前6个主成分的方差贡献率和累计贡献率Table 5 Variance and cumulative contribution rates of m（87Sr）∶m（86Sr）and the first 6 principal components of mineral elements

续表3

2.3 基于费希尔判别分析的甜瓜产地判别模型

应用费希尔判别分析函数对新疆不同甜瓜产地样品进行判别分析，通过共线性诊断分析，选取方差膨胀系数（VIF）<5的变量作为自变量，不同甜瓜产地作为分组变量，建立新疆不同甜瓜产地判别模型如下：

图5为判定函数1和判定函数2区分哈密、吐鲁番、巴州、阿克苏产地甜瓜的散点图。通过威尔克Lambda分析，假设显著性水平α=0.05，判别函数1和判别函数2对分类结果达到显著水平，其判别结果可接受。判别函数1的方差百分比为97.0%，相关性为0.999；判别函数2的方差百分比为2.6%，相关性为0.958；选取判别函数1作为主要判别函数对新疆不同甜瓜产地判别的主要依据。根据不同甜瓜产地，划分为哈密、吐鲁番、巴州和阿克苏4类。选取m（87Sr）∶m（86Sr）、m（Ca）、m（K）、m（Na）、m（V）、m（Cr）、m（Ni）、m（As）和m（Rb）等9个指标可以明显判别出甜瓜产地，这说明威尔克Lambda判别分析有效。

图5 判定函数区分甜瓜产地得分散点图Fig.5 Scatter diagram of the determination function to distinguish the origins of melon

新疆不同产地甜瓜的判别分析结果如表6所示。根据判别模型对哈密、吐鲁番、巴州和阿克苏4个产地的甜瓜样品进行分类，利用回代检验和留一交叉验证对判别模型进行检验。哈密、吐鲁番、巴州和阿克苏4个区域的甜瓜样品回代检验的整体判别率均为100%；而留一交叉验证的判别率有所降低，其中吐鲁番的判别率为75%，吐鲁番产地的甜瓜有一个样品被误判为巴州地区，而其余三地的判别率为100%，整体正确判别率为93.8%。

表6 新疆不同产地甜瓜的判别分析结果Table 6 Discriminant analysis of melon from different origins in Xinjiang

3 讨 论

结合稳定同位素和矿质元素或仅采用矿质元素初始验证的正确率均高于95%，稳定同位素与矿质元素的结合进行产地判别分析更具潜力[12]。稳定同位素和多元素溯源法的总正确率分别为95.7%、100%，交叉验证率分别为91.5%、97.9%。稳定同位素和矿物元素均可作为骨原料地理来源的良好指标[13]，应用PLS-DA对同位素数据可进行地理位置的判别[14]。童成英等[15]对茶叶中多矿质元素、稀土元素、稳定同位素技术判别茶叶产地的方法指出，不同的判别技术方法存在着一定的优缺点。除矿质元素和同位素作为溯源的指标外，还有花青素、红外光谱技术等指标和技术手段用来鉴别产地。穆晶晶等[16]对不同地区徐紫薯6号花青素总含量进行分析，表明花青素总含量和组成与地域关系很大，能作为判别徐紫薯6号的产地。孙晓明等[17]运用近红外光谱对水蜜桃产地进行判别分析。

在构建判别模型时，所选用的样本数量越多，该模型也越有说服力，为确保判别模型的准确判别率，今后还需要继续增加样品数量，来不断修正判别模型的各项系数。

4 结语

采用热电离质谱仪和电感耦合等离子体质谱仪测定甜瓜m（87Sr）∶m（86Sr）和多种矿质元素含量，结合化学计量学主成分和判别分析建立模型，对新疆不同产地甜瓜进行判别分析。选取m（87Sr）∶m（86Sr）和8种矿质元素（钙、钾、钠、钒、铬、镍、砷和铷）建立的判别模型，4个产地甜瓜回代检验、留一交叉验证的整体判别率分别为100%、93.8%。利用m（87Sr）∶m（86Sr）和多种矿质元素结合化学计量学方法对新疆不同产地甜瓜判别可行。