基于锶同位素和7种元素的红枣产地判别

康 露, 杨明花, 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；3.伊犁州农业科学研究所， 新疆 伊宁 835000)

地理来源认证，包括稳定同位素在内的多元素分析可以作为食品安全性的可能指标，认证方法一种是用多元分析来确定Al、Ca、Cl、Mg、Mn、Fe和Zn等元素的含量；另一种是侧重于一些特殊元素，如Sr、O和H的稳定同位素比值[1]。目前，运用稳定同位素、矿物质元素或将两种技术结合进行产地判别分析的方法[2]，在葡萄酒、茶叶、稻米、果蔬等中均有报道。葡萄酒87Sr/86Sr比值及K/Rb、Ca/Sr是葡萄酒地理来源测定的合适指标[3]。刘志等[4]建立西湖龙井茶与山东、重庆产区茶叶δ13C、δ15N、δ2H 和δ18O 的线性判别分析(LDA) 模型，3 个产区茶叶判别准确度均高达90.0%以上。包括87Sr/86Sr的7种稳定同位素比率和25种元素也被用于建立主成分分析和步进式线性判别分析，以确定大米的地理起源[5]。

Opatic等[6]结合稳定同位素比值和元素组成参数，采用判别分析模型对商品蔬菜的来源进行了初步研究，使用交叉验证的留一判别分析模型对生菜、甜椒和番茄的预测分别为86.2%、71.1%和74.4%。Wang等[7]采集5个不同红枣产区的样品，根据同位素和21种元素利用正交偏最小二乘验证红枣的地理起源。前期研究发现：新疆若羌县铁干里克乡灰枣具有较高锶含量和较低的锶同位素比值，而新疆瓦石峡乡灰枣具有较低的锶含量及较高的锶同位素比值；与中国生物标准锶含量2.5 mg/kg相比，若羌灰枣锶含量较高，而河南新郑灰枣锶含量相对较低[8]。在前期县域尺度的基础上，本研究采集了大尺度范围内不同区域红枣，运用热电离质谱仪(ISOPROBE- T)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP- MS)分别测定新疆不同产地红枣和河南、山西红枣中87Sr/86Sr和矿物质元素含量，采用化学计量学主成分分析、Fisher判别分析建立红枣产地判别模型，以期为不同产地红枣判别提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新疆不同产地红枣和河南新郑、山西太谷的红枣品种和经纬度范围信息如表1。

表1 红枣样品信息

10 mg/L多元素混合标准品，包含Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Y、Mo、Cd、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Yb、W、Tl、Pb、Bi、Th、U、Nb、Zr、Sr共计33种元素，坛墨质检科技股份有限公司；HNO3、H2O2，分析纯，默克股份两合公司；HCl，优级纯，成都市科隆化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

BIOFUGE STRATOS型离心机、Element XR型HR- ICP- MS，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；万分之一天平，梅特勒- 托利多国际贸易(上海)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1样品前处理

采集的红枣样品分别用自来水和去离子水冲洗后晾干；红枣去核，冷冻干燥后，采用液氮研磨至粉末状，-18 ℃冷冻保存，备用。

1.3.2元素含量的测定

分别吸取0、25、50、125、250、1 250、2 500 μL多元素混合标准品，用体积分数5%的HNO3定容至25 mL，配制成0、0.01、0.02、0.05、0.10、0.50、1.00 μg/mL的混合标准使用液，用于测定标准曲线。称取0.2 g左右的红枣冻干粉于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL浓HNO3和3 mL H2O2，进行微波消解。冷却后，定容至25 mL容量瓶，摇匀，待测。

1.3.3Sr稳定同位素的测定

在Sr同位素测定的过程中，同位素比值测定结果易受87Rb的干扰，因此，去除Rb元素的干扰十分重要，也是同位素分析的一个强制性步骤[9]。

1)样品的消解。称取0.5～1.0 g的样品于聚四氟乙烯容量罐中，加入1 mL的浓HNO3常温反应12 h，再加入1 mL H2O2常温反应12 h，控温电热板100 ℃反应24 h后蒸干，冷却后加入1 mL浓HNO3、1 mL H2O2常温反应12 h，控温电热板100 ℃反应24 h后再次蒸干，加入1 mL 6 mol/L HCl，控温电热板150 ℃加热至样品完全溶解，蒸干样品。将1.2 mL 0.5 mol/L HCl加入容量罐中微热，溶解样品并转移到塑料离心管中，在离心机上离心分离10 min，弃去下部残渣。

2)Sr的分离。上层清液加入到处理好的分离柱[φ0.5 cm×15 cm，AG50W×8(H+)100～200目]中，等柱中溶液流完后，用少量高纯水对称冲洗分离柱的四角。先用33 mL 2 mol/L的HCl淋洗K、Na、Fe、Ca、Mg等杂质，再改用6 mL 3 mol/L的HCl溶液淋洗Sr于石英烧杯中，蒸干备用。

3)同位素的测定。同位素测定在核工业北京地质研究院ISOPROBE- T质谱仪上完成，仪器配备9个法拉第杯和4个离子计数检测器。参数设置为：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为15 L/min，He为5 mL/min，采样深度为6.5 mm，进样速度为0.1 mL/min。Sr同位素采用单Re带点样，加入TaF5发射剂，静态多接收方式测量。质量分馏用86Sr/88Sr=0.119 4校正，标准测量结果：NBS987标样为87Sr/86Sr=0.710 250±7，实验室流程本底： Sr 2×10-10g。

1.4 数据处理

运用SPSS 26.0软件对红枣87Sr/86Sr和33种元素含量进行相关性分析、差异显著性检验和判别分析。判别模型中回代检验正确的对100%原始分组个案进行分类；交叉验证正确的对87.0%原始分组个案进行分类。

2 结果与分析

2.1 锶含量及同位素特征分析

不同产地红枣的Sr含量及87Sr/86Sr如表2和图1。河南新郑，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5个区域的红枣87Sr/86Sr存在差异，其中新疆策勒红枣87Sr/86Sr显著高于河南新郑，山西太谷，新疆于田、哈密的红枣；而河南新郑，山西太谷，新疆于田红枣87Sr/86Sr显著高于新疆哈密的红枣，但87Sr/86Sr的波动程度低于新疆哈密。不同地区红枣Sr含量有所不同，河南新郑，山西太谷，新疆于田、策勒红枣的Sr含量显著低于新疆哈密。土壤的理化性质影响植物对Sr的吸收，交换性Ca含量和阳离子交换量较高的土壤不利于植物富集Sr[10]。在元素筛选方面，选取受栽培措施影响小的稀土元素锶稳定同位素作为判别指标，不易受到外界栽培施肥措施的影响。枣树适宜生长在碱性土壤、砂质土中，耐干旱[11]，以上5个区域均符合红枣的生长条件。

表2 不同产地红枣Sr含量及87Sr/86Sr的统计结果

图1 不同产地红枣87Sr/86Sr箱型图

图2为1/Sr及87Sr/86Sr区分不同红枣产地。除新疆于田和山西太谷的红枣样品重叠外，运用Sr含量及87Sr/86Sr能区分河南新郑，新疆哈密、策勒的红枣。虽然新疆于田和山西太谷之间的地理距离较远，但这2个产地的红枣未能得到有效区分，进一步说明仅依靠某种元素或者稳定同位素不能有效区分红枣的产地。在连续4个不同的收获年份中，反映土壤生物有效性的87Sr/86Sr值没有变化，且不同葡萄品种之间没有差异，同位素与土壤生物有效度之间存在着严格的关系，87Sr/86Sr即使在很小的规模下，也可用于食品原产地溯源[12]。在白葡萄酒和红葡萄酒的酿造过程中，锶同位素的组成是保持不变的，葡萄和最终酿造的葡萄酒都保留了同位素特征，这种特征来自葡萄种植土壤的不稳定部分[13]。

图2 1/Sr及87Sr/86Sr区分不同红枣产地分析

2.2 矿物质元素含量特征及主成分分析

不同产地红枣除Sr以外其余32种元素的含量如表3。河南新郑，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5地的32种元素含量存在差异，其中Li、Sc、Co、Zn、Rb、Cs、Tl、Bi和Zr 9种元素含量存在显著性差异，其中仅有Rb、Zn 2种矿物质元素的含量大于1 mg/kg。河南新郑、新疆于田红枣Rb的含量显著高于新疆哈密、策勒；山西太谷红枣Zn的含量显著高于新疆于田。据报道，河南新郑土壤类型为褐土类，主要有立黄土、红黄土等，红枣种植区域土壤为覆砂褐土、潮土等，潮土分布在河流冲积物、洪积物和河湖相沉积物这3种母质上[14]。山西晋中土壤类型为褐土[15]。新疆哈密土壤类型为未改造的单源类土壤和第四纪洪积物堆积[16]，于田县、策勒县的土壤类型为沙土。故不同产地结枣种植土壤因成土母质差异及土壤中矿物质含量的差异引起红枣中矿物质含量存在差异。

表3 不同产地红枣32种元素的含量

不同产地红枣87Sr/86Sr和33种元素的相关性如表4。呈极显著正相关的有Sc与Ni、Cu，V与Ga、La、Ce、Pr、Nd 、Th、 Nb，Co与Cd、W、Nb，Ni与Cu、Ba，Zn与Cd、Cu、Bi，Ga与La、Ce、Pr、Nd、Th，Rb与Cs，La与Ce、Pr、Nd、Gd、Th、U，Y与Dy，Cd与Bi，Ba与Pb、U，Ce与Pr、Nd、Gd、Th、U，Pr与Nd、Gd、Dy、Pb、Th、U，Nd与Gd、Dy、Th、U，Gd与Dy、Yb，Dy与Yb、Th，Yb与Th，Pb与U，Th与U、Nb；呈极显著负相关的有Sr与Tl，Cd与Nb。在岩浆演化过程中，某些微量元素与预期的地球化学模式密切相关，其中87Sr与86Sr比值必然与相应的87Rb与86Sr比值呈线性相关，可能反映了土壤形成过程中含Rb和87Sr的矿物的风化作用，与母系基岩岩浆储层的87Sr与86Sr比值相匹配[17]。87Sr/86Sr和33种元素的相关性结果说明，每种矿物质元素都在一定程度上反映了红枣的产地特征，且这些矿物质元素之间具有一定的相关性，能够采取降维的方式筛选用于红枣产地溯源的特征矿物质元素。

表4 红枣87Sr/86Sr和33种元素的相关性

续表4

在进行主成分分析之前，首先对不同产地红枣的87Sr/86Sr及33种元素数据进行标准化处理，删除数据中为0的变量，获得包含782个数据信息的数据集。不同产地红枣87Sr/86Sr及元素前9个主成分的方差贡献率和累计贡献率如表5。红枣的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9个主成分的方差累计贡献率为86.7%，PC1、PC2、PC3、PC4、PC5、PC6、PC7、PC8和PC9的方差贡献率分别为26.5%、15.9%、12.8%、8.8%、6.7%、4.8%、4.0%、3.9%、3.3%，能有效地对红枣87Sr/86Sr及33种元素进行降维，获得306个载荷系数信息。在世界范围内，利用锶稳定同位素判别水生植物来源的混合模型表明：灌溉用水是植物锶的主要来源(35%～85%)；来自基质的黏土(4%～38%)和肥料(5%～19%)均有贡献，锶来源的比例取决于植物种类[18]。因此，可以推测土壤类型、灌溉用水是影响红枣矿物质元素含量差异的主要原因之一，其次与气候、土壤含水量以及栽培方式有关。河南新郑、山西太谷红枣原产地属于温带大陆性季风气候，新疆哈密、于田、策勒属于温带大陆性气候；河南新郑、山西太谷的年际降水量高于新疆哈密、于田、策勒，土壤含水量的高低影响红枣矿物质元素的吸收。

表5 红枣前9个主成分的贡献率

旋转后的主成分分析载荷矩阵如表6。第一主成分PC1中V、Ga、La、Ce、Pr、Nd、Th元素的载荷系数较高，第二主成分PC2中Cr、Cd、Tl、Bi元素的载荷系数较高，前2个主成分主要包括V、Ga、La、Ce、Pr、Nd、 Th、Cr、Cd、Tl、Bi元素。第一、第二主成分的特征值分别为9.0、5.4，方差贡献率分别为26.5%、15.9%，前2个主成分的累计贡献率为42.4%，能够代表不同产地红枣矿物质元素的大量信息，筛选出代表红枣产地的主要矿物质元素类别。

表6 旋转后的因子载荷矩阵

87Sr/86Sr和33种元素的特征向量如表7。由表7可得PC1和PC2的函数表达式。将标准化的数据采用PC1和PC2的函数表达式计算，得到不同产地红枣87Sr/86Sr及33种元素的各主成分得分、综合得分及排序，如表8。5个产地红枣综合排名由高到低依次为太谷、新郑、于田、策勒、哈密。

表7 基于主成分分析的各项指标特征向量

表8 不同产地红枣主成分得分

2.3 基于Fisher判别分析的红枣产地判别模型建立

应用Fisher判别分析函数对不同红枣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(87Sr/86Sr、Sc、V、Co、Zn、Y、Cd、Cs)作为自变量，对所有变量进行了标准化处理，不同红枣产地作为分组变量，建立不同红枣产地判别模型如下：

Y1=6 603.83287Sr/86Sr-92.897Sc+33.301V+32.930Co+0.807Zn+16.582Y-54.508Cd-23.322Cs-4 699.301；Y2=-1 526.04287Sr/86Sr+241.189Sc+177.449V-358.872Co-0.119Zn+48.370Y-119.924Cd+64.965Cs+1 081.776。

图3为判定函数1和判定函数2区分新郑、太谷、哈密、于田和策勒产地红枣的散点图。通过威尔克Lambda分析，假设显著性水平α=0.05，判别函数1、判别函数2对分类结果均达到显著水平，其判别结果可接受。判别函数1的方差百分比为77.2%，相关性为0.991；判别函数2的方差百分比为15.2%，相关性为0.958；判别函数1和判别函数2的累积方差百分比为92.5%，选取判别函数1和判别函数2作为主要判别函数对不同红枣产地进行判别。根据不同红枣产地，划分为河南新郑，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5类。选取的87Sr/86Sr、Sc、V、Co、Zn、Y、Cd和Cs 8个指标可以明显判别出红枣产地，这说明威尔克Lambda判别分析能够判别红枣产地。

图3 判别函数区分红枣产地的得分散点图

不同产地红枣的判别分析结果如表9。回代检验是将所有样本进行检验，样本的错判率是相应总体率的偏低估计；而留一交叉检验能较好地反应模型的判别率[19]。根据判别模型对河南新郑，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5个产地的红枣样品进行分类，利用回代检验和留一交叉验证对判别模型进行检验。河南新郑，山西太谷，新疆哈密、于田和策勒5个区域的红枣样品回代检验的整体判别率均为100%，说明了多元素可用于红枣产地判别分析；而留一交叉验证的判别率有所降低，其中河南新郑和山西太谷的判别率分别为33.3%、80.0%，地理位置相近可能是两地红枣出现误判的主要因素。河南新郑的红枣有2个样品产地被误判为山西太谷，山西太谷的红枣有1个样品产地被误判为河南新郑，而其余3地的判别率为100%，整体正确判别率为82.7%。同时，模型的准确性与多种因素有关，如样本的数量、代表性、覆盖区域等。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，不断修正判别模型的各项系数。此外，对一种商品的来源进行判别分析的一个重要先决条件是是否有相应国家和国际的数据库[20]。

表9 不同产地红枣的判别结果

3 结 论

本研究采用热电离质谱仪和电感耦合等离子体质谱仪测定红枣87Sr/86Sr和33种元素含量，结合化学计量学主成分分析和判别分析建立判别模型，对新疆不同产地红枣和河南新郑、山西太谷红枣进行判别分析。多重比较结果表明：河南新郑、新疆于田红枣Rb含量显著高于新疆哈密、策勒，山西太谷红枣Zn含量显著高于新疆于田。新疆策勒红枣87Sr/86Sr显著高于河南新郑，山西太谷，新疆于田、哈密；而河南新郑、山西太谷、新疆于田红枣87Sr/86Sr显著高于新疆哈密。通过共线性诊断分析，选取87Sr/86Sr和7种元素(Sc、V、Co、Zn、Y、Cd、Cs)建立判别模型，5个产地红枣回代检验、留一交叉验证的整体判别率分别为100%、82.7%。利用87Sr/86Sr和7种元素结合化学计量学方法可用于不同产地红枣的判别。