稳定同位素质谱技术在马铃薯产品溯源和产地溯源中的应用综述

柳沙 张海芳 杨晓宇 张宏博 冯涛 栗昇

摘 要：稳定同位素质谱在植物源性食品安全方面的应用主要包括产品掺假鉴别、有机食品认证和地标性食品溯源3大类。本文通过对稳定同位素溯源技术原理、当前国内外马铃薯产业发展现状和科研水平的阐述，分析了内蒙古自治区作为我国马铃薯的重要主产区，运用同位素溯源技术进行产品地理标志认证和预防马铃薯掺杂掺假的必要趋势。

关键词：植物源性食品安全;马铃薯;地理标志认证;同位素溯源技术

A review of the Application of Stable Isotope Mass Spectrometry in Potato Product Traceability and Geographical Origin Traceability

LIU Sha2， ZHANG Haifang1， YANG Xiaoyu1， ZHANG Hongbo2， FENG Tao3， LI Sheng1*

（1.Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering， Hohhot 010011， China; 2.Center for Market Regulation Evaluation & Inspection of Inner Mongolia， Hohhot 010010， China; 3.Inner Mongolia King Goal Technology Service Co.， Ltd.， Hohhot 010010， China）

Abstract： The applications of stable isotope mass spectrometry in plant food safety mainly include product identification， organic food certification and landmark food traceability. In this paper， the principle of stable isotope technology and the current development situation and scientific research level of potato industry at home and abroad are expounded， which shows that Inner Mongolia is an important potato production area in China， it is imperative to prevent adulteration of potatoes certified by geographical indications by using isotope tracing technique.

Keywords： plant derived food safety; potato; geographical indication certification; isotope traceability technology

产地溯源是有效实施食品原产地追溯、保护名优产品的重要技术手段。国内外动物源性食品产地溯源技术发展相对成熟，植物源性食品产地判别的研究也日益增加。植物源性食品的溯源对象已由茶叶、咖啡、橄榄油、蜂蜜、葡萄酒和果汁等发展至番茄、大蒜、蘑菇、小麦和土豆等食品[1]。目前，稳定同位素质谱在植物源性食品安全方面的应用主要涉及产品掺假识别、有机食品认证及地标性食品溯源3大部分。

近年来，农产品产地的溯源受到消费者和监管部门的高度关注。农产品产地溯源是重金属溯源的前提和基础。农产品原产地与它们的营养成分、质量和味道密切相关，相关部门先后出台了许多相关政策与认证方法，以便辨别地域性名优特产。《农产品地理标志管理办法》于2008年初期实施，现被农业农村部所保护的地理标志农产品已有3 000多种，地理标志农产品深受广大消费者的青睐。随着经济国际化发展和电子商务等经济形态的出现，如何防止及监管食品及农产品在跨区域、跨国境流通过程中掺假，已经成为全球性的新挑战[2]。

1 稳定同位素溯源技术

1.1 基本原理

同位素溯源技术是目前用来追踪不同来源食品并进行名优产品保护的一项高效工具，在食品安全领域中具有广阔的应用前景。同位素是指质子数一样，但中子数有所不同，在元素周期表中居于同位的一种核素，互称之为同位素，它们之间存在类似性与相异性关系。物质的化学特性基本上是由组成物体原子的壳层电子构造所确定的，而同位素有完全相同的壳层电子构造，从而使它们的宏观化学和生物特性相似，这便是同位素的相似性。同位素的相异性主要体现在原子核的结构差异，同位素间具有不同的质量数和核物理特征[3]。

利用同位素间物理性质的相异性，人们能够更高效地实现同位素分離和分析，基本原理是同位素的自然分馏效应，该分馏效应是指同位素比值差异的两个物质间或相同物质两种相态间产生的同位素分配作用[4]。通过分析C、N、H、O和Pb等同位素指纹在不同区域植源性产品中的特异性差异，从而可以鉴别不同来源的植源性产品。植物光合作用的碳代谢途径不同，按照CO2的利用方式植物可分为碳-3、碳-4、CAM植物。CAM植物位于碳-3与碳-4中间，碳-3植物多在高纬度、高海拔地区的温凉地带地区，而碳-4植物则多在热带和亚热带中生长与发育，因此植株的碳同位素组成不但与其透光性以及碳代谢路线相关，还受外界环境因子的影响。氢和氧同位素天然丰度的差异，一般和植被中可使用水分的重要来源相关，如大气降雨、地下水或海洋水。氢和氧身为水的重要构成元素，其同位素构成会由于水循环系统流程中的快速扩展、物态转换（如挥发、冷冻、叶片蒸腾等）而产生规律性改变，因此氢、氧同位素比例存在典型的纬度效应、陆地效应及其气候季节效应[5]。此外，植被的氮同位素构成也受植被种类、化学肥料、天气条件和水土情况等各种因素的直接影响，而土壤中N同位素的组成大多与农作物施肥相关，因此也会影响矿化、硝化、N的吸收及反硝化等生物转化过程，从而直接影响氮同位素的分馏效应[6]。δ15N主要与该区域农作物生产有关，特别是农业施肥对生物体N同位素浓度的影响较大[7]。

1.2 稳定同位素溯源技术分类

依据不同外设预处理装置，用于检测的稳定同位素比质谱可分为元素分析仪同位素比质谱、多用途气体在线制备装置同位素比质谱、气相色谱同位素比质谱及液相色谱同位素比质谱。元素分析仪同位素比质谱可用于检测整个液体样品、固体样品或是从样品中分离的某一组织中的同位素，是目前应用最广泛的同位素分析技术;气相色谱同位素比质谱时常用于检测从样品中提取的某一种气体或混合气体化合物的同位素，如检测植物油中脂肪酸的δ13C、黄油中固醇激素的δ13C值、酒品的中挥发性成分的δ13C、可可油中脂肪酸的δ13C、白酒中乙醇的δ13C与δ18O及水果中挥发物的δD与δ13C[8-9];液相色谱同位素比质谱可用于检测从样品中提取的非挥发性化合物的同位素，例如蜂蜜中糖组分的δ13C、测定橙汁中果糖、葡萄糖、二糖和多糖的δ13C值等。目前应用于食品真实性鉴定最多的是元素分析仪同位素比质谱，其应用案例远远高于其他几种同位素比质谱。

2 马铃薯溯源的研究情况

内蒙古中西部地区是我国马铃薯的主要产区之一，其出产的马铃薯口感绵软深受广大消费者的喜爱。目前内蒙古地区出产的马铃薯品种繁多，不同品种和地域的马铃薯在食用风味口感和质量品质上有一定的差别。至今，国内外对于马铃薯原产地的溯源研究相对匮乏及薄弱。因此，为了给马铃薯品种提供鉴别依据，更好地维护消费者权益，避免买到假冒或低品质的马铃薯产品，有必要建立可供参考的技术手段和数据体系对区域内马铃薯进行鉴定。

2.1 马铃薯的分布

在我国马铃薯栽培地区也比较集中，大致分为北部一作区、中原二作区、西南部混作区和南部冬作区等4个地区[10]。国内马铃薯栽培面积和产量处于全球前列，约占世界的1/4。马铃薯具备经济效益较高、抗旱、耐瘠薄和水分利用率较高等优点，在国内的栽培面积正逐渐扩大。此外，自我国提出了马铃薯的主粮化策略开始，相关部门给予了马铃薯产业链高度重视，还提议通过充分利用中国南部冬闲田增加马铃薯的栽培面积[11]。内蒙古自治区一直是中国马铃薯的重要产区，产业规模和产量都长期保持在较高水平。马铃薯及其相关产品是内蒙古的支柱产业，对于发展当地农业经济，实现广大农户增收，调节农产品结构，保证粮食安全方面均具有很大的意义[12]。

2.2 马铃薯的发展

如今，食品加工业迅速发展，马铃薯可加工成各种速冻方便食品和休闲食品，如脱水制品、油炸薯片、膨化食品等，同时其还可深加工成果葡糖浆、柠檬酸、生产可生物降解的塑料等。我国农业部门自2015年开始实施马铃薯主粮化策略，把马铃薯视为对我国重要地区主要粮食适当补充，使主粮種类更为丰富多样、营养成分更为多样化，这将成为提高粮食安全水平的新举措。该战略的宗旨是促进马铃薯由副食消费转为主粮消费、由原料产品消费转为农业产业化系列成品、由温饱消费转为营养保健消费[13]。中国在国际上率先提出马铃薯主食产品开发战略，取得了突破性进展。至今为止，已经研发销售6大系列260多种国内本土特色的主食产品。通过不断延伸产业链、完善供应链、提升价值链，使马铃薯产业的增值空间不断拓宽。

3 国内外稳定同位素技术在马铃薯及相关产品中的应用

食品产地追溯法是污染物溯源的前提基础，同时也是食物产业链追溯的关键部分，近年来，中国特色农业、全国各地的名优特产、地方产品、国家地理标识产品越来越受到人们重视。同位素技术在鉴别果汁、蜂蜜、乳制品和葡萄酒的等方面应用广泛，但在马铃薯及其相关产品的应用却较少。

3.1 国外马铃薯及相关产品稳定同位素溯源技术研究现状

在欧洲，标有有机食品的商品受到越来越多居民的欢迎，在流通领域鉴别有机食品的诉求较高。稳定同位素技术可以确定食物产地来源、追踪食物污染源、鉴定食物掺假、追踪农业兽药等在生物体内吸收、代谢与具体分布等的变化规律，还可以高效追踪和区分有机食物和普通食品[14]。

Longobardi[15]等使用顶空固相微萃取-气质联用技术和同位素比率质谱仪检测意大利西西里岛、阿普利亚区、托斯卡纳区3个地区的马铃薯样本中的32种挥发性成分和碳、硫、氧同位素，其研究成果中发现15种挥发性成分与各种同位素之间均存在着明显的地区差别，结果表明单独使用挥发性成分或同位素的准确判断率为91.7%，而同时使用挥发性成分和同位素则达到了100%准确判断率。

Mahne等[16]对斯洛文尼亚4个区域种植的土豆进行了研究，研究应用同位素质谱对δ13C、δ15N、δ18O和δ34S进行了测定，同时对多种元素进行测定，其包含Na、Mg、P、S、Cl、K、Ca、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Br、Rb和Sr及稀有元素Sc、Y、Nb、La、Ce、Pr、Nd、Dy和Er。通过多变量判定分析后可100%区分及定义马铃薯品种，此研究建立了马铃薯最新的数据库，并创造了可追溯性模型。

CHUNG等[17]运用同位素比率质谱仪测定了韩国地区的5种马铃薯C、N、O及S元素，结果表明δ13CVPDB和δ15NAIR均可以有效区分5种的马铃薯的地域和品种，但δ18OVSMOW和δ34SVCDT仅可以有效区分5种的马铃薯的地域，同位素质谱结合化学计量法进行食品产地的溯源，具有广阔的发展前景。

在相同的土壤及气候条件影响下，Camin等[18]发现有机马铃薯的δ15N值（7.17‰）明显高于普通马铃薯δ15N值（3.36‰），以δ15N值4.3‰为阈值鉴别有机马铃薯假阳性率为15%。Sturm等[19]也利用δ15N值有效鉴别了有机韭菜和有机马铃薯，再次验证了同位素比质谱仪法是鉴定有机农产品的有效方法。

3.2 我国马铃薯及相关产品稳定同位素溯源技术研究现状

我国于1994年把地理标志纳入商标法律体系进行保护，但同发达国家比较，此项研究水平较为落后，名优商品的以假乱真、以次充好等现状也较为严峻[20]。近年来，稳定同位素质谱法在我国判别植物源产地领域起到较大的作用，同位素技术不需要复杂的前处理步骤，处理后的样品不容易受到污染或者变性，准确性高稳定性好，在食品溯源及农产品溯源方面均发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。

淀粉是植物光合作用的主产物，而各类植物来源的淀粉因光合作用的合成途径差异具有不一样的δ13C值。按照光合作用合成途径的差异，植物包括碳-3植物，碳-4植物和CAM植物，其中碳-3植物的δ13C远远小于碳-4植物的δ13C[21]。王绍清等[22]用扫描电镜和稳定碳同位素比质谱技术对马铃薯淀粉中掺假玉米淀粉进行定性和半定量鉴别。根据马铃薯淀粉与玉米淀粉在颗粒超微形貌上的明显差别，运用扫描电镜清晰辨别出马铃薯淀粉中掺假的卡米淀粉颗粒。当玉米淀粉的掺假量大于10%时，根据二者在稳定碳同位素比上的自然显著差异，发现稳定碳同位素比法不仅能够定性鉴别马铃薯淀粉中的卡米淀粉掺假行为，而且依照给出的公式可以估算出掺假玉米淀粉的含量。

有研究应用同位素比质谱技术对内蒙古中西部地区种植比较广泛的4种马铃薯（226、福瑞特、青九及黑心一号）进行了实验，并参照了其马铃薯样本中的水分、灰分、含氮量和淀粉含量进行了分析。结果表明，226、福瑞特、青九和黑心一号4种不同品种马铃薯样品的13C和δ15N含量有明显的分离趋势，但不能有效区分4种样品。当与水分、灰分、氮含量、淀粉含量合并分析时，可有效区分4种马铃薯。这为进一步积累基础研究数据建立起信息库和数据体系，为更好地区分马铃薯产区、打造内蒙古地理标志产品提供技术支撑，同时促进内蒙古地区优质马铃薯产品地方标准的建立。

张欣昕等[23]通过同位素比质谱技术及确定样本微量元素的方法分别对内蒙古、黑龙江、新疆、四川和广东5个马铃薯主产区进行代表性样品采集，测定样品种矿质元素含量及稳定同位素比值。结果说明采用步进式方法筛出Na、Al、P、Mn、Co、Ni、Gu和Cd 8种指纹指标，8种元素的交叉验证的正确判别率为89.3%;δ13C比值和δ15N比值基本可以高效地区分内蒙古样品与黑龙江、新疆、广东3个区域的样品，如单独选用δ13C和δ15N建立的判别模型，判别正确率为82.0%，在组合应用Na等元素及δ13C、δ15N的综合指标下，不同产地的初始判别正确率高达94.7%，而交叉验证正确率达93.2%，均高于矿质元素含量和同位素比值单独判别正确率，判别结果较好。结果表明利用矿物元素和稳定同位素相结合的方法可以对马铃薯的产地进行有效的判别，判别正确率很高，这是产地溯源的有效方法。

4 讨论

国内外关于稳定同位素应用于马铃薯产地溯源仍然存在一些问题。用IRIMS进行马铃薯产地溯源时，多数研究局限于某一国家或国内少数几个地区、几个品种，样品整体数量不足，不能全面精准地区分马铃薯的地标性，研究的深度尚且不够。所以，增大抽样量、多元素是建立真实、安全、有效的同位素数据库系统的首要条件，对今后系统性研究有着重大意义。

當马铃薯产地相对接近，同位素指标区分不明显时，需要采用多种技术融合的方法，如合并顶空固相微萃取-气质联用、采取矿物质指纹指标等检测技术来实现对原产地的精准溯源。除此以外，锶、铅等与地质条件相关的重质元素的稳定同位素也展现了在产地溯源中的重要作用。稳定同位素技术与多种指纹分析技术联用，并结合化学计量学分析将成为植物源性产品产地溯源的最有效方法。

在鉴别马铃薯淀粉掺假中，稳定同位素合并扫描电镜可定性和半定量鉴别其样品，清晰辨别鉴定其真伪性，并结合数据模型可精准计算出掺假量，这将成为鉴别马铃薯相关产品真伪的重要手段，是马铃薯作为主食补充政策的长期有效技术支撑。

5 展望

我国相关农业同位素溯源的研究还处在探索阶段，对于特定农产品追溯技术研究缺乏系统的开展。但是，随着我国农业产品追溯体系越来越完善，稳定同位素技术已在食品原产地鉴定和食品掺假中发挥逐渐重要的作用，现已逐步成为对马铃薯及其他农作物产品追溯的有效工具，有着广阔的前景，对于杜绝产品的掺假及其保护地理标志产品有着重要的意义。在建立和完善溯源数据库应用推广中，还需要相关人员努力推广实践，制定相关产品的溯源标准、建立和完善全国性的溯源数据库。

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