基于矿物元素分析的静宁苹果产地溯源

李 涛 谭椰子 王 玉 程 超 张红妮 刘 倩

（平凉市食品检验检测中心， 甘肃 平凉 744000）

静宁县位于东经105°20′-106°05′， 北纬35°01′-35°45′， 地处甘肃省东部平凉市葫芦河流域黄土高原丘陵沟壑区， 是农业农村部评选的“黄土高原优生苹果最佳栽植区域”。 静宁苹果是国家地理标志产品， 以风味佳、 口感好、 耐贮藏等优点成为红富士苹果行业的佼佼者， 深受消费者欢迎， 同时也是苹果收购价格的风向标[1]。 截至目前， 静宁苹果品牌价值达到161.3 亿元[2]， 约有近20 万人口依靠静宁苹果产业走上了致富路， 是静宁农村发展的支柱性产业[3]。 受品牌效益驱使， 近年来市场以次充好、 假冒静宁苹果商标等不良现象时有发生， 致使静宁苹果品牌形象严重受损[4]。 但目前国内学者对于静宁苹果品牌保护的相关研究较少， 现有静宁苹果原产地溯源的技术手段存在一定的局限性[5]，急需研究相关溯源技术， 拓宽静宁苹果产地真实性的判定方法。

农产品新陈代谢活动中矿物元素的交互作用受产地土壤[6]、 气候环境[7]、 管理水平[8]等多因素共同影响[9]， 但在植源性农产品生长过程中， 矿物元素主要来自种植区域土壤[10]， 具有一定的产地特征，同时矿物质元素的含量和组成在农产品的贮藏流通中较为稳定， 可以利用农产品中矿物元素的差异特性实现产地溯源[11]。 目前这项技术已被广泛应用于小麦[12]、 大米[13]、 豆类[14]、 水果[15～19]、 茶叶[20]、 羊肉[21]等农产品及其深加工产品[22～24]的产地溯源中。本研究拟以山东烟台、 陕西洛川和甘肃静宁产区共95 个红富士苹果样本为研究对象， 分析3 地苹果中矿物元素含量差异特性， 研究静宁苹果产地溯源的可行性， 同时筛选出特征指标， 构建产地判别模型， 以期为静宁红富士苹果产地溯源提供理论参考和技术支持。

一、 材料与方法

（一） 仪器和试剂微波消解仪 （MARS6， 美国CEM 公司）； 电感耦合等离子体质谱仪 （ICPMS， 8900， 美国Agilent 公司）； 电子天平 （SQP，德国赛多利斯公司）； 硝酸 （优级纯， 德国默克公司）； 铍（Be）、 硼（B）、 钠 （Na）、 镁 （Mg）、 铝（Al）、 钾 （K）、 钙 （Ca）、 钛 （Ti）、 钒 （V）、 铬（Cr）、 锰 （Mn）、 铁 （Fe）、 钴 （Co）、 镍 （Ni）、铜 （Cu）、 锌 （Zn）、 砷 （As）、 硒 （Se）、 铷（Rb）、 锶 （Sr）、 钇 （Y）、 钼 （Mo）、 镉 （Cd）、锡 （Sn）、 锑 （Sb）、 铯 （Cs）、 钡 （Ba）、 铼（Re）、 铊 （Tl） 和铅 （Pb） 共30 种元素标准溶液（1 000 μg/mL， 国家有色金属及电子材料分析测试中心）； 锗 （Ge） 和铟 （In） 元素内标液 （100 μg/mL， 美国Agilent 公司）。

（二） 实验材料选取盛产期果园为采样点，园内依据对角线选取5 棵挂果果树， 在树冠部、 中部和底部各采摘3 颗已着色成熟苹果， 每个果园60 颗苹果为一个独立样本。 共采集到静宁样本32个、 洛川样本27 个、 烟台样本36 个。

（三） 实验方法按照GB5009.268-2016 《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》[25]对样品进行预处理。 苹果用纯水洗净沥干后， 从四周各切下约10 g 带皮果实， 每个样本取2.4 kg 果实粉碎后混匀， 采用四分法取样500 g 冷藏备用。 准确称取苹果样0.3 g （精确至0.001 g） 于50 mL 聚四氟乙烯消解罐内， 加入10 mL 浓硝酸， 开口放置过夜 （超过8 h） 后， 盖上盖子放入微波消解仪内，梯度消解功率恒定1 600 W， 温度控制15 min 内提升温度至120℃， 保持10 min， 然后5 min 内提升至180℃， 保持15 min 消解。 待消解完全温度降至室温后取出， 去盖， 放入赶酸器内， 于240℃赶酸4 h。 赶酸结束后待消解罐温度降至室温， 将样液倒入50 mL 聚四氟乙烯容量瓶中， 用40 mL 超纯水分5 次冲洗消解罐， 洗涤溶液并入容量瓶内， 定容待测。 利用ICP-MS 对所有苹果样品中30 种元素进行检测， 优化后的ICP-MS 参数条件设定为RF 功率1 550W， 载气流量0.68 L/min， 稀释气流量0.15 L/min， 蠕动泵速0.1 r/s ， 反应气氢气流量5 mL/min、 氧气浓度30%。

（四） 数据分析采用Excel 对检测结果进行整理， 利用SPSS 25.0 软件对数据进行方差分析，对含量具有显著性差异（p＜0.05） 的元素做主成分分析以研究产地判别的可行性， 利用SICMA-P14.1软件进行正交偏最小二乘法判别分析 （OPLSDA）， 根据预测变量投影重要性 （VIP） 值＞1 筛选出最佳特征变量， 将其数据代入SPSS 25.0 软件做判别分析， 建立Fisher 判别函数并进行交叉验证。

二、 结果与分析

（一）不同产地红富士苹果中矿物元素含量差异性分析利用ICP-MS 对静宁、 洛川和烟台3个产地的95 个苹果样本中Be、 B、 Na、 Mg、 Al、K、 Ca、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、As、 Se、 Rb、 Sr、 Y、 Mo、 Cd、 Sn、 Sb、 Cs、Ba、 Re、 Tl 和Pb 共30 种元素进行检测， 其中Be元素在较多样本中未检出， 其余元素检测结果见表1。

表1 多种元素含量及方差分析结果

通过分析表1 发现， 3 地红富士苹果中含有丰富的矿物元素， 其中K、 Na、 Mg、 Ca、 B、 Al 和Fe 元素含量较高， 均大于1 mg/kg。 3 地红富士苹果中污染物元素Pb 含量平均值28.384 μg/kg， 最大值94.915 μg/kg， Cd 含量平均值6.297 μg/kg，最大值17.036 μg/kg， 均未超过GB 2762-2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[26]中0.1 mg/kg 和0.05 mg/kg 的限量要求。

多重对比得出， Na、 K、 Ca、 Ti、 V、 Cr、Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Se、 Rb、 Sr、 Mo、 Cd、Sn、 Cs、 Ba、 Tl 和Pb 共21 种元素含量在3 个产地苹果之间有显著性差异 （p<0.05）。 静宁苹果中的K、 Ca、 Se、 Rb、 Sr 和Ba 元素含量显著高于洛川和烟台苹果， V、 Cr、 Fe、 Co、 Cu、 Cd、 Sn、Ti、 Tl 和Cs 元素低于其他两地； 烟台苹果中Ti、Mn、 Ni、 Sn、 Tl、 Fe、 Cu 和Pb 元素含量远大于静宁和洛川苹果， Na、 K、 Ca、 Rb、 Sr、 Se、 Mo和Ba 元素在3 地苹果中含量最低； 洛川苹果中Na、 V、 Cr、 Co、 Mo、 Cd 和Cs 元素在3 产地中含量最高， 而Mn、 Ni 和Pb 元素含量显著低于其他两地。 同时， 组内样本对比发现， V、 As、 Se、Ba、 Re 和Tl 元素在3 产地苹果中离散程度均＞50%， 尤其是V、 As 和Tl 元素在静宁苹果中变异程度＞100%， 说明这些元素在红富士苹果中个体差异较大， 在同产地内分析时稳定性较差， 在组间表现出的差异性可能会受个体差异影响， 利用其进行苹果产地溯源和特征指标筛选时， 应综合考虑。

（二） 不同产地红富士苹果中矿物元素主成分分析为了研究利用矿物元素对静宁红富士苹果产地判别的可行性， 将3 地苹果中21 种差异性元素进行主成分分析。 首先， 进行KMO 值和Bartlett球形度检验， 结果显示， KMO 值为0.725 （＞0.6），p<0.05， 说明可以进行主成分分析。 根据方差累计贡献率＞80%原则， 选取的前12 个主成分可以包含较大产地信息 （方差累计贡献率为82.175%），见表2。 结果表明， 第1 主成分包含了21.844%的分组信息， 其中Ca、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Cu、 Sn和Pb 携带分组信息较大； 第2 主成分方差解释率为10.815%， 主要是Na、 V 和Mo 分组特征显著；第3 主成分方差贡献率8.063%， 主要受K、 Ni 和Cs 元素影响。 利用前3 个主成分得分做散点图（见图1）， 便于分组情况可视化， 可以看出3 地苹果在图中存在一定程度分组， 但有部分样本点交叉和重叠， 尤其是静宁苹果和洛川苹果之间分离度较差， 边际模糊。 说明利用差异性元素对静宁苹果进行产地判别可行， 但是数据冗余复杂， 干扰较多，分类效果不理想， 需进一步优化分析。

图1 主成分分析得分散点图

（三） 不同产地红富士苹果中矿物元素正交偏最小二乘法判别分析OPLS-DA 是一种预先设定分类， 基于偏最小二乘法判别分析（PLS-DA） 获取变量与分类间数学关系， 通过正交变换过滤干扰信息的分析方法， 同时找出VIP 值＞1 的变量， 以便于筛选特征差异变量[27]。 将不同产地苹果中差异性显著（p＜0.05）的21 种元素含量做OPLS-DA 分析， 共获取到3 个预测主成分和3 个正交主成分，自变量拟合指数 （0.542） 和因变量拟合指数（0.814） 均超过0.5， 样本在二维得分散点图 （见图2） 聚类效果明显， 所建模型基本实现了产地区分， 对3 个产地苹果的预测率为69.6%。 计算出VIP 值＞1 的变量为Na、 K、 V、 Cr、 Ca、 Sr、 Ni、Mn （见图3）。 为了验证OPLS-DA 判别模型对所有样本的分组情况， 根据模型得分做系统聚类， 结果见图4。 在临界值130 时， 样本分为3 类， 与实际产地分类基本一致， 但有少量静宁苹果和洛川苹果互相错分， 特征元素的产地判别能力仍需进一步验证。

图3 各元素变量VIP 值

图4 OPLS-DA 得分系统聚类图

（四） 不同产地红富士苹果中矿物元素产地判别分析为了进一步分析OPLS-DA 中VIP 值＞1元素的产地判别效果， 利用Na、 K、 V、 Cr、 Ca、Sr、 Ni 和Mn 元素对95 个样本做Fisher 判别分析。以全部样本建立判别函数， 采用“留一法” 进行交叉验证， 结果见表3。 结果显示， 所建模型判别正确率为95.8%， 其中9.4%的静宁样品被误判在了洛川和烟台分组； 验证准确率为93.7%， 其中静宁苹果为87.5%。 以70%样本数据作为训练集建立模型， 30%作为验证集， 结果见表4。 由表4 可知， 整体判别正确率为95.5%， 其中有13.7%的静宁苹果被错分； 验证正确率均为100%。 两种方法所建模型对3 地红富士苹果的判别和验证准确率均较高， 说明利用Na、 K、 V、 Cr、 Ca、 Sr、 Ni 和Mn 这8 种元素对静宁、 洛川和烟台苹果产地判别较为稳定可靠， 在一定程度上能实现静宁苹果的产地溯源。

表3 全部样本训练及交叉验证结果 （%）

表4 70%样本训练分组及预测结果

三、 讨论

植源性的农产品在采摘后的贮藏、 深加工以及流通等环节中， 矿物元素的含量和分布较为稳定[28～29]。 本研究利用ICP-MS 对静宁、 洛川和烟台苹果样本中30 种元素进行检测， 结果显示， 3地苹果中的K、 Na、 Mg、 Ca、 B、 Al 和Fe 元素含量较高， 并且含量高低顺序基本一致。 但略有不同的是洛川和烟台苹果中Mg 含量＞Ca 含量， 而静宁苹果的Ca 含量＞Mg 含量， 匡立学等[30]认为苹果中Mg 和Ca 的含量大小和顺序无明显规律。 同时有研究表明， 红富士苹果中矿物元素与苹果品质存在一定关联， 果实Ca 含量与可溶性固形物和固酸比呈极显著正相关（p<0.01）[31]， 且不同产地富士苹果品质存在一定差异[32]， 因此静宁苹果耐贮藏、硬度强、 口感甜脆等特点可能是受Ca 等矿物元素影响[33]。

本研究对红富士苹果中矿物元素进行多重对比， 共有21 种矿物元素在3 产地苹果间表现出了显著性差异 （p<0.05）， 静宁苹果与洛川苹果中微量元素的含量顺序较为相似， 均与烟台苹果含量顺序差异较大， 并且静宁与洛川苹果的差异性显著（p<0.05） 元素明显少于静宁与烟台之间。 有研究指出[34]， 利用红富士苹果中矿物元素的差异性， 可以对苹果进行产地溯源。 对21 种差异性元素进行主成分分析， 发现虽然3 地苹果在一定程度上实现了分类， 但是仍有部分样本分类混乱， 离群较远，这可能是因为部分元素虽然在产地间表现出了显著差异性， 但在组内也表现出了一定的差异， 而主成分分析作为一种无监督的分析方法， 排除组内干扰能力较弱[35]。 加入产地作为因变量监督后， 利用OPLS-DA 筛选出的Na、 K、 V、 Cr、 Ca、 Sr、 Ni和Mn 元素在判别模型中分组能力更强， 聚类效果更优， 排除了较多干扰因子。 以这8 种元素建立的Fisher 判别函数对3 地苹果整体判别正确率大于95%， 在一定程度上可实现对静宁苹果的产地溯源。 但在OPLS-DA 得分散点图和得分聚类图中可以明显看出， 静宁苹果与洛川苹果的边际较为混乱， 部分样本交叉重叠。 这可能是因为静宁与洛川均处于黄土高原地区， 两地土壤中矿物元素组成、土壤性状、 气候环境和施用肥料等因素有一定相似性， 而烟台地处渤海湾地产区， 土壤类型主要以潮土、 褐土为主， 土壤pH 偏酸性， 与黄土高原地区差异较大[36]。 前人研究发现[37]， 富士苹果中矿物元素的差异性与地域差异密切相关， 与本研究结果一致。

有研究表明， 同地区不同品种苹果中矿物元素[38]也存在一定差异。 本文以静宁、 洛川和烟台3地红富士苹果为研究对象， 涉及了烟富3 号、 烟富6 号、 宫崎短枝、 惠民短枝、 礼泉短枝、 长富2号、 长富3 号以及成纪1 号等多个品种， 品种的差异性导致了本研究中有较多元素在组内离散程度较大， 这些组内差异也在一定程度上影响着产地溯源的效果。 因此缩小品种差异， 开展基于不同产地同品种红富士苹果中多元素的相关分析可作为本研究的后续内容。 同时， 对比两种判别分析结果发现，以70%样本数据来建立的判别函数， 对静宁苹果的判别正确率相对较低， 说明降低模型原始训练数据比例， 会对模型的稳定性产生一定影响， 导致静宁苹果误判率上升， 在后续研究中应增加样本量以确保模型的稳定性。

四、 结论

本研究以静宁、 洛川和烟台产区95 个红富士苹果样本为研究对象， 通过分析苹果中差异性矿物元素， 结合多元化学计量方法， 对3 个产地红富士苹果实现了产地分类。 通过对比分组效果发现， 基于产地监督建立溯源模型对静宁苹果的产地判别效果更优， 筛选出的Na、 K、 V、 Cr、 Ca、 Sr、 Ni 和Mn 元素可以作为静宁苹果在3 个产地判别的特征指标， 在减少干扰因子、 降低分析维度的同时保持了较高的判别率。 本研究可为静宁苹果的产地溯源提供一定的理论参考和技术支撑。

本文引用格式： 李涛， 谭椰子， 王玉， 等.基于矿物元素分析的静宁苹果产地溯源 ［J］.农产品质量与安全， 2023 （5）： 43-49.

LI Tao， TAN Yezi， WANG Yu，et al.Geographical origin tracing of Jingning apple based on mineral element analysis ［J］.Quality and Safety of Agroproducts， 2023 （5）： 43-49.