牛肉或肉类中溯源分析检测方案(同位素质谱仪)

核农学报 2006 ，20(2)：148~153Journal of Nuclear Agricultural Sciences148 1492期同位素溯源技术在食品安全中的应用 同位素溯源技术在食品安全中的应用 郭波莉 魏益民 潘家荣 (中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100094) 摘 要：疯牛病、口蹄疫、禽流感疫病等对食品安全管理带来新的压力，对人类健康构成了极大的威胁，给疫病发生国造成了严重的经济损失，并带来社恐慌。同位素溯源技术是国际上目前用于追溯不同来源食品和实施产地保护的有效工.具一，在食品安全污染物源领域有着广阔的应用前景，一些发达国家纷纷开展此领域的研究。文阐述了同位素湖源技术的基本原理，比较了同位素溯源技术与其他溯源技术的区别：联系，综述了国内外研究进展，提出了我国在同位素溯源技术方面应开展的研究工作，旨在推动我国食品安全追溯制度的建立与完善，保障食品安全，保证消费者身体健康。 关键词：食品安全；追溯制度；同位素溯源 TRACEABILITY TECHNIQUE OF ISOTOPIC APPLICATIONIN FOOD SATETY GUO Bo-li WEI Yi-min PAN Jia-rong ( Institute of Agro Food Science & Technology， Chinese Academy of Agrioultural Sciences ， Beijing 100094) Abstract ： Epidemics such as BSE， mouth and foot disease， avian influenza have brought new pressure to food safetymanagement ， constituted a extreme threat to people health， and caused serious economic loss and social scare to countries withoutbreaks of above diseases.Isotopic tracing technology is an effect tool for tracing food origin and implementing thepreservation of production premise in the world at present， and it is promising in the field of food safety traceability， so somedeveloped countries have put a lot of effort on establishment ofisotopic technology for food traceability. In this paper ， the basicprinciples of isotopic tracing technology and the recent research advancement were be expounded， and the differentiate andconnection was be compared between isotopic tracing technology and others. Furthermore， the suggestion about study ofisotopic tracing technology in China was put forward. The aim of the paper is to promote the establishment and improvement offood traceability system， and ensure the consumer health. Key words ：food safety； traceability system； isotopic traceability 随着经济的全球化，食品跨国界和跨地区流通越来越频繁，各种食品安全事故和隐患呈迅速扩展和蔓延之势，尤其是疯牛病、口蹄疫、禽流感等对食品安全和人类健康构成了极大的威胁，并对病源发生国造成了严重的经济损失和社会恐慌。 为了保证食品安全，有效招回或撤销出现问题的产品，世界各国都强调食品安全要从“农田到餐桌”进 行全过程监控，实施食品安全追溯制度。欧盟管理法规 No. 178(2002)要求从2005年1月1日起在欧盟范围内销售的所有食品都能够进行跟踪与追溯，否则不允许上市销售。美国食品与药品管理局(FDA)要求在美国国内和外国从事食品生产、加工、包装或掌握人群或动物消费的食品部门于2003年12月12日前，必须向FDA进行登记，以便进行食品安全跟踪与追溯。 ( 收稿日期：2005-08-12 ) ( 基金项目：“十五”国家重大科技专项“食品安全关键技术”信息共享平台建设(2001BA804A42) ) ( 作者简介：郭波莉(1974-)，女，陕西渭南人，博士研究生，从事农产品质量与食品安全的研究。Emali ：guoboli002 @sohu. com，Tel ：010-62895141。魏 益民为通讯作者。 ) 同位素溯源技术是国际上目前用于追溯不同来源食品和实施产地保护的一种有效工具，在食品安全领域有着广阔的应用前景。本文重点介绍了同位素溯源技术的基本原理，国内外应用研究进展，以及同位素技术与其他追溯技术的区别与联系。旨在推动同位素溯源技术体系的建立，并使同位素溯源技术与其他溯源技术相结合，尽快完善我国食品质量与安全追溯制度，保证食品生产过程的透明性与安全性，最终达到保护消费者健康的目的。 同位素溯源技术的基本原理 同位素是指质子数相同，中子数不同，在元素周期表中占据同一位置的一组核素互称为同位素。它们之间存在相似性和相异性。任何物质的化学性质是由构成物质原子的壳层电子结构决定的。因为同位素之间具有完全相同的壳层电子结构，所以它们的宏观化学和生物学性质相同，这就是同位素的相似性。同位素的相异性表现在原子核的结构不同，主要是核内中子不同，从而使同位素具有不同的质量数和不同的核物理特性，如放射衰变特性等。。利用同位素之间物理性质之相异性，可以有效地进行同位素分离与分析。 在自然界中，物理、化学及生物化学等因素均会引起同位素自然丰度的变异，被称为同位素分馏作用，从而使不同来源的物质中同位素组成比例存在显著差异。如植物在吸收同化CO的过程中将发生碳稳定性同位素分馏作用。分馏主要发生在以下几个环节：(1)来自大气的CO2在穿过细胞壁进入叶绿体的扩散过程中，"C0，将优先被吸收；(2)光合羧化反应总是有选择地优先利用”c0z，使得”C更多地被固定在光合作用的初级产物中；(3)光合作用初级产物向中级产物转化的过程中也伴随着碳同位素分馏。在上述步骤中，(3)的作用是很小的，植物组分的碳同位素丰度比主要受控于(1)(2)两个过程。这两次分馏导致植物体内的碳同位素组成要比大气CO明显偏轻。此外，植物固定 CO，不同的光合羧化循环也会使碳发生分馏。统计结果显示，C植物的8C值范围为-32%~-20%，平均为-27%；C植物的8C值范围为-17%~-9%，平均为-14%。植物同位素差异可通过饮食传递给动物，并在动物代谢的进一步分馏作用下，使动物产品中同位素组成存在明显差异。与此同时，生物体内同位素组成受环境(如温度、降水量、压力光照)、地形(海、纬度)等因素的影响也比较 大51 同位素溯源技术就是利用生物体内同位素组成受气候、环境、生物代谢类型等因素的影响，从而使不同种类及不同地域来源的食品原料中同位素的自然丰度存在差异，以此区分不同种类的产品及其可能来源地。可见，同位素的自然分馏效应是同位素溯源技术的基本原理与依据。 2 同位素溯源技术在食品溯源领域的应用 目前，同位素溯源技术在食品安全领域主要用于鉴别食品成分掺假、食品污染物来源、追溯产品原产地以及判断动物饲料来源等方面。 2.1 鉴别食品成分掺假 同位素溯源技术在鉴别食品成分掺假方面的研究报道比较多，且多集中在鉴别果汁加水、加糖分析，葡萄酒中加入劣质酒、甜菜糖、蔗糖等的分析以及蜂蜜加糖分析等方面。此外，还可鉴别不同植物混合油、高价值食用醋中加入廉价醋酸等掺假分析。这些掺假对消费者健康没有影响，然而会对诚实的生产者产生误导，并使他们处于经济利益不利地位 果汁中的掺假主要是加入水、糖或有机酸。通过检测果汁中糖、果肉、有机酸的8C值，果汁水中的8○值和D/H的比值，以及发酵果汁乙醇中D/H的比值进行鉴别16~9]。真正的纯果汁比用自来水稀释后的果汁水中80值和H含量高，这是因为自来水中的重氧和重氢含量较低》。为了提高检测的精确度，常采用内标同位素分析法进行测定。内标法主要依据为来自同一食品不同成分的同位素组成相对稳定，如果汁中的糖、果肉和有机酸中的”C/C的比值有各自独特的范围，这些成分的c/c比值相对固定。在浑浊果汁如橙汁、菠萝汁等分析中，果肉常作为比较方便的内标物。在果汁加糖检测分析中，可同时检测果汁中果肉和糖的8C值，将其差值与真正果汁中这二者的差值范围进行比较。如果在真正果汁差值范围之内或特别接近，可认为没有掺假；反之，可判断其中加入其他糖。根据偏离倾向，还可判断其中是加入C植物糖(如甜菜糖等)还是C4植物糖(如玉米高果糖浆等)。但对澄清果汁如苹果汁而言，以其中的有机物作为内标物。Eric Jancin 等在研究用8C值判断苹果汁中加糖问题时，以从所研究的苹果汁中分离出的纯苹果酸作为内标物[10] 在蜂蜜掺假方面，常加入C与C植物糖，其中主要掺加玉米高果糖浆。传统方法是用HPLC进行检 测。但这种方法在加入量比较少或高级掺假方面检测不出，如加入与蜂蜜中碳水化合物性质相同的人工合成的一些糖，并控制一定的加入量。目前，利用内标同位素分析法，即以蛋白质作为内标物，分析比较蜂蜜中蛋白质和糖的8C值就可灵敏、快速、精确地测定蜂蜜掺假情况。 葡萄酒中掺假主要是混合不同地区来源的酒，如德国的红葡萄酒中加入其他廉价的葡萄酒，或向酒中加入甜菜糖和蔗糖。检测的指标主要为酒中乙醇的8C值和D/H比率以及水中的80值。此外，也可俭测酒中氨基酸的8N值和全酒中的8Sr值进行判断16] 油脂掺假检验中，常用8C值作为判断指标。它可以检测C、C4植物混合油，如葵花籽油中加入玉米胚芽油。同时，也可区分不同来源的C植物混合油，如橄榄油中加入菜油。Simon E. Woodbury 等还利用定位脂肪水解酶研究比较了甘油骨架不同位置脂肪酸的8C值，发现2-位上的脂肪酸具有独特的8C值14] 此外，8C值也可用于醋酸的掺假分析，如判断苹果醋中加入用甜菜糖、土豆或淀粉发酵制的醋酸. 2.2 鉴别食品污染物来源 产地环境污染直接或间接影响农产品的质量与安全。产地环境污染主要是大气污染、水体污染和土壤污染。大气污染主要包括氟化物、重金属、酸雨、沥青等的污染；水体污染主要是无机有毒物如各类重金属、氰化物、氟化物等和有机有毒物如苯酚、多环芳烃、多氯联苯等的污染以及各种病原体的污染；土壤污染主要是施肥、施药与污灌三大途径的污染。不同来源的上述污染物对农产品形成综合性污染。在食品安全管理实践中，如果能确定污染源的类型和不同污染源的贡献率，就可有效控制污染源，切断污染途径，大大降低农产品的污染程度。 利用不同来源的物质中同位素丰度存在差异的原理，可检测环境与食品中污染物的来源。王琬等通过测定大气颗粒物中Pb/Pb 比值，并将其与源排放样品中 Pb 同位素数据进行比较，判断大气颗粒中Pb的污染源及其贡献。大气中铅的污染源主要是燃煤飞灰、工业排放和加铅汽油的使用，上述三种污染源中铅的同位素丰度比206Pb 207Pb的范围分别为1.06~1.08、1.14~1.22和1.14~1.18。大气颗粒物中206Pb207Pb比值越接近那种污染源的同位素范围，则认为它是主要的污染源，也可通过统计学的方法计算出各种污染源的贡献率。C.Marisa 和 R. Almeida指出通过检测 葡萄酒中Pb 的同位素比率可判断其中铅的污染源是来自自然污染还是土壤污染，土壤污染是由人类活动造成的，主要与大气沉降物、杀虫剂的施用、运输、贮藏过程等有关116]。此外，利用8C值可判断环境和食品中多环芳烃(PAHs)和多氯联苯(PCBs)的来源17~20]。PAHs 是含碳燃料及有机物不完全燃烧而产生的，每种燃烧源会产生一系列 PAHs单体化合物，这些单体化合物的浓度及其8C可形成独特的图谱，利用此图谱即可区分燃烧源。在实际判断环境或食品中的污染源时，可通过提取其中的 PAHs ，并分离 PAHs的单体化合物，然后测定每种单体化合物的浓度及其8C值，再与不同燃烧源的标准图谱比较即可追溯出污染源19] 2.3 追溯产品原产地与动物饲料来源 不同地域的食品受产地环境、气候、地形、饲料种类及动植物代谢类型的影响，其组织内同位素的自然丰度存在差异，利用此差异可判断产品的原产地。国外在对葡萄酒、奶酪的地域来源方面研究较多。近年来，受疯牛病的影响，有关肉制品产地来源追溯方面的研究也日渐增多。 2.3.1 同位素溯源技术判断植物源产品的产地来源 植物组织中的同位素组成直接与琪生长的地理环境与气候环境密切相关，其中主要受地形的高度、纬度，大气压力、温度、湿度、降雨量等因素的影响。目前，通过检测同位素丰度的方法判断产地来源的植物源产品主要包包果汁、饮料、酒、海洛因、尼古丁、丹参等16，21，22] 国外用于判断葡萄酒地域来源的元素常包括CH、O、Pb和Sr等。其中C、H、O等轻元素的同位素数据受季节和气候的影响很大，用它们建立的数据库很不稳定，每年必须重复测定，建立新的数据库，至少应对气候等因素对这些参数的影响要进行可能的预测，而Sr的同位素组成受季节和气候的影响不大，建立的数据库比较稳定。C. Marisa 等研究还发现，葡萄酒中的”Sr/ Sr 比值与土壤中的差异不大。因此，他们一致认为Sr影判断葡萄酒地域来源理想的同位素指标[23]。在酒的同位素分析中，现趋向于快速、全自动、及多元素分析方法，以便提高同位素分析的可用性6] 2.3.2 同位素溯源技术判断动物源产品的产地来源及其饲料来源 相对于葡萄酒等植物源性食品而言.对奶制品、肉制品等动物源性食品的产地来源判断就比较复杂。因为动物产品中同位素组成既受它们所食用的植物饲料中同位素组成的影响，也受动物代谢过 程中同位素分馏的影响，而且动物经常食用不同地区来源的饲料，或者一生中在不同地方饲养°。动物产品中含有较高的蛋白质和脂类成分，其中富含N和S元素；植物主要含有碳水化合物、脂肪和纤维素，它们的同位素含量为动物产品的同位素组成提供了构成框架。研究表明，乳、肉中水的0/0、H/H比值是反映环境条件较好的指标，常用于判断地域来源24~26].BC/"C比值与植物的光合代谢途径有关，常用于判断动物的饲料成分来源，如C植物与C4植物(玉米)占的比例24，27]。但不同食品由于受组织代谢分馏和加工工艺的影响，其同位素组成的变化规律存在很大差异。目前在研究检测中选取的食品成分与元素种类均有所不同。 在奶酪地域来源分析中，常检测的指标包括奶酪中酪蛋白的8C值和8N值281，甘油的880值和8C值，pH4.3条件下不溶物的8C值、8N值、H/H、 Sr/ Sr 比值及奶酪中的微量和痕量元素如 Ca、Mg Na 、Cu、Zn等的含量1291。除此之外，一些放射性元素如”Sr、238u、334u、137Cs40K和239/240Pu等也作为判断奶酪地域来源的指标301。乳中水80值可判断乳的地域来源，但测奶酪水中的80值就不能得到合理的结果，因为在奶酪制作过程中要加入或失去一部分水分l6] 在肉制品研究方面，现已有报道利用稳定性同位素技术判断牛肉、羊肉、猪肉的产地来源和饲料来源。不同地域来源的牛肉中同位素组成存在较大差异。O. Schmidt 等从不同国家抽取牛肉样品，脱脂后检测其中CN和S元素，发现美国与欧洲的牛肉中CN同位素组成存在很大差异，而且爱尔兰与其他欧洲国家牛肉的8CN值也存在明显差异；综合分析CNS同位素，还可区分出常规养殖的牛肉与有机养殖的牛肉[32]。常规养殖主要以粮食作为饲料，而有机养殖主要以牧草作为饲料。牛肉水中80值与气候因素相关251，饲料中C植物的比例与牛尾毛的8C直接相关，而且C植物的比例解释8C值96%的总变异，8C是提供动物饲料中玉米含量的一项重要指标331 此外，由于组织的分馏作用，动物体不同组织的同位素组成存在很大差异。羊肉蛋白质中的8C值比脂中的8C值平均高5.0%，但两者之间高度相关(r=0.976)，它们均与羊的品种和饲料来源有关关4oStefaan De Smet 等研究也发现，牛不同组织中C值由大到小的顺序依次为毛发>肌肉>肝脏>肾脏的脂肪。相对膳食而言，脂肪组织在合成过程中对C有贫化作用，而肌肉、毛发、肝脏、血液和血浆组织对C有 富集作用。此外，他们还发现，各组织中的0C值与牛屠宰前最后育肥阶段膳食中的8C值高度相关，相关系数变化范围在0.92~0.99之间。C植物在膳食中的比例可用各组织中的8C值预测出来，而且喂养相同膳食的动物个体之间同位素组成差异较小，用少量的样本就可追踪出动物的膳食组成35]。动物组织中同位素受其膳食的影响而不断发生变化，并且与膳食之间存在一种平衡关系。不同组织与膳食之间的平衡时间不同。血浆约需10d左右，血红细胞约需2个月，肌肉、毛发约需3个月，骨骼的平衡时间更长[33，36，37]。换言之，血液、脂、肝脏、肌肉、脑组织反映几星期到几个月的膳食，骨反映长达几十年的膳食信息[36]。可见，在具体研究中，应根据研究目的选取合适的组织及其合适的化学成分作为研究对象31 综上所述，用同位素溯源技术在鉴别食品成分掺假方面的研究报道较多，而在追溯产品原产地方面的研究较少，且多集中在植物源食品如葡萄酒、饮料等方面。在动物源食品研究方面，大多报道是关于用稳定性同位素判奶、奶酪的地域来源；而涉及到肉制品方面的报道相对较少。此外，动物组织中同位素组成受多种因素的影响，变化规律比较复杂，现大多处于探索阶段.还有许多问题亟待研究解决。 3 同位素溯源技术与其他溯源技术的区别与联系 目前，国际上主要采用双耳标签、动物护照、身份证等方法记录大型动物产品来源；对整个食品加工链主要采用全球统一标识系统或称为编码系统(EANUCC系统)对全过程进行跟踪与追溯，建立从”农田到餐桌”的食品供应链的跟踪与追溯信息体系。 全球统一标识系统即 EAN UCC系统是通用商业语言，为贸易项目、物流单元、资产位置及服务关系等提供惟一标识，已广泛应用于工业、商业、运输业、物流等领域，大大提高了供应链的有效管理。EAN UCC系统由全球贸易项目代码(GTIN)、应用标识符(AI)与全球位置码(GLN)三部分信息组成。在食品工业方面，欧盟等国已经采用EAN UCC系统成功地对牛肉、鱼、蔬菜等食品开展了跟踪。通过FAN UCC 系统可以对供应链全过程的每一个节点进行有效的标识，建立各个环节信息管理、传递和交换的方案，从而对供应链中食品原料、加工、包装、贮藏、运输和销售等环节进行跟踪与追溯，及时发现存在的问题，进行妥善处理。全球统一标识系统就像一条纽带，把食品供应链中各个环节的信息连接在一起，可跟踪食品的生产、加工、运输 到销售全过程，使生产过程透明化，确保食品安全跟踪的可靠性，使企业产品在激烈的市场竞争中处于有利地位。 但这种系统也有不足之处。使用 EAN ·UCC系统，要求在食品供应链中的每一个加工点，不仅要对自己加工的产品进行标识，还要采集所加工的食品原料上已有的标识信息，并将其全部信息加在产品上，以备下一个加工者或消费者使用。这好比一个环环相扣的链条，任何一个环节断了，整个链条就脱节了，这些是实施跟踪与追溯的最大技术、管理与诚信问题。这就要求食品供应链上每个环节的生产者都应负责记录并传递翔实的信息。但由于动物标签的丢失、反复记录过程中出现差错、些标记图案的模糊不清等客观原因及受利益驱动，生产者故意改换标签、甚至在电子芯片中取除或插入某些信息等主观原因的影响，会导致信息链中断，发生可跟踪性丢失，或者导致欺诈和不确定性，从而使溯源不清1391。此外，EAN UCC系统的建立需要记录大量的信息，需要一定的人力、物力及财力的支持。目前，我国食品企业数量庞大，经营分散，其中包括一大批小型企业，生产很多食品连最起码的标识都不健全，发生问题后生产者无法找到，即问题食品难以溯源401。在这些情况下，就需要一种科学的、独立的、不可改变的，以及随整个食品链流动的产品身份鉴定信息直接确认产品来源321。这些信息存在于整个食品链中，而且能随产品销售给消费者，它们在减少欺诈、以假乱真的行为中也起着重要作用[39，41]。现在适用这种要求的技术方法包括组织DNA、蛋白质检测技术及同位素检测技术。 组织 DNA 和蛋白质检测技术可用于品种鉴定和追溯动物产品的来源。对品种进行鉴定，这两项技术简单、快速。。对动物个体进行追溯，需要依据每个个体的 DNA 标记建立数据库。群体中个体的数量越多，DNA 标记的数量就越多，建立数据库需用的费用就越高，这是此方法在实际应用过程中最大的限制因素142]，而且这两种技术不能区分产品的地域来源。同位素溯源技术既能区分不同种类、不同来源的生物产品，又是目前用于判地域来源比较直接而有效的一种追溯工具27] ·，但它不能用于区分生物个体。 综上所述，应用全球统一标识系统(或称为编码系统)可对产品生产的各个环节进行标识，可保证生产过程的透明性，满足消费者的要求。但记录过程烦琐，需要一定的经济和技术支撑，而且其中信息易造假。组织DNA、蛋白检检测技术及同位素检测技术可提供关于产品科学的、独立的、及在整个生产链流动的信息， 但它们不能评价产品的加工过程，而且前二者主要与个体建立联系，同位素溯源技术主要与产地建立联系。这些方法技术各有优缺点和独自的适用范围，在实际追溯体系中可相互补充，相得益彰。 4 建议 在食品安全问题日益受到消费者关注，食品贸易日益国际化的今天，建立食品安全追溯制度已成为保障消费者身体健康，促进食品出口，以及解决食品贸易国际争端的有效方式。同位素溯源技术可用于鉴别不同种类、不同来源的食品原料，而且是目前国际上用于追溯食品产地来源的一种直接而有效工具，是一个比较新的研究领域，具有广阔的应用前景。迄今，国外在此方面的研究有了一定进展，但许多问题还处于探索阶段；国内关于这方面的研究几乎未见报道。因此，我国应加大投资力度，开展同位素溯源技术在食品安全溯源领域的研究工作。具体应从以下几方面开展工作： (1)针对不同种类的食品，研究筛选出区分其不同产地来源的同位素指标体系，并建立检验检测规范体系，在此基础上，建立不同地域来源食品的同位素组成特征数据库。 (2)研究各种因素如温度、湿度、降水量、气压、海拔、纬度及加工工艺等对食品中同位素组成的影响，探索食品中同位素组成的变化机理，进而建立预测模型.为预测判断不同来源的食品提供理论依据。 (3)将同位素源源技术与其他的溯源技术、管理方法相结合，研究建立完善的食品安全追溯制度体系。 ( 参考文献： ) ( [1] 孙洪亮，李建辉.全球统一标识系统在食品安全跟踪与追溯体系 中的应用.食品科学.2004，25，(6)：188~194 ) ( [2] 于维军.建立质量安全追溯提升我国农畜产品竞争力.动物科学 与动物医学.2004，21，(9)：46~48 ) ( [3] 赵墨田编著.稳定同定素分析法.北京：科学出版社，1985 ，48~49 ) ( [4] 李玉梅.碳、氧稳定同位素分析在古环境研究中的应用.中国科学院地质与地球物理研究所，博士学位论文，2002 ) ( [5] 王国安.中国北方草本植物及表土有机质碳同位素组成.中国科学院地质与地球物理研究所，博士学位论文，2001 ) ( [6] R ossmann A ， Ko z iet J ， e t a l . 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