付 才，馬書林，王紅云，黃志國(guó)

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所，河北 石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所，河北 石家莊 050035）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，消費(fèi)類型也由七八十年代的以糧食為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗膶?duì)肉、蛋和奶需求的增加。此外，歐洲“瘋牛病”以及我國(guó)“三聚氰胺”和“禽流感”等重大食品安全事件的發(fā)生，也使得人們對(duì)食品的安全性更加重視。為了確保食品安全，實(shí)行食品安全追溯制度，就必須從生產(chǎn)到餐桌進(jìn)行全程監(jiān)控。在歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家（英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、比利時(shí)等）的肉類生產(chǎn)中，溯源系統(tǒng)已經(jīng)得到了應(yīng)用[1]。歐盟在《食品法》中規(guī)定，動(dòng)物性食品、飼料、供食品生產(chǎn)用的畜禽，以及在制造動(dòng)物性食品和飼料過(guò)程中與其相關(guān)的物品，在其整個(gè)生產(chǎn)鏈條中每個(gè)環(huán)節(jié)（生產(chǎn)、加工、銷售）必須確立食品信息的溯源體系，否則，不允許上市銷售[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在食品安全上利用穩(wěn)定同位素技術(shù)的研究不斷增多，如在畜禽產(chǎn)品溯源中，常用的穩(wěn)定同位素包括碳（C）、氮（N）、氫（H）、氧（O）和硫（S）等。對(duì)碳、氮同位素的基本原理以及同位素溯源技術(shù)在畜禽產(chǎn)品鑒別和來(lái)源方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨為建立與完善我國(guó)畜禽產(chǎn)品安全追溯制度和保障消費(fèi)者的權(quán)益提供參考。

1 同位素指紋溯源技術(shù)的基本原理

穩(wěn)定同位素組成常用δ值表示，δ值指樣品中某元素的穩(wěn)定同位素比值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)樣）相應(yīng)比值的千分偏差。在自然界，生物體與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換過(guò)程中，其同位素組成受環(huán)境、生物代謝類型、氣候等因素的影響而發(fā)生自然分餾效應(yīng)，從而導(dǎo)致不同地域來(lái)源動(dòng)植物的組織中同位素的δ值存在差異[3]，這種差異是由于生物體所處的環(huán)境條件不同造成的。同位素組成是生物體的一種“自然指紋”，與生物體生長(zhǎng)的環(huán)境密切相關(guān)，往往不隨化學(xué)添加劑的添加而改變，其能為畜禽產(chǎn)品溯源提供一種獨(dú)立、客觀、穩(wěn)定的以及隨整個(gè)畜禽產(chǎn)品鏈流動(dòng)的身份鑒定信息[4]。因此，同位素自然分餾效應(yīng)可以作為同位素指紋溯源技術(shù)的基本原理和依據(jù)。通過(guò)同位素指紋信息，不僅可以追溯畜禽產(chǎn)品原產(chǎn)地和食品污染物來(lái)源，還可以鑒別產(chǎn)品成分是否摻假等。

穩(wěn)定性碳同位素比率用δ13C（‰） 表示，δ13C的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為V-PDB；穩(wěn)定性氮同位素比率用δ15N（‰）表示，δ15N的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為空氣。計(jì)算公式為：

δ= （R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1） ×1 000‰

式中，R為輕同位素與重同位素豐度比，即13C與12C的比值（13C/12C） 或15N與14N的比值（15N/14N）。

1.1 碳同位素

碳有2種穩(wěn)定同位素，分別是12C和13C。由于植物固定二氧化碳的方式不同，導(dǎo)致在不同種類植物中δ13C值并不相同。植物固定二氧化碳的途徑有C3、C4和景天酸代謝（CAM）3條，因此，可將植物分為C3植物、C4植物和CAM植物[5，6]。不同種類植物的δ13C值差異很大，其中，C3植物碳同位素的δ值為-34‰～-22‰，其中在（-27±2） ‰范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率最多；C4植物碳同位素的 δ值為-19‰～-9‰，其中在（-13±2）‰范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率最多；CAM植物碳同位素的δ值變化范圍較大，為-38‰～-13‰，平均值為 （-17±2） ‰，介于 C3植物與 C4植物之間[7，8]。由此可見，植物δ13C值的大小主要受光合作用方式和外界環(huán)境因子2個(gè)方面的影響，不同地域生長(zhǎng)的植物由于光合作用和環(huán)境因素的不同，因此，其δ13C值的大小存在差異，也就是說(shuō)，植物的δ13C值是環(huán)境因子和生物因子共同影響的結(jié)果[9]。

1.2 氮同位素

氮有2種穩(wěn)定同位素，分別是14N和15N。研究發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源的含氮物質(zhì)，氮同位素的δ值不同。來(lái)自人類和畜禽排泄物的δ15N值明顯富集，范圍為10‰～20‰；大氣沉降硝酸鹽的δ15N值范圍為2‰～8‰；人工合成的化學(xué)肥料δ15N值較低，范圍為-3‰～3‰[10]。植物的δ15N值取決于其生長(zhǎng)過(guò)程中土壤環(huán)境硝酸鹽和氨水的含量，而土壤的δ15N值取決于氣候和地理2個(gè)因素[3]；動(dòng)物組織中氮同位素的組成來(lái)源于其新陳代謝和食用物質(zhì)兩方面因素的影響。呼吸作用使得氮同位素進(jìn)行大量分餾，δ15N值范圍為3‰～5‰[11]。另外，種植過(guò)程中常年使用化肥和有機(jī)肥，以及動(dòng)物源性飼料在畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用，也會(huì)影響生物體氮同位素的組成[12]。

2 碳氮同位素在畜禽產(chǎn)品產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

目前，應(yīng)用碳氮2種同位素的δ值來(lái)確認(rèn)畜禽產(chǎn)品產(chǎn)地來(lái)源的研究日益增多。然而，對(duì)于畜禽動(dòng)物性產(chǎn)品而言，它們的同位素組成較為復(fù)雜。畜禽飼養(yǎng)過(guò)程中同位素的組成主要受飼料配方、新陳代謝過(guò)程中同位素分餾以及飼料配方中原材料的來(lái)源等因素的影響[13，14]。

2.1 在牛肉產(chǎn)地溯源的應(yīng)用

Boner等[15]對(duì)采自德國(guó)不同農(nóng)場(chǎng)（有機(jī)飼養(yǎng)和傳統(tǒng)飼養(yǎng)）的牛肉樣品進(jìn)行了粗蛋白質(zhì)的δ13C值測(cè)定，結(jié)果顯示，不同飼養(yǎng)模式下的牛肉δ13C值不同，可以將δ13C值＜-20‰作為牛肉有機(jī)養(yǎng)殖的判斷指標(biāo)。Schmidt等[16]對(duì)來(lái)自美國(guó)的23個(gè)牛肉樣品和來(lái)自歐洲的35個(gè)牛肉樣品進(jìn)行碳氮同位素檢測(cè)分析，結(jié)果表明，美國(guó)牛肉與歐洲牛肉的δ13C值存在差異，并且愛爾蘭牛肉與其他歐洲國(guó)家牛肉相比δ13C值和δ15N值均存在顯著差異；此外，通過(guò)分析碳氮2種穩(wěn)定性同位素的δ值，還可以區(qū)分常規(guī)養(yǎng)殖與有機(jī)養(yǎng)殖的牛肉。

國(guó)內(nèi)學(xué)者郭波莉等[17]利用同位素比率質(zhì)譜儀（IRMS），對(duì)來(lái)自我國(guó)河北、貴州、寧夏、吉林四大肉牛產(chǎn)區(qū)的牛肉樣品和牛尾毛進(jìn)行了碳氮同位素的δ值測(cè)定，結(jié)果顯示，各地牛肉的δ13C值和δ15N值存在極顯著差異，牛組織的δ13C值順序?yàn)榧郑举F州＞寧夏＞河北。貴州和河北兩地樣品的δ15N值明顯高于吉林和寧夏兩地樣品。而且，脫脂牛肉和粗脂肪的δ13C值和δ15N值與牛尾毛的δ13C值和δ15N值存在極顯著的正相關(guān)，說(shuō)明利用牛尾毛替代牛肉組織進(jìn)行牛肉產(chǎn)地溯源研究是可行的；不同產(chǎn)地來(lái)源牛尾毛中穩(wěn)定碳、氮、同位素的δ值大小取決于不同地域飼養(yǎng)牛的飼料組成、地域海拔和緯度的變化程度[17]，通過(guò)測(cè)定牛肉的δ13C值和δ15N值可以區(qū)分不同產(chǎn)地來(lái)源的牛肉，同時(shí)利用牛肉中穩(wěn)定性同位素碳的δ值可以推斷牛飼料的主要成分[18]。孫豐梅等[19，20]研究結(jié)果表明，牛不同組織的δ13C值隨著牛粗飼料中C4植物比例的加大而升高，并且均與粗飼料中C4植物的比例呈極顯著的正相關(guān)，因此，可以用牛組織的δ13C值推斷牛所采食的粗飼料中C4植物所占的比例。劉澤鑫等[21]通過(guò)檢測(cè)牛尾毛的δ13C值和δ15N值對(duì)陜西關(guān)中不同區(qū)（縣） 來(lái)源牛尾毛樣品進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示，乾縣和永壽縣樣品聚為一類；麟游縣樣品聚為一類；楊凌區(qū)和眉縣牛尾毛樣品聚為一類；鳳翔縣、岐山縣和扶風(fēng)縣分類不十分明顯，分散在上述3類中。說(shuō)明此地肉牛組織的碳氮同位素組成存在差異，利用該項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行肉牛小范圍地域的溯源。

2.2 在羊肉產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

孫淑敏[22]利用同位素比率質(zhì)譜儀，對(duì)來(lái)自內(nèi)蒙古自治區(qū)3個(gè)牧區(qū)（呼倫貝爾市、阿拉善盟、錫林郭勒盟）以及重慶市和山東省菏澤市2個(gè)農(nóng)區(qū)的羊肉、羊頸毛及飼料樣品的碳、氮、氫3種同位素的δ值進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)不同地域羊組織的碳氮同位素的δ值存在顯著差異，羊組織的δ13C值與羊所食用的粗飼料δ13C值高度相關(guān)，主要受牧草種類的影響；當(dāng)?shù)仫暳虾偷赜颦h(huán)境決定羊組織的δ15N值大小。羊頸毛的δ13C值和δ15N值與羊肉的δ13C值和δ15N值呈顯著正相關(guān)。利用羊頸毛替代羊肉作為產(chǎn)地溯源的材料是可行的，通過(guò)檢測(cè)羊頸毛的δ13C值和δ15N值可以判別羊肉的產(chǎn)地。羊肉的δD值主要與當(dāng)?shù)仫嬎摩腄值高度相關(guān)，不同地域來(lái)源的羊肉δD值存在顯著差異。判別分析結(jié)果表明，利用氫同位素的δ值較利用碳氮同位素的δ值對(duì)羊肉產(chǎn)地的正確判別率從80.8%提高到88.9%[23，24]。因此，利用碳、氮和氫3種穩(wěn)定同位素可更加準(zhǔn)確地辨別羊肉的產(chǎn)地。

2.3 在雞肉產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

王慧文等[25]通過(guò)穩(wěn)定同位素質(zhì)譜技術(shù)，分析了不同地區(qū)雞肉的碳?xì)渫凰卅闹?、飼料的碳同位素δ值以及飲水的氧同位素δ值，結(jié)果顯示，不同地區(qū)雞肉的δ13C值與其所食用飼料的δ13C值呈極顯著正相關(guān)，δD值與飲水的δ18O值呈高度正相關(guān)，說(shuō)明可以根據(jù)雞肉的δ13C值和δD值推斷肉雞所食用的飼料及肉雞產(chǎn)地。雞肉碳同位素的δ值受基礎(chǔ)日糧中玉米含量的影響，而日糧中玉米含量對(duì)雞肉氮同位素的δ值影響較小[26]。此外，利用δ13C值、δ15N值、δ34S值和δD值這4個(gè)參數(shù)可以更加準(zhǔn)確地對(duì)雞肉產(chǎn)地進(jìn)行溯源，判別率高達(dá)100%；各地飲水的δ18O值與雞肉的δD值呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；雞肉的δ13C值和δ15N值受飼料與氣候等因素的影響，δ34S值依賴于地理位置和產(chǎn)地表面的地質(zhì)特點(diǎn)[27]。

2.4 在雞蛋溯源中的應(yīng)用

現(xiàn)在市面銷售雞蛋的生產(chǎn)方式主要有散養(yǎng)、籠養(yǎng)和有機(jī)3種。與籠養(yǎng)雞和散養(yǎng)雞相比，有機(jī)飼養(yǎng)雞有更大的活動(dòng)空間，有機(jī)會(huì)自由地尋找食物，如蟲、草和種子等，可以少量食用或不食用化學(xué)合成的食物。因此，普遍認(rèn)為，采用散養(yǎng)方式和有機(jī)飼養(yǎng)方式生產(chǎn)的雞蛋更符合消費(fèi)者的消費(fèi)心理[28]。目前，我國(guó)還沒有針對(duì)以上3種飼養(yǎng)方式所產(chǎn)雞蛋的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。戴祁等[29]利用同位素比率質(zhì)譜儀測(cè)定了3種飼養(yǎng)模式雞蛋各組分的碳氮穩(wěn)定同位素的δ值，結(jié)果顯示，利用該方法測(cè)定雞蛋各組分的碳氮同位素δ值具有良好的重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)差均＜0.2‰（n=6）；雞蛋各組分的δ13C值和δ15N值均存在差異，其中，δ13C值順序?yàn)榈包S＜蛋清＜蛋殼膜，δ15N值順序?yàn)榈皻つぃ嫉扒澹嫉包S，二者的變化規(guī)律相反；雞蛋各組分的δ13C值與δ15N值之間呈線性相關(guān)。將散養(yǎng)與籠養(yǎng)生產(chǎn)的雞蛋進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，二者蛋清的δ13C值和δ15N值分布范圍不同，其中，散養(yǎng)雞蛋的δ13C值和δ15N值分布范圍分別為-18.00‰～-14.97‰和3.02‰～4.37‰，而籠養(yǎng)雞蛋的δ13C值和δ15N值分布范圍分別為-18.96‰～-15.98‰和1.66‰～2.68‰?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)碳氮同位素的δ值，能夠有效地區(qū)分散養(yǎng)與籠養(yǎng)雞蛋。

2.5 在原料乳溯源中的應(yīng)用

Kornexl等[30]和 Ghidini等[31]認(rèn)為，通過(guò)牛乳的δ18O值及其特定成分的δ15N值、δ13C值、δ34S值和δ87Sr值能夠確定乳及乳制品的產(chǎn)地來(lái)源；不同飼養(yǎng)條件下奶牛飼料中玉米所占的比例不同，因此，通過(guò)檢測(cè)牛乳的δ13C值能夠?qū)⒂袡C(jī)乳與傳統(tǒng)乳區(qū)分開來(lái)。研究表明，有機(jī)乳的脂肪δ13C值較低，最高值為-28.0‰；而傳統(tǒng)乳的脂肪δ13C值為-26.6‰或者更高[32]。Knobbe等[33]研究了奶牛不同飼養(yǎng)模式下牛乳和尿液的同位素組成變化，結(jié)果顯示，飼喂不同比例的C3或C4植物日糧會(huì)影響牛乳和尿液的δ13C值，其中，飼喂牧草組牛乳和尿液的δ13C值均＜飼喂玉米組。牧草組，乳和尿中的δ13C值均＞所食用飼料的δ13C值；玉米組，乳中的δ13C值卻＜所食用飼料的δ13C值，尿中δ13C值與所食用飼料的δ13C值在同一范圍內(nèi)。乳中的δ15N值在2種飼養(yǎng)模式下無(wú)明顯差異，同一飼養(yǎng)模式下需要飼喂較長(zhǎng)時(shí)間才能使尿液中的δ15N值達(dá)到平衡。利用碳氮同位素進(jìn)行牛奶溯源研究，不僅可以了解不同地區(qū)奶牛的飼養(yǎng)方式和飼料來(lái)源，還可以為區(qū)分有機(jī)乳與傳統(tǒng)乳提供判斷依據(jù)。

3 存在的問(wèn)題及今后研究方向

盡管目前有關(guān)畜禽產(chǎn)品溯源技術(shù)的研究較多，但大多處于初步探索階段，在理論和技術(shù)方面還有許多問(wèn)題需要解決。該項(xiàng)技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)際仍然存在較大差距，今后，應(yīng)從以下方面進(jìn)行研究：

（1）飼料、飲水、地域、季節(jié)、氣候和貯藏加工工藝等多種因素對(duì)畜禽同位素組成的影響；

（2）深入研究畜禽組織的同位素平衡與轉(zhuǎn)化時(shí)間；

（3）畜禽不同組織碳、氮等同位素的組成情況及含量；

（4）揭示影響畜禽同位素組成的機(jī)理；

（5）不斷建立和更新畜禽產(chǎn)品產(chǎn)地同位素溯源數(shù)據(jù)庫(kù)；

（6）建立一套可應(yīng)用于實(shí)際的完整的理論體系和模型。

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