薛竣仁 劉洪波 姜 濤 陳修報 唐 靜 楊 健 ,①

(1. 南京農業(yè)大學無錫漁業(yè)學院 江蘇 無錫 214081；2. 中國水產科學研究院長江中下游漁業(yè)生態(tài)環(huán)境評價與 資源養(yǎng)護重點實驗室 中國水產科學研究院淡水漁業(yè)研究中心 江蘇 無錫 214081)

水產品是海洋和淡水漁業(yè)生產的動植物及其加工產品的統(tǒng)稱，常見的水產品主要包括魚、蝦、蟹和貝。水產品富含蛋白質、維生素和礦質元素(姜曉東等, 2015; 趙亭亭等, 2018)，具有極高的營養(yǎng)價值，其需求量逐年提高，傳統(tǒng)捕撈的數(shù)量已完全無法滿足消費者的需求，相關名特優(yōu)新品種的養(yǎng)殖業(yè)也得到迅猛發(fā)展和高度關注。需要注意的是，隨著消費者對水產品品質的追求及對知名產地或著名品牌水產品更加青睞，優(yōu)質水產品，如陽澄湖中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)、波士頓龍蝦(Homarus americanus)等可以售出更高的價格。鑒于此，不法商人常以假充真、以次充好來賺取非法利益。目前，除摻假行為外，原產地標識不清(Miller et al, 2010; Lamendin et al, 2015)及錯貼標簽(Wallstrom et al, 2020)的現(xiàn)象也大量存 在。這種惡意行為必會損害消費者、生產者及行業(yè)的利益。

為使消費者合法權益得到保障，歐盟 2065/2001號規(guī)定要求水產品標簽必須注明水產品的獲取方法(養(yǎng)殖或野生)、養(yǎng)殖國家與產地的地理位置等信息，但我國尚無如此嚴格的要求。養(yǎng)殖水產品冒充野生水產品以及普通產地水產品假冒知名地理標志保護產地水產品的現(xiàn)象頻發(fā)，嚴重危害著原產地水產品的信譽和消費者的正當權益。在這種市場背景下，亟需進一步加快和強化對水產品的原產地溯源研究，以便建立更多、更有效且更為科學、客觀的方法體系對水產品所標識的產地進行有效監(jiān)督、鑒定，從而確保其產地或品牌來源信息真實。

礦質元素和穩(wěn)定同位素分析是目前兩類水產品產地溯源最受關注的方法(陳勝軍等, 2019; 張政權等, 2020)。本文對礦質元素、穩(wěn)定同位素指紋及其相關的多元統(tǒng)計分析技術在水產品溯源中的原理與應用進行綜述與展望，以期為名特優(yōu)新水產品產地溯源技術的發(fā)展提供思路。

1 元素微化學分析與水產品產地溯源

1.1 元素微化學溯源的技術原理

礦質元素在生態(tài)環(huán)境中的分布很不均勻。不同的水、土壤、飼料和空氣環(huán)境中的礦質元素組成和 含量都有其各自的特征(Franke et al, 2005)，且不同生境條件中的常量、微量元素會因為多種生命活動而進入動植物體內持續(xù)累積，導致來源于不同地區(qū)的生物體內元素含量存在較大差異(Anderson et al, 2005)，故這種微化學“指紋”的差異可以成為很好的產地溯源指標(圖 1)?；谠撛恚绻麑洕a品中的元素含量和組成“指紋”進行精準定量檢測，可以達到相關水產品產地溯源的目的。雖然由于飼料中常添加一些必需元素，水產品的某些礦質元素含量也有可能受到飼料的影響，但如果挑選飼料影響小的穩(wěn)定元素，且對盡量多種的元素進行綜合分析，則在進行產地判別時，可以有效避免受到人為因素(如污染、餌料等特殊情況)的干擾。

圖1 微化學“指紋”溯源原理模式 Fig. 1 Schematic diagram of the traceability by microchemical “fingerprint” profiles

1.2 水產品產地溯源中的元素微化學分析進展

在水產品的產地溯源應用中，魚類應用最為廣泛，因為魚類在水體中生活的過程中，其耳石結構會持續(xù)地吸收水環(huán)境中的礦質元素并且不斷富集(Campana et al, 2007)。耳石中的 Sr與 Ba 元素的主要來源就是生活的水環(huán)境，因此，通過測定耳石的元素進行產地溯源是一種重要方式(Kerr et al, 2014)。Avigliano等(2017)運用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對拉普拉塔河 3個不同地區(qū)的條紋鯪脂鯉(Prochilodus lineatus)耳石的 Sr、Ba、Zn與 Ca元素的比值進行了測定，在后續(xù)的判別分析中，3個產 地的判別準確率分別為 82.1%、84.2%和 77.8%，雖然將元素與幾何形態(tài)學方法結合的判別更為準確，但單獨使用元素指紋判別的準確率要明顯優(yōu)于只使用幾何形態(tài)學方法。Miyan等(2016)通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定了來自恒河及其支流的 4個不同產地的胡子鯰(Clarias batrachus)矢耳石的Na、Mg、Ba和Cu等12種礦質元素的含量，結果顯示，在4個不同產地中，除Na、Ca和Sr元素外，其余9種元素均存在顯著性差異，通過12種元素對4個產地的判別分析準確率分別為 88%、92%、96%和100%，總體的準確率達94%，產地判別效果非常好。該研究還對同樣4個產地的樣本進行幾何形態(tài)學 方法的產地判別，產地判別準確率僅為 68.39%，與Avigliano等(2017)的研究結果相同，均表明礦質元素的判別效果顯著優(yōu)于幾何形態(tài)學方法。耳石礦質元素含量同樣被Maciel等(2020)應用于大西洋西南部4個河口的叉尾髯海鯰(Genidens genidens)的群體判別，電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)被用于測定耳石邊緣與核心部分Ba、Cu和Mg等7種礦質元素與Ca的比值；邊緣部分的綜合判別率為75.9%，核心部分的綜合判別率為86.2%，對群體的判別效果較好；通過耳石的幾何形態(tài)學方法對 4個群體判別的準確率為75.1%，低于礦質元素的判別效果。通過肌肉對不同地區(qū)魚類的判別效果同樣優(yōu)異，Han等(2019)采集了中國 2個不同地區(qū)同一年 4個季節(jié)的鮭魚(Oncorhynchus keta)樣本，通過18種礦質元素的測定不僅可以將2個不同產地的鮭魚進行產地鑒別，也進一步驗證了多元素的產地溯源技術在對鮭魚產地的鑒別中不會受到季節(jié)影響，證實了該技術的應用價值。

近年來，礦質元素分析也越來越多地應用在蝦、蟹和貝類的研究中。楊文斌等(2012)通過 ICP-MS測定了中華絨螯蟹第3步足的Na、Mg、Al等11種礦質元素的含量，對長江水系3個不同湖泊產的中華絨螯蟹進行產地判別的準確率達到93.3%。楊健等(2013)同樣基于第3步足整體組織進行測定，選取Na、Mg等12種測得的礦質元素對相距較近的3個湖泊及距離較遠的軍山湖中華絨螯蟹進行產地判別，對4個產地的判別準確率達 100%。趙鑒等(2014)分別選取遼河水系以及長江水系的4個不同產地，基于第3步足內Na、Mg等12種礦質元素進行產地判別，對4個產地的判別準確率同樣可達100%。Varrà等(2021)使用四極感應耦合等離子體質譜儀(Q-ICP-MS)測定了地中海和大西洋3個不同地區(qū)的68尾普通烏賊(Sepia officinalis)樣本的52種元素含量，主成分分析后選用了3種不同的判別分析方法對這3個產地的普通烏賊進行產地判別，3種方法的交叉驗證判別準確率分別為100%、99%和100%，可以準確地對不同來源烏賊進行區(qū)分。

在貝類研究中，Zhao等(2016)對采集于中國3個省份海岸的菲律賓蛤仔(Ruditapes philippinarum)進行產地判別，采用ICP-MS測定蛤仔軟組織及同步采集的生活水樣與泥樣的 25種礦質元素的含量，3個產地的總體判別準確率為94.4%，具有較好的產地判別效果；相關性分析的結果顯示，Na、Mg、Co、Cu等12種元素在蛤仔與水泥間存在顯著相關性，有效證實水生生物體內的礦質元素會因為生活水體環(huán)境的變化而變化。Bennion等(2019)使用ICP-MS測定采集于愛爾蘭西海岸 3個海灣的 4個不同產地的貽貝(Mytilus edulis)的As、Cd等9種元素，并進行產地判別，發(fā)現(xiàn)不同組織有不同的判別效果；但將清潔的貝殼、足部和角質層相結合之后，對 4個不同地區(qū)(其中有2處采樣地點的間距僅為6 km)的貽貝判別準確率可達到100%。Morrison等(2019)通過ICP-MS對采集于愛爾蘭西海岸 3個海灣共 4個不同地點的扇貝(Pecten maximus)進行了產地的判別。其基于10種礦質元素、選取貝殼及軟組織分別進行了礦質元素的產地判別研究。結果顯示，貝殼的判別達到97.5%的判別準確率，具有滿意的產地溯源效果。將軟組織與貝殼數(shù)據(jù)相結合之后可進一步提高判別率至 100%。Forleo等(2021)共采集了7個地區(qū)25個采樣點的紫貽貝(Mytilus galloprovincialis)進行產地溯源研究，通過14種礦質元素的測定及分析，總體的產地溯源準確率達 90%以上，可以有效應對市場上的假冒行為。Ricardo等(2020)利用礦質元素快速、準確、有效地進行了花蛤(Ruditapes philippinarum)的產地溯源。

礦質元素不僅被應用于不同產地的水產品的產地鑒別之中，也可以用于對不同養(yǎng)殖方式水產品的鑒別，可以極好地保護野生名貴水產品的信譽。Anderson等(2010)利用19種元素建立了5種不同的模型，嘗試對2種生長方式(養(yǎng)殖與野生)的鮭[大西洋鮭(Salmo salar), 大鱗大馬哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)和銀大麻哈魚(Oncorhynchus kisutch)]進行區(qū)分，雖然根據(jù)不同的模型，準確度略有不同，但能夠成功地把不同產地與生產方法的鮭魚區(qū)分開來。Zitek等(2010)使用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)對野生與人工養(yǎng)殖的鱒(Oncorhynchus mykiss和Salmo trutta)的耳石進行元素測定， 基于88Sr/43Ca、和23Na/43Ca等分析，可以100%區(qū)分野生與養(yǎng)殖的鱒。Li等(2015)通過ICP-AES對不同養(yǎng)殖模式的斑點叉尾(Ictalurus punctatus)進行肌肉礦質元素的比較研究，結果顯示，用13種礦質元素“指紋”判別不投與投喂飼料養(yǎng)殖斑點叉尾的準確率可達100%。

隨著礦質元素“指紋”的研究種類與范圍的不斷擴大，礦質元素“指紋”的應用前景必會更加廣闊，但我國目前特色水產品的產地溯源研究仍處于初始階段，還有很多的特色水產品缺乏相關特征指標的研究，特色水產品的元素“指紋”圖譜的建立仍然需要更多的樣本量以及更多產地的數(shù)據(jù)支持。

2 穩(wěn)定同位素微化學分析與水產品產地溯源

2.1 穩(wěn)定同位素微化學“指紋”溯源的技術原理

質子數(shù)相同、中子數(shù)不同的同一元素的不同核素被稱為同位素，水產品體內某元素的比值受同位素分餾效應的影響。同位素分餾效應是指由于同位素質量不同，在物理、化學及生物化學作用過程中，同位素比值不同的兩種物質或同種物質的兩種相態(tài)間發(fā)生的同位素的自然分配效應(Nier, 1950)。同位素分餾效應受氣候、環(huán)境、生物代謝等因素影響而存在差異(Branch et al, 2003; Liu et al, 2017)。同位素的波動范圍相對較小，相對穩(wěn)定，如同人類的指紋具有各自的特征信息，被稱為“同位素指紋”。穩(wěn)定同位素比質譜儀(IRMS)技術具有精確度高、運用少量樣品即可進行同位素檢測和區(qū)分，且沒有放射性，不會造成二次污染的優(yōu)點。該技術在草莓(Perini et al, 2017)等植物源性水果和牛羊肉(Zhao et al, 2015)等動物源性肉品中均得到了運用。近年來，在水產品溯源中也有了類似的應用(Pereira et al, 2019)，特別是 δ13C、δ15N、δ2H和δ18O等。

水產品體內的 C穩(wěn)定同位素組成與飼料的種類密切相關。δ13C會因為動物飼料中 C3、C4植物比例的不同而發(fā)生變化。δ15N除受飼料內動植物占比的影響外，還受到土壤狀況等多種因素的影響(Amundson et al, 2003)。水體中的δ2H、δ18O值會受到不同季節(jié)、海拔與生存緯度的影響而產生變化，因此，生活在不同水環(huán)境中的水產品的δ2H、δ18O值會有較大的差異(周毅等, 2017; Ramesh et al, 1992)，也極具產地溯源的潛力。另外，Sr穩(wěn)定同位素受到地質條件的影響較大，比H、O穩(wěn)定同位素比值更穩(wěn)定，可在H、O穩(wěn)定同位素無法進行有效區(qū)分的水產品中進行溯源研究(Kelly et al, 2005)。

2.2 水產品產地溯源中的穩(wěn)定同位素微化學分析進展

穩(wěn)定同位素技術已經越來越多地應用到魚類的產地溯源研究。Kim等(2015)選取了 11個不同產地的鯖(Scomber japonicas)、6個產地的小黃魚(Larimichthys polyactis)及 7個產地的鱈(Theragra chalcogramma)的肌肉組織，進行 C、N穩(wěn)定同位素的測定，結果顯示，鯖與鱈的產地區(qū)分度很高，但小黃魚的區(qū)分度極不理想。吳浩等(2021)對來自于6個不同國家的大西洋鮭進行產地溯源研究，選取三文魚的肌肉、表皮、鱗片和骨骼測定了C、N、H、O和S穩(wěn)定同位素比值，結果發(fā)現(xiàn)，表皮、鱗片和骨骼的C、N與 S同位素產地判別準確率均達 100%。在Molkentin等(2015)的研究中，通過C、N同位素還可以將野生鮭與養(yǎng)殖鮭進行準確區(qū)分，即使鮭魚肉在煙熏后仍然可以準確的產地溯源。

除魚類外，同位素溯源技術在貝、海參和蝦蟹類的產地溯源中同樣廣受關注。Zhang等(2019)分別在同一年春季和秋季采集了中國黃海與渤海海域 7個地點的蝦夷扇貝等3種扇貝(Patinopecten yessoensis,Chlamys farreri和 Argopecten irradians)進行了肌肉δ13C和δ15N測定，判別結果顯示，對所采集的7個地點的扇貝的綜合判別準確率達92%。Zhao等(2019)分別在不同季節(jié)采集了中國海域 6個不同地點的蝦夷扇貝，對所有樣本的10種氨基酸進行了C、N同位素比值的測定，產地判別正確率亦可達100%。δ13C和δ15N還被應用在了莖柔魚(Dosidicus gigas)的產地溯源研究中。Gong等(2018)與Liu等(2019)均采集了東太平洋不同地區(qū)的莖柔魚進行產地溯源研究，通過δ13C和 δ15N均達到了較好的產地溯源效果。后者的研究還證明了部分地區(qū)的莖柔魚存在可能的種群關聯(lián)性。Liu等(2017)對海參(Apostichopus japonicus)測定了特定脂肪酸內的δ13C和δ15N值，對采集于不同季節(jié)和不同地點的海參樣本進行溯源。除長海島與獐子島的區(qū)分度可能因地理接近或食物相近而區(qū)分度不高外，其余產地的判別結果均可達 79.0%。Li等(2018)采集了中國 16個地區(qū)的凡納濱對蝦(Litopenaeus vannamei)測定δ13C和δ15N值，低鹽度、高鹽度與淡水產地蝦的整體判別準確率為89.6%；研究還發(fā)現(xiàn)，δ13C值主要是因為咸水內的富集產生差異，而δ15N的差異主要是來源于飼料。Yin等(2020)則利用多接收器電感耦合等離子體質譜(MC-ICP-MS)測定了步足及背甲等組織中 Sr穩(wěn)定同位素比(87Sr/86Sr)，嘗試進行我國5個不同的產地中華絨螯蟹的溯源研究，結果顯示，相同湖區(qū)的螃蟹與水樣 Sr穩(wěn)定同位素比值相近，但不同湖區(qū)的值則存在顯著差異，可進行產地溯源。結果也證實了 Sr穩(wěn)定同位素比值主要受水體環(huán)境而非飼料的影響。

穩(wěn)定同位素溯源技術不僅可以對水產品進行產地鑒別，也可用來區(qū)分不同養(yǎng)殖方式的水產品。Camin等(2018)對20個意大利養(yǎng)殖場的130條意大利虹鱒進行魚肉的H、C、O、N和S同位素分析，綜合判別使用不同飼料養(yǎng)殖場虹鱒的準確率達91%；魚體C、N和 S同位素比值與飼料的比值呈正相關，而魚體 H和O同位素比值則與水體的比值呈正相關。Wang等(2018)對野生及不同養(yǎng)殖(傳統(tǒng)養(yǎng)殖、有機養(yǎng)殖)條件的鮭進行溯源發(fā)現(xiàn)，C、N穩(wěn)定同位素比值可精準確定上述3類養(yǎng)殖方式。Tulli等(2020)也通過C、N、H和O同位素區(qū)分了不同地區(qū)及不同養(yǎng)殖系統(tǒng)的歐洲鱸魚(Dicentrarchus labrax)。

雖然穩(wěn)定同位素技術在產地溯源中的應用已經取得了很多成功，但目前的研究深度仍然不足，許多研究仍局限于較少的產地范圍及樣本數(shù)量，在后續(xù)的相關研究中，對采樣地區(qū)與樣本數(shù)量需進一步擴大，以建立完整的同位素“指紋”數(shù)據(jù)庫。

3 礦質元素和穩(wěn)定同位素結合分析用于水產品產地的溯源

3.1 礦質元素和穩(wěn)定同位素結合分析的技術原理

不同環(huán)境條件中的常量、微量礦質元素會因為攝食、呼吸等生命活動在水生動物體內持續(xù)累積，導致來源于不同地區(qū)的水生動物體內元素含量會存在較大差異。對于同位素指標而言，水產品體內的C、N穩(wěn)定同位素組成受到水生動物所食用飼料的密切影響；H、O同位素組成會因為水體環(huán)境的差異而形成產地上的較大的差異(Ramesh et al, 1992)；Sr穩(wěn)定同位素則受到地質條件的影響較大。不同的溯源指標因為影響因子的不同在進行產地溯源研究時會有極好的互相補充的效果，因此在進行產地溯源逇時，越來越多的研究將多種指標進行綜合分析以取得比選取單一因素更好的溯源效果。

3.2 水產品產地溯源中的礦質元素和穩(wěn)定同位素結合分析進展

元素指紋和同位素指紋技術均在水產上具有廣泛的應用潛力，而這2種技術的綜合利用具有更好的產地溯源效果。2000年以來，將同位素比值和多元素分析相結合進行水產品產地溯源的研究不斷增多。黃麗英等(2019)測定了δ13C和δ15N以及Na等10種礦質元素的含量以區(qū)別不同漁場產帶魚(Trichiurus haumela)。雖然4個漁場間的δ13C和δ15N值無顯著差異，但將穩(wěn)定同位素比值與礦質元素含量相結合后進行的主成分分析中，成功區(qū)分4個漁場的帶魚，且相互沒有重疊。Luo等(2019)在區(qū)分長江水系8個不同產地中華絨螯蟹時，僅使用δ13C和δ15N值時判別準確率為 82.3%，僅使用礦質元素的判別準確率為91.5%，將二者結合之后的判別準確率可達 98.2%，判別效果有顯著提升。駱仁軍等(2020)在對東營、盤綿、營口3個地區(qū)的中華絨螯蟹的產地鑒別中發(fā)現(xiàn)，以δ13C和δ15N值為溯源指標進行產地鑒別，其原始正確率僅為66.7%，交叉判定正確率為65%，而利用多元分析方法結合穩(wěn)定同位素和元素組成時，其產地溯源初始正確率高達 96.7%，交叉判定正確率為91.7%。在對海參的產地溯源研究中，Kang等(2021)將C、N、O和H同位素比值與22種礦質元素含量相結合，對我國5個不同產地的海參進行溯源研究發(fā)現(xiàn)，判別分析的準確度可在 96%以上。Liu等(2020)將魚鱗的微量元素與C、N同位素比值結合，對野生、湖養(yǎng)和池養(yǎng)的鯉魚(Cyprindae)進行產地區(qū)分，訓練集的判別準確率高達100%。

在國外的相關研究中，Carter等(2015)對澳大利亞本地與亞洲鄰國進口的斑節(jié)對蝦(Penaeus monodon)等蝦類的殼、幾丁質及肌肉進行微量元素與同位素分析，結果顯示，進口對蝦與澳大利亞對蝦等存在顯著差異。同時，肌肉與幾丁質間的同位素組成存在較強的相關性，表明可以從這2個成分中得到等價信息，只需要對其中1個進行分析即可得到產地結果。Ortea等(2015)將元素與同位素分析相結合，采集了3個屬的7種對蝦[斑節(jié)對蝦、凡納濱對蝦、印度明對蝦(Fenneropenaeus indicus)、墨吉明對蝦(Fenneropenaeus merguiensis)、紅對蝦(Farfantepenaeus notialis)、阿根廷紅蝦(Pleoticus muelleri)和北極蝦(Pandalus borealis)]，將兩種技術結合后成功地區(qū)分了不同種類、不同起源的對蝦，同時還成功區(qū)分出野生與養(yǎng)殖蝦。

穩(wěn)定同位素技術與多礦質元素分析相聯(lián)用，并與多種化學計量學分析方法相結合是產地溯源的研究熱點。將礦質元素與同位素相結合進行產地溯源的研究，比使用單一方法具有更高的判別準確率。

4 結論

近年來，礦質元素與穩(wěn)定同位素技術在魚類、甲殼類和貝類水產品的產地成功溯源的應用越來越多。隨著人民對美好生活的需求日益增長、對水產品質量安全的問題更加關注，且隨著現(xiàn)代漁業(yè)提質增效和綠色轉型步伐的加速和鄉(xiāng)村振興國策的實施，水產品產地溯源和品牌保護機制將會得到進一步的健全。除礦質元素與穩(wěn)定同位素技術外，形態(tài)學方法、分子生物學技術與仿生感官評價技術等在產地溯源中均有成功應用。綜合利用更多元素和同位素微化學“指紋”以及在此基礎上結合更多具有產地差異性的指標來開發(fā)更有效的技術應該是今后產地溯源研究的趨勢，同時，建立從地區(qū)到國家層面的水產品產地溯源和原產地保護大數(shù)據(jù)庫的工作同樣需要得到高度重視。