白淑艷，王鐘強(qiáng)，湯施展，黃麗，覃東立，陳中祥，王鵬

（1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（哈爾濱），黑龍江 哈爾濱 150070；2.河北省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，河北 石家莊 050035）

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是保障優(yōu)質(zhì)蛋白供給和食物鏈安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著人們生活水平的普遍提高，消費(fèi)者對(duì)高質(zhì)量、高品質(zhì)水產(chǎn)品的需求日益增加。水產(chǎn)品的品質(zhì)主要受其生長(zhǎng)環(huán)境如氣候、光照、水源等諸多因素的影響，優(yōu)質(zhì)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境往往能夠產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的水產(chǎn)品，如挪威三文魚、陽(yáng)澄湖大閘蟹、五大連池鳙等。品牌效應(yīng)帶來(lái)極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為了追逐更高經(jīng)濟(jì)效益，冒牌、貼標(biāo)等虛假銷售現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如“巴沙魚冒充龍利魚”、“洗澡魚”、“洗澡蟹”等，這不僅影響了消費(fèi)者安全和權(quán)益，也影響了整個(gè)食品工業(yè)發(fā)展。從食品安全和質(zhì)量的角度來(lái)看，水產(chǎn)品地理來(lái)源的核實(shí)正在成為消費(fèi)者、經(jīng)銷商和政府部門關(guān)切的熱點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)廣泛、快速、廉價(jià)和可靠的水產(chǎn)品溯源方法極為重要。目前水產(chǎn)品的溯源技術(shù)發(fā)展迅速，如穩(wěn)定同位素比率分析[2]、礦物元素分析[3]、色譜、近紅外光譜分析[4]、核磁共振[5]和有機(jī)成分指紋分析[6]等技術(shù)，正逐漸成為水產(chǎn)品質(zhì)量安全方向的研究熱點(diǎn)。其中，礦物元素及穩(wěn)定同位素比值分析技術(shù)因能夠反映水產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境特征和自身飲食特征，且具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在水產(chǎn)品溯源研究中應(yīng)用廣泛、效果突出。本文通過(guò)綜述近十年來(lái)穩(wěn)定同位素比值及礦物元素分析在水產(chǎn)品溯源應(yīng)用中的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期為水產(chǎn)品溯源研究提供參考。

1 穩(wěn)定同位素比值分析技術(shù)

1.1 穩(wěn)定同位素比值分析技術(shù)原理

質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)（或質(zhì)量數(shù)）不同的原子（核素）互稱為同位素，包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素兩大類。同位素組成常用同位素比值（δ）表示，其表達(dá)式定義如下：

式中：R樣品和R標(biāo)準(zhǔn)分別表示樣品以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重同位素與輕同位素的豐度比[7]。由于同位素質(zhì)量不同，在各種地球化學(xué)過(guò)程中會(huì)引起其在不同化合物和物相中的豐度變異，稱為同位素分餾，它是穩(wěn)定同位素分析技術(shù)溯源的基本原理和依據(jù)[7]。穩(wěn)定同位素被稱為天然的生態(tài)記錄器，可以提供關(guān)于水、食物、飲食甚至生產(chǎn)過(guò)程中有價(jià)值的生物地球化學(xué)信息。因此，水生生物之間同位素比值的差異可以根據(jù)生態(tài)位反映不同的地理種源、飼料類型或生境。目前，常用于水產(chǎn)品溯源的同位素包括：δD、δ18O、δ34S、δ13C、δ15N、87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd。測(cè)定方法包括元素分析儀-同位素比率質(zhì)譜法（Elemental analyzer-isotope-ratio mass spectrometry，EA-IRMS）、熱電離質(zhì)譜法（Thermal ionization mass spectrometry，TI-MS）或多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry，MC-ICP-MS）等。

1.2 穩(wěn)定同位素比值分析技術(shù)在水產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用

表1 為應(yīng)用穩(wěn)定同位素分析對(duì)水產(chǎn)品溯源的相關(guān)研究。動(dòng)物組織中δD、δ18O 值通常受環(huán)境因素（如水）和食物（受溫度、降水和地表水）等的影響。相關(guān)研究表明δD、δ18O 值受緯度影響較大，由蒸發(fā)、冷凝和降水引起的δD 和δ18O 的分餾有助于確定地理來(lái)源。例如，利用肌肉中的δD 值可以對(duì)澳大利亞對(duì)蝦（Penaeus orientalis）和進(jìn)口對(duì)蝦進(jìn)行有效鑒別[13]。C、N 同位素在溯源研究中應(yīng)用較為廣泛，肌肉樣品中的δ13C 和δ15N 值通常受食物、季節(jié)和溫度的影響。采用C、N 同位素比值可將黑鯛（Acanthopagrus schlegelii）[14]、大西洋鮭、虹鱒（Oncorhynchus mykiss）[15]等野生和養(yǎng)殖群體進(jìn)行有效區(qū)分。Camin等[16]指出，動(dòng)物組織中的有機(jī)結(jié)合硫可以追蹤棲息地。對(duì)底棲生物馬尼拉蛤（Ruditapes philippinarum）的產(chǎn)地溯源研究[12]表明，δ34S 值比δ18O 和δD 有更好的地域指示性。吳浩等[8]采用表皮、鱗片中的δ13C、δ15N、δ34S 值對(duì)法羅群島、挪威、智利、加拿大、澳大利亞的三文魚以及中國(guó)虹鱒進(jìn)行了有效區(qū)分。

表1 基于穩(wěn)定同位素比值分析技術(shù)的水產(chǎn)品溯源研究Tab.1 Research on traceability of aquatic products based on stable isotope ratio analysis technology

與輕質(zhì)同位素不同，放射性同位素在生物地球化學(xué)過(guò)程中主要表征地質(zhì)環(huán)境信息且不會(huì)被分餾，它能彌補(bǔ)氣候條件相似的情況下輕質(zhì)同位素溯源效果不佳的缺陷[7]。例如，87Sr/86Sr 值可以提供獨(dú)特的信息來(lái)幫助追蹤水和食品的來(lái)源。生物體內(nèi)的87Sr/86Sr 值取決于當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，不同性質(zhì)的土壤和水中87Sr/86Sr 值通常不一致，據(jù)此可以將不同地區(qū)的生物進(jìn)行區(qū)分。研究表明，植物和動(dòng)物的鍶同位素組成與其地理起源的鍶同位素組成有很好的相關(guān)性[17]。對(duì)不同產(chǎn)地的中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）鍶同位素的分析表明，蟹樣品中的鍶同位素比值和水環(huán)境密切相關(guān)，而與外源飼料相關(guān)性不大[11]。與鍶不同，釹同位素因水團(tuán)而異，釹同位素比率在海洋環(huán)境中變化很大，主要是通過(guò)反映周圍烴源巖的地質(zhì)年齡，因此也作為追蹤地理起源的示蹤劑。目前鍶和銣同位素還未被廣泛的應(yīng)用于水產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源。Won 等[12]對(duì)來(lái)自朝鮮、韓國(guó)和中國(guó)的馬尼拉蛤蜊 樣本中δ13C、δ15N、δ18O、δD、δ34S、87Sr/86Sr和143Nd/144Nd 值進(jìn)行分析，LDA（線性判別分析，Linear discriminant analysis）表明同位素比值能很好的實(shí)現(xiàn)三個(gè)地區(qū)的產(chǎn)地判別。

2 礦物元素分析技術(shù)

2.1 礦物元素分析技術(shù)原理

礦物元素是生物體內(nèi)基本組成成分之一，是參與生物代謝的重要物質(zhì)，而生物體內(nèi)的礦物元素含量受水、土壤環(huán)境組成以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素（如降雨、溫度、日照等）的影響[7]。不同地域或水域的礦物元素分布及組成存在差異，導(dǎo)致來(lái)自不同產(chǎn)地（生產(chǎn)方式）的生物體內(nèi)礦物元素的含量及組成情況也表現(xiàn)出各自的特征，這種特征性差異可對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行有效溯源。隨著電感耦合等離子體質(zhì)譜和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法的廣泛應(yīng)用，水產(chǎn)品中多種礦物元素的同時(shí)測(cè)定已成為可能，極大的提高了檢測(cè)效率，降低了該溯源方法的成本。常用于溯源研究的礦物元素主要有Mn、V、Fe、Co、Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Mo、Pd、Cd、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Ce、Pb、U 等。檢測(cè)技術(shù)包括電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法（Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy，ICP-AES）和原子吸收光譜法（Atomic absorption spectrum，AAS）等。

2.2 礦物元素分析技術(shù)在水產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用

魚類組織的元素組成與周圍水生環(huán)境之間的相關(guān)性已被證明是長(zhǎng)期穩(wěn)定和一致的，且礦物元素在水生生物中的穩(wěn)定性明顯高于有機(jī)化合物，因此它們可作為地理分類中重要的標(biāo)記物[18]。魚類整體的常量和微量元素組成在很大程度上與食物、植被或飼料的元素含量有關(guān)。而動(dòng)植物飼料中元素的含量是生物有效元素從土壤中被調(diào)動(dòng)的結(jié)果，因此水產(chǎn)品中元素的含量能夠反映地理區(qū)域的整體特征。例如，由于一些堿性金屬（Rb 和Cs）可以很容易地從土壤中遷移出來(lái)，不同的地理位置導(dǎo)致這些元素在魚類組織中的富集程度有所差異[19]。其他微量元素，如B 和As，則是由火山和地?zé)峄顒?dòng)自然進(jìn)入水環(huán)境的[20]，因此，它們?cè)谒a(chǎn)品組織中的含量可以用來(lái)區(qū)分具有特定地球化學(xué)特征的海洋動(dòng)物。此外，一些主、微量元素如Li、Mg、Ca、Sr、Zn、Mn、Cu 等的濃度受到海相盆地鹽度的嚴(yán)格控制，更適于海洋魚類的溯源研究[21]。宋偉等[22]對(duì)來(lái)自挪威、澳大利亞、智利3 個(gè)產(chǎn)地進(jìn)口大西洋鮭中10 種礦物元素含量進(jìn)行測(cè)試分析，并基于元素Ca、Fe、Cr、As、Al建立了3 個(gè)產(chǎn)地的Fisher 判別模型，取得較好的判別效果。

礦物元素分析技術(shù)在甲殼類動(dòng)物的溯源研究中相對(duì)較少，但在棘皮類和軟體類動(dòng)物的產(chǎn)地或生產(chǎn)方式溯源中發(fā)揮重要作用（表2）。Li 等[23]采用ICP-AES 法分析了來(lái)自三個(gè)主要出口國(guó)（印度、越南和泰國(guó)）的蝦樣品中23 種元素的濃度，通過(guò)S-LDA（逐步線性判別分析，Stepwise linear discriminant analysis）篩選了其中的特征元素進(jìn)行產(chǎn)地判別，判別正確率達(dá)到83%以上。

表2 基于礦物元素分析技術(shù)的水產(chǎn)品溯源研究Tab.2 Research on traceability of aquatic products based on mineral element analysis technology

利用礦物元素對(duì)海參（Apostichopus japonicus）進(jìn)行產(chǎn)地判別的兩項(xiàng)研究中[28,29]，采用S-LDA 對(duì)元素進(jìn)行分類，并根據(jù)元素在判別中的相對(duì)重要性，建立分類模型，取得不錯(cuò)的效果。在這兩項(xiàng)研究對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，測(cè)量元素的多少并不是影響分類結(jié)果的直接原因。如果冗余或噪聲元素沒(méi)有通過(guò)適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)來(lái)嚴(yán)格評(píng)估和刪除，那么使用更多元素作為變量構(gòu)建的模型可能不會(huì)優(yōu)于其他模型。

值得注意的是，在使用礦物元素進(jìn)行溯源時(shí)，許多必需元素如鈉、鉀、鎂和鈣的攝取，都受到水產(chǎn)品代謝的調(diào)控，導(dǎo)致這些元素與地理來(lái)源相關(guān)的潛在變化被生理“噪音”所掩蓋。而與深海相比，沿海水域或淡水系統(tǒng)的成分異質(zhì)性更大，因?yàn)榭拷藶獒尫旁磳?dǎo)致一些微量和超微量元素被不同程度地引入。此外，受到某些農(nóng)業(yè)實(shí)踐或工業(yè)活動(dòng)的影響，鎳、鋅、砷、鉛、汞和鎘在海岸線上比在深海的濃度要高[8]。因此，在溯源過(guò)程中，對(duì)不同來(lái)源引入的元素要進(jìn)行更深入的分析和恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估，使其具有系統(tǒng)性、可識(shí)別性和可管理性，并能揭示其地理來(lái)源或生產(chǎn)過(guò)程，才能使這些元素成為有效的溯源指標(biāo)。

3 礦物元素與穩(wěn)定同位素分析相結(jié)合在水產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更可靠的產(chǎn)地溯源，近年來(lái)，許多研究者嘗試將礦物元素與穩(wěn)定同位素分析聯(lián)合使用，對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)地或生產(chǎn)方式進(jìn)行溯源，相關(guān)研究匯總見(jiàn)表3。黃麗英等[31]利用礦物元素與穩(wěn)定同位素分析結(jié)合實(shí)現(xiàn)了呂泗漁場(chǎng)、舟山漁場(chǎng)、青海漁場(chǎng)及閩南漁場(chǎng)4 個(gè)地區(qū)網(wǎng)銷帶魚（Trichiurus lepturus）的產(chǎn)地判別。Carter 等[13]利用多元素來(lái)區(qū)分澳大利亞和亞洲國(guó)家的對(duì)蝦，判別準(zhǔn)確率為87%，當(dāng)與同位素相結(jié)合時(shí)，判別準(zhǔn)確率達(dá)到100%。在對(duì)養(yǎng)殖和野生蝦樣品進(jìn)行判別時(shí)[32]，穩(wěn)定同位素比率和多元素分析的判別準(zhǔn)確率分別為70%和93.5%，而兩種技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了100%的正確分類。

表3 基于穩(wěn)定同位素與礦物元素相結(jié)合的水產(chǎn)品溯源研究Tab.3 Traceability of aquatic products based on the combination of stable isotopes and mineral elements

利用礦物元素和穩(wěn)定同位素分析結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析，判別來(lái)自中國(guó)8 個(gè)產(chǎn)地的164 只商品蟹的地理來(lái)源[42]，結(jié)果表明，基于δ13C、δ15N 值和Na、Mg、Al、K、Ca、Mn、Cu、Zn、Sr、Ba 含量的SVM（支持向量機(jī)，Support Vector Machine）初始判別和外部驗(yàn)證準(zhǔn)確率分別達(dá)到100%和97%。根據(jù)δ13C、δ15N、δ18O、δD 比值和礦物元素含量對(duì)來(lái)自中國(guó)青島、大連、東營(yíng)、秦皇島、福建的海參進(jìn)行產(chǎn)地溯源時(shí)，PLS-DA（偏最小二乘判別分析，Projection to latent structure-discriminant analysis）的總體判別精度達(dá)到97.1%，而SIMCA（類類比軟獨(dú)立建模，Soft Independent Modeling of Class Analogy）模型能夠達(dá)到100%[41]。

大量的研究表明將礦物元素與穩(wěn)定同位素分析聯(lián)合使用，能夠細(xì)化地域信息，篩選更具有特征的分析參數(shù)，進(jìn)而保證分類方法的可靠性。然而，當(dāng)使用礦物元素與穩(wěn)定同位素分析結(jié)合判別野生和養(yǎng)殖鮭魚時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用礦物元素或穩(wěn)定同位素比率對(duì)判別效果影響不大，但訓(xùn)練分類模型所使用的樣本數(shù)量以及所選擇的分類算法都對(duì)結(jié)果有很大的影響[36]。因此，分析技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性、分類方法的選取、樣品數(shù)量的多少等因素都會(huì)影響水產(chǎn)品產(chǎn)地及生產(chǎn)方式的判別結(jié)果。

4 多變量數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)

由于水生生物在其水生環(huán)境中元素的存在不僅取決于棲息地的特定地球化學(xué)特征，還可能受到自然（如氣候、水溫、鹽度、年齡和動(dòng)物性成熟）或人為（即外源污染）來(lái)源的其他環(huán)境因素的顯著影響[42]。因此，在進(jìn)行產(chǎn)地或生產(chǎn)方式的溯源時(shí)，需要對(duì)整體元素特征進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估。研究表明，多元數(shù)據(jù)的高級(jí)統(tǒng)計(jì)方法將更直接、有效，例如識(shí)別相似食物樣本中常見(jiàn)但隱藏的成分特征、處理包含在基本數(shù)據(jù)中的獨(dú)立的互補(bǔ)、對(duì)立或冗余信息以及定義分類規(guī)則并通過(guò)提取有效的重要元素標(biāo)記來(lái)簡(jiǎn)化分類方法[43]。

對(duì)文獻(xiàn)的分析表明，最廣泛使用的方法是主成分分析（PCA）、聚類分析（CA）、偏最小二乘-判別分析（PLS-DA）、k 近鄰（kNN）、逐步線性判別分析（S-LDA）等。PCA 是一種有價(jià)值的統(tǒng)計(jì)工具，其目標(biāo)是最大化數(shù)據(jù)中的方差信息，并以盡可能少的成分直觀地顯示。CA 是基于對(duì)象/樣本組之間的內(nèi)在相似性，分層聚類分析的結(jié)果以樹(shù)形圖的形式呈現(xiàn)。然而，也有替代的數(shù)據(jù)處理方法，如支持向量機(jī)（SVM），類類比軟獨(dú)立建模（SIMCA）分類回歸樹(shù)（CART）和隨機(jī)森林（RF）等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，顯示出巨大的潛力和比傳統(tǒng)方法更大的優(yōu)勢(shì)。如對(duì)海參[40]和中華絨螯蟹[42]進(jìn)行產(chǎn)地判別時(shí)，前者采用SIMCA的判別效果要優(yōu)于PLS-DA，后者采用SVM的判別效果要優(yōu)于LDA。因此，在對(duì)不同種類的水產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)地或生產(chǎn)方式的溯源時(shí)，應(yīng)嘗試使用多種分類或機(jī)器學(xué)習(xí)方法，找到最適宜的方法使判別效果達(dá)到最佳。

5 總結(jié)與展望

礦物元素及穩(wěn)定同位素分析技術(shù)在水產(chǎn)品溯源的應(yīng)用中正發(fā)揮重要的作用，然而也有一些局限性。首先，由于樣品制備成本高和設(shè)備價(jià)格高，進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析相當(dāng)昂貴，導(dǎo)致諸如鍶、銣等有著較強(qiáng)的地域性的放射性同位素還未被廣泛使用，因此，需要降低同位素分析設(shè)備的成本，以進(jìn)一步鼓勵(lì)在不同于處理食品監(jiān)測(cè)的專門實(shí)驗(yàn)室的情況下推廣多元素及同位素分析方法，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)，以及轉(zhuǎn)向逐漸小型化的儀器，可能是今后水產(chǎn)品溯源的一個(gè)主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其次，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理方面，PCA 和LDA 得到了更廣泛的應(yīng)用，而一些機(jī)器學(xué)習(xí)算法在挖掘數(shù)據(jù)中隱藏著巨大的潛力，卻一直被忽視。另外，在使用兩種技術(shù)分析進(jìn)行水產(chǎn)品溯源時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境因素影響的可能性，如氣候、降水、巖性、周圍的工、農(nóng)業(yè)污染，還需研究地球化學(xué)和氣象特征在水產(chǎn)品系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移規(guī)律。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，為了正確識(shí)別水產(chǎn)品的地理來(lái)源和生產(chǎn)方式，還應(yīng)增加樣本量，建立多年的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，確定同位素和礦物元素測(cè)量的可重復(fù)性和再現(xiàn)性，為不同地理來(lái)源、不同生產(chǎn)方式以及不同種類的水產(chǎn)品生成同位素和礦物元素地圖，來(lái)完善水產(chǎn)品可追溯體系。