食品產地溯源及確證技術研究

0食品產地溯源及確證技術概述[研究意義]隨著污染和食品安全隱患的加劇，食品區域的來源經常受到國家管理部門和消費者的高度重視。各國紛紛出臺政策,保護地區名牌,保護特色產品。歐盟對地域名優特產品的認證有3種標簽,即原產地保護產品(protecteddesignationoforigin,PDO)、地區名牌保護產品(protectedgeographicalindication,PGI)和傳統特色保護產品(traditionalspecialityguaranteed,TSG)。中國于2008年2月1日實施了《農產品地理標志管理辦法》,并在推行無公害食品、綠色食品、有機食品和地理標志農產品(稱作“三品一標”),以保護地區名優特農產品。但在實際生產和流通中,受經濟利益的驅動,常出現以假亂真,以次充好,以一般食品冒充名優特產品,欺騙消費者的現象。因此,地理標志產品、名優特產品的長期發展需要嚴格的管理,特別需要使用科學的技術手段進行監測和檢查,才能保護生產者和消費者的利益,保護產業的可持續發展。食品產地溯源和確證技術是近年來各國學者研究和發展的一項新技術,它能夠為地理標志產品、地區名優特產品的追溯和甄別提供技術支撐?！厩叭搜芯窟M展】各國學者把穩定性同位素指紋分析、礦物元素指紋分析、近紅外光譜指紋分析、有機成分指紋分析等不同化學分析方法應用于食品產地溯源及確證技術研究之中,結合多元數理統計方法,從地域特征指標篩選、技術方法的可行性分析,到判別模型建立、驗證等方面,均有不同程度的探索。目前,該技術的研究思路和方法已初步形成,技術體系也在逐步建立?！颈狙芯壳腥朦c】分析目前用于食品產地溯源及確證的穩定同位素指紋、礦物元素指紋、紅外光譜指紋和有機成分指紋4種分析技術的原理、方法特點及應用?！緮M解決的關鍵問題】提出食品產地溯源及確證技術研究的基本思路、步驟、方法,為食品安全監管提供支撐。1食品確證的應用食品溯源(foodtracing)是指從供應鏈下游向上游識別一個特定產品或一批產品來源的過程。食品產地溯源(foodgeographicalorigintracing),即識別食品原產地的過程,明確市場銷售食品來自何地。食品產地溯源可通過紙筆、電子標簽、耳標等跟蹤信息的方式實現。在跟蹤信息丟失或偽造的情況下,可通過穩定同位素指紋、礦物元素指紋、紅外光譜指紋和有機成分指紋分析等技術進行溯源。食品確證(foodauthenticity)是指消費者購買的食品與其商標或產品說明的一致性,即證明產品的真實性。食品確證的目的是為了維護公平交易,保證產品信譽,保護消費者的利益。食品確證常常涉及到產地、品種、質量、品牌、種植和加工方法等,如地方名牌、傳統工藝、自然產品、有機農業產品等。食品產地確證(foodgeographicaloriginauthenticity)即是通過客觀的方法證實食品是否真正來自某個地區。食品產地溯源及確證技術研究主要是探尋表征不同地域來源食品的特異性指標。穩定同位素指紋、礦物元素指紋、紅外光譜指紋和有機成分指紋分析技術常被用于食品產地溯源及確證技術研究之中。不同溯源技術的基本原理和特點不同。1.1同位素分析技術在自然界中,生物體不斷與外界環境進行物質交換,其體內的13C/12C、15N/14N、2H/1H、34S/32S等穩定性同位素組成受氣候、環境、生物代謝類型等因素的影響而發生自然分餾效應,從而使不同來源的物質中同位素自然豐度存在差異。這種差異攜有環境因子的信息,反映生物體所處的環境條件,可作為物質的一種“自然指紋”,區分不同地域來源的物質。因此,同位素指紋是所有生物的一個自然標簽,它與生物的生長環境密切相關,且不隨化學添加劑的改變而改變。它能為食品溯源提供一種科學的、獨立的、不可改變的,以及隨整個食品鏈流動的身份鑒定信息。同位素分析技術具有樣品前處理簡單,用樣量少,檢測精度高和分析速度快等特點。但此方法也存在一定的局限性,如碳同位素組成主要反映動物飼料組成,飼料的改變和混用常常會掩蓋地域來源信息;產品中15N的豐度值同時受氣候條件和氮肥施用的影響,會導致試驗結果不穩定;氫和氧同位素組成主要受降水、氣候、地形等環境因素的影響,可能無法有效區分來自氣候和地形相似地區的產品;硫同位素的影響因素較為復雜,變化規律不明顯,而鍶等重同位素在動物體內含量極低。此外,穩定同位素組成分析的儀器設備昂貴,分析成本較高。1.2測礦物元素含量的儀器受地質、水和土壤環境因素的影響,不同地域土壤中礦物元素的組成和含量存在差異,導致在不同地域生長的生物體有其各自的礦物元素指紋特征。生物體中的礦物元素按照含量分為常量元素、微量元素和痕量元素。檢測礦物元素含量的儀器有原子吸收光譜儀(AAS)、原子熒光光譜儀(AFS)和等離子體質譜儀等(ICP-MS)等。等離子體質譜儀由于檢測精度高、檢出限低、靈敏度高、檢測速度快、用樣量少,并可同時檢測多種元素的特點,在食品產地溯源方面的應用日益增多。礦物元素指紋分析技術樣品前處理簡單,檢測速度快,檢測成本相對比較低,而且礦物元素比較穩定,在食品加工過程中不易發生變化;同時用于溯源的檢測指標比較多,對食品產地來源的正確判別率比較高,已成為食品產地溯源的有效技術之一。礦物元素指紋分析技術用于食品產地溯源的關鍵是需要從種類繁多的元素中篩選出與食品生長地域密切相關的、穩定的元素指紋信息。1.3紅外和理化指標法紅外光譜(infraredspectra)指以波長或波數為橫坐標,以強度或其它隨波長變化的性質為縱坐標所得到的反映紅外射線與物質相互作用的譜圖。按紅外射線的波長范圍,可粗略地分為近紅外光譜(波段為0.8—2.5μm)、中紅外光譜(2.5—25μm)和遠紅外光譜(25—1000μm)。對物質自發發射或受激發射的紅外射線進行分光,可得到紅外發射光譜;對被物質所吸收的紅外射線進行分光,可得到紅外吸收光譜。不同地域來源的生物體受外界環境的影響其化學組成和結構存在一定的差異,從而形成光譜形狀、吸收位置或強度不同的特征光譜圖。利用此原理可判別、確證食品的地域來源。紅外光譜檢測速度快,對樣品無損,且檢測成本低,是用于食品產地溯源的較廉價的方法。但由于紅外光譜主要反映的是食品中有機成分的組成、含量、結構和功能團等特征,食品在貯藏、加工過程中由于有機成分的組成、含量等變化而使紅外光譜特征發生變化,致使與食品產地溯源的光譜指紋特征不穩定。這是紅外光譜用于食品產地溯源的局限性所在。1.4不同地域特征的指紋檢測受溫度、濕度、日照、降雨和土壤等因素的影響,不同地域來源的同一種食品中的脂肪、蛋白質、糖類、維生素和香氣成分等有機成分的組成和含量有顯著差異,形成不同地域特定的指紋特征。通過對不同地域食品中有機成分特征的篩選研究,可建立食品產地的有機成分指紋溯源技術。不同地域來源食品中有機成分指紋分析可明確食品的地域品質特征,對地區名優特產品的營養品質區分和鑒別起到支撐作用。但食品中有機成分易受加工工藝和貯存條件等因素影響,致使利用有機成分指紋信息進行食品產地鑒別具有一定的難度和缺陷。而且不同的有機成分有其特有的樣品前處理方法和檢測方法,一般樣品前處理方法和檢測方面比較復雜,且耗時較長。2食品生產區的回歸技術的應用2.1不同地域的牛奶在食品產地溯源中,常用的同位素包括H、O、C、N、S、B、Sr和Pb。研究主要集中在分析不同地域來源食品中同位素組成差異、食品各組分中同位素組成特征,以及各項同位素指標對食品產地來源的正確判別率,并建立溯源數據庫或繪制溯源地圖。Schmidt等研究發現,美國(n=23)與歐洲(n=35)的牛肉中δ13C值差異很大,而且愛爾蘭與其它歐洲國家牛肉的δ13C、δ15N值也存在明顯差異;Martinelli等分析了來自26個國家的麥當勞牛肉漢堡中的δ13C和δ15N值,發現低緯度國家樣品中的δ13C值顯著高于高緯度國家,表明漢堡即使是一種全球性的食品,也包含了一定的地域信息;Osorio等利用C、N、H、S同位素有效區分了來自歐洲國家和非歐洲國家的牛肉;Crittenden等分析了澳大利亞和新西蘭7個牛奶主產區的脫脂牛奶和乳酪蛋白中的δ13C、δ15N、δ18O、δ34S和δ87Sr,結果表明相對于酪蛋白,脫脂牛奶對δ13C和δ15N有富集作用,對δ34S有貧化作用,兩者的δ87Sr值則相近,澳大利亞牛奶中的δ18O和δ34S值明顯高于歐洲其它牛奶產區。德國、意大利、西班牙等歐盟國家在葡萄酒產地溯源方面的研究比較多,已初步建立了其國內葡萄酒產地的氫和氧同位素溯源數據庫。郭波莉等從中國肉牛主產區吉林、貴州、寧夏、河北4個地域采集牛肉樣品和牛尾毛樣品,檢測了其中的δ13C、δ15N、δ2H、206Pb/207Pb、208Pb/207Pb和87Sr/86Sr值,結果表明,不同地域來源樣品中穩定碳、氮、氫、鉛和鍶同位素均有顯著差異,單一同位素指標對牛肉產地的正確判別率比較低,最高的僅為73%,而δ13C、δ15N和δ2H3項指標組合對牛肉產地的正確判別率可達到92%。2.2不同地域對咖啡、甘蔗酒的判別效果礦物元素檢測指標種類多,利用ICP-MS可同時檢測幾十種礦物元素。國內外研究主要是篩選在地域之間有顯著差異的礦物元素指標,并利用逐步判別分析、主成分分析和聚類分析等對元素進行篩選和降維處理,確定出對食品產地溯源有效的指標。Coetzee等測定了來自南非3個地區40個葡萄酒樣品中的40種元素,通過分析得出Li、B、Mg、Al、Si、Cl、Sc、Mn、Ni、Ga、Se、Rb、Sr、Nb、Cs、Ba、La、W、Ti、U20種元素在地區之間有顯著差異,通過逐步判別分析,篩選出Al、Mn、Rb、Ba、W、Ti6種元素,它們能完全區分3個地區的葡萄酒樣品。Jaroslava等分析了來自捷克斯洛伐克共和國不同地域53個葡萄酒樣品中的27種元素指標,發現Al、Ba、Ca、Co、K、Li、Mg、Mn、Mo、Rb、Sr、V及Sr/Ba、Sr/Ga、Sr/Mg對葡萄酒地域的判別效果比較好,用它們對所分析樣品中白葡萄酒的正確判別率為97.4%,對紅葡萄酒的正確判別率為100%。Anderson等檢測了來自印尼、東非、中美洲和南美洲160個咖啡樣品中的18種元素含量,并利用多元統計方法對其進行分類,結果認為多元素分析與數學分類技術結合能很好地判別食品的地域來源。Andrea等分析了巴西東北、中部和南部地區的咖啡、甘蔗酒中Al、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Pb、S、Se、Si、Sn、Sr、Zn15種元素含量,結果表明地域之間有一定差異,但產品中的元素含量主要與加工方式有關,通過主成分分析和聚類分析可明確區分出工業與家庭制作的甘蔗酒,并可以判別出即溶咖啡與炒咖啡。Antonio等測定了來自亞洲和非洲85個茶葉樣品中的17種礦物元素含量,得出利用元素指紋分析可以很好地判斷茶葉的產地來源。在蜂蜜研究方面,Arvanitoyannis等利用AAS、HPLC、GC-MS、ES-MS、TLC、NMR等儀器對不同地域來源的蜂蜜進行各項指標的分析,指出微量元素與痕量元素分析是判斷不同地域來源蜂蜜非常有效的方法。Hernández等測定了加拿利群島116個蜂蜜樣品中的Fe、Cu、Zn、Mg、Ca、Sr、K、Na、Li和Ru10項元素指標,發現這些指標能很好區分不同地區的蜂蜜樣品。郭波莉等從中國肉牛產區吉林、貴州、寧夏、河北4個地域采集牛肉樣品,檢測了脫脂牛肉中的Na、Mg、Al、K、Ca、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Sr、Zr、Mo、Sn、Sb、Ba、Pb22種礦物元素的含量,方差分析結果顯示,樣品中Na、K、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ga、As、Se、Sr、Mo、Sb、Ba和Pb16種元素在地域之間呈極顯著差異;對16種元素進行主成分分析,結果表明前5個主成分的累計方差貢獻率達到82.17%,第1主成分主要綜合了牛肉樣品中Mn、Co、As、Se、Sr、Ba和Pb7種元素含量的信息,第2主成分主要綜合了樣品中Na和Ca的含量信息,第3主成分主要綜合了樣品中Fe和Ni的含量信息,第4主成分主要表示了K含量的信息,第5主成分主要表示了Mo含量的信息;對16項有極顯著差異的指標進行逐步判別分析,篩選對地域判別有效的變量,剔除不必要的干擾變量,進而建立判別模型。分析結果顯示,在0.05顯著水平下,Se、Sr、Fe、Ni和Zn5項指標引入到判別模型中,此5項指標對牛肉產地的整體正確判別率為98.3%。2.3近紅外光譜結合pls法和化學計量學法目前,紅外光譜溯源技術已經用于葡萄酒、橄欖油、稻米、小麥、茶葉等植源性食品,以及牛肉和羊肉等動物源性食品的品種、產地來源鑒別中。Cozzolino等采用近紅外光譜技術鑒別澳大利亞不同品種的白葡萄酒產地,利用PCA結合PLS法初步建立了葡萄酒的判別模型,其對雷司令和波爾多葡萄酒產地的識別率為分別為100%和96%。Liu等利用近紅外光譜結合D-PLS和LDA法可以識別來自澳大利亞、新西蘭和歐盟的雷司令葡萄酒。Cozzolino等采用近紅外光譜技術對來自澳大利亞和新西蘭白葡萄酒的正確判別率達86%。此外,MIR結合LDA和D-PLS法還能鑒別無機生產和有機生產的葡萄酒。近紅外光譜結合PLS法對地中海不同產地橄欖油的正確識別率可達93.9%。Picque等利用MIR結合PLS-LDA和PLS-GA法對歐洲4個國家橄欖油的正確判別率分別達96%和100%。Casale等和Oliveri等研究表明,近紅外光譜結合化學計量學分析是對橄欖油原產地保護的有效手段。Arana等采用近紅外光譜對來自西班牙不同產地的Viura和Chardonnay兩個品種葡萄進行識別,結合PLS法對品種和產地的正確判別率分別為97.2%和79.2%。Iizuka和Aishima發現,日本北部、中部、西部和南部地區的醬油產品的近紅外光譜存在差異,結合LDA、PLS和ANN法對產地的交叉檢驗正確率分別為81.6%,84.2%和76.3%。Kim等采用近紅外光譜結合PLS法能夠完全正確識別韓國和非韓國產的稻米。趙海燕等分析了中國4大小麥主產區陜西、河南、河北和山東2007/2008年和2008/2009年小麥籽粒樣品的近紅外光譜,結合DPLS法對產地的整體判別率為82.5%。廖布巖利用近紅外光譜結合標準法和因子法可以識別黃山毛峰茶的不同產地。陳永明等利用近外光譜結合遺傳算法和ANN對產自意大利、西班牙和土耳其的橄欖油的識別率達100%。Fu等對浙江不同產地枇杷進行了近紅外光譜分析,采用SIMCA法對產地的正確判別率達80%。李勇等建立了判別牛肉產地來源的近紅外光譜模型,對吉林、貴州、寧夏和河北4大產區牛肉的正確識別率為100%。孫淑敏等利用近紅外光譜結合化學計量學方法實現了對中國5個不同地域來源羊肉的識別。張寧等利用近紅外光譜技術結合SIMCA法對來自山東、河北、寧夏和內蒙古的羊肉正確識別率分別為95%、100%、100%、100%。2.4產地溯源模型的建立食品產地有機成分指紋溯源技術目前主要是利用GC、GC-MS和HPLC等測定植物源食品如橄欖油、酒類、咖啡等和動物源食品如牛肉、羊肉、牛乳等中的脂肪酸組成和含量。在植物源食品產地溯源研究方面,LuciaGiansante和DariaDiVincenzo等利用GC分析了來自意大利4個地區Frantoio、Bosana、Dritta和Leccino橄欖油中脂肪酸組成和含量,結果表明不同地域來源的橄欖油中C16:0(棕櫚酸)、C16:1(棕櫚酸油酸)、C18:0(硬脂酸)、C18:1(油酸)、C18:2(亞油酸)和C18:3(亞麻酸)含量差異顯著,結合PCA和LDA分析方法,對5個地區橄欖油的正確判別率達到96%。Stefanoudaki等利用GC分析了來自哈尼亞Chrysopigi、Falasarna、Kakopetros和FloriaandKares5個地區的橄欖油中脂肪酸的組成和含量,發現利用橄欖油中棕櫚酸、油酸和亞油酸含量差異可將5個地區的橄欖油準確區分開。Ollivier等通過GC測定橄欖油中脂肪酸成分及含量,結合LDA識別來自法國的6個橄欖油產地,而且以飽和脂肪酸、多不飽和脂肪酸及單不飽和脂肪酸、三?；视偷葹榇淼?7個變量建立產地判別模型,正確判別率為100%,并利用這些數據構建成橄欖油產地溯源數據庫。Ranalli等利用GC分析了意大利安德里亞、巴里、于普利亞法薩諾和于佛羅倫薩4個地區的橄欖油,發現橄欖油中的脂肪酸和維生素含量在地域之間有顯著差異,它們對4個地區的正確判別率達96%。Salvador等采用GC分析了來自Toledo-N,Toledo-SE1,Toledo-SE2,Cornicabra和Ciudad5個地區的橄欖油,Cornicabra的單不飽和脂肪(MUFA)含量極顯著高于其它地區,而飽和脂肪酸(SFA)極顯著低于其它地區,Toledo-N的多不飽和脂肪酸(PUFA)含量極顯著高于其它地區,而MUFA含量極顯著低于其它地區,根據這些差異對4個地區的正確判別率達100%。Scott等通過對橄欖油脂肪酸組成和含量差異分析進行了產地溯源,判別效果較好。Rodríyuez-Delgado等利用HPLC檢測分析了來自Tenerife-S,Tenerife-N和Lanzarote3個地域紅酒中的15種酚醛酸,結合多重比較、PCA和LDA分析方法,對3個地域的整體判別率達到90.9%,其中對Lanzarote地域的正確判別率達到100%。Alonso-Salces等運用反相HPLC測定了咖啡豆中的酚醛酸,發現酚醛酸中的酚酸和肉桂酸可以作為判別咖啡豆產地的特征成分,結合LDA和PLS-DA,對喀麥隆和越南咖啡豆的分類準確率達100%,對喀麥隆和印度尼西亞咖啡豆的分類準確率為94%。Kamm采用LC-GC技術分析來自南美、亞洲、非洲和非洲/亞洲混合的可可脂,發現根據月桂酸和甾基脂(sterylesters)的含量差異對4個產區可可脂產地的正確判別率達100%。在動物源食品產地溯源研究方面,Matter采用氣相色譜法測定不同地域羊脂肪的酯化產物,發現來自不同地區羊的C18:2n-6和C18:3n-3兩種脂肪酸甲酯有顯著差異,根據這些差異可對羊肉產地來源進行判別。Fisher等研究了英國Soay、Welshmountain、Suffoik和Mule4個地域的羊肉,采用氣相色譜法分析它們的脂肪組成、含量及風味物質,結果表明不同地域來源羊肉中n-3PUFA和n-6PUFA含量上有顯著差異,它們對羊肉產地來源的正確判別率可達92%。Renou等分析了來自法國3個地區LePin(50m)、Mirecourt(280m)和Theix(850m)的牛肉脂肪酸差異,發現PUFA含量隨著地域海拔的升高而增加,對3個地區的正確判別率達到96%。Enser等采用氣相色譜技術研究了來自UK和European兩個地域肉牛的脂肪酸含量和脂肪酸組成,研究發現不同地域來源地牛肉中n-3多不飽和脂肪酸和n-6多不飽和脂肪酸的含量差異很大,可依據此差異對牛肉產地來源進行判別。程碧君等研究發現,吉林、寧夏、貴州和河北4大牛肉產區的牛肉中脂肪酸組成和含量有顯著差異,吉林和河北地區牛肉中的SFA含量顯著高于貴州和寧夏地區,寧夏地區牛肉中C16:1和C18:1單不飽和脂肪酸含量均顯著高于其它地區,貴州與河北地區牛肉中a-C18:3、C20:5和PUFA-n3極顯著高于吉林和寧夏地區;通過判別分析,初步篩選出a-C18:3、C14:0、C17:0、SFA和MUFA5項可用于牛肉產地溯源的潛在指標,它們對4個地域牛肉產地來源的整體判別率為82.0%。此外,Collomb等研究了來自瑞士平原(海拔600—650m)、高山(海拔900—1210m)和高地(海拔1275—2121m)牛乳中的脂肪酸差異,結果表明平原牛奶中不飽和脂肪酸含量最低,而高地牛奶的反式油酸和亞油酸含量最高。3不同地域、不同研究對象及問題的分析通過對食品產地溯源技術原理、特點及國內外應用的歸納、總結分析可以得出,食品產地溯源及確證技術研究的基本思路及步驟為:分析表征地域差異的特性、建立判別模型、驗證判別模型、建立數據庫、判別和舉證分析(圖)。分析表征地域差異的特性是研究的關鍵,涉及檢測技術和方法,檢測指標的篩選和確定等。通過分析不同地域來源食品中單一組分、復合組分的含量值、穩定性同位素比值,利用多元統計分析,提取特異性的地