陈庚超1 徐正华1 杨雪娇1 蒋小良2* 郭媛媛1 郑思垳1

关键词 稳定同位素质谱技术；矿物元素指纹图谱技术；近红外光谱技术；化学计量学；走私冻肉产地溯源

Research Progress on Origin Traceability Technology of

Smuggled Frozen Meat

CHEN Geng-Chao1 XU Zheng-Hua1 YANG Xue-Jiao1

JIANG Xiao-Liang2* GUO Yuan-Yuan1 ZHENG Si-Hang1

Abstract Smuggled frozen meat without inspection and quarantine poses a serious threat to food safety. Therefore, origin traceability for smuggled frozen meat plays a key role in combating frozen meat smuggling and ensuring domestic biosafety and food safety. This research elaborated comprehensively multiple origin traceability technology, including stable isotope ratio mass spectrometry, mineral element fingerprint analysis and near-infrared spectroscopy. The principle and application of these technologies offer a better guide on the origin traceability of smuggled frozen meat by applying a variety of technical means in establishment of a big data model and providing accurate information in origin traceability.

Keywords stable isotope mass spectrometry; fingerprint technology of mineral elements; near infrared spectroscopy; stoichiometry; origin traceability of smuggling frozen meatl

随着我国经济快速发展、人民群众生活水平稳步提升，我国肉类消费量已经占据全球第一位，达到每年近9000万t，而我国肉类总产量平均每年只有8000万t左右，有较大的产需缺口，每年需要进口大量肉类^[1]。在此背景下，走私冷冻肉类食品时有发生，这些走私的冻肉未经检验检疫，可能携带动物传染病病原、寄生虫等，会给生物安全带来潜在威胁^[2]；走私冻肉未经监管部门监督管理即进入市场，也会带来农药残留、兽药残留、重金属污染等食品安全问题^[3]。新冠肺炎疫情防控期间，走私冻肉更是埋下了极大的疫情隐患。疫情暴发以来，我国多地相继出现与进口冷链食品外包装新冠病毒核酸检测阳性相关的本地确诊病例，给疫情防控带来严重威胁^[4]。产地溯源技术将给打击冻肉走私、斩断走私链条提供强力支撑。本文综合阐述了稳定同位素质谱技术、矿物质多元素分析技术以及近红外光谱技术在走私冻肉产地溯源研究中的原理及应用，并展望了冻肉原产地溯源技术的未来发展方向。

本文用“Origin traceability”“Smuggling frozen meat”“Animal food”“走私冻肉”“动物源性食品”“产地溯源”为关键词，在CNKI Scholar外文资源总库、Web of Science及中国知网等数据库对走私冻肉原产地溯源技术的应用进行相关文献检索，通过统计分析可以看出，冷冻肉类的外文文献数量从2000年之后呈现快速增长势头，国内相关文献的增长从2005年才开始迅速增长，由此可以看出，我国关于冻肉的产地溯源研究明显晚于欧美等发达国家和地区，这些文献提到的肉类产地溯源技术包括稳定同位素质谱技术、生物体多种矿物质元素分析技术、近红外光谱分析技术等多种研究方法，其中稳定同位素质谱技术占比最大，文献最多^[5]。随着我国综合国力的提升，肉类消费呈快速增长趋势，供需缺口使得走私冻肉屡有发生。为打击冻肉走私、保障国门安全，发展冻肉产地溯源技术具有重要的现实意义。

1 冻肉产地溯源稳定同位素质谱技术

1.1 稳定同位素质谱原理

原子核中把具有相同数量质子数、不同数量种子数的同一种元素的不同核素互称为同位素。例如碳元素的3种同位素为¹²C、¹³C、¹⁴C，在这些核素的原子中都有6个电子和6个质子，然而原子核中中子数为6、7、8。在学界，通常按是否衰变将同位素分为放射性同位素和稳定同位素，放射性同位素是指核素能自发地释放出粒子，从而成为另一种核素；而无放射性的同位素是稳定同位素。

自然界中有一大部分是天然的稳定同位素，形成原子核就保持稳定，如¹²C和¹³C、¹⁴N和¹⁵N、¹⁸O和¹⁶O等^[6]。这些不稳定的放射性同位素将会衰变成稳定同位素。自然界中稳定同位素的含量通常很小，为了方便表述通常使用相对量来表述稳定同位素富集程度。稳定性同位素的计算公式为

δ‰＝(R _样品 / R _标准－1) ×1000 (1)

式(1)中，R_样品代表样品中的重同位素和轻同位素丰度比，R_标准代表标准物质中的重同位素和轻同位素丰度比^[5]，例如稳定性C、N、H、O同位素丰度比分别用δ¹³C/¹²C、δ¹⁵N/¹⁴N、δ²H/¹H、 δ¹⁸O/¹⁶O表示；稳定性C、N、H、O同位素比率分别用δ¹³C‰、δ¹⁵N‰、δ²H‰、δ¹⁸O‰表示^[7]。

1.2 稳定同位素质谱溯源应用

稳定同位素技术是一种基于生物体内稳定同位素差异的溯源技术。在自然界中，生物体不断与生存的外部自然环境进行物质交换，体内的同位素组成受食物、饮水、气候环境、身体代谢等条件的影响发生自然的分馏效应，从而使不同地域生存环境的生物体同位素自然丰度存在差异性^[8]，这种差异性携带了其生长环境的多种信息因子。气候、土壤、植被或农作物类型、水以及空气中的各种元素组成及相对丰度在全球不同板块地域都有各自的特征指纹图谱，这些特征指纹差异通过吸收、转化等新陈代谢方式不断在生物体内累积^[9]。生物体中稳定同位素组成是物质的自然属性，所以能够反映生物体所生长的环境信息。通过比较动植物体内稳定同位素元素的组成和含量差异，可以实现产地溯源目的。

以澳大利亚绵羊为例，大洋洲气候类型、饲料种类、当地饮水以及空气中稳定同位素组成信息通过其生长代谢过程，最终累积 在绵羊体内（图 1）。

图1 特定地域环境中各种稳定同位素在绵羊体内累积的机理

Fig.1 Accumulation mechanism of various stable isotopes in sheep at specific regional environment

稳定同位素技术在冻肉产地溯源中常用的元素有C、N、H、O、S、Sr等，稳定同位素的丰度值需要利用同位素质谱仪（IRMS）依据一定量的样品数进行精确测定分析^[10]。Zhao等^[11]研究了快速制样方法并利用同位素质谱仪（IRMS）测量不同国家牛肉中δ¹³C‰、δ¹⁵N‰、δ²H‰、δ¹⁸O‰值，Han Cui等^[12]利用稳定同位素质谱仪结合多种数学统计学分析方法对105种淡水和海水养殖鲑鱼的δ²H和δ¹⁸O进行了判别分析，对鉴定其地理来源和鲑鱼的生产方式有较好的技术支撑。

2 冻肉产地溯源多元素分析技术

2.1 多元素分析溯源技术原理

多元素分析溯源技术也称为矿物元素指纹图谱技术，其依据是不同岩石类型、风化方式、植被变迁、动植物残体腐解都对其有重要影响，这些因素的关联作用形成不同地域土壤中矿物质元素种类、含量及比例等因子都具有地理地质的特征^[13]。生物体中矿物元素组成受土壤、饲料、降水、气候和生物体自身代谢等因素的影响，从而在不同大陆板块区域的生物体中呈现一定的差异，利用这些差异信息进行产地溯源技术研究^[14]。生物体内的矿元素按含量不同大致可分为3类：常量元素（如C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、Mg、Cl等），微量元素（如B、F、Si、Se、As、I、V、Cr、Mn、Fe等），痕量元素（如F、Pb、Cr、Al、Li、Sn等）^[15]。多元素分析溯源技术通过借助仪器检测手段，结合数据分析技术来分析不同地域生物体中矿物元素的组成和含量，通过建立数据模型或数据库，从而实现冷冻肉类食品产地溯源。

2.2 多元素分析溯源技术应用

生物体中矿物元素的分析检测主要使用的方法有电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、火焰原子吸收光谱法（F-AAS）、石墨炉原子吸收分光光度法（GF-AAS）^[16]。随着光谱技术的发展，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）得到越来越广泛的应用，因其选择范围广，操作简便，灵敏度高（可达十亿分之一以上），在产地溯源技术上有显著优势^[17]。

郭波莉等^[18]利用该技术测定了吉林、贵州、宁夏和河北共61个脱脂牛羊肉样品中的Al、K、Ca、Na、Mg、Al、Fe、Mn、Fe、Zn、Sr、Zr、Mo、Sn、Sb、Ba、Pb等共22种元素的含量，经整理分析筛选出的5个元素（Se、Sr、Fe、Ni及Zn）对上述4个地区的整体判别率高达九成。Lu Baoxin等^[19]采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定了齐齐哈尔和北安两个地域来源的50份大豆样品中Na、Mg、Al、K等52种矿物质元素的含量，并运用数分析方法包括方差分析、主成分分析和判别分析等手段进行分析。结果表明，不同地区大豆46种矿质元素含量差异显著，说明这些矿质元素可用于黑龙江大豆产地溯源。利用主成分分析法建立产地判别模型，该模型的交叉检验总标准率为95.7%，说明该模型能准确地判别大豆产地。模型对齐齐哈尔和北安的正确识别率分别为96.2%和100%，所以，利用矿物元素指纹图谱技术对冻肉产品进行溯源是可行的，在实际应用过程中，可以把该技术与稳定同位素质谱技术结合起来使用，可以更好地提高结果的准确性^[20]。

3 冻肉产地溯源技术——近红外光谱

3.1 近红外光谱技术产地溯源原理

近红外光是介于可见光和中红外光之间的一种电磁波，波长范围为800～2500 nm，几乎所有的物质都能在近红外光谱中找到信号，不同的物质因化学组成的差异，近红外光谱也存在差异^[21-22]。来自不同地域的动植物因为代谢类型、食物、饮水、环境气候、土壤等因素的不同，在生长过程中带上其差异性的因子，会导致生物体内的主要化学构成成分，如蛋白质、脂肪、水分、矿物质元素等的结构和含量存在一定差异性，这种差异性可通过近红外光谱仪技术进行测量，同时利用化学计量学记录分析这些差异，就可以据此建立判别模型，进行冻肉产品的产地溯源^[23]。

3.2 近红外光谱技术产地溯源应用

近红外光谱分析技术具有操作快速、步骤简便、允许污损等特点，受到研究人员的广泛重视^[24]。钟艳萍等^[25]研究了近红外光谱法鉴别荆条蜜、槐花蜜、油菜蜜和掺假蜜等多种类型的蜂蜜，并建立了不同红外光谱测量区蜂蜜品种和真伪鉴别的数据模型。孙淑敏等^[26]通过近红外光谱法建立了牛肉产地溯源模型，也得到了近九成的整体判别率。张宁等^[27]利用近红外光谱技术结合数学分析簇类独立软模式法（即SIMCA）对山东省济宁市、河北省大厂县、内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区、宁夏回族自治区银川市4个羊肉产地进行溯源研究，在该技术的应用下，建立的模型判别率均取得了较理想的结果。由此可见，近红外光谱结合化学计量学，也可以应用于冻肉产地溯源的研究。

4 结论

通过分析总结稳定同位素质谱技术、矿物质多元素分析技术和近红外光谱技术在冻肉产地溯源研究的进展，每种方法均有一定的优缺点，也存在一定的误差，没有一种方法能同时满足快速、准确、方便、大批量等溯源的最高要求。为了实现走私冷冻肉类食品快速精准产地溯源，形成比较完善的走私冷冻肉类食品产地溯源快速分析鉴定技术平台，很有必要将上述多种技术手段以及现代先进的核磁共振技术、高分辨轨道离子阱质谱技术和高分辨飞行时间质谱技术等结合起来，形成多技术交织、多学科交叉的相互融合局面。同时，利用现代信息化技术，建立大数据模型，从多维度、多角度、多方向等方式来提供准确的冻肉产地溯源信息。结合多种新技术、多种学科交叉、多种数据分析技术及化学计量学方法的技术创新，是走私冷冻肉产地溯源技术发展的新方向。

参考文献

[1]韩磊. 中国肉类供需形势及稳产保供对策研究[J]. 价格理论与实践, 2020(7): 57-61.

[2]薛惠莉. “僵尸肉”事件, 真or假重要吗[J]. 猪业科学, 2015, 32(7): 142-143.

[3]舒圣祥.“僵尸肉”蹿上餐桌拷问食品安全监管[J].广西质量监督导报, 2015, 7: 4-5.

[4]王艺菲,谢婧荷,厉曙光, 等. 新型冠状病毒肺炎疫情下进口冷链食品的风险防控[J]. 上海预防医学, 2021, 33(5): 397-403.

[5]李政, 赵姗姗, 郄梦洁, 等. 动物源性农产品产地溯源技术研究[J]. 农产品质量与安全, 2019(3): 57-64.

[6]胡耀武. 稳定同位素生物考古学的概念、简史、原理和目标[J/OL].人类学学报: 1-10[2021-7-10]. https://doi.org/10.16359/j.1000-3193/AAS.2021.0012.

[7]马丽娜, 马青. 畜产品产地溯源技术研究进展[J]. 畜牧与饲料科学, 2019, 40(3): 67-70.

[8]赵姗姗, 谢立娜, 郄梦洁, 等. 稳定同位素技术在牛奶及奶制品溯源应用中的研究进展[J]. 北京:同位素, 2020, 33(5): 263-272.

[9]吕军, 王东华, 杨曙明, 等. 利用稳定同位素进行牛肉产地溯源的研究[J]. 农产品质量与安全, 2015(3): 32-36.

[10] Chambefort Isabelle. Sulfur in New Zealand geothermal systems: insights from stable isotope and trace element analyses of anhydrite from Rotokawa and Ngatamariki geothermal fields, Taupo Volcanic Zone[J]. New Zealand Journal of Geology and Geophysics, 2021, 64(2-3): 372-388.

[11] Zhao Shanshan, ZhangHongbo, Zhang Bin, et al. A rapid sample preparation method for the analysis of stable isotope ratios of beef samples from different countries[J]. Rapid communications in mass spectrometry: RCM, 2020, 34(13): 8795-8801.

[12] Han Cui, Dong Shuanglin, Li Li, et al. Efficacy of using stable isotopes coupled with chemometrics to differentiate the production method and geographical origin of farmed salmonids[J]. Food Chemistry,  2021, 364: 130364-130369.

[13]曾林芳.食品中矿物元素指纹图谱技术的应用分析[J].中国食品, 2021(3): 120-125.

[14]马楠, 鹿保鑫, 刘雪娇, 等. 矿物元素指纹图谱技术及其在农产品产地溯源中的应用[J]. 现代农业科技, 2016(9): 296-298.

[15]才让卓玛, 赵云涛, 章超桦, 等. 基于无机元素分析的香港牡蛎产地溯源技术初探[J]. 广东海洋大学学报, 2015, 35(3): 94-99.

[16]王洁,伊晓云,马立锋, 等. ICP-MS和ICP-AES在茶叶矿质元素分析及产地溯源中的应用[J]. 茶叶学报, 2015, 56(3): 145-150.

[17]谭和平, 张玉兰, 高杨, 等. 微波消解-ICP-AES法测定茶叶中钾、钠、磷、硫、铁、锰、铜、锌、钙、镁方法研究[J]. 中国测试, 2012, 38(6): 34-37.

[18]郭波莉，魏益民，潘家荣. 同位素指纹分析技术在食品产地溯源中的应用进展[J]. 农业工程学报, 2007, 23(3): 284-289.

[19] Lu Baoxin, Zhang Dongjie. Origin traceability of Heilongjiang soybean using fingerprint of mineral elements[J]. Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(21): 216-221.

[20]孙淑敏, 郭波莉, 魏益民, 等. 基于矿物元素指纹的羊肉产地溯源技术[J]. 农业工程学报, 2012, 28(17): 237-243.

[21]乔春艳, 张雪茹, 郑卫民, 等. 基于近红外光谱技术对市售羊奶粉品质指标独立模型与通用模型探究[J/OL].食品工业科技: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030153 [2021-7-10].

[22]王靖, 丁佳兴, 郭中华, 等. 基于近红外高光谱成像技术的宁夏羊肉产地鉴别[J]. 食品工业科技, 2018, 39(2): 250-254+260.

[23]白庆旭, 候英, 杨盼盼, 等. 基于近红外光谱技术的天麻产地鉴别方法[J]. 西部林业科学, 2021, 50(3): 124-130.

[24]牛晓颖, 邵利敏, 董芳, 等. 基于近红外光谱和化学计量学的驴肉鉴别方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(10): 2737-2742.

[25]钟艳萍, 钟振声, 陈兰珍, 等. 近红外光谱技术定性鉴别蜂蜜品种及真伪的研究[J]. 现代食品科技, 2010, 26(11): 1280-1282+1233.

[26]孙淑敏, 郭波莉, 魏益民, 等. 近红外光谱指纹分析在羊肉产地溯源中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(4): 937-941.

[27]张宁, 张德权, 李淑荣, 等. 近红外光谱结合SIMCA法溯源羊肉产地的初步研究[J]. 农业工程学报, 2008, 24(12): 309-312.

基金项目：海关总署科研项目（2020HK198）

第一作者：陈庚超（1988—），男，本科，工程师，主要从事进出口食品检验检疫技术研究，E-mail: 1303231195@qq.com

通讯作者：蒋小良（1979—），男，硕士，高级工程师，主要从事进出口商品检验检测，E-mail: 68878699@qq.com

1. 黄埔海关技术中心 东莞 523000

2. 江门海关技术中心 江门 529000

1. Technology Center of Huangpu Customs, Dongguan 523000

2. Technology Center of Jiangmen Customs, Jiangmen 529000