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锶同位素追溯食品产地的原理及应用

来源:http://www.jiaolezhizhajijiameng.com点击: 发布时间:2020-07-29

  摘    要: 近年来,随着分析技术的提高,在地球化学领域用来示踪物质源区的锶同位素被引入到食品领域。大量的研究表明,锶同位素是一个很有潜力的产地溯源工具。本文简要介绍了利用锶同位素溯源的基本原理及其优越性,并对目前国际上用锶同位素对植物源性和动物源性农产品溯源的研究进行了梳理,以期推动我国科研工作者和企业将锶同位素溯源方法应用到相关领域,提高农产品质量安全,促进产地追溯技术的完善。

  关键词: 锶同位素; 农产品; 原产地; 溯源;

  一、介绍

  随着经济的发展,人民生活水平日益提高,越来越多的高质量区域性农产品涌入市场,如国外进口食品、酒类、高端地域性食材及药材等。但受经济利益的驱使,市场上以次充好、以假乱真的现象非常严重,侵害了消费者的合法权益,也损害了生产企业的利益。为了维护市场秩序,推动区域农业的发展,如何追溯区域性农产品的产地来源至关重要,这也是当今世界各国共同关注的问题[1,2,3]。

  农产品主要包括植物源性和动物源性农产品。其中植物源性的农产品,其品质与植物种植地区的气候、光照、土壤、水质等自然条件密切相关,不同的自然环境会直接影响植物的生长,最终影响农产品的品质。动物源性的农产品,则更多依赖动物养殖地区的环境和饲养方式,包括饲料、水质等因素。目前,我国区域性农产品大多有其品牌意识,注重其产地的标识。但遗憾的是,大量区域性农产品的品牌目前并没有有效的建立起其产品与产地之间的联系,这导致当大量假货涌入市场时,产品的生产企业无法提供科学的打假证据。因此,建立一套科学的溯源体系势在必行。

  随着科技的进步和分析手段的发展,锶同位素因其特殊的地球化学行为,首先被应用于地球化学中,用来追溯一些岩石和矿物的物质来源。Vogel等人[4]发现象牙和象骨中的锶同位素与其生活环境的锶同位素存在相关性。从此,锶同位素开始被用来追溯食品(动物和植物)的产地。锶同位素对农产品产地溯源最先被应用在葡萄酒上[5,6],之后被广泛应用于追溯越来越多的农产品的产地。本文简单介绍锶同位素溯源的原理,以及目前对不同农产品产地溯源的应用。
 


 

  二、锶同位素对食品产地溯源的基本原理及优势

  锶(Sr)位于周期表中第五周期第II A族元素,共包括四个稳定同位素,84Sr、86Sr、87Sr和88Sr,相对丰度分别为82.5845%,7.0015%,9.8566%和0.5574%。其中87S r是由87R b(铷)经过β衰变形成的,半衰期为4.88×1010年。锶同位素一般用87Sr/86Sr的比值来表示。最早,地球化学家用铷-锶同位素体系来研究不同岩石的年龄,之后锶同位素比值开始单独用于追溯不同物质的源区,其原理主要根据下面的公式:

  由于铷和钾同属第IA族、锶和钙同属第IIA族,且位置相邻,因此钾和铷有着相近的离子半径,分别为0.133n m和0.147n m,而锶和钙的离子半径也非常接近,分别为0.113nm和0.099nm。相似的化学性质使铷常以类质同象进入含钾矿物(如钾盐、云母和长石等),而锶则以类质同象进入含钙矿物(如碳酸盐等)。由于不同的矿物、岩石富集铷、锶的能力不同,不同的地质体往往具有不同的初始铷/锶比(公式1中的87Rb/86Sr);不同的地质体具有不同的年龄,体现在(1)式中的t,随着时间的演化,会导致不同地质背景的地区具有相异的87Sr/86Sr比值。

  土壤的锶主要继承于其成土母岩,而水体中的锶主要是由冲刷、淋洗其流经区域的岩石和土壤。由于不同性质的岩石(如从基性到酸性成分的火成岩等)中锶同位素组成(87S r/86S r)不同,不同区域的土壤和水体一般具有不一致的锶同位素组成。

  锶是重要的与生命相关的元素,大量存在于生命体中,尤其是动物的壳、骨中。农产品(动植物体)中的锶主要来自土壤、水体、食物。在生命体吸收锶的过程中,锶同位素组成(87S r/86S r)并不发生变化[7,8],即不产生分馏效应。土壤、水体或食物中这种同位素组成的差异会通过各种途径赋存于动植物的体内。因此,植物和动物体内的锶同位素比值在一定程度上取决于当地的地质条件。已有的研究还表明,在后期的加工过程中,大部分食品的锶同位素在很大程度上不会因为加工工艺的不同而遭到改变。因此,动植物体内的锶同位素组成,可以很好的反映其产地土壤或水体的锶同位素组成。

  一些传统稳定同位素(碳、氢、氧、氮)也被用来作为追溯农产品产地的指标。但由于这些元素是动植物体内的主要元素,其同位素组成不但受到产地的影响,也受其生长过程中其他新陈代谢反应影响。而且,在生物体吸收这些元素时会产生同位素分馏,导致产品的最终成分不能完全反映产地信息。相比较而言,锶同位素能提供更准确的与产地相关的信息,对农产品产地判别的效果更好[9,10]。

  近年来随着分析技术的提高,动植物样品中锶同位素组成可以被精确测量。越来越多的研究者将锶同位素广泛应用于追溯不同食品的来源,包括酒类、粮食、蔬菜、茶叶、咖啡、肉类等,其效果也得到了广泛的认可。

  三、锶同位素对食品产地溯源的应用现状

  用锶同位素对农产品来源进行追溯所涉猎的对象非常广泛,但目前研究最多的还是针对红酒的产地溯源。已有的研究表明,在不同的葡萄种植区,其土壤具有不一样的锶同位素组成。葡萄生长过程中,吸收土壤中的锶。尽管新鲜葡萄的不同部位以及经过加工而成的葡萄汁、葡萄酒中,锶含量有所不同,但其锶同位素组成与葡萄生长地区的土壤保持一致。加工过程中由于没有外来锶的加入,也不会造成最后葡萄酒中锶同位素组成的改变。前人还测量了相同酒庄在不同年代生产的葡萄酒,其锶同位素组成也基本一致。根据这些研究,不同产地的葡萄酒可以根据其锶同位素组成进行明显的区分。已有的工作涵盖了大部分名葡萄酒产区的锶同位素组成范围,这也是利用锶同位素对食品产地进行追溯的最完善的例子。

  除了用锶同位素对葡萄酒产地溯源的研究,前人也用锶同位素对其他一些饮料(饮品)的产地进行了溯源,包括茶叶、咖啡、果汁、矿泉水等。这些研究中,样品一般来自世界各地(美洲、欧洲、非洲等),覆盖范围广。其结果显示,来自不同地区的样品,其锶同位素组成存在显着的不同,与其产地的岩石或土壤的锶同位素组成有很好的相关性。但由于果汁等产品(如橘汁或苹果汁),在其生产过程中有添加其他物质,如白糖等,可以会在某种程度上改变橘子或者苹果本身的同位素成分,以致于最后的产品的锶同位素组成略偏离其产地的锶同位素组成。因此,在对果汁的研究中,也会将锶同位素与其他指标,如元素含量或者碳、氢、氧的稳定同位素结合起来。

  为保障食品安全,粮食、蔬菜等产品的产地追溯也十分重要。而用锶同位素对粮食、蔬菜等农产品的产地追溯也非常准确。已有的研究包括对糙米、卷心菜、冬小麦、芦笋、牛蒡、大蒜、芋头、生姜和豌豆等进行产地追溯。令人欣喜的是,在这些研究中,已经有中国学者用锶同位素对中国的冬小麦产地追溯的研究。结果显示,粮食的锶同位素组成与葡萄酒和其他饮料(饮品)的研究结果相类似,与其产地土壤提取液中的锶同位素组成具有很强的相关性。锶同位素可以很好的区分产自不同地区的粮食。但是,蔬菜中的锶同位素组成不仅受到其产地背景值的影响,也会受到其种植过程中所施化肥的影响。大部分蔬菜的锶同位素组成可以反映其产地信息,但也有一些蔬菜的锶同位素组成与其所施化肥的锶同位素组成相近。可能由于这些化肥多是由离产地不远的原材料加工,其锶同位素组成没有完全掩盖掉产地的信息。总体来讲,来自不同地区的蔬菜,其具有不同的锶同位素组成。因此,锶同位素也是一个可以准确对粮食和蔬菜进行产地追溯的工具。

  动物源性农产品也占据了市场很大的份额。因此,对动物源性农产品也需要进行产地追溯。但目前针对用锶同位素对动物源性的农产品产地进行溯源的研究工作开展的还非常有限,只有少量的已发表的工作,包括对黄油(奶制品)和火腿的研究。仅有的研究显示,对于后期加工不含大量外来添加物的动物源性产品(如黄油),其锶同位素组成与产地岩石(土壤)的锶同位素组成相近。但当加工过程中有大量物质加入,如火腿的制作过程中约有4%的盐的加入,而盐中的锶含量也较高,这些后期物质的加入会影响最后产品的锶同位素组成。对这些经历过后期加工的产品,一定要综合考虑其锶的来源,系统分析不同组分物质的锶同位素组成,只有这样,才能用锶同位素对其产地进行更准确的追溯。

  四、锶同位素对食品产地溯源的应用前景展望

  已有研究结果表明,锶同位素可以广泛的用于农产品的产地溯源,包括产自中国大陆的农产品,以及进口产品等。我国一些高档食材,如大闸蟹、茶叶、名贵淡水鱼等,还有一些名贵药材,如冬虫夏草、人参等,其品质与产地密切相关。而我国幅员辽阔,不同地区具有不同的地球化学特征,其锶同位素组成也明显不同。由此可以推测,来自我国不同地区的农产品,具有不同的锶同位素组成。因此,在今后的研究和应用中,有望针对高档食品、药品进行产地溯源,以保障农产品的质量,并保护区域性农产品的品牌特色,为规范市场提供有力的技术支持。

  参考文献

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