元素与稳定同位素微化学分析在水产品产地溯源中的应用

水产品是海洋和淡水渔业生产的动植物及其加工产品的统称，常见的水产品主要包括鱼、虾、蟹和贝。水产品富含蛋白质、维生素和矿质元素，具有极高的营养价值，其需求量逐年提高，传统捕捞的数量已完全无法满足消费者的需求，相关名特优新品种的养殖业也得到迅猛发展和高度关注。需要注意的是，随着消费者对水产品品质的追求及对知名产地或著名品牌水产品更加青睐，优质水产品，如阳澄湖中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)、波士顿龙虾(Homarus americanus)等可以售出更高的价格。鉴于此，不法商人常以假充真、以次充好来赚取非法利益。目前，除掺假行为外，原产地标识不清及错贴标签的现象也大量存在。这种恶意行为必会损害消费者、生产者及行业的利益。

为使消费者合法权益得到保障，欧盟2065/2001号规定要求水产品标签必须注明水产品的获取方法(养殖或野生)、养殖国家与产地的地理位置等信息，但我国尚无如此严格的要求。养殖水产品冒充野生水产品以及普通产地水产品假冒知名地理标志保护产地水产品的现象频发，严重危害着原产地水产品的信誉和消费者的正当权益。在这种市场背景下，亟需进一步加快和强化对水产品的原产地溯源研究，以便建立更多、更有效且更为科学、客观的方法体系对水产品所标识的产地进行有效监督、鉴定，从而确保其产地或品牌来源信息真实。

矿质元素和稳定同位素分析是目前两类水产品产地溯源最受关注的方法。本文对矿质元素、稳定同位素指纹及其相关的多元统计分析技术在水产品溯源中的原理与应用进行综述与展望，以期为名特优新水产品产地溯源技术的发展提供思路。

一、元素微化学分析与水产品产地溯源

(一)元素微化学溯源的技术原理

矿质元素在生态环境中的分布很不均匀。不同的水、土壤、饲料和空气环境中的矿质元素组成和含量都有其各自的特征，且不同生境条件中的常量、微量元素会因为多种生命活动而进入动植物体内持续累积，导致来源于不同地区的生物体内元素含量存在较大差异，故这种微化学“指纹”的差异可以成为很好的产地溯源指标(图1)。基于该原理，如果对经济水产品中的元素含量和组成“指纹”进行精准定量检测，可以达到相关水产品产地溯源的目的。虽然由于饲料中常添加一些必需元素，水产品的某些矿质元素含量也有可能受到饲料的影响，但如果挑选饲料影响小的稳定元素，且对尽量多种的元素进行综合分析，则在进行产地判别时，可以有效避免受到人为因素(如污染、饵料等特殊情况)的干扰。

图1 微化学“指纹”溯源原理模式Fig. 1 Schematic diagram of the traceability by microchemical “fingerprint” profiles

(二)水产品产地溯源中的元素微化学分析进展

在水产品的产地溯源应用中，鱼类应用最为广泛，因为鱼类在水体中生活的过程中，其耳石结构会持续地吸收水环境中的矿质元素并且不断富集。耳石中的Sr与Ba元素的主要来源就是生活的水环境，因此，通过测定耳石的元素进行产地溯源是一种重要方式。研究表明，矿质元素的判别效果显著优于几何形态学方法。近年来，矿质元素分析也越来越多地应用在虾、蟹和贝类的研究中。此外，也可以用于对不同养殖方式水产品的鉴别，可以极好地保护野生名贵水产品的信誉。

随着矿质元素“指纹”的研究种类与范围的不断扩大，矿质元素“指纹”的应用前景必会更加广阔，但我国目前特色水产品的产地溯源研究仍处于初始阶段，还有很多的特色水产品缺乏相关特征指标的研究，特色水产品的元素“指纹”图谱的建立仍然需要更多的样本量以及更多产地的数据支持。

二、稳定同位素微化学分析与水产品产地溯源

(一)稳定同位素微化学“指纹”溯源的技术原理

质子数相同、中子数不同的同一元素的不同核素被称为同位素，水产品体内某元素的比值受同位素分馏效应的影响。同位素分馏效应是指由于同位素质量不同，在物理、化学及生物化学作用过程中，同位素比值不同的两种物质或同种物质的两种相态间发生的同位素的自然分配效应。同位素分馏效应受气候、环境、生物代谢等因素影响而存在差异。同位素的波动范围相对较小，相对稳定，如同人类的指纹具有各自的特征信息，被称为“同位素指纹”。稳定同位素比质谱仪(IRMS)技术具有精确度高、运用少量样品即可进行同位素检测和区分，且没有放射性，不会造成二次污染的优点。该技术在草莓等植物源性水果和牛羊肉等动物源性肉品中均得到了运用。近年来，在水产品溯源中也有了类似的应用，特别是δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H和δ¹⁸O等。

水产品体内的C稳定同位素组成与饲料的种类密切相关。δ¹³C会因为动物饲料中C₃、C₄植物比例的不同而发生变化。δ¹⁵N除受饲料内动植物占比的影响外，还受到土壤状况等多种因素的影响。水体中的δ²H、δ¹⁸O值会受到不同季节、海拔与生存纬度的影响而产生变化，因此，生活在不同水环境中的水产品的δ²H、δ¹⁸O值会有较大的差异，也极具产地溯源的潜力。另外，Sr稳定同位素受到地质条件的影响较大，比H、O稳定同位素比值更稳定，可在H、O稳定同位素无法进行有效区分的水产品中进行溯源研究。

(二)水产品产地溯源中的稳定同位素微化学分析进展

稳定同位素技术已经越来越多地应用到鱼类的产地溯源研究。除鱼类外，同位素溯源技术在贝、海参和虾蟹类的产地溯源中同样广受关注。相关研究结果也证实了Sr稳定同位素比值主要受水体环境而非饲料的影响。稳定同位素溯源技术不仅可以对水产品进行产地鉴别，也可用来区分不同养殖方式的水产品。

虽然稳定同位素技术在产地溯源中的应用已经取得了很多成功，但目前的研究深度仍然不足，许多研究仍局限于较少的产地范围及样本数量，在后续的相关研究中，对采样地区与样本数量需进一步扩大，以建立完整的同位素“指纹”数据库。

三、矿质元素和稳定同位素结合分析用于水产品产地的溯源

(一)矿质元素和稳定同位素结合分析的技术原理

不同环境条件中的常量、微量矿质元素会因为摄食、呼吸等生命活动在水生动物体内持续累积，导致来源于不同地区的水生动物体内元素含量会存在较大差异。对于同位素指标而言，水产品体内的C、N稳定同位素组成受到水生动物所食用饲料的密切影响;H、O同位素组成会因为水体环境的差异而形成产地上的较大的差异;Sr稳定同位素则受到地质条件的影响较大。不同的溯源指标因为影响因子的不同在进行产地溯源研究时会有极好的互相补充的效果，因此在进行产地溯源逇时，越来越多的研究将多种指标进行综合分析以取得比选取单一因素更好的溯源效果。

(二)水产品产地溯源中的矿质元素和稳定同位素结合分析进展

元素指纹和同位素指纹技术均在水产上具有广泛的应用潜力，而这2种技术的综合利用具有更好的产地溯源效果。2000年以来，将同位素比值和多元素分析相结合进行水产品产地溯源的研究不断增多。稳定同位素技术与多矿质元素分析相联用，并与多种化学计量学分析方法相结合是产地溯源的研究热点。将矿质元素与同位素相结合进行产地溯源的研究，比使用单一方法具有更高的判别准确率。

四、结论

近年来，矿质元素与稳定同位素技术在鱼类、甲壳类和贝类水产品的产地成功溯源的应用越来越多。随着人民对美好生活的需求日益增长、对水产品质量安全的问题更加关注，且随着现代渔业提质增效和绿色转型步伐的加速和乡村振兴国策的实施，水产品产地溯源和品牌保护机制将会得到进一步的健全。除矿质元素与稳定同位素技术外，形态学方法、分子生物学技术与仿生感官评价技术等在产地溯源中均有成功应用。综合利用更多元素和同位素微化学“指纹”以及在此基础上结合更多具有产地差异性的指标来开发更有效的技术应该是今后产地溯源研究的趋势，同时，建立从地区到国家层面的水产品产地溯源和原产地保护大数据库的工作同样需要得到高度重视。