基于标志物的食品溯源技术研究进展
发布时间：2021-09-29
摘要：食品溯源是食品质量与安全追溯体系的重要组成部分，有利于保护原产地标志，保护地区名牌，保护特色产品，确保公平竞争，增强消费者对食品安全的信心。基于标志物的鉴别方法具有高灵敏度、高鉴别度、高通量的特点，因此在食品溯源分析中有极大的应用价值。本文综述了近年来几种常用基于标志物的食品溯源技术在不同种类食品中的应用研究进展，分析了各种方法的优势和不足，并展望了今后食品溯源技术研究的发展趋势。开展不同高灵敏度特征标志物的同步检测在未来食品溯源分析中更有前景。
关键词：食品;标志物;溯源技术;研究进展
随着食品安全问题日趋严峻，食品的来源受到各国管理部门和消费者的高度关注。各国纷纷出台政策，保护地区名牌和特色产品。欧盟对地域名优特产品的认证有3种标签，即原产地保护产品(protecteddesignationoforigin，PDO)、地区名牌保护产品(protectedgeographicalindication，PGI)和传统特色保护产品(traditionalspecialityguaranteed，TSG)[1]。中国一直在推行无公害农产品、绿色食品、有机农产品和农产品地理标志食品(称作“三品一标”)[2]，以保护名优特食品。目前，食品的可追溯性和原产地认证已成为消费者和行业关注的焦点。
由于我国食品市场准入制度和溯源体系的不完善，使得原产地保护产品和名优特食品以假乱真、以次充好的现象严重。为保护地方特色食品，消除国际贸易壁垒，在国内发展全面和准确的食品溯源技术意义十分重大[3]。基于标志物的研究目前在食品、医药、环境及畜牧等领域应用广泛。在食品、环境和畜牧领域，标志物研究可以指示危害物的暴露[4,5]，明确危害物的危害机制;在医药领域，可以通过标志物研究指示疾病的发生和机理[6,7]。近年来，基于特征标志物的研究也逐渐应用于食品溯源领域，并取得了一定进展。
研究证明，食品中化学成分与食品的地理和品种来源有关[8]。食品溯源主要是分析和表征不同来源食品中的特异性标志物的技术，目前主要采用光谱、核磁共振、质谱、和分子生物学等技术，通过分析食品的有机组成、挥发性成分、同位素含量与比率、DNA图谱、蛋白质含量、多酚等特征标志物[9]，结合化学计量学研究，建立能区分食品来源的特征指纹图谱，从而对不同种类食品进行溯源[10]。本文综述了近年来常用基于特征标志物的食品溯源技术在不同种类食品中的应用研究进展，分析了各溯源技术的优势和不足，并展望了今后食品溯源技术研究的发展趋势。
1.基于标志物的食品溯源技术
1.1色谱-质谱联用技术
色谱-质谱联用法可充分发挥色谱的高效分离性能和质谱的高灵敏度优势，通过色谱的时间分离和质谱的空间分离的有机结合[11]从而实现对食品中特征标志物的分析和检测，进而实现对不同食品的产地溯源。基于色谱-质谱联用法的适用性，常见的特征标志物包括黄酮类、多酚类、氨基酸、挥发物、脂质等小分子等，通过对不同地理来源食品中不同物质的含量进行测定，进而发现可以实现溯源分析的特征标志物是常见的研究思路。
1.1.1高效液相色谱-质谱(HPLC-MS/MS)
HPLC-MS/MS是以高效液相色谱为分离手段，以质谱为鉴定工具的一种分离分析技术[12]。因其适用范围广、灵敏度高、定性定量能力强等诸多优点，在食品溯源分析领域中被广泛使用，尤其适用于食品中特征小分子化合物的分析和检测，如多酚类和黄酮类物质等。但是由于目前食品中一些特征化合物的商用标品不够全面，导致在对一些特征标志物的定性和定量方面缺乏依据。同时，该技术不适用对一些生物大分子标志物如蛋白质、淀粉等进行检测，因此对大宗粮食的研究和应用较少。
蜂蜜中富含丰富的黄酮类和多酚类物质，且在不同花粉来源的蜂蜜中成分和含量差异较大。Jasna等[13]利用高效液相色谱(DAD检测器)-质谱(ESI源)法对7种不同类型的蜂蜜中的黄酮类物质如杨梅酮、木犀草素、槲皮素、柚苷配基、芹菜素、莰菲醇、松属素、柯因和高良姜素等进行了测定，线性判别分析法(LDA)显示这些黄酮类物质的含量可以对85%的样品进行正确溯源，可作为溯源标志物。Zhou等[14]基于HPLC-MS/MS进行了本地纯正蜂蜜和油菜蜂蜜进行了溯源分析。以山奈酚、桑色素和阿魏酸为标志物，对本地纯正蜂蜜和油菜蜂蜜进行了鉴别。应用主成分分析(PCA)、和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)可以对两种蜂蜜进行正确分类。
可可中含有较多的多酚物质，多酚也是巧克力的主要成分。Cambrai等[15]基于丙酮-水提取剂用液-液萃取的方法，结合HPLC-MS/MS对来自两大洲共12个国家(马达加斯加、加勒比海、南美洲等)的47个不同品种的巧克力样品进行了分析。结果表明，多酚类标志物可以根据地理来源对巧克力样品进行正确分类。
可见，基于HPLC-MS/MS通过分析不同食品中多酚类和黄酮类物质物质种类和含量的差异可以实现对食品的溯源，但在判别准确度上仍需要提升。因此寻找高灵敏度的特征标志物是该类方法发展的方向。
1.1.2气相色谱-质谱法(GC-MS/MS)
近些年来，气质联用技术不断发展，检测灵敏度不断提高，尤其是在顶空进样和二维气相等技术的不断发展和应用[16]，该技术逐渐在分析挥发性成分，从而达到溯源目的的研究方面优势日益显著。GC-MS/MS适用于一些易挥发小分子特征标志物的检测和分析，对于一般非极性标志物，在测定时需要衍生。因此该技术的适用范围不如HPLC-MS/MS广。
通常，一些食品如水果和食用油等都具有自身独特的香气，因此GC-MS/MS技术在对这些食品的溯源分析上具有独特的优势。Giannetti等[17]基于HS/SPME-GC/MS检测了意大利东北部苹果共42个品种中118种挥发物，结果显示其中25种挥发物可以用于苹果品种鉴别的特征标志物。Cajka等[18]建立了一种基于顶空固相微萃取(HS-SPME)的气相色谱-离子阱质谱联(GC-ITMS)快速分析橄榄油中挥发物标志物的方法，并建立了对不同地区橄榄油溯源的模型。利用人工神经网络(ANN-MLP)对分类模型进行了改进，获得了较高的识别能力(90.1%)和预测能力(81.1%)。
气质联用技术主要对食品中一些特征挥发物进行检测来实现对食品的溯源分析，因此只适用于一部分食品的溯源分析。同时，高灵敏度挥发性标志物的发现和鉴别也是其未来的方向。
1.1.3液相色谱-飞行时间质谱(HPLC-qTOF/MS)
随着高分辨质谱的不断发展及各种小分子谱库的不断完善，HPLC-qTOF/MS逐渐应用于食品基质中小分子的分析和检测[19]，尤其适用于未知成分及复杂成分的食品的溯源分析，对于筛选食品中的特征标志物，具有较好的发展前景。该技术尤其擅长分析食品中的未知组分，通过非靶向的检测方式进行差异分析，因此通量更高。同时，高分辨质谱具有较高的灵敏度，有利于发现一些未知高灵敏的特征溯源标志物。
Vaclavik等[20]研究探讨了基于(HPLC-qTOF/MS)的代谢组学技术在红酒产地溯源分析中的应用前景。选取了三种不同地理来源的赤霞珠、梅洛和黑比诺共51种葡萄酒，PCA和PLS-DA结果显示，判别模型能够对96%的样品正确分类。Guo等[21]对成熟蜂蜜和未成熟蜂蜜中20种主要多酚类成分进行了靶向代谢组学分析，结果表明，多酚类物质可以作为区分成熟蜂蜜和未成熟蜂蜜的标志物。同时，细胞结果显示两种蜂蜜均能减轻H2O2对细胞的损伤，但未成熟蜂蜜对抗氧化基因表达的诱导作用较弱，因此成熟蜂蜜的质量更好。
Alc等[22]采用HPLC-qTOF-MS对15个特级初榨橄榄油样品中的极性脂质和游离脂肪酸进行了同时表征，共鉴定出24种极性脂质，包括19种磷脂、5种亚砜、以及27种游离脂肪酸，其中包括几种微量的奇链和极长链脂肪酸，基于PLS-DA建立了区分不同地域橄榄油的判别模型，表明脂质也可以作为鉴别橄榄油地理来源的标志物。随后分析了橄榄油在贮藏过程中脂质的变化，结果表明磷脂水解、甘油酯的水解和氧化是导致橄榄油品质劣变的主因。
目前，HPLC-qTOF/MS技术还是受限于小分子数据库的完善度，相信随着数据库的不断发展和进步，HPLC-qTOF/MS技术在食品溯源分析中的应用越来越多，未来也会有更多灵敏度高、特异性强的特征标志物被鉴定出来用于食品溯源分析中。
1.1.4实时直接分析质谱(DART-MS)
DART-MS[23]无需或只需极少的样品前处理的程序，即可快速、高通量地分析获得样品的代谢物轮廓信息，如黄酮类和酚类物质等标志物的分析与测定。相比于基于ESI的敞开式离子化技术，DART-MS对中低极性标志物具有很强的检测能力，检测灵敏度更高。另外，DART-MS分析一个样品的时间约为30s，相比传统质谱分析技术，可以大大缩短分析时间，但在准确度和重现性上会比传统质谱分析技术稍差。目前，该技术在粮油溯源领域的应用较少。
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Novotna等[24]采用DART-MS对40个番茄和24个辣椒样品进行了分析，结果显示正离子模式的结果比负离子模式能更好地区分有机样品和常规样品。LDA对番茄和辣椒样本的识别率分别为97.5%和100%。Chernetsova等[25]采用DART-MS对蜂胶中黄酮类化合物和其它酚类化合物进行了实时分析，LDA结果显示黄酮类物质和酚类物质可以作为特征标志物对不同地域来源的蜂胶进行区分和溯源。
总之，DART-MS由于检测速度快而颇具前景。同时，与HPLC-qTOF/MS技术类似，建立全面(多样本)的数据库有助于进一步提高数据质量，提升在食品溯源分析中的应用潜力。
1.1.5基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-qTOF/MS)
在MALDI-TOF/MS分析中，激光通过照射样品与基质形成的共结晶薄膜，使得基质从激光中吸收能量并传递给生物分子，在电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分子得到质子，而使生物分子电离[26]。MALDI作为一种软电离技术，适用于混合物中生物大分子标志物的测定，目前在分析蛋白质领域应用最为广泛。Wang等[27]采用MALDI-qTOF/MS对蜂蜜中的蛋白质进行了指纹图谱分析和条形码的研制，建立了分析蜂蜜的地理来源的鉴定方法，表明基于蛋白质的标志物也可以实现溯源分析。
总体来看，目前MALDI-qTOF/MS应用于食品溯源分析中的研究不多。但是蛋白质是食品中三大营养素之一，相信随着MALDI-qTOF/MS仪器和技术的不断普及，MALDI-qTOF/MS在食品溯源领域将有更多的应用。
1.2元素分析技术
目前，基于元素的溯源分析技术主要依赖于IR-MS和ICP-MS两类仪器，通过对不同地源食品中的元素特征进行分析，通过建模软件明确可以实现溯源分析的特征标志物。常见的标志物有稳定同位素如δ2H、δ13C、δ15N等，以及无机元素Fe、Co、Ni、Se、Rh、Eu、Pr等。
1.2.1稳定同位素质谱(IR-MS)
IR-MS技术根据食品中不同元素同位素丰度的差异可以将不同来源的食品进行区分。食品原料中同位素组成受气候、地形、土壤及生物代谢类型等因素的影响而发生自然分馏效应，从而使不同来源食品原料中的同位素自然丰度存在差异。因此，相比前面提到的质谱技术，食品原料内同位素丰度的差异可以反应食品地源性特征，作为标志物能为食品地理来源提供更为有用的信息。
目前，IR-MS技术在食品领域应用广泛，如大米、食用油、蜂蜜、动物性食品、果汁等食品的溯源领域。Kropf等[28]利用全反射X射线荧光光谱和IR-MS法分别对洋槐蜂蜜、柠檬蜂蜜、栗子蜂蜜中的主要成分和稳定碳、氮同位素比率进行了测定。分析结果表明，洋槐蜂蜜可以通过脯氨酸、游离酸含量以及蜂蜜中蛋白质的δ13C值等特征标志物与其他种类蜂蜜相区别。由于花粉的地域性和植物源性，IR-MS在蜂蜜溯源分析检测方面具有一定的优势。另外，IR-MS在蜂蜜的真实性验证方面应用也较为广泛，如鉴别无蛋白蜂蜜的真实性、利用稳定碳同位素比率鉴别掺杂碳-4糖浆蜂蜜等。
总之，在IR-MS分析中，食品中的平均氢同位素比值与生产区降水和地下水的平均氢同位素比值显著相关。碳氮同位素比值受饲养方式和气候的影响。硫同位素比值受产地地理位置和地表地质条件的影响。基于同位素比值标志物的溯源分析，可以准确地反应食品的地理特征。由于同位素比值标志物的测定依赖大型仪器IR-MS，且其普及度没有质谱联用技术高，因此限制了该溯源技术的发展。——论文作者：赵璐瑶，段晓亮，张东，刘建垒，洪宇，刘辉，孙辉
