饲料-动物-肉制品全链条中稳定同位素特征表征研究

《Molecules》：Stable Isotope Characterization of Meat Products Through the Feed–Animal–Product Chain

摘要专业翻译 肉类及肉制品是全球消费最广泛的食品之一，这使生产商在确保产品质量与安全方面承担着特殊责任。由于肉制品具有相对较高的市场价值，其易受掺假伪造的影响，这凸显了对可靠的食品真实性评估方法的需求。同位素比值质谱法（IRMS）是提供食品组分来源性质信息的最现代且最可靠的分析工具之一。研究人员对肉类生产链条——从动物饲料和原料到最终产品——进行了全面的同位素比值分析。在两个调查采样点采集的猪肉样本之间，δ13C和δ15N值存在显著差异。研究表明，在不同鹌鹑组织和废弃物样本中测得的同位素比值范围为：δ13C介于?25.73‰至?23.42‰之间，δ15N介于3.12‰至5.98‰之间，这些数值与饲料中的相应值相当。肉汁中δ18O值介于?6.99‰至?5.92‰之间，与当地饮用水的同位素组成相关联。在所研究的饲养条件下，膳食补充未导致鹌鹑肉中δ13C和δ15N值发生实质性变化。研究人员还探究了各配方成分的同位素特征及其对鹌鹑肉香肠同位素特征的可能贡献。对饲料-动物-产品链条中同位素比值的监测可作为肉类产品鉴定和原料溯源的补充方法。

论文解读

一、研究背景与研究意义

肉类及肉制品是全球消费者食品篮中的主要商品之一。在当今全球化的食品市场中，食品行业面临信任危机，消费者希望确信所购产品的安全性、质量和环境友好性。由于肉制品具有较高的市场价值和经济吸引力，以更便宜的替代品进行掺假伪造的问题在世界许多国家相当严峻，因此开发鉴定方法成为食品真实性评估领域的优先方向之一。传统的肉类掺假检测方法包括色谱分析法（高效液相色谱、气相色谱）、气相色谱-质谱联用法、视觉和感官评估、DNA分析、组织学研究、分光光度法等，但在许多情况下，这些方法可能不足以可靠地确定产品的真实性。能够提供原料及其制成品性质和地理来源信息的最常用方法是同位素比值质谱法（IRMS），该方法已在全球范围内广泛用于葡萄酒、乳制品、肉类工业以及蜂蜜、植物油等产品的原料和成品鉴定。

稳定同位素组成受农产品植物学来源和环境条件的影响，形成特征性的同位素指纹。动物摄入饲料和水后，其组织中富集反映这些膳食和环境来源的同位素组成。碳同位素比值¹³C/¹²C直接取决于构成动物日粮的植物的光合作用类型（C3、C4和CAM途径）；氮同位素比值¹⁵N/¹⁴N与饲料来源密切相关，特别是合成氮肥的使用会改变土壤中氮的同位素组成，进而影响植物和动物组织的δ¹⁵N值；氧和氢同位素比值则依赖于特定地理区域内雨水和地下水中相应特征形成过程中的分馏效应。因此，同位素指纹可以提供有关动物饮食、饲料作物种植方式以及特定农场所在地区气候条件的重要信息。与仅关注肉类鉴定的其他研究不同，本研究评估了在生产链所有阶段——从饲料和饲料添加剂到加工肉制品——追踪同位素比值的可能性。

二、研究内容与主要结论

2.1 俄罗斯不同地区猪肉成分中元素同位素比值的比较研究

研究人员在别尔哥罗德州和克拉斯诺亚尔斯克边疆区两个采样点采集了动物和植物样本，分析了碳、氮、氧、氢的稳定同位素组成。结果显示，别尔哥罗德地区猪肉、骨组织和软骨中碳同位素特征值处于?23.10‰至?21.07‰的较窄范围，主要取决于动物日粮；该地区配合饲料的δ¹³C值为?20.92‰，是C3原料与C4型植物（玉米）混合产品的典型值。克拉斯诺亚尔斯克边疆区肉类样本的碳同位素特征值处于?26.62‰至?26.17‰的窄范围，燕麦和麸皮的δ¹³C值分别为?29.52‰和?28.48‰，是C3植物及其加工产品的典型特征。统计分析发现两个地区猪肉样本的δ¹³C数据存在显著差异（校正后p=0.0057，N=6）。氮同位素方面，贝尔哥罗德州肉样的δ¹⁵N值介于3.75‰至3.95‰之间，骨组织、软骨和毛发中的值高于肉样；配合饲料的δ¹⁵N值符合使用合成氮肥种植的植物产品的特征。两个地区肉样的δ¹⁵N数据也存在统计学显著差异（校正后p=0.0008，N=6），这些差异源于不同的畜牧管理方式。氧和氢同位素方面，两个地区肉类数据未发现统计学显著差异（两者校正后p=0.4，N=6），但猪毛的δ¹⁸O值偏向“更轻”方向、δD值偏向“更重”方向，这可能与动物生命过程中的同位素分馏特征有关。因此，冻干肉的δ¹³C和δ¹⁵N参数在确保肉类可追溯性和确认地理来源方面最具研究价值。

2.2 从饲料到最终产品的同位素指纹追踪

2.2.1 饲料及添加剂的δ¹³C和δ¹⁵N同位素比值研究

研究人员测定了主要饲料样本、生物活性添加剂（DAFS-25，基于二乙酰苯基硒化物；SelMet，基于硒代蛋氨酸）及其混合物的总碳和总氮同位素特征。结果表明，添加剂加入饲料后，混合物的δ¹³C参数变化很小，这归因于制剂用量小且其含碳化合物浓度低；δ¹⁵N方面，饲料样本值处于4.41‰至4.76‰的窄范围，而两种添加剂中均未检测到氮（SelMet中L-硒代蛋氨酸含量低于0.01%，氮浓度不足以进行分析；DAFS-25中未声明含氮物质）。由此可得出结论：初始饲料中碳和氮的同位素特征值对所得混合物的值起主要贡献，膳食补充未对δ¹³C和δ¹⁵N值产生实质性影响。

2.2.2 通过δ¹³C和δ¹⁵N同位素比值追溯肉制品中的主要原料

研究人员以鹌鹑肉生产及其加工产品为例，研究了饲料-动物-产品系统中同位素比值的可追溯性。在15天和30天两个饲养阶段采集样本，比较接受基础日粮或添加不同饲料添加剂的鹌鹑肉δ¹³C和δ¹⁵N值。统计处理采用Student t检验，δ¹³C参数比较15天和30天样本的校正后p值为0.08（N=10），δ¹⁵N参数校正后p值为0.85（N=10），均未观察到统计学显著差异。所有样本的δ¹³C范围在?24.56‰至?24.14‰之间，δ¹⁵N范围在4.21‰至5.50‰之间，与饲料的数值范围吻合。与克拉斯诺亚尔斯克边疆区肉样（δ¹³C为?26.62‰至?26.17‰，δ¹⁵N为7.51‰至7.91‰）的差异主要源于不同企业的饲料差异。此外，研究人员还测定了鹌鹑心、肝、爪、羽毛、脂肪、蛋和粪便等组织和废弃物中的碳氮同位素比值。所有样本的碳同位素特征值范围在?25.73‰至?23.42‰之间，其中鹌鹑蛋的数值最高，脂肪最低；氮同位素特征值范围在3.12‰至5.98‰之间，粪便的平均值最高，羽毛最低。肌肉组织、心脏和肝脏的δ¹⁵N数据处于相同数值范围。蛋清与蛋黄的比较研究表明，蛋清的δ¹³C值为?23.62±0.01‰，接近冻干肉的数值（因两者组成以蛋白质为主）；蛋黄的δ¹³C值为?25.27±0.07‰，落入脂肪组织的范围内；两者δ¹⁵N值无显著差异（分别为4.33±0.25‰和4.20±0.80‰）。

2.2.3 水样和肉汁中δ¹⁸O和δD同位素比值研究

研究人员测定了伏尔加格勒地区三个当地泉水、鹌鹑饮水及雨水样本的氧和氢同位素特征值，采样间隔10天进行两次。当地水体的δ¹⁸O范围在?13.05‰至?12.03‰之间，δD范围在?97.93‰至?77.79‰之间。不同日期采集的雨水样本同位素特征值差异显著，这与云形成的水域特征和移动距离有关。考虑到鹌鹑饲养和肉制品生产中使用的是净化饮用水，研究人员将δ¹⁸O=?12.07‰和δD=?85.60‰作为该地区的典型值。利用GasBench II同位素平衡系统测定鹌鹑肉末中提取肉汁的氧和氢同位素特征值，δ¹⁸O范围在?6.99‰至?5.92‰之间，δD范围在?73.20‰至?66.36‰之间，平均值分别为?6.59‰和?69.99‰。鹌鹑组织中的水相比饮用水富含“更重”的氧和氢同位素，这是动物生命过程中同位素分馏的典型现象。所获得的数值与当地水的同位素比值形成特征密切相关，取决于生产的地理位置。

2.2.4 香肠中δ¹³C和δ¹⁵N同位素比值研究及同位素指纹的形成

研究人员测定了成品香肠及其所有配方组分的总碳和氮同位素特征值。香肠样本的δ¹³C值介于?24.59‰至?24.41‰的窄范围，与鹌鹑肉建立的范围几乎重合，在数值轴上占据其他配方组分值之间的中间位置，因为成品中碳同位素比值的总体值由各组分值的总和形成。香肠的δ¹⁵N值范围较宽，为4.70‰至5.75‰，与配方中使用的各成分的碳和氮同位素比值数据一致。研究人员还测定了香肠配方中水的δ¹⁸O和δD值，分别为?12.41‰和?93.13‰，与当地水的元素同位素比值数据一致。基于同位素比值最终值由所有配方成分贡献叠加形成的原理，研究人员提出了多组分产品的同位素物料平衡模型，该模型考虑了组分在产品中的比例、组分结构中碳和氮的比例以及组分中碳和氮同位素比值，为多组分肉制品中同位素指纹的形成提供了透明且物理可解释的描述。

三、主要技术方法

研究人员采用同位素比值质谱法（IRMS）作为核心分析手段。碳和氮同位素比值分析中，样本封装于锡囊中，在氦气流（100 mL/min）中添加纯氧进行氧化还原反应器燃烧，生成的N₂和CO₂气体经ConFlo VI接口进入Delta V Advantage同位素质谱仪（Thermo Fisher Scientific，德国不来梅）的离子源进行同位素分析，标准样本量为0.2–0.8 mg。氢和氧同位素比值分析采用银囊封装样本，在1400°C玻璃碳反应器中进行热解反应。肉汁中氧同位素比值测量采用GasBench II模块，基于样本中水分子与气体混合物分子间的同位素平衡原理，在24°C恒温密闭管中平衡20小时。样本来源包括俄罗斯贝尔哥罗德州和克拉斯诺亚尔斯克边疆区的猪肉及相关组织样本，以及伏尔加格勒地区某商业鹌鹑养殖场的鹌鹑肉、其他组织、饲料、添加剂、水样和成品香肠。统计分析采用Student t检验和Welch t检验（显著性水平α=0.05），方差齐性通过Levene检验评估，多重比较校正采用Holm-Bonferroni方法，分析在Python 3.9.13环境中使用pingouin和statsmodels库完成。

四、讨论与结论

本研究表明，δ¹³C和δ¹⁵N值能够一致地反映动物饲料的特征，可用于在生产链的不同阶段追溯原料来源。肉中水组分的δ¹⁸O值与所摄入水的同位素组成及特定地点的环境条件相关，表明其可作为评估肉制品来源的附加判据。研究结果证实了基于碳、氮和氧同位素比值的多同位素方法在表征肉制品同位素指纹方面的价值。研究还表明，对加工肉制品中同位素特征进行可靠解读需要考虑各配方组分的贡献和所用原料的性质。研究结论部分指出：本研究证明了同位素比值质谱法在研究饲料-动物-产品系统中同位素特征形成方面的适用性；δ¹³C和δ¹⁵N值一致地反映动物饲料特征并可用于生产链各阶段原料溯源；肉中水组分的δ¹⁸O值与所饮水的同位素组成和特定地点的环境条件相关，可作为评估肉制品来源的附加判据；多同位素方法（碳、氮、氧）对表征肉制品同位素指纹具有重要价值；对加工肉制品中同位素特征的可靠解读需要考虑各配方组分的贡献和原料特性。研究存在一定局限性，如研究仅在有限的生产系统和样本类型中开展，可能限制所观察关系的更广泛适用性。未来研究应扩大地理覆盖范围和样本量，并建立饲料、畜产品和加工肉制品同位素特征的参考数据库。总体而言，稳定同位素分析可作为食品质量控制体系中肉类产品鉴定、真实性评估和可追溯性的补充工具。