基于稳定同位素技术的食品检验应用研究进展

摘 要：稳定同位素技术因其先进性，正逐渐成为食品领域备受关注的研究方法。本文全面综述了稳定同位素技术在食品检验中的重要性及其应用，详细介绍了稳定同位素技术的原理及重要性，通过具体实例深入探讨了稳定同位素技术在食品领域的多方面应用，包括食品溯源、农兽药残留的检测以及营养成分代谢分析，并对稳定同位素技术在未来的发展趋势进行了展望，以期为其在食品分析领域有更广泛、深入的应用提供助力。

关键词：稳定同位素技术；食品检验；真实性；食品安全；营养代谢

Research Progress on the Application of Stable Isotope Technology in Food Inspection

SUN Xueli

（Linyi Center for Disease Control and Prevention， Linyi 276000， China）

Abstract： Due to its progressiveness nature， stable isotope technology is gradually becoming a research method of great concern in the food field. This article provides a comprehensive overview of the importance and widespread application of stable isotope technology in food inspection. The principle and research progress of stable isotope technology were introduced in detail， the various applications of stable isotope technology in the food industry were explored in depth through specific examples， including food traceability， detection of agricultural and veterinary drug residues， and analysis of nutrient metabolism. And the future development trends of stable isotope technology were discussed， in order to provide assistance for its wider and deeper applications in the field of food analysis.

Keywords： stable isotope technology; food inspection; authenticity; food safety; nutrition metabolism

随着科技的不断进步和生活水平的提高，人们认识到食物不仅是能量和营养素的来源，还在促进健康和预防疾病方面扮演着重要的角色[1]。食品检测的目的不仅是为了食品安全，还在于减少不良饮食对健康和经济造成的不利影响。在这一背景下，稳定同位素技术以其高度灵敏、高选择性和精确性而广泛应用于食品检测领域。

1 稳定同位素技术概念

1.1 稳定同位素技术

同位素是指在元素周期表中质子数相同但中子数不同的同一类元素，分为放射性同位素和稳定同位素。稳定同位素技术是一种基于相对较长半衰期的稳定同位素进行检测的方法，用于标记和追踪化学、生物和地球系统中的物质转化过程。该技术的核心原理在于利用同位素的质量差异，通过同位素标记、质谱分析和同位素分馏等步骤来研究样品中的化学反应、代谢途径和环境变化过程。通过质谱分析等手段，同位素标记的分子的相对丰度可以被准确测定，进而揭示样品中物质的动态变化。稳定同位素技术的优势在于其相对较长的半衰期和非放射性特性，降低了对实验人员和环境的辐射风险。此外，稳定同位素技术具有高准确度、无污染且高灵敏度的特点，在农业、食品、营养代谢和生物医学领域等得到广泛应用[2]。

1.2 稳定同位素技术的研究进展

稳定同位素技术近年来在食品领域的应用方面取得了显著的研究进展。利用该技术可以深入研究食物中的同位素组成，揭示食品的产地、生长环境和生产过程。通过追踪植物和动物体内同位素的变化，可以了解食物链中的能量和物质传递过程，为提高食品质量以及食品欺诈行为的检测效率提供科学依据。有学者通过分析稳定同位素在不同地区蔬菜中的分布，成功追踪了蔬菜的产地和生长环境，为确保食品质量和源头可追溯性提供了实质性的支持[3]。此外，稳定同位素技术在食品成分分析中也取得了一定的进展。通过标记食品中的特定成分，如蛋白质、糖类和脂肪，能够追踪它们在食品制备和消化过程中的变化，为改善食品加工工艺和解决饮食相关健康问题奠定了基础[4]。稳定同位素分析技术已成为我国打击食品欺诈、验证食品来源和标签声明的重要工具之一。

2 稳定同位素技术在食品检验中的应用

2.1 食品溯源及真实性检测

食品真实性是消费者关注的核心问题。通过食品溯源，能够揭示食品可能存在的标签错误、成分替代、食品掺假以及原产地、物种或制作方法不正确等问题，对消费者的保护至关重要。稳定同位素作为生物（包括食品）的天然印记发挥着重要作用，它能够反映生物与当地环境的交互关系。受到气候、降水、海拔、农作物种植方式和动物养殖方式等因素的影响，稳定同位素会发生不同程度的分馏作用，从而反映出不同的地域和农业信息。由于稳定同位素比值较少受人为因素和检测环境的影响，在食品溯源研究中得到广泛应用。在食品产地溯源中，最常见的4种稳定同位素是碳、氢、氧、氮[5]。此外，还发现硫、锶、铅等稳定同位素也能够进行同位素分析和地理位置溯源。

目前，稳定同位素技术已广泛应用于肉类、谷物、牛奶、大米、蜂蜜、果汁、葡萄酒及有机食品等多种食品的产地溯源和真实性检测领域[6]。随着有机食品的需求不断上升且价格相对较高，消费者购买时迫切希望了解有机食品的真实性。植物性有机食品在生产中禁止使用氮肥，通过稳定同位素技术检测食品中的δ15N值可以区分有机产品与普通产品[7]。此外，有学者对我国牛肉产地进行溯源研究，发现不同来源的牛肉中，稳定性C、N同位素组成差异显著，可用于鉴别农区和牧区喂养的牛[8]。然而，在不同地点饲养但使用相同商业饲料的动物可能存在误导性的同位素值，从而无法真实反映产品区域的实际情况。因此，在实际分析中，需全面考虑环境因素、动物品种、组织类型和采样季节等因素，以提高溯源和真实性检测的准确性。

2.2 农、兽药残留检验

农药和兽药在提高粮食产量、改善动物养殖和水产养殖方面发挥着不可或缺的作用。在现代农业实践中，农药广泛用于控制杂草、害虫，并调节植物生长，兽药常用于预防和治疗动物疾病，促进其生长发育。然而，随着农业生产和畜牧业的发展，农兽药的使用逐渐增多，但其残留问题也成为一个不容忽视的挑战。农兽药残留问题一直是食品安全领域的重要研究课题。食品中残留的农药可能会对人体健康产生不利影响，如过敏反应、血液紊乱、内分泌干扰、神经紊乱、突变、致畸、致癌和抗生素耐药性等。

为了确保食品质量和公共健康，迫切需要一种高效、灵敏、可靠的农兽药残留检测方法。稳定同位素技术作为一种独特的分析手段，在农兽药残留检测中展现出了巨大的潜力。相比传统的色谱质谱技术，稳定同位素技术具有更高的准确性和稳定性。稳定同位素技术能够通过测定样品中特定同位素的比例来追踪农兽药的代谢途径和残留情况。其优势在于对外部因素的较小敏感性和高分辨率，使其能够准确判断药物在生物体内的代谢过程，解决了传统检测方法中存在的误差问题。通过内标的方式，稳定同位素技术能够减小基质干扰和检测误差的影响，提高农兽药残留检测结果的精准性，特别对于低浓度样品的分析更为优越[4]。管秋美等[9]以同位素为内标物，建立了7种农药的超高效液相色谱-串联质谱同位素内标检测方法，并成功应用于88种水果的检测。

2.3 霉菌毒素检验

霉菌毒素是由曲霉属、镰刀菌属、青霉属、链格孢属和其他真菌产生的结构多样的次生有毒代谢物，存在于多种食品中，如谷物、坚果和油料等[10]。霉菌毒素种类繁多，为确保食品安全，已开发多种分析方法用于检测食品中的霉菌毒素，其中稳定同位素技术在霉菌毒素检验中发挥着重要作用。稳定同位素技术通过测定样品中特定同位素的比例，可以精确追踪霉菌毒素的来源、传播和代谢途径。目前，稳定同位素稀释质谱法已成为真菌毒素检测的可靠方法，广泛用于测定多种霉菌毒素水平，如黄曲霉毒素、伏马菌素、镰孢菌素毒素、赭曲霉毒素和棒曲霉素[11]。王兴龙等[12]利用超高效液相色谱-串联质谱方法，结合稳定同位素内标定量技术，成功测定了葡萄酒中赭曲霉毒素A的水平，实验结果证实该方法适用于大批量葡萄酒中赭曲霉毒素A的快速、准确定量检测。吴宇等[11]采用简单的提取稀释的快速前处理方法，结合稳定同位素内标法，成功测定了植物油中黄曲霉毒素等16种真菌毒素。这些研究为食品安全领域提供了有效的检测手段。

2.4 营养成分代谢分析

2.4.1 氨基酸和蛋白质代谢

氨基酸和蛋白质的代谢与体型、年龄、代谢率、膳食摄入等多个生理过程密切相关，稳定同位素技术在体内蛋白质、氨基酸代谢的研究中发展较为成熟，通过结合质谱和数学模型具有高度特异性和精确性的优点[4]。研究人员发现可以利用U-13C-葡萄糖示踪技术证实葡萄糖可通过糖酵解和三羧酸循环衍生的中间体重新合成非必需氨基酸，并可以通过稳定同位素富集葡萄糖和气相色谱质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）分析进行定量测定[13]。为满足机体代谢的需要，膳食中蛋白质的摄入应包括人体所需的各种氨基酸，食物蛋白质源的营养价值取决于氨基酸组成和营养上不可缺少的氨基酸的生物利用度，稳定同位素技术可以通过标记氨基酸作为指示剂，用于测定氨基酸的生物利用度。目前，已成功采用14C或13C标记氨基酸的方法来确定成人体内氨基酸的生物利用度，15N标记的蛋白质和13C-亮氨酸平衡可用于评估餐后蛋白质的净利用率[14]。

2.4.2 脂质代谢

肥胖是全球主要的公共健康问题，与脂质代谢异常密切相关。稳定同位素示踪剂在揭示肥胖发生和治疗机制方面发挥着关键作用。通过利用13C-棕榈酸酯示踪，可以测量血浆中脂肪酸的出现率和氧化率，该技术还被用于研究饮食诱导的体重减轻是否改变体内脂肪组织中餐后脂肪摄取的指标，以及这些变化是否与超重人群的体重恢复有关[15]。多不饱和脂肪酸主要包括鱼油、二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic Acid，EPA）和二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic Acid，DHA），对预防和调节肥胖风险具有积极作用[16]。通过稳定同位素分析揭示，鱼油能够通过降低肥胖男性载脂蛋白B-100的生成，有效减少血浆中三酰甘油浓度[4]。氮稳定同位素比率可作为EPA和DHA摄入量的生物标志物，通过稳定同位素技术分析，表明n-3多不饱和脂肪酸的抗肥胖作用可能部分通过与遗传因素相互作用而实现。

2.4.3 糖代谢

碳水化合物代谢包括糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径和糖异生等多种代谢途径，涉及多种代谢物。稳定同位素技术已成为准确鉴定碳水化合物代谢产物、定量和定性分析的关键工具。常用的同位素标记底物为多种葡萄糖同位素。通过使用选择性标记的1-13C-葡萄糖和6-13C-葡萄糖，可以追踪血浆中的13C-乳酸标记，从而诊断葡萄糖的异常利用[4]。通常，葡萄糖是三羧酸循环的主要碳源，但在某些情况下，乳酸充当葡萄糖的燃料，通过实验和数学建模，可以排除同位素交换的干扰，确认葡萄糖是三羧酸循环的主要碳贡献者。糖异生是糖代谢中糖酵解的相反代谢途径，对维持正常的全身血糖水平至关重要。糖异生失调会导致代谢疾病的发生。稳定同位素示踪代谢组学将更广泛地用于研究糖异生的代谢途径和通量，为深入探讨糖异生的代谢途径和通量提供应用[17]。