基于稳定同位素和矿物元素分析，并结合多模态识别技术，追踪中国虎坚果（Cyperus esculentus L.）的地理起源

《Food Chemistry》：Tracing the geographical origin of tiger nut ( Cyperus esculentus L) in China based on stable isotopes and mineral elements combined with multi-modal recognition

利用稳定同位素（δ13C、δ1?N、δ2H、δ1?O）与24种元素组成结合chemometrics和机器学习算法（SVM、MLP）分析中国六个产区的毛豆，发现同位素及元素含量存在显著差异（p<0.05），其中δ1?N、δ2H、δ1?O及12种元素（Mn、Cd、Sb、Fe、Al、Zn、Ti、V、Sr、Tl、Co、Ga）可作为地理溯源关键指标，验证了多维度数据分析在产地鉴别中的可行性。

　　

孙淑敏|王楠茜|孙天田|罗小红|杨永坦

中国北京市西城区国家粮食和战略储备局中央实验室，邮编100037

摘要

通过稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H和δ¹⁸O）和元素组成，并结合化学计量学方法，对来自中国不同产区的虎坚果进行了区分。统计结果显示，中国六个地区的虎坚果在δ¹⁵N、δ²H、δ¹⁸O同位素比值及24种元素含量方面存在显著差异（p<0.05）。评估了三种机器学习算法，其中支持向量机（SVM）和多层感知器（MLP）的预测准确率最高，达到85%。此外，三种同位素（δ¹⁵N、δ²H、δ¹⁸O）和12种元素（Mn、Cd、Sb、Fe、Al、Zn、Ti、V、Sr、Tl、Co和Ga）被确定为区分产地的重要指标。结果表明，结合稳定同位素和元素组成以及多种分类算法，可以追踪中国虎坚果的产地。

引言

Cyperus esculentus L.，又称虎坚果或荸荠草，是莎草科（Cyperaceae）的一种草本植物，是目前唯一已知能够在其块茎器官中储存大量油脂的作物（Turesson等人，2010年）。虎坚果具有丰富且均衡的营养成分，含有20%–30%的油脂、25%–40%的淀粉、15%–20%的可溶性糖以及5%–10%的蛋白质（Sánchez-Zapata、Fernández-López和Pérez-Alvarez，2012年；Bado等人，2015年）。此外，虎坚果还富含膳食纤维（8%–10%）、维生素C和E（8–14 mg·100 g^?1）、多种必需矿物质（Maduka和Ire，2018年），以及甾醇、生物碱、黄酮类和萜类等生物活性物质（Prakash和Ragavan，2009年）。尽管虎坚果的油脂含量与大豆相当，但其油脂中的不饱和脂肪酸含量超过85%（其中油酸约占70%），接近橄榄油，远高于大豆油和菜籽油。因此，虎坚果被视为一种高质量的油料资源（Dominique等人，2024年；Ezeh等人，2014年）。虎坚果主要生长在沙质土壤中，有助于土壤稳定和防止风蚀，同时不会与主食作物的耕地竞争。因此，虎坚果具有很高的综合利用价值，集食品、油脂、饲料和生态价值于一体。

虎坚果原产于非洲地中海地区，于20世纪50年代引入中国，目前在中国多个省份广泛种植，包括新疆、吉林、河南、河北和内蒙古。由于中国各地的种植条件差异较大，不同产区的虎坚果在特性和质量上存在显著差异。此外，缺乏虎坚果的产品标准会阻碍商品贸易和市场监管。因此，对不同产区的虎坚果质量进行比较研究对于制定标准和分级体系至关重要。此外，欧盟、中国、美国等许多国家要求食品生产和经营者建立可追溯体系（Dias和Mendes，2018年）。农产品的产地可追溯性在整个可追溯体系中起着重要作用，也是分类和分级生产区域以及保护高质量特色农产品的技术支持之一。目前，主要使用质谱、光谱学和分子生物学等技术，通过分析有机成分、挥发性成分以及同位素和元素组成来建立农产品的特征指纹图谱（Katerinopoulou等人，2020年；Wadood等人，2020年）。其中，样品中的稳定同位素比值和矿物元素含量通常与生产地区的地理位置（经度、纬度、海拔）、气候、植被类型和土壤条件密切相关，能够反映产品的真实地理信息，被认为是最有效的产地追踪技术之一。该技术已成功应用于追踪多种农产品的产地，包括谷物（Li等人，2016年；Zhi等人，2023年）、动物产品（Zhao等人，2021年）、水果（Li等人，2021年；Li等人，2022年；Zhou等人，2021年）、海鲜（Del Rio-Lavín等人，2022年；Xia等人，2022年）、茶叶（Liu等人，2021年）、橄榄油（Nasr等人，2022年）、红酒（Rapa等人，2023年）和中国中药材（Zhang等人，2022年）。目前关于虎坚果产地可追溯性的研究较少。Codina-Torrella等人（2015年）报告了来自不同地理区域（西班牙、布基纳法索和尼日尔）的四种市场虎坚果的理化特性和蛋白质特征比较。Rubert等人（2018年）通过膜脂质相关的代谢组变化成功区分了瓦伦西亚荸荠（原产地保护标志，PDO）和非洲产地的虎坚果样本。然而，这些研究主要集中在区分西班牙和非洲生产的虎坚果上，尚未有关于中国不同产区虎坚果的同位素和矿物元素组成的研究。

因此，本研究旨在：1）探讨中国不同产区虎坚果的稳定同位素比值（δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H、δ¹⁸O）和元素含量的特征及变化；2）研究利用稳定同位素和多种元素结合多种分类方法来确定虎坚果产地的可行性。研究结果有望提供一种有效的技术，以确保虎坚果的产地真实性并支持市场监管。

采样与样品制备

本研究于2024年10月收集了来自中国六个主要产区的100个虎坚果样本用于分析。各地区虎坚果的详细信息和种植情况见图1和表1S。采样数量根据各地区的种植面积和平均产量确定，具体为：新疆省29个样本，内蒙古自治区19个样本，河北省16个样本，吉林省13个样本

不同产区的虎坚果同位素比值

表3S列出了中国六个主要产区虎坚果样本的四种稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N、δ²H和δ¹⁸O）的平均值、标准差、最大值、最小值及ANOVA比较结果。稳定同位素的分布和变异性通过箱线图（图2）直观展示。所有地区的虎坚果δ¹³C值范围为?13.04‰至?11.87‰，符合C4植物的碳同位素特征，证实虎坚果属于C4型植物

结论

本研究分析了来自中国六个产区的虎坚果中4种同位素和26种矿物元素的组成和差异，并探讨了它们在识别虎坚果产地方面的能力。结果显示，不同产区的虎坚果在三种同位素（δ¹⁵N、δ²H和δ¹⁸O）及24种矿物元素含量上存在显著差异，H和O同位素受纬度和海拔影响明显。

CRediT作者贡献声明

孙淑敏：撰写初稿、软件应用、方法设计、数据分析、数据管理。王楠茜：撰写修订稿、验证结果、资源协调、调查安排、资金申请。孙天田：软件应用、数据分析、数据管理。罗小红：软件应用、调查实施、数据分析。杨永坦：撰写修订稿、监督指导、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中央公益性科研机构基本科研业务费项目（项目编号JY2408）的支持。我们衷心感谢Thermo Fisher Scientific（中国）有限公司稳定同位素分析团队的张安宇博士、冯晓工程师和孟凡静工程师提供的技术支持和帮助。