基于稀土元素指紋分析技術(shù)溯源我國(guó)茶葉產(chǎn)地的研究進(jìn)展

羅 欽，呂 軍，黃銳敏，毛方華

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所/福建省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350003； 2.光澤縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 福建 南平 354100；3.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 福建 福州 350003)

茶葉是由茶樹的葉片或者嫩芽制成的一種產(chǎn)品，茶葉不僅口感獨(dú)特，而且富含茶多酚、茶氨酸、茶皂苷、茶多糖、兒茶素、植物堿、咖啡堿、維生素等對(duì)人體健康有益的有機(jī)成分，以及含有種類豐富的對(duì)人體健康有益的稀土元素和礦質(zhì)元素等，對(duì)人體具有抗炎、殺菌、解毒、利尿、減肥、抗氧化、抗腫瘤、降血壓、降血糖、降血脂和消除疲勞等保健功效與藥效[1-5]，一直以來受到國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)者和消費(fèi)者的熱捧。6000多年前，中國(guó)就出現(xiàn)了人工種植茶葉，中國(guó)是地球上最早種植、加工和消費(fèi)茶葉的國(guó)家，也是全球最大的茶葉生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和貿(mào)易國(guó)。據(jù)報(bào)道，2019年我國(guó)干毛茶產(chǎn)量與總產(chǎn)值分別達(dá)279.34萬t和2 396億元，福建、浙江、云南、貴州、河南、四川、安徽、廣西等地依次為我國(guó)茶葉生產(chǎn)的前8名，綠茶、紅茶、烏龍茶和白茶等茶類依次為我國(guó)消費(fèi)量的前4名[6]。茶葉作為是我國(guó)重要的特色農(nóng)作物和重要的對(duì)外貿(mào)易農(nóng)產(chǎn)品，具有不可或缺的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但是許多不同品種、產(chǎn)地和品牌茶葉產(chǎn)品的加工工藝是一致的，外形看上去也是一樣的，而且通常茶葉產(chǎn)地與品種名稱往往是商品茶的代名詞，因而為了牟取暴利，茶葉市場(chǎng)容易出現(xiàn)假冒偽劣茶葉產(chǎn)品造成市場(chǎng)上售價(jià)及銷量差異均非常大。假冒偽劣摻雜欺詐行為不僅會(huì)給消費(fèi)者帶來選擇的困擾、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量安全和真實(shí)性的擔(dān)憂、損害消費(fèi)者的利益、甚至影響消費(fèi)者健康，而且也影響茶葉市場(chǎng)良性可持續(xù)發(fā)展、正規(guī)企業(yè)利益在不公平的競(jìng)爭(zhēng)中受到侵害、對(duì)整體行業(yè)造成不可挽回的損害[7]。為了能有效打擊偽劣假冒茶葉產(chǎn)品，保護(hù)消費(fèi)者的利益，維護(hù)茶葉市場(chǎng)良好發(fā)展秩序，建立高效、快速、準(zhǔn)確、可靠的茶葉產(chǎn)地溯源技術(shù)用于茶葉的打假鑒別勢(shì)在必行。

目前，眾多科研工作者在茶葉產(chǎn)地溯源及真實(shí)性鑒別中進(jìn)行了稀土元素、礦質(zhì)元素、DNA分析、穩(wěn)定同位素分析和代謝組學(xué)分析等化學(xué)分析技術(shù)的研究與應(yīng)用。為了進(jìn)一步推廣普及和逐步完善某一茶葉產(chǎn)地溯源技術(shù)，促進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力提升，本研究總結(jié)了稀土元素指紋分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源技術(shù)中的研究情況和最新進(jìn)展，以中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)據(jù)庫(kù)、萬方數(shù)據(jù)庫(kù)和美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)電子期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來源，檢索關(guān)鍵詞為稀土元素、茶，并加上產(chǎn)地溯源、產(chǎn)地識(shí)別、真假鑒別或真假識(shí)別進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、查閱和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果可知1999-2021年在20種國(guó)內(nèi)外期刊上刊載了關(guān)于稀土元素在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源技術(shù)方面的研究論文，中文期刊有19個(gè)，外文期刊有1個(gè)，刊載論文數(shù)量最多的期刊是《食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)》，《茶葉科學(xué)》、《食品科學(xué)》、《西南大學(xué)》、《現(xiàn)代食品科技》和《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)》并列第2名；從1999年到2018年研究論文的數(shù)量基本呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2018年刊載論文數(shù)量最多達(dá)到5篇，但隨后到2021年數(shù)量快速下降為1篇。研究論文主要開展了稀土元素指紋分析技術(shù)及其與其他化學(xué)成分聯(lián)用分析技術(shù)，其論文占比分別為65%和35%。

1 采用稀土元素進(jìn)行茶葉產(chǎn)地溯源的原理

根據(jù)化學(xué)元素周期表可知，稀土元素包括La(鑭)、Ce(鈰)、Pr(鐠)、Nd(釹)、Pm(钷)、Sm(釤)、Eu(銪)、Gd(釓)、Tb(鋱)、Dy(鏑)、Ho(鈥)、Er(鉺)、Tm(銩)、Yb(鐿)、Lu(镥)、Sc(鈧)和Y(釔)等17種元素。稀土元素一般分成輕稀土元素(La～ Eu)、重稀土元素(Gd～Lu)和與鑭系密切相關(guān)元素(Sc、Y)。自然界中呈現(xiàn)稀土元素會(huì)同時(shí)出現(xiàn)、原子序數(shù)越高的稀土元素含量越低、原子序數(shù)是偶數(shù)的比奇數(shù)的元素含量高等規(guī)律，但是Pm(钷)除外，因?yàn)镻m是經(jīng)人工從鈾裂變產(chǎn)生的一種具有放射性的稀土元素，而且尚未發(fā)現(xiàn)存在于自然界中，所以目前在產(chǎn)地溯源方面的研究一般只檢測(cè)另外16種稀土元素[8-10]。檢測(cè)稀土元素一般采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)，ICP-MS是利用高溫電感耦合等離子體將樣品的原子或分子離子化為帶電離子，根據(jù)質(zhì)荷比(m/z)把相同的離子聚在一起，把不相同的分開，并且按照大小順序排列組成離子流，經(jīng)檢測(cè)器接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后得到檢測(cè)結(jié)果[11-13]，其具有操作簡(jiǎn)便、精密度高、靈敏度高、檢出限低、基質(zhì)干擾少、樣品用量少、分析速度快、線性范圍寬、多元素同時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)[14]。經(jīng)檢測(cè)在自然界中La、Ce、Pr、Nd和Sm等5種元素的含量占稀土元素總含量的80%以上，我國(guó)土壤稀土元素總含量一般為100～200 mg·kg-1，而且在深、淺層土壤中變化不大(分別為180、174 μg·g-1)且分布極為相似，但是存在南高北低的現(xiàn)象和自東向西呈降低的態(tài)勢(shì)[15-16]。

稀土元素具有4f層電子排布的化學(xué)性質(zhì)[17]，在自然界中常呈現(xiàn)穩(wěn)定的正三價(jià)離子，其原子結(jié)構(gòu)相似而且離子半徑相近、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而且非常相似、溶解度低而且均一化程度高、不易遷移和受變質(zhì)作用的干擾、一經(jīng)“記錄”便容易被保存下來[18-21]，稀土元素具有的這些特殊地球化學(xué)性能，常作為地球化學(xué)行為的示蹤指示劑，其存在形態(tài)和分配模式可以提供物質(zhì)來源的信息[22-23]，因此常被作為一種重要的農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)地溯源方法。

茶葉中稀土元素的組成和含量與茶園土壤中稀土元素的分布與含量關(guān)系密切，茶葉中稀土元素的組成與茶園土壤中稀土元素的分布模式基本相同，不同地區(qū)土壤中稀土元素分布模式因受成土母質(zhì)、土壤類型和氣候環(huán)境等因素影響而不同，因而不同地區(qū)所生產(chǎn)的茶葉中稀土元素具有特定的分布特征；茶葉與土壤中稀土元素的含量明顯呈正相關(guān)性[24]，茶樹對(duì)土壤中的稀土元素會(huì)選擇性地吸收并且會(huì)富集土壤中有效輕稀土元素[25-30]，雖然茶葉 對(duì)稀土元素吸收量極少(0.007 2～20.74 mg·kg-1[26,31-32])，但是稀土元素在茶葉中是相對(duì)穩(wěn)定的，因而不同地區(qū)所生產(chǎn)的茶葉中稀土元素的含量會(huì)產(chǎn)生特征差異，這些特征差異可以追溯到茶葉生長(zhǎng)的土壤背景[33]，所以稀土元素是茶葉產(chǎn)地溯源的理想元素。這些研究表明基于稀土元素指紋分析技術(shù)溯源茶葉產(chǎn)地是可行的，研究文獻(xiàn)見表1。

表1 基于稀土元素指紋分析溯源我國(guó)茶葉產(chǎn)地的文獻(xiàn)情況

續(xù)表2

2 稀土元素指紋分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源研究中的應(yīng)用

2010年以來國(guó)內(nèi)外研究人員陸陸續(xù)續(xù)開展基于稀土元素指紋分析判別我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源方面的研究，且取得了一定的判別經(jīng)驗(yàn)，見表2。

表2 基于稀土元素指紋分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

從表2可知，在應(yīng)用稀土元素指紋分析技術(shù)進(jìn)行茶葉產(chǎn)地溯源的研究中，稀土元素的組成與含量均采用ICP-MS進(jìn)行檢測(cè)，研究?jī)?nèi)容主要是判別不同產(chǎn)地，也出現(xiàn)了個(gè)別研究是判別不同品種。在產(chǎn)地方面，涉及的省份有云南省、山東省、四川省、浙江省、福建省、安徽省、貴州省、涉及品種有臺(tái)地茶、古樹茶、普洱茶等黑茶，扁形茶、扁茶、龍井茶、安集白等綠茶，鐵觀音茶等烏龍茶；篩選出的判別特征元素組成有La、Ce、Y、Pr和Nd[38](山東、四川、貴州、浙江4省的扁形茶)，Sc、Ce、Tb和Yb[39](福建省2地的鐵觀音茶)，Sc、Ce、La和Eu[40](云南省4地的臺(tái)地茶和古樹茶)；建立的判別模型方法包括主成分分析、偏最小二乘法、線性判別分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法，主要采用逐步線性判別分析法；判別準(zhǔn)確率(交叉驗(yàn)證正確判別率)為66.7%～100%。在品種方面，林昕等[40]采用ICP-MS檢測(cè)云南省生產(chǎn)的臺(tái)地茶、古樹茶等黑茶中15種稀土元素，利用逐步線性判別分析法建立判別模型，其品種判別準(zhǔn)確率為91.65%。能夠區(qū)分不同產(chǎn)地或者不同品種的茶葉。

通過ICP-MS檢測(cè)稀土元素開展茶葉產(chǎn)地溯源技術(shù)研究具有檢測(cè)指標(biāo)少、多元素同時(shí)檢測(cè)速度快和痕量準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用該技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了一些茶葉產(chǎn)品的識(shí)別法，但是品種(4類)和產(chǎn)地(7個(gè)省)都還只局限于很少一部分，所以推廣到更多的茶葉品種和產(chǎn)地很受期待；稀土元素在茶葉中的組成和含量受土壤、施肥、品種、樹齡和采摘季節(jié)等諸多因素影響，需要充分考察多因素導(dǎo)致茶葉在生長(zhǎng)加工等過程中稀土元素遷移的變化規(guī)律，對(duì)茶葉取樣信息和分類需要進(jìn)行更深入全面的探討，為后期檢測(cè)和建立科學(xué)準(zhǔn)確的判別模型奠定基礎(chǔ)；通過栽培試驗(yàn)，探究不同產(chǎn)地/品種茶葉稀土元素含量產(chǎn)生差異的主要原因，建立不易受到生育環(huán)境變化影響的產(chǎn)地識(shí)別技術(shù)也是非常重要的，但是構(gòu)建識(shí)別技術(shù)時(shí)所需要的樣品，從所有產(chǎn)地采集茶葉品種是不現(xiàn)實(shí)的，所以想保證產(chǎn)地識(shí)別100%的正確率是非常困難的；由于篩選的特征稀土元素和構(gòu)建的判別模型尚存許多缺陷，需要建立更加全面的茶葉稀土元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和篩選出最優(yōu)的判別模型，以提取出具有顯著差異的特征地域因子進(jìn)而提高最終識(shí)別率。

3 稀土元素指紋與其他化學(xué)成分聯(lián)用分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

單獨(dú)使用稀土元素進(jìn)行茶葉產(chǎn)地溯源已取得不少研究成果，但是由于產(chǎn)地溯源該領(lǐng)域的研究要求的精確度較高，單一方法存在的局限性會(huì)影響溯源的準(zhǔn)確性，因此多技術(shù)或多參數(shù)聯(lián)用逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)，稀土元素指紋與其他化學(xué)成分聯(lián)用分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源中的研究情況見表3。

從表3可知，在稀土元素指紋與其他化學(xué)成分聯(lián)用進(jìn)行我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源的研究中，主要是開展稀土元素與其他非稀土元素的礦質(zhì)元素進(jìn)行聯(lián)用，這些稀土元素和非稀土元素的組成與含量主要采用ICP-MS進(jìn)行檢測(cè)，部分研究的非稀土元素由于含量比較高而采用ICP-AES進(jìn)行檢測(cè)；研究?jī)?nèi)容主要是判別不同產(chǎn)地的茶葉，涉及的省份有福建省、貴州省、云南省、廣東省、浙江省和四川省，涉及品種有烏龍茶、綠茶、黑茶、白茶和紅茶等；篩選出的判別特征元素組合有Co和Zn[43]，Sr和Nd[44]，La、Ce、Pr、Sm和Se[45]，Li、Be、Ni、Ga、Sn和Ba[46]；建立的判別模型方法包括主成分分析、聚類分析法、二元混合分析法、決策樹C5.0 算法、TAN 貝葉斯算法、BP-ANN 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、Fisher判別分析法，主要采用逐步線性判別分析法；判別準(zhǔn)確率(交叉驗(yàn)證正確判別率)為58.33%～96.61%。方法聯(lián)用能夠區(qū)分不同產(chǎn)地的茶葉。

表3 基于稀土元素指紋與其他化學(xué)成分聯(lián)用分析技術(shù)在我國(guó)茶葉產(chǎn)地溯源中的應(yīng)用

茶樹生長(zhǎng)的不同地域土壤、所處的地理環(huán)境以及栽培措施都會(huì)影響茶葉的元素組成，但是隨著肥料流通的范圍擴(kuò)大、供應(yīng)地區(qū)跨度增大，通過施肥等人為的方式改變一些區(qū)域元素的分布特征，從而影響其作為茶葉產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確性與可靠性，結(jié)合同位素技術(shù)則可有效解決這個(gè)問題，并能提高其產(chǎn)地溯源識(shí)別率，但是目前稀土元素與多種礦質(zhì)元素結(jié)合同位素等手段聯(lián)用技術(shù)在茶葉產(chǎn)地溯源領(lǐng)域的研究較為鮮見，該領(lǐng)域的研究較為可期；目前使用元素組成進(jìn)行產(chǎn)地識(shí)別的技術(shù)是基于各產(chǎn)地茶葉樣品中元素濃度差異開發(fā)的，元素濃度的差異是由水、土壤、肥料、品種等因素不同而產(chǎn)生的，但是關(guān)于解釋為什么產(chǎn)生這種情況的研究還沒怎么展開，元素濃度發(fā)生變化會(huì)對(duì)產(chǎn)地識(shí)別產(chǎn)生多大影響也還沒怎么展開；根據(jù)元素組成而進(jìn)行的茶葉識(shí)別技術(shù)，通常會(huì)使用ICP-MS或是ICP-AES一次性獲得多元素?cái)?shù)據(jù)，但是需要對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)等方式的確認(rèn)，同時(shí)還存在儀器設(shè)備昂貴、涉及使用危險(xiǎn)性酸、前處理復(fù)雜耗時(shí)以及實(shí)驗(yàn)操作需要一定熟練度等問題，因此開發(fā)簡(jiǎn)單、快速以及可信度更高的元素產(chǎn)地識(shí)別法也備期待；元素分為容易顯現(xiàn)地域性的元素和不容易顯現(xiàn)地域性的元素，元素的選擇性越多，產(chǎn)地識(shí)別成功的可能性就越大，因此在經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)條件允許的情況下，進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)方法，盡量將所有元素一起測(cè)量也是十分重要的。

4 展望

稀土元素常作為地球化學(xué)行為的示蹤指示劑，是茶葉產(chǎn)地溯源的理想元素。雖然應(yīng)用稀土元素指紋分析技術(shù)開展茶葉產(chǎn)地溯源的研究起步晚，但是發(fā)展迅速。當(dāng)然也存在一定的不足，縱觀整個(gè)產(chǎn)地溯源技術(shù)全過程，其判別準(zhǔn)確性是否科學(xué)準(zhǔn)確核心包括3部分，即樣品來源要準(zhǔn)確、檢測(cè)項(xiàng)目要全面、判別模型識(shí)別率要高。

首先，針對(duì)樣品來源方面，眾多研究的茶葉樣品多為市場(chǎng)隨機(jī)采集的商品茶或者企業(yè)已經(jīng)加工成型的商品茶，這些商品茶很難100%保證其原料沒有摻假以及仿冒，而有部分研究者親自前往茶園采集茶青作為樣品進(jìn)行研究，雖然保證了產(chǎn)地和品種真實(shí)性，但是由于沒有進(jìn)行加工包裝等一系列制作商品茶的流程，即使稀土元素在茶葉內(nèi)相對(duì)比較穩(wěn)定但受此影響是否會(huì)造成稀土元素含量發(fā)生變化以及變化量是否會(huì)影響模型構(gòu)建，這些都為后期建立判別模型的準(zhǔn)確性打下了一個(gè)巨大的問號(hào)。同時(shí)，茶葉樣品取樣量往往一組就需要20個(gè)以上，且產(chǎn)地至少要3個(gè)以上，取樣時(shí)間和資金等成本都過高，因此如何建立一個(gè)適用于產(chǎn)地溯源的茶葉標(biāo)準(zhǔn)品庫(kù)是一項(xiàng)可期的研究課題。

其次，針對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目方面，對(duì)于稀土元素指紋分析技術(shù)，目前大部分研究已經(jīng)做到16項(xiàng)稀土元素全檢測(cè)的要求，但是由于茶葉產(chǎn)地和品種較多，而目前樣品量覆蓋面太小，還很難總結(jié)出因稀土元素在茶葉中的組成和含量受產(chǎn)地土壤、施肥灌溉、品種年齡和采摘季節(jié)等諸多因素影響而形成的不同茶葉產(chǎn)地溯源規(guī)律；而對(duì)于稀土元素與其他化學(xué)成分聯(lián)用分析技術(shù)，則還存在礦質(zhì)元素、同位素、有機(jī)成分等檢測(cè)項(xiàng)目不全的問題，當(dāng)然在充分考慮鑒別時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本等方面的情況下，目前如何建立一個(gè)全面的茶葉稀土元素特征數(shù)據(jù)庫(kù)也是一項(xiàng)可期的研究課題。

最后，對(duì)于判別模型方面，由于鑒別茶葉產(chǎn)地真實(shí)性是屬于事后監(jiān)管，而模式識(shí)別技術(shù)分為監(jiān)督識(shí)別方法和非監(jiān)督識(shí)別方法，目前眾多研究采用監(jiān)督識(shí)別方法即利用有標(biāo)簽樣品分類情況的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型(訓(xùn)練集)，然后將求得的數(shù)學(xué)模型對(duì)預(yù)留的樣本做預(yù)測(cè)并算出成功率(預(yù)測(cè)集)，可見目前研究?jī)H僅開展到對(duì)已知有標(biāo)簽茶葉樣品建立模型進(jìn)行真實(shí)性鑒別，而快速且準(zhǔn)確地鑒別出未知無標(biāo)簽茶葉的原產(chǎn)地才是市場(chǎng)急需解決的重大難題，但是有標(biāo)簽的茶葉樣品量太少又會(huì)影響監(jiān)督識(shí)別方法判別模型的效果，而非監(jiān)督識(shí)別方法可以篩選出非標(biāo)簽樣品信息含量大的樣品，并將其添加到訓(xùn)練集的建模過程中，因此如何利用少量有標(biāo)簽樣品和大量未標(biāo)簽樣品，以較少的標(biāo)注成本和充分挖掘未標(biāo)簽樣品中有價(jià)值信息來提高分類能力，建立一個(gè)可靠、有效和低成本的監(jiān)督識(shí)別方法與非監(jiān)督識(shí)別方法耦合聯(lián)用的茶葉稀土元素產(chǎn)地溯源判別模型也是一項(xiàng)可期的研究課題。