基于稀土元素指紋的貴州茶葉產(chǎn)地溯源研究

駱凌寒，何 贊，曾粵鑫，朱勝婷，田 秘，陸 頂

（貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

貴州地理?xiàng)l件優(yōu)越，植茶歷史悠久，截至2021年，貴州茶園面積超過700萬畝，近四年來穩(wěn)居中國(guó)第二[1]。貴州茶葉的主要區(qū)域特色品牌有鳳岡鋅硒茶、都勻毛尖、湄潭翠芽、普安紅等，因重金屬含量低，有益元素含量高等優(yōu)點(diǎn)逐漸進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)。面對(duì)名優(yōu)特色與產(chǎn)地地理標(biāo)志相結(jié)合所帶來的巨大品牌效益，相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證需持續(xù)更新以確保食品的安全性和可追溯性，而現(xiàn)有的產(chǎn)地溯源技術(shù)仍有諸多不足，需探究更多創(chuàng)新有效的方法以保護(hù)優(yōu)質(zhì)茶品牌的價(jià)值。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要依托多礦物元素指紋、稀土元素指紋、穩(wěn)定同位素、有機(jī)成分等技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)地溯源研究。如劉春蛾等[2]通過線性判別和稀土元素指紋對(duì)紫菜進(jìn)行產(chǎn)地溯源，樣品判別準(zhǔn)確率達(dá)100%；張智印等[3]成功通過稀土元素指紋特征判別寧都不同基巖區(qū)臍橙。對(duì)于茶葉，其產(chǎn)地溯源幾乎不受茶樹品種的影響[4]。作物中的稀土元素主要吸收于種植地的土壤，而土壤中稀土元素的種類和豐度具有地質(zhì)特異性[5]，故不同區(qū)域茶葉中稀土元素含量也有差異，可用于茶葉產(chǎn)地判別研究，判別正確率較高[6]。

綜上可看出，稀土元素可用于不同地區(qū)茶葉的產(chǎn)地溯源研究。然而，稀土元素指紋能否用于貴州喀斯特地區(qū)茶葉的產(chǎn)地溯源，目前未得到驗(yàn)證。因此，本文以貴州省普安縣、都勻市和黎平縣三個(gè)茶葉產(chǎn)區(qū)的73件茶葉樣品為研究對(duì)象，對(duì)樣品中的10種稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Tm）進(jìn)行測(cè)定分析，并以稀土元素指紋建立茶葉溯源判別模型，為貴州茶葉的溯源和茶葉品牌保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 茶葉樣品采集

采集貴州省普安縣、都勻市和黎平縣三個(gè)茶葉產(chǎn)區(qū)（圖1）的73件嫩葉茶樣品作為研究對(duì)象。其中普安縣18份，都勻市27份，黎平縣28份。在測(cè)試的16種稀土元素中，選取檢測(cè)值均高于方法檢測(cè)限（LOD）的10種稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Tm）進(jìn)行產(chǎn)地溯源研究。

圖1 貴州普安、都勻、黎平茶葉產(chǎn)區(qū)分布圖

1.2 樣品預(yù)處理

將采集的茶葉樣品用自來水沖洗3遍，再用去離子水（18.2MΩ·cm）清洗3遍，用恒溫鼓風(fēng)干燥箱（60℃）烘干至恒重，采用植物樣粉碎機(jī)磨細(xì)，過200目尼龍篩，裝入聚乙烯密封袋中保存，供測(cè)試用。

1.3 茶葉稀土元素含量測(cè)定

茶葉樣品稀土元素含量分析測(cè)試交由澳實(shí)分析檢測(cè)（廣州）有限公司完成。過程如下：準(zhǔn)確稱取過200目尼龍篩的茶葉粉末樣0.2g，置于密封高壓消解罐中，加入5.0mL的濃硝酸在25℃下消解約8小時(shí)，充分分解有機(jī)物質(zhì)，再置于通風(fēng)櫥中，使用電熱板加熱3h左右至其出現(xiàn)結(jié)晶，冷卻后用去離子水將樣品溶解并轉(zhuǎn)移至25ml容量瓶中再定容。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）綜合檢測(cè)分析，矯正元素間的光譜干擾后，測(cè)定三地區(qū)茶葉樣品中的稀土元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Excel2003、SPSS25.0、SIMAC-P13.0、Origin9.0等軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和圖形繪制，采用Coreldraw14.0軟件對(duì)繪制圖形進(jìn)一步加工。在溯源模型建立的過程中所應(yīng)用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法有單因素方差分析、主成分分析、線性判別分析、正交偏最小二乘判別分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 普安、都勻和黎平三地區(qū)茶葉稀土元素含量特征

貴州普安、都勻和黎平三地區(qū)茶葉10種稀土元素的平均含量±標(biāo)準(zhǔn)偏差列于表1中。單因素方差分析結(jié)果顯示，茶葉中稀土元素Pr、Nd、Sm和Tm的平均含量在三個(gè)地區(qū)之間無顯著性差異（P＞0.05），而茶葉中稀土元素Y、La、Ce、Gd、Dy和Ho的平均含量在三個(gè)地區(qū)之間存在顯著性差異（P＜0.01或P＜0.001）。進(jìn)一步對(duì)存在顯著差異的6個(gè)稀土元素進(jìn)行鄧肯多重比較分析（P＜0.05），結(jié)果表明三個(gè)地區(qū)茶葉均具有各自獨(dú)特的稀土元素指紋特征。三地區(qū)10種稀土元素均值的總含量呈現(xiàn)黎平茶區(qū)＞普安茶區(qū)＞都勻茶葉的特征。

表1 普安、都勻和黎平三地區(qū)茶葉稀土元素含量(μg/kg)

2.2 不同產(chǎn)地茶葉稀土元素的主成分分析

為探究這10種稀土元素在判別茶葉產(chǎn)地來源中的可行性，采用主成分分析（PCA）執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。分析初始數(shù)據(jù)矩陣73個(gè)茶葉樣品×10個(gè)變量（稀土元素），結(jié)果顯示，基于特征值＞1的原則，提取兩個(gè)主成分（PC1和PC2），其對(duì)總方差的解釋能力達(dá)83.96%。PC1和PC2的解釋能力分別為72.64%和11.32%，特征值分別為7.26和1.13。

由變量在PC1和PC2上的成分荷載可看出，PC1概括了變量La、Pr、Nd、Sm、Gd、Y、Ho、Dy和Tm的信息，PC2上Ce荷載最大(圖2A)。三個(gè)地區(qū)茶葉樣品在PC1和PC2上的二維得分散點(diǎn)圖重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，不能很好的互相區(qū)分(圖2B)，故進(jìn)一步采用線性判別分析模型。

圖2 貴州茶葉產(chǎn)區(qū)（普安、都勻、黎平）前兩個(gè)主成分的10種稀土元素載荷(A)和得分二維散點(diǎn)圖(B)

2.3 不同產(chǎn)地茶葉稀土元素的線性判別分析

采用線性判別分析模型結(jié)合稀土元素含量執(zhí)行逐步線性判別分析。結(jié)果顯示，基于威爾克斯λ值最小化原則，該模型建立了兩個(gè)判別函數(shù)。函數(shù)1、2的特征值分別為1.192和0.652，方差解釋能力分別為64.7%和35.3%，典型相關(guān)系數(shù)分別為0.737和0.628，威爾克斯λ值分別為0.276（p1=0.000）和0.605（p2=0.000）。在分析過程中使用了4個(gè)變量指標(biāo)（La、Gd、Ho和Tm），該模型對(duì)三地區(qū)共73件茶葉樣品的正確識(shí)別能力為86.3%。模型建立的未標(biāo)準(zhǔn)化典型判別函數(shù)如下：

Function one=0.034La-0.383Gd+0.597Ho+0.359Tm+0.372；

Function two=0.006La-0.009Gd+1.311Ho-1.437Tm-1.099。

為獲得該模型的預(yù)測(cè)能力，執(zhí)行留一法交叉驗(yàn)證，結(jié)果顯示該模型獲得82.2%的預(yù)測(cè)能力。根據(jù)兩個(gè)判別函數(shù)的得分繪制二維散點(diǎn)圖（圖3），結(jié)果顯示三個(gè)地區(qū)的茶葉樣品各自具有較好的聚集趨勢(shì)，說明基于茶葉的10個(gè)稀土元素含量溯源貴州三地區(qū)茶葉的產(chǎn)地來源是可行的。模型建立的判別三地區(qū)茶葉的Fisher線性判別函數(shù)如下：

Group one（普安）=-0.042La-1.054Gd-0.605Ho-1.956Tm-5.614；

Group two（都勻）=0.017La+0.292Gd-1.244Ho+0.795Tm-2.174；

Group three（黎平）=0.052La-0.01Gd+1.462Ho-1.464Tm-3.989。

2.4 不同產(chǎn)地茶葉稀土元素的正交偏最小二乘判別分析

進(jìn)一步采用正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）進(jìn)行分析建模。輸入變量X為10種稀土元素含量、變量Y為3個(gè)茶葉主產(chǎn)區(qū)，觀測(cè)對(duì)象為三個(gè)地區(qū)的茶葉樣品。模型參數(shù)Rx2=0.931和Ry2=0.491，表明四個(gè)主成分分別對(duì)X、Y變量的變化具有93.1%、49.1%的解釋能力。第一、二主成分得分二維散點(diǎn)圖如圖4A所示，可看出普安和黎平茶區(qū)的茶葉樣品能夠較好的區(qū)分，都勻地區(qū)樣品與其余兩地區(qū)有重疊現(xiàn)象。建立的產(chǎn)地判別模型的正確分類率為84.9%（p＜0.01），判別的效果較好。

圖4 正交偏最小二乘判別分析的成分得分二維散點(diǎn)圖（A）和投影變量重要程度值（B）

OPLS-DA模型的投影變量重要程度（VIP）值如圖4B所示。可看出La、Gd、Ce和Dy的VIP值大于1，對(duì)判別樣品產(chǎn)地來源起到重要作用。其中，La是三個(gè)茶區(qū)產(chǎn)地來源示蹤研究中的最重要的參數(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)論

經(jīng)元素篩選，通過對(duì)貴州省三個(gè)茶葉產(chǎn)區(qū)的73件嫩葉茶樣品中10種稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho和Tm）的含量測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)三地區(qū)茶葉均具有各自的稀土元素指紋特征，茶葉中稀土元素Y、La、Ce、Gd、Dy和Ho的平均含量在三個(gè)地區(qū)之間存在顯著性差異。10種稀土元素分別結(jié)合LDA模型與OPLS-DA模型，均能較好地判別三地區(qū)茶葉的產(chǎn)地來源，La是三個(gè)茶區(qū)產(chǎn)地來源示蹤研究中的最重要的參數(shù)指標(biāo)。總體而言，稀土元素指紋分析技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)于貴州茶葉產(chǎn)地溯源行之有效。