基于礦質(zhì)元素指紋特征的海南咖啡產(chǎn)地溯源研究

摘""要：咖啡是世界三大飲料植物之一，是服務(wù)熱區(qū)鄉(xiāng)村振興建設(shè)和國(guó)家“一帶一路”倡議的重要經(jīng)濟(jì)作物。海南咖啡品質(zhì)佳、價(jià)格高、收益好，然而目前市場(chǎng)上存在以次充好、冒名頂替的現(xiàn)象，導(dǎo)致海南咖啡品牌形象嚴(yán)重受損。因此，開(kāi)發(fā)海南咖啡產(chǎn)地溯源鑒定技術(shù)對(duì)推進(jìn)海南咖啡的身份標(biāo)識(shí)化具有重要意義。本研究借助電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)（inductively"coupled"plasma-mass"spectrometry，"ICP-MS）對(duì)國(guó)內(nèi)外中?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)68份咖啡商品豆的13種礦質(zhì)元素（K、Mg、Ca、Cu、Fe、Ba、Co、Mo、Ni、Zn、Se、Cd、As）含量進(jìn)行測(cè)定，利用主成分分析（principal"component"Analysis，"PCA）、正交偏最小二乘法判別分析（orthogonal"partial"least"squares-discriminant"analysis，"OPLS-DA）和聚類(lèi)分析對(duì)我國(guó)海南和國(guó)外中粒咖啡商品豆的產(chǎn)地進(jìn)行分類(lèi)，并利用線性判別分析（linear"discriminant"analysis，"LDA）建立中?？Х鹊漠a(chǎn)地判別模型。結(jié)果表明：不同礦質(zhì)元素間存在顯著相關(guān)關(guān)系，海南產(chǎn)區(qū)和國(guó)外產(chǎn)區(qū)咖啡商品豆的As、Ca、Fe、K和Zn含量間存在顯著差異；OPLS-DA分析依據(jù)5種元素的組成特征將咖啡樣品分成海南和國(guó)外2組；利用元素As、K、Ca含量建立的線性判別模型可以將海南和國(guó)外的中?？Х壬唐范惯M(jìn)行區(qū)分，交叉驗(yàn)證和回代驗(yàn)證的正確判別率分別是92.3%和96.2%；聚類(lèi)分析的產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率為89.7%。上述研究結(jié)果證明礦質(zhì)元素指紋特征可用于海南咖啡的產(chǎn)地溯源，為今后海南咖啡的品牌保護(hù)提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：咖啡；礦質(zhì)元素；產(chǎn)地溯源中圖分類(lèi)號(hào)：S667.9""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Traceability"of"Hainan"Coffee"Origin"Based"on"Fingerprint"Characteristics"of"Mineral"Elements

WANG"Xi’ao1，2，3，"PENG"Xianrui1，4，"HU"Lisong1，5，6，"HUANG"Lifang1，2，3，5，7，"AN"Na1，"WANG"Xiaoyang1，2，3，5，7，"YAN"Lin1，2，3，5，7*

1."Spice"and"Beverage"Research"Institute，"Chinese"Academynbsp;of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Wanning，"Hainan"571533，"China;"2."Coffee"Hainan"Engineering"Research"Center，"Wanning，"Hainan"571533，"China;"3."International"Joint"Research"Center"for"Tropical"Spice"Beverages，"Wanning，"Hainan"571533，"China;"4."Institute"of"Crop"Science，"Chinese"Academy"of"Agricultural"Sciences，"Beijing"100081，"China;"5."Key"Laboratory"of"Genetic"Resources"Utilization"of"Spice"and"Beverage"Crops，"Ministry"of"Agriculture"and"Rural"Affairs，"Wanning，"Hainan"571533，"China;"6."National"Key"Laboratory"of"Tropical"Crop"Biological"Breeding，"Sanya，"Hainan"572024，"China;"7."Hainan"Provincial"Key"Laboratory"of"Genetic"Improvement"and"Quality"Regulation"for"Tropical"Spice"and"Beverage"Crops，"Wanning，"Hainan"571533，"China

Abstract："Coffee"is"one"of"three"major"beverage"plants"in"the"world，"which"is"an"important"economic"crop"serving"the"revitalization"and"construction"of"rural"areas"in"hot"areas"and"national"“the"Belt"and"Road”"initiative."Hainan"coffee"has"good"quality，"high"prices"and"good"earnings."Currently，"there"is"a"phenomenon"of"using"inferior"products"and"impersonating"others"in"the"market，"which"is"seriously"damaged"the"brand"image"of"Hainan"coffee."Therefore，"the"development"of"Hainan"coffee"origin"traceability"identification"technology"is"of"great"significance"for"promoting"identification"of"Hainan"coffee."In"this"study，"we"used"inductively"coupled"plasma-mass"spectrometry"technology"to"determine"the"content"of"13"mineral"elements"（K，"Mg，"Ca，"Cu，"Fe，"Ba，"Co，"Mo，"Ni，"Zn，"Se，"Cd，"As）"in"68"coffee"bean"samples"from"main"production"areas"of"robusta"coffee"bothnbsp;domestically"and"internationally."Principal"component"analysis，"orthogonal"partial"least"squares-discriminant"analysis"and"cluster"analysis"were"used"to"classify"the"production"areas"of"medium"grain"coffee"beans"in"Hainan"and"abroad."A"model"for"identifying"the"origin"of"medium"grained"coffee"was"established"using"linear"discriminant"analysis."The"results"showed"that"there"was"a"significant"correlation"between"different"mineral"element."And"content"of"elements"As，"Ca，"Fe，"K，"and"Zn"between"Hainan"and"foreign"production"areas"were"significantly"different;"OPLS-DA"analysis"divided"coffee"samples"into"two"groups，"Hainan"and"foreign"areas，"based"on"composition"characteristics"of"five"elements."Fisher"discriminant"model"established"by"using"content"of"elements"As，"K，"and"Ca"could"distinguish"robusta"coffee"beans"from"Hainan"and"abroad."The"correct"discriminant"rates"of"cross"test"and"back"generation"test"were"92.3%"and"96.2%，"respectively."The"accuracy"of"cluster"analysis"in"identifying"product"origin"was"89.7%."The"above"research"results"demonstrated"that"fingerprint"characteristics"of"mineral"elements"could"be"used"for"origin"tracing"of"Hainan"coffee，"which"provided"key"technical"support"for"brand"protection"of"Hainan"coffee"in"the"future.

Keywords："coffee;"mineral"elements;"origin"tracebility

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2025.02.015

咖啡被譽(yù)為“世界三大飲料植物之首”，是世界重要的熱帶經(jīng)濟(jì)作物?？Х鹊母郊又递^高、市場(chǎng)潛力巨大。2023年全球咖啡產(chǎn)量為1028.55萬(wàn)t，其中小粒種為583.89萬(wàn)t，占56.77%；中粒種為444.66萬(wàn)t，占43.22%[1]。中國(guó)咖啡主產(chǎn)區(qū)為云南、海南和四川等地，2023年我國(guó)咖啡種植面積為7.80萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為14.79萬(wàn)t，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為55.07億元，我國(guó)已成為全球重要的咖啡生產(chǎn)、貿(mào)易和消費(fèi)大國(guó)之一。海南是我國(guó)咖啡規(guī)?；N植的起源地，也是我國(guó)中?？Х鹊膬?yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)。海南具有發(fā)展精品咖啡的獨(dú)特地理氣候條件，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已形成“興隆咖啡”“福山咖啡”等獨(dú)具地方特色的國(guó)家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品。海南的中?？Х绕焚|(zhì)佳、價(jià)格高、收益好，在市場(chǎng)上受到消費(fèi)者的廣泛青睞，然而目前市場(chǎng)上充斥著大量非海南產(chǎn)地的咖啡制品，生產(chǎn)成本和商業(yè)價(jià)格相對(duì)較低，給海南的本土咖啡產(chǎn)品帶來(lái)較大的市場(chǎng)沖擊，不僅大大降低了農(nóng)民的收入，還導(dǎo)致海南咖啡品牌形象嚴(yán)重受損。因此急需建立海南咖啡產(chǎn)地溯源鑒定方法，推進(jìn)海南咖啡身份的標(biāo)識(shí)化，在保障消費(fèi)者權(quán)益的同時(shí)，切實(shí)保護(hù)海南咖啡品牌。

目前，關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源鑒定方法較為豐富，包括代謝物檢測(cè)[2]、礦質(zhì)元素指紋特征[3-4]、穩(wěn)定同位素示蹤[4]、近紅外光譜[5]、分子標(biāo)記[6-7]等多種研究技術(shù)。農(nóng)產(chǎn)品中的礦質(zhì)元素含量與其生長(zhǎng)環(huán)境緊密相關(guān)，不同產(chǎn)區(qū)農(nóng)產(chǎn)品具有特異的元素指紋特征[4]，加之礦質(zhì)元素在農(nóng)產(chǎn)品中的含量相對(duì)穩(wěn)定，檢測(cè)方法簡(jiǎn)單高效，因此，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于中草藥[3-4]、糧食[8]、煙草[9]、葡萄酒[10]等農(nóng)副產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源和道地性鑒定中[11]。CHEN等[12]基于不同年份和產(chǎn)區(qū)的水稻樣品，采用ICP-MS結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立了水稻的物源模型；WU等[13]針對(duì)來(lái)自陜西省3個(gè)不同地區(qū)的27份中華蜜蜂蜂蜜樣品中的18種元素進(jìn)行了多元分析，發(fā)現(xiàn)元素含量的顯著差異可用于區(qū)分中華蜜蜂蜂蜜的地理來(lái)源；DEBBARMA等[14]研究發(fā)現(xiàn)，菠蘿蜜種質(zhì)和位置因素對(duì)果實(shí)的多元素積累特征有主要影響，并借助線性判別分析對(duì)印度菠蘿蜜的地理來(lái)源進(jìn)行了有效區(qū)分。上述研究結(jié)果表明，礦質(zhì)元素指紋特征可為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的建立和標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。

礦質(zhì)元素指紋特征分析在咖啡的產(chǎn)地溯源分析中也得到了應(yīng)用。MOHAMMED等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)Ca元素在也門(mén)咖啡中含量極高，可用于區(qū)分也門(mén)與埃塞俄比亞咖啡；埃塞俄比亞不同地區(qū)咖啡樣本的礦質(zhì)元素含量特征也存在顯著差異。WORKU等[16]結(jié)合XRF和ICP-MS的多元素和穩(wěn)定同位素圖譜區(qū)分埃塞俄比亞咖啡的產(chǎn)地來(lái)源；VALENTIN等[17]利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定了來(lái)自5大洲15個(gè)國(guó)家的咖啡豆中59種元素，并利用主成分分析和線性判別分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建產(chǎn)地判別模型；此外，來(lái)自世界主要種植地區(qū)的純產(chǎn)地烘焙、研磨的濃縮咖啡飲料其礦質(zhì)元素含量也存在顯著差異，南美洲的咖啡樣品富含各種礦質(zhì)元素，而中美洲的樣品通常礦質(zhì)元素含量較低[18]。目前應(yīng)用礦質(zhì)元素指紋特征開(kāi)展咖啡產(chǎn)地溯源辨別的相關(guān)報(bào)道僅局限于小粒種咖啡，且研究涉及的主產(chǎn)區(qū)大多局限于非洲、美洲等咖啡生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó)，而關(guān)于我國(guó)海南中?？Х鹊牡V質(zhì)元素指紋特征及產(chǎn)地溯源研究尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本研究收集了來(lái)自我國(guó)海南和國(guó)外中?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)的68份咖啡樣品，基于ICP-MS技術(shù)明確了咖啡商品豆中的13種礦質(zhì)元素指紋特征，分析了不同礦質(zhì)元素間的相關(guān)關(guān)系，挖掘了我國(guó)海南和國(guó)外中粒咖啡商品豆中的差異礦質(zhì)元素，并在此基礎(chǔ)之上借助主成分分析、OPLS-DA分析和聚類(lèi)分析對(duì)不同產(chǎn)地的咖啡商品豆進(jìn)行分類(lèi)，利用LDA分析建立了中?？Х鹊漠a(chǎn)地判別模型，為海南優(yōu)質(zhì)咖啡商品豆的質(zhì)量安全控制和產(chǎn)地溯源奠定重要基礎(chǔ)。

1""材料與方法

1.1""材料

供試材料為68份咖啡生豆樣品，分別來(lái)源于中國(guó)海南省咖啡主產(chǎn)區(qū)（瓊中、澄邁、白沙、萬(wàn)寧）和國(guó)外主產(chǎn)區(qū)（印度、印度尼西亞、越南、烏干達(dá)），在咖啡收獲期采摘后經(jīng)去皮、脫膠、水洗、烘干后備用。

1.2""方法

1.2.1""樣品處理""將每份咖啡豆樣品磨碎混勻，稱(chēng)取200"mg于試管中，加入3"mL濃硝酸（西隴科學(xué)，汕頭，分析純）室溫放置數(shù)小時(shí)至樣品全部溶解，然后置于120"℃的LWY84B型遠(yuǎn)紅外消煮爐（格萊莫，武漢）中加熱消煮。待試管中的樣品澄清透明后，將消煮爐溫度升高至150"℃，排除試管內(nèi)硝酸，直至試管中樣品剩余1"mL時(shí)取出。

1.2.2""含量測(cè)定""將試管中的樣品用超純水稀釋到15"mL，期間沖洗試管壁不少于2次。將15"mL離心管置于離心機(jī)中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為3600"r/min，時(shí)間為15"min。提取上清用于13種礦質(zhì)元素（As、Ba、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mo、Ni、Zn、Cd、Co、Se）的指紋特征分析，檢測(cè)儀器為350Q型電感耦合等離子體質(zhì)譜（PerkinElmer），運(yùn)行參數(shù)設(shè)置射頻功率為1600"W，霧化器流速為0.98"L/min，輔助氣流速為1.2"L/min，等離子體氣流速為15"L/min。

1.3""數(shù)據(jù)處理

利用IBM"SPSS"Statistics"26.0"軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析、主成分分析、線性判別分析和聚類(lèi)分析。正態(tài)性檢驗(yàn)采用Shapiro-Wilk"test；相關(guān)性分析采用斯皮爾曼相關(guān)性分析，并進(jìn)行雙尾顯著性檢測(cè)；聚類(lèi)分析采用歐式距離法。利用MetaboAnalyst"6.0網(wǎng)站（https：//www.met aboanalyst.ca/）進(jìn)行PCA散點(diǎn)圖、OPLS-DA得分散點(diǎn)圖及VIP圖繪制。

2""結(jié)果與分析

2.1""咖啡生豆中礦質(zhì)元素含量特征

不同產(chǎn)地咖啡豆中的K、Mg、Cu、Fe、Ni、Zn元素含量呈正態(tài)分布，其余元素含量不符合正態(tài)分布。K是咖啡生豆中含量最高的常量元素，平均含量可達(dá)14429.647"mg/kg；微量元素含量表現(xiàn)為Fegt;Cugt;Zngt;Bagt;Nigt;Cogt;Mogt;Se，重金屬元素含量表現(xiàn)為Asgt;Cd。Ba的變異系數(shù)超過(guò)100%（表1），說(shuō)明不同產(chǎn)地咖啡豆中Ba元素含量存在較大差異。

為明確不同礦質(zhì)元素間的關(guān)系，采用斯皮爾曼相關(guān)性分析對(duì)咖啡生豆中的13種礦質(zhì)元素含量進(jìn)行探究。由表2可知，在13種礦質(zhì)元素中，諸多礦質(zhì)元素間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），如As與Cd、Ca與Mg、Fe與K、K與Mg呈極顯著正相關(guān)，而Mo與Ni呈極顯著負(fù)相關(guān)；部分礦質(zhì)元素間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），K與Se、Fe與Mg呈顯著正相關(guān)，Ca與Co、Co與Se呈顯著負(fù)相關(guān)。上述研究結(jié)果表明，咖啡生豆中的礦質(zhì)元素之間具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，為完成咖啡生豆的產(chǎn)地溯源鑒別奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2""不同產(chǎn)地咖啡豆中礦質(zhì)元素含量差異顯著性比較

對(duì)我國(guó)海南和國(guó)外產(chǎn)區(qū)中?？Х壬沟牡V質(zhì)元素含量進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果表明，咖啡生豆中的As、Ca、Fe、K和Zn元素含量在我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)和國(guó)外產(chǎn)區(qū)間存在顯著性差異，而B(niǎo)a、Cu、Mg、Mo、Ni、Cd、Co和Se元素含量在不同產(chǎn)地間無(wú)顯著差異（Plt;0.05）。我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)咖啡生豆中的As、Ca、Zn元素含量顯著高于國(guó)外產(chǎn)區(qū)，其中我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)咖啡生豆中的As元素含量是國(guó)外產(chǎn)區(qū)的3.6倍，而國(guó)外產(chǎn)區(qū)咖啡生豆的

Fe和K元素含量則顯著高于我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)（表3）。上述結(jié)果說(shuō)明不同產(chǎn)地咖啡生豆中的礦質(zhì)元素含量存在顯著差異，As、Ca、Fe、K和Zn"5種礦質(zhì)元素含量可能是咖啡豆產(chǎn)地溯源的重要依據(jù)。

2.3""礦質(zhì)元素指紋對(duì)咖啡豆產(chǎn)地的鑒別分析

2.3.1""主成分分析""主成分分析（PCA）能夠?qū)⒍鄠€(gè)變量通過(guò)降維的方式擬合為少數(shù)主成分，從而最大程度保留原始變量的信息。為進(jìn)一步探究不同產(chǎn)地咖啡生豆礦質(zhì)元素含量的特征關(guān)系，對(duì)13種礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，并采用巴特利特球形度檢驗(yàn)（Bartlett’s"sphericity"test）來(lái)判斷原始變量之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，巴特利特球形度檢驗(yàn)的顯著性為Plt;0.05，球形假設(shè)被拒絕，說(shuō)明各變量之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行主成分分析（表4）。

以特征值大于1為原則，提取了5個(gè)主成分，每個(gè)主成分都是13個(gè)原始變量的線性組合，其中PC1和PC2的貢獻(xiàn)率分別是27.031%和19.378%，元素Fe、K和Mg的含量在PC1上有較大載荷，As、Ca和Cd在PC2上載荷較高，在PC3上元素Mo和Se有較大載荷，Cu、Zn和Co在PC4上載荷較高，Ba和Ni在PC5上有較大載荷（表5）。5個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)76.568%，說(shuō)明這5個(gè)主成分可將咖啡生豆中的礦質(zhì)元素含量信息表達(dá)出來(lái)，可用于咖啡生豆的產(chǎn)地溯源。

為直觀表現(xiàn)不同產(chǎn)地咖啡礦質(zhì)元素的分布規(guī)律，提取方差貢獻(xiàn)率最高的2個(gè)主成分PC1和PC2來(lái)繪制二維散點(diǎn)圖（圖1），結(jié)果表明，國(guó)外與我國(guó)海南的樣品其礦質(zhì)元素含量存在明顯的分離趨勢(shì)，但國(guó)外樣品的置信橢圓部分并未與我國(guó)海南的樣品完全分離，說(shuō)明這2個(gè)主成分雖然能夠達(dá)到對(duì)不同產(chǎn)地咖啡生豆礦質(zhì)元素含量指標(biāo)降維的目的，但不能得到較好的分類(lèi)效果，因此應(yīng)采取其他多元統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)獲得更好的咖啡原產(chǎn)地溯源結(jié)果。

2.3.2""正交偏最小二乘法判別分析""正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）是一種有監(jiān)督的判別分析統(tǒng)計(jì)方法，橫坐標(biāo)代表組間差異，縱坐標(biāo)達(dá)標(biāo)組內(nèi)差異。以咖啡產(chǎn)區(qū)分類(lèi)作為自變量，利用5種具有顯著性差異的礦質(zhì)元素含量（As、Ca、Fe、K和Zn）作為因變量進(jìn)行OPLS-DA降維分析。結(jié)果表明，利用OPLS-DA分析可以很好地將我國(guó)海南和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的咖啡區(qū)分開(kāi)來(lái)（圖2A）。在圖2B中，As、Zn和K元素的VIP值大于1，說(shuō)明這3種元素是對(duì)咖啡產(chǎn)地貢獻(xiàn)較大的變量，因此可以作為中?？Х犬a(chǎn)地溯源的標(biāo)志性礦質(zhì)元素，為我國(guó)海南咖啡的產(chǎn)地溯源鑒別提供重要依據(jù)。

2.3.3""線性判別分析""線性判別分析（LDA）又稱(chēng)為Fisher線性判別，是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)的降維技術(shù)，數(shù)據(jù)集中的每個(gè)樣本均有類(lèi)別輸出，目前被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源研究中?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，利用5種礦質(zhì)元素（As、Ca、Fe、K和Zn）可以很好地將我國(guó)海南和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的中?？Х榷箙^(qū)分開(kāi)，本研究進(jìn)一步利用這5種礦質(zhì)元素對(duì)我國(guó)海南和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的中?？Х榷惯M(jìn)行LDA分析，獲得我國(guó)海南和國(guó)外中?？Х榷巩a(chǎn)地溯源鑒定模型，得到2個(gè)判別函數(shù)分別為Y中國(guó)海南=-198.690As–0.136Ca+0.020K–130.048；Y國(guó)外=-422.212As–0.205Ca+0.025K–175.801；所述的判別函數(shù)Y中國(guó)海南和Y國(guó)外以As、Ca、K元素含量為變量，單位為mg/kg；比較Y中國(guó)海南和Y國(guó)外的數(shù)值大小，Y中國(guó)海南gt;Y國(guó)外，則該咖啡樣品的產(chǎn)地為中國(guó)海南，反之則來(lái)源于國(guó)外。另外，本研究對(duì)利用3種礦質(zhì)元素含量建立的模型進(jìn)一步開(kāi)展回代檢驗(yàn)和交叉驗(yàn)證。在回代檢驗(yàn)中，對(duì)95.2%的中國(guó)海南產(chǎn)地樣本和100%的國(guó)外產(chǎn)地樣本進(jìn)行了正確分類(lèi)，即不同產(chǎn)地的回代驗(yàn)證正確率達(dá)96.2%；在交叉驗(yàn)證中，對(duì)90.5%的中國(guó)海南產(chǎn)地樣本和100%的國(guó)外產(chǎn)地樣本進(jìn)行了正確分類(lèi)，即不同產(chǎn)地的交叉驗(yàn)證正確率達(dá)92.3%，判別結(jié)果良好。

2.3.4""聚類(lèi)分析""為進(jìn)一步直觀讀出各樣品的所屬分類(lèi)，本研究基于13種礦質(zhì)元素的定量數(shù)據(jù)對(duì)來(lái)自中國(guó)海南和國(guó)外的68份咖啡樣品進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析，采用歐式距離法繪制分類(lèi)樹(shù)狀圖。由圖3可知，當(dāng)歐式距離為5時(shí)，68份咖啡樣品被劃分為2類(lèi)，其中有7份來(lái)自中國(guó)海南產(chǎn)區(qū)咖啡樣品（HN16、HN18、HN19、HN20、HN21、HN17、HN1）被錯(cuò)誤地劃分到國(guó)外產(chǎn)區(qū)組，分類(lèi)正確率為89.7%，說(shuō)明礦質(zhì)元素聚類(lèi)分析結(jié)果與咖啡產(chǎn)地具有一定的相關(guān)性，聚類(lèi)分析也可作為中國(guó)海南咖啡產(chǎn)地溯源鑒別的依據(jù)。

3""討論

據(jù)報(bào)道，咖啡的產(chǎn)地溯源技術(shù)涉及代謝組學(xué)、礦質(zhì)元素、穩(wěn)定同位素、近紅外光譜及分子標(biāo)記等多種研究方法[19]。咖啡豆中的特征性代謝物包括咖啡因、綠原酸、葫蘆巴堿、脂肪、蛋白質(zhì)及多種揮發(fā)性成分，這些代謝物受地域環(huán)境影響，被認(rèn)為是產(chǎn)品溯源的重要指標(biāo)[2]，應(yīng)用咖啡的特征代謝物進(jìn)行產(chǎn)地溯源鑒別已經(jīng)取得了初步進(jìn)展[20-22]。代謝物的提取雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但是代謝物含量的測(cè)定受環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作影響較大，數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差。相比之下，分子標(biāo)記鑒定技術(shù)則是從基因組水平進(jìn)行產(chǎn)地識(shí)別的分子鑒定技術(shù)，這種方法操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，適用于多種農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源和道地性鑒定[6，"23-24]，在咖啡上也有相關(guān)報(bào)道[25]，但是由于這種鑒定方法需要提取DNA，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生理狀態(tài)具有一定要求，因此只限于生咖啡的產(chǎn)地溯源。穩(wěn)定同位素作為原產(chǎn)地特征表征物質(zhì)效果較好，但同位素C、N、O、P、S作為產(chǎn)地溯源的有效指標(biāo)建立的數(shù)學(xué)模型可靠性有待提高，結(jié)合同位素Se之后，雖然產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率大幅度提升，但在實(shí)際操作過(guò)程中由于操作要求高、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴，因此很難推廣[19]。另外，近紅外光譜技術(shù)在咖啡產(chǎn)地溯源中得到了應(yīng)用[26]，但由于測(cè)定結(jié)果受粒徑大小、分布、性狀等物理狀態(tài)和樣本采集時(shí)間、加工過(guò)程等因素影響較大，因此采用該技術(shù)需要完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)排除各種影響因素的干擾。而對(duì)于礦質(zhì)元素產(chǎn)地溯源鑒定技術(shù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是收獲年份、成熟度、生咖啡還是烘焙咖啡對(duì)元素組成幾乎無(wú)影響[18]，且成本較低，操作簡(jiǎn)單，因此本研究選用該方法對(duì)中國(guó)海南和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的咖啡豆進(jìn)行了產(chǎn)地溯源判別分析。

對(duì)于不同產(chǎn)區(qū)和品種的咖啡來(lái)說(shuō)，用于其產(chǎn)地溯源判別的特征元素存在明顯區(qū)別。HABTE等[27]認(rèn)為微量元素和痕量元素是判別咖啡樣品來(lái)源的最佳元素；MEHARI等[28]在研究中發(fā)現(xiàn)，P、Mn、S、Cu和Fe是埃塞俄比亞?wèn)|部、西部和南部咖啡樣品的最具鑒別性元素；MOHAMMED等[15]則認(rèn)為Ca元素是區(qū)分也門(mén)和埃塞俄比亞咖啡的主要元素；在OLIVEIRA等[18]的研究中，Ca和Mn被認(rèn)為是鑒定世界主要咖啡種植區(qū)來(lái)源的最佳元素；在非洲、美洲和亞洲產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)地溯源研究中，利用Rb、Sr和Ba可以完成咖啡的產(chǎn)地溯源。在本研究中，我們收集了來(lái)自我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的68份咖啡樣品，共完成了13種礦質(zhì)元素測(cè)定，篩選到5種存在顯著性差異的礦質(zhì)元素（As、Ca、Fe、K、Zn），最后利用As、Ca和K元素建立了中國(guó)海南和國(guó)外中?？Х鹊漠a(chǎn)地判別模型，為中國(guó)海南咖啡的品牌保護(hù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

除測(cè)定指標(biāo)的選擇外，用于產(chǎn)地鑒別的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法也是決定咖啡產(chǎn)地溯源準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。翟慧楠等[22]結(jié)合PCA和PLS-DA分析，將來(lái)自海南不同產(chǎn)地的咖啡品種進(jìn)行了區(qū)分；MOHAMMED等[15]利用PCA分析及聚類(lèi)分析對(duì)也門(mén)咖啡和埃塞俄比亞咖啡進(jìn)行分類(lèi)；WORKU等[16]利用LDA分析追蹤了來(lái)自埃塞俄比亞4個(gè)咖啡主產(chǎn)區(qū)的103份咖啡樣品的來(lái)源，準(zhǔn)確率可達(dá)89%；MEHARI等[28]利用脂肪酸組成數(shù)據(jù)結(jié)合LDA分析，構(gòu)建了埃塞俄比亞咖啡產(chǎn)地識(shí)別和預(yù)測(cè)能力分別為95%和92%的分類(lèi)模型；另外，GIRAUDO等[26]基于OPLS-DA分析開(kāi)發(fā)了來(lái)源于9個(gè)國(guó)家的咖啡產(chǎn)地溯源模型，該模型的預(yù)測(cè)能力可達(dá)98%以上，比本研究的判別率高，主要是因?yàn)闃颖玖枯^大且不同產(chǎn)地之間的距離較遠(yuǎn)，因此準(zhǔn)確性較高。在本研究中，我們分別采用了PCA分析、OPLS-DA分析和聚類(lèi)分析對(duì)來(lái)自我國(guó)海南和國(guó)外的咖啡樣品進(jìn)行了分類(lèi)，構(gòu)建了LDA線性判別模型，交叉驗(yàn)證和回代驗(yàn)證的準(zhǔn)確率分別可達(dá)92.3%和96.2%，聚類(lèi)分析準(zhǔn)確性也可達(dá)89.7%，判別效果相對(duì)較好。為了進(jìn)一步提高中國(guó)海南咖啡產(chǎn)地溯源判別的準(zhǔn)確性，后續(xù)研究應(yīng)增加樣本數(shù)量，豐富測(cè)定指標(biāo)，選擇多維度的分析方法，綜合多種判別模型，建立專(zhuān)屬中國(guó)海南咖啡的產(chǎn)地溯源判別體系。

4""結(jié)論

本研究借助電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)對(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)外中?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)的68份咖啡商品豆的13種礦質(zhì)元素（K、Mg、Ca、Cu、Fe、Ba、Co、Mo、Ni、Zn、Se、Cd、As）含量進(jìn)行了定量測(cè)定，通過(guò)顯著性分析和相關(guān)性分析等方法解析了不同產(chǎn)區(qū)中?？Х壬唐范沟牡V質(zhì)元素指紋特征，利用PCA分析、OPLS-DA分析和聚類(lèi)分析對(duì)中國(guó)海南和國(guó)外中?？Х壬唐范沟漠a(chǎn)地進(jìn)行分類(lèi)，并利用LDA分析建立了不同產(chǎn)區(qū)中粒咖啡商品豆的產(chǎn)地溯源判別模型。結(jié)果表明，我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)和國(guó)外產(chǎn)區(qū)咖啡商品豆中的As、Ca、Fe、K和Zn含量存在顯著性差異；利用PCA分析不能將我國(guó)海南產(chǎn)區(qū)和國(guó)外產(chǎn)區(qū)的咖啡商品豆有效地分離開(kāi)來(lái)，而OPLS-DA依據(jù)5種元素的組成特征將咖啡樣品分成中國(guó)海南和國(guó)外2組；利用As、K、Ca含量建立的線性判別模型可以將中國(guó)海南和國(guó)外的中粒咖啡商品豆進(jìn)行區(qū)分，交叉驗(yàn)證和回代驗(yàn)證的正確判別率分別是92.3%和96.2%；聚類(lèi)分析的產(chǎn)地判別準(zhǔn)確率為89.7%。本研究基于礦質(zhì)元素指紋特征建立的中?？Х犬a(chǎn)地溯源鑒別模型可為中國(guó)海南咖啡的品牌保護(hù)提供參考依據(jù)。

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