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 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025）

貴州地理條件優(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)點逐漸進軍國際市場。面對名優(yōu)特色與產(chǎn)地地理標志相結(jié)合所帶來的巨大品牌效益，相關(guān)法規(guī)和標準認證需持續(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優(yōu)質(zhì)茶品牌的價值。

近年來，國內(nèi)外學者主要依托多礦物元素指紋、稀土元素指紋、穩(wěn)定同位素、有機成分等技術(shù)進行產(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紫菜進行產(chǎn)地溯源，樣品判別準確率達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，目前未得到驗證。因此，本文以貴州省普安縣、都勻市和黎平縣三個茶葉產(chǎn)區(qū)的73件茶葉樣品為研究對象，對樣品中的10種稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Tm）進行測定分析，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茶葉產(chǎn)區(qū)（圖1）的73件嫩葉茶樣品作為研究對象。其中普安縣18份，都勻市27份，黎平縣28份。在測試的16種稀土元素中，選取檢測值均高于方法檢測限（LOD）的10種稀土元素（Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、Tm）進行產(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，用恒溫鼓風干燥箱（60℃）烘干至恒重，采用植物樣粉碎機磨細，過200目尼龍篩，裝入聚乙烯密封袋中保存，供測試用。

1.3 茶葉稀土元素含量測定

茶葉樣品稀土元素含量分析測試交由澳實分析檢測（廣州）有限公司完成。過程如下：準確稱取過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，充分分解有機物質(zhì)，再置于通風櫥中，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）綜合檢測分析，矯正元素間的光譜干擾后，測定三地區(qū)茶葉樣品中的稀土元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel2003、SPSS25.0、SIMAC-P13.0、Origin9.0等軟件對測試數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和圖形繪制，采用Coreldraw14.0軟件對繪制圖形進一步加工。在溯源模型建立的過程中所應用的化學計量學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±標準偏差列于表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的平均含量在三個地區(qū)之間存在顯著性差異（P＜0.01或P＜0.001）。進一步對存在顯著差異的6個稀土元素進行鄧肯多重比較分析（P＜0.05），結(jié)果表明三個地區(qū)茶葉均具有各自獨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個茶葉樣品×10個變量（稀土元素），結(jié)果顯示，基于特征值＞1的原則，提取兩個主成分（PC1和PC2），其對總方差的解釋能力達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)。三個地區(qū)茶葉樣品在PC1和PC2上的二維得分散點圖重疊現(xiàn)象嚴重，不能很好的互相區(qū)分(圖2B)，故進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）前兩個主成分的10種稀土元素載荷(A)和得分二維散點圖(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個變量指標（La、Gd、Ho和Tm），該模型對三地區(qū)共73件茶葉樣品的正確識別能力為86.3%。模型建立的未標準化典型判別函數(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。

為獲得該模型的預測能力，執(zhí)行留一法交叉驗證，結(jié)果顯示該模型獲得82.2%的預測能力。根據(jù)兩個判別函數(shù)的得分繪制二維散點圖（圖3），結(jié)果顯示三個地區(qū)的茶葉樣品各自具有較好的聚集趨勢，說明基于茶葉的10個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

進一步采用正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）進行分析建模。輸入變量X為10種稀土元素含量、變量Y為3個茶葉主產(chǎn)區(qū)，觀測對象為三個地區(qū)的茶葉樣品。模型參數(shù)Rx2=0.931和Ry2=0.491，表明四個主成分分別對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，對判別樣品產(chǎn)地來源起到重要作用。其中，La是三個茶區(qū)產(chǎn)地來源示蹤研究中的最重要的參數(shù)指標。

3 結(jié)論

經(jīng)元素篩選，通過對貴州省三個茶葉產(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是三個茶區(qū)產(chǎn)地來源示蹤研究中的最重要的參數(shù)指標。總體而言，稀土元素指紋分析技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計分析方法對于貴州茶葉產(chǎn)地溯源行之有效。