基于稀土元素含量江西茶葉產地特征分析與溯源判別

徐芝亮，章新泉

（江西省檢驗檢測認證總院檢測認證技術發展研究院，江西南昌 330000）

作為稀土大省，江西茶葉中的稀土含量，引起人們的廣泛關注。茶葉在江西種植歷史悠久，形成了遂川狗牯腦茶、婺源綠茶、廬山云霧茶、浮梁茶、寧紅茶等“四綠一紅”5 個重點品牌。到2022 年，全省茶園面積穩定在180 萬畝左右，茶葉總產量到15 萬噸以上，總產值突破150 億元[1]。適量的稀土含量能對作物具有增加產量、增強抗逆性和抗病性的作用[2-3]，在臨床上具有消炎殺菌、抗腫瘤、抗動脈硬化等藥效[4-6]。但過量的稀土積蓄，會引起大腦損傷，誘發骨質疏松[7-8]，引起血液成分變化等多種中毒現象[9-10]。因此，國家標準（GB 2762-2005）《食品中污染物限量》對各類食品中稀土含量做了嚴格的規定，其中茶葉中稀土氧化物的含量≤2.0 mg·kg-1。對江西茶葉中的稀土含量進行調查研究，摸清茶葉中稀土含量是否超標，以消除人們對江西茶葉稀土超標的擔憂有著重要意義。

茶葉中的稀土元素主要來源于茶園土壤、肥料和大氣沉降等，且葉片生長周期越長，積累的稀土也越多[9]。茶葉因種類和產區等的不同，稀土元素含量及種類也會不盡相同，因此常被廣泛運用在六堡茶[11]、大米[12]、茶葉[13-15]、扁形茶[16]、大桃[17]、紫菜[18]、綠茶[19-20]等產品的產地溯源中。江西茶葉歷來備受人們青睞，在茶葉市場上，常常出現以普通茶葉假冒名牌茶葉的情況，特別是以非原產地茶葉假冒原產地茶葉的情況，嚴重影響了江西名牌茶葉的信譽，因此需要研發產地溯源與鑒別的方法以保護江西茶葉產地品牌。通過對原產地產品中多種元素含量進行測定，形成特異指紋圖譜，并運用主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）等方法對不同產地的產品進行判別分析，對地龍[21]、葡萄酒[22-23]、櫻桃[24]、半夏[25]、大米[26]、咖啡[27]、桃[28]、人參[29]、金槍魚[30]、蘋果[31]等產品都能較好的進行產地溯源。而對江西茶葉中稀土元素含量特征調查并運用稀土元素特異性指紋圖譜進行產地溯源研究較少。

本研究采用微波消解-電感耦合等離子體串聯質譜（ICP-MS/MS）法測定了采自遂川、廬山、婺源縣茶葉中的15 種稀土元素，并采用SPSS 統計軟件進行主成分分析法和判別分析法建立產地溯源模型，以期為江西茶葉的質量安全控制和產地判別提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗樣品 采集江西贛東北代表婺源縣，贛西北代表廬山縣，贛中南代表遂川縣三大優勢產區的茶葉樣品138 份樣品，其中婺源縣（46 個），廬山縣（50 個）遂川縣（42 個）；驗證樣品 3 份采集遂川縣茶葉和3 份市場購買的安吉白茶；稀土元素混合溶液標準物質（BWB 2462-2016）100 μg·mL-1北京北方偉業計量技術研究院；調諧溶液：ICP-MS/MS 儲備調諧溶液（Ce、Co、Li、Mg、Tl、Y）10 mg/L、ICP-MS/MS儲備混合內標溶液（Bi、Ge、In、Li、Lu、Rh、Sc、Tb）10 mg·L-1美國安捷倫有限公司；硝酸、雙氧水優級純，上海國藥化學試劑有限公司。

Agilent 8800 三重串聯電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS/MS）配置x 型透鏡系統 美國安捷倫有限公司；Milli-Q 超純水系統 美國Milli 公司；CEM（Mars 6 Classic）微波消解儀 美國CEM 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 將實驗樣品與驗證樣品于60 ℃烘箱中烘4 h，碾碎，裝入密封袋備用。準確稱取0.50 g（精確到0.1 mg）茶葉樣品于聚四氟乙烯消解罐中，每隔5 個樣品稱取一份平行樣品，每隔10 個樣品做一個加標回收樣品，加入5 mL 酸和1 mL 雙氧水，蓋上蓋子浸泡過夜，第2 d 在微波消解儀中100 ℃保持5 min，150 ℃保持5 min，180 ℃保持30 min 進行消解，消解完后在150 ℃消解爐上趕酸至約1 mL，用水將樣品轉移定容到25 mL 容量瓶中，待測。

1.2.2 儀器參數 通過前期預實驗優化，獲得了以下參數（表1），用于測定，并根據反應池選擇的反應氣體，相應的選擇同一質量數模式（SQ）或者是雙質量數模式（MS/MS）。

表1 ICP-MS/MS 參數Table 1 Parameters of ICP-MS/MS for each gas mode

1.2.3 REE 含量測量 用1%稀硝酸將稀土混合標準準備液（100 μg.mL-1，含15 種稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y）逐級稀釋為1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 μg/L，按照表1 設定電感耦合等離子體串聯質譜儀（ICPMS/MS）的儀器參數，在He 碰撞模式下測定La、Ce、Pr、Nd、Sm、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y；在加氧模式下測定Eu、Gd、Tb，通過采集空白溶液（1%HNO3）和標準溶液系列，內標通過內標管在線引入質譜儀，由儀器自動繪制標準曲線。

1.3 數據處理

運用SPSS 26.0 軟件對原始數據進行標準化。將原始數據減去該變量的平均數，然后除以該變量的標準差。以消除原始數據間的量綱影響，使數據更具可比性。并且采用SPSS 26.0 軟件對3 個縣的茶葉中的稀土元素進行主成分分析，并在主成分分析的基礎上建立判別模型。

2 結果與分析

2.1 樣品稀土元素的測定結果分析

通過實驗得到15 種稀土元素測定標準曲線，相關系數都大于0.999；通過加標回收驗證，得到樣品加標回收率為98.85%～104.18%，相對標準偏差（RSD）為0.12%～2.65%，說明此實驗方法完全滿足實驗要求。138 個茶葉樣品的測定結果如表1 所示，結果表明，3 個產地的茶葉稀土氧化物的總量在0.44～1.57 mg·kg-1，均未超出國家標準GB 2762-2012。遂川縣茶葉樣品總稀土含量為3 縣最高，達1.31 mg·kg-1，其中以La、Y、Dy 為主，占92.05%，輕稀土元素（LREE）與重稀土元素（HREE）各占一半；廬山縣茶葉樣品中稀土以重稀土元素（HREE）為主，占95.58%，包括Y 66.02%、Tm 12.68%、Dy 6.48%、Er 6.38%；婺源縣茶葉樣品中稀土以重稀土元素（HREE）為主，占95.27%，包括Y 62.13%、Tm 11.53%、Dy 8.44%、Er 6.31%，其中輕稀土元素（LREE）Eu 占總稀土含量的6.63%為3 縣最高。

2.2 主成分分析

以表2 中15 種稀土元素原始數據為自變量，將不同產地的茶葉的檢測結果進行主成分分析。

表2 3 個縣的茶葉樣品中15 種稀土元素含量和組成比例Table 2 Content and composition pf 15 rare earth elements in tea samples from three counties

2.2.1 適應性檢驗 確定數據是否適合進行主成分分析的常用檢驗方法是巴特利特（Bartlett）球形度檢驗和（kaiser-Meyer-Olkin）KMO 取樣適合度檢驗，用來判斷原始變量之間的相關性，即只有原始變量之間有重疊的信息，才能提取這幾個變量之間的公因子進行主成分分析。

由表3 可知，KMO 取樣適切性量數結果為0.956＞0.5，可以看出不同產地的茶葉中各指標之間的信息重疊程度較高，能夠進行主成分分析，巴特利特球形度檢驗的顯著性為0.000＜0.05，球形假設被拒絕，也說明各變量之間的存在相關性可以進行主成分分析。

表3 KMO 和巴特利特檢驗結果Table 3 Results of KMO and Bartlett tests

2.2.2 主成分方差貢獻率 本研究以138 個茶葉中15 種稀土元素含量構建138×15 的矩陣，原來的15 個指標變量，通過正交變化產生了15 個新變量，每個新變量可以解釋的原始變量的總方差比例不同，但是所有解釋的比例之和為100%。

利用SPSS 軟件進行主成分分析，以提取特征值＞0.5，得到結果如表4 所示，提取了3 個主成分，解釋90.662%的總方差，它們代表了大部分指標在不同產地的茶葉中的原始信息。前面陡峭的部分特征值大，包含的信息多，后面平坦的部分特征值小，包含的信息小。由圖1 碎石圖也可以直觀的看出，成分1、2 和3 包含了大部分信息，從4 開始進入平臺。

圖1 3 個縣茶葉主成分碎石圖Fig.1 Scree plot of tea principal component analysis in three counties

表4 主成分方差貢獻率Table 4 Variance contribution rate of principal components

2.2.3 各個指標在每個主成分中的得分系數 利用SPSS 軟件進行主成分分析，以提取特征值＞0.5，可以得到3 個主成分，15 種稀土在3 個主成分中的得分系數也不同，可以從表5 中明顯得出，第一個主成分主要是由La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Y 原始指標變量組成，第二個主成分主要是由Pr、Nd、Sm、Tm 原始指標變量組成，第三個主成分主要是由Er 原始指標變量組成。

表5 主成分與原始指標變量的相關系數Table 5 Correlation coefficients between principal components and original index variables

將茶葉樣品的15 個原始指標分別記作X1～X15，3 個主成分分別記作F1～F3。根據表5 各個指標在每個主成分中的得分系數，得到3 個主成分的數學模型分別為：

F1=0.082X1+0.072X2+0.073X3+0.077X4+0.052X5-0.08X6+0.078X7+0.068X8+0.077X9+0.08X10+0.06X11-0.078X12+0.077X13+0.076X14+0.078X15；

F2=-0.055X1-0.295X2+0.36X3+0.286X4+0.699X5+0.062X6+0.104X7-0.058X8-0.217X9-0.1X10+0.182X11+0.229X12-0.271X13-0.17X14+0.091X15；

F3=0.012X1-0.232X2+0.002X3-0.046X4-0.546X5-0.003X6+0.097X7-0.236X8-0.071X9-0.031X10+1.185X11+0.087X12-0.073X13-0.089X14+0.151X15。

將原始指標標準化后的結果帶入上述數學模型，可以得到每個樣品的3 個主成分結果，結果見表6。

表6 各指標在每個主成分中的得分系數Table 6 Score coefficients of each index in each principal component

2.2.4 主成分相關性分析 3 個主成分方差貢獻率為90.662%，以F1、F2、F3 為X、Y、Z 坐標，建立每個樣品的三維圖，結果見圖2。

圖2 3 種主成分三維分布圖Fig.2 3D distribution figure of 3 principal components

由圖2 可知，同一產地的茶葉樣品存在很好的聚合性，不同產地的茶葉樣品之間能夠完全分開；同時看出，遂川茶葉主成分F3 離其他兩個產地較遠，說明Er 成為區別遂川茶葉和其他兩個產地的主要原始指標；廬山、婺源兩個產地的主成分F2 相差較遠，說明第Pr、Nd、Sm、Tm 成為區別兩地主要原始指標。

2.3 判別分析

2.3.1 共線性診斷 為了確定能否利用主成分F1、F2、F3 為原始變量，進行判別分析，首先需要對對數據進行共線性診斷，結果如表7，共線性統計VIF 值1.00＜5.00，說明可以進行判別分析。

表7 共線性診斷結果Table 7 Result of collinearity diagnostics

2.3.2 典型判別函數 以主成分F1、F2、F3 為原始變量，用SPSS 26.0 進行判別分析，得到2 個典型判別函數，結果見表8。

表8 典型判別函數系數Table 8 Function coefficients of typical discriminant

根據2 個判別函數和組質心所在坐標函數，計算每個茶葉樣品的坐標與質心的距離，與哪個產地的質心最近，見表9 和圖3，可知廬山樣本集中在散點圖的左上方，婺源樣本集中在散點圖的右上方，而廬山樣本集中在其他兩地中下方；從圖中可以明顯看出三地樣本被很好的分離。

圖3 典型判別散點圖Fig.3 Scatter plot of typical discriminant

表9 組質心處的函數系數Table 9 Function coefficients of the centroid

利用函數1 和函數2 對組質心和樣品做散點圖，結果見圖3。

2.3.3 判別分類結果 利用判別函數對138 個樣品進行判別分類，并進行回代檢驗和交叉驗證。結果見表10，回代檢驗正確判別率為100%，交叉檢驗判別率為99.3%，除廬山樣本的交叉驗證為98%，其他產地的回代檢驗和交叉驗證判別率均是100%。

表10 判別分類結果Table 10 Results of discriminant classification

2.4 判別分類結果驗證

為了進一步驗證能否使用上述判別函數進行產地正確溯源，本研究重新測定了3 個遂川（SC）的茶葉樣品和3 個市場購買的安吉白茶，并將這個6 個樣品假定為未知地產的樣品。把6 個驗證樣品的測定結果標準化后，將結果帶入主成分分析數學模型，可以得到每個樣品的3 個主成分結果。利用上述的判別函數模型進行樣品產地溯源驗證。由表11 可知，利用上述模型，138 個茶葉樣品的產地被全部100%正確溯源；表格的未分組個案的6 個未知樣品前3 個被判定為來自產地遂川（SC），后3 個被判定為未分組，判別結果正確。

表11 判別分類驗證結果Table 11 Results of discriminant classification test

3 結論

茶葉生長環境的氣候、水質、土壤性質、微生物種群及加工方式等不同會導致不同產地茶葉中稀土元素的種類和含量差異。本實驗用電感耦合等離子體串聯質譜（ICP-MS/MS）測定了138 個來自婺源縣（46 個）廬山縣（50 個）婺源縣（42 個）的茶葉中的15 種稀土元素，并利用SPSS 26.0 進行主成分和判別分析。實驗發現3 個產地茶葉中稀土氧化物的總量在0.44～1.57 mg·kg-1，均未超出國家標準GB 2762-2012 的限量；茶葉中總稀土含量：遂川縣＞廬山縣＞婺源縣。利用主成分分析，以提取特征值＞0.5，共提取3 個主成分，累計方差貢獻率達到90.66%，建立2 個典型判別函數，通過回代檢驗，完全可以實現對抽取的不同產地的茶葉進行100%正確判別，交叉驗證正確率為99.3%。研究表明，不同產地的稀土元素含量可為江西茶葉的產地溯源提供一個新方法，為今后江西各種知名茶葉品牌的原產地保護提供鑒定基礎。