羅 欽，呂 軍，黃銳敏，毛方華

(1.福建省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所/福建省農產品質量安全重點實驗室， 福建 福州 350003； 2.光澤縣農業(yè)農村局， 福建 南平 354100；3.福建省農業(yè)科學院， 福建 福州 350003)

茶葉是由茶樹的葉片或者嫩芽制成的一種產品，茶葉不僅口感獨特，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、維生素等對人體健康有益的有機成分，以及含有種類豐富的對人體健康有益的稀土元素和礦質元素等，對人體具有抗炎、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]，一直以來受到國內外生產者和消費者的熱捧。6000多年前，中國就出現了人工種植茶葉，中國是地球上最早種植、加工和消費茶葉的國家，也是全球最大的茶葉生產國、消費國和貿易國。據報道，2019年我國干毛茶產量與總產值分別達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茶葉生產的前8名，綠茶、紅茶、烏龍茶和白茶等茶類依次為我國消費量的前4名[6]。茶葉作為是我國重要的特色農作物和重要的對外貿易農產品，具有不可或缺的社會經濟效益。但是許多不同品種、產地和品牌茶葉產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，茶葉市場容易出現假冒偽劣茶葉產品造成市場上售價及銷量差異均非常大。假冒偽劣摻雜欺詐行為不僅會給消費者帶來選擇的困擾、對產品質量安全和真實性的擔憂、損害消費者的利益、甚至影響消費者健康，而且也影響茶葉市場良性可持續(xù)發(fā)展、正規(guī)企業(yè)利益在不公平的競爭中受到侵害、對整體行業(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品，保護消費者的利益，維護茶葉市場良好發(fā)展秩序，建立高效、快速、準確、可靠的茶葉產地溯源技術用于茶葉的打假鑒別勢在必行。

目前，眾多科研工作者在茶葉產地溯源及真實性鑒別中進行了稀土元素、礦質元素、DNA分析、穩(wěn)定同位素分析和代謝組學分析等化學分析技術的研究與應用。為了進一步推廣普及和逐步完善某一茶葉產地溯源技術，促進茶葉產業(yè)核心競爭力提升，本研究總結了稀土元素指紋分析技術在我國茶葉產地溯源技術中的研究情況和最新進展，以中國知網(CNKI)據庫、萬方數據庫和美國化學學會電子期刊全文數據庫為數據來源，檢索關鍵詞為稀土元素、茶，并加上產地溯源、產地識別、真假鑒別或真假識別進行文獻檢索、查閱和統(tǒng)計，結果可知1999-2021年在20種國內外期刊上刊載了關于稀土元素在我國茶葉產地溯源技術方面的研究論文，中文期刊有19個，外文期刊有1個，刊載論文數量最多的期刊是《食品安全質量檢測學報》，《茶葉科學》、《食品科學》、《西南大學》、《現代食品科技》和《中國科學院大學》并列第2名；從1999年到2018年研究論文的數量基本呈增長的趨勢，2018年刊載論文數量最多達到5篇，但隨后到2021年數量快速下降為1篇。研究論文主要開展了稀土元素指紋分析技術及其與其他化學成分聯(lián)用分析技術，其論文占比分別為65%和35%。

1 采用稀土元素進行茶葉產地溯源的原理

根據化學元素周期表可知，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)和與鑭系密切相關元素(Sc、Y)。自然界中呈現稀土元素會同時出現、原子序數越高的稀土元素含量越低、原子序數是偶數的比奇數的元素含量高等規(guī)律，但是Pm(钷)除外，因為Pm是經人工從鈾裂變產生的一種具有放射性的稀土元素，而且尚未發(fā)現存在于自然界中，所以目前在產地溯源方面的研究一般只檢測另外16種稀土元素[8-10]。檢測稀土元素一般采用電感耦合等離子體質譜法(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，根據質荷比(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，經檢測器接轉換成電信號后得到檢測結果[11-13]，其具有操作簡便、精密度高、靈敏度高、檢出限低、基質干擾少、樣品用量少、分析速度快、線性范圍寬、多元素同時分析等優(yōu)點[14]。經檢測在自然界中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象和自東向西呈降低的態(tài)勢[15-16]。

稀土元素具有4f層電子排布的化學性質[17]，在自然界中常呈現穩(wěn)定的正三價離子，其原子結構相似而且離子半徑相近、化學性質穩(wěn)定而且非常相似、溶解度低而且均一化程度高、不易遷移和受變質作用的干擾、一經“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性能，常作為地球化學行為的示蹤指示劑，其存在形態(tài)和分配模式可以提供物質來源的信息[22-23]，因此常被作為一種重要的農副產品產地溯源方法。

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、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性[24]，茶樹對土壤中的稀土元素會選擇性地吸收并且會富集土壤中有效輕稀土元素[25-30]，雖然茶葉 對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穩(wěn)定的，因而不同地區(qū)所生產的茶葉中稀土元素的含量會產生特征差異，這些特征差異可以追溯到茶葉生長的土壤背景[33]，所以稀土元素是茶葉產地溯源的理想元素。這些研究表明基于稀土元素指紋分析技術溯源茶葉產地是可行的，研究文獻見表1。

表1 基于稀土元素指紋分析溯源我國茶葉產地的文獻情況

續(xù)表2

2 稀土元素指紋分析技術在我國茶葉產地溯源研究中的應用

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

表2 基于稀土元素指紋分析技術在我國茶葉產地溯源中的應用

從表2可知，在應用稀土元素指紋分析技術進行茶葉產地溯源的研究中，稀土元素的組成與含量均采用ICP-MS進行檢測，研究內容主要是判別不同產地，也出現了個別研究是判別不同品種。在產地方面，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網絡分析法，主要采用逐步線性判別分析法；判別準確率(交叉驗證正確判別率)為66.7%～100%。在品種方面，林昕等[40]采用ICP-MS檢測云南省生產的臺地茶、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，其品種判別準確率為91.65%。能夠區(qū)分不同產地或者不同品種的茶葉。

通過ICP-MS檢測稀土元素開展茶葉產地溯源技術研究具有檢測指標少、多元素同時檢測速度快和痕量準確性高等優(yōu)點，國內外學者應用該技術已經開發(fā)了一些茶葉產品的識別法，但是品種(4類)和產地(7個省)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致茶葉在生長加工等過程中稀土元素遷移的變化規(guī)律，對茶葉取樣信息和分類需要進行更深入全面的探討，為后期檢測和建立科學準確的判別模型奠定基礎；通過栽培試驗，探究不同產地/品種茶葉稀土元素含量產生差異的主要原因，建立不易受到生育環(huán)境變化影響的產地識別技術也是非常重要的，但是構建識別技術時所需要的樣品，從所有產地采集茶葉品種是不現實的，所以想保證產地識別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數據庫和篩選出最優(yōu)的判別模型，以提取出具有顯著差異的特征地域因子進而提高最終識別率。

3 稀土元素指紋與其他化學成分聯(lián)用分析技術在我國茶葉產地溯源中的應用

單獨使用稀土元素進行茶葉產地溯源已取得不少研究成果，但是由于產地溯源該領域的研究要求的精確度較高，單一方法存在的局限性會影響溯源的準確性，因此多技術或多參數聯(lián)用逐漸成為近年來的研究熱點，稀土元素指紋與其他化學成分聯(lián)用分析技術在我國茶葉產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成分聯(lián)用進行我國茶葉產地溯源的研究中，主要是開展稀土元素與其他非稀土元素的礦質元素進行聯(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進行檢測，部分研究的非稀土元素由于含量比較高而采用ICP-AES進行檢測；研究內容主要是判別不同產地的茶葉，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 人工神經網絡算法、Fisher判別分析法，主要采用逐步線性判別分析法；判別準確率(交叉驗證正確判別率)為58.33%～96.61%。方法聯(lián)用能夠區(qū)分不同產地的茶葉。

表3 基于稀土元素指紋與其他化學成分聯(lián)用分析技術在我國茶葉產地溯源中的應用

茶樹生長的不同地域土壤、所處的地理環(huán)境以及栽培措施都會影響茶葉的元素組成，但是隨著肥料流通的范圍擴大、供應地區(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地溯源的準確性與可靠性，結合同位素技術則可有效解決這個問題，并能提高其產地溯源識別率，但是目前稀土元素與多種礦質元素結合同位素等手段聯(lián)用技術在茶葉產地溯源領域的研究較為鮮見，該領域的研究較為可期；目前使用元素組成進行產地識別的技術是基于各產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生的，但是關于解釋為什么產生這種情況的研究還沒怎么展開，元素濃度發(fā)生變化會對產地識別產生多大影響也還沒怎么展開；根據元素組成而進行的茶葉識別技術，通常會使用ICP-MS或是ICP-AES一次性獲得多元素數據，但是需要對數據的正確性進行認證標準物質或者加標回收實驗等方式的確認，同時還存在儀器設備昂貴、涉及使用危險性酸、前處理復雜耗時以及實驗操作需要一定熟練度等問題，因此開發(fā)簡單、快速以及可信度更高的元素產地識別法也備期待；元素分為容易顯現地域性的元素和不容易顯現地域性的元素，元素的選擇性越多，產地識別成功的可能性就越大，因此在經費和試驗條件允許的情況下，進一步優(yōu)化檢測方法，盡量將所有元素一起測量也是十分重要的。

4 展望

稀土元素常作為地球化學行為的示蹤指示劑，是茶葉產地溯源的理想元素。雖然應用稀土元素指紋分析技術開展茶葉產地溯源的研究起步晚，但是發(fā)展迅速。當然也存在一定的不足，縱觀整個產地溯源技術全過程，其判別準確性是否科學準確核心包括3部分，即樣品來源要準確、檢測項目要全面、判別模型識別率要高。

首先，針對樣品來源方面，眾多研究的茶葉樣品多為市場隨機采集的商品茶或者企業(yè)已經加工成型的商品茶，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行研究，雖然保證了產地和品種真實性，但是由于沒有進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相對比較穩(wěn)定但受此影響是否會造成稀土元素含量發(fā)生變化以及變化量是否會影響模型構建，這些都為后期建立判別模型的準確性打下了一個巨大的問號。同時，茶葉樣品取樣量往往一組就需要20個以上，且產地至少要3個以上，取樣時間和資金等成本都過高，因此如何建立一個適用于產地溯源的茶葉標準品庫是一項可期的研究課題。

其次，針對檢測項目方面，對于稀土元素指紋分析技術，目前大部分研究已經做到16項稀土元素全檢測的要求，但是由于茶葉產地和品種較多，而目前樣品量覆蓋面太小，還很難總結出因稀土元素在茶葉中的組成和含量受產地土壤、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地溯源規(guī)律；而對于稀土元素與其他化學成分聯(lián)用分析技術，則還存在礦質元素、同位素、有機成分等檢測項目不全的問題，當然在充分考慮鑒別時間和經濟成本等方面的情況下，目前如何建立一個全面的茶葉稀土元素特征數據庫也是一項可期的研究課題。

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