罗 钦，吕 军，黄锐敏，毛方华

(1.福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/福建省农产品质量安全重点实验室， 福建 福州 350003； 2.光泽县农业农村局， 福建 南平 354100；3.福建省农业科学院， 福建 福州 350003)

茶叶是由茶树的叶片或者嫩芽制成的一种产品，茶叶不仅口感独特，而且富含茶多酚、茶氨酸、茶皂苷、茶多糖、儿茶素、植物碱、咖啡碱、维生素等对人体健康有益的有机成分，以及含有种类丰富的对人体健康有益的稀土元素和矿质元素等，对人体具有抗炎、杀菌、解毒、利尿、减肥、抗氧化、抗肿瘤、降血压、降血糖、降血脂和消除疲劳等保健功效与药效[1-5]，一直以来受到国内外生产者和消费者的热捧。6000多年前，中国就出现了人工种植茶叶，中国是地球上最早种植、加工和消费茶叶的国家，也是全球最大的茶叶生产国、消费国和贸易国。据报道，2019年我国干毛茶产量与总产值分别达279.34万t和2 396亿元，福建、浙江、云南、贵州、河南、四川、安徽、广西等地依次为我国茶叶生产的前8名，绿茶、红茶、乌龙茶和白茶等茶类依次为我国消费量的前4名[6]。茶叶作为是我国重要的特色农作物和重要的对外贸易农产品，具有不可或缺的社会经济效益。但是许多不同品种、产地和品牌茶叶产品的加工工艺是一致的，外形看上去也是一样的，而且通常茶叶产地与品种名称往往是商品茶的代名词，因而为了牟取暴利，茶叶市场容易出现假冒伪劣茶叶产品造成市场上售价及销量差异均非常大。假冒伪劣掺杂欺诈行为不仅会给消费者带来选择的困扰、对产品质量安全和真实性的担忧、损害消费者的利益、甚至影响消费者健康，而且也影响茶叶市场良性可持续发展、正规企业利益在不公平的竞争中受到侵害、对整体行业造成不可挽回的损害[7]。为了能有效打击伪劣假冒茶叶产品，保护消费者的利益，维护茶叶市场良好发展秩序，建立高效、快速、准确、可靠的茶叶产地溯源技术用于茶叶的打假鉴别势在必行。

目前，众多科研工作者在茶叶产地溯源及真实性鉴别中进行了稀土元素、矿质元素、DNA分析、稳定同位素分析和代谢组学分析等化学分析技术的研究与应用。为了进一步推广普及和逐步完善某一茶叶产地溯源技术，促进茶叶产业核心竞争力提升，本研究总结了稀土元素指纹分析技术在我国茶叶产地溯源技术中的研究情况和最新进展，以中国知网(CNKI)据库、万方数据库和美国化学学会电子期刊全文数据库为数据来源，检索关键词为稀土元素、茶，并加上产地溯源、产地识别、真假鉴别或真假识别进行文献检索、查阅和统计，结果可知1999-2021年在20种国内外期刊上刊载了关于稀土元素在我国茶叶产地溯源技术方面的研究论文，中文期刊有19个，外文期刊有1个，刊载论文数量最多的期刊是《食品安全质量检测学报》，《茶叶科学》、《食品科学》、《西南大学》、《现代食品科技》和《中国科学院大学》并列第2名；从1999年到2018年研究论文的数量基本呈增长的趋势，2018年刊载论文数量最多达到5篇，但随后到2021年数量快速下降为1篇。研究论文主要开展了稀土元素指纹分析技术及其与其他化学成分联用分析技术，其论文占比分别为65%和35%。

1 采用稀土元素进行茶叶产地溯源的原理

根据化学元素周期表可知，稀土元素包括La(镧)、Ce(铈)、Pr(镨)、Nd(钕)、Pm(钷)、Sm(钐)、Eu(铕)、Gd(钆)、Tb(铽)、Dy(镝)、Ho(钬)、Er(铒)、Tm(铥)、Yb(镱)、Lu(镥)、Sc(钪)和Y(钇)等17种元素。稀土元素一般分成轻稀土元素(La～ Eu)、重稀土元素(Gd～Lu)和与镧系密切相关元素(Sc、Y)。自然界中呈现稀土元素会同时出现、原子序数越高的稀土元素含量越低、原子序数是偶数的比奇数的元素含量高等规律，但是Pm(钷)除外，因为Pm是经人工从铀裂变产生的一种具有放射性的稀土元素，而且尚未发现存在于自然界中，所以目前在产地溯源方面的研究一般只检测另外16种稀土元素[8-10]。检测稀土元素一般采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)，ICP-MS是利用高温电感耦合等离子体将样品的原子或分子离子化为带电离子，根据质荷比(m/z)把相同的离子聚在一起，把不相同的分开，并且按照大小顺序排列组成离子流，经检测器接转换成电信号后得到检测结果[11-13]，其具有操作简便、精密度高、灵敏度高、检出限低、基质干扰少、样品用量少、分析速度快、线性范围宽、多元素同时分析等优点[14]。经检测在自然界中La、Ce、Pr、Nd和Sm等5种元素的含量占稀土元素总含量的80%以上，我国土壤稀土元素总含量一般为100～200 mg·kg-1，而且在深、浅层土壤中变化不大(分别为180、174 μg·g-1)且分布极为相似，但是存在南高北低的现象和自东向西呈降低的态势[15-16]。

稀土元素具有4f层电子排布的化学性质[17]，在自然界中常呈现稳定的正三价离子，其原子结构相似而且离子半径相近、化学性质稳定而且非常相似、溶解度低而且均一化程度高、不易迁移和受变质作用的干扰、一经“记录”便容易被保存下来[18-21]，稀土元素具有的这些特殊地球化学性能，常作为地球化学行为的示踪指示剂，其存在形态和分配模式可以提供物质来源的信息[22-23]，因此常被作为一种重要的农副产品产地溯源方法。

茶叶中稀土元素的组成和含量与茶园土壤中稀土元素的分布与含量关系密切，茶叶中稀土元素的组成与茶园土壤中稀土元素的分布模式基本相同，不同地区土壤中稀土元素分布模式因受成土母质、土壤类型和气候环境等因素影响而不同，因而不同地区所生产的茶叶中稀土元素具有特定的分布特征；茶叶与土壤中稀土元素的含量明显呈正相关性[24]，茶树对土壤中的稀土元素会选择性地吸收并且会富集土壤中有效轻稀土元素[25-30]，虽然茶叶 对稀土元素吸收量极少(0.007 2～20.74 mg·kg-1[26,31-32])，但是稀土元素在茶叶中是相对稳定的，因而不同地区所生产的茶叶中稀土元素的含量会产生特征差异，这些特征差异可以追溯到茶叶生长的土壤背景[33]，所以稀土元素是茶叶产地溯源的理想元素。这些研究表明基于稀土元素指纹分析技术溯源茶叶产地是可行的，研究文献见表1。

表1 基于稀土元素指纹分析溯源我国茶叶产地的文献情况

续表2

2 稀土元素指纹分析技术在我国茶叶产地溯源研究中的应用

2010年以来国内外研究人员陆陆续续开展基于稀土元素指纹分析判别我国茶叶产地溯源方面的研究，且取得了一定的判别经验，见表2。

表2 基于稀土元素指纹分析技术在我国茶叶产地溯源中的应用

从表2可知，在应用稀土元素指纹分析技术进行茶叶产地溯源的研究中，稀土元素的组成与含量均采用ICP-MS进行检测，研究内容主要是判别不同产地，也出现了个别研究是判别不同品种。在产地方面，涉及的省份有云南省、山东省、四川省、浙江省、福建省、安徽省、贵州省、涉及品种有台地茶、古树茶、普洱茶等黑茶，扁形茶、扁茶、龙井茶、安集白等绿茶，铁观音茶等乌龙茶；筛选出的判别特征元素组成有La、Ce、Y、Pr和Nd[38](山东、四川、贵州、浙江4省的扁形茶)，Sc、Ce、Tb和Yb[39](福建省2地的铁观音茶)，Sc、Ce、La和Eu[40](云南省4地的台地茶和古树茶)；建立的判别模型方法包括主成分分析、偏最小二乘法、线性判别分析和神经网络分析法，主要采用逐步线性判别分析法；判别准确率(交叉验证正确判别率)为66.7%～100%。在品种方面，林昕等[40]采用ICP-MS检测云南省生产的台地茶、古树茶等黑茶中15种稀土元素，利用逐步线性判别分析法建立判别模型，其品种判别准确率为91.65%。能够区分不同产地或者不同品种的茶叶。

通过ICP-MS检测稀土元素开展茶叶产地溯源技术研究具有检测指标少、多元素同时检测速度快和痕量准确性高等优点，国内外学者应用该技术已经开发了一些茶叶产品的识别法，但是品种(4类)和产地(7个省)都还只局限于很少一部分，所以推广到更多的茶叶品种和产地很受期待；稀土元素在茶叶中的组成和含量受土壤、施肥、品种、树龄和采摘季节等诸多因素影响，需要充分考察多因素导致茶叶在生长加工等过程中稀土元素迁移的变化规律，对茶叶取样信息和分类需要进行更深入全面的探讨，为后期检测和建立科学准确的判别模型奠定基础；通过栽培试验，探究不同产地/品种茶叶稀土元素含量产生差异的主要原因，建立不易受到生育环境变化影响的产地识别技术也是非常重要的，但是构建识别技术时所需要的样品，从所有产地采集茶叶品种是不现实的，所以想保证产地识别100%的正确率是非常困难的；由于筛选的特征稀土元素和构建的判别模型尚存许多缺陷，需要建立更加全面的茶叶稀土元素数据库和筛选出最优的判别模型，以提取出具有显著差异的特征地域因子进而提高最终识别率。

3 稀土元素指纹与其他化学成分联用分析技术在我国茶叶产地溯源中的应用

单独使用稀土元素进行茶叶产地溯源已取得不少研究成果，但是由于产地溯源该领域的研究要求的精确度较高，单一方法存在的局限性会影响溯源的准确性，因此多技术或多参数联用逐渐成为近年来的研究热点，稀土元素指纹与其他化学成分联用分析技术在我国茶叶产地溯源中的研究情况见表3。

从表3可知，在稀土元素指纹与其他化学成分联用进行我国茶叶产地溯源的研究中，主要是开展稀土元素与其他非稀土元素的矿质元素进行联用，这些稀土元素和非稀土元素的组成与含量主要采用ICP-MS进行检测，部分研究的非稀土元素由于含量比较高而采用ICP-AES进行检测；研究内容主要是判别不同产地的茶叶，涉及的省份有福建省、贵州省、云南省、广东省、浙江省和四川省，涉及品种有乌龙茶、绿茶、黑茶、白茶和红茶等；筛选出的判别特征元素组合有Co和Zn[43]，Sr和Nd[44]，La、Ce、Pr、Sm和Se[45]，Li、Be、Ni、Ga、Sn和Ba[46]；建立的判别模型方法包括主成分分析、聚类分析法、二元混合分析法、决策树C5.0 算法、TAN 贝叶斯算法、BP-ANN 人工神经网络算法、Fisher判别分析法，主要采用逐步线性判别分析法；判别准确率(交叉验证正确判别率)为58.33%～96.61%。方法联用能够区分不同产地的茶叶。

表3 基于稀土元素指纹与其他化学成分联用分析技术在我国茶叶产地溯源中的应用

茶树生长的不同地域土壤、所处的地理环境以及栽培措施都会影响茶叶的元素组成，但是随着肥料流通的范围扩大、供应地区跨度增大，通过施肥等人为的方式改变一些区域元素的分布特征，从而影响其作为茶叶产地溯源的准确性与可靠性，结合同位素技术则可有效解决这个问题，并能提高其产地溯源识别率，但是目前稀土元素与多种矿质元素结合同位素等手段联用技术在茶叶产地溯源领域的研究较为鲜见，该领域的研究较为可期；目前使用元素组成进行产地识别的技术是基于各产地茶叶样品中元素浓度差异开发的，元素浓度的差异是由水、土壤、肥料、品种等因素不同而产生的，但是关于解释为什么产生这种情况的研究还没怎么展开，元素浓度发生变化会对产地识别产生多大影响也还没怎么展开；根据元素组成而进行的茶叶识别技术，通常会使用ICP-MS或是ICP-AES一次性获得多元素数据，但是需要对数据的正确性进行认证标准物质或者加标回收实验等方式的确认，同时还存在仪器设备昂贵、涉及使用危险性酸、前处理复杂耗时以及实验操作需要一定熟练度等问题，因此开发简单、快速以及可信度更高的元素产地识别法也备期待；元素分为容易显现地域性的元素和不容易显现地域性的元素，元素的选择性越多，产地识别成功的可能性就越大，因此在经费和试验条件允许的情况下，进一步优化检测方法，尽量将所有元素一起测量也是十分重要的。

4 展望

稀土元素常作为地球化学行为的示踪指示剂，是茶叶产地溯源的理想元素。虽然应用稀土元素指纹分析技术开展茶叶产地溯源的研究起步晚，但是发展迅速。当然也存在一定的不足，纵观整个产地溯源技术全过程，其判别准确性是否科学准确核心包括3部分，即样品来源要准确、检测项目要全面、判别模型识别率要高。

首先，针对样品来源方面，众多研究的茶叶样品多为市场随机采集的商品茶或者企业已经加工成型的商品茶，这些商品茶很难100%保证其原料没有掺假以及仿冒，而有部分研究者亲自前往茶园采集茶青作为样品进行研究，虽然保证了产地和品种真实性，但是由于没有进行加工包装等一系列制作商品茶的流程，即使稀土元素在茶叶内相对比较稳定但受此影响是否会造成稀土元素含量发生变化以及变化量是否会影响模型构建，这些都为后期建立判别模型的准确性打下了一个巨大的问号。同时，茶叶样品取样量往往一组就需要20个以上，且产地至少要3个以上，取样时间和资金等成本都过高，因此如何建立一个适用于产地溯源的茶叶标准品库是一项可期的研究课题。

其次，针对检测项目方面，对于稀土元素指纹分析技术，目前大部分研究已经做到16项稀土元素全检测的要求，但是由于茶叶产地和品种较多，而目前样品量覆盖面太小，还很难总结出因稀土元素在茶叶中的组成和含量受产地土壤、施肥灌溉、品种年龄和采摘季节等诸多因素影响而形成的不同茶叶产地溯源规律；而对于稀土元素与其他化学成分联用分析技术，则还存在矿质元素、同位素、有机成分等检测项目不全的问题，当然在充分考虑鉴别时间和经济成本等方面的情况下，目前如何建立一个全面的茶叶稀土元素特征数据库也是一项可期的研究课题。

最后，对于判别模型方面，由于鉴别茶叶产地真实性是属于事后监管，而模式识别技术分为监督识别方法和非监督识别方法，目前众多研究采用监督识别方法即利用有标签样品分类情况的数据建立数学模型(训练集)，然后将求得的数学模型对预留的样本做预测并算出成功率(预测集)，可见目前研究仅仅开展到对已知有标签茶叶样品建立模型进行真实性鉴别，而快速且准确地鉴别出未知无标签茶叶的原产地才是市场急需解决的重大难题，但是有标签的茶叶样品量太少又会影响监督识别方法判别模型的效果，而非监督识别方法可以筛选出非标签样品信息含量大的样品，并将其添加到训练集的建模过程中，因此如何利用少量有标签样品和大量未标签样品，以较少的标注成本和充分挖掘未标签样品中有价值信息来提高分类能力，建立一个可靠、有效和低成本的监督识别方法与非监督识别方法耦合联用的茶叶稀土元素产地溯源判别模型也是一项可期的研究课题。