CN107424003A - 一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法。收集不同产地的杨梅样品并前处理；将样品进行稳定性碳、氮同位素比率、稳定性氧、氢同位素比率和多元素分析，用已知产地的杨梅样品的数据采用PCA方法‑LDA方法相结合方式对已知产地的杨梅样品获得的数据进行分析，建立得到产地溯源模型，对样品产地进行判别；用未知产地的杨梅样品采集的数据输入到产地溯源模型中进行分析判别，获得未知产地的杨梅样品的产地溯源。本发明首次采用主成分分析结合线性判别的技术建立一种杨梅产地的溯源方法。
Description
技术领域
本发明属于杨梅产地溯源技术领域，具体涉及一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法。
背景技术
杨梅是我国南方的特色水果，其果实色泽鲜艳，甜酸适口，营养价值高，是集观赏、食用、药用于一身的果种，深受消费者喜爱。我国主要以浙江、江苏、福建等省为主产区，其中浙江省杨梅品种丰富、品质优、栽培广、面积大，已成为山区林农脱贫致富的极具竞争力的水果。
稳定性同位素作为农产品产地溯源的特征指纹信息，主要是基于同位素的自然分馏效应，不同同位素组成主要受环境、地形、气候、土壤、生物代谢类型等影响而发生不同的分馏作用，反映不同的地域和膳食信息，可做为杨梅的指纹信息。矿物元素含量相对气味等指标参数较稳定，植物源性农产品中矿物元素含量主要与土壤环境、水、废弃物以及空气中的矿物元素组成及含量有关，不同地域间的环境存在差异使得不同地区的样品中矿物元素含量不同，可以作为产地溯源的指标。
由于杨梅产地环境差异大，不同产地、不同品种上市时间不同，其中的口感、大小、品质等方面差别较大，这将直接影响杨梅的销售价格。但为了获得更大的市场利益，市场上销售假冒特优杨梅的现象时有出现，由于杨梅直接鲜食，近年来有关杨梅安全事件也屡见不鲜，如何能快速对杨梅产地进行溯源有助于风险管控。现有的溯源的技术多为基于农产品中的同位素和多元素进行开展，这类方法可对具有明显地域特征的产品进行快速的产地识别，但面对复杂区域的产品则产地识别能力较差，无法准确进行产品溯源。因此，现有技术中缺少了一种广谱、快速、准确的杨梅产地溯源识别方式，能够对杨梅市场进行风险管控和问题追溯。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法。
为实现上述目的，本发明采用PCA-LDA结合方式对不同产地杨梅中稳定性同位素比率和多元素进行分析统计、建立产地模型，从而实现对杨梅产地的溯源方法。
本发明具体的技术方案步骤如下：
(1)收集不同产地的杨梅样品；
(2)对步骤(1)获得的杨梅样品进行前处理；
(3)将步骤(2)获得的样品放入元素分析仪经过稀释进行处理，再放入同位素比率质谱仪做稳定性碳、氮同位素比率分析，获得杨梅样品中的碳、氮同位素比率；
(4)将步骤(2)中的样品放入元素分析仪经过稀释进行处理，再放入同位素比率质谱仪做稳定性氧、氢同位素比率分析，获得杨梅样品中的氧、氢同位素比率；
(5)将步骤(2)中的样品经微波消解处理后放入电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)做多元素分析，获得多元素含量；
(6)对于已知产地的杨梅样品重复上述步骤进行处理，采用PCA方法-LDA方法相结合方式对已知产地的杨梅样品获得的数据进行分析，建立得到产地溯源模型，对样品产地进行判别；
(7)对于未知产地的杨梅样品重复上述步骤进行处理，将未知产地的杨梅样品获得的数据输入到产地溯源模型中进行分析判别，获得未知产地的杨梅样品的产地溯源。
所述步骤(6.1)具体为：
(6.1)采用PCA方法(主成份分析方法)进行处理：具体是将已知产地的杨梅数据进行中心标准化，再采用F-检验筛选出各产地间的显著性差异变量，从显著性差异变量中提取获得主成分；
(6.2)采用LDA方法(主体模型评估方法)，根据主成分的数据建立获得产地溯源模型。
具体实施采用蒙特卡洛随机法划分出训练集(46个)和验证集(8个)，选用训练集数据建立产地溯源模型，并用验证集样品验证产地溯源模型准确性。
所述步骤(2)杨梅样品的前处理具体是：将新鲜杨梅去核后匀浆，分为两份，其中一份用于所述步骤(5)的多元素分析，另一份放入冻干机在－80℃条件下冻干再研磨后放入样品袋中并用于所述步骤(3)和(4)的稳定性同位素比率分析。
所述步骤(3)具体为：将样品放入锡箔杯压实包好后放入元素分析仪，使得样品在960℃高温下燃烧、还原，生成CO2和N2，生成气体后稀释，接着放入同位素比率质谱仪检测。
所述步骤(3)具体为：称取杨梅样品，放入锡箔杯压实包好进元素分析仪中自动进样，样品在960℃高温下燃烧、还原，生成CO2和N2，经稀释仪(ConfloⅢ型)稀释后进入ThermoDelta VPlus同位素比率质谱仪进行检测；元素分析仪条件为：氦气吹扫流量200mL/min，参考气流速100mL/min。气相柱温度50℃。ConfloⅢ型稀释仪条件为：氦稀释压力为0.6bar，氮气参考气压为1.0bar。
具体实施中，稳定性碳、氮同位素比率检测使用ConfloⅢ型稀释仪，稳定性氧、氢同位素比率检测使用ConFlo IV型稀释仪。
所述步骤(4)具体为：将样品放入银杯压实包好后放入元素分析仪，样品经过1380℃高温裂解，转化为H2和CO，生成气体后稀释，接着再放入同位素比率质谱仪检测。
所述步骤(4)具体为：称取杨梅样品放入银杯包裹好，放入元素分析仪的中自动进样，样品经过1380℃高温裂解后，直接将样品中的H和O元素裂解转化为H2和CO，H2和CO通过气相色谱柱进行分离，气相色谱柱柱温为80℃，氦气的流速为100mL/min，H2和CO分别经由稀释仪(ConFlo IV)进入同位素质谱仪进行检测。
所述步骤(5)具体为：将样品，加入HNO3溶液浸泡，再加入H2O2溶液，置于微波消解仪进行微波消解处理，冷却，再加入H2O2溶液后放入赶酸仪中加热进行赶酸处理，收集消解液用超纯水转入离心管中，过滤后放入电感耦合等离子质谱仪检测。
所述步骤(5)的多元素分析用铑和铼做为内标溶液。
本发明的有益效果：
本发明综合考虑杨梅产品特性，利用了稳定性同位素比率和多元素含量，首次结合PCA-LDA法，能有效的对样品产地溯源进行判别，提供了一种广谱、快速、准确的杨梅产地溯源方法，这对杨梅市场质量把控和风险追溯有着重要意义。
另外，本发明利用已知产地杨梅的稳定性同位素比率和多元素含量进行PCA-LDA联合分析法建立杨梅产地溯源模型，可作为对未知产地杨梅进行产地溯源的方法，浙江省杨梅判别结果的准确率可达99.6％。本发明较单独采用稳定同位素比率和单独采用多元素含量来作为判定产地溯源指标的方法相比，有着广谱、快速、更准确的的特点。随着数据库的不断补充扩大，可以进一步提高模型的适用范围和判定准确率。
附图说明
图1采用PCA-LDA判定函数区分浙江、福建和其他三个省份杨梅的散点图。图中，带“○”为验证样本；浙江省杨梅—三角形，福建省杨梅—菱形，其他三省杨梅—正方形。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术做详细说明，但不局限于此。
本发明实施例如下：
本发明选取稳定性同位素比率和元多素含量作为杨梅产地溯源的特征指纹信息，主要是基于不同同位素组成主要受环境、地形、气候、土壤、生物代谢类型等影响而发生不同的分馏作用，反映不同的地域和膳食信息，矿物元素含量主要与土壤环境、水、废弃物以及空气中的矿物元素组成及含量有关，不同地域间的环境存在差异。采用PCA-LDA联合分析，建立杨梅产地溯源数据库，对杨梅原产地进行判别。本实施例中所有数据分析均在MATLAB环境中完成。具体步骤：
1.收集样品：采集浙江、福建、云南、贵州、江苏五个省份的杨梅样品。共有54个样本，其中浙江省28个样本，福建省9个样本，云南省5个样本，贵州省6个样本，江苏省6个样本。本发明中已知产地的杨梅样品产地分布见表1。
表1 已知产地杨梅样品数量及产地
2.样品前处理：新鲜杨梅去核后匀浆，分为两份，做稳定性同位素比率分析的样品放入冻干机在－80℃条件下冻干，研磨后放入样品；做多元素分析的可直接进行。
3.稳定性同位素比率分析
(1)稳定性碳、氮同位素比率分析：称取200μg杨梅样品，放入锡箔杯压实包好进元素分析仪(Flash EA1112型)中自动进样，样品在960℃高温下燃烧、还原，生成CO2和N2，经稀释仪(ConfloⅢ型)稀释后进入Thermo Delta VPlus同位素比率质谱仪进行检测。
元素分析仪条件：氦气吹扫流量200mL/min，参考气流速100mL/min。气相柱温度50℃。ConfloⅢ型稀释仪：氦稀释压力为0.6bar，氮气参考气压为1.0bar。
(2)稳定性氧、氢同位素比率分析：称取200μg杨梅样品，放入银杯包裹好，放入元素分析仪的中自动进样，样品经过1380℃高温裂解后，直接将样品中的H和O元素裂解转化为H2和CO，H2和CO通过气相色谱柱进行分离，H2和CO分别经由稀释仪(ConFlo IV)进入同位素质谱仪进行检测。
气相色谱柱柱温为80℃，氦气的流速为100mL/min。不同产地杨梅中稳定同位素比率结果见表2。
表2 不同产地杨梅中稳定同位素比率
注：不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)。下同。
(3)稳定性同位素比率分析中所用参考气体CO2、N2、H2、CO均通过采用国际原子能机构标样IAEA-600/Caffeine、IAEA-601/Benzoic Acid、IAEA-CH-7/Polyethylene标定过，确保实验数据相对接近真值。
从表2得出，浙江、福建、云南、贵州和江苏五产地的杨梅中δ15N数值范围变化较小，差异性不显著；δ13C总体数值变化不大，但五个区域间存在显著性差异(p<0.05)；δD总体数值变化较大，各地区显著性差异(p<0.05)；δ18O只有云南省与其他省份差异性显著。五产地的杨梅中206Pb/207Pb、87Sr/86Sr变化范围不大，差异性不显著；208Pb/206Pb只有贵州和江苏存在部分差异性显著。说明采用单独的稳定性同位素比率作为产地指纹指标不能够区分杨梅产地，需要通过其他指标结合化学计量学方法进一步分析来实现杨梅的产地溯源。
4.多元素分析
称取0.5g杨梅样品于微波消解内罐，加入HNO3浸泡过夜，后加入1mL H2O2，置于微波消解仪(CEM Mars 5，美国CEM公司)的样品盘上，进行微波消解处理；待冷却后拿出内罐，再加入1mL H2O2放入赶酸仪中加热，把相应的HNO3处理掉，即进行赶酸处理，最后用超纯水将消解液转入塑料离心管中，定容摇匀，过滤，上ICP-MS(Thermo Fisher X-series II，美国，热电公司)进行测定。多元素测定时用铑和铼做为内标溶液(1ng/mL)，监控和校正仪器漂移。不同产地杨梅中多元素的含量见表3。
表3 不同产地杨梅中矿物多元素的含量
注：不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)。
从表3中可以看出，同一元素在不同省份地区间都不相同，但差异性较小。对不同产地杨梅中的30种元素进行方差分析，结果显示，样品中的Cr、Cs、Ba、Tl差异性不显著，其他26种元素均存在显著性差异(p<0.05)，不同地区杨梅中矿物元素组成有其各自的特征。
5.PCA-LDA分析建立产地溯源模型
对已知产地的杨梅数据进行中心标准化，采用F-检验筛选出显著性差异变量，通过PCA选取前10个特征向量为主成分，所对应的累积方差为78.28％，基本包括多数元素的含量信息，通过选取前三个主成分PC1、PC2、PC3两两作图得到54个样本的分布情况，样品号1-28为浙江省杨梅样，样品号29-37位福建省杨梅样，样品号38-42为贵州杨梅样，样品号43-48为云南杨梅样，样品号49-54为江苏杨梅样。
结果发现样本之间区别不是很明显，没有区域性特征，且样品间存在部分重叠情况，故需要做进一步分析。本实施例中，把样品分成三类，即浙江类、福建类、其他省类(包括云南、贵州、江苏省样品)。利用有监督模式的LDA分析样本在前10个主成分的矩阵(大小为54×10)，采用蒙特卡洛随机法将所有样品分成训练集(46个)和验证集(8个)，验证集样品包括11、17、21、28、31、37、42和54。利用训练集建立杨梅产地溯源模型，得到Function1和Function2两个函数，Function1用于区分浙江省与福建和其他省的杨梅样品，Function2用于区分福建省和其他省的杨梅样品，训练集结果显示见图1，在46个训练集样品中，43个样本均分类正确，只有15、25和33号样品分类错误，可见训练集结果令人满意。
用两个判别函数对6个验证集样品进行分析，分类结果完全正确。利用蒙特卡洛随机法重复计算2000次，PCA-LDA分析结果见表4，可见，浙江省杨梅判别结果的准确率为99.6％，福建省杨梅判别结果的准确率为90.3％，其他省份判别结果的准确率为98.4％。仅福建省杨梅样的误判的概率较大为9.7％，而其它两类则低至1.6％。PCA-LDA联合法建立产地溯源准确率较高，可行。利用此模型可以有效区分不同地区的杨梅。
表4 重复计算2000次，PCA-LDA分析结果
6.未知产地样品的溯源判别
测定未知产地信息的杨梅样品的稳定性同位素比率和多元素含量，将数据带入已知产地的杨梅产地溯源模型中，利用两个判别函数，根据未知样品值的位置，判断未知杨梅样品的产地。
以上所述是对本发明的技术实施过程进行具体描述。本发明不局限于上述方法，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这不影响本发明的实质内容。依据本发明的技术方案所做的任何等效变换、改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于方法包括以下步骤：
(1)收集不同产地的杨梅样品；
(2)对步骤(1)获得的杨梅样品进行前处理；
(3)将步骤(2)获得的样品放入元素分析仪进行处理，再放入同位素比率质谱仪做稳定性碳、氮同位素比率分析，获得杨梅样品中的碳、氮同位素比率；
(4)将步骤(2)中的样品放入元素分析仪进行处理，再放入同位素比率质谱仪做稳定性氧、氢同位素比率分析，获得杨梅样品中的氧、氢同位素比率；
(5)将步骤(2)中的样品经微波消解处理后放入电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)做多元素分析，获得多元素含量；
(6)对于已知产地的杨梅样品重复上述步骤进行处理，采用PCA方法-LDA方法相结合方式对已知产地的杨梅样品获得的数据进行分析，建立得到产地溯源模型，对样品产地进行判别；
(7)对于未知产地的杨梅样品重复上述步骤进行处理，将未知产地的杨梅样品获得的数据输入到产地溯源模型中进行分析判别，获得未知产地的杨梅样品的产地溯源。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(6.1)具体为：
(6.1)采用PCA方法进行处理：具体是将已知产地的杨梅数据进行中心标准化，再采用F-检验筛选出各产地间的显著性差异变量，从显著性差异变量中提取获得主成分；
(6.2)采用LDA方法，根据主成分的数据建立获得产地溯源模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(2)杨梅样品的前处理具体是：将新鲜杨梅去核后匀浆，分为两份，其中一份用于所述步骤(5)的多元素分析，另一份放入冻干机在－80℃条件下冻干再研磨后放入样品袋中并用于所述步骤(3)和(4)的稳定性同位素比率分析。
4.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：将样品放入锡箔杯压实包好后放入元素分析仪，使得样品在960℃高温下燃烧、还原，生成CO2和N2，生成气体后稀释，接着放入同位素比率质谱仪检测。
5.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：将样品放入银杯压实包好后放入元素分析仪，样品经过1380℃高温裂解，转化为H2和CO，生成气体后稀释，接着再放入同位素比率质谱仪检测。
6.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(5)具体为：将样品，加入HNO3溶液浸泡，再加入H2O2溶液，置于微波消解仪进行微波消解处理，冷却，再加入H2O2溶液后放入赶酸仪中加热进行赶酸处理，收集消解液用超纯水转入离心管中，过滤后放入电感耦合等离子质谱仪检测。
7.根据权利要求1所述的一种基于稳定性同位素比率和多元素的杨梅产地溯源方法，其特征在于：所述步骤(5)的多元素分析用铑和铼做为内标溶液。
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