CN108460603A - 一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属植物品种和产地检测技术领域，为解决目前植物标识存在容易受到多种因素的影响，导致精准性差等问题，提供一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法。在无土栽培的植物或品种体内导入对应于无土栽培植物或品种的无机元素，依导入元素在无土栽培植物和所需培养液之间的转移吸收关系进行统计，得到导入元素的相应数码标识。达到准确定位植物的产地。向植物或品种体内导入对人体有益无害的微量元素，依据植物或品种对不同元素的吸收和利用特点，对多元素及其浓度组合的吸收利用特点，用微量元素研制、开发植物或品种体内的标识，防止不法栽培者或劣质植物或品种的混入，也为其它栽培方式的植物或品种的元素标识研究提供理论及实验依据。
Description
技术领域
本发明属于植物品种和产地检测技术领域，具体涉及一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，将不同无机元素及其不同浓度或多种元素及其不同浓度的组合导入植物体内，实施精准度高、具有可靠性、可追溯性植物体内的标识方法。
背景技术
近些年，常有伪装产地、偷换商标等以劣充优的事件发生，因此，跟踪植物或品种的质量及产地判别成为重中之重，研究适用于植物或品种安全可靠的产地判别法及其溯源技术的开发已成当务之急。
关于农产品的产地判别和溯源研究我们起步较晚，在国外早有试验研究，有利用同位素研究产地判别，也有利用当地土壤中一些代表性金属元素的研究来进行产地判定等，如Yashui等人利用金属元素的组成进行小麦的产地判别（Yashui et al.,2000），Gerard和Martin等人利用水中的2H/1H、18O、13C（Gerard et al., 1988）、Martin 利用2H/1H同位体比和金属元素的組成（Martin et al., 1995）判定葡萄酒的产地，还有利用87Sr/86Sr、208Pb/204Pb、金属元素組成以及同位素比进行洋葱和大葱的产地研究（2004年），也有茶叶、咖啡、大豆、蔬菜以及一些一次、二次加工食品（Yoshino 2004）等研究。
南京农业大学的杨文斌（2011年硕士论文）研究不同产地中华绒螯蟹群体形态和元素积累特征，浙江工商大学的龚立科（2012年硕士论文）研究关于鱼类中矿物元素的分析及元素指纹信息初探，赵峰和段起等人2014年研究武夷水仙茶产地判别多元数字化指纹图谱构建（2014年），再如郑州大学的苏静（2017年硕士论文）利用稳定同位素特征分析产地判别的研究，还有石伊凡、吴连成、石元值关于生化成分与矿质元素的龙井茶产地溯源研究等等（浙江农业科学2017年09期）等等，但这些研究基本都是从生产环境到植物体的元素迁移转化，这就有地域的局限性，由于有些微量元素在土壤中的存在形态以及被植物吸收利用会受到很多因素的影响，如土壤环境、其酸碱性等，所以产地判别的精准性会受到质疑。
数码标识体系是食品安全溯源体系中的重要组成部分，一旦植物或品种质量在消费者端出现问题，可以通过植物或品种体内的溯源标签进行查询，查出植物或品种的产地、具体生产农户等流通信息。此项制度对植物或品种的安全与食品加工行业自我约束具有相当重要的意义。
发明内容
本发明为了解决目前植物标识存在的弊端，提供了一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法。
本发明由如下技术方案实现的：一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，在无土栽培的植物或品种体内导入对应于无土栽培植物或品种的无机元素，检测分析无土栽培植物或品种对该无机元素的吸收利用关系特征，统计分析，获得相对应与无土栽培植物或品种体内导入的无机元素标识，将所获得的无机元素标识进行标签符号化，即为相对应的数码标识体系。
所述无土栽培植物导入元素的条件为：栽培环境温度为20-30℃，pH值为5.0-8.5；EC值1.0-2.0dS/m，基质成份mg/kg：TN 100-160、AN 9-16、NN 100-150、P2O5 40-90、K2O180-330、CaO 90-160、MgO 20-50、MnO 0.5-1.2、B2O3 0.5-1.3、Fe 0.6-2.0、Cu 0.01-0.02、Zn 0.02-0.07、Mo 0.01-0.02。所述导入无土栽培植物体内的各元素的量，在无土栽培植物的可食用部位含量低于90mg/kg。
所述标识体系中的无机元素为：Ba、Sr、Co、Sn、Mo、Mn、Cu、Se、I、Ni、Sc、Ti、Sm、Eu；标识体系中单元素浓度为mg/kg:Sc、Ti为0.02-0.6；Ni、I：0.03-0.8；Ba：0.05-1.8；Co、Sn、Mo、Mn、Se：0.05-5.0；Cu：0.25-5.0；Sr：0.3-10；RE稀土元素Sm、Eu浓度为100-1000；所述标识体系为相同元素的不同浓度以及若干元素的不同浓度进行排列，然后将各个排列中的各成分进行组合，获得的元素与浓度的相应组合，即为对应的标识体系。所述标识元素采用对应无机元素的氯化物或硝酸盐。
根据安全浓度范围，将相同元素的不同浓度、不同元素的不同浓度给出排列，然后再将各个排列中的各成分进行组合，达到不同元素及不同浓度多元素组合，可形成各种符合要求的标识体系，例如单元素Ba有三个可选标识浓度，那么这三个浓度就可简单地形成三个标识符号，同样若Sr有三个可选标识浓度，也可简单地形成三个标识符号，Mo有两个可选标识浓度，就能形成单元素标识的两个标识符号。若要由Ba和Sr两个元素组合形成标识符号，那么就可以形成3*3=9个标识符号，如果要由Ba、Sr和Mo三个元素去进行标识植物产地的话。那么就会有3*3*2=18个标识符号，这样就将这些元素及其不同浓度的多个元素组合形成多个标记符号，将这多个数据给符号化，那么就形成很多个各种不同的标识体系。
标识元素采用该元素的氯化物或硝酸盐，如Ba采用BaCl2·H2O或Ba(NO3)2；Sr采用SrCl2或Sr(NO3)2；Ni采用Ni(NO3)2·6H2O；Co采用CoCl2·6H2O；I采用KI或KIO3；Mo采用(NH4)6Mo7O24·4H2O；Se采用Na2SeO3,有机硒；RE:RECl3·6H2O、RE(NO3)3·6H2O；V：VCl4等等。
根据导入元素在无土栽培植物和其所需的培养液或培养基之间的转移吸收关系进行统计，得到导入元素的相应数码标识。检测分析各种植物或品种对该标记中元素的吸收利用关系特征，并通过检验测定和统计分析，以准确获得每一个赋予植物或品种体内的符号标签，将这一系列的植物或品种体内的符号标签符号化，以实施植物或品种体内的产地和溯源标识体系，形成一种精准度高、可靠性强、具有可追溯性的植物体内的数码标识体系。
本发明利用多种无机元素，将浓度范围内对植物和人体有益无害、绝对安全的无机元素，导入植物体内，依据栽培基质和植物中无机元素的转移关系，统计分析确立安全、准确、可溯源的植物体内数码标识体系。以达到准确定位植物的产地。即向植物或品种体内导入对人体有益无害的微量元素，在这些元素对植物或品种生长状况无影响的前提下，依据植物或品种对不同元素的吸收和利用特点，或对多元素及其浓度组合的吸收利用特点，以期待用微量元素来研制、开发植物或品种体内的“数码商标”，防止不法栽培者或劣质植物或品种的混入，也为其它栽培方式的植物或品种的元素数码标识研究提供重要的理论及实验依据。
附图说明
图1为培养液与植物体内各元素浓度关系图；图2为两种蔬菜中各元素从培养液到蔬菜中的分布系数图；图3为培养液中各元素浓度的判别分析结果图；图4为植物中各元素浓度的判别分析结果图。
具体实施方式
实施例1：一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，在无土栽培的植物或品种体内导入对应于无土栽培植物或品种的无机元素，检测分析无土栽培植物或品种对该无机元素的吸收利用关系特征，统计分析，获得相对应与无土栽培植物或品种体内导入的无机元素标识，将所获得的无机元素标识进行标签符号化，即为相对应的数码标识体系。
所述无土栽培植物导入元素的条件为：栽培环境温度为20-30℃，pH值为5.0-8.5；EC值1.0-2.0dS/m，基质成份mg/kg：TN 100-160、AN 9-16、NN 100-150、P2O5 40-90、K2O180-330、CaO 90-160、MgO 20-50、MnO 0.5-1.2、B2O3 0.5-1.3、Fe 0.6-2.0、Cu 0.01-0.02、Zn 0.02-0.07、Mo 0.01-0.02。所述导入无土栽培植物体内的各元素的量，在无土栽培植物的可食用部位含量低于90mg/kg。
所述标识体系中的无机元素为：Ba、Sr、Co、Sn、Mo、Mn、Cu、Se、I、Ni、Sc、Ti、Sm、Eu；标识体系中单元素浓度为mg/kg:Sc、Ti为0.02-0.6；Ni、I：0.03-0.8；Ba：0.05-1.8；Co、Sn、Mo、Mn、Se：0.05-5.0；Cu：0.25-5.0；Sr：0.3-10；RE稀土元素Sm、Eu等浓度为100-1000；所述标识体系为相同元素的不同浓度以及若干元素的不同浓度进行排列，然后将各个排列中的各成分进行组合，获得的元素与浓度的相应组合，即为对应的标识体系。所述标识元素采用对应无机元素的氯化物或硝酸盐。
作为研究对象的植物或品种，主要以无土栽培的蔬菜（叶菜类、果菜类等）为主，下述试验过程中所用试验处理方法如无特别说明，均为常规处理方法。
实验例1：天然赋存量的测试分析研究
首先，考虑可作为标记候补元素的选择：优先考虑植物体含量极少或几乎不含的元素、也许是植物体必须微量元素、对人体有益无害甚至是必须元素，可选元素浓度范围内植物对该元素的迁移吸收量在可食部含量为绝对安全范围，新鲜重90mg/kg以下。
利用无机元素作为标记的作物，本试验选用常用蔬菜，选择适合作为标记元素，调查蔬菜地上部元素的天然赋存量。通风干燥箱75℃、48小时干燥后，粉碎Hokura et al.,（2000）的方法ICP-AES分析其中20多种元素。
分析测试普通蔬菜市场的16种叶用蔬菜和果蔬菜(菠菜、生菜、油菜、油麦菜、白菜、韭菜、葱、芹菜、茼蒿、西红柿、黄瓜、西葫芦、茄子、青椒、豆角、辣椒等)中,20多种元素(Ag、Al、Ba、Be、Co、Cu、Fe、Ga、Mn、Mo、Ni、Sb、Sc、Se、Sr、Ti、Tl、V、Zn、以及Sm、Eu等稀土元素RE)进行了测试分析研究，结果见表1所示。依据候补标记元素的选择条件a.天然赋存量微量或几乎不含有的元素。b.可食部的元素蓄积浓度对人体健康及植物有益无害的两条件，从下表中选择天然赋存量小且较高浓度无害，然后计算每Kg新鲜蔬菜中元素的含量，通过分析研究人体每天对这些元素的摄取量（ADI和TDI）、中毒量、食品中通常的允许浓度等相关研究资料和国标资料，确认这些元素中,在可选浓度范围内对植物和人体安全的有以下12多种元素(Ba、Sr、Co、Mo、 Ni、Cu、Se、I、V、Sc、Ti以及Sm、Eu等稀土元素RE，等等)。有些元素的有害性不明暂且不选，有待进一步调查清楚。
表1：蔬菜中的各种无机元素的天然赋存量
实验例2：单元素及其浓度的试验分析研究
单元素试验研究主要以无土栽培的蔬菜（叶菜类、果菜类等）为主，有生菜、油麦菜、小白菜、菠菜、西红柿、黄瓜等，下述试验过程中所述以生菜和小白菜为例，试验处理方法如无特别说明，均为常规处理方法。
根据以上天然赋存量的测定分析，得出可选候补元素种类，依据以上分析和资料查询结果分析，得到一些可能试验的元素浓度，采用这些元素的氯化物或硝酸盐（Ba:BaCl2·H2O ,Ba(NO3)2；Sr:SrCl2,Sr(NO3)2；Ni：Ni(NO3)2·6H2O；Co：CoCl2·6H2O；I：KI,KIO3；Mo：(NH4)6Mo7O24·4H2O；Se：Na2SeO3,有机硒；V：VCl4；RE:RECl3·6H2O、RE(NO3)3·6H2O等等）配制所需浓度添加到培养液中进行浸泡试验（为了减少无效试验结果，比较准确选定单元素试验浓度，设计的简单快捷的初步试验，100ml三角锥形瓶中加入一定量添加了不同浓度微量元素的培养液，将移栽2周的作物苗插入培养液，经24小时候观测作物生长状态，初步选出各元素的试验浓度），初步得出试验可选元素范围，标识体系中单元素浓度（单位：mg/kg）:Sc、Ti为0.01-1.0；Ni、I：0.01-1.0；Ba、Co、Sn、Mo、Mn、Se：0.05-5.0；Cu：0.25-10.0；Sr：0.1-10；稀土元素RE浓度为50-1200等等。
这些被初步得出的元素及其浓度，每个元素分几个浓度梯度分别添加培养液中进行具体试验研究。在20-30℃的栽培环境条件下，培养液pH调整为5.0-8.5之间，EC值1.0-2.0dS/m，根据栽培蔬菜种类所需成份配制调整养液成份，比如栽培试验叶用蔬菜类，将以上初步得出的元素浓度分几个浓度梯度添加到培养液（成份单位mg/kg：TN 100-160、AN 9-16、NN 100-150、P2O5 40-90、K2O 180-330、CaO 90-160、MgO 20-50、MnO 0.5-1.2、B2O3 0.5-1.3、Fe 0.6-2.0、Cu 0.01-0.02、Zn 0.02-0.07、Mo 0.01-0.02等）中进行具体试验研究，试验期间每天测定pH值并调整（1M的HCl或NaOH）保持pH值在5.0-8.5之间，两天测试调整补充一次元素浓度，每周采样（培养液和植物体）分析，分析生长状况，元素分析测定参考HoKuraet al.,(2000)和Guangjie Bai et al.,(2006)分析测定法,元素浓度采用ICP-AES测定。
测定结果见表2和图1所示，设定的各元素不同浓度试验区，根据观测其生育状况和叶绿素含量测定结果，择出初选元素种类和浓度范围，换算其在470个蔬菜中含量，判定该元素的安全浓度范围，再依据各梯度元素浓度的试验结果，进行统计分析判定准确可标识元素种类和浓度。图1所示除Cr元素外其他元素在培养液与植物体内各浓度关系几乎为线性关系，Cr由于其不稳定行，不存在稳定的迁移规律，也没明显梯度，所以不能作为理想可标识元素。
以Ba的试验结果为例说明，Ba的初步设定浓度是0.05-5.0mg/kg，在其浓度范围内分梯度试验设定为0.05、0.25、0.5和1.0和1.5mg/kg等实验浓度，这五个浓度处理各处理植物生长状态良好，生体量测定及叶绿素含量SPAD分析值均和对照无明显差异，培养液中元素浓度和植物体迁移吸收关系，呈直线性正相关（r=0.996**）,五个处理中除0.05mg/kg处理植物中Ba元素含量接近其天然赋存量外，其他处理植物中Ba元素含量明显高于其天然赋存量，但是1.0和1.5mg/kg处理结果中，可食部Ba元素含量接近和高于TDI值，为了绝对安全，所以这两个浓度不可选，那么Ba元素的试验可选浓度有0.25和0.5mg/kg，依据以上结果的分析和养液中Ba元素浓度和植物体迁移吸收关系呈直线性正相关（r=0.996**），那么Ba元素的可选浓度可以为0.1-0.9mg/kg之间，若采用单元素标识那么只要有明显梯度即可，若多元素组合那么0.1-0.9mg/kg之间任何浓度均可采用。
表2 地上部植物生物量及SPAD值
同上试验方法和统计分析法，可得出其他元素的试验分析结果，标识体系中单元素浓度（单位：mg/kg）:Sc、Ti为0.02-0.6；Ni、I：0.03-0.8；Ba：0.05-1.0；Co、Sn、Mo、Mn、Se：0.05-3.0；Cu：0.25-5.0；Sr：0.3-8；稀土元素RE浓度为100-1000等等。
各元素从培养液到蔬菜的转移因子在图2中表示出来，对各处理区生菜(sa)中Ba的转移因子，随Ba浓度从5到0.5mg L-1的变化，从7.36降到4.37。而Sr处理区的转移因子似乎和培养液中Sr的浓度(10，1 mg L-1)关系不大，始终保持在大约3.70左右。Mo处理过的生菜 的转移因子，在Sr和Mo两元素浓度较低的处理区明显较高值。同时，各处理区的小白菜（Re）中各元素的转移因子也类似于生菜的情况。
元素在生菜的根叶间的分布系数的说明如图2所示，Ba处理区的分布系数随Ba浓度的增大而呈增加的趋势(P<0.01)。Mo处理区的分布系数变化趋势不是很明显，Sr处理区的生菜的分布系数明显比Ba和Mo处理区的高，表明元素Sr处理时，在植物的叶中有较多的Sr的聚集。试验的数据说明Sr在叶部的浓度高于根部的浓度，而Ba和Mo在根部的浓度高于其叶部的浓度，进一步的实验仍然是需要的，其它的叶菜类，茎球菜，果菜类等对元素聚集能力的研究。
依据以上分析试验结果可知，Ba、Sr、Mo、Co、Cu、Ni在适当的浓度范围内，有作为数码标识元素的可能。
实验例3：多元素及其不同浓度的组合试验分析与研究
根据以上单元素及其浓度的试验分析结果中，可任选两种、三种或多种元素作为可能标记符号的体系进行试验研究，试验方法同上所述，元素浓度的测定也相同采用ICP-AES测定，但因是多元素多浓度，多种元素和不同浓度之间可变量较多，所以靠测试单一元素来分析是远不够的，根据多元素不同浓度的组合试验结果，要采用用聚类分析和判别分析来分析确定结果是否能适用作标记符号，在选择以上元素的可标识浓度时，注意选择浓度的梯度，比如选择Ba、Sr和Mo三元素不同浓度（单位mg/kg）组合为以下三个标记符号究A：Ba(5.00) Sr(10.00) Mo(0.50)；B：Ba(5.00) Sr(10.00) Mo(0.05)；C：Ba(5.00) Sr(10.00)Mo(0.05)；D：Ba(5.00) Sr(10.00) Mo(0.50)；E：Ba(0.50) Sr(10.00) Mo(0.50)；F：Ba(0.50) Sr(10.00) Mo(0.05)；G：Ba(0.50) Sr(10.00) Mo(0.05)；H：Ba(0.50) Sr(10.00)Mo(0.50)来进行试验研究，试验结果表3所示，所选元素及其浓度的试验结果，无论是生物量还是SPAD值，在统计学意义上无明显差异。将其结果采用正准判别分析法（图3、表4和图4、表5），无论是培养液还是植物体内，判别分析结果显示第一固有值都很高，且第一正准变量的贡献率达95.98%和96.32%，第二正准变量的贡献率达99.55%和99.75%，从该分析结果可见误判别率均为零，即正准判别率达100%，其他组合试验分析方法也类似。
表3：Ba、Sr、Mo三元素组合试验处理结果
表4：培养液中主成分分析结果
| 特征值 | 贡献率 | 累积贡献率 | 相关性 |
| 3368.57 | 95.98 | 95.98 | 1.00 |
| 117.69 | 3.57 | 99.55 | 1.00 |
| 17.24 | 0.45 | 100.00 | 0.97 |
表5：植物中主成分分析结果
| 特征值 | 贡献了 | 累积贡献率 | 相关性 |
| 6310.43 | 96.32 | 96.32 | 1.00 |
| 211.27 | 3.43 | 99.75 | 1.00 |
| 15.84 | 0.25 | 100.00 | 0.97 |
图3所示，在培养液中不同元素浓度组合试验结果，很明显分成了各个不同的组，8各处理区很明显分成了8各不同的组合。图4所示，8个处理区栽培的植物中各元素的浓度也很明显地分成了8各组。并且准确率达99.5%，误判别率为0%。至于植物体内元素浓度的相关和培养液中元素浓度相关的不同，培养液中各元素之间存在一些相互影响，植物对各元素的吸收特征也有一些差异。关于元素Ba、Sr和Mo在各自可标识浓度范围内，可确认为理想的标识元素组合，其它元素的组合试验也同样。
无论是单元素标识还是多元素的组合进行标识，每个元素的试验结果一定要明显高于被标识植物种类中该元素天然赋存量，且每450-500g新鲜蔬菜中元素含量满足与ADI和TDI范围之内，已符合植物体内数码标识的意义。
Claims (5)
1.一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，其特征在于：在无土栽培的植物或品种体内导入对应于无土栽培植物或品种的无机元素，检测分析无土栽培植物或品种对该无机元素的吸收利用关系特征，统计分析，获得相对应与无土栽培植物或品种体内导入的无机元素标识，将所获得的无机元素标识进行标签符号化，即为相对应的数码标识体系。
2.根据权利要求1所述的一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，其特征在于：所述无土栽培植物导入元素的条件为：栽培环境温度为20-30℃，pH值为5.0-8.5；EC值1.0-2.0dS/m，基质成份mg/kg：TN 100-160、AN 9-16、NN 100-150、P2O5 40-90、K2O 180-330、CaO 90-160、MgO 20-50、MnO 0.5-1.2、B2O3 0.5-1.3、Fe 0.6-2.0、Cu 0.01-0.02、Zn0.02-0.07、Mo 0.01-0.02。
3.根据权利要求2所述的一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，其特征在于：所述导入无土栽培植物体内的各元素的量，在无土栽培植物的可食用部位含量低于90mg/kg。
4.根据权利要求1所述的一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，其特征在于：所述标识体系中的无机元素为：Ba、Sr、Co、Sn、Mo、Mn、Cu、Se、I、Ni、Sc、Ti、Sm、Eu；标识体系中单元素浓度为mg/kg:Sc、Ti为0.02-0.6；Ni、I：0.03-0.8；Ba：0.05-1.8；Co、Sn、Mo、Mn、Se：0.05-5.0；Cu：0.25-5.0；Sr：0.3-10；RE稀土元素Sm、Eu浓度为100-1000；所述标识体系为相同元素的不同浓度以及若干元素的不同浓度进行排列，然后将各个排列中的各成分进行组合，获得的元素与浓度的相应组合，即为对应的标识体系。
5.根据权利要求3所述的一种基于无土栽培植物体内元素的溯源标识方法，其特征在于：所述标识元素采用对应无机元素的氯化物或硝酸盐。
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