基因芯片+區塊鏈的高端茶葉可追溯平臺

傅虹凱

（浙江農林大學 園藝科學學院，浙江臨安 311300）

茶是世界三大飲料之一。隨著人們生活水平的提高，對茶葉質量安全提出了更高的要求，更多人將消費目標從大宗茶轉向名茶、有機茶。但近年來，國內外茶葉質量安全問題頻發，溯源信息造假，消費者對商家的信任度不斷下降，對茶葉溯源保真問題的重視程度逐漸提高。本文以浙江西湖龍井茶為研究對象，運用基因芯片技術并結合區塊鏈技術，推動茶葉溯源的發展，讓茶桌上的茶真正有源可溯[1]。

1 研究背景

1.1 茶葉溯源現狀

截至目前，國內的茶葉溯源管理主要運用到物聯網技術、集成大數據和移動App應用等手段，茶葉溯源呈現的是信息后臺導入、二維碼溯源的現狀，即后臺通過集中式數據庫記錄茶葉的種植、采摘、加工、倉儲、物流和銷售等環節的溯源信息，最后通過移動App進行查詢。

1.2 茶葉溯源過程中存在的問題

茶葉溯源涉及的全產業鏈過程錯綜復雜，溯源信息和溯源系統的真實性、準確性、可靠性難以保障。傳統的溯源系統采用中心化系統，很多溯源信息都是由企業提供，沒有有效機制的監督，更沒有第三方專業檢測機構的檢驗，因此在沒有消費者真實參與其生產過程的情況下，溯源似乎成為不良商家的一大營銷手段。目前市場主要通過掃描產品二維碼來獲得產品的相關信息，但二維碼提供的產品信息的真偽鑒定需要進一步研究。

此外，政府等權威機構給出的茶葉法定專用標識存在問題。專用標識作為一個可復制、移動的標簽，個別不良商家進行了盜用和買賣專用標識，生產假冒偽劣產品，將茶葉法定專用標識粘貼于假冒偽劣產品中，破壞了原商品的品牌價值，損壞了消費者的權益。

2 溯源體系的關鍵技術

2.1 SNP位點

單核苷酸多樣性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）主要是指在基因組水平上由單個核苷酸替換以及較短片段的插入或缺失所引起的DNA序列多樣性，即在不同個體的同一條染色體或同一位點的核苷酸序列中，絕大多數核苷酸序列一致而只有一個堿基不同的現象[2]。此次研究利用不同茶葉品種個體中找出的相對應的一段核苷酸序列，該序列絕大多數都一致，只有一個堿基不一致，將其標記為SNP位點。

2.2 基因芯片技術

基因芯片是以基因連鎖、限制性長度的多態性及連鎖不平衡等基因定位方法為基礎，以同源DNA分子雜交為基本工作原理而設計的檢測方法[3]。其測序原理是雜交測序方法，在茶葉溯源上，此次研究通過基因芯片技術對在茶葉上開發的SNP進行檢測，即將已發掘的SNP位點作為已知序列設計其探針DNA，根據堿基互補原則，用熒光標記來顯示檢測對象中是否含有所要找的SNP，以此來確定茶葉的真偽[4]。

2.3 區塊鏈技術

區塊鏈技術是由多個被稱為區塊的數據結構鏈接而成的分布式數據庫，與傳統數據庫具有明顯特征的區別，其具有去中心化、信息不可篡改、公開性、安全性和可追溯性等特點，對于茶葉這種具有高附加值的農產品來說有重大意義。傳統的溯源主要采用溯源數據集中存儲模式，基于區塊鏈的溯源體系相較于傳統溯源的優勢是溯源信息去中心化存儲，極大程度增加了數據的共享性；溯源信息的不可篡改，提高了信息數據的真實性和可靠性。當數據輸入區塊鏈的同時，也將被賦予“時間戳”，以便后期信息的查詢和比對[5-8]。

3 茶葉溯源體系的設計

3.1 溯源平臺設計整體思路

3.1.1 邏輯架構

邏輯架構是數據來源、數據流向、邏輯關系、呈現方式和應用等方面的綜合反映，是溯源體系內部數據輸入傳出的整體構架，為后續溯源平臺建設提供理論基礎，其架構如圖1所示。

圖1 邏輯架構圖

3.1.2 數據架構

數據架構是圍繞茶葉產地、加工企業、交通運輸和銷售渠道等數據環節以及各環節基因抽檢信息，形成從茶園到茶杯的全流程閉環，最終將各環節數據進行整合的路徑，其架構如圖2所示。

圖2 數據架構圖

3.1.3 數據采集

通過條形碼、二維碼或者防偽標簽對個體進行唯一標示，通過對標識的掃描識別對應茶葉，后將茶葉在種植、栽培、加工、運輸和營銷等過程的信息，以及各環節的基因抽樣檢測結果，由各對應主體使用標明身份的“私鑰”進行數字簽名且附上時間戳寫入區塊鏈，最后供消費者于手機/網頁端查詢溯源信息，其流程如圖3所示。

圖3 數據采集流程

此外，簡單基于區塊鏈技術的溯源體系仍存在一個問題，即以區塊鏈技術為基礎的前端信息處理系統，其前端的數據采集工作與傳統方式區別不大，都是以人工輸入的方式將相關信息輸入系統，因此區塊鏈技術能保證鏈上數據的真實性，但前端采集的信息可能具有一定的主觀性[9]。為限制最前端信息的虛假性，筆者團隊將基因芯片與區塊鏈技術相結合打造茶葉溯源體系，該溯源系統通過生物手段有效地解決了此問題。

3.1.4 區塊鏈架構

充分發揮區塊鏈不可篡改、易追溯等特點，結合物聯網、自身防偽和冷鏈物流等技術，利用區塊鏈的去中心化特點實現廠商、品牌商、零售商、消費者、監管部門和第三方檢測機構之間的信任共享。以區塊鏈為基礎的溯源體系，溯源信息的真實度已經得到了一層保障。

在區塊鏈技術下的茶葉溯源中，根據茶葉供應鏈各個環節的特點，在構建茶葉溯源區塊鏈結構體，確定種植到銷售每個階段的溯源記錄結構后，區塊鏈會整合茶葉全產業鏈的相關信息，自動生成一個溯源碼，加密并附上時間戳后上傳到區塊鏈云平臺，形成一個不可篡改的溯源信息。最后，以二維碼的形式展現給消費者，消費者在購買之前可通過掃描二維碼獲得云平臺記錄保存的溯源信息，了解該產品的產地、品種、質量等信息，且在購買后能夠迅速有效地對茶產品的溯源信息進行查詢，如圖4所示。

圖4 農產品區塊鏈溯源示意圖

3.1.5 溯源信息管理

將上傳至區塊鏈的茶葉生產鏈全過程的信息資料通過微信小程序和相關溯源App展現出來，用戶通過手機等掃描工具對標簽的二維碼進行掃描，可查詢到追溯產品的種植養護信息、產品信息、批次信息、生產檔案、保質期和檢測信息等全部內容。同時，該系統也力求與政府監管一起，維護溯源信息的及時性。

3.2 茶葉基因追溯系統設計（以西湖龍井為例）

3.2.1 西湖龍井茶全基因組測序

可組織當地專家選出十株純種的西湖龍井茶，采集基因樣本進行全基因組測序，獲得純種西湖龍井茶的全基因組數據。同時對其他各品種茶葉進行測序，建立茶葉全基因組序列數據庫。

3.2.2 西湖龍井茶同源分析

對西湖龍井茶的全基因組測序結果進行分析比較，分為三大類，即西湖龍井品系個體間比較基因組分析、西湖龍井與其他龍井品種的比較基因組分析、西湖龍井與其他不同品種茶葉間的基因組分析。

3.2.3 設計制作西湖龍井茶專屬基因芯片

該芯片以當前國際公認的西湖龍井茶的SNP位點與筆者團隊挖掘的SNP位點為基礎數據，通過對多個基因組測序數據進行比對分析，篩出西湖龍井茶特有的、遺傳穩定性高的SNP作為專屬基因芯片用于品種鑒定。同時可篩選多個特異性SNP位點，以順應基因的突變，既是以防萬一，又是多重保證。

3.2.4 西湖龍井茶大數據系統建設

已采集數據包括以下4個方面。①基因數據：全基因組測序數據、SNP位點數據。②表型數據：各株西湖龍井茶樹的株高、株寬、外形、病蟲害狀況和生長情況等信息。③品種數據：將各品種西湖龍井茶品種收集匯總，對其全基因組測序數據進行分析分辨，挖掘各品種間特異性SNP位點，利用SNP位點對其進行分類，便于后續防偽辨認茶葉品種。④原產地數據：采集各大西湖龍井產地的相關信息，包括該地歷史、地理位置、氣候等。

3.2.5 西湖龍井茶基因追溯系統建設

在開發出西湖龍井茶專屬基因芯片的基礎上，借助區塊鏈技術，搭建成熟的溯源鏈，形成閉環系統，建立官方認證的全產業鏈數字化系統，為政府監管、產業提升、市場養成搭建集溯源保真、電商應用、精準監管于一體的品種大數據平臺。

3.3 溯源平臺的其他功能

平臺通過對高端茶葉全產業鏈溯源，給予客戶溯源信息查詢，同時提供第三方基因檢服務。該服務為溯源保真砌上了最后一堵墻，消費者若對最后到手的茶葉仍不放心，可通過平臺申請基因檢測，確保茶葉的真正高品質，為消費者提供最優質的服務。

4 結語

將生物技術結合物聯網技術與茶葉產業相融合，推動構建一個加入第三方基因抽樣環節的茶葉質量監管系統，實現茶葉質量安全的精準監測和高效管理，不僅為消費者提供了有效服務，也給生物技術公司帶來有效的收益，同時更加有效地發揮了政府在其中的監督作用，完美避免了區塊鏈前端人工錯誤輸入生產鏈信息的狀況，讓溯源的真實性、可信度到達一個新的高度。

此外，對于茶葉法定專用標識的制定，可與溯源二維碼相結合，通過區塊鏈中溯源信息與實物的對應和政府監督力度的提高來完成專用標識和溯源平臺的雙重保障。也可將生物技術和物聯網技術的結合推廣至其他農產品的溯源，切實推進國家農產品溯源產業的發展，讓消費者購買到真正高品質的農產品。