基因芯片+区块链的高端茶叶可追溯平台

傅虹凯

（浙江农林大学 园艺科学学院，浙江临安 311300）

茶是世界三大饮料之一。随着人们生活水平的提高，对茶叶质量安全提出了更高的要求，更多人将消费目标从大宗茶转向名茶、有机茶。但近年来，国内外茶叶质量安全问题频发，溯源信息造假，消费者对商家的信任度不断下降，对茶叶溯源保真问题的重视程度逐渐提高。本文以浙江西湖龙井茶为研究对象，运用基因芯片技术并结合区块链技术，推动茶叶溯源的发展，让茶桌上的茶真正有源可溯[1]。

1 研究背景

1.1 茶叶溯源现状

截至目前，国内的茶叶溯源管理主要运用到物联网技术、集成大数据和移动App应用等手段，茶叶溯源呈现的是信息后台导入、二维码溯源的现状，即后台通过集中式数据库记录茶叶的种植、采摘、加工、仓储、物流和销售等环节的溯源信息，最后通过移动App进行查询。

1.2 茶叶溯源过程中存在的问题

茶叶溯源涉及的全产业链过程错综复杂，溯源信息和溯源系统的真实性、准确性、可靠性难以保障。传统的溯源系统采用中心化系统，很多溯源信息都是由企业提供，没有有效机制的监督，更没有第三方专业检测机构的检验，因此在没有消费者真实参与其生产过程的情况下，溯源似乎成为不良商家的一大营销手段。目前市场主要通过扫描产品二维码来获得产品的相关信息，但二维码提供的产品信息的真伪鉴定需要进一步研究。

此外，政府等权威机构给出的茶叶法定专用标识存在问题。专用标识作为一个可复制、移动的标签，个别不良商家进行了盗用和买卖专用标识，生产假冒伪劣产品，将茶叶法定专用标识粘贴于假冒伪劣产品中，破坏了原商品的品牌价值，损坏了消费者的权益。

2 溯源体系的关键技术

2.1 SNP位点

单核苷酸多样性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）主要是指在基因组水平上由单个核苷酸替换以及较短片段的插入或缺失所引起的DNA序列多样性，即在不同个体的同一条染色体或同一位点的核苷酸序列中，绝大多数核苷酸序列一致而只有一个碱基不同的现象[2]。此次研究利用不同茶叶品种个体中找出的相对应的一段核苷酸序列，该序列绝大多数都一致，只有一个碱基不一致，将其标记为SNP位点。

2.2 基因芯片技术

基因芯片是以基因连锁、限制性长度的多态性及连锁不平衡等基因定位方法为基础，以同源DNA分子杂交为基本工作原理而设计的检测方法[3]。其测序原理是杂交测序方法，在茶叶溯源上，此次研究通过基因芯片技术对在茶叶上开发的SNP进行检测，即将已发掘的SNP位点作为已知序列设计其探针DNA，根据碱基互补原则，用荧光标记来显示检测对象中是否含有所要找的SNP，以此来确定茶叶的真伪[4]。

2.3 区块链技术

区块链技术是由多个被称为区块的数据结构链接而成的分布式数据库，与传统数据库具有明显特征的区别，其具有去中心化、信息不可篡改、公开性、安全性和可追溯性等特点，对于茶叶这种具有高附加值的农产品来说有重大意义。传统的溯源主要采用溯源数据集中存储模式，基于区块链的溯源体系相较于传统溯源的优势是溯源信息去中心化存储，极大程度增加了数据的共享性；溯源信息的不可篡改，提高了信息数据的真实性和可靠性。当数据输入区块链的同时，也将被赋予“时间戳”，以便后期信息的查询和比对[5-8]。

3 茶叶溯源体系的设计

3.1 溯源平台设计整体思路

3.1.1 逻辑架构

逻辑架构是数据来源、数据流向、逻辑关系、呈现方式和应用等方面的综合反映，是溯源体系内部数据输入传出的整体构架，为后续溯源平台建设提供理论基础，其架构如图1所示。

图1 逻辑架构图

3.1.2 数据架构

数据架构是围绕茶叶产地、加工企业、交通运输和销售渠道等数据环节以及各环节基因抽检信息，形成从茶园到茶杯的全流程闭环，最终将各环节数据进行整合的路径，其架构如图2所示。

图2 数据架构图

3.1.3 数据采集

通过条形码、二维码或者防伪标签对个体进行唯一标示，通过对标识的扫描识别对应茶叶，后将茶叶在种植、栽培、加工、运输和营销等过程的信息，以及各环节的基因抽样检测结果，由各对应主体使用标明身份的“私钥”进行数字签名且附上时间戳写入区块链，最后供消费者于手机/网页端查询溯源信息，其流程如图3所示。

图3 数据采集流程

此外，简单基于区块链技术的溯源体系仍存在一个问题，即以区块链技术为基础的前端信息处理系统，其前端的数据采集工作与传统方式区别不大，都是以人工输入的方式将相关信息输入系统，因此区块链技术能保证链上数据的真实性，但前端采集的信息可能具有一定的主观性[9]。为限制最前端信息的虚假性，笔者团队将基因芯片与区块链技术相结合打造茶叶溯源体系，该溯源系统通过生物手段有效地解决了此问题。

3.1.4 区块链架构

充分发挥区块链不可篡改、易追溯等特点，结合物联网、自身防伪和冷链物流等技术，利用区块链的去中心化特点实现厂商、品牌商、零售商、消费者、监管部门和第三方检测机构之间的信任共享。以区块链为基础的溯源体系，溯源信息的真实度已经得到了一层保障。

在区块链技术下的茶叶溯源中，根据茶叶供应链各个环节的特点，在构建茶叶溯源区块链结构体，确定种植到销售每个阶段的溯源记录结构后，区块链会整合茶叶全产业链的相关信息，自动生成一个溯源码，加密并附上时间戳后上传到区块链云平台，形成一个不可篡改的溯源信息。最后，以二维码的形式展现给消费者，消费者在购买之前可通过扫描二维码获得云平台记录保存的溯源信息，了解该产品的产地、品种、质量等信息，且在购买后能够迅速有效地对茶产品的溯源信息进行查询，如图4所示。

图4 农产品区块链溯源示意图

3.1.5 溯源信息管理

将上传至区块链的茶叶生产链全过程的信息资料通过微信小程序和相关溯源App展现出来，用户通过手机等扫描工具对标签的二维码进行扫描，可查询到追溯产品的种植养护信息、产品信息、批次信息、生产档案、保质期和检测信息等全部内容。同时，该系统也力求与政府监管一起，维护溯源信息的及时性。

3.2 茶叶基因追溯系统设计（以西湖龙井为例）

3.2.1 西湖龙井茶全基因组测序

可组织当地专家选出十株纯种的西湖龙井茶，采集基因样本进行全基因组测序，获得纯种西湖龙井茶的全基因组数据。同时对其他各品种茶叶进行测序，建立茶叶全基因组序列数据库。

3.2.2 西湖龙井茶同源分析

对西湖龙井茶的全基因组测序结果进行分析比较，分为三大类，即西湖龙井品系个体间比较基因组分析、西湖龙井与其他龙井品种的比较基因组分析、西湖龙井与其他不同品种茶叶间的基因组分析。

3.2.3 设计制作西湖龙井茶专属基因芯片

该芯片以当前国际公认的西湖龙井茶的SNP位点与笔者团队挖掘的SNP位点为基础数据，通过对多个基因组测序数据进行比对分析，筛出西湖龙井茶特有的、遗传稳定性高的SNP作为专属基因芯片用于品种鉴定。同时可筛选多个特异性SNP位点，以顺应基因的突变，既是以防万一，又是多重保证。

3.2.4 西湖龙井茶大数据系统建设

已采集数据包括以下4个方面。①基因数据：全基因组测序数据、SNP位点数据。②表型数据：各株西湖龙井茶树的株高、株宽、外形、病虫害状况和生长情况等信息。③品种数据：将各品种西湖龙井茶品种收集汇总，对其全基因组测序数据进行分析分辨，挖掘各品种间特异性SNP位点，利用SNP位点对其进行分类，便于后续防伪辨认茶叶品种。④原产地数据：采集各大西湖龙井产地的相关信息，包括该地历史、地理位置、气候等。

3.2.5 西湖龙井茶基因追溯系统建设

在开发出西湖龙井茶专属基因芯片的基础上，借助区块链技术，搭建成熟的溯源链，形成闭环系统，建立官方认证的全产业链数字化系统，为政府监管、产业提升、市场养成搭建集溯源保真、电商应用、精准监管于一体的品种大数据平台。

3.3 溯源平台的其他功能

平台通过对高端茶叶全产业链溯源，给予客户溯源信息查询，同时提供第三方基因检服务。该服务为溯源保真砌上了最后一堵墙，消费者若对最后到手的茶叶仍不放心，可通过平台申请基因检测，确保茶叶的真正高品质，为消费者提供最优质的服务。

4 结语

将生物技术结合物联网技术与茶叶产业相融合，推动构建一个加入第三方基因抽样环节的茶叶质量监管系统，实现茶叶质量安全的精准监测和高效管理，不仅为消费者提供了有效服务，也给生物技术公司带来有效的收益，同时更加有效地发挥了政府在其中的监督作用，完美避免了区块链前端人工错误输入生产链信息的状况，让溯源的真实性、可信度到达一个新的高度。

此外，对于茶叶法定专用标识的制定，可与溯源二维码相结合，通过区块链中溯源信息与实物的对应和政府监督力度的提高来完成专用标识和溯源平台的双重保障。也可将生物技术和物联网技术的结合推广至其他农产品的溯源，切实推进国家农产品溯源产业的发展，让消费者购买到真正高品质的农产品。