江西名茶中Cr、Ni和Co 3種重金屬元素含量的比較分析

柯法鈞，王 丹，洪艷平，陳薪竹，王玉波，楊武英

（江西農(nóng)業(yè)大學南昌市農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點實驗室/食品科學與工程學院，江西南昌 330045）

【研究意義】茶葉中富含兒茶素、咖啡堿、茶多酚、膽甾烯酮、肌醇、葉酸等活性成分以及人體所需的鉀、鈣、鎂、鈉、銅、鐵、碘、錳、鋅等多種有益礦物質(zhì)元素，具有抗氧化、防衰老、抗輻射、提高免疫力、減肥、抗過敏、降血糖、降血脂等多種功效，備受人們歡迎[1-5]。但茶樹在生長過程中容易吸附土壤中重金屬等有毒有害的物質(zhì)。通過食物鏈進入人體后會作用于全身各系統(tǒng)和器官導致一系列疾病的發(fā)生[6-9]。鉻元素在三價時是人體必需的微量元素，參與體內(nèi)脂肪和糖的代謝，與鎂一起協(xié)同糖類的轉化，促進生長發(fā)育，有利于抗衰老，但鉻攝入過量會產(chǎn)生毒害，尤其是六價鉻，其毒性比三價鉻大100倍，且人體對三價鉻的吸收較弱，六價鉻比三價鉻更易吸收，長期過量接觸鉻對人體的肝臟、腎臟及鼻腔均有一定影響，可能誘發(fā)鼻咽癌或肺癌[10-11]。鎳元素是人體必需的微量元素，參與人體酶的代謝和組成，可以促進胰腺發(fā)育，促進紅細胞的再生，可以用于治療貧血和肝硬化，但是鎳也是重金屬，攝入過量會導致細胞癌變[12]。鈷是人體必需的微量元素，廣泛分布于全身，鈷元素是唯一一種在一定形式下才具有活性的微量元素，即形成氰鈷氨（維生素B12）才能起作用，鈷對機體的生長、發(fā)育、碳水化合物和蛋白質(zhì)的代謝都有重要的作用。攝入過多的鈷對人體也有害，可引起紅細胞增多癥（紅細胞生成過多或破壞減少），并且含有高濃度的血紅蛋白還會引起胃腸功能紊亂、耳聾、甲狀腺增生、碘吸收減少、心肌缺血，嚴重的甚至引起心肌炎[13-14]。江西地處長江中游，風景秀麗、氣候溫和、土壤肥沃、雨量充沛，是茶樹優(yōu)越的環(huán)境生長地，有著悠久的種茶產(chǎn)茶歷史，是全國茶葉種植、生產(chǎn)銷售的重要基地，種植的茶葉品質(zhì)甚優(yōu)，口感細膩。其中遂川狗牯腦、靖安白茶、修水寧紅、武夷紅茶、浮瑤仙芝、婺源毛尖、廬山云霧，井岡翠綠等均是江西代表性優(yōu)質(zhì)茶，曾先后被評為江西名茶。近年來隨著大氣污染和土壤污染現(xiàn)象日益嚴重，導致我國茶葉中存在的重金屬等有害物質(zhì)含量有逐年增加的趨勢，茶葉質(zhì)量安全性降低，嚴重影響了我國茶葉的進出口貿(mào)易[15-19]?！厩叭搜芯窟M展】目前對江西名茶的種質(zhì)資源、種植條件、茶葉加工等方面已經(jīng)有所研究和探討，但對江西名茶中有毒重金屬元素含量系統(tǒng)性的測定尚未見報道[20-21]。因此測定江西茶葉中各重金屬元素的含量對于研究江西茶業(yè)的種植和加工具有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】本研究通過正交試驗法優(yōu)化Ni、Co和Cr元素石墨爐原子吸收光譜法工作條件，在最佳儀器工作條件下繪制元素的標準曲線，考察所建立方法的檢出限、精密度，然后優(yōu)化前處理條件，在優(yōu)選的前處理條件下，測定樣品加標回收率，考察建立方法的準確度，最后利用建立的方法測定8 種江西名茶中3 種重金屬元素的含量并進行比較分析?！緮M解決的關鍵問題】本研究為促進江西省茶產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)性發(fā)展具有現(xiàn)實指導意義，同時也可為人們?nèi)粘ｏ嫴柽x擇提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

井岡翠綠、靖安白茶、武夷紅茶、廬山云霧、婺源毛尖、浮瑤仙芝、修水寧紅和遂川狗牯腦樣品均購于江西省南昌市鹿鼎國際茶葉城。

各元素標準儲備液購于國家化學試劑質(zhì)檢中心。所用試驗試劑均為國產(chǎn)分析純。所用玻璃儀器以及瓷坩堝均用10%硝酸浸泡過夜，先用蒸餾水沖洗多次，再用超純水沖洗，烘干后備用。WND-200型粉碎機（浙江省蘭溪市佛能達電器有限公司）；SX2-6-13 型馬弗爐（上海嘉展儀器設備有限公司）；101-4-BS 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海躍進醫(yī)療器械）；A3 系列原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；LTL-MF4型元素空心陰極燈（北京瑞利普光電器件廠）。

1.2 各元素儀器最佳工作條件的優(yōu)選

石墨爐原子吸收法具有進樣量較少、檢出限較低、靈敏度較高、操作較簡便、結果較穩(wěn)定、準確度良好等優(yōu)點，影響石墨爐原子吸收主要因素[22-23]是石墨爐的升溫程序，升溫程序包括4個階段：干燥、灰化、原子化和去殘，其中灰化和原子化的時間和溫度的選擇對實驗結果影響較大[24]。取各元素一定濃度的標準溶液，3種礦物質(zhì)元素均采用三水平四因素正交試驗設計方法確定Ni、Co和Cr元素石墨爐原子吸收法最佳儀器工作條件，各元素石墨爐法正交試驗因素水平見表1。

表1 石墨爐原子吸收法正交試驗因素水平表Tab.1 Factor level of orthogonal experiment about graphite furnace atomic absorption spectrometry method

1.3 標準曲線的建立和檢出限的測定

取一定體積的各元素標準貯備液（1 mg/mL）于50 mL 容量瓶中，用5%的硝酸溶液稀釋定容成不同濃度梯度的標準工作溶液，于1.2確定的最佳儀器工作條件下測定吸光值，并繪制標準工作曲線，同時得到線性回歸方程及相關系數(shù)R2。并分別對空白溶液測定10 次，得到各元素對應的檢出限。檢出限計算公式如下：

式（1）中：DL表示檢出限，S為示標準偏差，K為標準曲線斜率。

1.4 精密度試驗

分別取6個不同濃度梯度的各元素標準工作溶液用石墨爐原子吸收光譜法分析，每個濃度重復10次，對得到的數(shù)據(jù)進行批次內(nèi)差異分析，考察方法的精密度。

1.5 樣品前處理方法的優(yōu)選

選取8 種茶葉中的一種（遂川狗牯腦）用濕法消解、干法灰化和微波消解3 種方法分別進行前處理，于1.2優(yōu)選出的儀器最佳工作條件下測定各元素含量，并比較3種前處理方法的測定結果，優(yōu)選出其中較好的前處理方法。

1.5.1 濕法消解法 準確稱取選定的樣品茶葉1.000 g 2 份，分別置于凱氏燒瓶中，再加15 mL 混合酸（HNO3-HClO44∶1）消解液，保鮮膜封口，浸泡過夜，次日在電爐上加熱消解，消解至白煙出現(xiàn)，隨后減少，待消解液呈無色透明或略顯黃色即可。冷卻后用少量去離子水多次洗滌，轉移至50 mL 容量瓶中，定容，同時做試劑空白對照。

1.5.2 干法灰化法 準確稱取選定的樣品茶葉1.000 g 2 份，分別置于瓷坩堝中。先在電爐上用小火炭化至無煙，再放入馬弗爐中逐級升溫至550 ℃，高溫灰化4～5 h，冷卻后取出。若灰化不徹底，加幾滴硝酸潤濕，再置于電爐上小火蒸干后放入馬弗爐中再次灰化。然后取出試樣，加入0.5 mol/L硝酸溶液10 mL，使其溶解，再用0.5 mol/L 硝酸溶液少量多次洗滌坩堝，小心轉移至50 mL 容量瓶中，定容，搖勻，同時做空白對照。

1.5.3 微波消解法 準確稱取選定的樣品茶葉1.000 g 2 份，分別置于25 mL 聚四氟乙烯微波消解罐中，先加入混合酸（HNO3-HClO44∶1）消解液15 mL，嚴格按照微波消解的運行步驟消解試樣（中火，4 min）。冷卻后取出，在電熱板上于140～160 ℃趕酸至2.5～5.0 mL。待消解罐冷卻后，將消化液轉移至50 mL 容量瓶中，用水少量多次洗滌消解罐，合并洗滌液，定容，同時做空白試驗。

1.6 加標回收實驗

準確稱取1.000 g 同種干燥茶葉樣品（遂川狗牯腦）6 份，其中2 份為對照，剩余4 份分成2 組，每組加入不同水平的標準品，每個水平2個平行樣，采用1.5優(yōu)選出的最佳前處理方法處理樣品，然后轉移定容于50 mL 容量瓶中，再采用1.2 優(yōu)選出的石墨爐原子吸收光譜法的儀器最佳工作條件測定6 份茶葉樣品中各元素的含量。加標回收率計算公式如下：

1.7 8種江西名茶中3種礦物質(zhì)元素含量的測定和比較分析

準確稱取浮瑤仙芝、廬山云霧、武夷紅茶、遂川狗牯腦、井岡山翠綠、修水寧紅、靖安白茶和婺源毛尖8種江西名茶的干燥樣品各1.000 g，采用1.5優(yōu)選出的最佳前處理方法處理樣品，然后轉移定容至50 mL容量瓶中，再采用1.2 優(yōu)選出的石墨爐原子吸收光譜法的儀器最佳工作條件測定8 種茶葉樣品中Ni、Co和Cr 3種礦物質(zhì)元素的含量（測量Cr時加入基體改進劑[25]）。同法做平行實驗（次數(shù)=3）和試劑空白對照實驗。8種江西名茶中各元素含量的計算公式如下：

式（3）中：X為試樣中各元素含量，單位為（mg/kg或mg/L）；C1為試樣消化液中各元素含量，單位為ng/mL；C0為空白液中各元素含量，單位為ng/mL；V為試樣消化液定容總體積，單位為mL；m為試樣質(zhì)量或體積，單位為g或mL；1 000為換算系數(shù)。

1.8 數(shù)據(jù)處理

所有實驗數(shù)據(jù)用DPS統(tǒng)計軟件與Excel軟件進行分析處理，試驗結果用（均值±標準誤差）表示。

2 結果與分析

2.1 3種重金屬元素最佳儀器工作條件優(yōu)選

Cr、Ni 和Co 3 種礦物質(zhì)元素石墨爐原子吸收光譜法最佳工作條件優(yōu)選結果見表2、3 和4。由表2、3 和4 可知Cr 元素的石墨爐原子吸收法的儀器最佳工作條件為灰化溫度700 ℃，灰化時間13 s，原子化溫度2 300 ℃，原子化時間3 s；Ni 元素的石墨爐原子吸收光譜法的儀器最佳工作條件為灰化溫度900 ℃，灰化時間8 s，原子化溫度2 200 ℃，原子化時間為3 s；Co 元素的石墨爐原子吸收法的儀器最佳工作條件為灰化溫度900 ℃，灰化時間12 s 原子化溫度2 000 ℃，原子化時間4 s。由表2、3 和4 可知儀器工作條件中對Cr 元素測定結果影響最大的是原子化溫度，其次是原子化時間，然后是灰化溫度，最后是灰化時間；對Ni 元素測定結果影響最大的是原子化溫度，其次是灰化溫度，然后是原子化時間，最后是灰化時間；對Co 元素測定結果影響最大的是原子化時間，其次是灰化溫度，然后是灰化時間，最后是原子化溫度。

表2 Cr元素正交試驗極差分析結果Tab.2 The range analysis results of orthogonal experiment for Cr element

表3 Ni元素正交試驗極差分析結果Tab.3 Range analysis results of Ni element orthogonal test

表4 Co元素正交試驗極差分析結果Tab.4 The range analysis results of orthogonal experiment for Co element

2.2 標準曲線和檢出限

在實驗選定的最佳儀器工作條件下，將Cr、Ni 和Co 3 種礦物質(zhì)元素的不同濃度的標準溶液用石墨爐原子吸收法測定其吸光度，利用測得的吸光度繪制各元素的標準曲線。為了檢驗方法的可行性，連續(xù)10 次測定各元素和空白溶液的吸光值，得到各元素對應的檢出限。各元素標準曲線的線性回歸方程、相關系數(shù)和檢測限結果如表5 所示。由表5 可知各元素在各自濃度范圍內(nèi)線性關系良好，相關系數(shù)為0.994 6～0.999 3，均符合要求；3 種礦物質(zhì)元素的檢出限為0.88～5.625 ng/mL，其中Cr 的檢出限為5.625 ng/mL，比GB 5009.123—2014各類食品中Cr的石墨爐法測定檢出限（0.01 mg/kg）還低；石墨爐法Ni的檢出限為3.38 ng/mL，比GB 5009.138—2017 茶葉中Ni 的石墨爐法測定檢出限（0.02 mg/L）還低；石墨爐法Co的檢出限為0.88 ng/mL，比HJ 985—2018水質(zhì)中Co的石墨爐法測定檢出限（2μg/L）還低，說明本研究建立的檢出限均符合要求[26-28]。

表5 各金屬元素標準曲線及檢出限Tab.5 Standard curve and detection limit of each metal elementng/mL

2.3 精密度實驗結果

各元素精密度實驗結果如表6 所示，由表6 數(shù)據(jù)可知，3 種礦物質(zhì)元素精密度實驗的RSD在3.93%～8.06%，均符合要求。

2.4 樣品前處理條件的優(yōu)化

干法灰化、濕法消解和微波消解法的比較結果如表7所示，由表7可知，采用微波消解法對茶葉樣品進行前處理的空白值較低，檢測結果更佳，且更易于操作，短時間內(nèi)能達到很好的消化效果，大大提高了工作效率，故選擇微波消解法進行前處理來做后續(xù)的加標回收試驗和茶葉樣品中Cr、Ni和Co 3種礦物質(zhì)元素含量的測定。

表6 精密度實驗結果（n=10）Tab.6 The results of precision experiment

表7 前處理方法測定結果（n=3）Tab.7 The determination results of pretreatment methodsmg/kg

2.5 加標回收實驗結果

加標回收實驗結果如表8所示，由表8可知，采用本研究建立的石墨爐原子吸收法測定Cr、Ni和Co 3種礦物質(zhì)元素含量，得到的加標回收率為70.02%～93.50%，RSD都小于7%，均符合要求。

表8 加標回收試驗結果（n=3）Tab.8 The results of spiked recovery experiment

2.6 樣品中各元素含量的測定結果及比較分析

8種江西名茶中3種重金屬元素含量結果如表9所示，由表9可知，不同品種茶葉中各元素含量略有差異，具體表現(xiàn)為Cr含量最高的是廬山云霧為1.621 mg/kg，最低的是修水寧紅為1.015 mg/kg；Ni含量最高的是井岡翠綠為10.697 mg/kg 左右，最低的是武夷紅茶為3.917 mg/kg；Co 含量最高的是井岡翠綠為1.133 mg/kg，最低的是靖安白茶為0.524 mg/kg。農(nóng)業(yè)部頒布的茶葉中Cr 限量標準為5 mg/kg，本實驗測得的8種江西名茶中Cr含量都低于該限量標準，符合食用要求[29]。由于我國對于茶葉衛(wèi)生標準的制定還不夠完善，目前尚無Ni和Co的限量標準可供引用。

在8種江西名茶中，Cr含量由大到小依次為廬山云霧、靖安白茶、遂川狗牯腦、井崗翠綠、浮瑤仙芝、武夷貢茶、婺源毛尖和修水寧紅；Ni元素含量由大到小依次為：井岡翠綠、婺源毛尖、浮瑤芝茶、遂川狗牯腦、修水寧紅、靖安白茶、廬山云霧和武夷紅茶；Co元素含量由大到小依次為井崗翠綠、婺源毛尖、浮瑤仙芝、修水寧紅、遂川狗牯腦、武夷紅茶、廬山云霧和靖安白茶。8種江西名茶中各元素含量有一定的差異，究其原因，可能與茶葉品種、產(chǎn)地、種植條件、加工方式等因素有關。此外，不同元素在不同品種茶葉中含量有較大差異，有的差異不明顯。如Cr元素除在婺源毛尖、武夷貢茶、浮瑤仙芝中含量有顯著性外，其余品種中均不顯著；Ni元素在不同品種間均不顯著；Co元素除在婺源毛尖、廬山云霧、靖安白茶中含量有顯著性外，其余品種中均不顯著。

綜上所述，不同品種江西名茶中所含重金屬元素含量各不相同，人們應盡量避免長期飲用同一種茶葉，以免引起某種重金屬元素含量的逐漸累積，超出規(guī)定的限量時，會對人體健康造成一定的影響。同時，泡茶用的茶葉量不宜過多，泡茶時間不宜過長，少飲濃茶，適當洗茶的習慣可在一定程度上降低茶葉浸出液中元素含量。總體來看8種江西名茶中3種重金屬元素含量均較低，可放心飲用。本研究對8種江西名茶中3種重金屬元素含量的測定研究結果，對江西省茶葉質(zhì)量控制及茶飲品的合理開發(fā)具有重要意義，同時也為人們健康安全飲茶提供了有益參考。

表9 8種江西名茶中3種礦物質(zhì)元素含量檢測結果（n=3）Tab.9 The test results of there mineral elements in eight kinds of Jiangxi famous teamg/kg

3 結論

本研究利用微波消解法對遂川狗牯腦、靖安白茶、修水寧紅、武夷紅茶、浮瑤仙芝、婺源毛尖、廬山云霧，井岡翠綠等江西名茶葉樣品進行前處理，建立了8 種江西名茶中Cr、Ni 和Co 3 種重金屬元素含量的石墨爐原子吸收光譜法，利用建立的方法分別測定了8 種江西名茶中各元素含量并進行了比較分析，結果表明不同品種茶葉中所含3 種重金屬元素含量存在一定的差異顯著性，由大到小依次為Ni、Cr和Co，其中Ni 元素含量最高的是婺源毛尖；Cr 元素含量最高的是廬山云霧；Co 元素含量最高的是井岡翠綠，但3 種礦物質(zhì)元素的含量均較低，可放心飲用。說明8 種江西名茶產(chǎn)地環(huán)境條件優(yōu)越，空氣、土壤和水源均未受到污染，適合茶葉的生產(chǎn)種植。本研究建立的茶葉中Cr、Ni 和Co 3 種重金屬元素含量的石墨爐原子吸收光譜法具有選擇性好，靈敏度高，可同時測定的優(yōu)點。本研究不僅為江西省茶葉種植、加工、品質(zhì)控制及日常飲茶選擇提供了科學依據(jù)，還對促進江西省茶產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)性發(fā)展具有現(xiàn)實指導意義。