茶鮮葉中金屬元素含量影響因素研究

朱鵬飛，于春娣，唐娟，趙皓卿，丁秋嫻，楊慶利，趙海燕

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266109）

茶葉在中國(guó)具有豐富的資源優(yōu)勢(shì)、文化底蘊(yùn)和消費(fèi)傳統(tǒng)，也是中國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)匯商品[1]。茶文化已成為中國(guó)傳統(tǒng)文化的重要組成部分，隨著近年來(lái)大量有關(guān)喝茶有利人體健康的科學(xué)研究，國(guó)內(nèi)茶葉消費(fèi)不斷增長(zhǎng)[2]。茶鮮葉中的化學(xué)成分高達(dá)600余種[3]，除含有蛋白質(zhì)和氨基酸等有機(jī)化合物之外，還含有多種金屬元素，如 Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mo等[4-5]。這些金屬元素會(huì)對(duì)人體健康造成一定的影響。因此，檢測(cè)并分析茶鮮葉中的金屬元素的含量，有著重要的意義與應(yīng)用價(jià)值[6]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在茶葉中微量元素含量的分析[7-13]，利用礦物質(zhì)元素對(duì)茶葉進(jìn)行產(chǎn)地溯源[14-18]以及對(duì)茶葉的真?zhèn)芜M(jìn)行鑒定[19]。有研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中微量元素含量與茶葉產(chǎn)地來(lái)源密切相關(guān)，不同產(chǎn)地種源土壤中微量元素含量是茶葉微量元素的主要來(lái)源之一[14]。受茶葉的化學(xué)組分及代謝的影響，不同品種間微量元素含量差異較大[20]。因不同季節(jié)的溫度、降水量和光照時(shí)間等有明顯差異，季節(jié)變化對(duì)茶葉微量元素含量也具有顯著影響[21-23]。目前鮮有對(duì)茶鮮葉中金屬元素含量影響因素及其交互作用的綜合探究。

對(duì)于茶葉中金屬元素含量的探究，通常采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）。ICP-MS 是一項(xiàng)常用技術(shù)，具有抗干擾、靈敏度高、多元素同時(shí)分析以及在復(fù)雜機(jī)體中能準(zhǔn)確分析痕量元素等特點(diǎn)[24]。本研究主要通過(guò)ICPMS 檢測(cè)茶鮮葉中的金屬元素 Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn和Mo的含量，分析茶鮮葉產(chǎn)地、品種以及收獲季節(jié)對(duì)金屬元素含量的影響，解析茶鮮葉中金屬元素與種源土壤相關(guān)元素含量間的關(guān)系，解析各影響因素對(duì)各元素含量變異的貢獻(xiàn)率，以期為研究茶鮮葉中的金屬元素含量提供理論基礎(chǔ)與科研依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶鮮葉：分別于2016年的春季（3月）、夏季（6月）和秋季（9月）從青島市、合肥市和杭州市采集茶樹(shù)樹(shù)齡相同的樣品（安吉白茶、烏牛早茶、平陽(yáng)特早茶），每份樣品在枝干末端采摘成熟度相似的第一葉葉片，采集約100 g。對(duì)每個(gè)地區(qū)每季的每個(gè)品種樣品各采摘3份，共收獲81份茶鮮葉樣品；土壤樣品：通過(guò)土鉆采集土壤樣品，以茶樹(shù)種植點(diǎn)為采樣中心，保證每個(gè)茶鮮葉樣品與其種源土壤對(duì)應(yīng)，采樣深度為0～20 cm，在每個(gè)采樣點(diǎn)用四分法采集土樣約250 g，共采集81份土樣。最終收集的所有樣品分類(lèi)，標(biāo)注信息后保存在聚乙烯袋中備用。

硝酸（BV-III級(jí)）、過(guò)氧化氫（BV-III級(jí)）、高氯酸（BV-III級(jí)）、氟化氫（BV-III級(jí)）：北京化學(xué)試劑研究所；去離子水（電阻率18.2 MΩ·cm）：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院；茶葉標(biāo)準(zhǔn)物、土壤標(biāo)準(zhǔn)物、內(nèi)標(biāo)（72Ge、115In、209Bi）、外標(biāo)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心。

1.2 儀器與設(shè)備

Milli-Q超純水系統(tǒng)：美國(guó)Millipore公司；DHG-9240A型恒溫干燥箱：北京中儀國(guó)科科技有限公司；DV4000型精確控溫電熱消解儀：北京安南科技有限公司；CEM Mars240/50微波消解儀：美國(guó)CEM公司；7700型電感耦合等離子體質(zhì)譜：美國(guó)Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

1.3.1.1 茶鮮葉樣品預(yù)處理

用去離子水徹底清洗茶鮮葉，去除表面的雜質(zhì)污染，樣本在70℃下干燥12 h至恒重后，用研缽研磨成細(xì)粉，過(guò)100目篩網(wǎng)后放入聚乙烯袋中備檢。隨后進(jìn)行微波消解，稱(chēng)取茶鮮葉粉末0.250 0 g，放入25 mL聚四氟乙烯消解管中，加入6 mL的硝酸，蓋上蓋子，反應(yīng)1 h；再加入2 mL的過(guò)氧化氫，反應(yīng)30 min。放入微波消解儀中進(jìn)行微波消解，在微波消解系統(tǒng)中逐步升高功率至1 600 W，溫度設(shè)置為180℃，消解時(shí)間40 min，按照消解程序設(shè)定步驟進(jìn)行升溫消解。待消解結(jié)束后，將混合物置于電熱消解儀，以180℃的溫度蒸發(fā)至接近干燥，冷卻至室溫（25℃）后轉(zhuǎn)移到容量瓶中，用超純水調(diào)節(jié)溶液至100 mL備用[25]。

1.3.1.2 土壤樣品預(yù)處理

土壤樣品室溫（25℃）干燥1周后，用2 mm的聚乙烯篩對(duì)土壤中的碎石、根等雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，隨后將土壤樣品研磨成細(xì)粉，過(guò)100目篩后放入聚乙烯袋。對(duì)土壤樣品進(jìn)行消解。稱(chēng)取土壤樣品約0.250 0 g，放入微波消解管中，加入8mL硝酸和2mL氟化氫后放在消解儀中反應(yīng)。在微波消解系統(tǒng)中，功率增加至1600 W，溫度設(shè)定為120℃，消解時(shí)間10 min，按照步驟進(jìn)行升溫消解。待消解結(jié)束后，將混合物置于電熱消解儀上進(jìn)行趕酸，以180℃的溫度蒸發(fā)至接近干燥，冷卻至室溫（25℃）后轉(zhuǎn)移到容量瓶中，用超純水定容至100 mL備用。

1.3.2 金屬元素含量檢測(cè)

利用ICP-MS測(cè)定茶鮮葉中的9種金屬元素（Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn 和 Mo）含量。參數(shù)如下：射頻功率1 280 W，載氣及輔助氣體流速1.0 L/min，等離子體氣體流速15 L/min，霧化室溫度2℃。以72Ge、115In、209Bi為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)，對(duì)每種樣品或標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行3次測(cè)定。當(dāng)內(nèi)標(biāo)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差＞5%時(shí)，重新對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS 25.0軟件，對(duì)測(cè)定的茶鮮葉金屬元素含量進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析。分析采用單因素方差分析、多因素方差分析和Pearson相關(guān)分析。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)確度分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物的檢測(cè)結(jié)果，參照茶葉標(biāo)準(zhǔn)樣品和土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品，其回收率在91%～109%，標(biāo)準(zhǔn)偏差＜10%，充分說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。

2.2 不同產(chǎn)地茶鮮葉中金屬元素含量的影響因素分析

2.2.1 不同產(chǎn)地茶鮮葉中金屬元素含量的變異分析

為研究產(chǎn)地對(duì)茶鮮葉中金屬元素含量的影響，將81份茶鮮葉樣品按產(chǎn)地劃分3類(lèi)，不同產(chǎn)地茶鮮葉中的金屬元素含量見(jiàn)表1。

表1 不同產(chǎn)地茶鮮葉中金屬元素含量Table 1 The concentrations of metal elements in tea leaves from different origins

由表 1 可知，元素 Na、Ca、Fe、Co、Cu 和 Zn 的含量在3個(gè)產(chǎn)地間差異極顯著（P＜0.01），元素Mg和K含量在3個(gè)產(chǎn)地間存在差異顯著（P＜0.05），元素Mo含量在3個(gè)產(chǎn)地間差異不顯著。結(jié)果表明產(chǎn)地影響茶鮮葉中某些金屬元素的含量。聶晶等[26]研究發(fā)現(xiàn)山東省不同市茶葉中Mg、K、Ca、Fe、Cu和Zn含量均表現(xiàn)出一定的差異性；Ma等[27]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地茶葉中Na、Mg和Cu的含量存在顯著差異，這與本研究結(jié)果一致。

為探究3個(gè)產(chǎn)地兩兩之間茶鮮葉金屬元素含量的差異，進(jìn)行了Duncan多重比較。結(jié)果表明，除元素Mo含量在不同產(chǎn)地間差異無(wú)顯著性外，其余元素（Na、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mg 和 K）在兩兩地區(qū)茶鮮葉的比較中，元素含量具有各自的特征。青島市茶鮮葉中元素Ca的含量顯著高于其它兩市茶鮮葉（P＜0.05），而元素K、Fe、Cu和Zn含量要比合肥市和杭州市偏低。合肥市茶鮮葉中元素Na、Mg含量與青島市茶鮮葉無(wú)明顯差異且高于杭州市茶鮮葉中Na、Mg含量，K含量與杭州市茶鮮葉無(wú)明顯差異而顯著高于青島市茶鮮葉中K元素含量，F(xiàn)e元素含量在3個(gè)產(chǎn)地茶鮮葉中含量最高，Co元素含量與青島市茶鮮葉中Co元素含量無(wú)明顯差異且均顯著低于杭州市。杭州市茶鮮葉中，Co元素和Zn元素的含量顯著高于其它兩市，Na元素含量顯著低于其它兩市，Ca元素含量與合肥市茶鮮葉中Ca元素含量無(wú)顯著差異且低于青島市，Cu元素含量與合肥市無(wú)明顯差異而明顯高于青島市。

2.2.2 茶鮮葉中金屬元素與種源土壤中元素含量關(guān)系分析

為進(jìn)一步探究造成不同產(chǎn)地間金屬元素含量差異的原因，本研究對(duì)種源土壤中元素含量進(jìn)行關(guān)系分析，對(duì)不同產(chǎn)地81份種源土壤中的9種金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表2所示。

表2 不同種源土壤中金屬元素含量Table 2 The concentrations of metal elements in provenance soils from different regions

由表2可知，不同產(chǎn)地種源土壤中不同金屬元素含量均呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。表明種源土壤金屬元素含量受產(chǎn)地的影響較為明顯。對(duì)土壤金屬元素含量進(jìn)行Duncan多重比較，結(jié)果表明，在青島市種源土壤中，Na、Mg、K和Ca元素含量顯著高于其它兩地；合肥市土壤中Fe元素和Co元素含量高于其它兩地且差異顯著；杭州市土壤中Cu元素含量顯著高于青島市和合肥市（P＜0.05），而元素Zn和Mo含量與青島市差異不顯著但均高于合肥市。

為進(jìn)一步了解茶鮮葉中各金屬元素含量與種源土壤中相關(guān)元素含量之間的關(guān)系，對(duì)所有茶鮮葉和對(duì)應(yīng)的種源土壤中各元素含量進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 茶鮮葉與種源土壤間元素含量的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 3 Pearson correlation coefficient of element contents between fresh tea leaves and provenance soils

由表3可知，茶鮮葉與種源土壤中Na元素含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與Ca、Fe和 Cu的含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明茶鮮葉中金屬元素的含量隨著種源土壤中元素含量的增加而增加，影響順序?yàn)镕e＞Ca＞Cu＞Na。Zhao等[14]研究結(jié)果表明，茶鮮葉與種源土壤中Na、Ca和Fe的含量存在顯著性相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。元素Co含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而K含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。這表明隨著種源土壤中金屬元素含量的增加，茶鮮葉中的金屬元素的含量反而減少，且K含量的減少程度大于Co含量。其余元素（Mg、Zn和Mo）在茶葉和種源土壤之間不存在顯著線性相關(guān)，說(shuō)明茶鮮葉中的金屬元素除了從種源土壤中獲取，可能還有其它來(lái)源，如降水或大氣沉降等。

2.3 不同品種茶鮮葉中金屬元素含量的變異分析

不同品種茶鮮葉中金屬元素含量見(jiàn)表4。

表4 不同品種茶鮮葉中金屬元素含量Table 4 The contents of metal elements in tea leaves of different varieties

2.4 不同季節(jié)茶鮮葉中金屬元素含量的變異分析

3個(gè)采樣地區(qū)不同季節(jié)茶鮮葉中金屬元素的平均含量如表5所示。

表5 不同季節(jié)茶葉中金屬元素含量Table 5 The contents of metal elements in tea leaves of different seasons

由表4可知，元素Mg、Co和Mo的含量在不同品種間存在極顯著差異（P＜0.01），而元素Fe和Cu的含量在不同品種間差異顯著（P＜0.05），不同品種間Na、K、Ca和Zn的含量差異不顯著。Chen等[20]發(fā)現(xiàn)不同品種茶葉中的Mg和Cu的含量存在顯著性差異，與本研究結(jié)果相符。時(shí)鵬濤等[28]研究表明了礦物質(zhì)元素在不同品種茶葉中的含量存在一定差異；周娜等[29]研究發(fā)現(xiàn)不同品種茶葉中Cu和Zn的含量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與本研究對(duì)元素Cu含量的研究結(jié)果一致，而與Zn元素含量在不同品種間無(wú)顯著差異這一結(jié)果不相符，推測(cè)可能是因?yàn)樗貌铇?shù)品種不同，其代謝具有一定差異。

為探究茶鮮葉兩兩品種之間某一金屬元素含量的顯著性差異，進(jìn)行了Duncan多重比較分析，結(jié)果表明，除元素Na、K、Ca和Zn含量在不同品種間無(wú)顯著差異外，其余元素（Mg、Co、Mo、Fe 和 Cu）在兩兩品種茶鮮葉間的元素含量比較中具有其各自顯著性差異。烏牛早茶鮮葉中金屬元素Mg的含量顯著高于安吉白茶和平陽(yáng)特早茶，其Fe元素含量與平陽(yáng)特早茶無(wú)明顯差異但顯著高于安吉白茶。平陽(yáng)特早茶鮮葉中Co和Mo的含量顯著高于其余兩品種茶類(lèi)，其Cu元素含量與烏牛早茶差異不顯著但顯著高于安吉白茶中Cu元素含量。

由表5可知，在不同季節(jié)中，茶鮮葉中Na、Mg、K、Ca和Zn含量存在極顯著差異（P＜0.01），Mo含量有顯著差異（P＜0.05），而 Fe、Co和 Cu含量無(wú)顯著性差異。趙穎等[30]報(bào)道了茶葉中Cu含量在不同收獲季節(jié)無(wú)顯著性差異，與本研究結(jié)果一致。

由Duncan多重比較分析可知，春季茶鮮葉中Zn元素含量在3個(gè)季節(jié)中最高且差異顯著；夏季茶鮮葉中元素K含量與春季茶無(wú)明顯差異但顯著高于秋季茶中K元素含量。與春夏兩季相比，秋季茶鮮葉中元素Na、Mg和Ca的含量顯著升高，而K和Zn含量顯著降低。由此推斷，不同季節(jié)茶鮮葉中金屬元素含量的差異可能受氣候條件的影響。

3個(gè)采樣地區(qū)2016年春、夏和秋3個(gè)季節(jié)的平均氣候條件見(jiàn)表6。

表6 采樣地區(qū)不同季節(jié)平均氣候情況Table 6 Weather conditions of different seasons in the sampling regions

由表6可知，不同季節(jié)的不同氣候條件如平均溫度、平均降水量以及光照時(shí)間等可能是造成不同季節(jié)茶鮮葉中金屬元素含量差異的主要原因。

2.5 產(chǎn)地、品種、季節(jié)等綜合作用對(duì)茶鮮葉中金屬元素含量的貢獻(xiàn)率解析

研究表明茶鮮葉中金屬元素含量在不同產(chǎn)地、品種和季節(jié)間均具有各自的含量特征，但各因素對(duì)茶鮮葉中各元素含量變異的貢獻(xiàn)率尚不清楚。因此，本研究進(jìn)一步利用多因素方差分析分析產(chǎn)地、品種、季節(jié)及其交互作用對(duì)茶鮮葉中金屬元素含量變異的貢獻(xiàn)率。各影響因素及其交互作用對(duì)各元素顯現(xiàn)出不同的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表7所示。

表7 產(chǎn)地、品種、季節(jié)及其交互作用對(duì)茶鮮葉中各元素含量的貢獻(xiàn)率Table 7 Contribution rates of producing area，variety，season and their interactions to the contents of various elements in tea leaves

由表7可知，對(duì)元素Na含量貢獻(xiàn)率較高的是產(chǎn)地×品種以及產(chǎn)地×季節(jié)的交互作用，說(shuō)明茶鮮葉中Na含量變異與產(chǎn)地×品種以及產(chǎn)地×季節(jié)的交互作用密切相關(guān)。季節(jié)對(duì)Mg、K、Ca和Zn含量的貢獻(xiàn)率最高，表明Mg、K、Ca和Zn的含量變異主要受季節(jié)的影響。產(chǎn)地對(duì)Fe和Cu含量貢獻(xiàn)率較高，說(shuō)明產(chǎn)地對(duì)Fe和Cu含量變異有顯著影響；對(duì)Co含量貢獻(xiàn)率高的因素是產(chǎn)地及產(chǎn)地×品種的交互作用，表明Co含量變異與產(chǎn)地及產(chǎn)地×品種交互作用存在顯著相關(guān)；對(duì)Mo含量貢獻(xiàn)率影響較大的因素為季節(jié)×品種以及產(chǎn)地×品種×季節(jié)的交互作用，說(shuō)明影響Mo含量變異的主要因素為季節(jié)×品種以及產(chǎn)地×品種×季節(jié)的交互作用。

3 結(jié)論

本研究表明，茶鮮葉中的金屬元素含量在不同產(chǎn)地、品種和季節(jié)均具有各自的特征，且產(chǎn)地、品種、季節(jié)均顯著影響茶鮮葉中金屬元素的含量。茶鮮葉中Na含量變異與產(chǎn)地×品種及產(chǎn)地×季節(jié)交互作用密切相關(guān)；Mg、K、Ca和Zn的含量變異與季節(jié)密切相關(guān)；Fe和Cu的含量變異與產(chǎn)地密切相關(guān)；Co含量變異與產(chǎn)地和產(chǎn)地×品種交互作用密切相關(guān)；Mo含量變異與季節(jié)×品種及產(chǎn)地×品種×季節(jié)的交互作用密切相關(guān)。本研究通過(guò)不同影響因素的角度對(duì)金屬元素含量間的差異進(jìn)行了比較，創(chuàng)新地提出了產(chǎn)地、品種、季節(jié)及其交互作用對(duì)茶鮮葉金屬元素含量變異的綜合作用，可為茶葉真?zhèn)舞b別及選苗選地提供理論依據(jù)，為日常飲茶提供參考價(jià)值。