貴州紅茶中14種微量元素含量分析及健康風險評價

張明露,黃聰薇,賴 飛

(1.貴州省綠色食品發(fā)展中心,貴州 貴陽 550000;2.農(nóng)業(yè)部茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室(杭州),浙江 杭州 310008;3.貴州省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗測試中心,農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品風險評估實驗室,貴州 貴陽 550004)

0 引言

【研究意義】我國茶葉基本可分為六大類別,其中,紅茶屬于全發(fā)酵茶類,因其具有多種花果甜香、口感甜醇,所含生化成分具有一定保健功效,近年來逐漸受到國內(nèi)消費者的喜愛。紅茶也是全球消費量最大的茶類,占消費總量的70%左右[1]。微量元素對茶樹植物生理及茶葉品質(zhì)不可或缺,如Fe是葉綠素形成必需的觸酶劑,參與茶樹的光合作用和呼吸作用;Zn參與茶樹生長素和蛋白質(zhì)的合成、轉化,促進氨基酸、兒茶素和芳香物質(zhì)的形成等;適當?shù)腗n可以促進茶葉中氨基酸的合成,但在一定程度上能抑制茶多酚的合成;Mo是酸性磷酸酶的活性抑制劑,缺少則會抑制氮代謝[2-5]。人們也通過吃茶或者飲茶補充微量元素,如Mn、Fe等在維持人體新陳代謝、機體功能和提高免疫力等方面起著重要作用[3]。然而,隨著環(huán)境污染加劇,長期種植茶樹的土壤酸化程度增強,茶樹組織中重金屬積累量不斷增加[6],Cd、As、Pb等重金屬對人體健康具有一定的威脅[7]。茶樹中微量元素的種類和含量與其生長的環(huán)境及其當?shù)夭鑸@管護方式密切相關,不同地域、不同茶樹品種、樹齡、部位所含元素種類和含量具有一定的差異性[8-10]。因此,研究茶葉微量元素含量特征,對于本地區(qū)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大?！厩叭搜芯窟M展】張楠等[11]對湖南省不同種類茶葉中Cu、Zn、V、Cr等元素含量檢測分析表明,Cu的單項污染指數(shù)最高,紅茶類的綜合污染指數(shù)最高。吳林土等[12]通過對浙江松陽茶葉中Cd、Pb、Hg、As、Cr等重金屬檢測分析認為,松陽茶葉中重金屬含量未超過國家有關限值標準;利用目標重金屬危害指數(shù)評估后表明,飲用松陽茶對不同人群均不存在致癌風險。張忠梁等[13]測定貴州雷山縣、都勻市、湄潭縣和鳳岡縣土壤、茶樹鮮葉中Fe、Ca等8種元素含量,利用不同判別方法分析不同產(chǎn)地土壤與茶葉、茶樹品種中礦質(zhì)元素的相關性,結果表明,不同地區(qū)茶葉和土壤具有獨特的礦質(zhì)元素指紋,且?guī)缀醪皇懿铇淦贩N影響,最終以元素Zn、Cu、P、Mn、Fe、Mg和K構建貴州名優(yōu)茶產(chǎn)地溯源模型。通過電感耦合等離子體質(zhì)譜分析法(ICP-MS/AES)[14-15]、穩(wěn)定同位素質(zhì)譜(IRMS)[16-17]等方法檢測各產(chǎn)地茶葉中多種微量元素,分析其種類及其含量、分布特征,對茶園用肥、茶葉產(chǎn)地溯源和質(zhì)量安全評價等具有重要意義,成為茶學領域研究熱點之一。【研究切入點】貴州是我國產(chǎn)茶大省,茶園面積46.7萬hm2,2021年全省茶葉產(chǎn)量46.99萬t,其中,紅茶產(chǎn)量占20.34%,是除綠茶類以外生產(chǎn)量最大的茶類。銅仁市位于貴州東北部,茶園面積位居全省第二,全市共有江口、石阡、印江、思南、松桃、沿河、德江等7個茶葉主產(chǎn)縣,其中,石阡縣茶園面積超過2萬hm2,石阡苔茶是地方優(yōu)良特色茶樹品種;印江縣所產(chǎn)梵凈山翠峰茶歷史悠久,是國家農(nóng)產(chǎn)品地理標志保護產(chǎn)品;沿河縣被譽為“中國古茶樹之鄉(xiāng)”,境內(nèi)擁有上萬株古茶樹。截至目前,對貴州境內(nèi)所產(chǎn)茶葉的相關研究較少,且多數(shù)以遵義市、黔南州等主產(chǎn)區(qū)所產(chǎn)茶葉為主要研究對象[5,18-19],針對銅仁茶區(qū)的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】采集銅仁市石阡、印江、松桃、沿河等4個茶葉主產(chǎn)縣所產(chǎn)30個紅茶茶樣,利用ICP-MS測定茶樣中14種微量元素含量,通過相關性分析和正交偏最小二乘法分析等方法,揭示該地區(qū)不同產(chǎn)地紅茶中微量元素的含量特征;同時,采用目標危險系數(shù)法對Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As等對人體健康存在一定安全隱患的6種元素進行健康風險評估,進一步分析該地區(qū)茶葉產(chǎn)地特征性、評估飲用健康風險等,為該地區(qū)茶園管護和茶葉品牌原產(chǎn)地保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 紅茶樣品 共采集貴州省銅仁市市售紅茶茶樣30個,其中,石阡縣9個、印江縣7個、松桃縣9個、沿河縣5個,茶樣均在0℃條件下密封貯存。

1.1.2 試劑與儀器 元素單標Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al和Mn(國家有色金屬及電子材料分析測試中心);含有Cd的混合標液、內(nèi)標(美國Sigma公司),硝酸(分析純,上海國藥化學試劑有限公司)。MARS X-Press型微波消解儀(美國CEM公司),BHW-09C趕酸器(成都英泰爾科技有限公司),Millipore超純水系統(tǒng)(美國Millipore公司),Thermo Fisher X-Series 2 ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)。

1.2 方法

1.2.1 測定指標 選取Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al、Mn和Cd等14種茶葉中常見微量元素,測定其在紅茶樣品的含量。

1.2.2 樣品及空白樣品前處理 參照文獻[3]的方法及儀器參數(shù)進行樣品及空白樣品前處理。在聚四氟乙烯微波消解管中放入0.4 g充分磨碎的紅茶茶樣,加入5 mL HNO3,放入微波消解儀,設置180℃下消解40 min后,轉移至趕酸器上加熱趕酸剩余至約1 mL,待冷卻,最后用2%硝酸溶液定容至25 mL。每個樣品3個平行重復。

ICP-MS工作條件:射頻功率1 290 W;載氣流速、輔助氣流速和補助流速分別為1.0 L/min、0.98 L/min和1.0 L/min;采樣深度8.0 mm;數(shù)據(jù)采集模式為跳峰模式;積分時間0.01 s;重復采集數(shù)據(jù)3次。

1.2.3 紅茶產(chǎn)區(qū)分類模型構建 選取產(chǎn)區(qū)間含量存在顯著差異的元素 (P<0.05)作為特征變量,進行正交偏最小二乘法分析(OPLS-DA),建立產(chǎn)地溯源分析模型,對4個產(chǎn)區(qū)紅茶進行產(chǎn)地判別。

1.2.4 重金屬健康風險評估 采用目標危險系數(shù)法(THQ/TTHQ)[20]對茶葉中Cr、Cd、Ni、Pb、Cu和As等6種重金屬進行健康風險評估,其中,目標危險系數(shù)THQ表示單一重金屬風險,復合目標危險系數(shù)TTHQ表示復合暴露健康風險,計算公式如下:

TTHQ=∑THQ

式中,EF為人體暴露頻率(365 d/a),ED為人體平均暴露時間(a),以平均壽命70歲計算;FIR表示茶葉的日均攝入量(g/d),參照每人每日飲用6 g茶葉計算[21];RC為茶葉中的重金屬含量(mg/kg);RfD為口服參考劑量[mg/(kg·d)],其中,Cr為0.003 mg/(kg·d),Cd為0.001 mg/(kg·d),Ni為0.02 mg/(kg·d),Pb為0.004 mg/(kg·d),Cu為0.04 mg/(kg·d),As為0.000 3 mg/(kg·d)[22];WAB為人體平均體重(kg),以成年人平均70 kg計算;TA非致癌性暴露平均時間(d),365 d/a×ED。

當THQ<1時,表明對人體健康風險小,反之,當THQ>1時,表明對人體可能存在健康風險。當TTHQ≤1時,說明對人體沒有顯著健康風險;TTHQ>1時,說明對人體產(chǎn)生健康風險性較大;TTHQ>10時,說明對人體存在慢性毒性作用。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0進行方差分析和相關性分析,采用SIMCA-P 14.1進行正交偏最小二乘法分析。

2 結果與分析

2.1 紅茶中14種微量元素含量

從表1看出,銅仁紅茶中14種微量元素的平均含量依次為Al>Mn>Fe>Zn>Cu>Ni>Sr>Mo>Co>Cr>Pb>As>Se=Cd,其中,Al、Mn、Fe含量較高,平均含量分別為996.45 mg/kg、603.81 mg/kg、98.88 mg/kg,占所測14種微量元素平均總含量的95.58%。茶樹是典型的聚Al、富Mn植物,在一定濃度范圍內(nèi),二者對茶樹的生長起到促進作用。

不同產(chǎn)區(qū)紅茶中各元素含量差異較大,微量元素含量與茶樹所生長區(qū)域、茶樹品種、茶樹樹齡和采摘嫩度有直接關系。紅茶中Cr、Co、As、Cd、Fe、Zn和Al含量在4個產(chǎn)區(qū)間不存在顯著性差異,Se、Mo、Pb、Ni、Cu和Mn含量在4個產(chǎn)區(qū)間差異顯著 (P<0.05)。石阡縣紅茶中Mo和Ni含量最高;印江縣紅茶中Se、Ni、Cu和Mn含量最低;松桃縣紅茶中Se、Pb和Cu含量最高,Mo含量最低;沿河縣紅茶中Mn含量最高,Pb含量最低。

4個產(chǎn)區(qū)紅茶中Cr、Cd、As、Pb和Cu含量分別為0.43～0.65 mg/kg、0.05～0.08 mg/kg、0.07～0.08 mg/kg、0.19～0.56 mg/kg和13.19～17.44 mg/kg,均低于《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[23]、《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[24]和《綠色食品 茶葉》(NY/T 288—2018)[25]等標準對茶葉中重金屬的限量要求(Pb≤5.0 mg/kg、Cr≤5.0 mg/kg、Cd≤1.0 mg/kg、As≤2.0 mg/kg、Cu≤30.0 mg/kg)。

表1 紅茶樣品中14種微量元素含量Table 1 Content of 14 microelements in black tea samples mg/kg

2.2 紅茶中14種微量元素含量間的相關性

由表2可知,紅茶中元素Cr含量與As含量呈顯著正相關;Pb含量與As含量呈極顯著正相關,與Se含量呈顯著相關,與Mo含量呈顯著負相關;Fe含量與Cr含量呈極顯著正相關,與Co含量呈顯著負相關,與As含量呈顯著正相關;Zn含量與Cr含量呈極顯著負相關,與Ni含量呈極顯著正相關;Al含量與As含量呈極顯著正相關;Mn含量與Se含量呈顯著正相關,與Mo含量呈顯著負相關,與Cd、Pb含量呈極顯著正相關,與Zn含量呈極顯著負相關。表明,茶樹在吸收利用微量元素時,Cr與Fe,As與Pb、Al,Ni與Zn,Mn與Cd、Pb之間存在較強的協(xié)同作用;而Cr與Zn,Mn與Zn之間存在較強的拮抗作用。另外,As與Cr、Fe,Se與Pb、Mn之間具有不同程度相互促進吸收作用;Mo與Pb、Mn,Fe與Co之間存在不同程度相互抑制吸收的作用。

表2 紅茶樣品中14種微量元素含量間的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of content between different 14 microelements

2.3 不同產(chǎn)地紅茶的溯源

選取微量元素含量產(chǎn)地間具有顯著差異的Se、Mo、Pb、Ni、Cu、Mn共6種元素(P<0.05)作為特征變量,建立正交偏最小二乘法判別分析統(tǒng)計模型(OPLS-DA),模型統(tǒng)計量分比R2X為1,R2Y為0.678,說明100%的變量可解釋67.8%的組間差異;Q2>0.5(Q2=0.501)表明該模型具有較好的預測能力;Mn和Ni的VIP值大于1,說明在4個產(chǎn)區(qū)樣品中具有顯著差異,可作為4個產(chǎn)區(qū)樣品鑒別的特征元素[3]。

從圖1看出,4個產(chǎn)區(qū)的茶樣具有明顯的各自聚類趨勢,表明各地區(qū)所產(chǎn)紅茶具有一定的產(chǎn)地特征?；卮鷻z驗結果(表3)表明,模型整體準確判別率為93.33%,準確度較高,其中,石阡、印江和沿河3個地區(qū)的茶樣正確判別率均為100%;松桃縣的準確率較低,為77.78%。

表3 OPLS-DA分析對銅仁4個紅茶產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源的判別結果Table 3 Discrimination result of 4 black tea producing areas by OPLS-DA analysis in Tongren City

2.4 紅茶中6種重金屬健康風險評估

采用THQ/TTHQ對銅仁地區(qū)4個產(chǎn)區(qū)紅茶茶樣中的Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As進行健康風險評估,結果(表4)表明,6種重金屬的THQ(目標危險系數(shù))均小于1,表明茶樣中6種單一重金屬的含量不會對人體健康產(chǎn)生危害;TTHQ(復合目標危險系數(shù))值均小于1,說明不同重金屬之間產(chǎn)生的復合污染水平較低,不存在復合健康風險。因此,飲用該地區(qū)紅茶對人體無健康威脅。

表4 紅茶樣品中6種重金屬的目標危險系數(shù)Table 4 Target hazard coefficients of 6 heavy metals in black tea samples

3 討論

貴州銅仁紅茶與安徽祁門紅茶[26]、江蘇洞庭山紅茶[27]、湖南湘南紅茶[11]、云南鳳慶紅茶[28]、廣東英德紅茶[29]、湖北和福建紅茶[30]等相比,銅仁紅茶中Fe、Ni、Zn、Al含量較高,Cr、Cd、Pb、Cu含量較低,Mn含量處于中間水平;與貴州遵義紅茶[16]、普安紅茶[31]相比,貴州銅仁紅茶中Mn、Ni含量較高,Se、Fe、Zn含量處于中間水平。

茶樹在吸收利用土壤中各元素時,部分元素之間存在動態(tài)變化。本研究推測,茶樹中Zn的濃度可能會影響其對Fe、Cu和Mn的吸收,表現(xiàn)在一定濃度范圍內(nèi)有協(xié)同效應,超過后表現(xiàn)為拮抗效應,與顏秋曉等[18,32-33]的研究結果基本一致。為更科學、合理提出針對各地茶園施肥對策,下一步將深入研究元素之間相互作用機制。

利用正交偏最小二乘法分析方法對4個產(chǎn)區(qū)的樣品進行判別,該模型的建立可將石阡縣、印江縣、松桃縣和沿河縣4個產(chǎn)區(qū)茶樣進行有效區(qū)分,其中松桃縣茶樣的判別準確率較低,這可能與松桃縣和印江縣相鄰、與沿河縣鄰近,且為新發(fā)展茶區(qū),3個產(chǎn)區(qū)具有相似地理環(huán)境和茶園管護方法等有關,對不同產(chǎn)區(qū)茶葉的判別造成一定影響,但整體正確判別率為93.33%,表明微量元素可作為茶葉原產(chǎn)地識別的重要指標。

4 結論

貴州省銅仁市4個產(chǎn)區(qū)(石阡縣、印江縣、松桃縣和沿河縣)紅茶中Al、Mn和Zn元素含量較高,占所測14種微量元素(Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al 、Mn和Cd)平均總含量的95.58%,14種元素之間存在相互協(xié)同或者拮抗的關系。不同地區(qū)紅茶中部分微量元素含量具有顯著差異,可利用有效判別方法對不同產(chǎn)地的紅茶進行產(chǎn)地溯源。

紅茶茶樣中Cd、Pb、As、Cr和Cu等重金屬含量較低,均低于國家相關限量標準。通過目標危險系數(shù)法對茶樣中Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As進行健康評價,6種重金屬的單一或復合狀態(tài)均不會對人體健康造成危害,長期飲用該地區(qū)紅茶不存在健康隱患。