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.貴州省綠色食品發展中心,貴州 貴陽 550000;2.農業部茶葉產品質量安全風險評估實驗室(杭州),浙江 杭州 310008;3.貴州省農產品質量安全監督檢驗測試中心,農業部農產品風險評估實驗室,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的合成、轉化,促進氨基酸、兒茶素和芳香物質的形成等;適當的Mn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境及其當地茶園管護方式密切相關,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,對于本地區茶產業發展意義重大。【前人研究進展】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的單項污染指數最高,紅茶類的綜合污染指數最高。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地土壤與茶葉、茶樹品種中礦質元素的相關性,結果表明,不同地區茶葉和土壤具有獨特的礦質元素指紋,且幾乎不受茶樹品種影響,最終以元素Zn、Cu、P、Mn、Fe、Mg和K構建貴州名優茶產地溯源模型。通過電感耦合等離子體質譜分析法(ICP-MS/AES)[14-15]、穩定同位素質譜(IRMS)[16-17]等方法檢測各產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、茶葉產地溯源和質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】貴州是我國產茶大省,茶園面積46.7萬hm2,2021年全省茶葉產量46.99萬t,其中,紅茶產量占20.34%,是除綠茶類以外生產量最大的茶類。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個茶葉主產縣,其中,石阡縣茶園面積超過2萬hm2,石阡苔茶是地方優良特色茶樹品種;印江縣所產梵凈山翠峰茶歷史悠久,是國家農產品地理標志保護產品;沿河縣被譽為“中國古茶樹之鄉”,境內擁有上萬株古茶樹。截至目前,對貴州境內所產茶葉的相關研究較少,且多數以遵義市、黔南州等主產區所產茶葉為主要研究對象[5,18-19],針對銅仁茶區的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】采集銅仁市石阡、印江、松桃、沿河等4個茶葉主產縣所產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,揭示該地區不同產地紅茶中微量元素的含量特征;同時,采用目標危險系數法對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,進一步分析該地區茶葉產地特征性、評估飲用健康風險等,為該地區茶園管護和茶葉品牌原產地保護提供理論依據。

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(美國Millipore公司),Thermo Fisher X-Series 2 ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀(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;數據采集模式為跳峰模式;積分時間0.01 s;重復采集數據3次。

1.2.3 紅茶產區分類模型構建 選取產區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),建立產地溯源分析模型,對4個產區紅茶進行產地判別。

1.2.4 重金屬健康風險評估 采用目標危險系數法(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THQ表示單一重金屬風險,復合目標危險系數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 數據處理

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,二者對茶樹的生長起到促進作用。

不同產區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個產區間不存在顯著性差異,Se、Mo、Pb、Ni、Cu和Mn含量在4個產區間差異顯著 (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個產區紅茶中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Table 2 Correlation coefficients of content between different 14 microelements

2.3 不同產地紅茶的溯源

選取微量元素含量產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計模型(OPLS-DA),模型統計量分比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個產區樣品中具有顯著差異,可作為4個產區樣品鑒別的特征元素[3]。

從圖1看出,4個產區的茶樣具有明顯的各自聚類趨勢,表明各地區所產紅茶具有一定的產地特征。回代檢驗結果(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個紅茶產區產地溯源的判別結果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4個產區紅茶茶樣中的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)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生危害;TTHQ(復合目標危險系數)值均小于1,說明不同重金屬之間產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,表現在一定濃度范圍內有協同效應,超過后表現為拮抗效應,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個產區的樣品進行判別,該模型的建立可將石阡縣、印江縣、松桃縣和沿河縣4個產區茶樣進行有效區分,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,且為新發展茶區,3個產區具有相似地理環境和茶園管護方法等有關,對不同產區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地識別的重要指標。

4 結論

貴州省銅仁市4個產區(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同或者拮抗的關系。不同地區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地的紅茶進行產地溯源。

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均不會對人體健康造成危害,長期飲用該地區紅茶不存在健康隱患。