重金屬復合污染對茶葉重金屬、主要生化成分含量及沖泡茶湯浸出率的影響研究

許 燕,曾 艷,郭 湘,陳玖琳,王自琴,唐 茜

(四川農業大學園藝學院,四川雅安 625014)

重金屬復合污染對茶葉重金屬、主要生化成分含量及沖泡茶湯浸出率的影響研究

許 燕,曾 艷,郭 湘,陳玖琳,王自琴,唐 茜*

(四川農業大學園藝學院,四川雅安 625014)

通過土壤盆栽實驗,研究四種重金屬As、Pb、Cr、Cd復合污染對茶葉重金屬含量及主要生化成分含量的影響,同時研究了不同沖泡次數下茶湯中四種重金屬的浸出率。結果表明:復合污染條件下,茶葉中重金屬積累量顯著高于對照,其高低順序為Pb>Cr>Cd>As,其中,Cd在盆栽土壤中的添加量低于As,但在茶葉中的積累量高于Cd,表明Cd在茶樹體內的遷移率高于As。復合污染茶葉中的氨基酸和咖啡堿含量均低于對照,酚氨比值高于對照,從而降低了茶葉品質。四種重金屬元素在茶湯中的浸出量均隨著沖泡次數的增加而減少,Cd、Cr、Pb和As的總浸出率分別為:18.0%～35.7%、14.8%～26.8%、15.4%～31.9%和13.7%～22.1%,Pb和Cd的浸出率大于Cr和As;四種重金屬元素之間的絡合作用,會影響重金屬在茶葉中的累積量和茶湯中的浸出量。

茶葉,重金屬,復合污染,生化成分,浸出率

在自然界中,重金屬因其化學性質相似而常常伴生,容易造成伴隨危害而對環境產生威脅[1]。因此,重金屬復合污染具有普遍性和復雜性[2],而對重金屬復合污染研究更具有理論和現實意義。近年來,茶園環境污染、土壤酸化、過度施用化肥農藥等問題日趨嚴重,導致茶葉重金屬污染時有發生[3]。

As、Pb、Cr、Cd是茶園污染中常見的重金屬污染元素。茶葉中這四種重金屬的含量與茶樹對土壤重金屬的吸收有著重要的關系,重金屬的遷移和積累會影響茶葉品質,導致茶葉質量安全問題[4]。茶葉作為飲品,不是直接食用,人們應用的是沸水沖泡后的茶湯,茶湯中重金屬的含量與茶葉對重金屬的吸收積累有重要關聯。丁航[5]認為,直接測定茶葉中重金屬的含量,不能作為衛生學評價的依據,必須對茶水中各元素的含量和浸出率同時考察才有意義。因此,了解重金屬元素在茶湯中的浸出率,對茶葉的安全性評價具有指導作用。茶葉中重金屬浸出規律已有了一些研究[5-7],但供試茶樣均為商品茶葉,尚未對復合污染的茶樣浸出率進行研究。本文通過土壤盆栽實驗,研究了As、Pb、Cr、Cd復合污染對茶葉的重金屬含量及主要生化成分含量的影響;同時研究了不同沖泡次數茶湯中四種重金屬的浸出率。旨在了解復合污染對茶葉品質和衛生質量的影響程度以及不同沖泡次數茶湯中四種重金屬的浸出規律,為茶葉重金屬重金屬污染的控制及安全評價提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試材料:2年生的平陽特早品種茶苗。

藥品:硝酸鉻、硝酸鎘、醋酸鉛、三氧化二砷、堿式乙酸鉛、鹽酸、硫酸、茚三酮、氯化亞錫、硫酸亞鐵、酒石酸甲鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉,均為分析純。

盆栽土樣:黃壤,土壤肥力中等,含有機質19.27g/kg,pH4.7,全氮0.61g/kg,全鉀41.37mg/kg,全磷0.32g/kg,全鉻64.88mg/kg,全鎘0.083mg/kg,全鉛9.31mg/kg。

IRIS/AP等離子體光譜儀 美國TJA公司;紫外可見分光光度計ND-1000 美國NanoDrop Technologies公司。

1.2 實驗方法

實驗采用Cr、As、Cd、Pb四因素三水平正交實驗設計L9(34),共9個處理,每處理3次重復,其處理水平和濃度見表1。其中,Cr、As、Pb處理的最高濃度是土壤環境質量標準(GB 15618-1995)中的土壤臨界值。于2007年4月采用土培法布置盆栽實驗,土壤經自然風干、去雜質、壓碎后過2mm孔徑篩,充分混勻備用。按實驗設計(表1)將各處理需添加的外源重金屬溶液用噴霧器均勻施于土壤中,再次充分混勻,置于高25cm、寬38cm的黑色營養缽中,每盆土重8kg(以干土計),加蒸餾水使土壤含水量為田間持水量的70%左右,平衡一周以作為模擬不同濃度的復合重金屬污染土壤。挑選長勢一致的平陽特早2年生茶苗,每盆栽種6株,成活后每盆定植4株。每處理重復3次(共6盆)。培養于四川農業大學教學實習茶場內,采用常規栽培技術管理。2012年4月采摘各處理的新梢一芽二葉,蒸汽殺青固樣,制作茶樣待測主要生化成分含量。同時按照烘青茶的制作流程:殺青→揉捻→烘干[8],制作烘青茶,待測干茶和茶湯中四種重金屬的含量。

1.3 測試方法

1.3.1 標準工作溶液的配制 分別吸取適量的鉛、砷、鎘、鉻標準使用液,用鹽酸(1+11)配制成標準工作液。

1.3.2 樣品處理 將茶樣磨碎,過850μm篩后,在105℃下干燥2h后,儲存在塑料瓶中。稱取研磨的茶樣粉末1.000g,放入50mL坩堝中,加入2g MgO和2g Mg(NO3)2·6H2O(助灰化劑,防止砷等損失),充分攪拌均勻,在電爐上低溫碳化(110～130℃)后,置于馬弗爐中,逐步升溫,并保持在500℃下干灰化處理4h,至樣品完全灰化,呈灰白色為止,試劑空白同時操作。灰渣用5mL蒸餾水濕潤,再加入鹽酸2mL,溶解后用蒸餾水洗入25mL容量瓶中,定容待測。每個處理設三次重復。

表1 盆栽實驗土壤中重金屬的添加濃度(mg·kg-1)Table 1 Origin and concentration of heavy mentals used

1.3.3 浸泡次數對重金屬元素浸出率的影響

1.3.3.1 一浸液 稱取茶葉1.000g于100mL小燒杯中,加入50mL 100℃超純水浸泡5min,傾倒出茶水,留在燒杯中的葉底為一次殘渣。將過濾茶水定容至50mL為一浸液,待測。

1.3.3.2 二浸液 在一次殘渣中加入50mL 100℃超純水浸泡5min,傾倒出茶水,留在燒杯中的葉底為二次殘渣。將過濾茶水定容至50mL為二浸液,待測。

1.3.3.3 三浸液 在二次殘渣中加入50mL 100℃超純水浸泡5min,傾倒出茶水,留在燒杯中的為三次殘渣。將過濾茶水定容至50mL為三浸液,待測。

1.3.4 各樣品重金屬含量測定 茶葉和茶湯樣品中重金屬含量均采用電感耦合等離子體光譜法(ICP-OES)測定。光譜儀的工作參數見表2。

表2 IRIS/AP型光譜儀的工作參數Table 2 Working condition of instruments

1.3.5 成茶主要生化成分的測定 氨基酸總量的測定:采用GB/T 8314-2002《茶游離氨基酸總量測定》中的茚三酮比色法進行測定。

表3 各處理茶樣的重金屬含量(mg·kg-1)Table 3 The heavy metal content of one bud and two leaf of the treatment

注:同列英文小寫字母不同表示不同處理之間差異顯著(p<0.05),表4～表8同。茶多酚含量的測定:采用GB/T 8313-2008《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》中的酒石酸亞鐵比色法進行測定。

咖啡堿含量的測定:采用GB/T 8312-1987《茶咖啡堿測定》中的第二種方法紫外光分光光度法進行測定。

1.4 統計指標的計算

茶湯中重金屬的含量與茶葉對重金屬的吸收積累有重要關聯,而與浸泡方法和時間的關系尤為明顯[9]。為比較重金屬的遷移能力,引入浸出率來反映重金屬從茶葉到茶湯的遷移能力。

浸出率(%)=茶湯中重金屬含量/茶葉中重金屬含量×100

1.5 數據分析

運用Excel2007對實驗數據進行整理計算,采用DPS軟件對實驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 四種重金屬復合污染對茶葉重金屬含量的影響

由表3可以看出,各處理茶樣中四種重金屬的含量均顯著高于對照,且隨土壤中外源重金屬添加量的增加而呈升高趨勢,這與李云等[10]的研究結果一致。以Cd為例,與對照相比,處理2(添加外源Cd 6mg/kg)茶樣的Cd積累量增加7.583倍,處理5(9mg/kg)增加10.472倍,處理8(3mg/kg)增加4.611倍。茶樣中Cr、Pb和As的積累量的變化規律與Cd相似。從表3還可看出,各處理的茶樣中,Cd、Cr、Pb和As的含量范圍分別為0.129～0.399、0.255～0.812、1.686～3.979mg/kg和0.133～0.277mg/kg。因此,四種重金屬元素在茶樣中的積累量高低順序為Pb>Cr>Cd>As。而土壤中添加的As處理濃度范圍為10～40mg/kg,Cd的濃度范圍僅為3～9mg/kg,但Cd的積累量卻高于As,說明Cd在土壤—茶樹系統中移動性較強,遷移率和積累量均高于As。這可能與茶樹本身的生長特性及這兩種重金屬元素的活性有關。

不同的重金屬之間可能有絡合作用,會影響茶樹對重金屬的積累含量。以重金屬As為例,處理6和9添加相同濃度的外源As(40mg/kg),不同濃度的Cd、Cr和Pb,但處理6茶樣中As的濃度顯著高于處理9。這種差異反映復合污染條件下,某一元素在茶樣內的積累量除受元素本身的性質影響外,還受到該元素的環境濃度、共存元素的性質及濃度的影響。

我國食品衛生標準GB2762-2005中規定鉛含量≤5mg/kg;茶葉行業標準中類重金屬砷的殘留限量為2mg/kg,重金屬鎘與鉻的殘留限量分別為1和5mg/kg[11]。從表3可以看出,在本實驗條件下,茶樣中的四種重金屬含量均沒有超過國家標準限量,表明向土壤中添加的外源鉛、鎘等重金屬元素向地上部位運輸、遷移的比例較低。這與王春梅[12]、石元值[13]等人的研究結果一致。

2.2 四種重金屬復合污染對茶葉主要生化成分含量的影響

表4 各處理茶葉主要生化成分含量(%)Table 4 Main quality components of tea ample of all treatment

表5 不同沖泡次數茶湯中重金屬Cd的含量及浸出率Table 5 The amount and leaching rate of heavy mental Cd of tea sample in different brew

茶多酚、氨基酸和咖啡堿是影響綠茶品質的主要化學成分。氨基酸呈鮮味,略帶甜味,是名優綠茶“鮮爽”味的主要成味物質;咖啡堿本身呈苦味,但與呈苦澀味的茶多酚及氧化物形成絡合物后,便形成一種具有鮮爽味的物質[14]。據陸錦時[15]等人研究得出,茶多酚與綠茶品質評分的相關系數為0.88,氨基酸與綠茶品質評分的相關系數為0.95。此外,茶多酚與氨基酸的比值大小(即酚氨比)也可以較好地反映綠茶品質。一般情況下,當多酚類、氨基酸二者的含量都高而比值低時,味濃而鮮爽,綠茶品質優;若多酚類含量高而氨基酸含量低,二者比值高,味濃而苦澀,綠茶品質低。

由表4可看出,盆栽土壤添加不同濃度的外源Cd、Cr、Pb和As后,各處理茶樣的茶多酚、氨基酸和咖啡堿含量與對照相比有一定差異。其中,處理1、2、3和9的茶多酚含量顯著低于對照;處理8也低于對照,但差異不顯著;處理4、5、6和7的茶多酚含量則高于對照,其中,處理7顯著高于對照,其余處理則與對照無顯著差異。各處理的氨基酸含量均低于對照,其中,處理4、6、7、8和9均顯著低于對照。各處理的咖啡堿含量均顯著低于對照。由于各處理的茶葉氨基酸含量均下降,同時有5個處理的茶多酚含量低于對照,因此,除處理2外,8個處理的酚氨比均呈升高趨勢,其中,酚氨比值增幅最大為處理7,為對照的2.048倍。這些結果表明,重金屬復合污染下,由于茶葉的氨基酸下降和酚氨比上升,使茶湯的苦澀味加重,不利于綠茶品質的形成。Wu Yongsheng等人[16]研究重金屬Pb對茶樹品質成分的影響,發現Pb脅迫降低了咖啡堿和游離氨基酸含量,提高了茶多酚的含量,從而加重茶葉苦澀味,降低了茶葉品質。除茶多酚含量變化趨勢略有差異外,本實驗結果與該實驗結果基本一致。推測形成差異的原因可能是,在供試的四種重金屬元素同時脅迫下,重金屬之間的相互作用會增強或減弱單一重金屬對茶樹生長代謝的影響。據唐茜[17]等人研究,施用過高濃度重金屬Pb和Cr等,影響茶葉碳、氮代謝等茶樹生理活動,使茶葉主要生化成分含量變化。復合元素對茶葉生化成分的影響及機理是復雜的,這也是今后需要進一步探究的問題。

2.3 不同沖泡次數對茶湯中四種重金屬浸出率的影響

表6 不同沖泡次數茶湯中重金屬Cr的含量及浸出率Table 6 The amount and leaching rate of heavy mental Cr of tea sample in different brew

注:表中空白區域表示由于其他原因引起的數據缺失,表7～表9同。

表7 不同沖泡次數茶湯中重金屬Pb的含量及浸出率Table 7 The amount and leaching rate of heavy mental Pb of tea sample in different brew

表8 不同沖泡次數茶湯中重金屬As的含量及浸出率Table 8 The amount and leaching rate of heavy mental As of tea sample in different brew

按我國茶葉消費者一般的飲用習慣,茶葉一般沖泡三次飲用。取1.0g烘青茶樣,先后三次用50mL沸水沖泡5min,分別測定了各處理茶湯中四種重金屬含量并計算浸出率。結果如表5～表8所示:茶湯中重金屬的浸出量與茶葉中重金屬的初始濃度有關;各處理茶樣Cd、Cr、Pb和As在第一、第二次沖泡中的浸出率均高于對照,第三次沖泡對照的浸出率均為0.0,而Cd的浸出率范圍為1.0%～3.0%,Cr為1.1%～2.4%,Pb為2.0%～4.6%,As為0.4%～0.8%,且四種重金屬元素均是隨著沖泡次數的增加,浸出速度逐漸減緩且浸出量減少。這與陳永明[18]的實驗結果一致。由本實驗可知,在沖泡茶葉時,第一次沖泡加正常沖泡沸水量的50%,再倒掉茶湯洗茶,可以有效地減少人們飲茶時對Pb、Cr等重金屬元素的吸收量。

茶葉內供試四種重金屬的絡合等復雜作用,可能會影響各個重金屬在茶湯中的浸出量。如表6所示:處理6與處理9成茶樣中Pb含量無顯著差異,分別為2.161mg/kg和2.512mg/kg,但處理6第一次沖泡Pb浸出量顯著低于處理9,分別為0.344mg/kg和0.451mg/kg。

由表9可以看出,各個處理茶樣四種重金屬三次沖泡總的浸出率均高于對照。Cd浸出率最高為處理1,是對照的3.216倍,最低為處理4,是對照的1.622倍;Cr浸出率最高為處理8,是對照的3.392倍,最低為處理3,是對照的1.873倍;Pb浸出率最高為處理9,是對照的2.954倍,最低為處理7,是對照的1.426倍;As浸出率最高為處理5,是對照的5.140倍,最低為處理6,是對照的3.186倍。Cd、Cr、Pb和As總浸出率的范圍分別為:18.0%～35.7%、14.8%～26.8%、15.4%～31.9%和13.7%～22.1%。

從各個重金屬三次沖泡總的浸出率來看,Pb和Cd浸出率大于Cr和As,Cr和AS相Pb和Cd在茶葉—茶湯系統中遷移速度相對較慢。張清海等人[9]在貴州省云霧土壤高含量重金屬茶園,采集46個土壤和茶葉樣品,對土壤—茶葉—茶湯系統重金屬分析,發現不同重金屬在茶湯中的浸出率為Hg>As>Cu>Pb>Cd>Cr。本實驗采用四種重金屬復合污染的茶樣分別進行三次浸提,但四種重金屬浸出率的高低與張清海等[9]的研究結果存在一定的差異,這可能與實驗采用的茶葉樣品、茶葉中重金屬的初始濃度和浸泡方式不同有關。

在國家衛生標準GB2762-2005中,僅對鉛做了Pb≤5.000mg/kg的規定。未對其他三個元素做限量規定。參考水果蔬菜的重金屬衛生標準,四種重金屬元素安全限量如表10。可知,除極少數處理的Cd略有超標,其余均符合國家衛生標準。

表9 茶樣四種重金屬三次沖泡的總浸出率(%)Table 9 The total leaching rate of heavy mentals

表10 四種重金屬元素安全限量(mg·kg-1)Table10 The safety limit of four heavy metals

3 結論

3.1 四種重金屬(As、Pb、Cr、Cd)復合污染條件下,茶葉重金屬含量隨土壤中重金屬添加量的增加而呈升高趨勢。供試重金屬元素在茶樣中的積累量高低為Pb>Cr>Cd>As。Cd在土壤-茶葉系統的遷移率高于As。

3.2 重金屬復合污染下,茶葉中氨基酸、咖啡堿的含量均低于對照,呈降低趨勢,但茶多酚含量有升有降,9個處理中有5個處理降低,使酚氨比值總體上升。這些結果表明,四種重金屬復合污染會使茶葉主要品質成分的含量降低,且配比發生變化,增加了茶湯的苦澀味,降低綠茶品質。

3.3 測定結果顯示,四種重金屬元素在茶湯中的浸出量均隨著沖泡次數的增加而減少,且浸出速度逐漸減緩。Cd、Cr、Pb和As三次沖泡總的浸出率分別為:18.0%～35.7%、14.8%～26.8%、15.4%～31.9%和13.7%～22.1%。Pb和Cd在茶葉-茶湯系統的遷移率高于Cr和As。茶湯中重金屬的浸出量與茶葉中重金屬的初始濃度有關,因此,應嚴格控制重金屬復合污染,以降低茶葉中四種重金屬的含量及浸出量。洗茶可以有效地減少人們飲茶時對茶湯中Pb、Cd、

As、Cr重金屬元素的吸收量。

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Effects of compound pollution of 4 heavy metals on components of heavy metals and main biochemical composition and diffusion rate in tea

XU Yan,ZENG Yan,GUO Xiang,CHEN Jiu-lin,WANG Zi-qin,TANG Qian*

(College of Horticulture,Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China)

Pot experiments were conducted to study the compound effects of As,Pb,Cr and Cd on the heavy mental content,the components of main biochemical composition and diffusion rate of different brewing times in tea when tea plants were grown in the soil. The results showed that under the conditions of compound pollution,the accumulation of heavy metals in tea,which the order of content was Pb>Cr>Cd>As,were significantly higher than the comparison(p<0.05).Consistently,Cd had higher mobility rate compared with As,as indicated by Cd had lower added level but higher accumulation than As. Importantly,compound pollution declined the quality of tea,because amino acids and caffeine contents were lower than the comparison and the ratio of polyphenol and amino acids was higher than the comparison. Furthermore,the leaching amount of four kinds of heavy metals were reduced with the increase of brewing times and numbers of total leaching rate of Cd,Cr,Pb and As were 18.0%～35.7%,14.8%～26.8%,15.4%～31.9% and 13.7%～22.1%,respectively. In summary,the leaching rate of Pb and Cd,were higher than Cr and As,and the amount of heavy metals accumulated in tea and leached in water were also influenced by the complex effects among the four kinds of heavy metals.

tea;heavy metals;compound pollution;biochemical composition;diffusion rate

2014-05-14

許燕(1991-)，女，碩士研究生在讀，主要從事茶樹栽培與育種研究。

*通訊作者:唐茜(1963-)，女，碩士研究生，教授，主要從事茶樹栽培與育種研究。

四川盆地大學農業科技服務技術集成與示范課題(2013BAD20B07)。

TS207

A

1002-0306(2015)01-0369-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.070