重金属复合污染对茶叶重金属、主要生化成分含量及冲泡茶汤浸出率的影响研究

许 燕,曾 艳,郭 湘,陈玖琳,王自琴,唐 茜

(四川农业大学园艺学院,四川雅安 625014)

重金属复合污染对茶叶重金属、主要生化成分含量及冲泡茶汤浸出率的影响研究

许 燕,曾 艳,郭 湘,陈玖琳,王自琴,唐 茜*

(四川农业大学园艺学院,四川雅安 625014)

通过土壤盆栽实验,研究四种重金属As、Pb、Cr、Cd复合污染对茶叶重金属含量及主要生化成分含量的影响,同时研究了不同冲泡次数下茶汤中四种重金属的浸出率。结果表明:复合污染条件下,茶叶中重金属积累量显著高于对照,其高低顺序为Pb>Cr>Cd>As,其中,Cd在盆栽土壤中的添加量低于As,但在茶叶中的积累量高于Cd,表明Cd在茶树体内的迁移率高于As。复合污染茶叶中的氨基酸和咖啡碱含量均低于对照,酚氨比值高于对照,从而降低了茶叶品质。四种重金属元素在茶汤中的浸出量均随着冲泡次数的增加而减少,Cd、Cr、Pb和As的总浸出率分别为: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;四种重金属元素之间的络合作用,会影响重金属在茶叶中的累积量和茶汤中的浸出量。

茶叶,重金属,复合污染,生化成分,浸出率

在自然界中,重金属因其化学性质相似而常常伴生,容易造成伴随危害而对环境产生威胁[1]。因此,重金属复合污染具有普遍性和复杂性[2],而对重金属复合污染研究更具有理论和现实意义。近年来,茶园环境污染、土壤酸化、过度施用化肥农药等问题日趋严重,导致茶叶重金属污染时有发生[3]。

As、Pb、Cr、Cd是茶园污染中常见的重金属污染元素。茶叶中这四种重金属的含量与茶树对土壤重金属的吸收有着重要的关系,重金属的迁移和积累会影响茶叶品质,导致茶叶质量安全问题[4]。茶叶作为饮品,不是直接食用,人们应用的是沸水冲泡后的茶汤,茶汤中重金属的含量与茶叶对重金属的吸收积累有重要关联。丁航[5]认为,直接测定茶叶中重金属的含量,不能作为卫生学评价的依据,必须对茶水中各元素的含量和浸出率同时考察才有意义。因此,了解重金属元素在茶汤中的浸出率,对茶叶的安全性评价具有指导作用。茶叶中重金属浸出规律已有了一些研究[5-7],但供试茶样均为商品茶叶,尚未对复合污染的茶样浸出率进行研究。本文通过土壤盆栽实验,研究了As、Pb、Cr、Cd复合污染对茶叶的重金属含量及主要生化成分含量的影响;同时研究了不同冲泡次数茶汤中四种重金属的浸出率。旨在了解复合污染对茶叶品质和卫生质量的影响程度以及不同冲泡次数茶汤中四种重金属的浸出规律,为茶叶重金属重金属污染的控制及安全评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试材料:2年生的平阳特早品种茶苗。

药品:硝酸铬、硝酸镉、醋酸铅、三氧化二砷、碱式乙酸铅、盐酸、硫酸、茚三酮、氯化亚锡、硫酸亚铁、酒石酸甲钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠,均为分析纯。

盆栽土样:黄壤,土壤肥力中等,含有机质19.27g/kg,pH4.7,全氮0.61g/kg,全钾41.37mg/kg,全磷0.32g/kg,全铬64.88mg/kg,全镉0.083mg/kg,全铅9.31mg/kg。

IRIS/AP等离子体光谱仪 美国TJA公司;紫外可见分光光度计ND-1000 美国NanoDrop Technologies公司。

1.2 实验方法

实验采用Cr、As、Cd、Pb四因素三水平正交实验设计L9(34),共9个处理,每处理3次重复,其处理水平和浓度见表1。其中,Cr、As、Pb处理的最高浓度是土壤环境质量标准(GB 15618-1995)中的土壤临界值。于2007年4月采用土培法布置盆栽实验,土壤经自然风干、去杂质、压碎后过2mm孔径筛,充分混匀备用。按实验设计(表1)将各处理需添加的外源重金属溶液用喷雾器均匀施于土壤中,再次充分混匀,置于高25cm、宽38cm的黑色营养钵中,每盆土重8kg(以干土计),加蒸馏水使土壤含水量为田间持水量的70%左右,平衡一周以作为模拟不同浓度的复合重金属污染土壤。挑选长势一致的平阳特早2年生茶苗,每盆栽种6株,成活后每盆定植4株。每处理重复3次(共6盆)。培养于四川农业大学教学实习茶场内,采用常规栽培技术管理。2012年4月采摘各处理的新梢一芽二叶,蒸汽杀青固样,制作茶样待测主要生化成分含量。同时按照烘青茶的制作流程:杀青→揉捻→烘干[8],制作烘青茶,待测干茶和茶汤中四种重金属的含量。

1.3 测试方法

1.3.1 标准工作溶液的配制 分别吸取适量的铅、砷、镉、铬标准使用液,用盐酸(1+11)配制成标准工作液。

1.3.2 样品处理 将茶样磨碎,过850μm筛后,在105℃下干燥2h后,储存在塑料瓶中。称取研磨的茶样粉末1.000g,放入50mL坩埚中,加入2g MgO和2g Mg(NO3)2·6H2O(助灰化剂,防止砷等损失),充分搅拌均匀,在电炉上低温碳化(110～130℃)后,置于马弗炉中,逐步升温,并保持在500℃下干灰化处理4h,至样品完全灰化,呈灰白色为止,试剂空白同时操作。灰渣用5mL蒸馏水湿润,再加入盐酸2mL,溶解后用蒸馏水洗入25mL容量瓶中,定容待测。每个处理设三次重复。

表1 盆栽实验土壤中重金属的添加浓度(mg·kg-1)Table 1 Origin and concentration of heavy mentals used

1.3.3 浸泡次数对重金属元素浸出率的影响

1.3.3.1 一浸液 称取茶叶1.000g于100mL小烧杯中,加入50mL 100℃超纯水浸泡5min,倾倒出茶水,留在烧杯中的叶底为一次残渣。将过滤茶水定容至50mL为一浸液,待测。

1.3.3.2 二浸液 在一次残渣中加入50mL 100℃超纯水浸泡5min,倾倒出茶水,留在烧杯中的叶底为二次残渣。将过滤茶水定容至50mL为二浸液,待测。

1.3.3.3 三浸液 在二次残渣中加入50mL 100℃超纯水浸泡5min,倾倒出茶水,留在烧杯中的为三次残渣。将过滤茶水定容至50mL为三浸液,待测。

1.3.4 各样品重金属含量测定 茶叶和茶汤样品中重金属含量均采用电感耦合等离子体光谱法(ICP-OES)测定。光谱仪的工作参数见表2。

表2 IRIS/AP型光谱仪的工作参数Table 2 Working condition of instruments

1.3.5 成茶主要生化成分的测定 氨基酸总量的测定:采用GB/T 8314-2002《茶游离氨基酸总量测定》中的茚三酮比色法进行测定。

表3 各处理茶样的重金属含量(mg·kg-1)Table 3 The heavy metal content of one bud and two leaf of the treatment

注:同列英文小写字母不同表示不同处理之间差异显著(p<0.05),表4～表8同。茶多酚含量的测定:采用GB/T 8313-2008《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》中的酒石酸亚铁比色法进行测定。

咖啡碱含量的测定:采用GB/T 8312-1987《茶咖啡碱测定》中的第二种方法紫外光分光光度法进行测定。

1.4 统计指标的计算

茶汤中重金属的含量与茶叶对重金属的吸收积累有重要关联,而与浸泡方法和时间的关系尤为明显[9]。为比较重金属的迁移能力,引入浸出率来反映重金属从茶叶到茶汤的迁移能力。

浸出率(%)=茶汤中重金属含量/茶叶中重金属含量×100

1.5 数据分析

运用Excel2007对实验数据进行整理计算,采用DPS软件对实验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 四种重金属复合污染对茶叶重金属含量的影响

由表3可以看出,各处理茶样中四种重金属的含量均显著高于对照,且随土壤中外源重金属添加量的增加而呈升高趋势,这与李云等[10]的研究结果一致。以Cd为例,与对照相比,处理2(添加外源Cd 6mg/kg)茶样的Cd积累量增加7.583倍,处理5(9mg/kg)增加10.472倍,处理8(3mg/kg)增加4.611倍。茶样中Cr、Pb和As的积累量的变化规律与Cd相似。从表3还可看出,各处理的茶样中,Cd、Cr、Pb和As的含量范围分别为0.129～0.399、0.255～0.812、1.686～3.979mg/kg和0.133～0.277mg/kg。因此,四种重金属元素在茶样中的积累量高低顺序为Pb>Cr>Cd>As。而土壤中添加的As处理浓度范围为10～40mg/kg,Cd的浓度范围仅为3～9mg/kg,但Cd的积累量却高于As,说明Cd在土壤—茶树系统中移动性较强,迁移率和积累量均高于As。这可能与茶树本身的生长特性及这两种重金属元素的活性有关。

不同的重金属之间可能有络合作用,会影响茶树对重金属的积累含量。以重金属As为例,处理6和9添加相同浓度的外源As(40mg/kg),不同浓度的Cd、Cr和Pb,但处理6茶样中As的浓度显著高于处理9。这种差异反映复合污染条件下,某一元素在茶样内的积累量除受元素本身的性质影响外,还受到该元素的环境浓度、共存元素的性质及浓度的影响。

我国食品卫生标准GB2762-2005中规定铅含量≤5mg/kg;茶叶行业标准中类重金属砷的残留限量为2mg/kg,重金属镉与铬的残留限量分别为1和5mg/kg[11]。从表3可以看出,在本实验条件下,茶样中的四种重金属含量均没有超过国家标准限量,表明向土壤中添加的外源铅、镉等重金属元素向地上部位运输、迁移的比例较低。这与王春梅[12]、石元值[13]等人的研究结果一致。

2.2 四种重金属复合污染对茶叶主要生化成分含量的影响

表4 各处理茶叶主要生化成分含量(%)Table 4 Main quality components of tea ample of all treatment

表5 不同冲泡次数茶汤中重金属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、氨基酸和咖啡碱是影响绿茶品质的主要化学成分。氨基酸呈鲜味,略带甜味,是名优绿茶“鲜爽”味的主要成味物质;咖啡碱本身呈苦味,但与呈苦涩味的茶多酚及氧化物形成络合物后,便形成一种具有鲜爽味的物质[14]。据陆锦时[15]等人研究得出,茶多酚与绿茶品质评分的相关系数为0.88,氨基酸与绿茶品质评分的相关系数为0.95。此外,茶多酚与氨基酸的比值大小(即酚氨比)也可以较好地反映绿茶品质。一般情况下,当多酚类、氨基酸二者的含量都高而比值低时,味浓而鲜爽,绿茶品质优;若多酚类含量高而氨基酸含量低,二者比值高,味浓而苦涩,绿茶品质低。

由表4可看出,盆栽土壤添加不同浓度的外源Cd、Cr、Pb和As后,各处理茶样的茶多酚、氨基酸和咖啡碱含量与对照相比有一定差异。其中,处理1、2、3和9的茶多酚含量显著低于对照;处理8也低于对照,但差异不显著;处理4、5、6和7的茶多酚含量则高于对照,其中,处理7显著高于对照,其余处理则与对照无显著差异。各处理的氨基酸含量均低于对照,其中,处理4、6、7、8和9均显著低于对照。各处理的咖啡碱含量均显著低于对照。由于各处理的茶叶氨基酸含量均下降,同时有5个处理的茶多酚含量低于对照,因此,除处理2外,8个处理的酚氨比均呈升高趋势,其中,酚氨比值增幅最大为处理7,为对照的2.048倍。这些结果表明,重金属复合污染下,由于茶叶的氨基酸下降和酚氨比上升,使茶汤的苦涩味加重,不利于绿茶品质的形成。Wu Yongsheng等人[16]研究重金属Pb对茶树品质成分的影响,发现Pb胁迫降低了咖啡碱和游离氨基酸含量,提高了茶多酚的含量,从而加重茶叶苦涩味,降低了茶叶品质。除茶多酚含量变化趋势略有差异外,本实验结果与该实验结果基本一致。推测形成差异的原因可能是,在供试的四种重金属元素同时胁迫下,重金属之间的相互作用会增强或减弱单一重金属对茶树生长代谢的影响。据唐茜[17]等人研究,施用过高浓度重金属Pb和Cr等,影响茶叶碳、氮代谢等茶树生理活动,使茶叶主要生化成分含量变化。复合元素对茶叶生化成分的影响及机理是复杂的,这也是今后需要进一步探究的问题。

2.3 不同冲泡次数对茶汤中四种重金属浸出率的影响

表6 不同冲泡次数茶汤中重金属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:表中空白区域表示由于其他原因引起的数据缺失,表7～表9同。

表7 不同冲泡次数茶汤中重金属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 不同冲泡次数茶汤中重金属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

按我国茶叶消费者一般的饮用习惯,茶叶一般冲泡三次饮用。取1.0g烘青茶样,先后三次用50mL沸水冲泡5min,分别测定了各处理茶汤中四种重金属含量并计算浸出率。结果如表5～表8所示:茶汤中重金属的浸出量与茶叶中重金属的初始浓度有关;各处理茶样Cd、Cr、Pb和As在第一、第二次冲泡中的浸出率均高于对照,第三次冲泡对照的浸出率均为0.0,而Cd的浸出率范围为1.0%～3.0%,Cr为1.1%～2.4%,Pb为2.0%～4.6%,As为0.4%～0.8%,且四种重金属元素均是随着冲泡次数的增加,浸出速度逐渐减缓且浸出量减少。这与陈永明[18]的实验结果一致。由本实验可知,在冲泡茶叶时,第一次冲泡加正常冲泡沸水量的50%,再倒掉茶汤洗茶,可以有效地减少人们饮茶时对Pb、Cr等重金属元素的吸收量。

茶叶内供试四种重金属的络合等复杂作用,可能会影响各个重金属在茶汤中的浸出量。如表6所示:处理6与处理9成茶样中Pb含量无显著差异,分别为2.161mg/kg和2.512mg/kg,但处理6第一次冲泡Pb浸出量显著低于处理9,分别为0.344mg/kg和0.451mg/kg。

由表9可以看出,各个处理茶样四种重金属三次冲泡总的浸出率均高于对照。Cd浸出率最高为处理1,是对照的3.216倍,最低为处理4,是对照的1.622倍;Cr浸出率最高为处理8,是对照的3.392倍,最低为处理3,是对照的1.873倍;Pb浸出率最高为处理9,是对照的2.954倍,最低为处理7,是对照的1.426倍;As浸出率最高为处理5,是对照的5.140倍,最低为处理6,是对照的3.186倍。Cd、Cr、Pb和As总浸出率的范围分别为:18.0%～35.7%、14.8%～26.8%、15.4%～31.9%和13.7%～22.1%。

从各个重金属三次冲泡总的浸出率来看,Pb和Cd浸出率大于Cr和As,Cr和AS相Pb和Cd在茶叶—茶汤系统中迁移速度相对较慢。张清海等人[9]在贵州省云雾土壤高含量重金属茶园,采集46个土壤和茶叶样品,对土壤—茶叶—茶汤系统重金属分析,发现不同重金属在茶汤中的浸出率为Hg>As>Cu>Pb>Cd>Cr。本实验采用四种重金属复合污染的茶样分别进行三次浸提,但四种重金属浸出率的高低与张清海等[9]的研究结果存在一定的差异,这可能与实验采用的茶叶样品、茶叶中重金属的初始浓度和浸泡方式不同有关。

在国家卫生标准GB2762-2005中,仅对铅做了Pb≤5.000mg/kg的规定。未对其他三个元素做限量规定。参考水果蔬菜的重金属卫生标准,四种重金属元素安全限量如表10。可知,除极少数处理的Cd略有超标,其余均符合国家卫生标准。

表9 茶样四种重金属三次冲泡的总浸出率(%)Table 9 The total leaching rate of heavy mentals

表10 四种重金属元素安全限量(mg·kg-1)Table10 The safety limit of four heavy metals

3 结论

3.1 四种重金属(As、Pb、Cr、Cd)复合污染条件下,茶叶重金属含量随土壤中重金属添加量的增加而呈升高趋势。供试重金属元素在茶样中的积累量高低为Pb>Cr>Cd>As。Cd在土壤-茶叶系统的迁移率高于As。

3.2 重金属复合污染下,茶叶中氨基酸、咖啡碱的含量均低于对照,呈降低趋势,但茶多酚含量有升有降,9个处理中有5个处理降低,使酚氨比值总体上升。这些结果表明,四种重金属复合污染会使茶叶主要品质成分的含量降低,且配比发生变化,增加了茶汤的苦涩味,降低绿茶品质。

3.3 测定结果显示,四种重金属元素在茶汤中的浸出量均随着冲泡次数的增加而减少,且浸出速度逐渐减缓。Cd、Cr、Pb和As三次冲泡总的浸出率分别为:18.0%～35.7%、14.8%～26.8%、15.4%～31.9%和13.7%～22.1%。Pb和Cd在茶叶-茶汤系统的迁移率高于Cr和As。茶汤中重金属的浸出量与茶叶中重金属的初始浓度有关,因此,应严格控制重金属复合污染,以降低茶叶中四种重金属的含量及浸出量。洗茶可以有效地减少人们饮茶时对茶汤中Pb、Cd、

As、Cr重金属元素的吸收量。

[1]Chen H M,Zheng C R,Wang S Q,etal. Combined pollution index of heavy meatals in erd soil[J].Pedosphere,2000,10(2):117-124.

[2]孙铁珩,周启星.污染生态学研究的回顾与展望[J].应用生态学报,2002,13:221-223.

[3]张艳东.四川有机茶园害虫控制技术研究[D].重庆(北碚区):西南大学,2011.

[4]石元值,金李孟,祝幼松.第一讲:茶叶重金属元素含量现状及累积特点[J].中国茶叶,2007(6):17-19.

[5]丁航.茶叶中微量元素的溶出规律[J].广东微量元素科学,2003,10(5):56-57.

[6]陈韵,石展望,黄晓敏.茶叶浸泡方式对砷和汞浸出量的影响[J].贵州农业科学,2011,39(1):41-43.

[7]宋方琼,张珍明,张清海,等.贵州鸟王茶茶叶中重金属积累与浸出特征[J].广东农业科学,2013,40(8):22-23,26.

[8]陈椽.制茶学[M].北京:中国农业出版社,1986:155-156.

[9]张清海,龙章波,林绍霞,等.贵州云雾茶园土壤高含量重金属和砷在茶叶中的积累和浸出特征[J].食品科学,2013,34(8):212-215.

[10]李云,张进忠,童华荣.茶苗对重金属Pb、Cu、Cd和Cr的吸收累积规律[J].农业环境科学学报,2009,28(3):454-459.

[11]GB 2672-2005 食品中污染物限量[S].

[12]王春梅,唐茜,张小琴,等.高浓度镉胁迫对茶树生理及吸收积累特性的影响[J].茶叶科学,2012,32(2):107-114.

[13]石元值,阮建云,马立峰,等.茶树中镉、砷元素的吸收累积特性[J].生态与农村环境学报,2006,2(3):70-75.

[14]杨亚军.中国茶树栽培学[M].上海科学技术出版社,2005:170-196.

[15]陆锦时,魏芳华,李春华.茶树品种主要化学成分与品质关系的研究[J].西南农业学报,1994,1(增刊):1-5.

[16]Wu Y S,Liang Q H,Tang Q. Effect of Pb on growth,accumulation and quality component of tea plant[C].Procedia Engineering,2011(18):214-219.

[17]唐茜,李晓林,朱新钰,等.铅、铬胁迫对茶树生育的影响[J].西南农业学报,2008,21(1):156-162.

[18]陈永明.绿茶茶叶及其浸出液中重金属含量研究[J].北京工商大学学报:自然科学版,2012,30(2):43-47.

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

许燕(1991-)，女，硕士研究生在读，主要从事茶树栽培与育种研究。

*通讯作者:唐茜(1963-)，女，硕士研究生，教授，主要从事茶树栽培与育种研究。

四川盆地大学农业科技服务技术集成与示范课题(2013BAD20B07)。

TS207

A

1002-0306(2015)01-0369-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.070