江西名茶中Cr、Ni和Co 3种重金属元素含量的比较分析

柯法钧，王 丹，洪艳平，陈薪竹，王玉波，杨武英

（江西农业大学南昌市农产品加工与质量控制重点实验室/食品科学与工程学院，江西南昌 330045）

【研究意义】茶叶中富含儿茶素、咖啡碱、茶多酚、胆甾烯酮、肌醇、叶酸等活性成分以及人体所需的钾、钙、镁、钠、铜、铁、碘、锰、锌等多种有益矿物质元素，具有抗氧化、防衰老、抗辐射、提高免疫力、减肥、抗过敏、降血糖、降血脂等多种功效，备受人们欢迎[1-5]。但茶树在生长过程中容易吸附土壤中重金属等有毒有害的物质。通过食物链进入人体后会作用于全身各系统和器官导致一系列疾病的发生[6-9]。铬元素在三价时是人体必需的微量元素，参与体内脂肪和糖的代谢，与镁一起协同糖类的转化，促进生长发育，有利于抗衰老，但铬摄入过量会产生毒害，尤其是六价铬，其毒性比三价铬大100倍，且人体对三价铬的吸收较弱，六价铬比三价铬更易吸收，长期过量接触铬对人体的肝脏、肾脏及鼻腔均有一定影响，可能诱发鼻咽癌或肺癌[10-11]。镍元素是人体必需的微量元素，参与人体酶的代谢和组成，可以促进胰腺发育，促进红细胞的再生，可以用于治疗贫血和肝硬化，但是镍也是重金属，摄入过量会导致细胞癌变[12]。钴是人体必需的微量元素，广泛分布于全身，钴元素是唯一一种在一定形式下才具有活性的微量元素，即形成氰钴氨（维生素B12）才能起作用，钴对机体的生长、发育、碳水化合物和蛋白质的代谢都有重要的作用。摄入过多的钴对人体也有害，可引起红细胞增多症（红细胞生成过多或破坏减少），并且含有高浓度的血红蛋白还会引起胃肠功能紊乱、耳聋、甲状腺增生、碘吸收减少、心肌缺血，严重的甚至引起心肌炎[13-14]。江西地处长江中游，风景秀丽、气候温和、土壤肥沃、雨量充沛，是茶树优越的环境生长地，有着悠久的种茶产茶历史，是全国茶叶种植、生产销售的重要基地，种植的茶叶品质甚优，口感细腻。其中遂川狗牯脑、靖安白茶、修水宁红、武夷红茶、浮瑶仙芝、婺源毛尖、庐山云雾，井冈翠绿等均是江西代表性优质茶，曾先后被评为江西名茶。近年来随着大气污染和土壤污染现象日益严重，导致我国茶叶中存在的重金属等有害物质含量有逐年增加的趋势，茶叶质量安全性降低，严重影响了我国茶叶的进出口贸易[15-19]。【前人研究进展】目前对江西名茶的种质资源、种植条件、茶叶加工等方面已经有所研究和探讨，但对江西名茶中有毒重金属元素含量系统性的测定尚未见报道[20-21]。因此测定江西茶叶中各重金属元素的含量对于研究江西茶业的种植和加工具有重要意义。【本研究切入点】本研究通过正交试验法优化Ni、Co和Cr元素石墨炉原子吸收光谱法工作条件，在最佳仪器工作条件下绘制元素的标准曲线，考察所建立方法的检出限、精密度，然后优化前处理条件，在优选的前处理条件下，测定样品加标回收率，考察建立方法的准确度，最后利用建立的方法测定8 种江西名茶中3 种重金属元素的含量并进行比较分析。【拟解决的关键问题】本研究为促进江西省茶产业健康和可持续性发展具有现实指导意义，同时也可为人们日常饮茶选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

井冈翠绿、靖安白茶、武夷红茶、庐山云雾、婺源毛尖、浮瑶仙芝、修水宁红和遂川狗牯脑样品均购于江西省南昌市鹿鼎国际茶叶城。

各元素标准储备液购于国家化学试剂质检中心。所用试验试剂均为国产分析纯。所用玻璃仪器以及瓷坩埚均用10%硝酸浸泡过夜，先用蒸馏水冲洗多次，再用超纯水冲洗，烘干后备用。WND-200型粉碎机（浙江省兰溪市佛能达电器有限公司）；SX2-6-13 型马弗炉（上海嘉展仪器设备有限公司）；101-4-BS 型电热恒温鼓风干燥箱（上海跃进医疗器械）；A3 系列原子吸收分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；LTL-MF4型元素空心阴极灯（北京瑞利普光电器件厂）。

1.2 各元素仪器最佳工作条件的优选

石墨炉原子吸收法具有进样量较少、检出限较低、灵敏度较高、操作较简便、结果较稳定、准确度良好等优点，影响石墨炉原子吸收主要因素[22-23]是石墨炉的升温程序，升温程序包括4个阶段：干燥、灰化、原子化和去残，其中灰化和原子化的时间和温度的选择对实验结果影响较大[24]。取各元素一定浓度的标准溶液，3种矿物质元素均采用三水平四因素正交试验设计方法确定Ni、Co和Cr元素石墨炉原子吸收法最佳仪器工作条件，各元素石墨炉法正交试验因素水平见表1。

表1 石墨炉原子吸收法正交试验因素水平表Tab.1 Factor level of orthogonal experiment about graphite furnace atomic absorption spectrometry method

1.3 标准曲线的建立和检出限的测定

取一定体积的各元素标准贮备液（1 mg/mL）于50 mL 容量瓶中，用5%的硝酸溶液稀释定容成不同浓度梯度的标准工作溶液，于1.2确定的最佳仪器工作条件下测定吸光值，并绘制标准工作曲线，同时得到线性回归方程及相关系数R2。并分别对空白溶液测定10 次，得到各元素对应的检出限。检出限计算公式如下：

式（1）中：DL表示检出限，S为示标准偏差，K为标准曲线斜率。

1.4 精密度试验

分别取6个不同浓度梯度的各元素标准工作溶液用石墨炉原子吸收光谱法分析，每个浓度重复10次，对得到的数据进行批次内差异分析，考察方法的精密度。

1.5 样品前处理方法的优选

选取8 种茶叶中的一种（遂川狗牯脑）用湿法消解、干法灰化和微波消解3 种方法分别进行前处理，于1.2优选出的仪器最佳工作条件下测定各元素含量，并比较3种前处理方法的测定结果，优选出其中较好的前处理方法。

1.5.1 湿法消解法 准确称取选定的样品茶叶1.000 g 2 份，分别置于凯氏烧瓶中，再加15 mL 混合酸（HNO3-HClO44∶1）消解液，保鲜膜封口，浸泡过夜，次日在电炉上加热消解，消解至白烟出现，随后减少，待消解液呈无色透明或略显黄色即可。冷却后用少量去离子水多次洗涤，转移至50 mL 容量瓶中，定容，同时做试剂空白对照。

1.5.2 干法灰化法 准确称取选定的样品茶叶1.000 g 2 份，分别置于瓷坩埚中。先在电炉上用小火炭化至无烟，再放入马弗炉中逐级升温至550 ℃，高温灰化4～5 h，冷却后取出。若灰化不彻底，加几滴硝酸润湿，再置于电炉上小火蒸干后放入马弗炉中再次灰化。然后取出试样，加入0.5 mol/L硝酸溶液10 mL，使其溶解，再用0.5 mol/L 硝酸溶液少量多次洗涤坩埚，小心转移至50 mL 容量瓶中，定容，摇匀，同时做空白对照。

1.5.3 微波消解法 准确称取选定的样品茶叶1.000 g 2 份，分别置于25 mL 聚四氟乙烯微波消解罐中，先加入混合酸（HNO3-HClO44∶1）消解液15 mL，严格按照微波消解的运行步骤消解试样（中火，4 min）。冷却后取出，在电热板上于140～160 ℃赶酸至2.5～5.0 mL。待消解罐冷却后，将消化液转移至50 mL 容量瓶中，用水少量多次洗涤消解罐，合并洗涤液，定容，同时做空白试验。

1.6 加标回收实验

准确称取1.000 g 同种干燥茶叶样品（遂川狗牯脑）6 份，其中2 份为对照，剩余4 份分成2 组，每组加入不同水平的标准品，每个水平2个平行样，采用1.5优选出的最佳前处理方法处理样品，然后转移定容于50 mL 容量瓶中，再采用1.2 优选出的石墨炉原子吸收光谱法的仪器最佳工作条件测定6 份茶叶样品中各元素的含量。加标回收率计算公式如下：

1.7 8种江西名茶中3种矿物质元素含量的测定和比较分析

准确称取浮瑶仙芝、庐山云雾、武夷红茶、遂川狗牯脑、井冈山翠绿、修水宁红、靖安白茶和婺源毛尖8种江西名茶的干燥样品各1.000 g，采用1.5优选出的最佳前处理方法处理样品，然后转移定容至50 mL容量瓶中，再采用1.2 优选出的石墨炉原子吸收光谱法的仪器最佳工作条件测定8 种茶叶样品中Ni、Co和Cr 3种矿物质元素的含量（测量Cr时加入基体改进剂[25]）。同法做平行实验（次数=3）和试剂空白对照实验。8种江西名茶中各元素含量的计算公式如下：

式（3）中：X为试样中各元素含量，单位为（mg/kg或mg/L）；C1为试样消化液中各元素含量，单位为ng/mL；C0为空白液中各元素含量，单位为ng/mL；V为试样消化液定容总体积，单位为mL；m为试样质量或体积，单位为g或mL；1 000为换算系数。

1.8 数据处理

所有实验数据用DPS统计软件与Excel软件进行分析处理，试验结果用（均值±标准误差）表示。

2 结果与分析

2.1 3种重金属元素最佳仪器工作条件优选

Cr、Ni 和Co 3 种矿物质元素石墨炉原子吸收光谱法最佳工作条件优选结果见表2、3 和4。由表2、3 和4 可知Cr 元素的石墨炉原子吸收法的仪器最佳工作条件为灰化温度700 ℃，灰化时间13 s，原子化温度2 300 ℃，原子化时间3 s；Ni 元素的石墨炉原子吸收光谱法的仪器最佳工作条件为灰化温度900 ℃，灰化时间8 s，原子化温度2 200 ℃，原子化时间为3 s；Co 元素的石墨炉原子吸收法的仪器最佳工作条件为灰化温度900 ℃，灰化时间12 s 原子化温度2 000 ℃，原子化时间4 s。由表2、3 和4 可知仪器工作条件中对Cr 元素测定结果影响最大的是原子化温度，其次是原子化时间，然后是灰化温度，最后是灰化时间；对Ni 元素测定结果影响最大的是原子化温度，其次是灰化温度，然后是原子化时间，最后是灰化时间；对Co 元素测定结果影响最大的是原子化时间，其次是灰化温度，然后是灰化时间，最后是原子化温度。

表2 Cr元素正交试验极差分析结果Tab.2 The range analysis results of orthogonal experiment for Cr element

表3 Ni元素正交试验极差分析结果Tab.3 Range analysis results of Ni element orthogonal test

表4 Co元素正交试验极差分析结果Tab.4 The range analysis results of orthogonal experiment for Co element

2.2 标准曲线和检出限

在实验选定的最佳仪器工作条件下，将Cr、Ni 和Co 3 种矿物质元素的不同浓度的标准溶液用石墨炉原子吸收法测定其吸光度，利用测得的吸光度绘制各元素的标准曲线。为了检验方法的可行性，连续10 次测定各元素和空白溶液的吸光值，得到各元素对应的检出限。各元素标准曲线的线性回归方程、相关系数和检测限结果如表5 所示。由表5 可知各元素在各自浓度范围内线性关系良好，相关系数为0.994 6～0.999 3，均符合要求；3 种矿物质元素的检出限为0.88～5.625 ng/mL，其中Cr 的检出限为5.625 ng/mL，比GB 5009.123—2014各类食品中Cr的石墨炉法测定检出限（0.01 mg/kg）还低；石墨炉法Ni的检出限为3.38 ng/mL，比GB 5009.138—2017 茶叶中Ni 的石墨炉法测定检出限（0.02 mg/L）还低；石墨炉法Co的检出限为0.88 ng/mL，比HJ 985—2018水质中Co的石墨炉法测定检出限（2µg/L）还低，说明本研究建立的检出限均符合要求[26-28]。

表5 各金属元素标准曲线及检出限Tab.5 Standard curve and detection limit of each metal elementng/mL

2.3 精密度实验结果

各元素精密度实验结果如表6 所示，由表6 数据可知，3 种矿物质元素精密度实验的RSD在3.93%～8.06%，均符合要求。

2.4 样品前处理条件的优化

干法灰化、湿法消解和微波消解法的比较结果如表7所示，由表7可知，采用微波消解法对茶叶样品进行前处理的空白值较低，检测结果更佳，且更易于操作，短时间内能达到很好的消化效果，大大提高了工作效率，故选择微波消解法进行前处理来做后续的加标回收试验和茶叶样品中Cr、Ni和Co 3种矿物质元素含量的测定。

表6 精密度实验结果（n=10）Tab.6 The results of precision experiment

表7 前处理方法测定结果（n=3）Tab.7 The determination results of pretreatment methodsmg/kg

2.5 加标回收实验结果

加标回收实验结果如表8所示，由表8可知，采用本研究建立的石墨炉原子吸收法测定Cr、Ni和Co 3种矿物质元素含量，得到的加标回收率为70.02%～93.50%，RSD都小于7%，均符合要求。

表8 加标回收试验结果（n=3）Tab.8 The results of spiked recovery experiment

2.6 样品中各元素含量的测定结果及比较分析

8种江西名茶中3种重金属元素含量结果如表9所示，由表9可知，不同品种茶叶中各元素含量略有差异，具体表现为Cr含量最高的是庐山云雾为1.621 mg/kg，最低的是修水宁红为1.015 mg/kg；Ni含量最高的是井冈翠绿为10.697 mg/kg 左右，最低的是武夷红茶为3.917 mg/kg；Co 含量最高的是井冈翠绿为1.133 mg/kg，最低的是靖安白茶为0.524 mg/kg。农业部颁布的茶叶中Cr 限量标准为5 mg/kg，本实验测得的8种江西名茶中Cr含量都低于该限量标准，符合食用要求[29]。由于我国对于茶叶卫生标准的制定还不够完善，目前尚无Ni和Co的限量标准可供引用。

在8种江西名茶中，Cr含量由大到小依次为庐山云雾、靖安白茶、遂川狗牯脑、井岗翠绿、浮瑶仙芝、武夷贡茶、婺源毛尖和修水宁红；Ni元素含量由大到小依次为：井冈翠绿、婺源毛尖、浮瑶芝茶、遂川狗牯脑、修水宁红、靖安白茶、庐山云雾和武夷红茶；Co元素含量由大到小依次为井岗翠绿、婺源毛尖、浮瑶仙芝、修水宁红、遂川狗牯脑、武夷红茶、庐山云雾和靖安白茶。8种江西名茶中各元素含量有一定的差异，究其原因，可能与茶叶品种、产地、种植条件、加工方式等因素有关。此外，不同元素在不同品种茶叶中含量有较大差异，有的差异不明显。如Cr元素除在婺源毛尖、武夷贡茶、浮瑶仙芝中含量有显著性外，其余品种中均不显著；Ni元素在不同品种间均不显著；Co元素除在婺源毛尖、庐山云雾、靖安白茶中含量有显著性外，其余品种中均不显著。

综上所述，不同品种江西名茶中所含重金属元素含量各不相同，人们应尽量避免长期饮用同一种茶叶，以免引起某种重金属元素含量的逐渐累积，超出规定的限量时，会对人体健康造成一定的影响。同时，泡茶用的茶叶量不宜过多，泡茶时间不宜过长，少饮浓茶，适当洗茶的习惯可在一定程度上降低茶叶浸出液中元素含量。总体来看8种江西名茶中3种重金属元素含量均较低，可放心饮用。本研究对8种江西名茶中3种重金属元素含量的测定研究结果，对江西省茶叶质量控制及茶饮品的合理开发具有重要意义，同时也为人们健康安全饮茶提供了有益参考。

表9 8种江西名茶中3种矿物质元素含量检测结果（n=3）Tab.9 The test results of there mineral elements in eight kinds of Jiangxi famous teamg/kg

3 结论

本研究利用微波消解法对遂川狗牯脑、靖安白茶、修水宁红、武夷红茶、浮瑶仙芝、婺源毛尖、庐山云雾，井冈翠绿等江西名茶叶样品进行前处理，建立了8 种江西名茶中Cr、Ni 和Co 3 种重金属元素含量的石墨炉原子吸收光谱法，利用建立的方法分别测定了8 种江西名茶中各元素含量并进行了比较分析，结果表明不同品种茶叶中所含3 种重金属元素含量存在一定的差异显著性，由大到小依次为Ni、Cr和Co，其中Ni 元素含量最高的是婺源毛尖；Cr 元素含量最高的是庐山云雾；Co 元素含量最高的是井冈翠绿，但3 种矿物质元素的含量均较低，可放心饮用。说明8 种江西名茶产地环境条件优越，空气、土壤和水源均未受到污染，适合茶叶的生产种植。本研究建立的茶叶中Cr、Ni 和Co 3 种重金属元素含量的石墨炉原子吸收光谱法具有选择性好，灵敏度高，可同时测定的优点。本研究不仅为江西省茶叶种植、加工、品质控制及日常饮茶选择提供了科学依据，还对促进江西省茶产业健康和可持续性发展具有现实指导意义。