茶鲜叶中金属元素含量影响因素研究

朱鹏飞，于春娣，唐娟，赵皓卿，丁秋娴，杨庆利，赵海燕

（青岛农业大学食品科学与工程学院，山东青岛266109）

茶叶在中国具有丰富的资源优势、文化底蕴和消费传统，也是中国在国际市场具有较强竞争力的创汇商品[1]。茶文化已成为中国传统文化的重要组成部分，随着近年来大量有关喝茶有利人体健康的科学研究，国内茶叶消费不断增长[2]。茶鲜叶中的化学成分高达600余种[3]，除含有蛋白质和氨基酸等有机化合物之外，还含有多种金属元素，如 Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mo等[4-5]。这些金属元素会对人体健康造成一定的影响。因此，检测并分析茶鲜叶中的金属元素的含量，有着重要的意义与应用价值[6]。

当前，国内外研究主要集中在茶叶中微量元素含量的分析[7-13]，利用矿物质元素对茶叶进行产地溯源[14-18]以及对茶叶的真伪进行鉴定[19]。有研究发现，茶叶中微量元素含量与茶叶产地来源密切相关，不同产地种源土壤中微量元素含量是茶叶微量元素的主要来源之一[14]。受茶叶的化学组分及代谢的影响，不同品种间微量元素含量差异较大[20]。因不同季节的温度、降水量和光照时间等有明显差异，季节变化对茶叶微量元素含量也具有显著影响[21-23]。目前鲜有对茶鲜叶中金属元素含量影响因素及其交互作用的综合探究。

对于茶叶中金属元素含量的探究，通常采用电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）。ICP-MS 是一项常用技术，具有抗干扰、灵敏度高、多元素同时分析以及在复杂机体中能准确分析痕量元素等特点[24]。本研究主要通过ICPMS 检测茶鲜叶中的金属元素 Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn和Mo的含量，分析茶鲜叶产地、品种以及收获季节对金属元素含量的影响，解析茶鲜叶中金属元素与种源土壤相关元素含量间的关系，解析各影响因素对各元素含量变异的贡献率，以期为研究茶鲜叶中的金属元素含量提供理论基础与科研依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茶鲜叶：分别于2016年的春季（3月）、夏季（6月）和秋季（9月）从青岛市、合肥市和杭州市采集茶树树龄相同的样品（安吉白茶、乌牛早茶、平阳特早茶），每份样品在枝干末端采摘成熟度相似的第一叶叶片，采集约100 g。对每个地区每季的每个品种样品各采摘3份，共收获81份茶鲜叶样品；土壤样品：通过土钻采集土壤样品，以茶树种植点为采样中心，保证每个茶鲜叶样品与其种源土壤对应，采样深度为0～20 cm，在每个采样点用四分法采集土样约250 g，共采集81份土样。最终收集的所有样品分类，标注信息后保存在聚乙烯袋中备用。

硝酸（BV-III级）、过氧化氢（BV-III级）、高氯酸（BV-III级）、氟化氢（BV-III级）：北京化学试剂研究所；去离子水（电阻率18.2 MΩ·cm）：中国农业科学院；茶叶标准物、土壤标准物、内标（72Ge、115In、209Bi）、外标：国家标准物质研究中心。

1.2 仪器与设备

Milli-Q超纯水系统：美国Millipore公司；DHG-9240A型恒温干燥箱：北京中仪国科科技有限公司；DV4000型精确控温电热消解仪：北京安南科技有限公司；CEM Mars240/50微波消解仪：美国CEM公司；7700型电感耦合等离子体质谱：美国Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 样品预处理

1.3.1.1 茶鲜叶样品预处理

用去离子水彻底清洗茶鲜叶，去除表面的杂质污染，样本在70℃下干燥12 h至恒重后，用研钵研磨成细粉，过100目筛网后放入聚乙烯袋中备检。随后进行微波消解，称取茶鲜叶粉末0.250 0 g，放入25 mL聚四氟乙烯消解管中，加入6 mL的硝酸，盖上盖子，反应1 h；再加入2 mL的过氧化氢，反应30 min。放入微波消解仪中进行微波消解，在微波消解系统中逐步升高功率至1 600 W，温度设置为180℃，消解时间40 min，按照消解程序设定步骤进行升温消解。待消解结束后，将混合物置于电热消解仪，以180℃的温度蒸发至接近干燥，冷却至室温（25℃）后转移到容量瓶中，用超纯水调节溶液至100 mL备用[25]。

1.3.1.2 土壤样品预处理

土壤样品室温（25℃）干燥1周后，用2 mm的聚乙烯筛对土壤中的碎石、根等杂质进行过滤，随后将土壤样品研磨成细粉，过100目筛后放入聚乙烯袋。对土壤样品进行消解。称取土壤样品约0.250 0 g，放入微波消解管中，加入8mL硝酸和2mL氟化氢后放在消解仪中反应。在微波消解系统中，功率增加至1600 W，温度设定为120℃，消解时间10 min，按照步骤进行升温消解。待消解结束后，将混合物置于电热消解仪上进行赶酸，以180℃的温度蒸发至接近干燥，冷却至室温（25℃）后转移到容量瓶中，用超纯水定容至100 mL备用。

1.3.2 金属元素含量检测

利用ICP-MS测定茶鲜叶中的9种金属元素（Na、Mg、K、Ca、Fe、Co、Cu、Zn 和 Mo）含量。参数如下：射频功率1 280 W，载气及辅助气体流速1.0 L/min，等离子体气体流速15 L/min，雾化室温度2℃。以72Ge、115In、209Bi为内标物质，对每种样品或标准物进行3次测定。当内标相对标准差＞5%时，重新对样品进行测定。

1.4 数据处理

使用IBM SPSS 25.0软件，对测定的茶鲜叶金属元素含量进行化学计量学分析。分析采用单因素方差分析、多因素方差分析和Pearson相关分析。数据均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 准确度分析

根据标准物的检测结果，参照茶叶标准样品和土壤标准样品，其回收率在91%～109%，标准偏差＜10%，充分说明检测结果真实可靠。

2.2 不同产地茶鲜叶中金属元素含量的影响因素分析

2.2.1 不同产地茶鲜叶中金属元素含量的变异分析

为研究产地对茶鲜叶中金属元素含量的影响，将81份茶鲜叶样品按产地划分3类，不同产地茶鲜叶中的金属元素含量见表1。

表1 不同产地茶鲜叶中金属元素含量Table 1 The concentrations of metal elements in tea leaves from different origins

由表 1 可知，元素 Na、Ca、Fe、Co、Cu 和 Zn 的含量在3个产地间差异极显著（P＜0.01），元素Mg和K含量在3个产地间存在差异显著（P＜0.05），元素Mo含量在3个产地间差异不显著。结果表明产地影响茶鲜叶中某些金属元素的含量。聂晶等[26]研究发现山东省不同市茶叶中Mg、K、Ca、Fe、Cu和Zn含量均表现出一定的差异性；Ma等[27]发现不同产地茶叶中Na、Mg和Cu的含量存在显著差异，这与本研究结果一致。

为探究3个产地两两之间茶鲜叶金属元素含量的差异，进行了Duncan多重比较。结果表明，除元素Mo含量在不同产地间差异无显著性外，其余元素（Na、Ca、Fe、Co、Cu、Zn、Mg 和 K）在两两地区茶鲜叶的比较中，元素含量具有各自的特征。青岛市茶鲜叶中元素Ca的含量显著高于其它两市茶鲜叶（P＜0.05），而元素K、Fe、Cu和Zn含量要比合肥市和杭州市偏低。合肥市茶鲜叶中元素Na、Mg含量与青岛市茶鲜叶无明显差异且高于杭州市茶鲜叶中Na、Mg含量，K含量与杭州市茶鲜叶无明显差异而显著高于青岛市茶鲜叶中K元素含量，Fe元素含量在3个产地茶鲜叶中含量最高，Co元素含量与青岛市茶鲜叶中Co元素含量无明显差异且均显著低于杭州市。杭州市茶鲜叶中，Co元素和Zn元素的含量显著高于其它两市，Na元素含量显著低于其它两市，Ca元素含量与合肥市茶鲜叶中Ca元素含量无显著差异且低于青岛市，Cu元素含量与合肥市无明显差异而明显高于青岛市。

2.2.2 茶鲜叶中金属元素与种源土壤中元素含量关系分析

为进一步探究造成不同产地间金属元素含量差异的原因，本研究对种源土壤中元素含量进行关系分析，对不同产地81份种源土壤中的9种金属元素含量进行测定，结果如表2所示。

表2 不同种源土壤中金属元素含量Table 2 The concentrations of metal elements in provenance soils from different regions

由表2可知，不同产地种源土壤中不同金属元素含量均呈现极显著差异（P＜0.01）。表明种源土壤金属元素含量受产地的影响较为明显。对土壤金属元素含量进行Duncan多重比较，结果表明，在青岛市种源土壤中，Na、Mg、K和Ca元素含量显著高于其它两地；合肥市土壤中Fe元素和Co元素含量高于其它两地且差异显著；杭州市土壤中Cu元素含量显著高于青岛市和合肥市（P＜0.05），而元素Zn和Mo含量与青岛市差异不显著但均高于合肥市。

为进一步了解茶鲜叶中各金属元素含量与种源土壤中相关元素含量之间的关系，对所有茶鲜叶和对应的种源土壤中各元素含量进行了Pearson相关分析，结果如表3所示。

表3 茶鲜叶与种源土壤间元素含量的Pearson相关系数Table 3 Pearson correlation coefficient of element contents between fresh tea leaves and provenance soils

由表3可知，茶鲜叶与种源土壤中Na元素含量呈显著正相关（P＜0.05），与Ca、Fe和 Cu的含量呈极显著正相关（P＜0.01），说明茶鲜叶中金属元素的含量随着种源土壤中元素含量的增加而增加，影响顺序为Fe＞Ca＞Cu＞Na。Zhao等[14]研究结果表明，茶鲜叶与种源土壤中Na、Ca和Fe的含量存在显著性相关，与本研究结果一致。元素Co含量呈显著负相关，而K含量呈极显著负相关。这表明随着种源土壤中金属元素含量的增加，茶鲜叶中的金属元素的含量反而减少，且K含量的减少程度大于Co含量。其余元素（Mg、Zn和Mo）在茶叶和种源土壤之间不存在显著线性相关，说明茶鲜叶中的金属元素除了从种源土壤中获取，可能还有其它来源，如降水或大气沉降等。

2.3 不同品种茶鲜叶中金属元素含量的变异分析

不同品种茶鲜叶中金属元素含量见表4。

表4 不同品种茶鲜叶中金属元素含量Table 4 The contents of metal elements in tea leaves of different varieties

2.4 不同季节茶鲜叶中金属元素含量的变异分析

3个采样地区不同季节茶鲜叶中金属元素的平均含量如表5所示。

表5 不同季节茶叶中金属元素含量Table 5 The contents of metal elements in tea leaves of different seasons

由表4可知，元素Mg、Co和Mo的含量在不同品种间存在极显著差异（P＜0.01），而元素Fe和Cu的含量在不同品种间差异显著（P＜0.05），不同品种间Na、K、Ca和Zn的含量差异不显著。Chen等[20]发现不同品种茶叶中的Mg和Cu的含量存在显著性差异，与本研究结果相符。时鹏涛等[28]研究表明了矿物质元素在不同品种茶叶中的含量存在一定差异；周娜等[29]研究发现不同品种茶叶中Cu和Zn的含量差异有统计学意义，与本研究对元素Cu含量的研究结果一致，而与Zn元素含量在不同品种间无显著差异这一结果不相符，推测可能是因为所用茶树品种不同，其代谢具有一定差异。

为探究茶鲜叶两两品种之间某一金属元素含量的显著性差异，进行了Duncan多重比较分析，结果表明，除元素Na、K、Ca和Zn含量在不同品种间无显著差异外，其余元素（Mg、Co、Mo、Fe 和 Cu）在两两品种茶鲜叶间的元素含量比较中具有其各自显著性差异。乌牛早茶鲜叶中金属元素Mg的含量显著高于安吉白茶和平阳特早茶，其Fe元素含量与平阳特早茶无明显差异但显著高于安吉白茶。平阳特早茶鲜叶中Co和Mo的含量显著高于其余两品种茶类，其Cu元素含量与乌牛早茶差异不显著但显著高于安吉白茶中Cu元素含量。

由表5可知，在不同季节中，茶鲜叶中Na、Mg、K、Ca和Zn含量存在极显著差异（P＜0.01），Mo含量有显著差异（P＜0.05），而 Fe、Co和 Cu含量无显著性差异。赵颖等[30]报道了茶叶中Cu含量在不同收获季节无显著性差异，与本研究结果一致。

由Duncan多重比较分析可知，春季茶鲜叶中Zn元素含量在3个季节中最高且差异显著；夏季茶鲜叶中元素K含量与春季茶无明显差异但显著高于秋季茶中K元素含量。与春夏两季相比，秋季茶鲜叶中元素Na、Mg和Ca的含量显著升高，而K和Zn含量显著降低。由此推断，不同季节茶鲜叶中金属元素含量的差异可能受气候条件的影响。

3个采样地区2016年春、夏和秋3个季节的平均气候条件见表6。

表6 采样地区不同季节平均气候情况Table 6 Weather conditions of different seasons in the sampling regions

由表6可知，不同季节的不同气候条件如平均温度、平均降水量以及光照时间等可能是造成不同季节茶鲜叶中金属元素含量差异的主要原因。

2.5 产地、品种、季节等综合作用对茶鲜叶中金属元素含量的贡献率解析

研究表明茶鲜叶中金属元素含量在不同产地、品种和季节间均具有各自的含量特征，但各因素对茶鲜叶中各元素含量变异的贡献率尚不清楚。因此，本研究进一步利用多因素方差分析分析产地、品种、季节及其交互作用对茶鲜叶中金属元素含量变异的贡献率。各影响因素及其交互作用对各元素显现出不同的贡献率，结果如表7所示。

表7 产地、品种、季节及其交互作用对茶鲜叶中各元素含量的贡献率Table 7 Contribution rates of producing area，variety，season and their interactions to the contents of various elements in tea leaves

由表7可知，对元素Na含量贡献率较高的是产地×品种以及产地×季节的交互作用，说明茶鲜叶中Na含量变异与产地×品种以及产地×季节的交互作用密切相关。季节对Mg、K、Ca和Zn含量的贡献率最高，表明Mg、K、Ca和Zn的含量变异主要受季节的影响。产地对Fe和Cu含量贡献率较高，说明产地对Fe和Cu含量变异有显著影响；对Co含量贡献率高的因素是产地及产地×品种的交互作用，表明Co含量变异与产地及产地×品种交互作用存在显著相关；对Mo含量贡献率影响较大的因素为季节×品种以及产地×品种×季节的交互作用，说明影响Mo含量变异的主要因素为季节×品种以及产地×品种×季节的交互作用。

3 结论

本研究表明，茶鲜叶中的金属元素含量在不同产地、品种和季节均具有各自的特征，且产地、品种、季节均显著影响茶鲜叶中金属元素的含量。茶鲜叶中Na含量变异与产地×品种及产地×季节交互作用密切相关；Mg、K、Ca和Zn的含量变异与季节密切相关；Fe和Cu的含量变异与产地密切相关；Co含量变异与产地和产地×品种交互作用密切相关；Mo含量变异与季节×品种及产地×品种×季节的交互作用密切相关。本研究通过不同影响因素的角度对金属元素含量间的差异进行了比较，创新地提出了产地、品种、季节及其交互作用对茶鲜叶金属元素含量变异的综合作用，可为茶叶真伪鉴别及选苗选地提供理论依据，为日常饮茶提供参考价值。