普洱茶渥堆发酵过程中金属元素的变化研究

陈　保，蒲泓君，刀仕强，姜东华，罗正刚，高晓丽，李忠华（.国家普洱茶产品质量监督检验中心，云南普洱665000；.云南茶祖茶业有限公司，云南普洱665000）

普洱茶渥堆发酵过程中金属元素的变化研究

陈保1，蒲泓君1，刀仕强1，姜东华1，罗正刚1，高晓丽2，李忠华2
（1.国家普洱茶产品质量监督检验中心，云南普洱665000；
2.云南茶祖茶业有限公司，云南普洱665000）

以三级晒青毛茶为原料，设置不同的翻堆次数，研究普洱茶渥堆发酵过程中金属元素的变化情况。结果表明：随着翻堆次数的增加，铁、锰呈螺旋式增加趋势，渥堆结束时，分别增加77%、13%；锌含量呈增加趋势，渥堆结束时增加33%，铜呈螺旋式降低趋势，渥堆结束时降低4%。重金属镉、铬呈螺旋式增加趋势，渥堆结束时，分别增加12%、16%，铅呈增加趋势，渥堆结束时增加18%，砷含量先减少后增加，渥堆结束时增加8%。稀土氧化物总量呈增加趋势，渥堆发酵结束后，稀土氧化物总量增加1.1倍。研究结果表明渥堆发酵过程中不同的翻堆次数，茶叶金属元素的变化较为明显，且不同发酵层的金属元素变化不同，为普洱茶渥堆发酵过程产品质量安全提供了一定技术支撑。

普洱茶，渥堆发酵，微量元素，重金属，稀土氧化物总量

茶叶中除含有茶多酚、咖啡碱、维生素等多种对人体有益的有机成分外，还含有多种人体必需的微量元素［1-2］。普洱茶是云南的特种名茶，具有降血脂、降血糖、减肥、助消化等功效，因其具有良好的保健作用和收藏品饮价值，受到众多消费者欢迎。近年来，由于工业“三废”的超标违规排放、城镇污水和生活垃圾的随意倾倒、农业生产中的污水灌溉以及农药、化肥的不合理使用等因素，使得重金属污染物通过多种方式进入农业生产环境中，重金属污染已成为继农药残留之后我国农产品安全面临的又一个严重问题［3-6］。而加工过程中的二次污染，也是导致重金属污染的一个原因［7］。目前，我国国家标准GB 2762规定［8］茶叶中铅≤5 mg/kg，稀土氧化物总量≤2 mg/kg，农业标准NY 659规定［9］茶叶中铬≤5 mg/kg，镉≤1 mg/kg，砷≤2 mg/kg，汞≤0.3 mg/kg。

普洱茶是以云南大叶种茶制成的晒青毛茶作为原料，经潮水、渥堆、陈化及干燥工序等再加工而成的后发酵茶。其中渥堆发酵是形成普洱茶（熟茶）品质的关键工序，普洱茶在渥堆发酵过程中发生了一系列剧烈的化学变化，前人对普洱茶渥堆发酵过程主要品质的变化作了大量的研究［10-14］，对普洱茶渥堆过程中微量元素、重金属、稀土氧化物总量的相关研究较少［15］。本研究采用晒青茶原料进行渥堆发酵实验，分析渥堆发酵过程中普洱茶的微量元素、重金属、稀土氧化物的变化情况，一是探讨渥堆发酵过程中金属元素的变化差异，二是探讨渥堆发酵条件对成品普洱茶质量安全性的影响，旨在有效监控普洱茶渥堆发酵进程，保障普洱茶产品质量安全。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

优级纯硝酸汕头市西陇化工有限公司；30%过氧化氢为分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司；铁（Fe）、锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、稀土元素（混标）标准储备液国家有色金属及电子材料分析测试中心；实验室用水均为去离子水。

AAnalyst-400原子吸收分光光度计配火焰原子化器、HGA-900氘灯扣背景石墨炉、Nexion 300X型电感耦合等离子体质谱仪美国PE公司；AFS-3100双道原子荧光光度计北京海光；微波消解仪美国CEM公司；Millipore型超纯水仪美国Millipore公司；AL204型电子天平梅特勒-托利多仪器有限公司；精确控温电热消解器北京安南科技。

1.2实验方法

本实验于2014年7月至8月在云南茶祖茶业有限公司进行，根据前人对普洱茶发酵过程的研究［1-4］，以及云南茶祖茶叶有限公司对普洱茶渥堆工艺的研究经验，以2014年普洱市镇沅县九甲晒青毛茶（三级），用量为8.783 t，喷施一定的水，使茶坯含水量在30%± 1%，在发酵过程中，每天观察堆温和环境温湿度并作记录，每隔7 d进行一次翻堆，取上层（厚10 cm，离地50 cm）、中层（厚10 cm，离地30 cm）、下层（厚10 cm，离地5 cm）及混合（上层、中层和下层按1∶1∶1的比例的混合）四个样各500 g，共翻堆七次，出堆量为7.878 t；对微量元素（铁、锰、铜、锌）、重金属元素（铅、镉、铬、砷）和稀土氧化物总量进行测定，由于该普洱茶原料中的汞含量未检出，所以此文未对汞进行分析。

1.3检测方法

铜：GB/T 5009.13-2003《食品中铜的测定》［16］；锌：GB/T 5009.14-2003《食品中锌的测定》［17］；铁、锰：GB/T 5009.90-2003《食品中铁、镁、锰的测定》［18］；铅：GB 5009.12-2010《食品安全国家标准食品中铅的测定》［19］；铬：GB/T 5009.123-2014《食品中铬的测定》［20］；镉：GB/T 5009.15-2014《食品中镉的测定》［21］；砷：GB/T 5009.11-2003《食品中总砷及无机砷的测定》［22］；稀土氧化物总量：GB 5009.94-2012《食品安全国家标准植物性食品中稀土元素的测定》［23］。

1.4数据处理方法

实验采用3次重复取平均值，实验数据以平均值±标准差表示，用Excel进行相关的数据处理，下文中均以混合层的金属元素含量进行分析。

2　结果与分析

2.1渥堆发酵过程中微量元素的变化情况

2.1.1渥堆发酵过程中铁含量的变化情况铁是茶树必需的营养元素，是许多酶的组成成分，参与RNA代谢与叶绿素合成，其中过氧化物酶是一个含铁的金属酶［24］，在普洱茶渥堆发酵过程中，过氧化物酶有明显的变化并参与了重要的反应。茶叶中铁含量较为丰富，鲜叶中三氧化二铁的含量为0.01%～0.02%，烘干茶叶的铁含量一般在70～210 mg/kg之间［25］。茶叶中铁转移系数与土壤全铁、有效铁均呈极显著线性相关［26］。图1是普洱茶渥堆发酵过程中铁含量的变化情况，初始铁含量为94 mg/kg，第六翻时铁含量最高为186 mg/kg，增加98%，第七翻铁含量为167 mg/kg，增加77%。结果表明：随着翻堆次数的增加，铁含量呈螺旋式增加趋势。这可能是铁作为过氧化物酶的辅基，在渥堆发酵过程中，随着过氧化物酶含量的增加，其含量也呈增加的趋势；由于不同发酵层的茶坯所着生的微生物及堆温、含水率的差异，不同层次茶坯酶活性的变化程度不同，导致不同发酵层的铁含量不一致的原因。另外铁含量增加与浓缩有关，说明渥堆发酵并未造成茶叶微量元素损失，这与吴云影关于凤凰单枞加工过程中，由于长时间晾晒及高温烘焙干燥，茶叶水分大量蒸发，部分微量元素随之流失的研究结论不一致［27］。

图1　普洱茶渥堆发酵过程中铁含量变化情况Fig.1　The variation of Fe content during Pu’er tea fermentation

2.1.2渥堆发酵过程中锰含量的变化情况锰是茶树生长发育所必需的微量元素，在植物体内起着非常重要的作用，缺锰会影响茶树的生长发育。茶树是聚锰植物，正常生长的茶树中，一般幼嫩组织的含锰

图2　普洱茶渥堆发酵过程中锰含量变化情况Fig.2　The variation of Mn content during Pu’er tea fermentation

量较低，而衰老组织的含量较高［24］。锰是茶树体内多种酶的活化剂，锰含量会对茶树体内各种酶产生影响，锰能促进多酚氧化酶的活性，从而影响茶叶的产量和质量。图2是普洱茶渥堆发酵过程中锰含量的变化情况，初始锰含量为510 mg/kg，第四翻时含量达到最高为634 mg/kg，增加24%，第七翻锰含量为578 mg/kg，增加13%。结果表明：随着翻堆次数的增加，锰含量呈螺旋式增加趋势，可能与酶的活性和浓缩有关。

2.1.3渥堆发酵过程中铜含量的变化情况铜是茶树必需的微量元素，是其叶绿体中蛋白质的成分，可以提高茶叶叶绿素的稳定性，促进光合作用。茶树新叶的铜含量比老叶稍高，树枝、根系比叶片多。但茶叶中铜元素含量不能过高，多则对茶树有毒，影响茶树的正常生长。铜是多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶的辅基，在普洱茶渥堆发酵过程中，多酚氧化酶的作用主要是促使儿茶素类物质氧化形成茶黄素、茶红素、茶褐素有色物质，从而使多酚类物质减少，儿茶素降低，减少茶汤的苦涩味和收敛性［24］。图3是普洱茶渥堆发酵过程中铜含量的变化情况，初始铜含量为16.0 mg/kg，第三翻时铜含量最高为16.2 mg/kg，增加10%，第七翻铜含量为15.3 mg/kg，降低4%。结果表明：随着翻堆次数的增加，铜含量呈螺旋式降低趋势。这可能是渥堆发酵过程中微生物类种群数量和变化和酶系活性的强弱存在关联性，郝瑞雪［28］的研究表明“在普洱茶渥堆发酵过程中，多酚氧化酶在整个发酵过程中活性较低”。

图3　普洱茶渥堆发酵过程中铜含量变化情况Fig.3　The variation of Cu content during Pu’er tea fermentation

2.1.4渥堆发酵过程中锌含量的变化情况锌在茶树生长过程中扮演着重要角色，其作用几乎牵涉到茶树生长发育的所有过程，影响生长、发育、衰老、抗寒、抗病等多方面。茶叶中锌含量一般为10～70 mg/kg，茶叶等级与质量也的锌含量呈正相关，越是细嫩的茶叶锌含量也就越高。此外茶树锌对镉的吸收有拮抗作用，故茶叶中锌含量高，可以降低镉对人体的毒害。锌是醇脱氢酶的辅基，在茶叶制造中，能氧化各种醇类成为醛和酮［24］。图4是普洱茶渥堆发酵过程中锌含量的变化情况，初始锌含量为26.3 mg/kg，第七翻锌含量为39.3 mg/kg，增加33%。结果表明：随着翻堆次数的增加，锌含量呈增加趋势。如前所述，锌含量与酶活性变化及浓缩有关。

图4　普洱茶渥堆发酵过程中锌含量变化情况Fig.4　The variation of Zn content during Pu’er tea fermentation

2.2渥堆发酵过程中重金属的变化情况

2.2.1渥堆发酵过程中铅含量的变化情况铅离子进入人体后会与一系列蛋白质、活性酶和氨基酸相结合，影响人体的神经、血液循环、心血管、消化、泌尿等系统，造成高血压、心律失常、运动失调以及贫血、昏迷等症状。铅中毒会严重影响儿童的体格生长和智力发育，造成生长迟缓、免疫力下降以及儿童多动症等严重危害。铅在植物体内主要存在于植物的根部和茎叶，并主要影响植物的光合作用和蒸腾作用，高浓度的铅在作物可部分产生残毒外，还表现为幼苗萎缩，生长缓慢。图5是普洱茶渥堆发酵过程中铅含量的变化情况，初始铅含量为0.38 mg/kg，第七翻铅含量为0.45 mg/kg，增加18%。结果表明：随着翻堆次数的增加，茶叶中的铅含量呈增加趋势，主要原因是浓缩，渥堆结束的成品茶铅含量在国家食品安全标准（Pb≤5 mg/kg）的范围之内。

图5　普洱茶渥堆发酵过程中铅含量变化情况Fig.5　The variation of Pb content during Pu’er tea fermentation

2.2.2渥堆发酵过程中镉含量的变化情况镉及其化合物均有毒性，可以和酶结合抑制体内疏基酶系统从而使代谢发生异常。镉对人体的中枢神经及骨骼损害极大，可引起恶心、头昏和骨质疏松等症状［29］。当植物体内的镉达到一定浓度，就会产生毒害作用，抑制植物的各种功能酶活性，从而影响作物产量和品质。图6是普洱茶渥堆发酵过程中镉含量的变化情况，初始镉含量为0.033 mg/kg，第三翻时镉含量最高，为0.058 mg/kg，增加76%，第七翻镉含量为0.037 mg/kg，增加12%。结果表明：随着翻堆次数的增加，茶叶中的镉含量呈螺旋式增加趋势，镉含量也被浓缩，发酵程度可能是导致不同发酵层的镉含量不同的原因，渥堆结束的成品茶镉含量在行业标准（Cd≤1 mg/kg）的范围之内。

图6　普洱茶渥堆发酵过程中镉含量变化情况Fig.6　The variation of Cd content during Pu’er tea fermentation

2.2.3渥堆发酵过程中铬含量的变化情况铬虽然是人体必需的微量元素，但过量吸收危害很大。铬的不同价态毒性大小也不同，六价铬的毒性最强，在人体内会对DNA和肝脏造成危害，积累到一定量会引起基因突变。铬易于植物的吸收，且主要存在于植物的根部，当植物体内铬含量过高时会抑制植物的生长。图7是普洱茶渥堆发酵过程中铬含量的变化情况，初始铬含量为2.21 mg/kg，第六翻时铬含量最高为4.10 mg/kg，增加86%，第七翻铬含量为2.57 mg/kg，增加16%。结果表明：随着翻堆次数的增加，茶叶中的铬含量呈螺旋式增加趋势，可能与渥堆过程中酶活性变化和浓缩有关，渥堆结束的成品茶铬含量在行业标准（Cr≤5 mg/kg）的范围之内。

图7　普洱茶渥堆发酵过程中铬含量变化情况Fig.7　The variation of Cr content during Pu’er tea fermentation

2.2.4渥堆发酵过程中As含量的变化情况三价砷是无机砷中毒性最大的，砷进入人体后，主要分布在肾脏和心脑组织中，砷的慢性中毒症状主要表现为口腔及皮肤上的疾病，急性中毒症状为心力衰竭等。过量的砷会妨碍茶树对水分和养分的吸收，造成植物叶片的凋萎，以致枯死。图8是普洱茶渥堆发酵过程中砷含量的变化情况，初始砷含量为0.12 mg/kg，第三翻时砷的含量最低为0.03 mg/kg，第七翻砷含量为0.13 mg/kg，增加8%。结果表明：随着翻堆次数的增加，砷含量先减少后增加趋势，渥堆结束的成品茶砷含量在行业标准（As≤2 mg/kg）的范围之内。

图8　普洱茶我对发酵过程中As含量变化情况Fig.8　The variation of As content during Pu’er tea fermentation

2.3渥堆发酵过程中稀土氧化物总量的变化情况

适量的稀土元素可促进植物根系的生长发育，稀土还可以增强植物的抗逆性，减轻逆境威胁对植物的伤害［30］。稀土元素如果被长期低剂量摄入，可在肝脏中蓄积，导致肝脏形态和病理组织变化、肝细胞损伤、肝代谢紊乱引起脂肪肝［31］。图9是普洱茶渥堆发酵过程中稀土氧化物总量的变化情况，初始稀土氧化物总量为0.53 mg/kg，第七翻稀土氧化物总量为1.12 mg/kg，增加1.1倍。结果表明：随着翻堆次数的增加，稀土氧化物总量呈增加趋势，主要原因是浓缩，渥堆结束的成品茶稀土氧化物总量在国家食品安全标准（稀土氧化物总量≤2 mg/kg）的范围之内。

图9　普洱茶我对发酵过程中稀土氧化物总量变化情况Fig.9　The variation of total amount rare earth oxides during Pu’er tea fermentation

3　结论

3.1普洱茶渥堆发酵过程中，随着翻堆次数的增加，铁、锰呈螺旋式增加趋势，渥堆结束时，分别增加77%、13%；锌含量呈增加趋势，渥堆结束时增加33%。由于金属离子是许多酶的辅酶和辅基，在渥堆发酵过程中不同酶活性的强弱不同，从而影响微量元素的变化，另外，由于普洱茶渥堆结束，成品普洱茶出堆率为90%，所以微量元素被浓缩，导致含量增加。

3.2普洱茶渥堆发酵过程中，随着翻堆次数的增加，铜呈螺旋式降低趋势，渥堆结束时降低4%。铜作为多酚氧化酶和其他酶的辅基，有研究表明在渥堆发酵过程中多酚氧化酶的活性较低，这可能是铜含量下降的原因。

3.3普洱茶渥堆发酵过程中，随着翻堆次数的增加，茶叶中的重金属呈增加的趋势，重金属铅、镉、铬、砷含量增加8%～18%，从茶叶产品质量安全的角度出发，重金属铅、镉、铬、砷含量均满足相关的国家和行业标准。

3.4普洱茶渥堆发酵过程中，随着翻堆次数的增加，茶叶稀土氧化物总量呈增加趋势，渥堆发酵结束后，稀土氧化物总量增加1.1倍，稀土氧化物总量超过国家标准（2 mg/kg）的风险较高。为确保茶叶污染物限量符合国家食品安全标准的规定，在普洱茶渥堆发酵过程中，要注意原料的选择。

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Study on variation of metal elements during Pu’er tea fermentation

CHEN Bao1，PU Hong-jun1，DAO Shi-qiang1，JIANG Dong-hua1，LUO Zheng-gang1，GAO Xiao-li2，LI Zhong-hua2
（1.National Center for Pu’er Tea Product Quality Supervision and Inspection，Pu’er 665000，China；2.Yunnan Cha Zu Tea Limitid Company，Pu’er 665000，China）

The variations of metal elements during pile-fermentation of Pu’er tea were studied by using tertiary sun-dry tea as raw materials and setting different turning piles.The results showed that with the increase of turning piles the content of trace element Iron and Manganese increase with the spiral tendency，and increase respectively 77%and 13%，the content of trace element Zinc show an increasing trend，and increase 33%，the content of trace element Copper decrease with the spiral type，and decrease 4%at the end of fermentation.The content of heavy metal Cadmium and Chromium increase with the spiral type，and increase respectively 12%，16%，the content of heavy metal Lead show an increasing trend，and increase 18%，the content of heavy metal Arsenic firstly decrease then increase 8%at the end of fermentation.The total rare earth oxide showed an increasing trend，and increase 1.1 times at the end of fermentation.The results showed that the variation of metal elements was significantly in the pile-fermentation process of different turning frequency and fermentation layer，all these provide some certain technological support for product quality and safety during Pu’er tea fermentation process.

Pu’er tea；pile-fermentation；trace elements；heavy elements；total rare earth oxide

TS272.4

A

1002-0306（2016）04-0246-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.04.041

2015－07－29

陈保（1984-），女，硕士，工程师，研究方向：茶叶分析测试，E-mail：chenbao8493@163.com。

云南省质量技术监督局科技计划项目（2012yzjk03）。