扁形绿茶矿质元素含量与品质成分相关性分析

桂安辉，叶 飞，王胜鹏，高士伟，郑鹏程，刘盼盼，王雪萍，滕 靖，郑 琳，冯 琳

（湖北省农业科学院果树茶叶研究所，湖北省茶叶工程技术研究中心，湖北武汉 430064）

茶树对矿质元素有很强的富集能力，茶叶中以无机盐形式存在的基本元素有50 多种，主要的有30 多种，既包含K、Ca、Mg 等常量元素，也包含Fe、Mn、Zn 等微量元素，占茶叶干重（以灰分计算）的4%～6%[1]。矿质元素是茶树生长发育、提高产量和品质的物质基础，在调控茶树生理代谢和品质形成过程中作用明显。研究表明，P 促进光合作用，增加糖的积累，而糖可以转化为多酚[2]。缺P 降低了黄酮类化合物和P 酸化代谢物的合成，降低了谷氨酸含量，提高了谷氨酰胺含量，而过量P 降低谷氨酰胺，以及次级代谢相关的对香豆酸、吲哚丙烯酸的含量[3]。茶树缺钾会导致茶氨酸、茶多酚、儿茶素、β-苯乙醇等茶叶品质成分显著降低[4-5]。Mukhopadhyay等[6]发现适宜Zn 浓度培养的植株叶片和根中可溶性糖、还原糖和淀粉的积累量高于缺Zn 和过量Zn 培养的植株。由此可见，茶树叶片的品质成分与其矿质营养密切相关。

由鲜叶加工成茶叶后，受产地的气候条件、土壤状况及加工方式等影响，不同产地茶叶中矿质元素含量存在着一定的差异性[7]。茶叶矿质元素作为茶叶品质成分指标关系着茶叶的质量[1]。叶江华等[8]研究了武夷岩茶品质与矿质元素间的关系，发现武夷岩茶等级与茶多酚、EGCG、酚氨比、咖啡碱、ECG、EGC 呈显著正相关，与Mn 含量呈显著负相关。

扁形绿茶属于绿茶中的一类，因外形扁平而得名。其产地分布广泛，是我国绿茶的主导产品之一[9]。独特的造型和上乘的品质，使得扁形绿茶具有较高的市场知名度和文化传播度[10-11]，如浙江省的西湖龙井茶、四川省的竹叶青茶、贵州省的湄潭翠芽等。然而，扁形绿茶矿质元素含量与其品质之间的关系尚不清楚，研究有待深入。本研究以5 个不同产地的扁形绿茶为对象，分析比较9 种矿质元素与5 种品质成分相关性，探讨扁形绿茶矿质元素与品质的关系，以期为扁形绿茶产区的茶树科学种植、合理施肥与营养补充，品质提升等提供理论依据和指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

扁形绿茶原料 分别实地采集于湖北大悟、浙江磐安、安徽歙县、贵州湄潭、四川峨眉山。2018年3 月至4 月春茶样品，每个产地的样品选取2 个，原料质量等级为一级，加工方式按照扁形绿茶基本工艺流程，即“摊青→杀青→做形→干燥”。样品取回后统一存放于4 ℃冰箱冷藏，待使用时取出。扁形绿茶样品基本信息见表1；甲醇、乙腈 均为色谱纯，购自德国Merck 公司；冰乙酸、碳酸钠、福林-酚、茚三酮等 均为国产分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

表1 扁形绿茶样品基本信息Table 1 Basic information of flat green tea samples

HHS 型恒温水浴锅 上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；UV-2550 紫外-可见光分光光度计 日本岛津公司；Waters 2695 高效液相色谱、2998 PDA检测器 美国Waters 公司；Milli-RO PLUS 30 纯水机 法国Millipore 公司；Avio200 电感耦合等离子体发射光谱仪 美国PerkinElmer 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 矿质元素含量测定 矿质含量测定参考王敏等[12]方法。取扁形绿茶样品0.4 g，至玻璃消化管，依次加入5 mL HNO3与2 mL HClO4，盖上盖子，60 ℃预消煮2 h 后，120 ℃消煮至消煮液无色澄清透明，冷却后，用双蒸水稀释至50 mL。取10 mL 使用ICP-OES（电感耦合等离子体原子发射光谱法）测定元素的含量。标准曲线绘制：用1%稀硝酸将矿质元素标准储备液（国家有色金属及电子材料分析测试中心）逐级稀释为0、5、10、30、40、50 μg/mL，仪器自动绘制标准曲线。测定样品中的镁（Mg）、钾（K）、钙（Ca）、磷（P）、铝（Al）、锰（Mn）、铁（Fe）、锌（Zn）、硼（B）等矿质元素含量。

1.2.2 主要化学成分含量测定 水浸出物含量测定：参照GB/T 8305-2013《茶 水浸出物测定》[13]；茶多酚含量测定：参照GB/T 8313-2018《茶叶中茶多酚和儿茶素含量的检测方法》中福林-酚法[14]；游离氨基酸总量测定：参照GB/T 8314-2013《茶游离氨基酸总量测定》茚三酮比色法[15]；可溶性总糖的测定采用蒽酮-硫酸法[16]，具体步骤为：称取茶粉0.6 g 于锥形瓶中，加80 mL 沸水，100 ℃水浴浸提45 mim。取出趁热过滤，滤渣用沸蒸馏水重复洗涤数次，滤液放冷，定容至100 mL。用移液管准确加入8 mL 蒽酮试剂（0.6 g蒽酮溶于100 mL 浓硫酸）于干燥的25 mL 刻度试管；取1 mL 稀释一倍后的茶汤，逐滴加入，摇匀，1 mL水作对照，置沸水浴中准确煮沸3 min，取出后自然冷却至室温，测定液用分光光度计在620 nm 处比色，记下吸光度A 值。每个样品重复3 次。咖啡碱含量采用高效液相色谱法[17]，流动相为2%乙酸和乙腈，色谱条件：检测波长为280 nm，流速：1 mL/min，柱温：40 ℃，进样量：10 μL。

1.3 数据处理

试验均平行测定3 次，采用Microsoft Excel 2016 和SAS 9.4 数据处理系统对实验数据进行计算，以及相关性分析、主成分分析、聚类分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 扁形绿茶矿质元素含量特征分析

根据ICP-OES 仪器测定的元素峰面积（y）以及对应的浓度（x），绘制了标准曲线，得到各元素浓度与峰面积的线性关系方程及R2值，如表2 所示。其中Mg、Al、Mn、Fe、Zn、B 浓度线性变化范围为0～10 μg/mL，K、Ca、P 浓度线性变化范围为0～50 μg/mL。R2值均大于0.9990，表明标准曲线方程可信度高。

表2 各元素浓度与峰面积的线性方程及R2 值Table 2 Linear equation and R2 value of each element concentration and peak area

不同产地扁形绿茶样品矿质元素含量存在差异如表3 所示，5 个不同产地的扁形绿茶样品大量矿质元素平均含量呈现K＞P＞Ca＞Mg 的特征。K 含量最高，含量范围为15609.66～45912.66 mg/kg（均值为25765.51 mg/kg）；P、Ca 含量相对较低；Mg 含量最低，含量范围为1460.35～2467.77 mg/kg（均值为1882.71 mg/kg）。微量矿质元素平均含量顺序为Mn＞Al＞Fe＞Zn＞B。Mn 在5 种微量元素中含量最高，含量范围为543.52～1393.27 mg/kg（均值为885.31 mg/kg）；B 含量最低，范围为5.07～36.15 mg/kg（均值为26.18 mg/kg）；Fe 和Zn 的含量在Al、B 之间，其中Fe 含量：大方茶＞孝感龙剑茶＞龙井茶，在湄潭翠芽和竹叶青茶中无显著差异；Zn 含量：孝感龙剑茶＞龙井茶＞大方茶，在湄潭翠芽和竹叶青茶中也无显著差异。各元素含量变异系数（Coefficient of Variation，CV）从大到小排序为Zn＞B＞K＞Mn＞Fe＞Al＞Mg＞Ca＞P。若设CV＜15.00%为弱变异，15.00%≤CV≤36.00%为中等变异，CV＞36.00%为强变异[18]，扁形绿茶样品中Zn 的变异系数最大（CV=66.65%），B（CV=42.05%）、K（CV=39.93）次之，三者均为强变异；P 的变异系数最小（CV=8.19%），为弱变异；Mn、Fe、Al、Mg、Ca为中等变异，Mg、Ca 的变异系数相对较低，分别为21.00%、20.75%，可能是因为Mg 主要参与茶树的光合作用[19]，而茶树又是嫌Ca 植物[20]，对Ca 的需求比一般园艺作物低，过多的Ca 也会对茶树造成“钙害”。多数矿质元素含量为强变异和中等变异，且随产地环境的变化而变化，这与张建等[21]对不同产地辣椒矿质元素含量变化的研究结果相似。

表3 扁形绿茶矿质元素含量（mg/kg）Table 3 Contents of mineral elements in flat green tea samples (mg/kg)

2.2 扁形绿茶品质成分特征分析

如表4 所示，茶叶中水浸出物是一切可溶性物质的总和，对茶叶的品质起重要的作用[22]。大方茶和湄潭翠芽中水浸出物平均含量高于孝感龙剑茶、竹叶青茶，分别达到48.83%、48.00%。5 个产地扁形绿茶的茶多酚含量在15.66%～16.88%之间。游离氨基酸对绿茶滋味贡献主要表现为鲜爽、醇和[23]。不同产地扁形绿茶中游离氨基酸平均含量以湄潭翠芽最高（3.40%），高于其他4 个产地的扁形绿茶样品，竹叶青茶中游离氨基酸含量最低（2.66%）。可溶性总糖平均含量以大方茶最高，为8.17%，高于其他4 个产地的扁形绿茶样品。湄潭翠芽和竹叶青茶中咖啡碱平均含量均超过4.00%，分别达到4.40%、4.29%，高于其他3 个产地的扁形绿茶。5 个产地的扁形绿茶可溶性总糖、水浸出物、茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱等品质成分含量存在差异，但从变异系数来看，5 种品质成分含量均为弱变异（CV＜15.00%）。

表4 扁形绿茶样品主要品质成分指标含量（%）Table 4 Contents of quality ingredients in flat green tea samples (%)

2.3 扁形绿茶品质成分与矿质元素相关性分析

以Mg、K、Ca、P、Al、Mn、Fe、Zn、B 等矿质元素含量为一总体，以水浸出物、茶多酚、游离氨基酸、可溶性总糖、咖啡碱等品质成分含量为另一总体，分析两两之间的相关性。由表5 可知，Mg 与Ca、Al、Zn 呈极显著正相关（P＜0.01），与K 呈显著正相关（P＜0.05），与B 呈极显著负相关（P＜0.01）；K 与Mn 呈极显著正相关（P＜0.01），与Ca 呈显著正相关（P＜0.05）；Ca 与Al、Zn 呈显著正相关（P＜0.05）；P 与Al 呈显著正相关（P＜0.05）；Al 与Zn 呈显著正相关（P＜0.05），与B 呈显著负相关（P＜0.05）；Zn 与B 呈极显著正相关（P＜0.01）。以上表明扁形绿茶样品中各矿质元素之间互相影响，且存在协同或拮抗作用。

表5 扁形绿茶样品矿质元素含量的相关性分析Table 5 Correlation analysis of mineral elements contents in flat green tea samples

由表6 可以看出，水浸出物含量与B 含量呈显著负相关（P＜0.05）；茶多酚含量与Fe 含量呈极显著负相关（P＜0.01）；可溶性总糖含量与B 含量呈显著正相关（P＜0.05），与Mg、Ca 含量呈显著负相关（P＜0.05）；咖啡碱含量与Fe 含量呈极显著负相关（P＜0.01），与Mn 含量呈显著负相关（P＜0.05）。由此可见，扁形绿茶的品质的形成受多种矿质元素不同程度的影响。

表6 扁形绿茶样品矿质元素含量与品质成分指标相关性分析Table 6 Correlation analysis between mineral elements contents and quality ingredients of flat green tea samples

2.4 扁形绿茶矿质元素与品质主成分分析

主成分分析和聚类分析可研究农产品的特征元素、地域分布和亲缘关系，为农产品的品质评价提供重要参考[24-25]。利用主成分分析方法对扁形绿茶样品矿质元素及品质成分指标进行分析，由图1 可知，碎石图前面陡峭的部分（成分1～4）特征值大，包含的信息多，后面平坦的部分（成分5～14）特征值小，包含的信息也少。

图1 扁形绿茶样品主成分分析碎石图和方差贡献Fig.1 Principal component analysis scree plot and variance explained of flat green tea samples

以特征值＞1 为原则，共提取了4 个主成分（表7），结果表明，解释的累计方差贡献率为98.33%。第1 主成分与Mg（0.979）、Ca（0.920）、Zn（0.895）、Al（0.807）含量高度正相关，方差贡献率为46.16%。第2 主成分与水浸出物含量（0.843）高度正相关，方差贡献率为28.35%。第3 主成分与P（0.800）、游离氨基酸含量（0.803）高度正相关，方差贡献率为14.49%。第4 主成分与Mn、茶多酚含量相对正相关。前3 个主成分解释累计方差贡献率为89.00%（＞80.00%），因此Mg、Ca、Zn、Al、P 可作为扁形绿茶的特征矿质元素，水浸出物、游离氨基酸可作为评价扁形绿茶品质的重要理化指标。

表7 扁形绿茶样品矿质元素与品质成分指标的主成分分析Table 7 Principal component analysis of mineral elements and quality ingredient traits of flat green tea samples

采用最短距离法对数据进行分类处理，如图2所示，在0.89 的分类距离下，所有的扁形绿茶样品聚成2 类。来自湖北大悟的孝感龙剑茶X-1、X-2，浙江淳安的龙井茶L-1、L-2 样品和安徽歙县的大方茶D-1、D-2 聚成一类；来自贵州湄潭的湄潭翠芽M-1、M-2，以及四川峨眉山的竹叶青茶Z-1、Z-2 聚成一类。这可能是因为孝感龙剑茶、龙井茶和大方茶分别采自湖北省大悟县、浙江省磐安县、安徽省歙县，均属于长江中下游茶区（江南茶区），而湄潭翠芽和竹叶青茶的产地接近（均在西南茶区）而导致。此外，从加工工艺而言，两类也存在明显的差异性，前者多采用扁形茶炒制机加工，而后者多采用多功能理条机加工[10]。聚类分析结果，在一定程度上反映了扁形绿茶矿质元素和品质在不同产地间存在差异。同一产地的扁形绿茶，品质和矿质元素含量相近、品质相当，扁形绿茶矿质元素存在明显的地域性特征，这种地域性分布特征可能与各类扁形绿茶产地的土壤、气候、海拔等因素有关。

图2 扁形绿茶样品聚类分析树状图Fig.2 Dendrogram obtained from cluster analysis of flat green tea samples

3 结论

矿质营养是茶树生长发育、产量与茶叶品质形成的物质基础，矿质营养的含量因其生长的环境不同而表现出一定的差异。本研究采用ICP-OES 测定了5 个产区扁形绿茶中9 种矿质元素含量，并分析了其与重要品质成分之间的相关性。不同产区所采集的样品中矿质元素含量存在很大差异，其中K、P、Ca、Mg 含量较高，Mn、Al、Fe、Zn、B 含量较低。各元素含量变异系数从大到小排序为Zn＞B＞K＞Mn＞Fe＞Al＞Mg＞Ca＞P。

扁形绿茶的品质形成受多种矿质元素不同程度的影响。其中，水浸出物含量与B 含量呈显著负相关；茶多酚含量与Fe 含量呈极显著负相关；可溶性总糖含量与B 含量呈显著正相关，与Mg、Ca 含量呈显著负相关；咖啡碱含量与Fe 含量呈极显著负相关，与Mn 含量呈显著负相关。因此，针对扁形绿茶品质成分的提高，可以从矿质营养的角度切入，首先提高或降低最影响品质成分的相关元素。

主成分分析表明，前3 个主成分解释累计方差贡献率为89.00%，因此Mg、Ca、Zn、Al、P 可作为扁形绿茶的特征矿质元素，水浸出物、游离氨基酸可作为评价扁形绿茶品质的重要理化指标。聚类分析结果在一定程度上反映扁形绿茶品质存在明显的地域性特征，这种地域性分布特征可能与各类扁形绿茶产地的土壤、气候、海拔等因素有关。