贵州红茶中14种微量元素含量分析及健康风险评价

张明露,黄聪薇,赖 飞

(1.贵州省绿色食品发展中心,贵州 贵阳 550000;2.农业部茶叶产品质量安全风险评估实验室(杭州),浙江 杭州 310008;3.贵州省农产品质量安全监督检验测试中心,农业部农产品风险评估实验室,贵州 贵阳 550004)

0 引言

【研究意义】我国茶叶基本可分为六大类别,其中,红茶属于全发酵茶类,因其具有多种花果甜香、口感甜醇,所含生化成分具有一定保健功效,近年来逐渐受到国内消费者的喜爱。红茶也是全球消费量最大的茶类,占消费总量的70%左右[1]。微量元素对茶树植物生理及茶叶品质不可或缺,如Fe是叶绿素形成必需的触酶剂,参与茶树的光合作用和呼吸作用;Zn参与茶树生长素和蛋白质的合成、转化,促进氨基酸、儿茶素和芳香物质的形成等;适当的Mn可以促进茶叶中氨基酸的合成,但在一定程度上能抑制茶多酚的合成;Mo是酸性磷酸酶的活性抑制剂,缺少则会抑制氮代谢[2-5]。人们也通过吃茶或者饮茶补充微量元素,如Mn、Fe等在维持人体新陈代谢、机体功能和提高免疫力等方面起着重要作用[3]。然而,随着环境污染加剧,长期种植茶树的土壤酸化程度增强,茶树组织中重金属积累量不断增加[6],Cd、As、Pb等重金属对人体健康具有一定的威胁[7]。茶树中微量元素的种类和含量与其生长的环境及其当地茶园管护方式密切相关,不同地域、不同茶树品种、树龄、部位所含元素种类和含量具有一定的差异性[8-10]。因此,研究茶叶微量元素含量特征,对于本地区茶产业发展意义重大。【前人研究进展】张楠等[11]对湖南省不同种类茶叶中Cu、Zn、V、Cr等元素含量检测分析表明,Cu的单项污染指数最高,红茶类的综合污染指数最高。吴林土等[12]通过对浙江松阳茶叶中Cd、Pb、Hg、As、Cr等重金属检测分析认为,松阳茶叶中重金属含量未超过国家有关限值标准;利用目标重金属危害指数评估后表明,饮用松阳茶对不同人群均不存在致癌风险。张忠梁等[13]测定贵州雷山县、都匀市、湄潭县和凤冈县土壤、茶树鲜叶中Fe、Ca等8种元素含量,利用不同判别方法分析不同产地土壤与茶叶、茶树品种中矿质元素的相关性,结果表明,不同地区茶叶和土壤具有独特的矿质元素指纹,且几乎不受茶树品种影响,最终以元素Zn、Cu、P、Mn、Fe、Mg和K构建贵州名优茶产地溯源模型。通过电感耦合等离子体质谱分析法(ICP-MS/AES)[14-15]、稳定同位素质谱(IRMS)[16-17]等方法检测各产地茶叶中多种微量元素,分析其种类及其含量、分布特征,对茶园用肥、茶叶产地溯源和质量安全评价等具有重要意义,成为茶学领域研究热点之一。【研究切入点】贵州是我国产茶大省,茶园面积46.7万hm2,2021年全省茶叶产量46.99万t,其中,红茶产量占20.34%,是除绿茶类以外生产量最大的茶类。铜仁市位于贵州东北部,茶园面积位居全省第二,全市共有江口、石阡、印江、思南、松桃、沿河、德江等7个茶叶主产县,其中,石阡县茶园面积超过2万hm2,石阡苔茶是地方优良特色茶树品种;印江县所产梵净山翠峰茶历史悠久,是国家农产品地理标志保护产品;沿河县被誉为“中国古茶树之乡”,境内拥有上万株古茶树。截至目前,对贵州境内所产茶叶的相关研究较少,且多数以遵义市、黔南州等主产区所产茶叶为主要研究对象[5,18-19],针对铜仁茶区的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采集铜仁市石阡、印江、松桃、沿河等4个茶叶主产县所产30个红茶茶样,利用ICP-MS测定茶样中14种微量元素含量,通过相关性分析和正交偏最小二乘法分析等方法,揭示该地区不同产地红茶中微量元素的含量特征;同时,采用目标危险系数法对Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As等对人体健康存在一定安全隐患的6种元素进行健康风险评估,进一步分析该地区茶叶产地特征性、评估饮用健康风险等,为该地区茶园管护和茶叶品牌原产地保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 红茶样品 共采集贵州省铜仁市市售红茶茶样30个,其中,石阡县9个、印江县7个、松桃县9个、沿河县5个,茶样均在0℃条件下密封贮存。

1.1.2 试剂与仪器 元素单标Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al和Mn(国家有色金属及电子材料分析测试中心);含有Cd的混合标液、内标(美国Sigma公司),硝酸(分析纯,上海国药化学试剂有限公司)。MARS X-Press型微波消解仪(美国CEM公司),BHW-09C赶酸器(成都英泰尔科技有限公司),Millipore超纯水系统(美国Millipore公司),Thermo Fisher X-Series 2 ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪(美国赛默飞世尔科技公司)。

1.2 方法

1.2.1 测定指标 选取Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al、Mn和Cd等14种茶叶中常见微量元素,测定其在红茶样品的含量。

1.2.2 样品及空白样品前处理 参照文献[3]的方法及仪器参数进行样品及空白样品前处理。在聚四氟乙烯微波消解管中放入0.4 g充分磨碎的红茶茶样,加入5 mL HNO3,放入微波消解仪,设置180℃下消解40 min后,转移至赶酸器上加热赶酸剩余至约1 mL,待冷却,最后用2%硝酸溶液定容至25 mL。每个样品3个平行重复。

ICP-MS工作条件:射频功率1 290 W;载气流速、辅助气流速和补助流速分别为1.0 L/min、0.98 L/min和1.0 L/min;采样深度8.0 mm;数据采集模式为跳峰模式;积分时间0.01 s;重复采集数据3次。

1.2.3 红茶产区分类模型构建 选取产区间含量存在显著差异的元素 (P<0.05)作为特征变量,进行正交偏最小二乘法分析(OPLS-DA),建立产地溯源分析模型,对4个产区红茶进行产地判别。

1.2.4 重金属健康风险评估 采用目标危险系数法(THQ/TTHQ)[20]对茶叶中Cr、Cd、Ni、Pb、Cu和As等6种重金属进行健康风险评估,其中,目标危险系数THQ表示单一重金属风险,复合目标危险系数TTHQ表示复合暴露健康风险,计算公式如下:

TTHQ=∑THQ

式中,EF为人体暴露频率(365 d/a),ED为人体平均暴露时间(a),以平均寿命70岁计算;FIR表示茶叶的日均摄入量(g/d),参照每人每日饮用6 g茶叶计算[21];RC为茶叶中的重金属含量(mg/kg);RfD为口服参考剂量[mg/(kg·d)],其中,Cr为0.003 mg/(kg·d),Cd为0.001 mg/(kg·d),Ni为0.02 mg/(kg·d),Pb为0.004 mg/(kg·d),Cu为0.04 mg/(kg·d),As为0.000 3 mg/(kg·d)[22];WAB为人体平均体重(kg),以成年人平均70 kg计算;TA非致癌性暴露平均时间(d),365 d/a×ED。

当THQ<1时,表明对人体健康风险小,反之,当THQ>1时,表明对人体可能存在健康风险。当TTHQ≤1时,说明对人体没有显著健康风险;TTHQ>1时,说明对人体产生健康风险性较大;TTHQ>10时,说明对人体存在慢性毒性作用。

1.3 数据处理

利用SPSS 20.0进行方差分析和相关性分析,采用SIMCA-P 14.1进行正交偏最小二乘法分析。

2 结果与分析

2.1 红茶中14种微量元素含量

从表1看出,铜仁红茶中14种微量元素的平均含量依次为Al>Mn>Fe>Zn>Cu>Ni>Sr>Mo>Co>Cr>Pb>As>Se=Cd,其中,Al、Mn、Fe含量较高,平均含量分别为996.45 mg/kg、603.81 mg/kg、98.88 mg/kg,占所测14种微量元素平均总含量的95.58%。茶树是典型的聚Al、富Mn植物,在一定浓度范围内,二者对茶树的生长起到促进作用。

不同产区红茶中各元素含量差异较大,微量元素含量与茶树所生长区域、茶树品种、茶树树龄和采摘嫩度有直接关系。红茶中Cr、Co、As、Cd、Fe、Zn和Al含量在4个产区间不存在显著性差异,Se、Mo、Pb、Ni、Cu和Mn含量在4个产区间差异显著 (P<0.05)。石阡县红茶中Mo和Ni含量最高;印江县红茶中Se、Ni、Cu和Mn含量最低;松桃县红茶中Se、Pb和Cu含量最高,Mo含量最低;沿河县红茶中Mn含量最高,Pb含量最低。

4个产区红茶中Cr、Cd、As、Pb和Cu含量分别为0.43～0.65 mg/kg、0.05～0.08 mg/kg、0.07～0.08 mg/kg、0.19～0.56 mg/kg和13.19～17.44 mg/kg,均低于《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[23]、《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[24]和《绿色食品 茶叶》(NY/T 288—2018)[25]等标准对茶叶中重金属的限量要求(Pb≤5.0 mg/kg、Cr≤5.0 mg/kg、Cd≤1.0 mg/kg、As≤2.0 mg/kg、Cu≤30.0 mg/kg)。

表1 红茶样品中14种微量元素含量Table 1 Content of 14 microelements in black tea samples mg/kg

2.2 红茶中14种微量元素含量间的相关性

由表2可知,红茶中元素Cr含量与As含量呈显著正相关;Pb含量与As含量呈极显著正相关,与Se含量呈显著相关,与Mo含量呈显著负相关;Fe含量与Cr含量呈极显著正相关,与Co含量呈显著负相关,与As含量呈显著正相关;Zn含量与Cr含量呈极显著负相关,与Ni含量呈极显著正相关;Al含量与As含量呈极显著正相关;Mn含量与Se含量呈显著正相关,与Mo含量呈显著负相关,与Cd、Pb含量呈极显著正相关,与Zn含量呈极显著负相关。表明,茶树在吸收利用微量元素时,Cr与Fe,As与Pb、Al,Ni与Zn,Mn与Cd、Pb之间存在较强的协同作用;而Cr与Zn,Mn与Zn之间存在较强的拮抗作用。另外,As与Cr、Fe,Se与Pb、Mn之间具有不同程度相互促进吸收作用;Mo与Pb、Mn,Fe与Co之间存在不同程度相互抑制吸收的作用。

表2 红茶样品中14种微量元素含量间的相关系数Table 2 Correlation coefficients of content between different 14 microelements

2.3 不同产地红茶的溯源

选取微量元素含量产地间具有显著差异的Se、Mo、Pb、Ni、Cu、Mn共6种元素(P<0.05)作为特征变量,建立正交偏最小二乘法判别分析统计模型(OPLS-DA),模型统计量分比R2X为1,R2Y为0.678,说明100%的变量可解释67.8%的组间差异;Q2>0.5(Q2=0.501)表明该模型具有较好的预测能力;Mn和Ni的VIP值大于1,说明在4个产区样品中具有显著差异,可作为4个产区样品鉴别的特征元素[3]。

从图1看出,4个产区的茶样具有明显的各自聚类趋势,表明各地区所产红茶具有一定的产地特征。回代检验结果(表3)表明,模型整体准确判别率为93.33%,准确度较高,其中,石阡、印江和沿河3个地区的茶样正确判别率均为100%;松桃县的准确率较低,为77.78%。

表3 OPLS-DA分析对铜仁4个红茶产区产地溯源的判别结果Table 3 Discrimination result of 4 black tea producing areas by OPLS-DA analysis in Tongren City

2.4 红茶中6种重金属健康风险评估

采用THQ/TTHQ对铜仁地区4个产区红茶茶样中的Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As进行健康风险评估,结果(表4)表明,6种重金属的THQ(目标危险系数)均小于1,表明茶样中6种单一重金属的含量不会对人体健康产生危害;TTHQ(复合目标危险系数)值均小于1,说明不同重金属之间产生的复合污染水平较低,不存在复合健康风险。因此,饮用该地区红茶对人体无健康威胁。

表4 红茶样品中6种重金属的目标危险系数Table 4 Target hazard coefficients of 6 heavy metals in black tea samples

3 讨论

贵州铜仁红茶与安徽祁门红茶[26]、江苏洞庭山红茶[27]、湖南湘南红茶[11]、云南凤庆红茶[28]、广东英德红茶[29]、湖北和福建红茶[30]等相比,铜仁红茶中Fe、Ni、Zn、Al含量较高,Cr、Cd、Pb、Cu含量较低,Mn含量处于中间水平;与贵州遵义红茶[16]、普安红茶[31]相比,贵州铜仁红茶中Mn、Ni含量较高,Se、Fe、Zn含量处于中间水平。

茶树在吸收利用土壤中各元素时,部分元素之间存在动态变化。本研究推测,茶树中Zn的浓度可能会影响其对Fe、Cu和Mn的吸收,表现在一定浓度范围内有协同效应,超过后表现为拮抗效应,与颜秋晓等[18,32-33]的研究结果基本一致。为更科学、合理提出针对各地茶园施肥对策,下一步将深入研究元素之间相互作用机制。

利用正交偏最小二乘法分析方法对4个产区的样品进行判别,该模型的建立可将石阡县、印江县、松桃县和沿河县4个产区茶样进行有效区分,其中松桃县茶样的判别准确率较低,这可能与松桃县和印江县相邻、与沿河县邻近,且为新发展茶区,3个产区具有相似地理环境和茶园管护方法等有关,对不同产区茶叶的判别造成一定影响,但整体正确判别率为93.33%,表明微量元素可作为茶叶原产地识别的重要指标。

4 结论

贵州省铜仁市4个产区(石阡县、印江县、松桃县和沿河县)红茶中Al、Mn和Zn元素含量较高,占所测14种微量元素(Cr、Co、Se、Sr、Mo、Ni、Cu、As、Fe、Pb、Zn、Al 、Mn和Cd)平均总含量的95.58%,14种元素之间存在相互协同或者拮抗的关系。不同地区红茶中部分微量元素含量具有显著差异,可利用有效判别方法对不同产地的红茶进行产地溯源。

红茶茶样中Cd、Pb、As、Cr和Cu等重金属含量较低,均低于国家相关限量标准。通过目标危险系数法对茶样中Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As进行健康评价,6种重金属的单一或复合状态均不会对人体健康造成危害,长期饮用该地区红茶不存在健康隐患。