不同粒径大叶种茶叶中矿质元素的溶出特性*

张柳叶，侯 顺，肖 涵，杨婉秋

(昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214)

茶是颇受人们喜爱的非酒精饮品之一.茶汤不仅含茶多酚、氨基酸等功能性物质，而且还富含铜、锌和铁等人体所需矿质元素.此外，饮茶也是人们摄取有益稀缺元素(如有机硒、有机锗等)的有效途径之一[1，2].

茶汤的口感、营养和安全是茶叶研究的主题.在茶汤口感方面，研究证实，茶汤中的呈味物质主要有糖类、氨基酸、酚类及其氧化物、咖啡碱和茶皂素等，尤以茶多酚、氨基酸、咖啡碱和糖类对茶汤口感的影响为甚.其中，茶多酚主要影响着茶汤的涩味；氨基酸主要影响茶汤的鲜味；咖啡碱主要影响着茶汤的苦味；而糖类则主要影响着茶汤的甜味[3，4].在营养方面，一方面茶叶中蛋白质含量较高，人体必需氨基酸种类齐全，且其热量较低[5]；另一方面，茶叶中富含具有抗氧化、提高免疫力的茶单宁，可滤尿提神的咖啡因和可增强记忆、提高学习能力的茶氨酸[5，6]；且茶叶中富含的水溶性维生素几乎可全部溶出于茶汤之中[7].此外，茶叶中较为丰富的矿质元素(如：钙、镁、铁、锰、铜和锌等)也可被溶出于茶汤之中，进而被人体吸收和利用[8].在茶叶饮用安全方面，较多的研究则聚焦于茶品中的农药残留和有毒有害矿质元素的含量[9].值得注意的是，茶叶中矿质元素的种类繁多，茶汤在为人体提供必需微量营养元素的同时也可能会导致有毒有害金属元素(如铅和镉等)的摄入[7，9].因此，对茶叶中矿质元素的溶出特性进行研究极其必要.

按照传统制作过程中的发酵程度，成品茶叶主要分为绿茶、白茶、黄茶、青茶(乌龙茶)、红茶和黑茶这六大类[10]，均由茶叶鲜叶通过一定的加工工序(如：萎凋、杀青、摇青、揉捻、发酵、干燥等)制备而成，采用传统制作工艺所得茶产品的粒径主要与茶叶鲜叶的大小有关.与之相对的，CTC技术(Crush，Tear and Curl；CTC)则是将茶叶鲜叶经压碎、撕裂、揉卷使其成为较小的颗粒以便于在较短时间内冲泡出茶汤的生产工艺.随着CTC生产工艺的问世，茶叶鲜叶经压碎、撕裂成粉末状后已无须进行揉捻，通过该工艺制作的茶产品粒径则主要取决于人们的需求.目前，虽有大量的研究对浸泡温度、浸泡时间和浸泡次数等因素对茶叶中矿质元素的溶出特性进行了研究[11]，然而，茶叶粒径对矿质元素溶出特性的影响尚不十分清楚.我国是最早发现和利用茶叶的国家，茶树的种植面积和茶叶产量均位居全球之首[12].据国家统计局2021年发布的统计数据表明，2020年我国茶叶总产量约为293.18万t，而云南茶叶总产量已达46.32万t，位居全国第一.我国茶树的栽培品种繁多，其中大叶种茶树(CamelliasinensisL.)因具有自身独特个性且非常适宜在云南特殊生态环境条件下生长繁衍而得以在云南大面积种植[13].目前，以大叶种茶叶为原料，通过CTC加工工艺生产的CTC红碎茶已畅销全球，但鲜见有关茶叶粒径对矿质元素溶出特性影响的研究报道.基于此，本文以云南大叶种茶叶为研究对象，对不同粒径茶叶中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出特性进行研究，以期为CTC工艺中茶产品粒径的调控提供理论支持.

1 方法与材料

1.1 茶叶样品的采集及制备

供试茶叶样品采自云南省临沧市临翔区章驮乡邦卖村茶园(100°00′16″E，23°55′19″N).2021年10月采集茶叶鲜叶(一芽二至三叶)经自来水和超纯水清洗、烘干(60 ℃)后采用切样机和研钵分别加工至不同粒径(10，4，2，0.45 mm)，贴标、备用.

1.2 矿质元素的浸提

分别称取 6.000 g(精确至 0.001 g)不同粒径的茶叶样品置于一系列 250 mL 磨口锥形瓶中，加入 150 mL 沸水摇匀加盖后置于恒温水浴(94 ℃)振荡器中震荡(120 r/min).分别于10，20，30，40，80，160，300，600，1 200，2 400，3 600，7 200 s 取出锥形瓶，快速倾倒出茶汤并采用 0.45 μm 膜过滤、备用.

1.3 矿质元素的分析

准确吸取 10 mL 茶汤滤液于 25 mL 消解罐中，置于赶酸仪上浓缩至1～2 mL，加入 8 mL 浓HNO3和 2 mL H2O2(30%)后置于微波消解仪中消解，消解完成后采用0.1%的HNO3定容至 10 mL 并采用ICP-MS对Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量进行测定.茶叶样品中各矿质元素的含量采用文献杨婉秋等[14]报道的方法进行测定.

每一试验均设置3份平行并加带空白，结果表示为3次试验的平均值.若无特别说明，本研究所使用的试剂均为优级纯或以上级别，水为超纯水.

2 结果与讨论

2.1 供试茶叶中矿质元素的含量

采用微波消解-ICP-MS对茶叶中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量进行测定，结果列于表1之中.

有研究[15]显示，临沧市大叶种茶叶中Al和Mn的含量分别在356～1 227 mg/kg 和478～874 mg/kg 之间.在本研究中，茶叶中Al和Mn含量相对较低(分别为 410 mg/kg 和 190 mg/kg)，这主要与茶叶的成熟度和采摘季节有关.大量的研究[16，17]表明，茶叶中Al的含量在春季的嫩叶中较低，而在秋冬季或老叶中较高；Cu、Ni和Cr在夏季较低，而春季则较高.Letuzia M.de Oliveira 等[18]对茶叶中的矿质元素含量分析结果表明，各类CTC茶叶中Al的平均含量均高于 1 000 mg/kg；而成熟茶树植株老叶中Al的含量可高达 19 316 mg/kg[19].显然，CTC茶叶原料多为夏秋季或成熟度较高的茶叶鲜叶.总体而言，本研究供试茶叶中Al、Mn、Cu、Ni和Cr的含量与绿茶、乌龙茶、红茶和袋泡茶中的含量基本一致[20-24].Ge是典型的稀散元素，且有机锗具有较高的生物活性[25]，但目前关于茶叶中Ge含量的研究报道较少，有研究表明，大叶种茶树老叶中Ge含量可高达 0.221 mg/kg，而嫩叶中仅有 0.059 6 mg/kg[14].而在本研究中，供试茶叶(嫩叶)中锗的含量高达 0.296 mg/kg，显然茶叶中锗的含量不仅受成熟度和采摘季节的影响而且还严重受制于茶园土壤中锗含量的高低.

2.2 溶出率随浸泡时间的变化

对各粒径茶叶的不同浸泡时间茶汤中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量进行测定，各元素的溶出率随浸泡时间的变化趋势如图1所示.

(a)Al溶出率随溶出时间变化 (b)Mn溶出率随溶出时间变化 (c)Cu溶出率随溶出时间变化

(d)Ni溶出率随溶出时间变化 (e)Cr溶出率随溶出时间变化 (f)Ge溶出率随溶出时间变化

图1 Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率随溶出时间的变化

不同粒径茶叶中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率随浸泡时间的变化趋势分析结果表明，在 2 400 s 内，各元素的溶出率随浸泡时间的延长而升高，且均在 2 400 s 后趋于稳定，但在不同浸泡时间内各元素溶出率的增幅不一.在较短的浸泡时间内(<300 s)，各粒径茶叶中Ge和Cr的溶出率接近20%，0.45 mm 茶叶中Ni、Cu和Al的溶出率接近40%，而 2 mm 茶叶中接近15%，4 mm 和 10 mm 茶叶中低于10%，并且Mn在2、4和 10 mm 茶叶中溶出率均低于10%，该时段内溶出率(D)从高到低表现为：D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Ni)>D(Al)>D(Mn)；在300～1 200 s 内，Ni溶出率增长最快，最高达到65%，元素溶出率高低顺序为：D(Ni)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Al)>D(Mn)；长时间浸泡(≥2 400 s)时，不同粒径间元素溶出率变化平缓，Al、Mn、Cu和Ni溶出率持续缓慢增长，Ge和Cr则无增长，元素溶出率高低表现为：D(Ni)>D(Al)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Mn).浸泡 600 s 之后各元素溶出率与Zhang[24]和Li[26]等人对各国各类茶叶茶汤中Ni、Cu、Cr、Mn等溶出率相似，但Cr的溶出率高于印度阿萨姆邦和北孟加拉的红茶(5.96%)[27].

研究[28]表明，矿质元素在植物体内的溶出特性与其赋存形态密切相关.在植体中，矿质元素可以游离态、有机物结合态、无机盐结合态等多种形态赋存.水可有效提取茶叶中的离子态和无机盐结合态矿质元素.因此，茶叶中离子态和无机盐结合态含量比例相对较高的矿质元素，其溶出速率也相对较快.在本研究中，Cr和Ni均在 160 s 时趋于平衡，而Mn则需要在 1 200 s 时方可趋于平衡.显然离子态和可溶性无机盐结合态的Cr和Ni的分布比例相对较高，而离子态和可溶性无机盐结合态Mn的分布比例相对较低.此外，茶叶的粒径对矿质元素的溶出率也有一定的影响.具体表现为，茶叶中Al、Mn、Cu、Ni和Ge的溶出率随茶叶粒径的减小而增大，而Cr的溶出率则受粒径变化的影响较小.至于影响茶叶中Cr溶出率的主要原因有待进一步深入研究.

2.3 茶叶粒径和浸泡时间与矿质元素溶出率之间的相关关系

为了解茶叶粒径和浸泡时间对矿质元素溶出率的影响进行了深入分析，本研究采用SPSS 26软件对茶叶粒径、浸泡时间和溶出率之间的相关性进行了分析，结果汇总于表2之中.

表2 茶叶粒径、浸泡时间和矿质元素溶出率之间的相关性 (n=48)

相关性分析结果表明，Al、Mn、Ni和Cr的溶出率均与浸泡时间呈极显著强正相关，与茶叶粒径呈极显著强负相关.比较而言，Cu的溶出率与浸泡时间呈显著正相关，与茶叶粒径呈极显著强负相关，而Ge溶出率与浸泡时间呈极显著正相关，与茶叶粒径呈极显著强负相关.显然，茶叶粒径越小则越有利于Ge、Cu、Al、Mn的溶出，浸泡时间越长对Al、Mn、Ni和Cr的溶出越有利.

3 结论

通过以上研究可以获得如下结论：

1)茶叶中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率随浸泡时间的延长而升高，但不同元素的溶出速率差异较大，小粒径茶叶(0.45 mm)浸泡至 5 min 时，Ge和Cr的溶出率可达20%，而Ni、Cu和Al的溶出率则高达40%；当浸泡时间延长至 40 min 时，各矿质元素溶出率(D)由高到低的排序为：D(Ni)>D(Al)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Mn).

2)茶叶粒径对矿质元素溶出率的影响表现为，茶叶中Al、Mn、Cu、Ni和Ge的溶出率随茶叶粒径的减小而增大，而Cr的溶出率则受粒径变化的影响较小.

3)茶叶粒径越小则越有利于Ge、Cu、Al、Mn的溶出，浸泡时间越长对Al、Mn、Ni和Cr的溶出越有利.总体而言，在细粒径茶叶(0.45 mm)中，Al、Mn、Cu、Ni和Ge可在较短时间(5 min)内获得较高的溶出率.在CTC茶叶生产过程中，若需控制有毒有害元素(如Cr等)的溶出，则茶叶粒径不宜太小(>0.45 mm)；当需要增加有益元素(如Ge)的溶出时，则应适当减小茶叶的粒径(<0.45 mm).参考本研究结论，也可根据不同粒径茶叶比例搭配控制茶叶中各种元素的溶出率.