不同極性溶劑對茶葉中礦質元素的提取*

陳英賀，張柳葉，侯 順，繆德仁

(昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

飲茶不僅經濟實惠而且還具有傳統價值、精神價值以及非酒精藥用價值[1].目前，飲茶人數已約占全球總人口的67%，每天消費高達20億杯之多[2].茶葉中不僅富含有助于延緩衰老、降低心臟病和冠心病等對人體有益的活性成分，而且還富含礦質元素.在眾多的礦質元素中，有些元素(如銅、鐵、錳、鋅等)可維持人體免疫系統、骨骼健康和神經功能[3]，而有些元素(如鎘、鉛和汞等)則可抑制血紅素和細胞色素的生成，對腎、腦、骨骼、血液等產生毒性并致癌[4].近年來，隨著人類活動的加劇和生活水平的提高，消費者對茶葉礦質元素含量的關注度逐年上升，許多國家均頒布了限定茶葉中金屬元素含量的相關標準[5].

目前，絕大部分關于茶葉中有毒有害元素的限量標準均僅規定了該元素在茶葉中總量的限定值，實際上，飲用茶湯依然是其主要的食用方式.基于此，研究者對茶葉和茶湯中礦質元素的飲用風險進行了大量的評估.Idrees等[4]對開伯爾-普赫圖赫瓦的市售茶葉進行健康風險評估.結果顯示茶葉中銅的估計日攝入量(estimated daily intake，EDI)值高于口服參考劑量(reference dose，RfD)值，表明該些市售茶葉存在著潛在的健康風險.Pourramezani等[6]對印度紅茶和斯里蘭卡紅茶的健康風險進行了評價.結果表明，與斯里蘭卡紅茶相比，印度紅茶的目標危險系數(target hazard quotient，THQ)和危險指數(hazard index，HI)值更高.繆德仁等[7]對云南鳳慶茶葉中銅、鉛、鋅、鎘、鉻和砷的健康風險進行了評估.結果表明，鳳慶茶葉中各重金屬元素EDI的平均值由大到小的順序為：EDI(Zn)>EDI(Cu)>EDI(Cr)>EDI(Pb)>EDI(As)，各重金屬元素的HI均小于1，無健康風險.需要指出的是，茶葉重金屬含量的健康風險評估是一項復雜的任務，需要綜合考慮消費模式、消費頻率、浸出率、人口統計和接觸時間等各種因素.

茶葉中礦質元素的可浸出量是衡量茶葉的營養價值和健康風險評估的重要指標.基于此，目前國內外研究者在茶葉中礦質元素的浸出特征方面進行了大量的研究.彭群華等[8]對市售冷泡茶中主要品質成分的浸出規律進行了研究.結果表明，沖泡方式顯著影響著茶多酚、氨基酸和咖啡堿的溶出.劉銳[9]對浸泡溫度的影響進行了分析，結果表明，浸泡溫度對金屬元素溶出量的影響不一.段曉艷等[10]對浸泡時間進行了分析，結果表明，茶湯中Co，Fe，Ni和Sr的濃度與浸泡時間呈正相關，Cu與浸泡時間呈負相關，而Cr，Pb和Zn與浸泡時則無明顯的相關性.總體而言，浸泡次數、浸泡時間、浸泡溫度等均對礦質元素的浸出具有一定的影響，但不同元素的影響不一，這主要與各元素在茶葉中的賦存形態有關.根據相似相溶原理，小極性提取劑可有效提取小極性類化合物，強極性提取劑可有效提取中-強極性化合物，而水及鹽類水溶液則可有效提取離子型/態等水溶性物質.目前鮮見有關采用不同極性提取劑對茶葉中礦質元素的提取率進行研究的相關報道.實際上，查明茶葉礦質元素在不同極性提取劑中的浸出特征可為其在茶葉中的賦存形態研究提供理論支持[11].基于此，本研究選取正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水為提取劑，對云南大葉種茶葉中的Al、As、B、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Zn和Ge的提取特征進行研究，以期為該些元素在茶葉中的賦存形態研究提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 茶葉樣品的采集及制備

本研究以2022年10月采集自云南臨滄大田河茶園(99°59′21″E；23°50′26″N)的茶葉鮮葉(一芽二至三葉)為研究對象.茶葉鮮葉經清洗(自來水)、烘干(60 ℃)并研磨至全部過20目尼龍孔篩.茶葉中的礦質元素含量采用微波消解-ICP-MS進行測定[12]，供試茶葉中礦質元素的含量列于表1之中.

表1 供試茶葉中礦質元素的含量 mg/kg

1.2 礦質元素的浸提

本研究選取極性不同的正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水為提取劑，具體提取步驟為：準確稱取 50.000 g 茶葉樣品于索氏提取器(配 1 L 接液圓底燒瓶)的提取筒(內置纖維濾筒)中，依次分別采用 700 mL 的浸提劑(正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水)進行連續加熱回流-虹吸提取至索氏提取裝置內溶液為無色(6～8 h)，提取液分別經濃縮-蒸干(旋轉蒸發)、烘干(60 ℃)后稱量所得提取物的質量(差減法)，將干燥提取物研磨至過100目尼龍孔篩后貼標備用.

準確稱取0.1～0.2 g 提取物質于微波消解罐中，分別加入 8 mL 濃HNO3和 2 mL H2O2(30%)，進行消解并定容至 10 mL 后采用ICP-MS對各礦質元素進行測定[12].

本研究所用提取劑均為色譜純，若無特別說明，其余試劑均為優級純，實驗用水為超純水.由于標準物質的缺乏，本研究并未采用相關的茶葉標準物質對分析質量進行控制.每一實驗均重復3次，實驗結果表示為平均值.

2 結果與討論

2.1 不同提取劑提取物的質量和提取率

采用不同極性提取劑對茶葉樣品進行索氏提取，提取物的質量和提取率匯總于表2之中.

提取結果表明，經正己烷、三氯甲烷和丙酮對 50.00 g 茶葉提取后，獲得提取物干燥后的質量分別為 1.144 9，1.259 3，1.571 9 g，提取率分別為2.29%、2.52%和3.14%，表明茶葉中可溶于小極性有機溶劑的化合物含量相對較低.而經乙酸乙酯、甲醇和純水提取后，獲得提取物干燥后的質量分別為 5.824 5，5.230 9，5.070 0 g，提取率分別為11.65%、10.46%和10.14%.研究[13]表明，乙酸乙酯可有效提取出植物中的黃酮類和多酚類物質.在本研究中，乙酸乙酯對茶葉的提取率高達11.65%，遠高于正己烷和三氯甲烷，這主要是由于茶葉中茶多酚的含量較高所致[3].大極性提取劑(醇類和水)主要提取植體內呈溶解狀態的無機鹽和氨基酸鹽[14].在本研究中，甲醇和水對茶葉的提取率高達20%以上(表2)，表明大葉種茶葉提取物的主要成分是無機鹽和氨基酸鹽.總體而言，隨著提取劑極性的增大，其對茶葉的提取能力也逐漸增強.

表2 不同提取劑提取物的質量和提取率

2.2 不同極性提取劑對礦質元素的提取率

采用微波消解-ICP-MS測定方法對不同極性溶劑提取物進行消解測定并計算各礦質元素的提取率，結果如表3所示.

連續提取結果表明，茶葉中各礦質元素的總提取率由高到低的排序為：Pb>Zn>Cr>Ni>Cd>B≈As>Sb>Cu>Al>Ge>Mn，這與王寶森等[15]的研究結論基本一致.研究[16]表明，沸水對茶葉中Mn、Zn和Cu的浸出率分別在17.00%～61.34%、19.39%～48.80%和6.21%～78.11%之間，不同茶葉中礦質元素的浸出率差異較大，茶葉種類、浸提溫度，固液比、浸出時間等因素均影響著茶葉中礦質元素的浸出率.在本研究中，盡管Mn和Al的浸出率較低(分別為9.02%和22.53%)，但茶葉中Mn和Al的含量較高(表1)，因此浸出液中Mn和Al的含量也相對較高.

比較而言，Cr、Ni、Cd、B、A、Sb、Cu、Al、Ge和Mn在甲醇和水中的浸出率均遠高于正己烷和三氯甲烷，說明該些元素在茶葉中主要以溶解狀態的無機鹽和氨基酸鹽為主；茶葉中Zn的總提取率較高(93.33%)，且不同提取劑的提取率變化不大(除水外)，表明茶葉中的Zn極易被提取出來.分析認為，這主要與Zn的金屬活性和其對茶樹生長的必需性有關.然而，Pb在小極性和中等極性(乙酸乙酯和丙酮)中的提取率遠高于大極性浸提劑，說明Pb在茶葉中主要以黃酮類和多酚類結合態為主，這主要與Pb對茶樹的毒性有關[14].

2.3 礦質元素在茶葉中的賦存形態分析

茶葉中礦質元素對不同極性提取劑的響應反映出其賦存形態的差異.通常認為，小極性提取劑可有效提取植物中小極性類化合物，大極性提取劑則可有效提取植物中大極性化合物[13].基于此，本研究將正己烷+三氯甲烷、乙酸乙酯+丙酮、甲醇+水提取的礦質元素賦存形態分別定義為小極性態、中等極性態和強極性態，而未提取出的部分則定義為殘渣態.依據浸提結果對各礦質元素在茶葉的賦存形態進行計算，結果如圖1所示.

結果表明，各礦質元素小極性態的分布比例由高到低的排序為：Pb>As>Zn>Cr>Cd>Sb>Cu>Ni>Ge>B>Al>Mn；中等極性態分布比例較高的是Pb和Cd，較低的是Mn和Al；強極性態分布比例較高的是B和Cr，較低是Mn；殘渣態分布比例較高的是Mn和Ge，較低的是Zn.

在植體中，礦質元素可以游離態、有機物結合態、無機鹽結合態等多種形態賦存[17].通常認為，小極性提取劑提取物以烯烴、烷烴、萜類等小極性有機物為主的，強極性提取劑提取物以多糖、皂苷、無機鹽、氨基酸鹽以及水溶性有機酸鹽等為主，活性較大；而殘渣態則難以遷移，活性和毒性均較低[18].研究[19]表明，不同植體中礦質元素的賦存形態比例不一.如Pb在巴戟天中以結合態為主，在中草藥(密蒙花、合歡等)中，Zn和Cu則以殘渣態為主，而小極性態含量最低；而在瑣陽水提液中，Cu、Zn、Fe、Cd和Mn則是以某種形態為主，多種形態共存的混雜體系.顯然，礦質元素在植體中的賦存形態比例不僅與其自身性質有關而且還與植體的特性有關.在本研究中，Pb在小極性態和中等極性態中的分布比例最高，而Pb和Zn在殘渣態中的分布比例較低，這可能與Zn的活性較高和Pb對茶樹的毒性較大有關.

鍺既非植物必需營養元素也非環境劇毒元素，但有機鍺卻具有較高的活性[20].在本研究中，殘渣態鍺的分布比例較高(80.76%)，表明茶葉中鍺的活性態含量較低.需要指出的是，本研究采用不同極性提取劑對茶葉中的礦質元素進行連續提取(索氏提取)，提取的溫度低于沸水，而在日常飲茶過程中，茶湯的沖泡溫度則較高[21].因此，本研究提取出的非殘渣態鍺的比例應低于茶湯.關于鍺在茶葉中賦存形態的詳細信息，有待進一步深入研究.

3 結論

通過以上研究，可以得到如下結論：

1)Cr、Ni、Cd、B、A、Sb、Cu、Al、Ge和Mn在大葉種茶葉中主要以溶解狀態的無機鹽和氨基酸鹽為主；Pb主要以黃酮類和多酚類物質結合為主，幾乎可以被有機溶劑提取完全提取，而Zn則主要與有機酸鹽結合為主，經機溶劑提取后仍有44.22%的Zn可被純水提取出來；

2)各礦質元素小極性態的分布比例由高到低的排序為：Pb>As>Zn>Cr>Cd>Sb>Cu>Ni>Ge>B>Al>Mn；中等極性態分布比例較高的是Pb和Cd，較低的是Mn和Al；強極性態分布比例較高的是B和Cr，較低是Mn；殘渣態分布比例較高的是Mn和Ge，較低的是Zn；

3)盡管采用不同極性溶劑提取所得的礦質元素形態分布僅具操作意義，但所得結論可為礦質元素在茶葉中形態分布的深入研究提供數據支持.此外，雖然大葉種茶葉中80%以上的鍺主要以殘渣態賦存，活性態含量較低.但鑒于有機質具有較高的生物活性，有必要對茶葉中鍺的賦存形態分布特征進行深入研究.