不同粒徑大葉種茶葉中礦質元素的溶出特性*

張柳葉，侯 順，肖 涵，楊婉秋

(昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214)

茶是頗受人們喜愛的非酒精飲品之一.茶湯不僅含茶多酚、氨基酸等功能性物質，而且還富含銅、鋅和鐵等人體所需礦質元素.此外，飲茶也是人們攝取有益稀缺元素(如有機硒、有機鍺等)的有效途徑之一[1，2].

茶湯的口感、營養和安全是茶葉研究的主題.在茶湯口感方面，研究證實，茶湯中的呈味物質主要有糖類、氨基酸、酚類及其氧化物、咖啡堿和茶皂素等，尤以茶多酚、氨基酸、咖啡堿和糖類對茶湯口感的影響為甚.其中，茶多酚主要影響著茶湯的澀味；氨基酸主要影響茶湯的鮮味；咖啡堿主要影響著茶湯的苦味；而糖類則主要影響著茶湯的甜味[3，4].在營養方面，一方面茶葉中蛋白質含量較高，人體必需氨基酸種類齊全，且其熱量較低[5]；另一方面，茶葉中富含具有抗氧化、提高免疫力的茶單寧，可濾尿提神的咖啡因和可增強記憶、提高學習能力的茶氨酸[5，6]；且茶葉中富含的水溶性維生素幾乎可全部溶出于茶湯之中[7].此外，茶葉中較為豐富的礦質元素(如：鈣、鎂、鐵、錳、銅和鋅等)也可被溶出于茶湯之中，進而被人體吸收和利用[8].在茶葉飲用安全方面，較多的研究則聚焦于茶品中的農藥殘留和有毒有害礦質元素的含量[9].值得注意的是，茶葉中礦質元素的種類繁多，茶湯在為人體提供必需微量營養元素的同時也可能會導致有毒有害金屬元素(如鉛和鎘等)的攝入[7，9].因此，對茶葉中礦質元素的溶出特性進行研究極其必要.

按照傳統制作過程中的發酵程度，成品茶葉主要分為綠茶、白茶、黃茶、青茶(烏龍茶)、紅茶和黑茶這六大類[10]，均由茶葉鮮葉通過一定的加工工序(如：萎凋、殺青、搖青、揉捻、發酵、干燥等)制備而成，采用傳統制作工藝所得茶產品的粒徑主要與茶葉鮮葉的大小有關.與之相對的，CTC技術(Crush，Tear and Curl；CTC)則是將茶葉鮮葉經壓碎、撕裂、揉卷使其成為較小的顆粒以便于在較短時間內沖泡出茶湯的生產工藝.隨著CTC生產工藝的問世，茶葉鮮葉經壓碎、撕裂成粉末狀后已無須進行揉捻，通過該工藝制作的茶產品粒徑則主要取決于人們的需求.目前，雖有大量的研究對浸泡溫度、浸泡時間和浸泡次數等因素對茶葉中礦質元素的溶出特性進行了研究[11]，然而，茶葉粒徑對礦質元素溶出特性的影響尚不十分清楚.我國是最早發現和利用茶葉的國家，茶樹的種植面積和茶葉產量均位居全球之首[12].據國家統計局2021年發布的統計數據表明，2020年我國茶葉總產量約為293.18萬t，而云南茶葉總產量已達46.32萬t，位居全國第一.我國茶樹的栽培品種繁多，其中大葉種茶樹(CamelliasinensisL.)因具有自身獨特個性且非常適宜在云南特殊生態環境條件下生長繁衍而得以在云南大面積種植[13].目前，以大葉種茶葉為原料，通過CTC加工工藝生產的CTC紅碎茶已暢銷全球，但鮮見有關茶葉粒徑對礦質元素溶出特性影響的研究報道.基于此，本文以云南大葉種茶葉為研究對象，對不同粒徑茶葉中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出特性進行研究，以期為CTC工藝中茶產品粒徑的調控提供理論支持.

1 方法與材料

1.1 茶葉樣品的采集及制備

供試茶葉樣品采自云南省臨滄市臨翔區章馱鄉邦賣村茶園(100°00′16″E，23°55′19″N).2021年10月采集茶葉鮮葉(一芽二至三葉)經自來水和超純水清洗、烘干(60 ℃)后采用切樣機和研缽分別加工至不同粒徑(10，4，2，0.45 mm)，貼標、備用.

1.2 礦質元素的浸提

分別稱取 6.000 g(精確至 0.001 g)不同粒徑的茶葉樣品置于一系列 250 mL 磨口錐形瓶中，加入 150 mL 沸水搖勻加蓋后置于恒溫水浴(94 ℃)振蕩器中震蕩(120 r/min).分別于10，20，30，40，80，160，300，600，1 200，2 400，3 600，7 200 s 取出錐形瓶，快速傾倒出茶湯并采用 0.45 μm 膜過濾、備用.

1.3 礦質元素的分析

準確吸取 10 mL 茶湯濾液于 25 mL 消解罐中，置于趕酸儀上濃縮至1～2 mL，加入 8 mL 濃HNO3和 2 mL H2O2(30%)后置于微波消解儀中消解，消解完成后采用0.1%的HNO3定容至 10 mL 并采用ICP-MS對Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量進行測定.茶葉樣品中各礦質元素的含量采用文獻楊婉秋等[14]報道的方法進行測定.

每一試驗均設置3份平行并加帶空白，結果表示為3次試驗的平均值.若無特別說明，本研究所使用的試劑均為優級純或以上級別，水為超純水.

2 結果與討論

2.1 供試茶葉中礦質元素的含量

采用微波消解-ICP-MS對茶葉中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量進行測定，結果列于表1之中.

有研究[15]顯示，臨滄市大葉種茶葉中Al和Mn的含量分別在356～1 227 mg/kg 和478～874 mg/kg 之間.在本研究中，茶葉中Al和Mn含量相對較低(分別為 410 mg/kg 和 190 mg/kg)，這主要與茶葉的成熟度和采摘季節有關.大量的研究[16，17]表明，茶葉中Al的含量在春季的嫩葉中較低，而在秋冬季或老葉中較高；Cu、Ni和Cr在夏季較低，而春季則較高.Letuzia M.de Oliveira 等[18]對茶葉中的礦質元素含量分析結果表明，各類CTC茶葉中Al的平均含量均高于 1 000 mg/kg；而成熟茶樹植株老葉中Al的含量可高達 19 316 mg/kg[19].顯然，CTC茶葉原料多為夏秋季或成熟度較高的茶葉鮮葉.總體而言，本研究供試茶葉中Al、Mn、Cu、Ni和Cr的含量與綠茶、烏龍茶、紅茶和袋泡茶中的含量基本一致[20-24].Ge是典型的稀散元素，且有機鍺具有較高的生物活性[25]，但目前關于茶葉中Ge含量的研究報道較少，有研究表明，大葉種茶樹老葉中Ge含量可高達 0.221 mg/kg，而嫩葉中僅有 0.059 6 mg/kg[14].而在本研究中，供試茶葉(嫩葉)中鍺的含量高達 0.296 mg/kg，顯然茶葉中鍺的含量不僅受成熟度和采摘季節的影響而且還嚴重受制于茶園土壤中鍺含量的高低.

2.2 溶出率隨浸泡時間的變化

對各粒徑茶葉的不同浸泡時間茶湯中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的含量進行測定，各元素的溶出率隨浸泡時間的變化趨勢如圖1所示.

(a)Al溶出率隨溶出時間變化 (b)Mn溶出率隨溶出時間變化 (c)Cu溶出率隨溶出時間變化

(d)Ni溶出率隨溶出時間變化 (e)Cr溶出率隨溶出時間變化 (f)Ge溶出率隨溶出時間變化

圖1 Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率隨溶出時間的變化

不同粒徑茶葉中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率隨浸泡時間的變化趨勢分析結果表明，在 2 400 s 內，各元素的溶出率隨浸泡時間的延長而升高，且均在 2 400 s 后趨于穩定，但在不同浸泡時間內各元素溶出率的增幅不一.在較短的浸泡時間內(<300 s)，各粒徑茶葉中Ge和Cr的溶出率接近20%，0.45 mm 茶葉中Ni、Cu和Al的溶出率接近40%，而 2 mm 茶葉中接近15%，4 mm 和 10 mm 茶葉中低于10%，并且Mn在2、4和 10 mm 茶葉中溶出率均低于10%，該時段內溶出率(D)從高到低表現為：D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Ni)>D(Al)>D(Mn)；在300～1 200 s 內，Ni溶出率增長最快，最高達到65%，元素溶出率高低順序為：D(Ni)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Al)>D(Mn)；長時間浸泡(≥2 400 s)時，不同粒徑間元素溶出率變化平緩，Al、Mn、Cu和Ni溶出率持續緩慢增長，Ge和Cr則無增長，元素溶出率高低表現為：D(Ni)>D(Al)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Mn).浸泡 600 s 之后各元素溶出率與Zhang[24]和Li[26]等人對各國各類茶葉茶湯中Ni、Cu、Cr、Mn等溶出率相似，但Cr的溶出率高于印度阿薩姆邦和北孟加拉的紅茶(5.96%)[27].

研究[28]表明，礦質元素在植物體內的溶出特性與其賦存形態密切相關.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.水可有效提取茶葉中的離子態和無機鹽結合態礦質元素.因此，茶葉中離子態和無機鹽結合態含量比例相對較高的礦質元素，其溶出速率也相對較快.在本研究中，Cr和Ni均在 160 s 時趨于平衡，而Mn則需要在 1 200 s 時方可趨于平衡.顯然離子態和可溶性無機鹽結合態的Cr和Ni的分布比例相對較高，而離子態和可溶性無機鹽結合態Mn的分布比例相對較低.此外，茶葉的粒徑對礦質元素的溶出率也有一定的影響.具體表現為，茶葉中Al、Mn、Cu、Ni和Ge的溶出率隨茶葉粒徑的減小而增大，而Cr的溶出率則受粒徑變化的影響較小.至于影響茶葉中Cr溶出率的主要原因有待進一步深入研究.

2.3 茶葉粒徑和浸泡時間與礦質元素溶出率之間的相關關系

為了解茶葉粒徑和浸泡時間對礦質元素溶出率的影響進行了深入分析，本研究采用SPSS 26軟件對茶葉粒徑、浸泡時間和溶出率之間的相關性進行了分析，結果匯總于表2之中.

表2 茶葉粒徑、浸泡時間和礦質元素溶出率之間的相關性 (n=48)

相關性分析結果表明，Al、Mn、Ni和Cr的溶出率均與浸泡時間呈極顯著強正相關，與茶葉粒徑呈極顯著強負相關.比較而言，Cu的溶出率與浸泡時間呈顯著正相關，與茶葉粒徑呈極顯著強負相關，而Ge溶出率與浸泡時間呈極顯著正相關，與茶葉粒徑呈極顯著強負相關.顯然，茶葉粒徑越小則越有利于Ge、Cu、Al、Mn的溶出，浸泡時間越長對Al、Mn、Ni和Cr的溶出越有利.

3 結論

通過以上研究可以獲得如下結論：

1)茶葉中Al、Mn、Cu、Ni、Cr和Ge的溶出率隨浸泡時間的延長而升高，但不同元素的溶出速率差異較大，小粒徑茶葉(0.45 mm)浸泡至 5 min 時，Ge和Cr的溶出率可達20%，而Ni、Cu和Al的溶出率則高達40%；當浸泡時間延長至 40 min 時，各礦質元素溶出率(D)由高到低的排序為：D(Ni)>D(Al)>D(Ge)>D(Cr)>D(Cu)>D(Mn).

2)茶葉粒徑對礦質元素溶出率的影響表現為，茶葉中Al、Mn、Cu、Ni和Ge的溶出率隨茶葉粒徑的減小而增大，而Cr的溶出率則受粒徑變化的影響較小.

3)茶葉粒徑越小則越有利于Ge、Cu、Al、Mn的溶出，浸泡時間越長對Al、Mn、Ni和Cr的溶出越有利.總體而言，在細粒徑茶葉(0.45 mm)中，Al、Mn、Cu、Ni和Ge可在較短時間(5 min)內獲得較高的溶出率.在CTC茶葉生產過程中，若需控制有毒有害元素(如Cr等)的溶出，則茶葉粒徑不宜太小(>0.45 mm)；當需要增加有益元素(如Ge)的溶出時，則應適當減小茶葉的粒徑(<0.45 mm).參考本研究結論，也可根據不同粒徑茶葉比例搭配控制茶葉中各種元素的溶出率.