微波消解-ICP-MS法測定六安市栽培種茶樹的10種元素

郭銳 閆航濱 趙敬娟 文洋洋 胡瑋煒

摘要 ［目的］利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）對六安市當(dāng)?shù)夭铇湓耘喾N進行多元素測定，探究當(dāng)?shù)夭铇渲械脑睾考暗貐^(qū)差異。［方法］采集茶樹第二葉進行微波烘干，稱量后微波消解并定容，利用ICP-MS法進行10種元素含量的測定。［結(jié)果］各元素線性關(guān)系良好（R2≥0.996 7），方法檢出限為0.003～47.910 mg/kg。各元素含量相對標準偏差（RSD）為0.06% ～ 9.79%?？偟膩砜?，六安市茶葉中鉀、鈣、鎂含量較高，錳、鋁、鈉、鐵次之，鋅、銅、硒含量較低。在不同地區(qū)的茶葉中，金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)的鉀、鎂、鋅含量最高，霍山縣諸佛庵鎮(zhèn)的鈣含量最高，金寨縣麻埠鎮(zhèn)的錳含量最高，金寨縣油坊店鄉(xiāng)的鋁、鐵含量最高，裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)的鈉含量最高，舒城縣舒茶鎮(zhèn)的銅、硒含量最高。［結(jié)論］六安市當(dāng)?shù)卦耘喾N茶樹的多元素含量具有地區(qū)差異性，該研究結(jié)果為六安市日后的茶樹育種和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了理論參考。

關(guān)鍵詞 茶樹；微波消解；ICP-MS；元素含量；六安地區(qū)

中圖分類號 TS272.7? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）03-0190-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.046

Determination of 10 Elements in Lu’an Cultivated Tea Plants by Microwave Digestion-ICP-MS

Abstract ［Objective］Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS） was used to determine the multi-elements of tea plants in Lu’an City， and to explore the element content and regional differences in local tea plants.［Method］The second leaf of tea tree was collected for microwave drying， weighed and digested by microwave， and the content of 10 elements was determined by ICP-MS.［Result］The linear relationship of each element was good （R2≥0.996 7）， and the detection limit of the method was 0.003-47.910 mg/kg.The relative standard deviation of each element content was 0.06%-9.79%.In general， the content of K， Ca and Mg in Lu’an tea plants was higher， followed by Mn， Al， Na and Fe， the content of Zn， Cu and Se was lower.Among the tea in different regions， the content of K， Mg and Zn in Maotanchang Town， Jin’an District was the highest， the Ca content in Zhufoan Town， Huoshan County was the highest， the Mn content in Mabu Town， Jinzhai County was the highest， the Al and Fe content in Youfangdian Township， Jinzhai County was the highest， the Na content in Dushan Town， Yu’an District was the highest， the Cu and Se content in Shucha Town， Shucheng County was the highest.［Conclusion］The multi-element content of tea plants in Lu’an City has regional differences.The research results provide a theoretical reference for future tea breeding and product quality control in Lu’an City.

Key words Tea plant;Microwave digestion;ICP-MS;Element content;Lu’an area

茶樹［Camellia sinensis（L.）O.Kuntze］因為其滋味鮮爽、富含有益于人體的茶多酚等內(nèi)含物而受到世人的追捧，是全世界消費最流行的無酒精飲品原料作物之一，也是全球重要經(jīng)濟作物之一［1］。茶葉中的各種礦物元素均來自茶樹生長位置的土壤中，其中許多元素都是人體所必需的，比如鉀、鈣、鎂、鈉等常量元素只有維持在一定比例時，人體才能進行正常的生理活動以及對外界環(huán)境表現(xiàn)出相應(yīng)的感知性，錳、鋁、鐵、銅、鋅、硒等微量元素一般通過參與人體的新陳代謝、生理生化反應(yīng)等過程發(fā)揮著十分重要的作用［2-3］。六安市位于安徽省西部地區(qū)，地處大別山區(qū)，具有優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境和特殊的自然地理條件，孕育了許多優(yōu)質(zhì)的茶樹栽培種，這些茶樹栽培種具有許多獨特性狀和品質(zhì)，也是品種選育的潛在種質(zhì)資源庫［4］。對六安市當(dāng)?shù)卦耘喾N進行多元素測定分析不僅可以作為當(dāng)?shù)仄贩N選育的一項指導(dǎo)標準，還對當(dāng)?shù)夭枞~的質(zhì)量控制具有指導(dǎo)意義。

目前測定多元素的方法較多，主要有紫外可見分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）等［5］。ICP-MS不僅具有高靈敏度、低檢出限、干擾少、線性范圍寬等特點，而且可以同時進行多元素測定，分析速度快，在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［6-7］。齊紅革等［8］建立ICP-MS法檢測綠茶中礦物質(zhì)和無機元素，發(fā)現(xiàn)茶葉中鎂、鈣和錳含量較高，鎂和錳浸出率較高。劉一修等［9］使用ICP-MS同時測定黃山市綠茶中Cr、Cu、As、Ba、Hg、Pb 6種元素，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)夭枞~重金屬含量均達標，不同產(chǎn)地重金屬含量差異顯著。該研究以六安市本地47份茶樹栽培種為材料，使用微波消解和ICP-MS法對其10種無機元素（鉀、鈣、鎂、鈉、錳、鋁、鐵、鋅、銅、硒）進行測定，初步分析六安市當(dāng)?shù)夭铇涞脑睾恳约安煌貐^(qū)之間的元素含量差異，為日后六安市茶樹品種的栽培選育和質(zhì)量控制提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試材。

以六安市7個不同地區(qū)共47份栽培種茶樹為供試材料，其采樣地區(qū)和經(jīng)緯度信息詳見表1。

1.1.2 試劑。鉀、鈣、鎂、錳、鋁、鈉、鐵、鋅、銅、硒元素標準溶液（1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；鍺內(nèi)標溶液（100 mg/L，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司）；Multi-Element Tune A調(diào)諧液（10 mg/L，賽默飛世爾科技有限公司）；優(yōu)級純硝酸（西隴科學(xué)股份有限公司）。

1.1.3 儀器。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（X-Series Ⅱ，賽默飛世爾科技有限公司）；電子天平（PWN224ZH/E，奧豪斯儀器常州有限公司）；超級微波消解儀（UltraWAVE20101370，意大利Milestone公司）；趕酸電熱板（奧普樂科技集團有限公司）；超純水機（明澈-D14UV，默克密理博）；微波爐（廣東格蘭仕集團有限公司）；粉碎機（TUBE-MILL 100，艾卡儀器設(shè)備有限公司）；5～50 μL移液槍和100～1 000 μL移液槍（艾本德eppendorf公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理。于2020年4月期間現(xiàn)場采集當(dāng)?shù)卦耘喾N茶樹第二葉，統(tǒng)一使用微波爐進行微波烘干（步驟：高火1 min翻轉(zhuǎn)→高火1 min翻轉(zhuǎn)→中高火1 min翻轉(zhuǎn)→中火2 min翻轉(zhuǎn)→中低火3 min），用粉碎機粉碎過60目篩后保存于-20 ℃冰箱備用。使用電子天平稱取茶葉樣品約0.500 0 g于石英消解管中，加入2.00 mL超純水和3.00 mL硝酸，加蓋于通風(fēng)櫥中自行消解12 h。在消解儀的外罐中加入150.00 mL水和5.00 mL硝酸并混勻，將自行消解后的樣品放入微波消解儀并按照標準的操作指南進行微波消解，具體步驟詳見表2。將消解完成后的消解管打開蓋，置于趕酸電熱板上于120 ℃趕酸2 h，最后用超純水定容至50.00 mL待用。每個樣品3個生物學(xué)重復(fù)，同時做空白對照。

1.2.2 標準溶液制備。使用移液槍吸取所需的標準品母液，并進行逐級稀釋，利用0.5%硝酸水定容至50.00 mL，配制的標準曲線溶液如下：鉀、鈉、鈣和鎂分別為0、0.5、2.0、5.0、10.0、20.0 μg/mL；鐵、鋁分別為0、0.2、0.8、2.0、4.0、8.0 μg/mL；錳、鋅、銅為0、10.0、50.0、100.0、200.0、500.0 ng/mL，硒為0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng/mL。利用0.5%硝酸水配制內(nèi)標工作溶液鍺50 ng/mL。標準曲線溶液和內(nèi)標溶液均現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.2.3 儀器準備與樣品測定。先將ICP-MS的測定條件和穩(wěn)定性進行設(shè)定與優(yōu)化，真空系統(tǒng)壓力<6.0×10-8 kPa，氬氣壓力0.60～0.70 MPa，開機點火后使用1 ng/mL調(diào)諧液進行調(diào)諧，霧化器壓力150～250 kPa，ICP正向功率1 200～1 300 W，等離子體氣體流速14.0～15.0 L/min，霧化器流速0.8～1.2 L/min，使得儀器達到穩(wěn)定且準確的狀態(tài)，之后使用1.0%硝酸水清洗管路20 min。檢測方法選擇普通反應(yīng)池分析模式，采集模式為跳峰，掃描次數(shù)為100次，數(shù)據(jù)采集重復(fù)3次。

1.2.4 標準曲線的繪制。將配制好的多元素工作液按照儀器條件依次進樣分析，以各元素進樣濃度作為橫坐標、儀器測得的元素計數(shù)響應(yīng)值作為縱坐標繪制標準曲線，計算得到線性回歸方程和決定系數(shù)（R2）。

1.2.5 方法檢出限和定量限。對空白樣品連續(xù)進樣11次，以測得的空白值標準偏差的3倍值作為方法檢出限，空白值標準偏差10倍值作為方法定量限。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析 利用WPS Office辦公軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、標準曲線線性方程擬合和初步分析，使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行差異顯著性分析，SigmaPlot 12.5 軟件繪制圖形，使用Adobe Illustrator CS6 軟件對圖形進行修飾整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 儀器狀態(tài)優(yōu)化與工作曲線

使用ICP-MS時將儀器的測定條件進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示真空系統(tǒng)壓力為8.7×10-9kPa，氬氣壓力為0.65 MPa，霧化器工作狀態(tài)200 kPa，ICP正向功率1 300 W，等離子體氣體流速為15.0 L/min，霧化器流速0.87 L/min，各項指標均符合儀器使用標準且條件較佳。各個元素的標準曲線和決定系數(shù)如表3所示，從表3可以看出，擬合的標準曲線均呈現(xiàn)線性關(guān)系且決定系數(shù)均高于0.995 0，說明在該試驗過程中，這10種元素的工作曲線線性關(guān)系均良好。此外，該方法的各元素的方法檢出限均較低，說明檢測方法具有良好的靈敏度，符合元素檢測要求，檢測結(jié)果準確可靠。

2.2 六安市茶葉無機元素的含量分析

該試驗測定了六安市當(dāng)?shù)卦耘喾N茶樹葉片的10種無機元素含量，各元素含量相對標準偏差（RSD）為0.06% ～ 9.79%。統(tǒng)計這10種無機元素含量的最高、最低和平均值，見表4，結(jié)果顯示茶葉中10種無機元素含量差異較大。常量元素中鉀元素含量平均值最高，為23 527.07 mg/kg，其中樣品T15含量最高，樣品T3含量最低，總體差異不大。鈣元素含量平均值為3 502.11 mg/kg，其中樣品T17含量最高，樣品T5含量最低，最高值是最低值的3.5倍，說明不同樣品之間差異較大，可能與不同地區(qū)的土壤鈣含量差異有關(guān)。鎂元素含量平均值為1 835.34 mg/kg，其中樣品T12含量最高，樣品T5含量最低，最高值是最低值的2.5倍。鈉元素含量平均值為244.59 mg/kg，其中樣品T47含量最高，T33含量最低，最高值是最低值的2.9倍。

微量元素中錳元素含量最高，平均值為668.41 mg/kg，樣品T41含量最高，T30含量最低，最高值是最低值的12.5倍，含量差異較大。鋁元素含量為326.33 ～ 905.93 mg/kg，平均值為556.07 mg/kg，樣品T35含量最高，T14等樣品含量較低，可以作為后期選育的對象。鐵元素含量平均值為105.43 mg/kg，樣品T34含量最高，樣品T11含量最低。鋅元素含量平均值為31.93 mg/kg，樣品T17含量最高，樣品T35含量最低。銅元素含量平均值為9.04 mg/kg，樣品T11含量最高，樣品T2含量最低。硒元素含量平均值最低，為19.60 μg/kg，樣品T24含量最高，樣品T1、T2、T4、T6、T9、T11、T16、T17、T18、T20、T21、T23、T25、T26、T27、T29、T30、T31、T32、T33、T38、T39、T40、T41、T46、T47等26個樣品中硒含量均未檢出。

2.3 六安市不同地區(qū)茶葉無機元素的含量分析

將47個茶樹栽培種按照六安市不同地區(qū)劃分為7塊，不同地區(qū)之間元素含量差異較為明顯，具體結(jié)果見圖1。常量元素中，金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)的茶葉中鉀含量（25 114.29 mg/kg）和鎂含量（2 163.53 mg/kg）均最高，舒城縣舒茶鎮(zhèn)的茶葉中鉀含量最低（20 271.51 mg/kg），與金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)呈現(xiàn)極顯著差異，金寨縣麻埠鎮(zhèn)的茶葉中鎂含量最低（1 707.02 mg/kg），與金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)也呈現(xiàn)極顯著差異?；羯娇h諸佛庵鎮(zhèn)的茶葉中鈣含量最高（4 456.00 mg/kg），金寨縣麻埠鎮(zhèn)的茶葉中鈣含量最低（2 908.74 mg/kg），兩地區(qū)茶葉中鈣含量差異極顯著。裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)的茶葉中鈉含量最高（316.66 mg/kg），舒城縣舒茶鎮(zhèn)的鈉含量最低（190.18 mg/kg），裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)與金寨縣青山鎮(zhèn)、舒城縣舒茶鎮(zhèn)鈉含量均呈現(xiàn)極顯著差異。

微量元素中，金寨縣麻埠鎮(zhèn)的茶葉中錳含量最高（850.84 mg/kg），舒城縣舒茶鎮(zhèn)的茶葉中錳含量最低（517.41 mg/kg），金寨縣麻埠鎮(zhèn)與裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)、舒城縣舒茶鎮(zhèn)錳含量呈現(xiàn)極顯著差異。金寨縣油坊店鄉(xiāng)的茶葉中鋁含量（644.90 mg/kg）和鐵含量（118.17 mg/kg）最高，裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)的茶葉中鋁含量最低（399.22 mg/kg），金寨縣油坊店鄉(xiāng)與裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)、金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)鋁含量呈現(xiàn)極顯著差異，這表明裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)和金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)的茶葉種植土壤中鋁含量較小，鋁元素污染更?。唤鸢矃^(qū)毛坦廠鎮(zhèn)的茶葉中鐵含量最低（80.91 mg/kg），與金寨縣油坊店鄉(xiāng)差異極顯著。金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)的茶葉中鋅含量最高（39.50 mg/kg），金寨縣油坊店鄉(xiāng)的茶葉中鋅含量最低（28.86 mg/kg），金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)與金寨縣麻埠鎮(zhèn)、金寨縣油坊店鄉(xiāng)鋅含量均呈現(xiàn)極顯著差異。舒城縣舒茶鎮(zhèn)的茶葉中銅含量最高（10.15 mg/kg），金寨縣麻埠鎮(zhèn)的茶葉中銅含量最低（7.75 mg/kg），兩者之間差異極顯著。舒城縣舒茶鎮(zhèn)的茶葉中硒含量最高（40.75 μg/kg），霍山縣諸佛庵鎮(zhèn)的茶葉中硒含量最低（5.14 μg/kg），雖差異極顯著，但由于較多樣本中硒元素未檢出，導(dǎo)致誤差較大，且與富硒茶標準中硒元素含量仍有較大差距，說明六安市所有地區(qū)的茶葉中硒元素含量均較低。

3 討論與結(jié)論

六安茶曾作為貢茶，具有悠久的歷史，六安市也是我國著名茶區(qū)之一，所有茶區(qū)均位于峰巒疊翠的大別山腹地，富含多酚類物質(zhì)、生物堿和多種無機元素［10］。茶葉中的鉀含量為礦質(zhì)元素之首，但鈉含量相對較低，因此茶屬于高鉀低鈉飲料，符合人體需求［11］。該研究茶葉中鉀元素含量最高，鈉元素較低，這與李紅等［12］的測定結(jié)果一致。鎂和錳常作為酶的激活劑參與細胞代謝過程，對人體健康也發(fā)揮重要的作用。茶葉作為集錳作物，相比水果蔬菜高50倍左右［13］。該研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中鎂、錳元素含量均較高，錳元素甚至高于常量元素鈉的含量，這與齊紅革等［8］的研究結(jié)果一致。鈣作為人體必需的宏量元素，主要存在于骨骼和血漿中，在神經(jīng)、肌肉的興奮性以及凝血過程中具有一定的功能。鐵作為血紅蛋白的組成成分，在人體中擔(dān)任著氧氣運輸功能，也是一些酶的組成部分，是人體中較為重要的必需微量元素［14］。但鈣和鐵在茶湯中浸出率極低，不能作為補充鈣、鐵的途徑。鋁是人體非必需微量元素，鋁的過量攝入會導(dǎo)致阿爾茲海默癥以及鋁中毒的風(fēng)險增加［15］。茶樹適宜酸性環(huán)境生長，是天然植物中含鋁量較高且典型的聚鋁作物。該研究結(jié)果可見，六安市當(dāng)?shù)夭枞~中鋁含量在326.33～905.93 mg/kg，低于惠州市［16］、濟南市［17］等地區(qū)的茶葉鋁含量，說明本地鋁含量污染較少，相應(yīng)的成品茶鋁元素的健康風(fēng)險也較低。鋅參與生長發(fā)育、蛋白質(zhì)代謝、消化和呼吸等相關(guān)酶的合成，成人每日需要攝入鋅含量為10～15 mg，茶葉中鋅的茶湯浸出率也較高，可作為人體補鋅的好途徑。六安市茶葉鋅含量在21.33～42.96 mg/kg，與馬嬙等［18］的研究結(jié)果基本一致，且符合國家一級標準中茶葉鋅元素的參考值。銅是人體必需的微量元素，有助于形成血紅蛋白和黑色素，對保持身體和皮膚健康起到重要作用，但銅元素超標也會在一定程度上損害身體健康［19］。該研究中發(fā)現(xiàn)六安當(dāng)?shù)夭枞~銅含量在6.00～12.70 mg/kg，所有樣品均符合NY/T 288—2018《綠色食品 茶葉》的標準（Cu≤30 mg/kg）。硒作為人體必需的微量元素，能增強人體免疫力，在預(yù)防癌癥、清除自由基、抗氧化等方面具有重要作用［20］。但該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)六安市當(dāng)?shù)夭枞~的硒元素含量較低，均未達到NY/T 600—2002《富硒茶》的標準（0.25～4.00 mg/kg），不屬于富硒茶。

該研究使用ICP-MS法測定了六安市當(dāng)?shù)?7份當(dāng)?shù)卦耘喾N茶葉的10種無機元素，儀器設(shè)備優(yōu)化后測定結(jié)果顯示，六安市當(dāng)?shù)夭枞~中常量元素含量從高到低依次為鉀>鈣>鎂>鈉，微量元素含量從高到低依次為錳>鋁>鐵>鋅>銅>硒。其中金安區(qū)毛坦廠鎮(zhèn)茶葉中鉀、鎂、鋅元素最高，霍山縣諸佛庵鎮(zhèn)茶葉中鈣元素最高，金寨縣麻埠鎮(zhèn)茶葉中錳元素最高，金寨縣油坊店鄉(xiāng)茶葉中鋁、鐵元素最高，裕安區(qū)獨山鎮(zhèn)茶葉中鈉元素最高，舒城縣舒茶鎮(zhèn)茶葉中銅、硒元素最高，不同地區(qū)之間元素含量具有明顯差異。該研究解析了六安市當(dāng)?shù)夭铇湓耘喾N中不同元素的含量，為之后六安市茶樹的種質(zhì)創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供理論參考。

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