不同极性溶剂对茶叶中矿质元素的提取*

2024-01-09陈英贺张柳叶缪德仁

昆明学院学报 2023年6期

陈英贺，张柳叶，侯顺，缪德仁

(昆明学院化学化工学院，云南昆明 650214)

饮茶不仅经济实惠而且还具有传统价值、精神价值以及非酒精药用价值[1].目前，饮茶人数已约占全球总人口的67%，每天消费高达20亿杯之多[2].茶叶中不仅富含有助于延缓衰老、降低心脏病和冠心病等对人体有益的活性成分，而且还富含矿质元素.在众多的矿质元素中，有些元素(如铜、铁、锰、锌等)可维持人体免疫系统、骨骼健康和神经功能[3]，而有些元素(如镉、铅和汞等)则可抑制血红素和细胞色素的生成，对肾、脑、骨骼、血液等产生毒性并致癌[4].近年来，随着人类活动的加剧和生活水平的提高，消费者对茶叶矿质元素含量的关注度逐年上升，许多国家均颁布了限定茶叶中金属元素含量的相关标准[5].

目前，绝大部分关于茶叶中有毒有害元素的限量标准均仅规定了该元素在茶叶中总量的限定值，实际上，饮用茶汤依然是其主要的食用方式.基于此，研究者对茶叶和茶汤中矿质元素的饮用风险进行了大量的评估.Idrees等[4]对开伯尔-普赫图赫瓦的市售茶叶进行健康风险评估.结果显示茶叶中铜的估计日摄入量(estimated daily intake，EDI)值高于口服参考剂量(reference dose，RfD)值，表明该些市售茶叶存在着潜在的健康风险.Pourramezani等[6]对印度红茶和斯里兰卡红茶的健康风险进行了评价.结果表明，与斯里兰卡红茶相比，印度红茶的目标危险系数(target hazard quotient，THQ)和危险指数(hazard index，HI)值更高.缪德仁等[7]对云南凤庆茶叶中铜、铅、锌、镉、铬和砷的健康风险进行了评估.结果表明，凤庆茶叶中各重金属元素EDI的平均值由大到小的顺序为：EDI(Zn)>EDI(Cu)>EDI(Cr)>EDI(Pb)>EDI(As)，各重金属元素的HI均小于1，无健康风险.需要指出的是，茶叶重金属含量的健康风险评估是一项复杂的任务，需要综合考虑消费模式、消费频率、浸出率、人口统计和接触时间等各种因素.

茶叶中矿质元素的可浸出量是衡量茶叶的营养价值和健康风险评估的重要指标.基于此，目前国内外研究者在茶叶中矿质元素的浸出特征方面进行了大量的研究.彭群华等[8]对市售冷泡茶中主要品质成分的浸出规律进行了研究.结果表明，冲泡方式显著影响着茶多酚、氨基酸和咖啡碱的溶出.刘锐[9]对浸泡温度的影响进行了分析，结果表明，浸泡温度对金属元素溶出量的影响不一.段晓艳等[10]对浸泡时间进行了分析，结果表明，茶汤中Co，Fe，Ni和Sr的浓度与浸泡时间呈正相关，Cu与浸泡时间呈负相关，而Cr，Pb和Zn与浸泡时则无明显的相关性.总体而言，浸泡次数、浸泡时间、浸泡温度等均对矿质元素的浸出具有一定的影响，但不同元素的影响不一，这主要与各元素在茶叶中的赋存形态有关.根据相似相溶原理，小极性提取剂可有效提取小极性类化合物，强极性提取剂可有效提取中-强极性化合物，而水及盐类水溶液则可有效提取离子型/态等水溶性物质.目前鲜见有关采用不同极性提取剂对茶叶中矿质元素的提取率进行研究的相关报道.实际上，查明茶叶矿质元素在不同极性提取剂中的浸出特征可为其在茶叶中的赋存形态研究提供理论支持[11].基于此，本研究选取正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水为提取剂，对云南大叶种茶叶中的Al、As、B、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Zn和Ge的提取特征进行研究，以期为该些元素在茶叶中的赋存形态研究提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 茶叶样品的采集及制备

本研究以2022年10月采集自云南临沧大田河茶园(99°59′21″E；23°50′26″N)的茶叶鲜叶(一芽二至三叶)为研究对象.茶叶鲜叶经清洗(自来水)、烘干(60 ℃)并研磨至全部过20目尼龙孔筛.茶叶中的矿质元素含量采用微波消解-ICP-MS进行测定[12]，供试茶叶中矿质元素的含量列于表1之中.

表1 供试茶叶中矿质元素的含量 mg/kg

1.2 矿质元素的浸提

本研究选取极性不同的正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水为提取剂，具体提取步骤为：准确称取 50.000 g 茶叶样品于索氏提取器(配 1 L 接液圆底烧瓶)的提取筒(内置纤维滤筒)中，依次分别采用 700 mL 的浸提剂(正己烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇和水)进行连续加热回流-虹吸提取至索氏提取装置内溶液为无色(6～8 h)，提取液分别经浓缩-蒸干(旋转蒸发)、烘干(60 ℃)后称量所得提取物的质量(差减法)，将干燥提取物研磨至过100目尼龙孔筛后贴标备用.

准确称取0.1～0.2 g 提取物质于微波消解罐中，分别加入 8 mL 浓HNO3和 2 mL H2O2(30%)，进行消解并定容至 10 mL 后采用ICP-MS对各矿质元素进行测定[12].

本研究所用提取剂均为色谱纯，若无特别说明，其余试剂均为优级纯，实验用水为超纯水.由于标准物质的缺乏，本研究并未采用相关的茶叶标准物质对分析质量进行控制.每一实验均重复3次，实验结果表示为平均值.

2 结果与讨论

2.1 不同提取剂提取物的质量和提取率

采用不同极性提取剂对茶叶样品进行索氏提取，提取物的质量和提取率汇总于表2之中.

提取结果表明，经正己烷、三氯甲烷和丙酮对 50.00 g 茶叶提取后，获得提取物干燥后的质量分别为 1.144 9，1.259 3，1.571 9 g，提取率分别为2.29%、2.52%和3.14%，表明茶叶中可溶于小极性有机溶剂的化合物含量相对较低.而经乙酸乙酯、甲醇和纯水提取后，获得提取物干燥后的质量分别为 5.824 5，5.230 9，5.070 0 g，提取率分别为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黄酮类和多酚类物质.在本研究中，乙酸乙酯对茶叶的提取率高达11.65%，远高于正己烷和三氯甲烷，这主要是由于茶叶中茶多酚的含量较高所致[3].大极性提取剂(醇类和水)主要提取植体内呈溶解状态的无机盐和氨基酸盐[14].在本研究中，甲醇和水对茶叶的提取率高达20%以上(表2)，表明大叶种茶叶提取物的主要成分是无机盐和氨基酸盐.总体而言，随着提取剂极性的增大，其对茶叶的提取能力也逐渐增强.

表2 不同提取剂提取物的质量和提取率

2.2 不同极性提取剂对矿质元素的提取率

采用微波消解-ICP-MS测定方法对不同极性溶剂提取物进行消解测定并计算各矿质元素的提取率，结果如表3所示.

连续提取结果表明，茶叶中各矿质元素的总提取率由高到低的排序为：Pb>Zn>Cr>Ni>Cd>B≈As>Sb>Cu>Al>Ge>Mn，这与王宝森等[15]的研究结论基本一致.研究[16]表明，沸水对茶叶中Mn、Zn和Cu的浸出率分别在17.00%～61.34%、19.39%～48.80%和6.21%～78.11%之间，不同茶叶中矿质元素的浸出率差异较大，茶叶种类、浸提温度，固液比、浸出时间等因素均影响着茶叶中矿质元素的浸出率.在本研究中，尽管Mn和Al的浸出率较低(分别为9.02%和22.53%)，但茶叶中Mn和Al的含量较高(表1)，因此浸出液中Mn和Al的含量也相对较高.

比较而言，Cr、Ni、Cd、B、A、Sb、Cu、Al、Ge和Mn在甲醇和水中的浸出率均远高于正己烷和三氯甲烷，说明该些元素在茶叶中主要以溶解状态的无机盐和氨基酸盐为主；茶叶中Zn的总提取率较高(93.33%)，且不同提取剂的提取率变化不大(除水外)，表明茶叶中的Zn极易被提取出来.分析认为，这主要与Zn的金属活性和其对茶树生长的必需性有关.然而，Pb在小极性和中等极性(乙酸乙酯和丙酮)中的提取率远高于大极性浸提剂，说明Pb在茶叶中主要以黄酮类和多酚类结合态为主，这主要与Pb对茶树的毒性有关[14].

2.3 矿质元素在茶叶中的赋存形态分析

茶叶中矿质元素对不同极性提取剂的响应反映出其赋存形态的差异.通常认为，小极性提取剂可有效提取植物中小极性类化合物，大极性提取剂则可有效提取植物中大极性化合物[13].基于此，本研究将正己烷+三氯甲烷、乙酸乙酯+丙酮、甲醇+水提取的矿质元素赋存形态分别定义为小极性态、中等极性态和强极性态，而未提取出的部分则定义为残渣态.依据浸提结果对各矿质元素在茶叶的赋存形态进行计算，结果如图1所示.

结果表明，各矿质元素小极性态的分布比例由高到低的排序为：Pb>As>Zn>Cr>Cd>Sb>Cu>Ni>Ge>B>Al>Mn；中等极性态分布比例较高的是Pb和Cd，较低的是Mn和Al；强极性态分布比例较高的是B和Cr，较低是Mn；残渣态分布比例较高的是Mn和Ge，较低的是Zn.

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[17].通常认为，小极性提取剂提取物以烯烃、烷烃、萜类等小极性有机物为主的，强极性提取剂提取物以多糖、皂苷、无机盐、氨基酸盐以及水溶性有机酸盐等为主，活性较大；而残渣态则难以迁移，活性和毒性均较低[18].研究[19]表明，不同植体中矿质元素的赋存形态比例不一.如Pb在巴戟天中以结合态为主，在中草药(密蒙花、合欢等)中，Zn和Cu则以残渣态为主，而小极性态含量最低；而在琐阳水提液中，Cu、Zn、Fe、Cd和Mn则是以某种形态为主，多种形态共存的混杂体系.显然，矿质元素在植体中的赋存形态比例不仅与其自身性质有关而且还与植体的特性有关.在本研究中，Pb在小极性态和中等极性态中的分布比例最高，而Pb和Zn在残渣态中的分布比例较低，这可能与Zn的活性较高和Pb对茶树的毒性较大有关.

锗既非植物必需营养元素也非环境剧毒元素，但有机锗却具有较高的活性[20].在本研究中，残渣态锗的分布比例较高(80.76%)，表明茶叶中锗的活性态含量较低.需要指出的是，本研究采用不同极性提取剂对茶叶中的矿质元素进行连续提取(索氏提取)，提取的温度低于沸水，而在日常饮茶过程中，茶汤的冲泡温度则较高[21].因此，本研究提取出的非残渣态锗的比例应低于茶汤.关于锗在茶叶中赋存形态的详细信息，有待进一步深入研究.