鄭功宇,陳壽松,2,蘇培凌,李丹
(1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院,福建 福州 350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)茶葉研究所,福建 福州 350002)
鋁(Al)在地殼中的含量僅次于氧和硅,是地殼中含量最豐富的金屬元素,含量高于 7%。鋁的產(chǎn)量和用量(按噸計算)僅次于鋼材,是人類應(yīng)用的第二大金屬,也是應(yīng)用最多的有色金屬。鋁具有生物毒性,溶于強酸強堿溶液不溶于水,在人體內(nèi)具有積累性。研究表明:人體內(nèi)鋁的過多積累會引起中樞神經(jīng)功能紊亂、神經(jīng)障礙[1]和神經(jīng)慢性中毒[2-3],影響大腦的發(fā)育[4],導(dǎo)致體內(nèi)元素的失衡[5],減少血液中谷胱甘肽的水平[6],還可抑制免疫系統(tǒng)的功能[3]等。
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的評估,規(guī)定鋁的每日攝入量為0~0.6 mg/kg,這里的kg是指人的體重,即一個60 kg的人一天允許攝入量為36 mg。在我國《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)GB2760-2011》中規(guī)定,鋁的殘留量要≤100 mg/kg。茶樹喜生于酸性富含大量可給態(tài)鋁的土壤中,茶樹葉片中鋁含量可達5~16 g/kg,遠遠高于一般的糧食和飼料作物中 200 mg/kg的平均含量[7]。茶葉產(chǎn)品中鋁含量為224~2633 mg/kg,茶湯中檢測到的鋁含量為 0.703~5.931 mg/L,只要人日均飲茶量不超過10 L,就不存在Al的安全隱患[8]。
本文主要介紹鋁在茶樹體內(nèi)的含量與分布情況,從茶樹對鋁的吸收與運輸途徑來了解茶樹富鋁、耐鋁的特性,重點分析了鋁對茶葉主要品質(zhì)化學(xué)成分產(chǎn)生的影響,并對今后在茶葉中鋁的研究內(nèi)容提出展望。
茶樹體內(nèi)的鋁大多以有機態(tài)或螯合態(tài)的形式存在,例如 Al-F、Al-檸檬酸鹽、Al-草酸鹽等,通過這種絡(luò)合作用來降低鋁的活性,達到抗鋁和耐鋁的效果。但是鋁在茶樹體中具體以何種絡(luò)合物而存在,不同研究學(xué)者間存在較大的異議,這可能與茶樹品種、生長條件、樣品溶液pH值以及檢測方法之間的差異有關(guān)[9]。
茶樹中鋁的含量受到土壤類型、茶樹品種、茶樹器官部位、茶樹生長周期、種植年限、地理位置、季節(jié)變化、茶園管理、外源鋁等多因素的影響[9-11]。茶樹體內(nèi)平均鋁的含量>1500 mg/kg[12],有些老葉中鋁含量甚至可達30000 mg/kg[9]。茶樹體內(nèi)的含鋁量通常是隨著樹齡的增大而增大,同齡茶樹含鋁量依次是夏季>秋季>春季[10];在茶樹生長季節(jié),芽葉越嫩,含鋁量越低,同等嫩度的鮮葉中的鋁含量依次是秋茶>夏茶>春茶[12]。
一般情況下,鋁含量在茶樹不同部位之間的分布依次為:落葉>成熟葉(老葉)>根系>樹枝>嫩葉[8,12]。茶樹老葉對鋁具有高積累性,但當(dāng)處理的鋁濃度過大(Al3+>2 mmol/L)時,根部總鋁含量超過老葉[9]。在茶樹根尖細胞中各細胞器的含鋁量為:細胞壁>細胞質(zhì)>細胞核>線粒體,并且在細胞核中的鋁含量最為穩(wěn)定,細胞壁中的鋁含量變化較大[14]。在茶樹的生長發(fā)育過程中,鋁被根系吸收,經(jīng)過一定的生理作用后主要運往葉片,并積累在葉表皮和柵欄組織的細胞壁[10,15]。
茶園土壤中無機鋁的形態(tài)與酸堿性密切相關(guān),當(dāng)在pH<4.7時,A13+占優(yōu)勢;當(dāng)4.7<pH<6.0時,Al(OH)2+較多[16]。研究表明:隨著pH增加,交換性鋁含量急劇減少;在茶園土壤與自然土壤的對比中發(fā)現(xiàn),交換性鋁呈現(xiàn)累積效應(yīng),而交換性Ca2+、Mg2+明顯下降;氮素營養(yǎng)對于茶樹根際鋁的變化影響顯著,向茶樹提供NH4+-N時,交換性鋁顯著增加[16]。在鈣鋁交互作用下,使用外源有機質(zhì)可使茶園土壤活性鋁含量增加[17]。
鋁主要存在于土壤的固相部分,以硅酸鹽、鋁氧化物和鋁的氫氧化物等形態(tài)存在,按照傳統(tǒng)分類,土壤固相鋁可以分為交換性鋁、有機絡(luò)合態(tài)鋁、無定形鋁和游離氧化鋁。交換性鋁是指土壤黏粒表面以靜電引力吸附又能被中性鹽(如 KCl或者BaCl2)提取的鋁。交換性鋁是酸性土壤中常見的交換性陽離子,是土壤交換性酸度和土壤pH的決定性因素,也是土壤各種形態(tài)鋁轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)[11]。
鋁元素可與不同種元素形成絡(luò)合物,使茶樹對鋁的吸收主要存在兩種觀點:一是鋁與氟形成絡(luò)合物,以A1-F絡(luò)合離子形式被茶樹同時吸收;二是鋁與磷具有“磷泵”的作用,以 Al/P摩爾比為 1或一定比例的 A1-P絡(luò)合物形式被茶樹吸收。一般認為這兩種吸鋁機制在茶樹體內(nèi)同時存在,而以磷、鋁呈一定比例絡(luò)合被茶樹吸收為主要吸鋁途徑。因為 N、P、K為茶樹的主要必需營養(yǎng)元素,茶樹在生長過程中,必須從土壤中不停地吸取磷元素,這樣鋁元素就相應(yīng)地被一并吸入茶樹內(nèi),這也可能是茶樹含鋁量高的另一原因之一[12]。茶樹根系對鋁的吸收表現(xiàn)為可飽和特性,開始l h的快速吸收過程,而后轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛奈誟16]。在不同茶樹品種間,鋁對其根系活力、質(zhì)膜透性、丙二醛(MDA)含量和過氧化物酶活性等的影響存在差異性[18]。
土壤中的有機質(zhì)、酸堿度(pH)、總鉀和有效鉀、全鋁和有效鋁都對茶樹各部位鋁的累積產(chǎn)生較大影響,但只有土壤pH值對鋁在茶樹體內(nèi)向幼葉部分的轉(zhuǎn)移和累積影響達到顯著程度[19],幼葉鋁含量與土壤 pH之間的相關(guān)系數(shù)r=0.772,呈顯著正相關(guān)(P<0.05)[13]。
鋁元素對于茶樹的作用主要表現(xiàn)在以下四個方面:茶樹的生長發(fā)育,茶樹對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收,茶樹的生理活動和茶葉品質(zhì)。其中對于前三者的影響規(guī)律基本一致,都遵循低量適量促進、過量抑制的原則。即適宜濃度的鋁促進茶樹根莖葉等的生長發(fā)育,促進對 N、P、K、Mn、B、Fe、Mg等的吸收,以及提高茶樹的生理活動和抗性,而當(dāng)鋁過量時就會形成抑制作用,甚至是毒害作用[20-21]。鋁對于茶葉品質(zhì)的影響規(guī)律與之基本相符,具體研究如下。
在鄭偉偉[22]的溶液培養(yǎng)法試驗中發(fā)現(xiàn),茶多酚質(zhì)量分數(shù)都以50 mg/L處理最高,100 mg/L和10 mg/L的處理次之,表明鋁處理可促進茶多酚質(zhì)量分數(shù)的提高。在楊凌云的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn),土壤施鋁肥和葉面噴施鋁肥都可以使茶葉中的茶多酚含量明顯升高[23]。在王小平的營養(yǎng)液栽培試驗中,鋁濃度在30~90 mg/L之間對茶葉茶多酚含量的提高有作用,當(dāng)鋁濃度超過90 mg/L時引起抑制作用,并且鋁與氟的交互處理,對于茶多酚的形成產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),但也由于不同比例、不同茶樹品種而存在差異[24]。而在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在同一模擬酸度下,隨著鋁處理濃度的提高,茶多酚的含量先增加后下降。在pH4.0鋁處理濃度為10 mg/L時茶多酚的含量達到最大值。雙因素方差分析表明,模擬酸雨和鋁對茶葉茶多酚含量具有顯著的交互作用(F6,12=34.76,P<0.001)。可見,適中的酸度(pH4.0)和適量的鋁濃度(10 mg/L)能提高茶葉茶多酚的含量。在鈣鋁調(diào)控中,適量鋁(10或 20 mg/L)促進茶多酚的合成,并在高濃度的鋁條件下添加鈣效果顯著[25]。在馬小雪[11]的茶園土壤鋁交換性含量與茶葉品質(zhì)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),茶多酚含量與交換性鋁含量呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.7655。而在自然茶園土壤條件下添加外源鋁往往會引起茶多酚含量的下降。在Napaporn Sae-Lee[26]研究中發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中施用500 mg/L比50 mg/L鋁對于茶多酚含量提高效果更為顯著,但是總體效果都不是很理想。
因此,適宜濃度的鋁有利于茶葉中茶多酚含量的增加,但是 A1具體濃度的確定,還需考慮到具體試驗材料、試驗方法的差異性以及不同茶樹品種、不同土壤環(huán)境、不同氣候條件等影響因素。
兒茶素的合成途徑,一是由莽草酸和乙酸,幾經(jīng)中間產(chǎn)物而合成;二是由茶氨酸在光照條件下降解產(chǎn)生乙酸,進而合成。14C-茶氨酸標(biāo)記物試驗表明,鋁參與茶氨酸轉(zhuǎn)化合成兒茶素的過程。有試驗表明,在茶葉采摘之前或加工過程中,噴灑或添加無毒鋁鹽,可以增強紅茶的湯色和香氣[27]。在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在各模擬酸度下,隨鋁處理濃度的增加,茶葉兒茶素含量先增加后減少,在10 mg/L鋁濃度下兒茶素的含量最高。在鋁處理濃度為30 mg/L時,各模擬酸度下均達到最低且含量沒有明顯差異,表明此鋁濃度對兒茶素的抑制作用處于主導(dǎo)作用。在Napaporn Sae-Lee[26]研究中發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中施用50 mg/L比500 mg/L鋁對于兒茶素含量提高效果更為顯著。
在鄭偉偉[22]的溶液培養(yǎng)法試驗中發(fā)現(xiàn),鋁 10 mg/L質(zhì)量濃度下咖啡堿質(zhì)量分數(shù)在各處理中最高,10和 50 mg/L鋁處理也可以提高咖啡堿的質(zhì)量分數(shù),但是100 mg/L的鋁質(zhì)量濃度下會引起咖啡堿的減少。在楊凌云的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn),土壤施鋁肥和葉面噴施鋁肥都可以使茶葉中的咖啡堿含量明顯升高[23]。在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在同一模擬酸度下,隨著鋁處理濃度的增加,咖啡堿的含量先增加后下降,在各個模擬酸度下,在10 mg/L鋁處理下咖啡堿的含量最高。在鈣鋁調(diào)控中,適量鋁(10或20 mg/L)促進咖啡堿的合成,并在高濃度的鋁條件下添加鈣效果顯著[25]。在馬小雪的茶園土壤鋁交換性含量與茶葉品質(zhì)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),咖啡堿含量與交換性鋁含量呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.8898。而在自然茶園土壤條件下添加外源鋁往往會引起咖啡堿含量的下降[11]。
在鄭偉偉[22]的溶液培養(yǎng)法試驗中發(fā)現(xiàn),氨基酸質(zhì)量分數(shù)的變化與咖啡堿變化呈相同趨勢,10~50 mg/L提高茶葉的氨基酸質(zhì)量分數(shù)。在楊凌云的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn),土壤施鋁肥和葉面噴施鋁肥都可以使茶葉中的氨基酸含量明顯升高[23]。在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在同一模擬酸度下,與無鋁處理相比,10 mg/L鋁處理茶葉中氨基酸含量明顯增加,然后隨著鋁處理濃度的增加,稍有下降,但下降幅度不明顯,表明適量鋁處理可增加茶葉氨基酸含量。在鈣鋁調(diào)控中,適量鋁(10或20 mg/L)促進氨基酸的合成,并在高濃度的鋁條件下添加鈣效果顯著[25]。在馬小雪的茶園土壤鋁交換性含量與茶葉品質(zhì)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),氨基酸含量與交換性鋁含量呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.8773。而在自然茶園土壤條件下添加外源鋁往往會引起氨基酸含量的下降[11]。在Napaporn Sae-Lee[26]研究中發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中施用50 mg/L比500 mg/L鋁對于脯氨酸含量提高效果更為顯著,但是總體效果都不是很理想。
在鄭偉偉[22]的溶液培養(yǎng)法試驗中發(fā)現(xiàn),不同質(zhì)量濃度的鋁對維生素C 質(zhì)量分數(shù)影響很小,10和50 mg/L鋁處理也可以提高維生素C的質(zhì)量分數(shù),但是100 mg/L的鋁質(zhì)量濃度下會引起維生素C的減少。而在Napaporn Sae-Lee[26]研究中發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中施用 500 mg/L鋁能顯著提高維生素C的含量。
在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在各模擬酸度下,隨著鋁處理濃度的增加,茶葉黃酮的含量先增加后下降,表明適量的鋁可以促進茶葉黃酮的合成。在鈣鋁調(diào)控中,適量鋁(10或20 mg/L)促進黃酮類化合物的合成,并在高濃度的鋁條件下添加鈣效果顯著[25]。
在楊凌云的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn),土壤施鋁肥和葉面噴施鋁肥都可以使茶葉中的可溶性總糖含量明顯升高[23]。在段小華[20-21]的試驗中發(fā)現(xiàn),在各模擬酸度下,隨著鋁處理濃度的增加,茶葉可溶性總糖的含量先增加后下降,表明適量的鋁可以促進茶葉可溶性總糖的合成。在鈣鋁調(diào)控中,適量鋁(10或20 mg/L)促進可溶性總糖的合成,并在高濃度的鋁條件下添加鈣效果顯著[25]。在馬小雪的茶園土壤鋁交換性含量與茶葉品質(zhì)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn),可溶性糖含量與交換性鋁含量相關(guān)性不明顯[11]。
在紅茶香氣的形成過程中 P、Mg、Ca等礦質(zhì)營養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用[28]。鋁對于茶樹吸收P、Mg等元素具有促進作用[20],二者含量的提高有利于紅茶香氣的形成。而在李海生[29]等人的不同鋁水平下茶對鋁及礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收與累積試驗發(fā)現(xiàn),鋁對茶苗營養(yǎng)元素Ca、K、Mg的吸收影響不大,對P的吸收有所促進,在一定程度上體現(xiàn)出茶樹植物對鋁的耐性。總之,茶樹對鋁的吸收促進了P元素含量的增加,這在一定程度上促進了紅茶特征香氣的形成。并且由于兒茶素類是構(gòu)成茶葉色香味的主要成分[27]。因此鋁在促進兒茶素類含量提高的同時必然會促進茶葉香氣的形成。
早在梁宇成[30]的研究中就發(fā)現(xiàn)鋁具有提高葉綠素 a和葉綠素 b含量的作用。在 Napaporn Sae-Lee[26]研究中發(fā)現(xiàn)在茶園土壤中分別施用50mg/L和500 mg/L濃度鋁都能顯著提高葉片中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的含量。四者含量隨生長時間的延長,均具有先增高后降低的總體變化趨勢,且均以90d左右達到最高值,而500 mg/L高濃度鋁的促進效果明顯更佳。而在于翠平等人[31]的研究發(fā)現(xiàn),適量的鋁對于葉片中的葉綠素 a、b總量有明顯促進作用,但過量鋁會引起葉綠素a含量的降低,并且鋁的最佳濃度因茶樹品種的不同而具有較大的差異。因此適宜濃度的鋁促進茶葉中葉綠素的合成,而濃度過高時會引起葉綠素a含量的降低。對于不同品種茶樹的適宜鋁濃度有待進一步的研究。
低濃度的鋁處理(10 mg/L)降低茶樹的丙二醛含量,促進茶樹過氧化物酶、過氧化氫酶活性和游離輔氨酸含量增加;而高濃度的鋁處理(100 mg/L)降低過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性,提高了丙二醛含量[32]。對于茶樹耐鋁的臨界值和抗鋁的機理有待于更進一步的研究,有利于耐鋁植物的培育和發(fā)現(xiàn)[11,14,32]。如何應(yīng)用現(xiàn)代分子生物學(xué)的先進技術(shù)和研究方法進行茶樹耐鋁抗鋁性基因片段的確定與克隆,或是如何進行相關(guān)性蛋白質(zhì)的提取研究,都是實現(xiàn)茶樹耐鋁抗鋁機理衍生應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
目前國內(nèi)研究中茶葉受鋁影響的主要化學(xué)成分有:茶多酚、兒茶素、咖啡堿、氨基酸、黃酮類化合物、可溶性總糖、維生素C、葉綠素、茶葉香氣等。并且基本遵循,“微量、適量促進,過量抑制”的規(guī)律。但是對于各成分中鋁的適量值在各研究不盡相同,有必要通過更加微觀更加直接的研究方法開展鋁元素在茶樹體內(nèi)跟蹤標(biāo)記的研究,并且確定出有利于茶葉主要化學(xué)成分形成的適宜范圍。為研究鋁元素在茶樹體內(nèi)參與的生理生化過程做基礎(chǔ)。
國內(nèi)各地的主產(chǎn)茶類具有較大的差異性,不同地區(qū)主要研究各自主產(chǎn)茶類受到鋁的影響。對于紅茶與鋁的研究中發(fā)現(xiàn)二者呈正相關(guān)[28];烏龍茶中含鋁與茶葉品質(zhì)呈負相關(guān),隨著等級下降,鋁含量呈增加趨勢[10];而對于綠茶的研究中促進、抑制作用都有發(fā)現(xiàn)。因此,有必要在同一水平條件下對不同茶類品質(zhì)形成與鋁元素的關(guān)聯(lián)性展開全面、系統(tǒng)的研究。探明鋁在符合不同茶類品質(zhì)特征中的適宜量,并進行有效控制措施的研究與應(yīng)用。
目前茶葉中對于鋁的研究主要集中茶園土壤、茶樹、葉片等方面,而對于人們所擔(dān)憂的飲茶造成攝入鋁過量問題的研究太少。在一些研究學(xué)者的試驗中發(fā)現(xiàn),在茶湯中的鋁主要以氟鋁絡(luò)合物狀態(tài)存在,對人體健康沒有影響[10]。但也有學(xué)者指出每日飲用量大于700 ml則都可能超過標(biāo)準(zhǔn),尤以磚茶最為明顯,可能對人體造成潛在的損害[33]。因此有必要對于不同茶葉在茶湯中的鋁浸出率、人體對于鋁的吸收率等展開深入細致的研究,確保飲茶對人體安全性的準(zhǔn)確評估,消除大眾心中的疑慮。
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