Factors Affecting Iron and Manganese Contents of Tea leaves and Plantation Soil in Central Fujian
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摘要: 通过实地调查，采集了闽中大田县25个茶园表层土壤、4个剖面土壤样品及相应的茶叶样品（一芽二叶），分析了茶园土壤和茶叶的铁锰含量、剖面分布特征及其影响因素，结果表明：大田县茶园土壤全铁、有效铁、全锰和有效锰含量均值分别为61.08 g·kg-1、144.42 mg·kg-1、258.97 mg·kg-1和33.72 mg·kg-1，全铁和有效铁含量丰富，而全锰和有效锰含量较低，约50%茶园土壤存在缺锰现象；茶园土壤全铁剖面分布不明显，但在20~40 cm土层出现富集现象；有效铁、全锰和有效锰含量随土层深度增加呈现下降趋势；土壤有机质、pH值、全磷和速效磷含量是影响茶园土壤全铁和有效铁含量的主要因素，土壤全锰和有效锰则与土壤有机质和pH值关系密切。茶叶中铁平均含量为164.52 mg·kg-1，锰平均含量为849.73 mg·kg-1，茶叶对锰的富集系数远高于铁；茶叶铁含量与土壤有效铁含量呈显著正相关；茶叶锰含量与土壤全锰和有效锰含量均呈显著正相关；茶叶对铁、锰的富集能力随着土壤铁、锰含量的升高而降低。Abstract: From a field survey at 25 plantations in Datian County, the iron and manganese contents in layers of soil and one-bud-2-leaves from the bushes grown on same sampling spots were determined. The distribution and factors affecting the variations on the mineral contents were analyzed.The average contents of total iron, available iron, total manganese and available manganese in the soil were 61.08 g·kg-1, 144.42 mg·kg-1, 258.97 mg·kg-1 and 33.72 mg·kg-1, respectively. The soil in the region were relatively rich in total and available iron, but low in those of total and available manganese.Nearly half of the soils sampled in the region was considered deficient in manganese. There was no significant difference in total iron in the 0-60 cm layer but richly accumulated in 20-40 cm.The available iron as well as the total and available manganese in soil decreased with depth below the surface.In the soil, the organic matters, pH, total and rapidly available phosphorus were important factors affecting the iron content; whereas, the total and available manganese closely related to the organic matters and pH. The average iron and manganese contents in the tea leaves were 164.52 mg·kg-1 and 849.73 mg·kg-1, respectively, and the accumulation coefficient of manganese was much higher than that of iron. The iron content in the tea leaves significantly correlated with the available iron in soil, while the manganese content with the total and available manganese in soil. The iron and manganese accumulation coefficient in the leaves decreased with increasing mineral contents inthe soil.
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果葡糖浆，又名高果糖浆、异构糖浆，是一种葡萄糖和果糖含量较高的黏稠液体，具有甜度高、风味好、安全卫生、易于调配、使用便捷等特点，作为一种甜味剂被广泛添加到碳酸饮料、果汁饮料、面包、月饼、饼干、冷冻食品中[1-4]。目前工业上主要以玉米淀粉为原料生产果葡糖浆，近年来开始探索选用木薯、马铃薯、高粱、番茄酱、香蕉、菊芋等[3-11]为原料制备果葡糖浆的研究。果葡糖浆制备过程中的关键化学变化为淀粉水解为葡萄糖和葡萄糖的异构化，主要方法有酶水解、酸水解、葡萄糖异构酶法等[4, 12-13]。研究表明龙眼果肉中含有丰富的可溶性糖，其含量为9.13%~19.47%，平均含量为14.93%[14]。可溶性糖主要是由葡萄糖、果糖、蔗糖等3种糖组成[14-16]。结合龙眼含糖量高和成分简单、明确的特点，本研究以龙眼果汁为原料，经过除蛋白、酶解、异构化等过程制备果葡糖浆，为拓宽龙眼的高效加工利用提供参考。
1. 材料与方法
1.1 材料与试剂
福眼龙眼由福建省南安农场提供。
蔗糖水解酶、葡萄糖异构酶购于河南圣斯德实业有限公司；水杨酸(化学纯)、葡萄糖、果糖、乙酸钠、邻联甲苯胺、无水乙醇、半胱氨酸盐酸盐、氢氧化钠、丙三醇、盐酸等均为分析纯，以上药品购于国药集团化学试剂有限公司；咔唑、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶等购于美国Sigma公司。
1.2 仪器与设备
西屋加热型多功能破壁料理机、Neofuge 18R台式高速冷冻离心机、T6新世纪紫外可见分光光度计、BSG12型电热恒温水浴锅、BSA电子分析天平、PHB-3酸度计、TD-45数字折射仪。
1.3 工艺流程
新鲜龙眼→去壳→果肉榨汁→离心收集上清液(5000 r⋅min 1.4 检测方法
葡萄糖含量的测定：参照GB/T16285-2008酶-比色法，校准曲线的回归方程为y=1.5301x+0.028(R2=0.9976)(y为葡萄糖含量，x为吸光值)；果糖含量的测定：参照GB/T 23533-2009固定化葡萄糖异构酶制剂，校准曲线的回归方程为y=44.22x-0.6491(R2=0.9975)(y为果糖含量，x为吸光值)；蔗糖含量的测定参照3，5-二硝基水杨酸法[17]，校准曲线的回归方程为y=6.2266x+0.1231(R2=0.9997)(y为葡萄糖含量，x为吸光值)。
1.5 试验设计
1.5.1 酸解除蛋白条件的优化
在单因素试验的基础上，笔者选取影响酸解除蛋白效果较明显的可溶性固形物、柠檬酸、加热时间、加热温度等因素进行4因素3水平的正交试验(表 1)，以理论(果糖+葡萄糖)值作为指标确定最优的酸解除蛋白条件。
表 1 酸解除蛋白的正交试验因素水平Table 1. Factors and levels of orthogonal test for juicede proteinization水平 可溶性固形物含量/% 柠檬酸添加量/% 加热时间/min 加热温度/℃ 1 25 0.08 20 70 2 30 0.12 40 80 3 35 0.16 60 90 理论(果糖+葡萄糖)值=果糖含量+葡萄糖含量+蔗糖含量×2
1.5.2 蔗糖酶解条件的优化
在单因素试验的基础上，本研究选取了酶解温度、酶用量、酶解时间等3个因素进行三因素三水平的正交试验(表 2)，以果糖的得率为指标确定适宜的酶解条件。
表 2 蔗糖酶解的因素水平Table 2. Factors and levels of orthogonal test for enzymatic hydrolysis of sucrose in juice水平 酶解温度/℃ 酶用量/g 酶解时间/h 1 50 0.5 1 2 55 1.0 2 3 60 1.5 3 1.5.3 葡萄糖异构条件的优化
调节龙眼果汁的pH值8.0±0.2，每克葡萄糖分别添加0.08、0.1、0.2、0.4、0.6 mg的葡萄糖异构酶，60℃下异构处理30、60、90、120 min(表 3)，测定龙眼果汁中的果糖含量，根据果糖的含量选择适宜的异构条件。
表 3 葡萄糖异构后果糖的含量Table 3. Fructose contents after glucose isomerization异构时间/min 葡萄糖异构酶添加量/(mg·g-1) 0.08 0.1 0.2 0.4 0.6 30 18.81 23.35 22.55 22.82 22.69 60 22.96 27.71 29.24 28.26 28.09 90 15.05 20.28 20.15 20.16 19.15 120 11.20 18.04 17.53 16.15 16.10 1.6 数据处理
数据处理使用Excel2010和DPS软件。
2. 结果与分析
2.1 龙眼果汁中的营养成分指标
研究结果显示：龙眼果汁中的可溶性固形物含量为(16.1±0.3)%，其中蔗糖、果糖、葡萄糖含量分别为(9.10±0.68)%、(2.23±0.20)%、(1.72±0.29)%，糖类物质占可溶性固形物含量的81.08%。由于龙眼果汁中糖类物质含量较高，且成分简单明确，所以龙眼果汁是制作果葡糖浆的理想原料之一。
2.2 酸解除蛋白条件的确定
通过极差法分析试验结果显示(表 4)，可溶性固形物含量(A)是影响酸解除蛋白条件的最重要因素，其次为时间(C)、温度(D)，柠檬酸添加量(B)的影响最小，即A＞C＞D＞B；最优的组合为A2B2C3D2，即：可溶性固形物含量为30%，柠檬酸添加量0.12%，加热时间为60 min，加热温度为80℃。在该条件下，理论(葡萄糖+果糖)值为42.50%，仅比A2B2C3D1条件下的高0.73%，考虑生产中尽量减少能耗和降低高温条件下促进色素物质形成等多种因素，选择较优的酶解除蛋白组合为：可溶性固形物含量为30%、柠檬酸添加量0.12%、加热温度70℃，加热时间60 min。
表 4 酸解除蛋白的正交实验结果Table 4. Orthogonal experimental results on juice deproteinization试验号 A B C D 理论(葡萄糖+果糖)值/% 1 1 1 1 1 33.54 2 1 2 2 2 35.27 3 1 3 3 3 34.30 4 2 1 2 3 39.64 5 2 2 3 1 42.19 6 2 3 1 2 41.69 7 3 1 3 2 41.34 8 3 2 1 3 37.74 9 3 3 2 1 28.86 K1 103.11 114.52 112.97 104.59 K2 123.52 115.20 103.78 118.31 K3 107.94 104.86 117.83 111.67 R 20.41 10.34 14.05 13.72 2.3 酶解蔗糖条件的确定
蔗糖在蔗糖水解酶的作用下水解成一分子葡萄糖和一分子果糖，根据酶的特点结合单因素试验结果，本研究选择酶解温度(D)、酶用量(E)、酶解时间(F)3个因素进行正交试验。结果表明(表 5、6)：酶解时间对酶解作用的影响最大，且达到极显著差异水平，其次为酶用量，达到显著差异水平，酶解温度的影响最小。最优的酶解条件组合为D3E3F2，即在龙眼果汁中添加1.5%的蔗糖水解酶，60℃酶解2 h后果汁中的果糖含量达到(18.34±0.75)%。酶解前龙眼果汁中的蔗糖含量为(12.95±0.88)%，此时龙眼果汁中的蔗糖含量为(1.59±0.16)%，蔗糖的水解率达87.72%。
表 5 酶解蔗糖的正交试验结果Table 5. Orthogonal experimental results on enzymatic hydrolysis of sucrose in juice试验号 D E F 果糖含量/% 1 50 0.5 1 14.27±0. 70 2 50 1 2 15.81±1.17 3 50 1.5 3 16.80±0.36 4 55 0.5 2 16.30±0.63 5 55 1 3 15.15±1.02 6 55 1.5 1 13.56±1.05 7 60 0.5 3 15.93±0.78 8 60 1 1 13.75±0.36 9 60 1.5 2 18.34±0.75 k1 15.63 15.50 13.86 k2 15.01 14.91 16.82 k3 16.01 16.23 15.96 R 1.00 1.33 2.96 表 6 蔗糖酶解的正交试验方差分析Table 6. Variance analysis on orthogonal experimental results on enzymatic hydrolysis of sucrose变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 A 4.59 2 2.30 3.11 0.0667 B 7.97 2 3.99 5.41 0.0133 * C 41.67 2 20.84 28.24 ＜0.0001 ** 模型误差 3.07 2 1.54 2.36 0.3386 重复误差 11.69 18 0.65 合并误差 14.76 20 0.74 注：*表示差异达到显著水平(P＜0. 05)，**表示差异达到极显著水平(P＜0. 01)。表 8同。 表 8 字母标记表示葡萄糖异构试验结果Table 8. Using alphabetic flag on results of glucose isomerization处理 均值 A1 17.75bB A2 22.78aA A3 23.92aA A4 21.78aA A5 23.48aA B1 22.20bB B2 28.06aA B3 19.72cC B4 16.70dD 注：同列数据后不同大写字母表示差异达到极显著(P＜0. 01)，不同小写字母表示差异达到显著差异(P＜0.05)。 2.4 葡萄糖异构化条件的确定
葡萄糖异构化是果葡糖浆生产过程中的关键环节，在葡萄糖异构酶的作用下葡萄糖转化成果糖。利用DPS软件进行葡萄糖异构酶添加量、异构时间双因素无重复数据的(表 3)方差分析，结果显示(表 7)：酶添加量和异构时间对异构过程的影响均达到极显著差异水平。当葡萄糖异构酶的添加量为0.1 mg·g-1葡萄糖时，继续添加对异构化进程的影响不显著，所以葡萄糖异构酶的添加量为0.1 mg·g-1葡萄糖。随着异构时间的增加，果糖的含量呈现先升高后降低的趋势，在异构时间为60 min时，异构效果最好，与其他异构时间间均达到极显著差异水平(表 8)。所以确定最优异构条件为葡萄糖异构酶添加量为0.1 mg·g-1葡萄糖，异构处理60 min，果糖含量能达到(27.71±0.67)%。
表 7 葡萄糖异构化试验的方差分析Table 7. Variance analysis of glucose isomerization变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 酶添加量/A 82.23 4 20.80 24.87 ＜0.0001 ** 异构时间/B 403.11 3 141.40 155.99 ＜0.0001 ** 误差 11.15 12 0.93 总变异 513.23 20 经过浓缩处理后，龙眼果葡糖浆的可溶性固形物(干物质)含量≥65%，其葡萄糖+果糖占干物质含量的97.90%，果糖含量高于67.20%。
3. 讨论与结论
本研究首次选用龙眼果汁作为原料，经过酸化除蛋白、水解、异构化等过程制备果葡糖浆，获得的龙眼果葡糖浆的可溶性固形物(干物质)含量≥65%，其葡萄糖+果糖占干物质的含量≥97.90%，果糖含量≥67.20%，符合GB/T20882-2007中果葡糖浆干物质(固形物)含量高于≥63.0%，葡萄糖+果糖占干物质的含量≥92%，果糖占干物质的含量≥42%~44%的要求。其中最佳的酸解除蛋白条件是：在可溶性固形物含量为30%的龙眼果汁中添加0.12%的柠檬酸，70℃保温60 min，其理论(葡萄糖+果糖)值为42.19%。酶解龙眼果汁中蔗糖的最优操作是：在龙眼果汁中添加1.5%的蔗糖水解酶，60℃酶解2 h，处理后果汁中的果糖含量达到(18.34±0.75)%。在酶解后的龙眼果汁中的葡萄糖异构酶添加量为0.1 mg·g-1葡萄糖，60℃保温60 min后，果糖含量达到(27.71±0.67)%。
有关制备果葡糖浆的研究报道多是以淀粉糖作为原料[3, 5, 7, 11]，其蛋白质含量低，没有除蛋白的工艺流程。在龙眼果葡糖浆制备过程中，加热会导致蛋白质变性且悬浮在溶液中，不容易去除。本研究在龙眼果汁中添加一定量的柠檬酸促进变性蛋白质凝集，通过离心较易去除变性蛋白，使得龙眼果汁变得澄清透明。
美拉德反应又称羰氨反应，是羰基化合物(还原糖类)和氨基化合物(氨基酸和蛋白质)间反应生成棕色甚至黑色的大分子物质[18]。龙眼中含有丰富的氨基酸和蛋白质[19]，加上异构化处理后龙眼果汁中的葡萄糖、果糖等还原糖含量高，所以在浓缩处理过程中，果葡糖浆的颜色会急剧增加，从最初的淡黄色变为棕褐色，但是会产生特有的香气成分，下一阶段将针对龙眼果葡糖浆的色泽进行深入研究，以期将龙眼果葡糖浆做成焙烤食品或可乐饮料的专用型糖浆。
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图 1 土壤铁锰含量与有效铁锰含量的相关性
Figure 1. Correlation coefficient between contents of total and available Fe/Mn in soil
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图 2 土壤铁锰含量之间的相关性
Figure 2. Correlation coefficient between contents of Fe and Mn in soil
表 1 试验地茶园基本情况
Table 1 Basic information on tea plantations
样点 海拔/m 茶树种植年限/a 经纬度 1 1140 15 25°37'N，117°53'E 2 1065 12 25°36'N，117°53'E 3 998 13 25°35'N，117°54'E 4 685 12 25°37'N，117°44'E 5 860 10 25°37'N，117°43'E 6 947 15 25°36'N，117°43'E 7 931 5 25°37'N，117°43'E 8 901 5 25°63'N，117°72'E 9 891 10 25°61'N，117°73'E 10 870 7 25°62'N，117°78'E 11 853 25 26°03'N，117°54'E 12 807 5 26°03'N，117°85'E 13 890 25 26°12'N，117°54'E 14 870 25 26°05'N，117°87'E 15 446 5 26°03'N，117°47'E 16 457 5 25°31'N，117°52'E 17 794 10 25°31'N，117°54'E 18 830 10 25°33'N，117°59'E 19 1006 6 25°32'N，117°58'E 20 854 5 25°60'N，118°02'E 21 931 6 25°37'N，117°43'E 22 314 20 25°63'N，117°79'E 23 783 15 25°67'N，117°73'E 24 490 20 25°44'N，117°31'E 25 1050 20 25°53'N，117°52'E 
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表 2 大田县茶园土壤铁锰与有效铁锰含量
Table 2 Contents of total and available Fe and Mn in plantation soil
项目 全铁/(g·kg-1) 有效铁/(mg·kg-1) 活化率/% 全锰/(mg·kg-1) 有效锰/(mg·kg-1) 活化率/% 范围 22.44~96.80 16.74~384.18 0.07~0.46 43.85~678.49 1.01~104.53 1.31~32.89 均值 61.08 144.42 0.23 258.97 33.72 12.01 标准差 18.79 85.33 0.10 142.37 27.87 7.74 变异系数 30.76 59.08 45.02 54.98 82.66 64.50 福建省土壤背景值[20] 42.7 - 280 - 样品超标率/% 88 48 有效铁锰缺乏临界[21, 8] 4.5 30 大于有效含量临界值的比例/% 100 48
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表 3 茶园土壤铁锰及有效态含量剖面分布
Table 3 Vertical characteristics of total and available Fe/Mn in plantation soil
样点 土层/cm 全铁/(g·kg-1) 有效铁/(mg·kg-1) 全锰/(mg·kg-1) 有效锰/(mg·kg-1) 龙坑村 0~20 54.20a 237.18a 313.16a 37.21a 20~40 57.86a 180.58b 268.55b 23.03b 40~60 50.26b 169.14b 201.34c 21.68b 安和村 0~20 22.87a 19.72a 246.10a 15.81a 20~40 22.86a 16.66a 173.16b 9.96b 40~60 22.77a 18.69a 109.89c 11.72b 岬坪村 0~20 70.02a 329.33a 433.14a 28.77a 20~40 71.35a 219.41b 284.68b 18.29b 40~60 67.94a 188.18b 223.95c 14.20b 大石村 0~20 53.07a 204.77a 251.72a 22.23a 20~40 56.65a 176.37a 223.75ab 21.18a 40~60 55.83a 138.28b 209.32b 17.02b
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表 4 茶园土壤铁锰含量与土壤理化性质之间的相关性
Table 4 Correlation coefficient between Fe/Mn contents and physicochemical properties of plantation soil
项目 pH 有机质 全氮 全磷 速效磷 海拔 种植年限 全铁 0.33* 0.26 -0.13 0.41* 0.49* 0.05 -0.26 有效铁 -0.51* 0.57* -0.12 0.37* 0.34* 0.01 -0.12 有效度 -0.18 0.15 -0.04 0.21 0.25* -0.1 0.02 全锰 0.50* 0.56* 0.12 0.19 0.10 0.17 0.01 有效锰 -0.53* 0.67** 0.16 0.10 0.12 0.01 0.05 有效度 -0.64** 0.10 0.15 -0.07 0.04 0.03 0.03 注：**表示极显著相关；*表示显著相关。表 6同。
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表 6 茶叶中铁锰含量和富集系数与茶园土壤铁锰含量之间的相关性
Table 6 Correlation coefficient between Fe/Mn contents and accumulation coefficients in leaves and Fe/Mn contents in soil
项目 全铁 有效铁 全锰 有效锰 茶叶铁含量 0.23 0.52** -0.16 -0.15 铁富集系数(全量基) -0.55** -0.33 -0.15 -0.1 铁富集系数(有效基) -0.23 -0.49* -0.02 -0.17 茶叶锰含量 -0.09 -0.32 0.47* 0.70** 锰富集系数(全量基) -0.62** -0.10 -0.61** 0.05 锰富集系数(有效基) -0.21 -0.42* -0.14 -0.40*
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表 5 大田县茶叶中铁锰含量
Table 5 Fe and Mn contents in tea leaves
项目 全铁/(g·kg-1) 富集系数(全量基) 富集系数(有效基) 全锰/(mg·kg-1) 富集系数(全量基) 富集系数(有效基) 范围 84.79~280.26 0.001~0.005 0.49~6.65 201.86~1863.37 0.74~20.29 9.93~534.84 均值 164.52 0.003 1.63 849.73 4.31 59.27 标准差 60.13 0.001 1.42 454.02 4.01 106.70 变异系数 36.55 40.67 87.08 53.43 93.10 180.02
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