茶叶功能性成分的化学组成及应用

茶叶功能性成分的化学组成及应用

陈睿　(仲恺农业技术学院化学与化工系,广东广州510225)

摘要　茶寓养生、保健、防癌功能于一体,这是其他饮料无法比拟的。茶叶的功能性是茶叶中各种有效成分综合作用的结果,茶叶的综合利用已成为茶叶发展中的新亮点。笔者主要介绍了茶叶功能性成分的化学组成及其开发利用。关键词　茶叶;功能性成分;化学组成;利用

中图分类号　S571.1 文献标识码　A 文章编号　051726611(2004)05-1031-03

世界上约有30多个国家种植茶叶,但中国是茶的故乡,是茶文化的发祥地。茶作为中华民族的传统保健饮料已有四五千年的历史,流行病学也证实喝茶可以预防一些疾病。茶叶的功能性是茶叶中各种有效成分综合作用的结果,现代科学研究表明,茶叶中含有机化合物450多种,无机矿物质15种以上,以及人体所必需的营养物质

(如蛋白质、氨基酸、脂类、维生素类等),还含有咖啡碱、

茶多酚和茶多糖等药因成分、有效色素成分及其他成分[1]。笔者主要介绍了茶叶功能性成分的化学组成及其开发利用。

1　茶叶的营养成分

1.1　蛋白质和氨基酸(Amino acids and protein )　茶叶蛋

白质一般占15%～30

%,溶于水的为清蛋白(3.74%)。清蛋白中氨基酸的组成较丰富,不仅直接补充了一些人体所必需的氨基酸,还可间接提高食用蛋白质的营养。如鸡蛋由于苏氨酸含量少,使其营养价值减少了9%,喝茶补充了苏氨酸,就等于提高了鸡蛋的营养价值

[2]

。在

这些氨基酸中,茶氨酸的含量最高,占茶叶中游离氨基酸总量的50%以上。茶氨酸是1950年日本学者酒户弥二郎首次从玉露茶(一种日本高级绿茶)中分离得到并命名

的,其化学名称为N -乙基-γ-L -谷氨酰胺。除了茶以外,茶氨酸只在1种蘑菇和少数山茶属植物中微量存在。因此,茶氨酸被认为是茶叶的特征氨基酸,甚至被作为鉴别真假茶的重要化学成分指标[3]。

自然界中存在的茶氨酸均为L 型,其分子结构式如下:

茶氨酸纯品为无色针状结晶,分子量174.2,熔点217～

218℃(分解),比旋光度+7.7°～+8.5°,具有很强的茚三

酮反应,极易溶于水,不溶于无水乙醇和乙醚。茶氨酸水溶液呈微酸性,具有焦糖香和类似味精的鲜爽味,味阈

作者简介:陈睿(1963-),女,广东省梅州市人,副教授,从事天然产物

化学研究。

收稿日期:2004203222

值为0.06%[3]。茶氨酸的性质较稳定,且毒性试验中未发现其有毒性。现有的生产方法有茶叶提取法、化学合成法、组织培养法、微生物发酵法等[4]。

茶氨酸的生理作用主要有:①镇静作用,抑制咖啡因引起的兴奋。茶叶中含有2%～4%的咖啡碱,高于咖啡豆(1%～2%),但是人们在饮茶时却感到平静、心境舒畅,而不象喝咖啡那样兴奋亢进,除了咖啡碱与多酚络合,使其吸收缓慢外,主要是茶氨酸的镇静作用。②降血压作用。③提高记忆力。④保护神经细胞,降低脑栓塞等脑障碍的发病率,预防血管性老年痴呆症。⑤增强抗肿瘤药物的效果。⑥抑制肝癌细胞浸润。⑦改善经期综合症。⑧减肥作用等。研究发现,茶氨酸除对氨基半乳糖所引起的肝细胞坏死有抑制作用外,还能抑制脂质过氧化[4]。

在“非典”流行期间,国内外专家都提到饮茶可增强抵抗力,预防传染病。据美国最新的研究显示,茶叶的这

种作用可能与茶氨酸有关,表明茶氨酸能通过调节γ-δT 免疫细胞,增强人体免疫功能[3]。茶氨酸不仅易溶于水,还有抑制苦味物质、改善食品风味的作用,作为一种安全、无毒、具有多种生理功能的天然食品添加剂,在食品工业中得到了广泛的应用。茶氨酸也可应用于其他方面,如用作净水剂来净化饮用水;作为一种除臭剂的有效成分等[5]。

1.2　维生素(vitamin )　茶叶中含多种维生素和肌醇等,

对人体有特殊的生理作用,尤以V B 和V C 最重要。V B 可预防脚气病,V C 有防治坏血病等药理功能。人体每天对

V C 的需要量为60～70mg ,好的绿茶每100g 干茶V C 含量

高达200mg 。V B 、V C 均溶于茶汤中,其他则多为脂溶性[2]。

1.3　矿质元素(mineral elements )　茶叶中矿质元素总量

在4%～7%,以钾盐(50%)和磷酸盐(15%)为主要成分,其中50%～60%可溶于热水[2]。目前已定量检出的微量元素有30余种;其中,14种为人体所必需的微量元素。微量元素日需量虽小,却比维生素还重要,它必须随着能量的消耗随时补充。而茶叶就是能提供多种微量元素的饮料来源之一,如果每日饮茶3杯(平均10g 茶),可从茶中获取相当于日需量5%～20%的矿质元素。其次,茶叶

安徽农业科学,2004,32(5):1031-1033,1036

Journal of Anhui Agricultural Sciences

中的矿质元素大多以有机态存在,有利于人体吸收。目前,已对一些高硒茶进行开发利用,在人体缺硒地区作为保健茶剂推广应用。世界上不少国家为防止地区性缺氟,在饮用水或牙膏中加入氟化物,而在我国缺氟地区,人们可以通过饮茶来补充氟元素。茶叶中氟含量为40～

1900mg/kg ,比一般植物高2个数量级。茶叶中的氟有2/3能溶于茶汤,采用饮茶方式来补充氟元素比外加氟化

物更安全、可靠[6]。

2　药因成分

2.1　咖啡碱(Caffeine )　咖啡碱,又名咖啡因,属弱碱性

化合物,是杂环化合物嘌呤的衍生物,生物碱的一种。含结晶水的咖啡碱系无色针状结晶,味苦,能溶于水、乙醇、氯仿等有机溶剂。当温度达到100℃时,即失去结晶水并开始升华,120℃时升华相当显著,至178℃时升华很快。咖啡碱属兴奋剂,在一定浓度范围内,对人体有强心

、利尿、解毒等生理和保健作用。茶叶中咖啡碱含量约2%～

5%,是茶叶中10余种含氮化合物中含量最高的1类,它

独具舒张血管,兴奋中枢神经,促进血液循环,预防高血压、头痛、心肌梗塞等药理和生理作用,是医用咖啡因的重要来源。作为食品添加剂,咖啡碱主要用于可乐型饮料和含咖啡因的饮料。工业化生产主要用升华法和溶剂法2种,制得率为0.5%～3.0%。目前,国家把它列为2级毒品,生产销售都要办许可证。咖啡碱本身有抗氧化作用,其化学性质相对茶多酚而言,对人体防癌抗癌有协同作用。这种协同作用已被美国新泽西大学的研究结果所证实

[7]

。

2.2　茶多酚(T eaupolyphenol )　过去人们认为喝茶有助

于健康是因为茶叶中含有维生素和一些微量元素,近来研究表明,茶叶中对身体健康最有益的物质是具有很强抗氧化能力的茶多酚。茶多酚又名茶单宁、茶鞣质,是茶叶中所含的一类多羟基酚类化合物的总称,简称为TP 。其主要成分为儿茶素类(黄烷醇类)、黄酮、黄酮醇类、花青素类、酚酸、缩酚酸类及聚合酚类等。其中,儿茶素类化合物为茶多酚的主体成分,约占茶多酚总量的65%～

80%。儿茶素类化合物结构式为:

儿茶素类化合物主要包括表儿茶素(EC )、表没食子儿茶素(EG C )、表儿茶素没食子酸酯(ECG )和没食子儿茶素没食子酸酯(EG CG )等4种形式[8]。环上的酸性羟基具有很强的供氢能力,它能有效清除氧自由基和脂类自由基,预防脂质过氧化。

绿茶中茶多酚含量最高,约占茶叶干重的15%～

25%。茶多酚为淡黄色至茶褐色的粉末或晶体,易溶于

温水、乙醇、甲醇、丙酮和乙酸乙酯,微溶于油脂,不溶于氯仿及苯等有机溶剂,有吸湿性,耐热性好。茶多酚有较好的耐酸性,在pH 值2～7范围内均十分稳定,光照或pH 值大于8时易氧化聚合,遇铁离子生成绿黑色化合物。国内外有关茶多酚提取方法有溶剂浸提法、金属离子沉淀法、树脂吸附分离法、超临界流体萃取法、超声波浸提法及微波浸提法等[9]。

茶多酚是茶叶中具有生物活性的重要成分,它不仅是良好的天然抗氧化剂,且抗氧化能力比V C 、V E 都强。近来发现,它还具有抑制肿瘤细胞、抗癌、抗衰老、抗辐射、消除人体自由基、降血糖、血脂和胆固醇、减肥、抗龋护齿、防治心血管病、抑菌抑酶、沉淀金属等一系列特殊的药理功能。此外,在食品工业、日用化学工业和农业等领域具有广阔的应用前景。

在食品工业领域的应用:①用作动植物油脂、油基食品、油炸食品、焙烤食品、肉制品、乳制品、水产品、糕点等的抗氧化剂、保鲜剂和保色剂,一般能延长产品保质期1～6倍[10]。②茶多酚饮料。③功能保健食品添加剂,如抗衰老食品、养肠功能食品、防龋齿食品、食品除臭剂[11]。

在日用化学工业上的应用:①除臭剂。在日本已利用其开发生产空气清新剂、厕所除臭剂等,此外,还可作冷库脱臭剂、洗涤消臭剂、动物用消臭剂、食品消臭灭菌剂、鱼类保鲜除臭剂,制造无臭堆肥、浴用茶、墨迹消除剂等。②香烟添加剂。可抑制或减少尼古丁、烟焦油对人体健康造成的危害。③牙膏添加剂。可提高牙膏的防龋齿和洁齿功能。④花露水添加剂。对皮炎和蚊虫叮咬有一定疗效。⑤防晒霜添加剂。茶多酚还能增强酪氨酸酶的活性,抑制酪氨酸脱羧酶的活性,可用作护肤品的调理剂和增白剂[11]。

在农业上的应用:茶多酚对农作物的病原细菌有独特的抑制作用,可作为一种新型的生化激素农药和植物生长促进剂,对水稻、豆类、胡萝卜和番茄等都有明显的增产和抗病虫害的作用[10]。日本已研究出利用茶叶中的儿茶素抑制烟草花叶病毒的方法,取得了良好的防治效果。印度和菲律宾等国已开始使用红茶和绿茶的副产品浸出液抑制葡萄球菌、沙门氏菌及各种霉菌等病毒,效果良好。茶多酚还是一种极有潜力的新型饲料添加剂。

另外,茶多酚可去除污水中的铅等金属离子,可望在污水处理方面获得应用[11]。

2.3　茶多糖(teapolysacCharide )　我国和日本民间均有

用粗老茶治疗糖尿病的传统,茶叶愈粗老治疗糖尿病的效果愈好;常饮茶的人高血压、冠心病的患病率较低。近年来研究表明,茶多糖(简称TPS )为其主要药理成分[12]。茶多糖由茶叶中的糖类、蛋白质、果胶和灰分等物质组成,茶新梢的粗老叶中含量较高。不同原料提取的茶多糖其主要成分存在一定的差异,药理作用也不尽相同。

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茶多糖的单糖组成成分主要为葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖,还有核糖、木糖和甘露糖等。茶多糖为水溶性,易溶于热水,不溶于高浓度的有机溶剂。高温下易丧失活性,过酸或偏碱均会使多糖部分降解[13]。

茶多糖具有降血糖、降血脂、耐缺氧及增加冠状动脉流量、减慢心率、抗炎、抗凝血、抗血栓、抗辐射等药理作用,增强机体自我保护能力。日本医药部门临床试验表明:糖尿病患者服用茶多糖3个疗程,可使体内血糖下降40%左右,其药理作用可与灵芝、人参等提取的降血糖物质相媲美[7]。因此茶多糖开发前景十分看好。传统的茶多糖提取方法包括煎煮、有机溶剂浸出等,但提取温度高,提取率低,成本高。酶工程技术是近几年来用于天然植物有效成分提取的一项生物工程技术。选用恰当的酶,可较温和地将植物组织分解,加速有效成分的释放,从而提高提取率[14]。

3　色素成分

茶叶天然色素是茶鲜叶及成品茶中所含有的水溶性色素和脂溶性色素(叶绿素、叶黄素和类胡萝卜素)的总称。茶色素(Theanine)是茶叶中一类特有的多酚类氧化缩聚产物,茶色素形成的前导物是茶多酚,是在制茶发酵中形成的。茶色素是茶叶中的水溶性有色物质或茶叶水提物经酶性/非酶性氧化聚合而得的水溶性有色物质的总称。根据颜色可分为茶黄素、茶红素、茶褐素3类[15]。前2种为主要成分。茶黄素类是一类具有苯骈卓酚酮结构的混合物,现已发现的茶黄素有12种。茶红素类是一类复杂的不均一性红褐色酚类化合物,主要分子量在700～40×104之间,红茶中含量在9%～19%[16]。从红茶中提取制备茶色素产品,得率和纯度低,质量差,分离纯化困难。近年来,国内外学者采用体外酶促模拟发酵法或有机合成法进行茶色素形成与制取研究,已取得进展[17]。

茶色素含有大量的活性酚羟基等活性基因,具有极强的清除自由基和抗氧化作用。近代药理学研究表明,茶色素具有预防心脑血管疾病、防癌抗癌、防紫外线照射、抗氧化、抗动脉粥样硬化、抗龋护齿、抗菌抗病毒等多种药理功能。茶色素产品的开发已广泛用于医药、食品工业。早在40年前,前苏联、巴基斯坦和英国等国学者,就进行了此方面的应用研究,认为茶色素是一种较好的食品着色剂。茶色素中的茶黄素类和茶红素类具有较高的色价,再加上其抗氧化活性,因而茶色素是一类良好的功能性食用色素。在医药上现已被应用于防治心脑血管疾病、防治动脉粥样硬化、降血脂、降血压等药物原料。江西绿色集团生产的茶色素胶囊已投放市场,是一种较好的抗心脑血管疾病药物[16]。随着茶色素药理作用研究的不断深入需,茶色素中活性成分配比的完善,特别是茶色素主体成分之一的茶黄素类含量的提高,开发力度的不断加强,其应用领域必将进一步拓展。我国对茶色素研究起步较晚,茶色素作为新药与产业化研究已被列入国家科委“九五”重中之重的“1035”工程。随着人们对食品安全的日益重视,天然食用色素将逐步取代对人体健康有害的食用合成色素。

4　香气成分

香气成分是茶叶中含量低而种类多的挥发性物质的总称,是赋于茶香气的主体物质。按照来源,少部分是自身代谢过程中的产物,大部分则是茶叶工艺加工过程中的产物。按照结构可分为烃、醇、酚、醛、酮、酸、酯、萜烯类等。已分离出来的香气成分约有300多种,茶叶的香气主要决定于这些物质的组合与浓度。茶叶中具有的清香、新茶香的主要成分为正己醇、异戊醇、反式青叶醇等物质,均可提取出来作为饮料、糕点等食品的天然香料成分;有香甜玫瑰香气的香叶醇、似柠檬油及熏衣草香的芳樟醇和有特殊气味的正辛醇,均具有较高的抗菌活性,可防止食品变质[18]。由于茶叶香气含量低微、组成复杂、易挥发、不稳定,在提取过程中易发生氧化、聚合、缩合、基团转移等反应,需采用特殊的分离提取技术。朱旗[19]等以绿茶为原料,同时对蒸馏萃取法(SDE法)、顶空吸附法(HAS法)和减压蒸馏萃取法(VDE法)3种方法提取的香精油进行了分析,结果表明:SDE法的香气总量、数量及回收率均较高,但对分析茶样的影响较大,特别是对热敏性的香气成分;HAS法虽有所改进,其影响依然明显;VDE 法对茶样的影响较小,能较好地反映茶叶的香气特征。

5　其他成分

5.1　三十烷醇　三十烷醇是重要的农作物促进剂,是紧缺的化工原料。英国迈素尔食品技术研究中心研究人员从低档茶叶中直接提取三十烷醇,工艺简单,成本低,已获得英国国家专利[7]。

5.2　酚聚合物　日本研究表明:从粗老茶叶中可提取酚醛脂聚合物来代替树胶,用于胶合板工业。从茶树中提取酚醛脂比从其他植物中提取成本低30%左右,加工成的酚醛脂胶合板可塑性及成形性都很好[7]。

5.3　鞣质　鞣质是重要的制革原料。据斯里兰卡研究,从茶树皮及低档红茶中可制得一种质优、价廉的鞣质,完全可以替代从澳洲树皮中提取的鞣质,用于制革业[7]。

6　结束语

尽管对于茶与健康的研究已广泛开展并取得了一系列的进展,但如何更好地利用和发挥茶的功效、更深入地探究其防病治病机理仍是全球有关人士关心的问题和努力的方向。我国茶叶资源丰富,但20世纪90年代以来,国际茶叶市场相对饱和,供略过于求,我国茶叶生产也出现了一定范围内的“卖茶难”。此外,茶叶生产过程中会产生20%左右低档茶和副产品。因此,寻求经济新起点及开辟茶叶新用途成了各国各地区茶学界的重要议题,利用低档茶叶资源“开发加工高附加值的精细化工产品”将成为世界茶叶主产国一条增值增收的新途径。

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32卷5期 陈睿　茶叶功能性成分的化学组成及应用

酶促褐变。在培养基中加入Vc可有效地防止褐变。这是因为Vc为多羟基还原物质,一方面可以使多酚氧化酶失活阻止酚类物质氧化;另一方面Vc在酶的催化下能消耗溶解氧,使酚类物质因缺氧而无法氧化[12]。黄霞等(1999)[13]发现活性炭与Vc配合使用可有效地防止香蕉茎尖培养中外植体的褐变。刘曼西等[14]在研究中发现有机酸对马铃薯PPO活性有抑制作用。此外,蛋白水解产物、氨基酸、2-巯基苯并噻唑、硫脲、二氨基二硫代硫酸钠、氰化钾、多胺等物质都可作为抑制剂来防止褐变的发生。

活性炭是一种较强的吸附剂,它可以吸附培养物分泌到培养基中的酚、醌等有害物质,从而有效地减轻褐变。需要注意的是,活性炭在吸附有害物质的同时也吸附培养基中的生长调节物质,而使其失去作用,影响外植体的正常发育。因此,在加入活性炭的培养基中应适当改变激素配比,使得在防止褐变的同时,外植体能够正常发育。

3.5　防止褐变的其他措施　在外植体接种后1～2天即转移至新鲜培养基中或同一培养基的不同部位,可以防止酚类物质在伤口周围积累过多,连续转移几次即可防止褐变。此外,在外植体的培养过程中适当缩短转瓶周期,适当改变培养基的硬度等方法均可减轻褐变的毒害。4　小结

褐变是酚类物质被氧化的结果。外植体的种类、生理状态、营养状况、生长部位等内因,以及培养基成分、添加激素的种类和浓度、培养条件等外因都会影响褐变的发生。抑制褐变发生的措施也多种多样,但每种方法都有一定的适用范围和局限性,应根据培养中的实际情况选择不同的方法,更加有效地抑制或减轻组织培养中褐变的发生。

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(责任编辑:孙红忠　责任校对:孙红忠)

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(责任编辑:金琼琼　责任校对:金琼琼)

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