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茶氨酸,從樹葉到工廠

作者:云無心 出處:科學松鼠會 點擊:3204

   優質的綠茶會有一種“鮮爽”的風味。1950 年,日本學者酒戶彌二郎從綠茶中分離出了產生這種風味的主要物質——一種非蛋白質氨基酸,命名為茶氨酸。茶中的茶氨酸都是左旋的,按照命名法記為“L-茶氨酸”。此后的研究發現,茶氨酸不僅為茶帶來鮮爽風味,它本身還具有許多生理功能。比如它能突破血腦屏障直接影響大腦活動,從而對人的情緒產生影響。這種影響又可能在生理上對于人體健康產生積極作用。1964年,日本批準了L-茶氨酸為食品添加劑使用,而美國FDA也在1985年給予了L-茶氨酸GRAS的分類。GRAS意為“一般公認安全”,雖然與“健康價值”無關,但意味著可以自由地用于各種食品中。在中國進展比較慢,直到 2014年7月18日,衛計委終于批準了它作為新食品原料。

  那么,茶中有多少茶氨酸?又怎樣才能得到可以作為“食品原料”的茶氨酸呢?

  茶樹如何合成茶氨酸?

  在成熟的茶樹中,茶氨酸是在根部合成的。借助ATP提供的能量,谷氨酸和乙胺在茶氨酸合成酶的催化下合成茶氨酸。然后,茶氨酸被運輸到新芽中積累起來。如果光照充足、溫度較高,茶氨酸被分解成谷氨酸和乙胺,而乙胺被用于合成兒茶素。這個過程,跟茶樹的光合作用密切相關。

  如果光照不足、或者溫度較低,那么茶氨酸的分解就會受到抑制,茶的芽和葉中就會積累比較多茶氨酸,而相應的兒茶素含量就比較低。

  如果茶樹的葉綠素不足,光合作用弱,茶氨酸的分解也會較弱,茶的芽葉中也會積累比較多的茶氨酸。

  什么樣的茶富含茶氨酸?

  作為飲料,“好茶”的根本標準還得是“好喝”,而茶氨酸以及游離氨基酸的含量與茶的風味正性相關——也就是說,茶氨酸和游離氨基酸含量高的茶,往往會更好喝。

  茶的芽葉中含有多少茶氨酸,茶樹品種至關重要。以茶氨酸含量高而著稱的茶樹品種中,白葉1號無疑是名氣最大的。1970年代,林業工作者在浙江省安吉縣發現了一棵樹齡超過百年的老茶樹。這棵茶樹的葉片在早春是白色的,氣溫升高之后逐漸恢復綠色。經過無性繁殖,這棵茶樹得到充分推廣,成為了著名的“安吉白茶”。2004年,這個獨特的茶樹品種被正式命名為“白葉1號”。

  白葉1號是一個溫度敏感的自然突變體。在早春低溫期間,其葉綠體的形成存在障礙,葉綠素合成受阻,以至于表現為白色。與這種突變相應的,是細胞中蛋白質解體嚴重,導致了游離氨基酸的含量顯著升高。同時,茶氨酸的分解也受到抑制,所以茶氨酸含量也很高。等到氣溫升高,白葉1號合成葉綠素的能力逐漸恢復正常,最后變成正常的綠色。一般品種的鮮茶芽葉,游離氨基酸的含量占干重的3~4%,茶氨酸的含量占干重的1~2%。而在白葉1號中,游離氨基酸的含量超過干重的6%,其中茶氨酸大約一半,此外茶多酚只有常規品種的一半左右。茶多酚是茶中澀味的來源,高茶氨酸低茶多酚的白葉1號,制成的綠茶澀味低而鮮爽味濃郁,風味比普通綠茶就要更好。

  常規的綠茶中,也有一些茶氨酸比較高的品種,比如龍井43。在通常采摘的一芽兩葉的鮮葉中,游離氨基酸的含量接近干重的4%,而茶氨酸的含量超過2%。龍井43成為制作龍井茶的優勢樹種,這可能也是重要的原因之一。近年來,中國農科院茶葉研究所找到了一個葉綠素含量很低的突變品種,其葉綠素a和葉綠素b只有龍井43的14%和20%,所以芽葉呈現為黃色,被命名為“中黃2號”。中黃2號的新鮮芽葉中,游離氨基酸含量約為干重的7%,而茶氨酸的含量約占干重的4%,跟白葉1號差不多。

  除了品種,溫度和光照也會影響到茶氨酸的分解。在關于茶的各種詩文中,優質的茶總是生長在深山幽谷。除了水源土壤的清潔,更重要的原因在于深山幽谷中光照不足,而在春天茶葉發育期間溫度較低,所以茶氨酸的分解以及兒茶素的合成受到抑制。這樣制得的春茶茶氨酸含量高而茶多酚含量低,也就更好喝。而夏茶和秋茶生長采摘時溫度較高,光合作用旺盛,相對而言茶氨酸含量低而茶多酚含量高,也就不如春茶好喝了。

  日本人偏好綠茶。但日本沒有那么多深山幽谷來長茶樹,所以很拼的日本人通過“人工干預”來實現深山幽谷的效果。這就是日本綠茶特有的“遮蔭”處理。日本綠茶中名氣最大的玉露,需要在新芽開始形成時,用竹席、蘆葦或者帆布遮蓋起來,持續長達20來天。因為缺乏光照,茶樹會合成更多的葉綠素來補償,從而使得茶的鮮葉更綠,做出來的綠茶更好看。同時,茶氨酸的含量更高,茶多酚含量更低,也使得它風味更好。當年酒戶彌二郎分離茶氨酸,用的就是玉露茶。

  從茶中分離茶氨酸

  不管是作為食品添加劑、膳食補充劑還是食品原料,都需要純度較高的茶氨酸。中國批準作為食品原料的茶氨酸對純度的要求是最低的,只要超過20%就可以。但這也大大高于茶中的含量——也就是說,把茶氨酸分離出來,是它實現這些用途的前提。

  茶氨酸易溶于水,只需要用水浸泡就可以提取出來。但是,同時被溶解到水中的,還有茶多酚、咖啡因等各種其它成分。要得到純度高的茶氨酸,就還需要除去其它成分。好在茶氨酸很穩定,能夠耐高溫、耐酸、耐堿,在漫長的提取與分離流程中,能保持不失活不分解。所以,各種提取和分離天然產物的手段盡可以輪番上陣,把“雜質”逐漸去除,一步一步地提高純度。目前,工業上可采用的分離方法有三種:沉淀法、離子交換樹脂法和膜分離法。

  沉淀法是最傳統的化工分離手段,就是通過變化溫度、加酸、加堿、加其它化學試劑等手段,把混合物中的一種或幾種成分充分地沉淀下來,從而把茶氨酸和其他“雜質”成分分開。這種手段操作簡單,但需要的步驟很多,在加入化學試劑沉淀的過程中,也可能引入新的雜質,甚至有的雜質中還含有有害成分。

  離子交換樹脂法要高端大氣一些。大致流程是通過沉淀去掉蛋白質,再用吸附的方式去掉色素等成分,然后讓溶液流過離子交換樹脂,把茶氨酸吸附到樹脂上而讓其他成分流過。再改換水溶液的酸堿度,把茶氨酸“洗脫”下來,就得到了茶氨酸含量大大提高的“粗品”。這樣的粗品再經過結晶純化,可以得到高純度的茶氨酸。純度高,自然成本也就比較高了。

  膜分離是現代天然產物分離中的新興技術。分離使用的半透膜就象孔徑非常小的篩子,允許尺寸比孔徑小的分子通過,而把尺寸大于孔徑的分子攔下。通過不同孔徑的膜的組合,就可以把分子比茶氨酸大的和小的成分都去除,而只留下茶氨酸和分子大小與它接近的成分。膜分離的優勢在于不再引入其他的物質,流程也比較簡單,劣勢是只能進行富集和初步純化,只靠它也還是難以獲得高純度的產品。

  茶中的茶氨酸含量很低,如果從茶原料中只是分離茶氨酸的話,經濟效益就比較低。而茶氨酸含量高的鮮葉,做成的茶葉往往品質較高,能賣出更好的價錢,也就不大會用來提取茶氨酸。不過,茶中有經濟價值的成分并不止茶氨酸,比如茶多酚,含量高、也更有市場吸引力。提取茶多酚產生的廢液中,茶氨酸并沒有受到影響。從這樣的廢液中提取茶氨酸,不僅原料成本幾乎沒有,還相當于已經去除了一些“雜質”,成本也就大大降低。

  工廠里生產茶氨酸

  對于化學家來說,知道了茶氨酸的分子式,就可以去想辦法來合成。茶氨酸可以看成是谷氨酸與乙胺通過失去一個水分子連接而成的,就可以用L-谷氨酸(或者在反應器內能夠轉化成L-谷氨酸的其他分子),加上乙胺(或能轉化成乙胺的分子),在適當的條件下讓谷氨酸和乙胺連接起來成為茶氨酸,然后再把它從反應混合物中分離出來。

  這種方式聽起來很簡單,但實現起來也不容易——沒有適當的催化劑,有機合成的效率低而且選擇性也不強——也就是說,反應物并不是那么聽話地轉化成茶氨酸。此外,“化學合成”這個出身就注定了它會受到歧視。尤其是,化學合成出來的是L型和D型的混合物,跟天然茶氨酸中只存在L型也還是有區別的。

  在茶樹內,茶氨酸是谷氨酸和乙胺在茶氨酸合成酶的作用下合成的。如果能這種酶用于化學合成,那么反應就會高效得多??上д獠幌質?,這種酶極其不穩定,無法制成純品再加入到合成反應器中。人們只好退而求其次,開發出了微生物發酵法。這種工藝先是培養微生物,合成谷氨酰胺合成酶,然后模擬茶樹體內環境,用ATP提供能量,讓谷氨酸和乙胺進行反應。谷氨酰胺合成酶的“天職”其實是讓谷氨酸和銨離子合成谷氨酰胺。但如果反應體系中沒有銨離子,那么它也能“狗拿耗子”,把乙胺弄到谷氨酸上去從而生成茶氨酸。也有一些其他酶通過其他原料來進行轉化得到茶氨酸的工藝。這些方法的優點是副產物比較少,分離純化起來要容易一些。不過,它需要先培養細菌來生成酶,然后利用這些酶去干活。這需要保持酶的活性,還要精密控制反應條件才能得到理想的結果。這對技術的要求比較高,生產流程比較復雜精密,對于工廠是相當大的挑戰。

  介于微生物發酵和從茶樹中提取之間的,是植物細胞培養法。這種工藝一般是把茶樹的愈傷組織細胞取來,加入到培養液中生長。通過調控培養條件,比如培養液的酸堿度、溫度、培養液成分,利用細胞中的茶氨酸合成酶來合成茶氨酸。這種方式得到的茶氨酸跟茶樹中的一樣都是L型,而且含量比較高。在文獻報道的試驗條件下,茶氨酸的含量超過干重的20%——這已經達到了中國國家標準中作為“食品原料”的茶氨酸的純度要求。當然,目前的國家標準中,規定了作為食品原料的茶氨酸來源于茶葉,而這種植物組織細胞培養法本身也還只在試驗研究階段。

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