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茶氨酸,从树叶到工厂

作者:云无心 出处:科学松鼠会 点击:3056

   优质的绿茶会有一种“鲜爽”的风味。1950 年,日本学者酒户弥二郎从绿茶中分离出了产生这种风味的主要物质——一种非蛋白质氨基酸,命名为茶氨酸。茶中的茶氨酸都是左旋的,按照命名法记为“L-茶氨酸”。此后的研究发现,茶氨酸不仅为茶带来鲜爽风味,它本身还具有许多生理功能。比如它能突破血?#20113;琳现?#25509;影响大脑活动,从而对人的情绪产生影响。这种影响又可能在生理上对于人体健康产生积极作用。1964年,日本批准了L-茶氨酸为食品添加剂使用,而美国FDA也在1985年给予了L-茶氨酸GRAS的分类。GRAS意为“一般公认安全”,虽然与“健康价值”无关,但意味着可以自由地用于各?#36136;?#21697;中。在中国进展比较慢,直到 2014年7月18日,卫计委终于批准了它作为新食品原料。

  那么,茶中有多少茶氨酸?又怎样才能得到可以作为“食品原料”的茶氨酸呢?

  茶树如何合成茶氨酸?

  在成熟的茶树中,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,茶氨酸被运输到新芽中积累起来。如果光照充足、温度较高,茶氨酸被分解成谷氨酸和乙胺,而乙胺被用于合成儿茶素。这个过程,跟茶树的光合作用密切相关。

  如果光照不足、或者温度?#31995;停?#37027;么茶氨酸的分解就会受到?#31181;疲?#33590;的芽和叶中就会积累比较多茶氨酸,而相应的儿茶素含量就比?#31995;汀?/p>

  如果茶树的叶绿素不足,光合作用弱,茶氨酸的分解也会较弱,茶的芽叶中也会积累比较多的茶氨酸。

  什么样的茶富含茶氨酸?

  作为饮料,“好茶”的根本标准还得是“好喝”,而茶氨酸以及游离氨基酸的含量与茶的风味正性相关——也就是说,茶氨酸和游离氨基酸含量高的茶,往往会更好喝。

  茶的芽叶中含有多少茶氨酸,茶树品种至关重要。以茶氨酸含量高而著称的茶树品种中,白叶1号无疑是名气最大的。1970年代,林业工作者在浙江省?#24067;?#21439;发现了一棵树龄超过百年的老茶树。这棵茶树的叶片在早春是白色的,气温升高之后逐渐恢复绿色。经过无性繁殖,这棵茶树得到充分推广,成为了著名的“?#24067;?#30333;茶”。2004年,这个独特的茶树品种被正式命名为“白叶1号”。

  白叶1号是一个温度敏感的自然突变体。在早春低温期间,其叶绿体的形成存在障碍,叶绿素合成受阻,以至于表现为白色。与这种突变相应的,是细胞中蛋白质解体?#29616;兀?#23548;致了游离氨基酸的含量显著升高。同?#20445;?#33590;氨酸的分解也受到?#31181;疲?#25152;以茶氨酸含量也很高。等到气温升高,白叶1号合成叶绿素的能力逐渐恢复正常,最后变成正常的绿色。一般品种的鲜茶芽叶,游离氨基酸的含量占干重的3~4%,茶氨酸的含量占干重的1~2%。而在白叶1号中,游离氨基酸的含量超过干重的6%,其中茶氨酸大约一半,此外茶多?#21448;?#26377;常规品种的一半左右。茶多酚是茶中涩味的来源,高茶氨酸低茶多酚的白叶1号,制成的绿茶涩味低而鲜爽味浓郁,风味比普通绿茶就要更好。

  常规的绿茶中,也有一些茶氨酸比较高的品种,比如龙井43。在通常采摘的一芽两叶的鲜叶中,游离氨基酸的含量接近干重的4%,而茶氨酸的含量超过2%。龙井43成为制作龙井茶的优势树种,这可能也是重要的原因之一。近年来,中国农科院茶叶研究所找到了一个叶绿素含量很低的突变品种,其叶绿素a和叶绿素b只有龙井43的14%和20%,所以芽叶呈现为黄色,被命名为“中黄2号”。中黄2号的新鲜芽叶中,游离氨基酸含量约为干重的7%,而茶氨酸的含量约占干重的4%,跟白叶1号差不多。

  除了品种,温度和光照也会影响到茶氨酸的分解。在关于茶的各?#36136;?#25991;中,优质的茶总是生长在深?#25509;?#35895;。除了水源土壤的清洁,更重要的原因在于深?#25509;?#35895;中光照不足,而在春天茶叶发育期间温度?#31995;停?#25152;以茶氨酸的分解以及儿茶素的合成受到?#31181;啤?#36825;样?#39057;?#30340;春茶茶氨酸含量高而茶多酚含?#24247;停?#20063;就更好喝。而夏茶和秋茶生长采摘时温度较高,光合作用旺盛,相对而言茶氨酸含?#24247;?#32780;茶多酚含量高,也就不如春茶好喝了。

  日本人偏好绿茶。但日本没?#24515;?#20040;多深?#25509;?#35895;来长茶树,所?#38498;?#25340;的日本人通过“人工干预”来实现深?#25509;?#35895;的效果。这就是日本绿茶特有的“遮荫”处理。日本绿茶中名气最大的玉露,需要在新芽开始形成?#20445;弥?#24109;、芦苇或者帆布遮盖起来,?#20013;?#38271;达20来天。因为缺乏光照,茶树会合成更多的叶绿素来补偿,从而使得茶的鲜叶更绿,做出来的绿茶更好看。同?#20445;?#33590;氨酸的含量更高,茶多酚含量更低,也使得它风味更好。当年酒户弥二郎分离茶氨酸,用的就是玉露茶。

  从茶中分离茶氨酸

  不管是作为食品添加剂、膳食补充剂还是食品原料,都需要纯度较高的茶氨酸。中国批准作为食品原料的茶氨酸?#28304;?#24230;的要求是最低的,只要超过20%就可以。但这也大大高于茶中的含量——也就是说,把茶氨酸分离出来,是它实现这些用途的前提。

  茶氨酸易溶于水,只需要用水浸泡就可以提取出来。但是,同时被溶解到水中的,还有茶多酚、咖啡因等各种其它成分。要得到纯度高的茶氨酸,就还需要除去其它成分。好在茶氨酸很稳定,能够耐高温、耐酸、耐碱,在漫长的提取与分离流程中,能保持不失活不分解。所以,各种提取和分离天然产物的手段尽可以轮番上阵,把“杂质”逐渐去除,一步一步地提高纯度。目前,工业上可采用的分离方法有三种:沉淀法、离子交换树脂法和膜分离法。

  沉淀法是最传统的化工分离手段,就是通过变化温度、加酸、加碱、加其它化学试剂等手段,把混合物中的一种或几种成分充分地沉淀下来,从而把茶氨酸?#25512;?#20182;“杂质”成分分开。这?#36136;?#27573;操作简单,但需要的步骤很多,在加入化学试剂沉淀的过程中,也可能引入新的杂质,甚至有的杂质中?#36141;?#26377;有害成分。

  离子交换树脂法要高端大气一些。大致流程是通过沉淀去掉蛋白质,再用吸附的方式去掉色素等成分,然后让溶液流过离子交换树脂,把茶氨酸吸附到树脂上而让其他成分流过。再改换水溶液的酸碱度,把茶氨酸“洗脱”下来,就得到了茶氨酸含量大大提高的“粗品”。这样的粗品再经过结晶纯化,可以得到高纯度的茶氨酸。纯度高,自然成本也就比较高了。

  膜分离是现代天然产物分离中的新兴技术。分离使用的半透膜就象孔径非常小的筛子,?#24066;?#23610;寸比孔径小的分子通过,而把尺寸大于孔径的分子拦下。通过不同孔径的膜的组合,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与它接近的成分。膜分离的优势在于不再引入其他的物质,流程也比较简单,劣势是只能进行富集和初步纯化,只靠它?#19981;?#26159;难以获得高纯度的产品。

  茶中的茶氨酸含量很低,如果从茶原料中只是分离茶氨酸的话,经济效益就比?#31995;汀?#32780;茶氨酸含量高的鲜叶,做成的茶叶往往品质较高,能卖出更好的价钱,也就不大会用来提取茶氨酸。不过,茶中有经济价值的成分并不止茶氨酸,比如茶多酚,含量高、也更有市场吸引力。提取茶多酚产生的废液中,茶氨酸并没有受到影响。从这样的废液中提取茶氨酸,不仅原料成本几乎没有,还相当于已经去除了一些“杂质”,成本也就大大降低。

  工厂里生产茶氨酸

  对于化学家?#27492;擔?#30693;道了茶氨酸的分子式,就可以去想办法来合成。茶氨酸可以看成是谷氨酸与乙胺通过失去一个水分子连接而成的,就可以用L-谷氨酸(或者在?#20174;?#22120;内能够转化成L-谷氨酸的其他分子),加上乙胺(或能转化成乙胺的分子),在?#23454;?#30340;条件下让谷氨酸和乙胺连接起来成为茶氨酸,然后再把它从?#20174;?#28151;合物中分离出来。

  这种方式听起来很简单,但实现起来也不容易——没有?#23454;?#30340;催化剂,有机合成的效率低而且选择性也不强——也就是说,?#20174;?#29289;并不是那么听话地转化成茶氨酸。此外,“化学合成”这个出身就注定了它会受到歧视。尤其是,化学合成出来的是L型和D型的混合物,跟天然茶氨酸中只存在L型?#19981;?#26159;有区别的。

  在茶树内,茶氨酸是谷氨酸和乙胺在茶氨酸合成酶的作用下合成的。如果能这种酶用于化学合成,那么?#20174;?#23601;会高效得多。可惜这不?#36136;擔?#36825;种酶极其不稳定,无法制成?#31185;?#20877;加入到合成?#20174;?#22120;中。人们只好退而求其次,开发出了微生物发酵法。这种工?#38556;?#26159;培养微生物,合成谷氨酰胺合成酶,然后模拟茶树体内环?#24120;?#29992;ATP提供能量,让谷氨酸和乙胺进行?#20174;Α?#35895;氨酰胺合成酶的“天职”其实是让谷氨酸和铵离子合成谷氨酰胺。但如果?#20174;?#20307;系中没有铵离子,那?#27492;?#20063;能“狗拿耗子”,把乙胺弄到谷氨酸上去从而生成茶氨酸。也有一些其他酶通过其他原料来进行转化得到茶氨酸的工艺。这些方法的优点是副产物比较少,分离纯化起来要容易一些。不过,它需要先培养细菌来生成酶,然后利用这些酶去干活。这需要保?#32622;?#30340;活性,还要精密控?#21697;从?#26465;件才能得到理想的结果。这对技术的要求比较高,生产流程比较复杂精密,对于工厂是相当大的挑?#20581;?/p>

  介于微生物发酵和从茶树中提取之间的,是植物细胞培养法。这种工艺一般是把茶树的愈伤组织细胞取来,加入到培养液中生长。通过调控培养条件,比如培养液的酸碱度、温度、培养液成分,利用细胞中的茶氨酸合成酶来合成茶氨酸。这种方式得到的茶氨酸跟茶树中的一样都是L型,而且含量比较高。在文献报道的试验条件下,茶氨酸的含量超过干重的20%——这已经达到了中国国家标准中作为“食品原料”的茶氨酸的纯度要求。?#27604;唬?#30446;前的国家标准中,规定了作为食品原料的茶氨酸来?#20174;?#33590;叶,而这种植物组织细胞培养法本身?#19981;?#21482;在试验研究阶段。

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