茶氨酸，從樹葉到工廠

　　茶氨酸分離自茶葉圖片來源：drugs-forum.com

 

　　此后的研究發(fā)現(xiàn)，茶氨酸不僅為茶帶來鮮爽風(fēng)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(chǎn)生影響。這種影響又可能在生理上對于人體健康產(chǎn)生積極作用。1964年，日本批準(zhǔn)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(rèn)安全”，雖然與“健康價值”無關(guān)，但意味著可以自由地用于各種食品中。在中國進(jìn)展比較慢，直到2014年7月18日，衛(wèi)計委終于批準(zhǔn)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？

 

 

　　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(yùn)輸?shù)叫卵恐蟹e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(guān)。

 

　　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(yīng)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。

 

 

　　作為飲料，“好茶”的根本標(biāo)準(zhǔn)還得是“好喝”，而茶氨酸以及游離氨基酸的含量與茶的風(fēng)味正性相關(guān)——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(guān)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(yè)工作者在浙江省安吉縣發(fā)現(xiàn)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(fù)綠色。經(jīng)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(dú)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(xiàn)為白色。與這種突變相應(yīng)的，是細(xì)胞中蛋白質(zhì)解體嚴(yán)重，導(dǎo)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(fù)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(guī)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(fēng)味比普通綠茶就要更好。

 

　　常規(guī)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(yōu)勢樹種，這可能也是重要的原因之一。近年來，中國農(nóng)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(xiàn)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(guān)于茶的各種詩文中，優(yōu)質(zhì)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(fā)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(yù)”來實(shí)現(xiàn)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(xù)長達(dá)20來天。因?yàn)槿狈庹?，茶樹會合成更多的葉綠素來補(bǔ)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(fēng)味更好。當(dāng)年酒戶彌二郎分離茶氨酸，用的就是玉露茶。

 

 

　　不管是作為食品添加劑、膳食補(bǔ)充劑還是食品原料，都需要純度較高的茶氨酸。中國批準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)物的手段盡可以輪番上陣，把“雜質(zhì)”逐漸去除，一步一步地提高純度。目前，工業(yè)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(tǒng)的化工分離手段，就是通過變化溫度、加酸、加堿、加其它化學(xué)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(zhì)”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(xué)試劑沉淀的過程中，也可能引入新的雜質(zhì)，甚至有的雜質(zhì)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(zhì)，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(jīng)過結(jié)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(xiàn)代天然產(chǎn)物分離中的新興技術(shù)。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(yōu)勢在于不再引入其他的物質(zhì)，流程也比較簡單，劣勢是只能進(jìn)行富集和初步純化，只靠它也還是難以獲得高純度的產(chǎn)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(jīng)濟(jì)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(zhì)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(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(dāng)于已經(jīng)去除了一些“雜質(zhì)”，成本也就大大降低。

 

 

　　對于化學(xué)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(yīng)器內(nèi)能夠轉(zhuǎn)化成L-谷氨酸的其他分子），加上乙胺（或能轉(zhuǎn)化成乙胺的分子），在適當(dāng)?shù)臈l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(yīng)混合物中分離出來。

 

　　這種方式聽起來很簡單，但實(shí)現(xiàn)起來也不容易——沒有適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，有機(jī)合成的效率低而且選擇性也不強(qiáng)——也就是說，反應(yīng)物并不是那么聽話地轉(zhuǎn)化成茶氨酸。此外，“化學(xué)合成”這個出身就注定了它會受到歧視。尤其是，化學(xué)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(qū)別的。

 

　　在茶樹內(nèi)，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(xué)合成，那么反應(yīng)就會高效得多?？上н@不現(xiàn)實(shí)，這種酶極其不穩(wěn)定，無法制成純品再加入到合成反應(yīng)器中。人們只好退而求其次，開發(fā)出了微生物發(fā)酵法。這種工藝先是培養(yǎng)微生物，合成谷氨酰胺合成酶，然后模擬茶樹體內(nèi)環(huán)境，用ATP提供能量，讓谷氨酸和乙胺進(jìn)行反應(yīng)。谷氨酰胺合成酶的“天職”其實(shí)是讓谷氨酸和銨離子合成谷氨酰胺。但如果反應(yīng)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(jìn)行轉(zhuǎn)化得到茶氨酸的工藝。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是副產(chǎn)物比較少，分離純化起來要容易一些。不過，它需要先培養(yǎng)細(xì)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(yīng)條件才能得到理想的結(jié)果。這對技術(shù)的要求比較高，生產(chǎn)流程比較復(fù)雜精密，對于工廠是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

 

　　介于微生物發(fā)酵和從茶樹中提取之間的，是植物細(xì)胞培養(yǎng)法。這種工藝一般是把茶樹的愈傷組織細(xì)胞取來，加入到培養(yǎng)液中生長。通過調(diào)控培養(yǎng)條件，比如培養(yǎng)液的酸堿度、溫度、培養(yǎng)液成分，利用細(xì)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(xiàn)報道的試驗(yàn)條件下，茶氨酸的含量超過干重的20%——這已經(jīng)達(dá)到了中國國家標(biāo)準(zhǔn)中作為“食品原料”的茶氨酸的純度要求。當(dāng)然，目前的國家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)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(xì)胞培養(yǎng)法本身也還只在試驗(yàn)研究階段。