茶氨酸的研究进展

2010-08-15 00:43吴春兰黄亚辉
茶叶通讯 2010年3期
关键词:乙胺谷氨酰胺氨酸

吴春兰 王 娟 黄亚辉

(华南农业大学园艺学院·广州·510642)

目前,人们在茶叶中已发现25种氨基酸[1],茶氨酸 (theanine,γ-glutamylethylamide)被认为是茶叶的特征氨基酸,属酰胺类化合物,占一般茶叶中游离氨基酸的40%以上,占干茶重的1%~2%[2]。除了茶叶,只在茶梅、山茶、油茶、蘑菇四种天然植物中检测出其微量存在,其他植物中尚未发现[3]。茶氨酸(N-乙基-r-谷氨酰胺)是1950年日本学者酒户弥二郎[4]首次从茶叶中提取、精制并确定其化学结构,此后国内外茶叶学者对它进行了较系统的研究。

1 茶氨酸的理化性质

茶氨酸又名谷氨酰乙胺,是谷氨酸的乙胺诱导体,在茶树根中由谷氨酸和乙胺合成,通过树干运送到叶中贮藏,在日光照射下可转化为儿茶素[5]。自然存在的茶氨酸均为L型,纯品为白色针状结晶,熔点217℃~218℃,比旋光度0.7°。 茶氨酸极易溶于水,在茶汤中的泡出率可达80%,其水溶液呈微酸性,不溶于无水乙醇和无水乙醚。茶氨酸的性质较稳定,如将茶氨酸溶液煮沸5min或将茶氨酸溶于pH 3.0的溶液并在25℃下储放1年,其中的茶氨酸含量不会改变[6]。茶氨酸有焦糖香及类似味精的鲜爽味,能缓解苦涩味,增加茶汤的鲜甜度,其在日本已作为食品添加剂[7]。研究证明茶氨酸的含量与绿茶的品质密切相关,其相关系数为0.787~0.876。经安全性实验表明茶氨酸安全无毒,在摄取量上没有任何限制[5]。茶氨酸可经25%硫酸或6mol/L的盐酸水解为L-谷氨酸和乙胺;用茚三酮显色成紫色,其发色强度与谷氨酸相似;可用醋酸汞和碳酸钠沉淀,易与碱或铜生成淡紫色柱状铜盐[7]。茶氨酸的定性定量检测可用碱式碳酸铜沉淀法、强酸性阴离子交换树脂层析法、茚三酮显色法、纸层析法、薄层色谱法、气相色谱法、氨基酸自动分析仪、高效液相及胶束电动气毛细管色谱法等[8]。

2 茶氨酸的制备

近20年来,茶氨酸的制备得到了茶学、食品、精细化工及医药等领域众多研究者的关注,并且人们企图通过各种途径制备和生产茶氨酸。茶氨酸的主要制备途径有:提取分离法、化学合成法、植物组织细胞培养法和微生物发酵制备法[9]。

2.1 茶氨酸的提取分离法

2.1.1 溶剂沉淀法提取茶氨酸

从茶叶中提取分离茶氨酸是最直接、最有效的生产途径,也是茶叶深加工和茶叶资源利用领域的重要研究内容。传统提取分离茶氨酸使用的是试剂沉淀法[10]。用热水浸提后,分别用氯仿、醋酸铅除去提取液中的咖啡碱、茶多酚和树胶类杂质。滤液中加入碱式碳酸铜以析出茶氨酸-铜盐,再用稀硫酸转溶,通入硫化氢和加入适量氢氧化钡,滤除沉淀后即可得到茶氨酸净化液[11]。但茶叶中仅含有1%~2%的茶氨酸,且容易受硫酸钡沉淀析出而损失,此外提取纯化工艺容易被铅、铜、硫等离子污染,因此此方法不利于工业化生产。

2.1.2 离子交换法提取茶氨酸

离子交换技术是现行氨基酸工业中应用最为广泛的提取方法之一。1998年陈瑛等[12]用国产732阳离子交换树脂从茶愈伤组织浸提液中提取茶氨酸,得率为70%。通过静态、动态实验,他们对洗脱液的pH、离子强度、样液浓度和流速等因素进行考察,比较了在不同条件下树脂对茶氨酸的吸附情况。2004年,林智、杨勇等[13]人采用絮凝、吸附、阳离子树脂交换、重结晶工艺来分离纯化茶多酚工业废液中的茶氨酸。结果表明,絮凝能有效去除茶多酚工业废液中蛋白质等杂质,去除率为50%;吸附能进一步去除多酚类物质、色素及大分子有机物;阳离子交换树脂能较专一地吸附氨基酸。茶多酚工业废液经上述工艺可得纯度为50%的茶氨酸,得率为1.8%;通过重结晶可得到纯度为90%的茶氨酸,得率为0.8%。后来一些研究学者在这些基础上改进了洗脱工序,用pH7.38的磷酸缓冲盐为洗脱剂洗脱,减压浓缩后醇沉,离心上清液浓缩再用体积分数为95%的乙醇结晶,能得到提取率67%,产品纯度为99.41%的茶氨酸[14]。对茶叶加工生产厂家来说,这无疑为茶叶综合利用与开发提供新方向。

2.2 茶氨酸的化学合成法

1942年,以色列人Lichtenstein首次在实验室中用乙胺和吡咯烷酮在水溶液中反应得到茶氨酸,但产率仅为9%。1961年,Y.Yamda等利用反应物与生成物之间溶解性差异,用L-吡咯烷酮酸先形成铜盐,再与纯乙胺反应合成茶氨酸,大大提高了反应效率。1964年,T.Furuyama等采用二硫化碳保护α-氨基合成茶氨酸。N.Lichtenstein于1965年改用谷氨酸乙醛为原料,用钯碳催化还原合成茶氨酸,并在以色列申请了专利。1992年,Kawagishi等人又提出了一种用有水乙胺代替无水乙胺,用重结晶法代替层析法合成茶氨酸的新工艺。除此外,茶氨酸的化学合成法还有焦谷氨酸法、N-取代谷氨酸γ-酯法和N-取代谷氨酸酐法。如国内钱绍松等[11]采用N-取代谷氨酸酐法,以L-谷氨酸为原料,用廉价的邻苯二甲酰基作为保护基,与乙胺反应脱除保护基可得到61%的茶氨酸。尽管采用化学合成法制备茶氨酸具有成本低、操作相对简单、易于工业化的优点,但可能会残留毒性物质,生成物还包括D、L-型茶氨酸异构体,需要进行拆分才能得到L型产品。

2.3 茶氨酸的植物组织细胞培养法

利用茶树细胞和愈伤组织培养也可制备茶氨酸。Orihara等[15]培养茶树细胞,于B2K琼脂培养基中加入L-谷氨酸盐、乙胺和激素,在特定环境中振荡一段时间后即可获得茶氨酸。随后,人们通过改进上述方法,采用茶树细胞悬浮法合成茶氨酸,结果发现培养体系中茶氨酸的含量可占细胞干重的20%。1990年人们开始陆续报道通过培养茶树愈伤组织来制备茶氨酸,并进行培养体系的建立、培养条件的筛选等研究。如Marsuura,Drihara等研究了利用茶树茎尖等外植体培养产生愈伤组织,用愈伤组织生产茶氨酸。其结果表明,在愈伤组织中茶氨酸含量可达20mg/g干重。另有报道,采用组织培养方法,通过系列组织的优化,可使茶叶中茶氨酸的含量从茶叶中的1%~2%提高到愈伤组织中的10%~20%,在这一过程中,激素对茶氨酸产量的影响较大。采用植物组织细胞培养法生产茶氨酸,虽然茶氨酸相对产量较高,并且从培养液中提取茶氨酸相对比较容易,但由于目前运行成本仍过高,暂时还无法产业化。虽然如此,李健等[16]采用褐绒盖牛肝菌深层发酵来生产茶氨酸,为生产天然茶氨酸提供了一种有希望的新途径。

2.4 茶氨酸的微生物发酵制备法

近年来,随着生物技术的发展和应用,利用微生物发酵来生产酶,进而利用酶的提取物来进行目标物的生产越来越被广泛地应用。用于生产茶氨酸涉及的酶有茶氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酰胺酶、γ-谷氨酰胺转肽酶等。1965年,经证实在茶苗中含有茶氨酸合成酶,该酶在谷氨酸和乙胺的存在、ATP提供能量的条件下能催化茶氨酸的合成,但此酶极不稳定,合成产率较低,产品纯化也很复杂。1986年,Tachiki等[17]报道了从缬氨酸和乙胺通过偶联baker's真菌和细菌细胞的谷氨酸合成酶来生产茶氨酸,效果不错,但未能用于连续生产。1993年,Abelian[18]利用硝基还原假单孢细菌(IFO12694)中的固定化谷氨酰胺酶生产茶氨酸,该法已应用于工业化生产。日本太阳化学株式会社发明了两种制造茶氨酸的新方法,一种是使用来自香茅醇假单孢菌GEA的谷氨酰胺酶作用于谷氨酰胺和乙胺来生产茶氨酸,最高收率可达65%[19];另一种方法是使用来自芽孢杆菌属、霉菌或酵母中的1种或2种以上微生物的谷氨酰胺酶作用于谷氨酰胺和乙胺衍生物来生产茶氨酸[20],该法副产物少且谷氨酰胺的转化率可达75%,适合工业化生产。2002年,Hideyuki等[21]报道了从大肠杆菌(K-12)中提取γ-谷氨酰胺转肽酶,将谷氨酰胺和乙胺转化为茶氨酸,其转化率达60%,该酶所需反应时间短且不需要ATP参与。2007年Tachiki等人筛选到1株可以生产茶氨酸酶的甲基营养性菌[22],该酶可以克服对乙胺活力低的缺点,可望进行大规模生产茶氨酸。总之,微生物发酵法生产茶氨酸具有生产成本低、不受资源限制、不会造成环境污染、可大量生产、产品安全可靠等优点,前景非常诱人。

3 茶氨酸的应用

早在1964年日本就将茶氨酸定为食品添加剂使用,用于增强绿茶风味。但由于当时提取的茶氨酸价格非常昂贵,在食品中几乎无法使用推广。美国食品和药物管理局(FDA)在1985年认可了茶氨酸,并确认茶氨酸是一般安全的物质,在使用过程中不作限制用量的规定。1992年日本太阳化学公司研制成功的茶氨酸,价格低廉、纯度高且能大规模工厂化生产,使之作为商品可以在食品中添加应用[23]。茶氨酸因具有良好的安全性和稳定性,已在食品如饮料、焙烤点心、冷冻点心等中得到广泛应用。此外,茶氨酸特殊的性质和生理活性使其在食品和医药领域中起着重要作用。

3.1 茶氨酸在医药领域的应用

3.1.1 松弛神经紧张和放松作用

茶叶中含有较多具有提神兴奋作用的咖啡因,但饮茶后却不会产生饮入等量咖啡因的兴奋作用。对此,人们通过测定试验大鼠脑波变化实验来进行研究。木村等和Kimura等分别报道了茶氨酸可以抑制由咖啡因导致的小鼠自发性运动的增加[24]。1993年,TsunodaT等报道,当茶氨酸用量达1.740 mg/kg时,可显著抑制咖啡因引起的神经系统兴奋[25]。人和动物的大脑皮层都会产生很微弱的脑电波,根据其频率不同可分为4种:熟睡时为0.5~3Hz的δ-波,浅睡(假寐)时为 4~7Hz的 θ-波,安静状态时为8~13Hz的α-波,兴奋状态时为14Hz以上的β-波。α-波的产生是人身体产生舒畅、愉快感觉的标志。茶氨酸能促进α-波产生,从而引起舒畅、愉快的感觉,并且茶氨酸不会引起θ-波数量的增加,因此茶氨酸在使人情绪稳定的同时还能使注意力更加集中。

3.1.2 抗疲劳作用

王小雪等[26]研究证明了茶氨酸具有抗疲劳的作用。经口给予小鼠不同剂量的茶氨酸30d,能明显延长小鼠负重游泳的时间,减少肝糖原的消耗量,降低运动时血清尿素氮水平;对小鼠运动后血乳酸升高有明显的抑制作用,能促进运动后血乳酸的消除。因此,茶氨酸具有抗疲劳作用。其机理可能与茶氨酸可抑制5-羟色胺分泌,促进儿茶酚胺分泌有关 (5-羟色胺对中枢神经系统具有抑制作用,而儿茶酚胺具有兴奋作用)。

3.1.3 对脑神经细胞起保护作用

茶氨酸的神经保护作用最早由Nozawa等于1998年发现。我国学者也发现茶氨酸预处理组的神经特异性烯醇化酶(NSE)含量、脑组织活检超微结构、脑含水量指标、白介素-8(IL-8)的含量,均较脑缺血组有显著的改善,提示茶氨酸具有神经保护作用。实验还显示茶氨酸预处理组在再灌注30min时NSE含量与假手术组比较无差异,说明用茶氨酸预处理后可能使缺血后脑损害的发生延迟,为进一步治疗争取宝贵时间(王玉芬等,2006,2007),避免由脑缺血所致脑神经细胞死亡。

3.1.4 降血压作用

1995年日本静冈大学食品和营养学院的H.Yokogoshi报道了茶氨酸降压的动物实验。实验表明喂饲高剂量茶氨酸(1500~2000 mg/kg),人为升压的大鼠的收缩压、舒张压均有明显下降,此有效剂量较儿茶素、色氨酸高10~15倍。降压的机理是通过影响末梢神经血管系统来实现的。当给自发性高血压大鼠注射不同剂量茶氨酸时血压下降,尤其在高剂量组可观察到血压下降明显;但对正常血压的大鼠,即便是给予最高剂量茶氨酸,血压也不会改变[27]。Hidehiko等给小鼠腹腔注射茶氨酸,自发性高血压小鼠的舒张压、收缩压和平均血压均明显下降,并呈量效关系[28]。但茶氨酸是否对人体也有降压作用却至今还未见报道。

3.1.5 抗肿瘤作用

茶氨酸抗肿瘤的作用机理是:可增强抗癌药物的作用效果;减轻某些抗癌药物的副毒作用;有助于保持细胞的代谢平衡。茶氨酸与DOX同时使用,可以抑制小鼠肝癌细胞的转移[29]。2001年,Sadzuka等[30]进一步研究茶氨酸提高阿霉素抗癌活性的途径,指出茶氨酸是通过抑制肿瘤细胞中谷氨酸盐传输而提高阿霉素在肿瘤细胞中浓度,因而提高其抗癌疗效。总之,茶氨酸对癌症患者临床化学治疗是十分有益的,它不仅促进某些抗肿瘤药物作用,而且还能提高癌症病人的生活质量。

3.1.6 增强免疫作用

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。据美国研究显示,茶叶的这种作用可能与茶氨酸有关 (林智,2003)。Jack Bukowski的研究组发现,当接触到大剂量的茶氨酸体内代谢所产生的乙胺时,γ-δT细胞可以产生抗感染的化学物质(MichaelWRobbins,2004)。而非肽类烷基胺抗原存在于肿瘤细胞、寄生虫、细菌和真菌以及可食用物品如茶、苹果、蘑菇等中。用烷基胺预处理过的活体γ-δT细胞会对烷基胺类抗原产生记忆性反应。预处理同样导致对整个细胞和脂多糖的非记忆性反应。茶氨酸是非肽类抗原乙胺的前体,使外周血液γ-δT细胞接触到乙胺,从而介导记忆性反应,遇到细菌时可分泌γ干扰素,从而增强人体免疫力[31]。

3.1.7 降脂作用

茶氨酸可以减少体脂含量。用浓度为0.01%、0.02%、0.04%、0.08%和0.16%的茶氨酸溶液饲喂雌鼠16周,发现0.04%的溶液能有效减轻体脂,而其他浓度没有效果,体重仍然增加,但血清甘油三脂和没有脂化的脂肪酸及肝脏中的油脂含量显著下降(Guodong zheng et al,2005)。而用混有0.028%茶氨酸饲料喂养小鼠16周后,其体重比对照群明显下降,腹腔脂肪降至对照群58%,同时血液中脂肪及胆固醇含量分别减少32%和15%[6]。

3.1.8 提高学习和记忆力的作用

2004年,林雪玲等进行研究证明,无论是水迷宫实验还是跳台实验,不同剂量(100mg/kg,300mg/kg,900mg/kg)的茶氨酸均显示出增强小鼠学习记忆能力的作用。茶氨酸能缩短正常小鼠游完水迷宫的时间,减少进入盲端的次数;对记忆获得障碍小鼠可延长首次错误的出现时间,减少触电次数。而且茶氨酸对学习、记忆力的增强作用随其剂量的增加而增大[32]。

3.1.9 改善经期综合症的作用

经期综合症(简称PMS)是女性在月经前3到10日中出现的精神及身体上的不舒适症状。Juneja等考察了茶氨酸对PMS的改善作用,让24名女性每日服用茶氨酸200 mg,两个月后PMS症状(有头痛、腰痛、胸部胀痛、无力、易疲劳、烦躁、精神无法集中等)得到明显改善[33]。但其作用机理还需进一步调查,可能与茶氨酸的镇静作用有关 (吕毅等,2003)。

3.1.10 抗衰老作用

2008年,刘显明等以D-半乳糖致亚急性衰老小鼠为模型,采用Y电迷宫法检测小鼠学习记忆能力,同时采用酶法测定脑组织匀浆的超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)、一氧化氮合酶(NOS)和胆碱酯酶(AchE)活性。研究发现,与模型组比较,茶氨酸可明显提高衰老小鼠的学习记忆能力,提高SOD和AchE的活性,降低MDA含量。由此说明茶氨酸有明显的抗衰老作用,而其作用机制可能与其抑制自由基,促进中枢胆碱的功能有关。

3.1.11 抗糖尿病的作用

锌的异常代谢与某些生理代谢紊乱有关,如出现糖尿病并发症。锌在保护糖尿病心肌病人心脏免受各种氧化应激方面起着关键作用。补充锌是预防心脏氧化损伤的重要措施,锌补充剂可以预防或延缓糖尿病心肌病。虽然茶氨酸单独使用的降糖效果并不明显,但茶氨酸-锌复合物可以明显降低小鼠KK-Ay血糖和糖化血红蛋白(HbA1c,与糖尿病视网膜病变有关)水平[34]。茶氨酸-锌复合物作为锌补充剂在临床上用于预防糖尿病综合症有积极意义。

3.2 茶氨酸在茶叶及食品领域的应用

3.2.1 饮料的品质、风味改良剂

茶氨酸是茶叶鲜爽味的主要成分,能与糖相互作用,形成挥发性的香气成分;还可以缓解咖啡碱的苦味和茶多酚的苦涩味,在茶饮料生产中添加一定量的茶氨酸,能明显改善茶饮料的品质和风味。如日本麒麟公司新开发的“生茶”饮料就添加有茶氨酸,并在日本饮料市场上大获成功。茶氨酸不仅可以作为茶风味的改良剂,还可以抑制其他食品中的苦味和辣味。例如,可可饮料和麦茶都有独特的苦味或辣味,添加甜味剂会有一种不适口的味道,如以0.1%的L-茶氨酸替代甜味剂,饮料风味大为改善。研究还证实茶氨酸添加于其他食品(咖啡、人参饮品、啤酒等)中也有改善风味的良好效果。

3.2.2 有镇静、抗精神焦虑作用,可提高食品附加值

茶氨酸易溶于水,可以添加于焙烤食品、冷冻点心、糖果、糕点、冰棍、口香糖、罐头等几乎所有食品中。添加了茶氨酸的食品不仅有镇静安神的作用,而且还可以提高食品本身的附加值。

3.3 茶氨酸在其他方面的应用

除以上用途外,茶氨酸还有减肥,缓解抑郁症[35],改善年轻人睡眠,保护心脑血管[36],减轻酒精对肝脏的伤害作用[37]。茶氨酸可以作为镇静药、抗腐蚀剂、消臭剂、抗酸化剂和预防牙周病的牙膏添加剂,用于化妆品中作保湿剂等。

4 展望

随着经济发展,人们生活水平的提高,功能食品已成为人们生活中的一种追求。茶氨酸继茶多酚之后的又一大功能性物质,安全、无毒、具有多种生理功能。虽然我国在茶叶的生产与消费上居于世界前列,但对茶氨酸的研究还相对滞后。要发挥茶氨酸的功能作用,我们可以从栽培到生产进行系统的研究。

4.1 培育富含茶氨酸的茶树品种

茶树品种与茶氨酸含量关系密切,据研究:新梢白化茶树品种茶氨酸含量高于普通绿茶品种。而栽培技术条件对茶叶茶氨酸含量也有重要影响,氮肥有利于茶氨酸的生物合成和累积;肥料中过量的氯元素不利于茶氨酸的积累,但不影响其在吸收根的累积。茶叶制作过程不同,茶中茶氨酸含量也有明显变化。因此,可以通过比较从而控制茶树品种、探究栽培技术条件、改进制茶工艺等来使茶氨酸的天然源头茶树中富含茶氨酸。

4.2 加强利用微生物发酵法制备茶氨酸

近几年来,生物技术的发展迅速。但在我国,利用微生物发酵法来制备茶氨酸的技术还不是很成熟。利用微生物发酵或酶法生产茶氨酸涉及到酶活性的保持及反应条件,如底物浓度、温度和pH等调控问题。在今后,还应加强这些方面的研究以提高茶氨酸的转化率、产率及生产效率。

4.3 保健食品领域的应用

在茶氨酸应用方面,应致力于拓宽其在食品领域的应用,利用茶氨酸的特殊生理功能,开发功能性药物等等。茶氨酸是茶叶中含有的一种特殊氨基酸,具有多种保健功效。茶氨酸复合片剂现正争取通过国家有关机构的审批认证,这将大大加快我国茶氨酸终端产品的开发。

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