太空茶叶中矿物质及抗氧化营养成分的溶出特性研究

董海胜， 臧 鹏， 马少君， 徐 楠， 简一平

（1.中国航天员科研训练中心航天营养与食品工程重点实验室， 北京 100094；2.北京笑傲天宫生物科技有限公司， 北京 100097）

1 引言

在轨飞行过程中乘组会受辐射、微重力及昼夜节律变化等因素的影响，机体长期处于应激状态，消化、神经及血液循环多个生理系统发生适应性变化［1］。 太空飞行过程中肠胃功能较弱，进食饮水量下降，配置茶类产品有助于消食除腻，茶叶冲泡获得的茶水富含矿物质元素、茶多酚类物质具有有益的生理作用，其中的抗氧化成分具有抗辐射、抗炎、调节免疫及肠道菌群等功能［2－3］。 国外航天食品系统中通常以固体速溶茶饮料的形式提供，在轨复水后饮用，包括多种口味［4］。 中国航天食品中茶类产品以茶叶形式提供，经过特殊包装以适应失重环境下饮用对冲泡器皿及卫生学的要求，同时能够更好地满足飞行乘组泡茶体验。

航天饮水通常为经过过滤得到的去离子水，滤除了人体必需的钾、钙、镁等营养元素，而茶叶富含钾、钙、镁等多种人体必需常量元素，采用航天饮水冲泡过程中溶出，可作为飞行乘组补充矿物质元素的来源之一。 载人航天飞行营养保障实践中，通过将具有调节心理状态和改善认知的食源性功能成分强化到航天食品中，如γ－氨基丁酸（γ－Aminobutyric Acid，GABA）、茶氨酸、木樨草素，实施生物节律调控，有望在深空探索任务航天功能食品中得到应用［5－6］。 GABA 是一种非蛋白质氨基酸，在茶叶中天然存在，在大脑中起抑制神经递质的作用，具有降血压、抗癫痫、抗焦虑、抗抑郁及镇静等作用［7－9］。 对于长期载人航天飞行任务，乘组长期处于孤闭隔离的空间中，承受来自各个方面的心理应激，通过饮茶摄入相应的具有调节情绪功能的成分或可作为心理支持的手段之一。

在神舟十一号的飞行食谱中，为乘组配置了绿茶和红茶2 种茶，实现了中国首次太空泡茶。不同茶叶中特有的矿物质营养元素、茶多酚及氨基酸等组成，赋予了不同品种茶叶独特的感官品质，太空绿茶及太空红茶综合了不同产地茶叶的优势复配而成，风味独特［10］。 而航天工况下茶中矿物质营养元素及抗氧化活性成分等的溶出特性尚缺乏数据支持，为研究航天工况下冲泡绿茶及红茶，钾、钙、镁、钠、GABA、没食子儿茶素没食子酸酯（Epigallocatechin－3－gallate，EGCG）以及没儿茶素没食子酸酯（Epicatechin Gallate，ECG）7种成分溶出特性，本文通过模拟航天工况冲泡绿茶及红茶，采用电感耦合等离子体发射光谱法及液相色谱串联质谱法测定多次冲泡得到的茶水中7 种成分的含量，为航天用绿茶和红茶的生产加工、在轨冲泡饮用提供参考依据。

2 方法

2.1 材料

太空红茶及绿茶由北京笑傲天宫生物科技有限公司生产提供，包装材料为食品级聚乳酸纤维茶包及非PVC5 层共挤复合膜袋，规格为3 g／袋，与交付航天飞行的产品一致，详见图1 所示，采用饮水管通过复水装置注水冲泡及饮用。 太空红茶融合不同产地红茶的优势，由工夫红茶、红碎茶、小种红茶等红茶品种组合制备而成；太空绿茶融合不同产地绿茶优势，由中小叶种绿茶、大叶种绿茶、蒸青茶、珠茶及眉茶等绿茶品种组合制备而成。

图1 太空绿茶（左）及太空红茶（右）Fig.1 Space green tea（left） and space black tea（right）

2.2 试剂

EGCG（CAS 989－51－5）、ECG（CAS 1257－08－5）及GABA（CAS 56－12－2）标准品；乙腈（质谱纯）。 标准储备液：Ca、K、Mg 及Na 等元素的标准储备液均为1000 mg／L；40 目试验筛；高纯氩气纯度≥99.999%（北京普莱克斯气体有限公司）；硝酸、过氧化氢，均为优级纯（GR）；超纯水，韩国。

2.3 仪器

Shimadzu Nexera X2 UHPLC-8060MS 液相色谱质谱仪（岛津企业管理有限公司）；Micro CL 21R 微量离心机（Thermo Scientific）；Discovery ®HS F5－3 HPLC 色谱柱（3 μm×15 cm×2.1 mm，Sigma-Aldrich 公司）；UPM-N15L 超纯水机（上海仪电科学仪器股份有限公司）；XH－800B 高压密闭微波消解仪；Agilent725－ES 电感耦合等离子体发射光谱仪（美国安捷伦科技公司，校准合格编号IP1105M167）；高速粉碎机（北京环亚天元机械设备有限公司）。

2.4 冷泡流程

模拟航天工况下绿茶及红茶（图1）冷泡流程如下：取绿茶和红茶各3 g，采用食品级滤网包装（聚乳酸纤维），置于专用复合膜袋中进行密封包装；然后将包装好的产品按3 g：200 g（茶叶干重：水）的比例用（65±1）℃去离子饮用水浸泡10 min，得到第一次冲泡的茶水，按上述步骤依次冲泡4 次，分别取样，得到第2 次～第5 次冲泡茶水。 取同批次样品重复处理2 次待测。

2.5 元素测定

参考电感耦合等离子体光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，ICP-OES）［9］，将绿茶及红茶20 g 左右粉碎过40 目试验筛，精确称取有代表性的样品0.5 g，置于聚四氟乙烯消化罐底部，依次加入10 mL 硝酸、1 mL 过氧化氢，常温常压预消解30 min；预消解结束后，放入微波消解仪内进行消解并冷却，得到澄清透明的消解液，移到100 mL 容量瓶中，并用超纯水清洗消化罐3 次以上，一并转移至容量瓶中，基质匹配、定容，混匀待测；取泡茶水上清30 mL 待测。 样品重复处理测定2 次。

电感耦合等离子体发射光谱仪工作参数：高频发生器功率1.2 kW，雾化气压力为200 kPa，等离子体气为15 L／min，辅助气为1.5 L／min，泵速为15 r／min，一次读数时间5 s，读数次数为3，进样延时为30 s，稳定延时为15 s。

元素定性定量分析谱线：Ca 396.847 nm，K 769.897 nm，Mg 279.553 nm，Na 589.592 nm。 混合标准溶液：取1000 mg／L Ca、Mg、K、Na 单标各4 mL 至100 mL 容量瓶中，定容混匀得到混合标准溶液S；取混合标准溶液S 分别以5 倍梯度稀释，溶剂介质为硝酸溶液（1 ∶4），得到4 个浓度梯度标准溶液；以溶剂为空白；测定标准溶液溶剂空白的强度后，按由低到高顺序分别测定混合标准溶液，外标法定量；泡茶水中元素浓度直接读数得出。

茶叶中元素的含量以质量分数Xi表示，按式（1）计算。

式中，Xi为试样中元素的质量分数（mg／kg），Ci为试样溶液中被测元素的浓度（mg／L），Ci0为空白溶液中被测元素的浓度（mg／L），V为试样溶液中定容体积（L），m为试样的质量（g）。

2.6 质谱分析

取泡茶水2 mL，－4 ℃下12 000 r／min 冷冻离心10 min，取离心上清液参考文献［11］方法，采用液相色谱串联质谱法检测EGCG、ECG 及GABA 含量。 进样量5 μL，流动相A（0.1%甲酸，水），流动相B（0.1%甲酸，乙腈），250 μL／min 流速，梯度洗脱（25%流动相A 保存1 min，至11 min时至100%流动相B），加热温度为40 ℃，雾化气流为3 L ／ min，干燥气流为10 L ／ min，加热气流为1010 L ／ min，界面ESI，界面电压为4 kV，界面电流1.8 μA，界面温度300 ℃，DL 温度250 ℃，加热块温度400 ℃，IG 真空为2.1×10－3Pa，PG真空为1.6×102Pa，CID 气体为270 kPa，MRM 分析模式，MS 运行时间为0 ～18.66 min，结束时间为25 min／样品。 以去离子水为空白。 按由低到高顺序分别测定样品，根据保留时间、质荷比及碎片信息进行定性。

EGCG、ECG 及GABA 3 种化合物的相对浓度取峰面积的常用对数，见式（2）。

式中，Ai，j为第i次浸泡茶水中待测化合物j的峰面积，Ci，j为第i次浸泡茶水中待测化合物j的相对浓度。

3 结果

3.1 矿物质营养元素溶出特性

采用电感耦合等离子体发射光谱法建立了Ca、K、Mg 及Na 4 种元素定量分析标准工作曲线，由表1 可见，Ca、K、Mg 及Na 分别选取396.847 nm、769.897 nm、589.592 nm 及279.553 nm 作为特征定量分析波长，各元素在相应特征分析谱线下的净光强度与浓度呈良好的线性关系，工作曲线相关系数R均大于0.997，满足定量分析要求。

表1 Ca、K、Mg 及Na 标准工作曲线Table 1 Standard curve of Ca， K， Mg and Na

采用微波消解结合电感耦合等离子体发射光谱法测定获得的绿茶及红茶中Ca、K、Mg 及Na 元素的含量是茶叶中相应元素的总含量，包括螯合形式和游离形式等所有元素形态和价态，如表2所示。 可以看出，太空绿茶及太空红茶样品中4种元素由高到低的顺序均为K、Ca、Mg 及Na；高K、Ca 及Mg 含量、低Na 含量是太空绿茶及太空红茶样品的共性特点。 模拟航天工况下冲泡绿茶及红茶样品，在首次冲泡时4 种元素溶出率均最高，由高到低依次为K、Mg、Na 及Ca。 将各元素冲泡溶出率与冲泡次数进行拟合，如图2 所示，成指数关系，相关系数均大于0.9。 绿茶中Ca、K、Mg 及Na 5 次冲泡溶出率合计分别为7.17%、86.98%、44.25%、17.95%；红茶5 次冲泡溶出率合计分别为5.2%、93.34%、36.04%和26.19%。

表2 太空绿茶及太空红茶中钾、钙、钠及镁元素溶出含量Table 2 Dissolution contents of 4 kinds of elements in space green tea and space black tea

图2 钾（a）、镁（b）、钠（c）、钙（d）元素溶出率随冲泡次数的关系Fig.2 Relationship between dissolution rate and brewing times for K（a）， Mg（b）， Na（c） and Ca（d）

3.2 EGCG、ECG 及GABA 溶出特性

采用质谱多反应监测（Multiple reaction Monitoring，MRM）正离子分析模式，用于EGCG、ECG及GABA 的定性及定量分析的母离子及子离子对 分 别 为 104.10 ＞45.10， 443.00 ＞123.05，459.00＞288.95。 由图3（a）～（c）各化合物分子结构式可见，3 种化合物均为极性化合物，在强极性色谱柱上的保留强弱依次为EGCG ＞ECG ＞GABA。 采用0.1%甲酸，乙腈作为流动相洗脱，ECG、 GABA 和 EGCG 保 留 时 间 分 别 为7.278 min、3.657 min 和7.928 min，如图3（d）～（f）所示。

图3 ECG、GABA 和EGCG 的化学结构及出峰顺序Fig.3 The structure and peak sequence of ECG，GABA and EGCG

太空绿茶和太空红茶不同冲泡次数条件下，茶水中EGCG，ECG 及GABA 的动态溶出曲线如图4 所示。 EGCG，ECG 及GABA 是茶叶的天然次生代谢产物，绿茶中EGCG，ECG 溶出高于红茶，而红茶中GABA 溶出高于绿茶。 相同固液比条件下连续5 次冲泡，EGCG，ECG 和GABA 溶出量和冲泡次数之间呈线性降低趋势，相关系数均大于0.93。

图4 绿茶和红茶梯度冲泡过程中ECG（a），GABA（b）和EGCG（c）的动态浸出过程Fig.4 The dynamic leaching process of ECG（a），GABA（b） and EGCG（c） during gradient brewing of green tea and black tea

4 讨论

钠与氯化物一起被人体用于维持细胞外液正常的水分布，渗透压和阴离子、阳离子平衡。 航天食品系统中的钠含量需要重点关注，航天飞行中摄入大量钠会加剧骨丢失，并导致肾结石形成的风险增加，因此限制飞行食谱中钠的摄入对维持机体健康至关重要［1］。 太空绿茶及太空红茶中钠元素含量均较低，将其配置在飞行食谱中产生的钠元素贡献量较低，便于根据乘组喜好适当增配。 钾离子是最丰富的细胞内阳离子，对神经传导、酸碱平衡、能量代谢、血压及膜运输和体液分布至关重要。 研究表明，太空飞行后血清和尿液中的钾水平下降，体重降低以及高钠的摄入可能导致钾的消耗［1］。 因此在飞行食谱中要保障足够的钾供给，太空绿茶及太空红茶中钾元素均较高，且溶出率最高，将其配置在飞行食谱中，可以提供天然来源的钾。

钙和镁是重要的二价离子，通常在生物体中以络合形式存在，在维持机体肌肉骨骼系统健康中起重要作用，同时是多种酶的活化剂。 对于长期航天飞行任务，飞行过程中和飞行后骨丢失和肾结石形成的风险显著增加［1，12］。 饮食中足量的钙和镁摄入量，对于维持骨骼健康至关重要。 太空绿茶及太空红茶中钙和镁元素含量均较高，但是溶出率较低，5 次冲泡镁元素溶出率合计＜37%，钙元素＜7.2%，因此，有必要研究提高钙及镁元素溶出率方法或者配置可供直接食用的绿茶抹茶类产品。 茶叶作为富含矿物质、茶多酚等多种成分的天然食物，其生物利用率受多种因素的影响［13］，需要进一步探讨失重环境下茶中不同成分代谢吸收特点规律。

茶叶萃取物中非膳食营养活性成分质量分数占50%以上，包括EGCG、ECG 等茶多酚类物质，对促进机体健康具有重要作用［2－3］。 航天飞行过程中微重力、狭小孤闭空间、噪声、高强度在轨工作负荷及辐射暴露使航天员处于较高的氧化应激状态，长期飞行后航天员体内的脂质过氧化物明显增多，通过膳食途径，摄入抗氧化、抗辐射成分，如EGCG，ECG 等，清除机体内自由基，有助于拮抗航天特因环境对机体的不利影响［10］。 红茶相比绿茶，具有较高的GABA 含量，可能与其加工过程有关，Hinton 等［14］研究表明，厌氧或真空处理，均可产生富集GABA 的作用。 GABA 在中枢神经系统中主要起抑制神经递质的作用，红茶含有较高的GABA 可以作为乘组入轨初期调节昼夜节律紊乱的饮品。

保持人体正常的血液动力学状态和正常的渗透压是必需的，必须摄入足够的液体，这对于心血管健康以及维持液体和电解质的动态平衡至关重要［15］。 飞行期间液体摄入量通常少于飞行前摄入量，并且通常低于建议的数量，航天飞行引起的体重降低可能与机体脱水和主动饮水量降低有关，因此需注意确保足够的液体摄入和机体水合状态。 液体摄入不足会增加脱水和肾结石形成的风险。 通过饮茶的方式主动饮水，有助于实现推荐饮水量摄入目标。 不同水质影响泡茶的理化特性和感官品质，采用纯净水泡茶，水质呈弱酸性，有助于提升茶水的感官品质，且促进了儿茶素物质的溶出［16-17］，根据EGCG、ECG 及GABA 溶出特点，太空红茶及太空绿茶具有耐受多次冲泡的特点，采用多次冲泡的方式，能最大限度萃取出茶叶中活性成分。

5 结论

1）模拟航天工况下冲泡太空绿茶及太空红茶，对钾、钙、钠、镁4 种矿物质营养成分及EGCG、ECG、GABA 3 种非膳食营养活性成分的溶出特性研究发现，4 种矿物质营养元素随冲泡次数呈指数衰减趋势，3 种非膳食营养活性成分呈线性衰减趋势。 一价元素钾溶出率最高，二价元素钙溶出率最低。

2）模拟航天工况下多次冲泡太空绿茶及太空红茶，起到了梯度萃取的作用，矿物质营养元素和非膳食营养活性成分得以持续溶出，反复冲泡饮用5 次，主动饮水量达到了1000 mL。 研究结果为太空绿茶及太空红茶的生产加工、冲泡饮用及其在航天中的应用提供参考。