茶色素研究现状及应用开发前景

摘 要：茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎症、降血脂等多种功能，以及良好的着色性能被广泛应用于食品、医疗以及纺织印染领域。本文综述了茶色素的结构和性质，以及提取和纯化工艺，对茶色素在食品、医疗及纺织领域的应用前景进行了展望，提出探索茶黄素、茶红素以及茶褐素的分离和具体结构，茶色素的稳定性将是未来的主要研究方向。

关键词：茶色素；提取与纯化；纺织印染

中图分类号：TS193.5" " " " " " "文献标志码：A" " " " " " " 文章编号：1674-2346（2024）04-0031-07

Research Status and Application Development Prospect of Tea Pigment

HE Jixiang1" " ZHAO Yadong2" " LV Zhuangyuan2" " MA Dehong1

WANG Hao1" " ZHAO Hudie1" " ZHANG Dongdong1" " WANG Xuemei1

（1.Lanzhou University of Technology，School of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou，Gansu 730050，China;"2.Lanzhou Sanmao Industrial LLC，Lanzhou，Gansu 730050，China）

Abstract： Tea pigment is widely used in the fields of food，medicine，and textile printing and dyeing due to its anti-cancer，flame retardant，anti-oxidation， anti-ultraviolet， anti-inflammatory，hypolipidemic properties and other functions，as well as good coloring performance.This paper reviews the structure and properties of tea pigment， as well as its extraction and purification processes，discusses the potential application prospect of tea pigment in the food，medical，and textile fields and proposes that the exploration of the separation and specific structure of theaflavins，thearubigins，and theabrownins，and the stability of tea pigment is the main research direction.

Key words： tea pigment;extraction and purification;textile printing and dyeing

茶是世界上最受欢迎的功能性饮品之一[1]。根据发酵程度，茶可分为3类：非发酵茶（绿茶）、半发酵茶（普洱茶和铁观音）和完全发酵茶（红茶）[2]。根据生产工艺的特点，茶可进一步分为红茶、黑茶、乌龙茶、黄茶、绿茶、白茶6类[3-7]。经研究发现茶叶富含多种活性成分，包括茶多糖、茶多酚、茶色素、咖啡因、蛋白质、维生素和矿物质等[8-10]。这些活性成分主要起到抗癌、抗氧化、减肥、抗炎、降血脂等多种药理功能作用。大约公元907～979年洪氏官吏使用茶叶汤汁对纸张进行染色，在织物染色方面的染色记录则始于元代。进入21世纪，随着对茶的深入研究，茶不但因容易获得、价格低廉、营养、保健、抗癌、抗氧化、减肥等特性而备受青睐[3，11-12]，茶色素也成为研究的热点，并受到全球的广泛关注[13]。

本文系统列举了茶色素的结构和性能，详细介绍了茶色素提取和纯化方法及其应用现状，重点介绍茶色素在纺织印染领域的用途和发展，展望茶色素的研究和未来开发应用前景。

1" " 茶色素的结构和性质

茶色素是一种具有多种生物活性的植物色素，表现出多种药理作用。茶色素含有多酚、糖、氨基酸、黄酮类化合物、生物碱、类固醇和其他成分。茶色素可分为茶黄素（TFs）、茶红素（TRs）和茶褐素（TSs）3种。

茶黄素是茶叶多酚类物质氧化聚合形成的具有苯骈卓酚酮结构的色素，主要由茶黄酸等几类色素按一定比例组成，具有的羟基结构赋予了茶黄素很强的抗氧化潜力[14]，化学结构式如图1所示，其中TF1为theaflavin，TF2a是theaflavin-3-O-gallate，TF2b则是theaflavin-3′-O-gallate，TF3则为theaflavin-3，3′-di-O-gallate。茶黄素易溶于热水、醋酸乙酯、正丁醇，因此可应用到食品，医疗和印染领域，赋予抗氧化等生物活性。

茶红素是一类复杂不均的酚类化合物，也是红茶多酚氧化产物中最多的一类聚合物，茶红素的先质是儿茶素类、儿茶素的二聚物和双黄烷醇类，儿茶素为多羟基苯并吡喃结构，其苯环上的邻二羟基极为活泼，存在一定酸性，具有较强的还原性，易发生聚合反应形成同源二聚体双黄烷醇类或茶红素，同时双黄烷醇类可进一步与茶黄素类发生氧化聚合、缩合等一系列生化反应，生成茶红素类物质[15]。茶红素化学结构式如图2所示。Rob片段ts[16] 率先提出，TRs 是在TFs氧化降解等化学变化的基础上，形成了红褐色的酸性色素片断，据此推断出 TRs 的结构。Brown等[17]研究指出，TRs是一种原花色素聚合体的聚合物，经过进一步降解，形成儿茶素、没食子酸和花色素。Ozawa 等[18]通过对 TRs 进行甲基化、脱没食子化和酸碱化学降解等试验，发现TRs是在儿茶素的4、8或 6、2'和6位相结合，且B环和B环、4和8或6位相结合结构的一类儿茶素异聚物。近现代以来，也有一些学者[19-20]根据产生茶红素的机制并加以现代技术手段辅助来推测茶色素的可能结构。茶红素同样易溶于热水、正丁醇，可采用原位染色实现对蚕丝和羊毛织物的上染[21]。

茶褐素是红茶中一类酚性氧化聚合物的异质类群，目前已知的组分包括茶多酚、儿茶素低聚合物、茶多糖、蛋白质、核酸等，是一类富含羟基、羧基、甲基和氨基等多种功能性基团的具有酚类物质特性的褐色高聚物[22]，谭超等[23-24]采用 CP-GC/MS 分析得到了茶褐素可能存在的几种化合物结构，结果如图3所示，茶褐素能溶于水而不溶于乙酸乙酯和正丁醇，由于茶黄素和茶红素可通过酶、氧气或氧化剂被最终氧化为茶褐素而存在，故而应用最多。

此外，与大多数天然色素相似，茶色素也存在稳定性差、易水解等影响开发和应用的问题[25，26]，需要在后续研究中加以改善和解决。

2" " 茶色素的提取及纯化

2.1" " 茶色素的提取

茶色素的提取及纯化流程图如图4所示，茶色素的提取方法主要包括体外模拟氧化法和直接提取法。直接提取法可进一步分为以浸提法为代表的传统提取法和以微波、超声波等为代表的现代提取法。

2.1.1" " 传统提取法

传统的提取法主要是溶剂提取法，而提取过程中使用的溶剂、底物类型、料液比、提取温度和时间都可能会影响茶叶各色素的提取率和色素总含量[27-28]。根据茶色素的溶解性可选择不同的溶剂类型如蒸馏水、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇和三氯甲烷等提取茶色素[29]。溶剂的选择还应基于茶色素提取物的应用，在提取茶色素染色时，应避免使用危险的有机溶剂[30]。使用不同料液比的含水乙醇提取茶叶中的茶色素，提取率升高，但通过实验得到的优化的条件是不同的，并且会产生许多脂溶性杂质[31]。由于水是一种无毒、难燃和廉价的绿色溶剂，使得蒸馏水成为提取茶色素的最佳溶剂，曾有学者使用沸水提取茶色素[31]，但该方法会导致茶溶液在加热时的温度偏高，使茶色素中的多酚物质发生聚合反应，加深提取物的颜色。传统的提取法还存在着提取时间长、劳动强度大 、原料预处理能耗大 、热敏性组分易破坏等缺点。总之，使用单一的溶剂提取法，除消耗溶剂、时间和热能等几个缺点外，得到的提取物还是茶黄素、茶红素、茶褐素的混合物[32]，未来应加强这3种茶色素的分离提取研究，同时鉴定其结构。

2.1.2" " 现代提取法

考虑到能源消耗及生态环境问题，需要进一步研究其他新型提取技术如超临界流体法、微波辅助法、超声辅助法、亚临界水法和低共熔溶剂等方法。但是超临界流体提取法缺点明显，设备要求高，操作严格，难以实现大规模生产。近现代以来很多学者使用微波及超声波来提取茶色素，王雪梅等[33]用微波辅助下的乙醇水溶液来提取红茶色素，不仅提高了色素的提取率，而且节约了色素提取成本。刘丽辰等[34]探索了亚临界水法提取茶色素，此方法具有环境友好、提取效率高、操作方便等优点，但成本较高。而低共熔溶剂因其具有与水相溶、低挥发性、可降解以及简单易制备等优点，被认为是一种新型的且具有发展前景的绿色溶剂。

2.1.3" " 体外模拟氧化法

茶色素的体外模拟氧化是指人为地创造出能够促使茶多酚发生氧化反应的条件，从而模拟红茶中茶多酚发生氧化反应转化成茶色素的过程[35]。根据操作原理的不同，可将该方法再细分为：体外模拟酶促氧化、体外模拟化学氧化和自氧化3种方法。近些年使用最多的是体外模拟酶促氧化，王富邦等[36-37]就曾采用此方法上染蚕丝织物，得到色牢度良好的蚕丝织物。作为茶色素的前驱体――茶多酚，是茶叶中酚类物质的总称[38]，在茶中含量最高，约占茶叶干重的20％～35％[39]，茶多酚中的主要活性成分儿茶素含量为 50％～70％[40]，包括儿茶素、表儿茶素（EC）、半乳子儿茶素（GC）、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素没食子酸酯（CG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、半乳儿茶素没食子酸酯（GCG）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）[7-8， 10， 38， 41]。体外模拟氧化法产生茶色素的过程即为儿茶素、表儿茶素等在氧化酶、氧化剂或者氧气中被氧化为复杂的茶黄素和茶红素，茶黄素和茶红素进一步氧化聚合成为茶褐素[42-43]。体外模拟氧化法提取色素凭借提取效率高，提取含量高的优点而成为目前使用最频繁的提取茶色素的方法。

2.2" " 茶色素的纯化

茶色素常用的纯化方法包括聚酰胺层析法、凝胶层析法、高速逆流色谱法、高效液相色谱法以及大孔吸附树脂等[44]。聚酰胺层析法的不足主要有分离时流速较慢和一些小分子杂质会混入，凝胶层析法主要存在耗时长和不能处理大分子等缺点。高速逆流色谱法与高效液相色谱法存在成本较高，设备投资费用以及能耗大等缺点。而大孔吸附树脂是一类绿色环保的有机高分子聚合物吸附剂，是精制纯化茶色素的一种有效方法，具有使用简单，使用周期长，物理化学稳定性高等优点。但由于大孔吸附树脂的特殊性质，使其并不适用于一些高温、高压、酸、碱等特殊环境。

3" " 茶色素的应用

茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎症、降血脂等多种功能作用，被广泛应用于食品、医疗以及纺织印染领域。

3.1" " 食品

合成色素虽然凭借成本低、色泽艳、稳定性等优点扩大了其在食品领域的应用范围，但对人体存在着不同程度的伤害等严重问题。目前，茶色素在食品领域主要被当作天然着色剂，添加于饮料、蛋糕、饼干、口香糖、果酱、面包、果冻、冰激凌、火腿、色拉油、巧克力等多种食品中，茶色素相较于合成色素具有色泽自然、水溶性好、刺激性小、对人体有良好的保健功能等优点。今后，展开对茶色素成为一种新型天然保健食用色素的研究和利用，从而代替部分合成色素成为食用色素，将是一种必然趋势。

3.2" " 医疗

茶色素作为一类天然、绿色、安全的活性物质已被证实具有抗癌、抗氧化、抗肿瘤、降血脂等多种药理功能[29]。在医疗领域则被用于心脑血管、消化、牙齿等方面疾病的治疗中，且与其他治疗药物相比，茶色素具有毒副作用小的显著优点。贾梦雪等[29]提出在高镁条件下茶色素对离体蟾蜍心脏有明显的保护作用。茶色素防治心脑血管疾病的作用机理主要是通过抗氧化、抗炎、降血压、降血脂以及抑制血小板聚集实现的。临床研究表明，茶色素对于消化系统方面的疾病也具有一定治疗效果。王再谟等[35]将茶色素制成胶囊用来治疗患者的慢性腹泻。经进一步研究推测，茶色素对慢性腹泻的良好治疗效果可能与茶色素提高小肠吸收能力、增强免疫细胞活性和调节肠道菌群有关。还有研究者[35]发现茶色素对抑制胃黏膜癌变具有一定治疗效果。此外，由于茶色素对形成龋齿的细菌有抑制作用，且还具有消炎、除口臭等效果[45-46]，将茶色素作为牙膏添加剂不仅赋予牙膏以自然的颜色，还可提高牙膏的防龋和洁齿功能。

3.3" " 纺织印染

目前，茶色素在纺织领域主要用于纺织品的染色。茶染的染色原理是茶多酚与棉、麻、丝绸中的纤维素或蛋白质分子结合发生氧化聚合反应，茶多酚的氧化特性可以对不同的织物着色，根据媒染剂的不同能够形成不同的颜色。王雪梅等[47]研究了在不同媒染剂作用下，运用正交实验法优化黑茶色素对竹纤维的染色工艺，获得了耐洗色牢度良好的染色产品。王富邦等[36-37]利用漆酶生物转化将茶多酚作为前驱体转化为染料，同时实现织物染色，得到色牢度优良的染色织物，且在染色过程中未使用有害环境的添加剂来提高染料的吸收和固色，属于生态环保染色。于学智等[48]则使用普洱茶色素上染柞蚕丝织物，发现经茶色素上染的柞蚕丝织物断裂强力稍有降低，拉伸性及抗皱性得到提高。程桐怀等[38， 49]从茶梗废弃物中提取天然功能性茶色素，并将之用于蚕丝及棉织物的染色及功能改性，经研究得出染色蚕丝及染色棉织物均表现出良好的生物活性、阻燃性及紫外防护功能。姜秀娟等[40]研究了茶色素上染羊毛织物，发现茶色素染色总体色牢度表现较好，染色过程绿色无污染，染后织物兼具抗菌等保健效果。

4" " 结" " 论

茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎症、降血脂等多种功能作用，以及良好的着色性能被广泛应用于食品、医疗以及纺织印染领域。为进一步凸显茶色素性能优势，扩大开发和应用领域，此后的研究可围绕以下几方面展开。

（1）加强对茶黄素、茶红素以及茶褐素的分离提取和快速鉴定研究。（2）为进一步降低成本，提高废物利用效果，可从废弃的茶梗中提取茶色素制成天然染料，应用于纺织印染领域。（3）采用纳米颗粒、水凝胶、气凝胶、微胶囊和金属骨架等涂覆的方法提高茶色素稳定性和缓释效果，同时扩大其应用领域：在环境领域，可用于气体分离和污染物吸附等；在电子器件领域，可用于光学器件、传感器和电子废物处理等方面；在生物医学领域，则可用于药物传递、组织工程和生物传感等方面。

相信在不久的将来，稳定性好、缓释效果好的天然茶色素将以独特的性能优势，广泛应用于纺织印染、食品、药品和化妆品着色，以及生物医药和环境工程领域。

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