茶褐素(theabrownins,TB)是茶叶中的一种天然褐色色素,与茶黄素、茶红素统称为茶色素。一般认为茶褐素是一类不溶于氯仿、乙酸乙酯、正丁醇等有机溶剂的水溶性褐色高聚物,具有酚类物质的特性。研究推测,茶褐素的形成途径为茶叶中的内源酶如儿茶酚氧化酶先将儿茶素等酚类物质氧化为邻醌,邻醌类再进行氧化聚合形成茶黄素、茶红素,进而通过耦合作用与其他化合物相互聚合形成茶褐素[1]。在完全发酵的红茶中,茶黄素和茶红素的含量较高[2],而在发酵后的黑茶中,如茯砖茶和普洱茶,茶褐素是主要的多酚类化合物,并随着发酵时间的延长而增加。茶褐素对于茶汤的色泽和滋味等品质特性的形成均有一定的影响[3],其含量也是判断黑茶品质的一个重要参数。故而茶褐素主要存在于黑茶中,尤其是普洱茶中含量最高,占普洱熟茶干重的12% [4];也存在于红茶和乌龙茶中。大多数研究者主要从普洱熟茶中提取分离得到茶褐素,并对其进行结构性质的解析。茶褐素结构中含有羧基、羟基等官能团,因而茶褐素具有抗氧化、降血脂、抗癌及调节肠道菌群等多种生理功效,极具开发价值。由于茶褐素的组成复杂,分离纯化较为困难,所以对其组成结构及其与生物活性的关系尚不明确,目前依然处于探索阶段。本文综述茶褐素的制备工艺、理化性质及其生物活性等方面的最新研究结果,以期为茶褐素的后续研究提供参考。
茶褐素一般从黑茶中提取而来,尤其是渥堆发酵的普洱茶。渥堆发酵是在湿热环境中,茶叶中以儿茶素为主的多酚类物质经内源酶及微生物发酵作用一步步转化为茶褐素。微生物作用的实质是通过微生物分泌的胞外酶如过氧化物酶、抗坏血酸氧化酶等的促进作用。可见,酶在茶褐素形成过程中十分重要。
传统发酵制备普洱茶中的茶褐素含量为8.33%~13.65% [5]。研究者提出在渥堆发酵过程中添加外源酶促进产物的转化来提高发酵效率。由于添加酶的成本较高,考虑到茶褐素产业化的经济效益,许多研究者通过接种优势菌种以加速发酵进程。采用微生物液态发酵可快速合成茶褐素,弥补传统工艺的不足,同时通过筛选优势菌种、优化发酵条件以提高产率。田燕华[6]比较杰丁毕赤酵母、黑曲霉、烟曲霉3种菌种的发酵效率,发现烟曲霉发酵产生的茶褐素含量最高。同时,烟曲霉(27.11% )和黑曲霉(16.29% )发酵所得茶褐素含量明显高于传统渥堆发酵并缩短了发酵时间。罗春燕[7]以碎末茶为原料,通过黑曲霉发酵制备茶褐素,采用响应面优化工艺后所得茶褐素含量为29.07% 。茶叶中内源酶结合微生物发酵法可进一步提高茶褐素的产量。郑梦娇[8]探究塔宾曲霉、烟曲霉和布朗克假丝酵母的发酵性能,结果表明,3种菌种发酵所得茶褐素含量分别为21.72% 、20.96% 、37.56% 。此外,研究发现无论哪种菌种,先经内源酶催化后再接种发酵,最终茶褐素得率均有一定提高。其中,内源酶结合布朗克假丝酵母发酵生产茶褐素的得率最高,可达41.11% 。这为后期从茶叶中提取茶褐素提供了新的选择,以此为原料提取或许能够进一步提高茶褐素的提取率。
根据茶褐素的溶解特性,从茶叶中提取主要采用浸提法和有机溶剂萃取法,同时辅以微波、超声波或酶等技术,结合响应面或正交试验进行工艺优化,以提高茶褐素的得率。周向军等[9]以乌龙茶为原料,先用乙醇浸提,再依次经二氯甲烷、乙酸乙酯、正丁醇萃取制备茶褐素。随后采用正交试验优化工艺条件,茶褐素得率最高为9.23% ,同时发现影响产率的最大因素为提取次数。周婷等[10]以同样的方法从六堡茶中提取茶褐素,并采用响应面分析各因素对提取率的影响,结果表明最大影响因素为提取温度,工艺优化后得率为10.33% 。然而,以上两种方法得率较低。在此基础上,何英姿等[11]通过增加提取次数(4次)、提高温度(100℃),使茶褐素得率提升至22.92% 。采用传统提取方式时,通常以提高提取次数和温度来增加茶褐素的提取率,这不仅降低了工作效率,且过高的温度会影响茶褐素的活性[12]。研究发现,在传统提取工艺基础上,辅以微波、酶等技术不仅可以明显缩短提取时间,降低提取次数和温度,更重要的是能够进一步提高产物得率。同样以六堡茶为原料,在传统提取方式的基础上结合微波辅助提取普洱茶茶褐素,在最佳工艺条件下产率达到16.83% [13]。结合纤维素酶辅助法,最终茶褐素提取率可达24.50% [14]。这两种方法在提高工作效率的基础上,也提高了茶褐素的得率。
在茶色素形成过程中,酶的催化反应起到了非常关键的作用。已有研究表明,茶黄素可由茶多酚或儿茶素通过多酚氧化酶或纤维素酶体外氧化聚合形成[15-16],那么同理茶褐素也可通过此类方法获得。以茶多酚为原料制备茶褐素是近些年兴起的一种生产方式。其主要以富含儿茶素的茶多酚为底物,通过化学氧化或酶促氧化,在适宜的条件下反应聚合形成茶褐素。相比传统提取法,以茶多酚为原料制备茶褐素,能够在很大程度上提高产物的得率。有研究者以茶多酚为原料,先后加入过氧化物酶和多酚氧化酶,再辅以超高压处理,茶褐素含量最高可达95.87% [17]。同样以茶多酚为原料,引入NaHCO3经化学氧化所得茶褐素的转化率为95% [18]。还有研究者将化学氧化法和酶促氧化法相结合来制备茶褐素。在茶多酚水溶液中依次加入多酚氧化酶和NaHCO3进行催化氧化,反应结束后再通过1 000 Da和30 000 Da的超滤膜去除盐离子和酶,所得茶褐素的转化率为95.89% [19]。这些方法不仅简化了制备工艺,同时降低了成本,对环境无污染,是一种兼具经济效益和社会效益的生产模式,这也为茶褐素的产业化开拓了新的途径。
对于茶褐素的外观形貌,一般运用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)来进行分析。由于分子量大小的差异,茶褐素的表面形貌并不均一,且质量大的茶褐素因分子相互聚集,排布较为紧密,呈现为链状、片状、块状、碎屑状等不规则形态的聚集体;而质量小的则较为分散,形态也较为均一。谭超等[20]通过AFM发现,普洱茶中分子量小于3 500 Da的茶褐素排布较为分散,呈岛屿状,而质量大于3 500 Da的茶褐素分子相互聚集,呈链状或网状结构。陈智雄等[21]通过SEM观察发现,在藏茶茶褐素中5 kDa~10 kDa的组分为不规则块状结构,10 kDa~50 kDa为片状或碎屑状,50 kDa~100 kDa多为卷曲状,而分子量大于100 kDa的组分为各种无规则结构的聚集体。这可能与组分中各化学成分含量及其分子间作用力有关。另外,因来源及制备方式的不同,茶褐素还呈现出其它聚集状态,如球状结构。Xiao等[22]也发现茯砖茶茶褐素的SEM图呈片状聚集体。同时AFM图谱观察到大量的球状团块,说明茶褐素存在分子聚集状况。Chen等[19]以茶多酚为原料,结合化学法和酶法氧化制备所得的茶褐素粉末在SEM下显示为球形颗粒状,表面相对光滑,其中小部分呈褶皱状,表面有凹陷。此外,X射线衍射(diffraction of X-rays,XRD)图谱显示茶褐素是一种非晶态聚合物。通常晶态材料的衍射峰较为尖锐且窄,而非晶态材料的衍射峰较宽。研究发现,茶褐素的XRD谱图为宽的衍射峰,没有明显的尖峰,说明其是一种非晶态无定形聚合物[22-23]。
对于茶褐素的热性能,一般结合热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)和差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)进行分析,结果表明茶褐素具有良好的热性能。Xiao等[22]研究发现,TGA图谱显示茯砖茶茶褐素的减重经历了两个阶段,分别出现在50℃~146℃和146℃~800℃的温度范围内。低温减重由游离水、结合水的损失引起,而高温减重则是由于茶褐素的热降解,降解温度为228℃。同时DSC曲线上有3个吸热峰,分别在66、107、144℃。Xiao等[23]还将单菌种发酵所得茶褐素通过分子截留进行分级并重点对分子量为10 kDa~30 kDa的组分进行研究。TGA图谱显示TBs-10-30k的初始失重发生在30℃~138℃,此时为自由水和结合水的损失;在200℃~500℃失重可归因为降解。且DSC曲线显示,TBs-10-30k在81.94℃有明显的吸热峰,所需能量为132.16 J/g。此外,茶褐素的分子量不同,裂解温度也有差异。Gong等[24]研究表明,100 kDa和3.5 kDa的茶褐素组分对应的热解温度分别为485℃和386℃。
对于茶褐素的光谱学性质,一般采用紫外-可见光谱(ultraviolet and visible spectrophotometry,UV-vis)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer,FT-IR)进行测定。不同来源的茶褐素均具有相似的官能团组成,且在200 nm和270 nm附近有特征吸收峰。Xiao等[22]研究表明,茯砖茶茶褐素是富含羟基和羧基的酚类化合物,且在204 nm和274 nm左右有吸收峰。以茶多酚为底物体外制备的茶褐素也有相似的光谱学特性,即紫外可见特征吸收峰位于203 nm和270 nm,FT-IR表明它们是含有羟基和羧基的聚合酚类物质[19,25]。同时,分子量大小和酸碱度对茶褐素光谱学特性的影响不大。陈智雄等[21]发现,不同分子量的藏茶茶褐素组分均具有相似的紫外红外特征,其最大吸收峰在202 nm处,在269 nm处有弱吸收,且含有羟基、烷基和苯环。张水花等[26]按pH值将普洱茶茶褐素分成了酸性不同的6个组分。各组分中均含有羟基、羧基、羰基以及多糖类等化合物,但不同官能团的连接方式以及连接顺序不同。
对于茶褐素的组成结构,一般运用居里点热解-气相色谱-质谱法(curie-point pyrolysis-gas chromatography-mass spectroscopy,CP-Py-GC/MS)、交叉极化魔角旋转固体核磁共振技术(cross polarization-magic angle spinning-nuclear magnetic resonance,CP-MAS NMR)以及液相色谱-质谱联用(liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry,LC-MS/MS)进行测定。茶褐素是一类组成复杂的多酚聚合物,通常络合有蛋白质和多糖等大分子物质,同时含有羧基、羟基及苯环。茶褐素中的组成成分与分子量大小也有一定的关系。陈智雄等[21]发现,藏茶茶褐素中各分子量组分中均络合有蛋白质和多糖,富含羧基和酚羟基,且蛋白质和羧基含量随着分子量的增大而呈现上升趋势。周婷等[10]以六堡茶茶褐素为研究对象也得出了同样的结论。同时,茶褐素中还含有生物碱及少量的脂类。Peng等[27]通过CP-Py-GC/MS在386℃下分析了普洱茶茶褐素的热解产物,发现不同发酵原料所得茶褐素中不仅有多酚、多糖、蛋白质,而其生物碱(20% 左右)的含量与酚类物质类似,且还有少量脂类(2% 左右)。
在此基础上,研究者还推测出了茶褐素可能存在的一些结构。谭超等[20]通过CP-MAS NMR分析得出,茶褐素不仅络合了多糖和蛋白质,还含有多种基团如酚羧基、羟基、甲基以及苯环。酸水解去除蛋白和多糖残基后得到了黑色沉淀物,采用CP-GC/MS分析得到了可能存在的几种化合物结构,结果见图1。
图1 采用CP-GC/MS从热解产物中鉴定出不溶性黑色沉淀物中可能存在的几种化合物结构
Fig.1 Complex candidate compounds from the insoluble black precipitate identified from the pyrolysis products using CP-GC/MS
Liu等[28]采用LC-MS/MS分析推测茶褐素中的主导化合物为6,7-二羟基香豆素-6-葡萄糖苷和新橙皮苷(图2)。同时Gong等[24]通过CP-Py-GC/MS分析发现,普洱茶茶褐素中100 kDa的组分主要含酚类、酯类、蛋白质和多糖,而3.5 kDa的组分不含多糖。同时,对分子量小于3.5 kDa的组分在386℃下的热解产物以及大于100 kDa的组分在485℃下的热解产物进行分析,推测出茶褐素可能存在的结构,见图3。
图2 采用LC-MS/MS分析得到的两种主要化合物
Fig.2 Two main compounds were identified by LC-MS/MS
图3 采用CP-Py-GC/MS分析得到的部分典型热解产物结构
Fig.3 The structures of partial typical pyrolysis products were identified by CP-Py-GC/MS
研究表明,多酚类物质均具有多种生物学活性,而茶褐素由多酚类氧化聚合而成,同样具有酚类物质的特性。目前研究已证实,茶褐素具有抗氧化、抗肥胖、抗癌以及调节肠道微生物等多种生物学活性。
氧化应激反应是引发衰老和疾病的重要因素。随着人们健康意识的提升,天然抗氧化剂以其安全无毒副作用的优势成为当今研究的热点。茶褐素因具有酚类物质的性能,自由基清除能力较好,能够延缓人体衰老以及预防多种疾病的发生。
在黑茶的研究中,茶褐素含量高的黑茶其抗氧化性能更好。Wang等[29]发现,相比于速溶普洱茶、速溶茯砖茶、速溶康砖茶和速溶金尖茶,高茶褐素速溶黑茶表现出更强的超氧阴离子自由基和羟基自由基的清除活性,说明茶褐素在清除自由基上发挥了一定的积极作用。同时,酚类化合物的含量对茶褐素所展现出的抗氧化能力有很大的影响。陈智雄等[21]发现,藏茶茶褐素对DPPH自由基的清除能力随着酚羟基含量的提高而增强。Liu等[28]也发现,茶褐素中总酚含量越高的组分,其对DPPH自由基的清除作用越强,其IC50最低为 49.95 μg/mL[30]。Wang 等[4]发现,高茶褐素速溶普洱茶对ABTS+自由基和DPPH自由基均有良好的清除效果,但由于儿茶素和没食子酸含量较低,其自由基清除能力也低于固态发酵速溶普洱茶。
肥胖在细胞水平上表现为甘油三酯的蓄积及成熟脂肪细胞的增殖。而茶褐素能影响脂肪代谢相关酶的活性、调节肠道菌群以及抑制脂肪细胞增殖与分化等多种作用,因此有降脂减肥作用,能减少疾病的发生,对人体健康有益。同时茶褐素还可与运动相结合,进一步加速脂质代谢,抑制体重增加。
茶褐素可通过影响脂质代谢关键酶的活性,来调节血清中的脂质含量,进而达到降脂减肥的作用,并且茶褐素组分的分子量越大、浓度越高,其降脂作用越明显。茶褐素可降低血清内总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白的含量,同时提高高密度脂蛋白的含量,从而控制高脂饮食大鼠体重的增加,其中分子量大的茶褐素组分(分子质量>50 ku)作用效果最为明显,且呈浓度依赖性[31-32]。进一步研究表明,茶褐素可上调激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)蛋白水平、抑制对乙酰辅酶A羧化酶1(acetyl CoA carboxylase 1,ACC1)蛋白的表达,从而增强肠系膜、肝脏和附睾组织中HSL酶活性,降低ACC1酶活性[31]。同样在高血脂症斑马鱼模型中也证明了茶褐素的降脂效果,其中分子量大的组分(TBs-10-30k)降低血脂水平的作用更明显,呈浓度依赖性。当茶褐素浓度为1 000 μg/mL时,高血脂症斑马鱼的脂质水平降低至51.57% [23]。
茶褐素可通过调节肠道菌群达到降脂作用。Kuang等[33]研究发现,茶褐素的抗成脂作用是通过肠道微生物群重塑的胆汁酸替代合成介导。由于肠道微生物的改变引起了胆汁酸的生物合成从经典途径转向替代途径,进而改善了脂肪组织的能量代谢。茶褐素可与胆汁酸有效结合,激活胰脂肪酶同时抑制胆固醇酯酶活性,进而抑制肠道脂质的吸收来减轻高脂血症[22,34]。肠道微生物代谢在降脂作用中起着至关重要的作用。非靶向代谢组学研究表明,有18种代谢物与肠道菌群介导的茶褐素抗肥胖作用有关。并且茶褐素在保持肌肉质量的同时还有良好的抗肥胖效果,可使体质量增加量减少83.0% ,此外,茶褐素不仅可以促进脂质清除,还具有保护肝脏的作用[35]。
茶褐素可对脂肪细胞增殖与分化起到抑制作用。刘春等[36]研究发现,茶褐素对3T3-L1成熟脂肪细胞的增殖有明显的抑制作用。在80% 的前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞时加入茶褐素,可最大限度地调节细胞中相关基因的表达,更好地达到降脂效果。
研究表明,摇摆运动可与茶褐素发生协同作用,明显改善大鼠血脂状况,有效防止大鼠体重的过度增加。肝脏转录组数据表明,茶褐素主要通过促进环磷酸腺苷水平的上升、激活昼夜节律,从而调节营养代谢、加速脂肪和糖的消耗,而摆动则刺激多巴胺的过量产生,以加速脂质代谢[37]。
癌症统称为恶性肿瘤,是由于基因突变引发的细胞恶性增殖状态。茶褐素可通过抑制细胞增殖、促进细胞凋亡、诱导细胞周期阻滞以及调控细胞信号转导来达到实现抗癌作用。Wu等[38]研究表明,茶褐素可通过激活P53介导的凋亡通路进而抑制非小细胞肺癌的增殖,且浓度越大和时间越长,其效果越明显。研究发现,茶褐素可能是一种DNA损伤诱导因子和拓扑异构酶(Topo I和Topo II)抑制剂,可上调P53的表达,进而调节下游基因的表达,从而使A549细胞的增殖受抑制,同时也促进了其凋亡。Wang等[18]、Zhou等[39]也得出了相似的结论,即茶褐素可诱导细胞G1周期阻滞、促使细胞凋亡。同时,茶褐素可抑制PI3K/AKT/mTOR通路激活,增加自噬通量,从而促进AKT下游p21表达,导致G1细胞周期阻滞。Li等[40]发现,茶褐素可通过p53/NF-κB信号串扰介导机制触发DNA损伤,从而抑制黑色素瘤细胞增殖,促使细胞衰老和凋亡。另有研究者以HT-29人结肠癌细胞为研究对象,证明茶褐素可显著降低抗氧化酶基因的表达,增加活性氧的产量,从而破坏氧化还原平衡,导致细胞损伤和死亡[19]。
肠道微生物可参与人体正常代谢,一旦菌群失调会引发多种疾病,危害人体健康。茶褐素对肠道菌群的调节作用一般通过动物实验加以验证。茶褐素可提高大鼠肠道内拟杆菌门的多样性,同时减少厚壁菌门的数量,从而正向调整肠道菌群的比例。此外茶褐素可提高乳杆菌、嗜黏蛋白阿克曼菌和毛螺菌的含量,降低瘤胃球菌、产酸拟杆菌和腐生葡萄球菌的含量[41-42]。还有研究表明,茶褐素能够对大鼠肠道中肠球菌和大肠杆菌的生长起到抑制效果,同时对乳酸杆菌和双歧杆菌的繁殖起到促进作用,且对抗生素引起的污染有明显的改善,进而正向调整肠道菌群的比例[43-44]。
茶褐素可通过保护抗氧化系统和造血系统,从而起到防辐射作用。许靖逸等[45]通过60Coγ照射建立辐射损伤小鼠模型,发现茶褐素能够通过提高辐射损伤小鼠血液中过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性,增强小鼠肝脏组织的总抗氧化能和超氧化物歧化酶的活性,减少肝脏丙二醛的积累,进而提升小鼠的抗氧化能力。同时茶褐素可提高小鼠血液的白细胞、血小板和淋巴细胞的数量以及胸脾指数、骨髓DNA含量,从而提升小鼠造血功能。茶褐素可显著抑制酶的活性,且分子量越大,抑制效果更好。贺国文等[46]研究表明,茶褐素可抑制α-葡萄糖苷酶的活性,且分子量在25 kDa~50 kDa的组分抑制效果最好,等同于阿卡波糖的1.9倍。同时,茶褐素可调节机体正常代谢活动,达到抗衰老功效。雷舒雯等[47]发现,茶褐素可调节D-半乳糖致衰老小鼠体内多种代谢途径如糖代谢和脂类代谢等,进而达到抗衰老功效。茶褐素还具有降血糖作用。徐湘婷等[48]研究表明,茶褐素可加速血糖进入肝细胞,在减少肝糖输出的同时增加肝糖原的合成,使葡萄糖氧化分解加快,进而降低空腹血糖水平,调节糖代谢水平。赵丹等[49]也通过试验证明了茶褐素的降血糖活性,即茶褐素可以降低高糖饮食大鼠糖脂代谢关键酶的活性,加快脂质代谢速度,降低胰岛损害的程度,进而起到预防高血糖症的作用。
我国自古以来有饮茶的习惯,对于茶叶的生理功效也颇为关注。茶褐素作为一种天然的生物活性物质无疑成为科学研究者的重点关注对象。所以茶褐素的深入研究及其应用领域的拓展意义重大。
茶褐素是茶叶中以儿茶素为主的酚类物质,在酶促作用下氧化聚合而成的褐色聚合物。传统工艺提取茶褐素一般得率较低,可通过微波、酶等手段进行辅助。同时以茶多酚为原料制备可显著提高茶褐素的得率,这也促进了茶褐素的产业化发展。从理化性质上看,茶褐素外观形态包含片状、球状、链状等不规则结构,均在200 nm和270 nm附近有特征吸收峰,且络合有蛋白质和多糖等化合物,是富含羧基和羟基和苯环的酚类聚合物。由于茶褐素组成复杂,分离纯化较为困难,故其化学组成和分子结构尚不清楚。茶褐素的抗氧化、抗肥胖、抗癌以及降血糖等功效,为相关疾病的治疗提供了新的思路和途径。目前生物活性的作用机制已有一定的研究基础,但对于作用机制与化学结构的关系尚不明确,这极大地限制了茶褐素在医药领域的应用。
因此,茶褐素后续研究的关键有3点,一是改进茶褐素的制备纯化方法,获得游离茶褐素,并对此均一组分进行结构解析;二是探究茶褐素的生物活性与结构之间的构效关系;三是开发茶褐素相关产品,扩展茶褐素的应用领域。
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