杨佳怡，连宇晗，胡向东，王云侠

西北大学化学与材料科学学院，化学国家级实验教学示范中心，西安 710127

中国是茶的故乡，亦是茶文化的发源地，古有《神农本草经》中记载：“神农尝百草，日遇七十二毒，得茶而解之。”远在神农时代各地就发现了不同品种的茶树，并意识到了茶叶具有潜在的药用价值和保健功能，诸如清热解毒、提神明目、利肠消食等[1]。现如今茶叶普及于世界各地，种类更是层出不穷，也已成为人们日常生活中一种司空见惯的饮品。

我国的茶叶一共分为六大类：绿茶、红茶、乌龙茶(又称青茶)、黄茶、白茶和黑茶。不同茶叶的色、香、味和生物学活性等特征各不相同，现在就让我们跟随化学大师们一起探索茶叶不同特征的来源以及其间的化学知识吧。

1 钟粹漫山景，新茶绿满瓯

红茶汤呈红棕色，绿茶汤呈翠绿色，而白茶汤则略显黄色，不同品种的茶汤均有着不同的色泽外观，聪明的化学大师们发现茶叶中富含的植物色素不同，则茶叶和茶汤的颜色不同，下面我们一起来揭开茶叶中植物色素的神秘面纱。

1.1 茶红素

茶红素(thearubigins，TRs)是存在于红茶中的一类橙褐色色素，是红茶“红汤红叶”的物质基础，占红茶干重的15%-20%。茶红素属于多酚类化合物，具有较为复杂的组成和结构，相对分子质量集中在700-40000 Da，图1是其中一个简单结构图。茶红素易溶于水，在水中呈深红色且显酸性，pH约为2.5-3.2。茶红素不是茶树天然产生的，而是发酵过程中，儿茶素和没食子儿茶素在内源多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和过氧化物酶(peroxidase，POD)的作用下，经氧化缩聚反应形成的。茶红素具有抗氧化、抗癌、抗肿瘤、抗神经毒素和预防肥胖等多种生物学活性[2]。由于具有抗氧化和清除自由基的功能，茶红素在食品生产领域可用做食物着色剂和防腐剂，是理想的食品添加剂；在医药化工领域，可添加入药物以达抗菌、抗病毒、抗衰老和预防心脑血管病的功效。目前主要通过有机溶剂提取和色谱分离方法获得茶红素类化合物[3]。

图1 茶红素的一个简单结构

1.2 茶黄素

伴随着茶红素的发现，其孪生兄弟茶黄素(theaflavins，TFs)也逐渐进入人们的视野。茶黄素是红茶汤色“亮”的主要成分，占茶叶干重的0.5%-2%。与茶红素类似，茶黄素是在茶叶发酵过程中，由儿茶素氧化形成的一类具有苯并卓酚酮结构的化合物。其中茶黄素、茶黄素-3-单没食子酸酯(theaflavin-3-gallate，TF-3-G)、茶黄素-3’-单没食子酸酯(theaflavin-3’-gallate，TF-3’-G)和茶黄素-3,3’-双没食子酸酯(theaflavin-3,3’-gallate，TF-3,3’-G)是红茶中四种主要的茶黄素(图2)[4]。茶黄素不仅是决定红茶品质的重要指标，而且具有抗氧化、抗癌防癌、抗菌、抗病毒、抗炎、抗心脑血管疾病和调节神经功能等多种功能。仅靠茶叶中提取的茶黄素难以满足食品和医药领域的研究需求，目前文献已报道了用非酶促仿生合成方法来制备茶黄素[5]。

图2 四种主要茶黄素的结构

1.3 叶绿素

叶绿素(chlorophyll)是构成绿茶干茶和叶底绿色的主要色素，主要分为叶绿素a和叶绿素b两种(图3)，叶绿素a和叶绿素b分别在红光区(620-700 nm)和蓝紫区(400-500 nm)有两个吸收峰，而在绿光区(520-580 nm)无吸收峰，因此叶绿素呈现绿色，其中叶绿素a为蓝绿色而叶绿素b呈黄绿色。茶的鲜叶中，叶绿素约占茶叶干重的0.3%-0.8%，叶绿素a含量为叶绿素b含量的2-3倍。叶绿素属于脂溶性色素，不易溶于水而易溶于乙醇和丙酮等有机溶剂。茶叶加工过程中形成的叶绿素衍生物中，脱镁叶绿素呈橄榄绿，焦脱镁叶绿素呈暗橄榄绿，这两种叶绿素衍生物为脂溶性，是绿茶叶底绿色的重要组成部分；脱植叶绿素呈绿色、脱镁脱植叶绿素和焦脱镁脱植叶绿素呈橄榄绿，这三种叶绿素衍生物为水溶性，是绿茶茶汤中绿色的主要成分。通常叶绿素是以植物或干燥的蚕沙为原料，采用有机溶剂提取的方法获得。在化工领域，叶绿素可作为着色剂、染色剂或绿色伪装涂料；研究发现，叶绿素还具有改善便秘、降低胆固醇、抗衰老、排毒消炎、脱臭和抗癌抗突变等功能，因此在食品与药品领域应用也十分广泛[6]。

图3 叶绿素a和叶绿素b的结构

2 俗人多泛酒，谁解助茶香

每种茶叶都有着其独特的香气，因而常常将茶叶香气作为评价茶叶品质的一项重要指标。此前已从茶叶中完成分离提取的香气物质有700多种，其中主要包括醇、醛、酮、酸、酯、酚及杂环类化合物。不同含量、不同种类的香气物质共同调制出茶叶独到的香气。

茶叶的香气与其加工工艺密不可分。绿茶的加工工艺较为简单，其香气主要来源于烃类、醛酮类、羧酸类、酯类、过氧化物和硫化物；红茶经历了复杂的发酵过程，因此其香气成分种类繁多，其特色的香气也在此过程中产生。迄今为止，已检测出的红茶中所蕴含的香味物质共有400多种，其中芳樟醇(图4a)、橙花醇(图4b)、水杨酸甲酯、壬醛和苯乙醛等香气成分在红茶中含量较高；乌龙茶关键的呈香物质有萜烯类、酯类和烯醇类化合物，其中香叶醇(图4c)占香气物质的60%左右，香叶醇也以其易提取、易合成的优点广泛应用于我们的生活用品中；黑茶中除了一些醇类、羰基化合物外，烷氧基苯类化合物则是其呈香的关键物质；白茶的加工过程最少，主工序为长时间的枯萎和干燥。主要的香气物质为己醛、(E)-2-己烯醛、苯甲醛、苯乙醛、(E)-香叶醇、苯乙醇、芳樟醇及其氧化物。随着贮藏时间的延长，白茶中的香气物质会发生变化，其中的香气特征也会随之发生显著变化；黄茶独特的“闷黄”工序和“先低后高”的干燥方式形成了黄茶特殊的“鲜甜”及“锅巴香”，其中的香气物质主要以烃类化合物、醇类、酮类和酯类为主[7]。

图4 三种香气物质的结构

3 酒阑更喜团茶苦，梦断偏宜瑞脑香

不同茶叶的味道各不相同而又各具特色，除过加工工艺的锦上添花，其背后的根本在于咖啡因、L-茶氨酸、茶多糖等调味物质的不懈努力。

3.1 咖啡因

咖啡因(caffeine)又称咖啡碱(图5)，是茶叶中苦味的来源，也是茶叶的特征性成分。其在茶树中以幼嫩芽叶中含量最高，而在其他含咖啡因植物中则多存在于种子或果实，因此人们常以此来鉴别茶叶的真假。咖啡因是茶叶中含量最高的一类生物碱，具有白色、无臭和苦味等特征，易溶于水和乙醇，在光和热条件下也比较稳定。咖啡因在鲜茶叶中的含量为2%-5%。其含量随着茶树品种、生长季节和采摘嫩度不同呈现出差异。一般来说，细嫩茶叶中含量比粗老叶高；不同季节的茶叶中咖啡因的含量也不同，其中春茶的咖啡因含量最多，夏茶次之，冬茶中含量最少[8]。

图5 咖啡因的结构

茶叶中的咖啡因可以通过升华、溶剂萃取、离子沉淀、柱层析、超声波提取及超临界流体萃取等方法得到，目前工业上主要以氰基乙酸为原料，经过缩合、硝化、甲基化等反应来合成咖啡因[9]。在食品加工领域，咖啡因常用来生产能量饮料和速食食品；在保健和医药领域，咖啡因常用于保健饮品生产和早产儿的治疗，具有抗疲劳、改善精神障碍和护肝等功能[7]。值得注意的是咖啡因的生物学功能具有双重性，过量摄入会引起神经系统过度兴奋，可能导致失眠、心悸、头痛等不良反应，而且婴幼儿、孕妇和哺乳期妇女等须特别谨慎使用。

3.2 L-茶氨酸

L-茶氨酸(L-theanine)是茶叶中特有的一类非蛋白质游离氨基酸，又名谷氨酰乙胺，主要呈类焦糖香与类似味精的鲜爽味，是茶叶鲜味的来源(图6)。L-茶氨酸是由谷氨酸和乙胺在茶树根中合成并储藏在茶叶中，在茶叶中占游离氨基酸的50%以上，其含量对茶的风味起决定性作用，白茶中L-茶氨酸含量最多，依次是绿茶、黄茶、乌龙茶和红茶，黑茶中含量最少[10]。在食品加工领域，由于L-茶氨酸易溶于水，而且具有抑制苦味及改善食品风味的特点，因此作为添加剂广泛应用于茶饮料、点心、糖果、果冻和口香糖等许多食品中。同时，茶氨酸具有降血压、抗肿瘤、静心安神、减轻体脂和提高记忆力等保健功能[11]。L-茶氨酸可以从天然产物中提取获得，也可以通过化学合成法、微生物发酵法和植物组织培养法来制备[12]。

图6 L-茶氨酸的结构

3.3 茶多糖

茶叶的甘甜味主要来源于茶多糖(tea polysaccharide)，是一种相对分子质量约为1 × 104-10 × 104Da的水溶性复合多糖，是茶叶中除酚类物质以外另一个重要生物活性成分。其在高档茶中含量约为0.4%-0.9%，而在低档茶叶中含量较高，约为0.8%-1.5%。因此工业上通常主要从低档茶叶中提取茶多糖。茶多糖由糖类、蛋白质、果胶和灰粉等物质组成，来源和提取方法不同，其单糖组成不尽相同，其中糖类主要包括有葡萄糖、阿拉伯糖、核糖、半乳糖、甘露糖、木糖及果糖等[13]。

茶多糖提取与纯化规模不大，通常的方法是将原料水浸提或用乙醇浸泡回流后将沉淀过滤去除，取滤液浓缩脱脂、脱蛋白并再次使用乙醇沉淀，得到滤渣即为茶多糖粗产品，最后通过精制、干燥获得茶多糖[14]。茶多糖具有抗糖尿病、抗氧化、抗肿瘤、增强免疫和调节肠道菌群等多重生物活性，因此广泛应用于功能食品、食品级包装膜、药用成分和药物输送载体等的领域。

4 结语

从柴米油盐酱醋茶，到琴棋书画诗香茶，茶在人们生活中扮演着不可或缺的角色。随着人们生活水平的提高，对茶叶的要求也从口感好逐步转向其养生保健的功效。在化学与生活密切相关的今天，化学家们将对茶叶这种天然可再生资源的功效进行进一步研究，相信不久的将来，更多茶叶类产品将不断上市，更好地服务于人们生活。