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(1.中国农业科学院茶叶研究所,农业部茶树生物学与资源利用重点实验室, 浙江省茶叶加工工程重点实验室,浙江杭州 310008; 2.中国农业科学院研究生院,北京 100081)

茶叶加工副产物指茶叶生产过程中除正茶外被废弃或挑出的茶末、茶片、茶梗、茶灰、筋毛等产品,其中茶末和茶片约占茶叶总量的10%～30%,同时还会产生大量的茶梗,尤其是铁观音茶梗,约占毛茶总量的30%[1]。名优茶加工对采摘原料嫩度和整齐度要求较高,加工过程中仅会产生少量的茶片和茶末,这些茶叶片末通常可用于直接冲饮,大宗茶加工采摘原料较粗老,机械化程度更高,加工过程中产生更多的加工副产物,尤其是茶片、茶末和茶梗,这类茶叶加工副产物尚未得到有效开发利用,部分茶叶片末作为深加工提取的原料,其余大部分加工副产物焚烧处理或作为茶园肥料,如果能将茶叶副产物有效的利用于茶叶深加工,可较大地提高茶叶副产物的利用率。

茶叶加工副产物中含有较多的茶多酚、生物碱、氨基酸、茶多糖、纤维素和矿物质等成分[2],目前已有对茶末和茶梗中多糖[3]、茶多酚、叶绿素、咖啡因[4-5]、总黄酮[6]、茶氨酸[7]、水溶性膳食纤维[8]、茶皂素[9]等提取研究,并优化得到了提取纯化的工艺技术,但并没有对某种副产物的优势化学成分进行针对性研究,如茶末中儿茶素、总黄酮、咖啡碱、多糖、水溶性膳食纤维等成分提取。

本实验筛选绿茶、红茶和乌龙茶的茶末、茶片、茶梗为原料,以对应的大宗茶作为对照,概括了不发酵、发酵和半发酵三类茶加工副产物的营养情况,对比不同茶叶加工副产物中茶多酚、儿茶素、茶黄素、聚酯型儿茶素、氨基酸、咖啡碱、总糖和可溶性蛋白等理化成分含量,以期为茶叶加工副产物在深加工方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

绿茶茶片(LP)、茶末(LM)、茶梗(LG)、大宗茶(LD) 安徽省六安市裕安区青山茶厂;乌龙茶茶片(WP)、茶末(WM)、茶梗(WG)、大宗茶(WD) 武夷山戏球茶业有限公司;红茶茶片(HP)、茶末(HM)、茶梗(HG)、大宗茶(HD) 祁门红茶发展有限公司;以上材料均为烘干样;乙腈 色谱纯；福林酚、甲醇、碳酸钠、蒽酮、硫酸、考马斯亮蓝、磷酸 均为分析纯;实验用水 娃哈哈纯净水。

1100型高效液相色谱仪 Agilent公司;Waters alliance w2695型高效液相色谱仪 Waters公司;3K15型离心机 Sigma公司;BSA124S-CW型天平 赛多利斯科学仪器有限公司;UV-3600型分光光度计 岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基本化学成分分析 茶磨碎试样制备、水分、水浸出物、茶多酚测定分别参照《GB/T 8303-2013茶 磨碎试样的制备及其干物质含量测定》;《GB/T 8304-2013茶 水分的测定》;《GB/T 8305-2013茶 水浸出物测定》;《GB/T 8313-2008茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》。

可溶性蛋白测定参考焦洁[10]的研究略有调整,吸取待测液0.6 mL,加水0.4 mL稀释,放入试管中,加入5 mL考马斯亮蓝试剂,摇匀,放置2 min后于595 nm下比色,测定吸光值。

总糖测定参考张正竹[11]的方法稍作修改,取0.1 mL待测液,加0.9 mL水稀释后,放入15 mL具塞试管内,再加入4 mL的2.0 g/L蒽酮硫酸液(现配现用),100 ℃恒温水浴10 min,冰水浴冷却后620 nm检测吸光值。

1.2.2 咖啡碱和儿茶素、茶黄素、聚酯型儿茶素组成分析 参照薛金金等[12]的研究方法:色谱柱5C18-AR-Ⅱ(4.6 mm×250 mm);进样量10 μL;检测波长;流速0.8 mL/min;柱温35 ℃;流动相A 50 mmol/L磷酸,B 100%乙腈;洗脱梯度为0～39 min,A相由96%降至70%,39～54 min,A相由70%降至25%,54～55 min,A相由25%升至96%。

1.2.3 氨基酸组成分析 AccQ-Tag氨基酸分析方法:色谱柱AccQ-Tag氨基酸(15 mm×3.9 mm×4.6 mm);进样量10 μL;荧光检测器检测波长:Ex 250 nm,Em 395 nm;流速1 mL/min;柱温37 ℃;流动相A 10%磷酸,B 100%乙腈,C超纯水;洗脱梯度见表1。

表1 梯度洗脱条件Table 1 Gradient elution condition

1.3 数据处理

采用SAS 9.2进行显著性分析和聚类分析,采用Excel 2007整理试验数据、作图,实验重复3次,结果以平均值表示。

2 结果与分析

2.1 不同茶类加工副产物的基本成分分析

绿茶、乌龙茶和红茶的不同加工副产物中水浸出物、茶多酚、总糖、可溶性蛋白和咖啡碱含量分析,由图1可知,水浸出物是茶叶水溶性物质含量的综合表现,不同茶类副产物中水浸出物含量比较,表现为绿茶>红茶>乌龙茶,主要是由于原料嫩度和加工过程中的氧化程度相关,乌龙茶原料较粗老,水浸出物含量最低,红茶氧化程度高,水浸出物含量低于绿茶,该表现规律可能与原料品种和季节相关,绿茶品种春季多酚含量高[13];不同副产物类型水浸出物含量比较,表现为茶梗的水浸出物含量显著低于其他副产物和低档茶,主要与茶梗的结构组成相关,茶梗中纤维素、半纤维素和木质素等不溶于水的成分含量较高[14]。

图1 不同茶叶加工副产物基本营养组成Fig.1 Proximate nutritional compositions in different tea processing by-product注:同一指标不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

茶多酚是茶叶中重要的成分,不同茶类相同副产物中茶多酚含量比较,表现为绿茶茶多酚含量显著高于乌龙茶和红茶(p<0.05),红茶加工副产物中茶多酚含量高于乌龙茶,主要是由于红茶发酵过程中茶多酚氧化形成生成茶色素,乌龙茶原料叶片成熟度高,茶鲜叶中茶多酚含量偏低;不同副产物之间比较,表现为茶梗中茶多酚含量显著低于其他副产物和大宗茶(p<0.05)。

不同副产物中总糖含量比较,表现为LG含量最高,为22.85%,显著高于其他副产物和大宗茶(p<0.05),HG含量显著高于大宗茶(p<0.05),WG和WD中总糖含量显著高于茶片和茶末(p<0.05);不同副产物中可溶性蛋白含量比较,LG和WG中可溶性蛋白含量显著低于其他副产物和大宗茶(p<0.05),LD和HD中可溶性蛋白含量高于加工副产物;不同副产物中咖啡碱含量比较,各茶类均表现为茶末含量最高,茶梗含量最低,其中HM和LM的咖啡碱含量最高,为3.16%和2.77%。因此,LP和LM中的茶多酚、茶梗中的总糖和茶末中的咖啡碱具有较高的利用价值,可作为重点的研究方向。

2.2 不同茶类加工副产物的儿茶素及其氧化物组成分析

儿茶素是茶叶中的重要成分,是构成茶多酚的主体,具有抗氧化、抗癌、抑菌等作用[15],茶黄素和聚酯型儿茶素是儿茶素两条不同途径氧化的主要产物,茶叶加工过程中对底物儿茶素具有竞争关系,同样具有抗氧化、抗肿瘤、消炎杀菌、降血糖等功效,甚至药理作用高于EGCG[16-18]。不同茶类副产物中儿茶素、茶黄素和聚酯型儿茶素含量如表2所示,绿茶副产物中仅检测出儿茶素,且绿茶茶片和茶末的儿茶素含量显著高于红茶和乌龙茶,绿茶茶片儿茶素总量为19.34%、茶末为18.52%,约是乌龙茶茶片的1.69～2.00倍,是红茶茶片的3.34～4.15倍;乌龙茶中儿茶素含量高于红茶,且乌龙茶茶末中检出一定量的茶黄素和聚酯型儿茶素;红茶儿茶素含量最低,茶黄素和聚酯型儿茶素含量较高。不同茶类间成分的差异主要是由于红茶发酵和乌龙茶摇青过程中细胞破碎部分儿茶素氧化生成茶黄素和聚酯型儿茶素,以及继续氧化生成茶红素和茶褐素[14]。因此茶叶中儿茶素的利用原料以绿茶为主,其中绿茶的茶片、茶末和大宗茶含量较高;茶黄素和聚酯型儿茶素的利用原料以红茶为主,其中以红茶的茶末中含量较高。

表2 茶叶加工副产物中儿茶素、茶黄素和聚酯型儿茶素含量(%)Table 2 Contents of catechins,theaflavins,theasinensins of tea processing by-products(%)

儿茶素组分含量比较,3种含量较高的表型儿茶素表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、表没食子儿茶素(EGC)、表儿茶素没食子酸酯(ECG)含量均为绿茶的茶末、茶片和低档茶含量最高,相同茶类不同副产物之间比较,表现为茶梗含量显著(p<0.05)低于其他副产物和大宗茶;4种非表型儿茶素没食子儿茶素(GC)、儿茶素(C)、没食子儿茶素没食子酸酯(GCG)、儿茶素没食子酸酯(CG)含量绿茶和红茶差异较小,绿茶茶梗中非表型儿茶素含量低于其他副产物;茶黄素和聚酯型儿茶素组分含量比较,绿茶大宗茶及其副产物中均未检出茶黄素和聚酯型儿茶素,红茶副产物比较,茶末中含量显著(p<0.05)高于其他副产物和大宗茶,红茶茶梗中含量最低,乌龙茶茶末和大宗茶中检出的茶黄素和聚酯型儿茶素含量相近,茶梗和茶片中仅检出少量的TSB。

2.3 不同茶类加工副产物的氨基酸组成分析

比较不同茶类及其副产物中游离氨基酸组分,结果如表3所示,茶叶副产物中氨基酸含量丰富,检出组成蛋白质的氨基酸14种和非蛋白质氨基酸茶氨酸、瓜氨酸、γ-氨基丁酸,其中包括赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸、苏氨酸5种必需氨基酸。不同茶类之间氨基酸总量比较表现为:绿茶>红茶>乌龙茶(以相同副产物作为比较对象),不同副产物之间比较,LG和HG中氨基酸总量高于茶末和茶片,LG中游离氨基酸总量最高,为26.53 mg/g,证实了陈沛鑫等的研究,茶梗中含有较高的茶氨酸[19],由此可见,LG和HG中游离氨基酸尤其是茶氨酸的利用价值较高,且高于茶叶。

表3 茶叶加工副产物中游离氨基酸含量(mg/g)Table 3 Contents of free amino acids of tea processing by-products(mg/g)

茶氨酸是茶叶及其副产物中含量最高的氨基酸,具有焦糖香和鲜爽味,是茶叶中含量最高的氨基酸,具有保护神经、抗肿瘤和降血压等功效[20]。由表3可见,绿茶和红茶的各副产物中茶氨酸含量占氨基酸总量的60%以上,乌龙茶副产物茶氨酸含量占氨基酸总量的55%以上,不同副产物种类的茶梗中茶氨酸所占比例为70%以上。其中含量最高的是LG和HG,为21.11和17.19 mg/g,乌龙茶副产物和大宗茶中茶氨酸含量均不超过5.5 mg/g,绿茶茶梗中茶氨酸含量高于红茶,可能是由于红茶发酵过程中茶氨酸含量下降影响[21],乌龙茶茶梗中茶氨酸含量最低可能是由于品种不同导致。

组成蛋白质的氨基酸中,部分副产物的天冬氨酸、谷氨酸和天冬酰胺含量高于1 mg/g,其余氨基酸含量均低于1 mg/g。谷氨酸和天冬氨酸是构成茶叶鲜爽滋味的重要成分,有研究表明,光照能增加茶叶中谷氨酸含量[22],绿茶副产物中谷氨酸和天冬氨酸含量高于红茶和乌龙茶,红茶中的天冬酰胺含量高于绿茶和乌龙茶。另外,绿茶副产物中精氨酸含量较高,红茶副产物中色氨酸含量略高。

γ-氨基丁酸是一种非蛋白质氨基酸,对大脑具有安定作用,能改善睡眠、降脂减肥，并且具有抗氧化活性和缓解高血压的作用[23-24],瓜氨酸首先由西瓜中提取得到,具有抗氧化、提高免疫系统功能、提高性功能等作用[25],红茶副产物中γ-氨基丁酸和瓜氨酸含量高于绿茶和乌龙茶,其中HG中γ-氨基丁酸含量最高。

2.4 不同茶类加工副产物成分的聚类分析

以茶多酚、儿茶素总量、茶黄素总量、茶氨酸、可溶性糖、水浸出物、咖啡碱等营养成分含量作为指标将绿茶、乌龙茶和红茶的茶片、茶末、茶梗和大宗茶进行聚类分析,结果图2所示:可将不同茶类加工副产物分成4类,绿茶的茶片、茶末和大宗茶为一类,该类副产物的茶多酚、儿茶素、水浸出物含量高于其他副产物,咖啡碱含量较高,可用于茶多酚、儿茶素和咖啡碱利用的原料;绿茶茶梗为一类,该类副产物氨基酸、茶氨酸、总糖含量最高,高于其他副产物,可用于茶氨酸和可溶性糖的提取原料;红茶茶片、茶末、茶梗、大宗茶和乌龙茶茶片、茶末、大宗茶可归为一类,该类副产物儿茶素氧化形成茶黄素,其中红茶茶片、茶末和低档茶又可聚为一类,茶黄素含量最高,可用于茶黄素的提取原料;乌龙茶茶梗为一类,该类副产物茶氨酸、茶多酚、儿茶素、水浸出物和咖啡碱等含量均最低,也没有形成茶黄素,不建议用于营养成分的提取应用。

图2 不同茶叶加工副产物的聚类分析图Fig.2 Dendrogram of hierarchical cluster analysis in different tea processing by-product

3 讨论与结论

分析绿茶、乌龙茶和红茶的茶片、茶末、茶梗和大宗茶中成分含量,整体来看,茶末和茶片中茶多酚、水浸出物、总糖、可溶性蛋白、咖啡碱以及儿茶素和游离氨基酸组分含量与大宗茶相近;茶梗中茶多酚、水浸出物、可溶性蛋白、咖啡碱以及儿茶素含量低于大宗茶,总糖和游离氨基酸组分含量高于大宗茶,尤其是绿茶茶梗中游离氨基酸和总糖含量最高,分别为2.65%和22.85%;不同茶类之间比较,表现为绿茶为不发酵茶,加工副产物中茶多酚和儿茶素类含量最高,LP和LM中儿茶素含量与LD相近,甚至高于LD,红茶为发酵茶,加工副产物中茶黄素和聚酯型儿茶素等儿茶素类的氧化产物含量最高,HP和HM中儿茶素的氧化产物含量与HD相近,甚至高于HD,其中HM中含量最高,TFs、TSA和TSB含量分别为0.96%、1.65%和0.53%。

茶叶加工副产物根据营养成分分别利用,以期实现对茶叶副产物的有效开发和利用。茶片和茶末中营养成分的利用价值与茶叶相近,甚至部分营养成分利用价值高于低档茶,可用于袋泡茶原料、茶多酚、儿茶素、茶黄素和聚酯型儿茶素提取的原料,目前有研究将茶末用于鸡和猪的饲料中能提高猪肉的口感和鸡蛋质量[26-27]。茶梗中氨基酸和总糖的利用价值高于低档茶,香气高于茶叶,可用于茶氨酸、茶多糖等成分的提取[28],并有茶梗用于枕芯、卷烟滤嘴、环保墙纸和吸附材料等的原料[29]。