茶色素研究現(xiàn)狀及應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景

摘 要：茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎癥、降血脂等多種功能，以及良好的著色性能被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療以及紡織印染領(lǐng)域。本文綜述了茶色素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及提取和純化工藝，對(duì)茶色素在食品、醫(yī)療及紡織領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，提出探索茶黃素、茶紅素以及茶褐素的分離和具體結(jié)構(gòu)，茶色素的穩(wěn)定性將是未來(lái)的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：茶色素；提取與純化；紡織印染

中圖分類(lèi)號(hào)：TS193.5" " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " 文章編號(hào)：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

茶是世界上最受歡迎的功能性飲品之一[1]。根據(jù)發(fā)酵程度，茶可分為3類(lèi)：非發(fā)酵茶（綠茶）、半發(fā)酵茶（普洱茶和鐵觀音）和完全發(fā)酵茶（紅茶）[2]。根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，茶可進(jìn)一步分為紅茶、黑茶、烏龍茶、黃茶、綠茶、白茶6類(lèi)[3-7]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)茶葉富含多種活性成分，包括茶多糖、茶多酚、茶色素、咖啡因、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等[8-10]。這些活性成分主要起到抗癌、抗氧化、減肥、抗炎、降血脂等多種藥理功能作用。大約公元907～979年洪氏官吏使用茶葉湯汁對(duì)紙張進(jìn)行染色，在織物染色方面的染色記錄則始于元代。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著對(duì)茶的深入研究，茶不但因容易獲得、價(jià)格低廉、營(yíng)養(yǎng)、保健、抗癌、抗氧化、減肥等特性而備受青睞[3，11-12]，茶色素也成為研究的熱點(diǎn)，并受到全球的廣泛關(guān)注[13]。

本文系統(tǒng)列舉了茶色素的結(jié)構(gòu)和性能，詳細(xì)介紹了茶色素提取和純化方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹茶色素在紡織印染領(lǐng)域的用途和發(fā)展，展望茶色素的研究和未來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

1" " 茶色素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

茶色素是一種具有多種生物活性的植物色素，表現(xiàn)出多種藥理作用。茶色素含有多酚、糖、氨基酸、黃酮類(lèi)化合物、生物堿、類(lèi)固醇和其他成分。茶色素可分為茶黃素（TFs）、茶紅素（TRs）和茶褐素（TSs）3種。

茶黃素是茶葉多酚類(lèi)物質(zhì)氧化聚合形成的具有苯駢卓酚酮結(jié)構(gòu)的色素，主要由茶黃酸等幾類(lèi)色素按一定比例組成，具有的羥基結(jié)構(gòu)賦予了茶黃素很強(qiáng)的抗氧化潛力[14]，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示，其中TF1為theaflavin，TF2a是theaflavin-3-O-gallate，TF2b則是theaflavin-3′-O-gallate，TF3則為theaflavin-3，3′-di-O-gallate。茶黃素易溶于熱水、醋酸乙酯、正丁醇，因此可應(yīng)用到食品，醫(yī)療和印染領(lǐng)域，賦予抗氧化等生物活性。

茶紅素是一類(lèi)復(fù)雜不均的酚類(lèi)化合物，也是紅茶多酚氧化產(chǎn)物中最多的一類(lèi)聚合物，茶紅素的先質(zhì)是兒茶素類(lèi)、兒茶素的二聚物和雙黃烷醇類(lèi)，兒茶素為多羥基苯并吡喃結(jié)構(gòu)，其苯環(huán)上的鄰二羥基極為活潑，存在一定酸性，具有較強(qiáng)的還原性，易發(fā)生聚合反應(yīng)形成同源二聚體雙黃烷醇類(lèi)或茶紅素，同時(shí)雙黃烷醇類(lèi)可進(jìn)一步與茶黃素類(lèi)發(fā)生氧化聚合、縮合等一系列生化反應(yīng)，生成茶紅素類(lèi)物質(zhì)[15]。茶紅素化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖2所示。Rob片段ts[16] 率先提出，TRs 是在TFs氧化降解等化學(xué)變化的基礎(chǔ)上，形成了紅褐色的酸性色素片斷，據(jù)此推斷出 TRs 的結(jié)構(gòu)。Brown等[17]研究指出，TRs是一種原花色素聚合體的聚合物，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步降解，形成兒茶素、沒(méi)食子酸和花色素。Ozawa 等[18]通過(guò)對(duì) TRs 進(jìn)行甲基化、脫沒(méi)食子化和酸堿化學(xué)降解等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TRs是在兒茶素的4、8或 6、2'和6位相結(jié)合，且B環(huán)和B環(huán)、4和8或6位相結(jié)合結(jié)構(gòu)的一類(lèi)兒茶素異聚物。近現(xiàn)代以來(lái)，也有一些學(xué)者[19-20]根據(jù)產(chǎn)生茶紅素的機(jī)制并加以現(xiàn)代技術(shù)手段輔助來(lái)推測(cè)茶色素的可能結(jié)構(gòu)。茶紅素同樣易溶于熱水、正丁醇，可采用原位染色實(shí)現(xiàn)對(duì)蠶絲和羊毛織物的上染[21]。

茶褐素是紅茶中一類(lèi)酚性氧化聚合物的異質(zhì)類(lèi)群，目前已知的組分包括茶多酚、兒茶素低聚合物、茶多糖、蛋白質(zhì)、核酸等，是一類(lèi)富含羥基、羧基、甲基和氨基等多種功能性基團(tuán)的具有酚類(lèi)物質(zhì)特性的褐色高聚物[22]，譚超等[23-24]采用 CP-GC/MS 分析得到了茶褐素可能存在的幾種化合物結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示，茶褐素能溶于水而不溶于乙酸乙酯和正丁醇，由于茶黃素和茶紅素可通過(guò)酶、氧氣或氧化劑被最終氧化為茶褐素而存在，故而應(yīng)用最多。

此外，與大多數(shù)天然色素相似，茶色素也存在穩(wěn)定性差、易水解等影響開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的問(wèn)題[25，26]，需要在后續(xù)研究中加以改善和解決。

2" " 茶色素的提取及純化

2.1" " 茶色素的提取

茶色素的提取及純化流程圖如圖4所示，茶色素的提取方法主要包括體外模擬氧化法和直接提取法。直接提取法可進(jìn)一步分為以浸提法為代表的傳統(tǒng)提取法和以微波、超聲波等為代表的現(xiàn)代提取法。

2.1.1" " 傳統(tǒng)提取法

傳統(tǒng)的提取法主要是溶劑提取法，而提取過(guò)程中使用的溶劑、底物類(lèi)型、料液比、提取溫度和時(shí)間都可能會(huì)影響茶葉各色素的提取率和色素總含量[27-28]。根據(jù)茶色素的溶解性可選擇不同的溶劑類(lèi)型如蒸餾水、乙醇、乙酸乙酯、正丁醇和三氯甲烷等提取茶色素[29]。溶劑的選擇還應(yīng)基于茶色素提取物的應(yīng)用，在提取茶色素染色時(shí)，應(yīng)避免使用危險(xiǎn)的有機(jī)溶劑[30]。使用不同料液比的含水乙醇提取茶葉中的茶色素，提取率升高，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的優(yōu)化的條件是不同的，并且會(huì)產(chǎn)生許多脂溶性雜質(zhì)[31]。由于水是一種無(wú)毒、難燃和廉價(jià)的綠色溶劑，使得蒸餾水成為提取茶色素的最佳溶劑，曾有學(xué)者使用沸水提取茶色素[31]，但該方法會(huì)導(dǎo)致茶溶液在加熱時(shí)的溫度偏高，使茶色素中的多酚物質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)，加深提取物的顏色。傳統(tǒng)的提取法還存在著提取時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大 、原料預(yù)處理能耗大 、熱敏性組分易破壞等缺點(diǎn)?？傊?，使用單一的溶劑提取法，除消耗溶劑、時(shí)間和熱能等幾個(gè)缺點(diǎn)外，得到的提取物還是茶黃素、茶紅素、茶褐素的混合物[32]，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)這3種茶色素的分離提取研究，同時(shí)鑒定其結(jié)構(gòu)。

2.1.2" " 現(xiàn)代提取法

考慮到能源消耗及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究其他新型提取技術(shù)如超臨界流體法、微波輔助法、超聲輔助法、亞臨界水法和低共熔溶劑等方法。但是超臨界流體提取法缺點(diǎn)明顯，設(shè)備要求高，操作嚴(yán)格，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。近現(xiàn)代以來(lái)很多學(xué)者使用微波及超聲波來(lái)提取茶色素，王雪梅等[33]用微波輔助下的乙醇水溶液來(lái)提取紅茶色素，不僅提高了色素的提取率，而且節(jié)約了色素提取成本。劉麗辰等[34]探索了亞臨界水法提取茶色素，此方法具有環(huán)境友好、提取效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。而低共熔溶劑因其具有與水相溶、低揮發(fā)性、可降解以及簡(jiǎn)單易制備等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種新型的且具有發(fā)展前景的綠色溶劑。

2.1.3" " 體外模擬氧化法

茶色素的體外模擬氧化是指人為地創(chuàng)造出能夠促使茶多酚發(fā)生氧化反應(yīng)的條件，從而模擬紅茶中茶多酚發(fā)生氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成茶色素的過(guò)程[35]。根據(jù)操作原理的不同，可將該方法再細(xì)分為：體外模擬酶促氧化、體外模擬化學(xué)氧化和自氧化3種方法。近些年使用最多的是體外模擬酶促氧化，王富邦等[36-37]就曾采用此方法上染蠶絲織物，得到色牢度良好的蠶絲織物。作為茶色素的前驅(qū)體――茶多酚，是茶葉中酚類(lèi)物質(zhì)的總稱(chēng)[38]，在茶中含量最高，約占茶葉干重的20％～35％[39]，茶多酚中的主要活性成分兒茶素含量為 50％～70％[40]，包括兒茶素、表兒茶素（EC）、半乳子兒茶素（GC）、表沒(méi)食子兒茶素（EGC）、兒茶素沒(méi)食子酸酯（CG）、表兒茶素沒(méi)食子酸酯（ECG）、半乳兒茶素沒(méi)食子酸酯（GCG）和表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯（EGCG）[7-8， 10， 38， 41]。體外模擬氧化法產(chǎn)生茶色素的過(guò)程即為兒茶素、表兒茶素等在氧化酶、氧化劑或者氧氣中被氧化為復(fù)雜的茶黃素和茶紅素，茶黃素和茶紅素進(jìn)一步氧化聚合成為茶褐素[42-43]。體外模擬氧化法提取色素憑借提取效率高，提取含量高的優(yōu)點(diǎn)而成為目前使用最頻繁的提取茶色素的方法。

2.2" " 茶色素的純化

茶色素常用的純化方法包括聚酰胺層析法、凝膠層析法、高速逆流色譜法、高效液相色譜法以及大孔吸附樹(shù)脂等[44]。聚酰胺層析法的不足主要有分離時(shí)流速較慢和一些小分子雜質(zhì)會(huì)混入，凝膠層析法主要存在耗時(shí)長(zhǎng)和不能處理大分子等缺點(diǎn)。高速逆流色譜法與高效液相色譜法存在成本較高，設(shè)備投資費(fèi)用以及能耗大等缺點(diǎn)。而大孔吸附樹(shù)脂是一類(lèi)綠色環(huán)保的有機(jī)高分子聚合物吸附劑，是精制純化茶色素的一種有效方法，具有使用簡(jiǎn)單，使用周期長(zhǎng)，物理化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。但由于大孔吸附樹(shù)脂的特殊性質(zhì)，使其并不適用于一些高溫、高壓、酸、堿等特殊環(huán)境。

3" " 茶色素的應(yīng)用

茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎癥、降血脂等多種功能作用，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療以及紡織印染領(lǐng)域。

3.1" " 食品

合成色素雖然憑借成本低、色澤艷、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)大了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，但對(duì)人體存在著不同程度的傷害等嚴(yán)重問(wèn)題。目前，茶色素在食品領(lǐng)域主要被當(dāng)作天然著色劑，添加于飲料、蛋糕、餅干、口香糖、果醬、面包、果凍、冰激凌、火腿、色拉油、巧克力等多種食品中，茶色素相較于合成色素具有色澤自然、水溶性好、刺激性小、對(duì)人體有良好的保健功能等優(yōu)點(diǎn)。今后，展開(kāi)對(duì)茶色素成為一種新型天然保健食用色素的研究和利用，從而代替部分合成色素成為食用色素，將是一種必然趨勢(shì)。

3.2" " 醫(yī)療

茶色素作為一類(lèi)天然、綠色、安全的活性物質(zhì)已被證實(shí)具有抗癌、抗氧化、抗腫瘤、降血脂等多種藥理功能[29]。在醫(yī)療領(lǐng)域則被用于心腦血管、消化、牙齒等方面疾病的治療中，且與其他治療藥物相比，茶色素具有毒副作用小的顯著優(yōu)點(diǎn)。賈夢(mèng)雪等[29]提出在高鎂條件下茶色素對(duì)離體蟾蜍心臟有明顯的保護(hù)作用。茶色素防治心腦血管疾病的作用機(jī)理主要是通過(guò)抗氧化、抗炎、降血壓、降血脂以及抑制血小板聚集實(shí)現(xiàn)的。臨床研究表明，茶色素對(duì)于消化系統(tǒng)方面的疾病也具有一定治療效果。王再謨等[35]將茶色素制成膠囊用來(lái)治療患者的慢性腹瀉。經(jīng)進(jìn)一步研究推測(cè)，茶色素對(duì)慢性腹瀉的良好治療效果可能與茶色素提高小腸吸收能力、增強(qiáng)免疫細(xì)胞活性和調(diào)節(jié)腸道菌群有關(guān)。還有研究者[35]發(fā)現(xiàn)茶色素對(duì)抑制胃黏膜癌變具有一定治療效果。此外，由于茶色素對(duì)形成齲齒的細(xì)菌有抑制作用，且還具有消炎、除口臭等效果[45-46]，將茶色素作為牙膏添加劑不僅賦予牙膏以自然的顏色，還可提高牙膏的防齲和潔齒功能。

3.3" " 紡織印染

目前，茶色素在紡織領(lǐng)域主要用于紡織品的染色。茶染的染色原理是茶多酚與棉、麻、絲綢中的纖維素或蛋白質(zhì)分子結(jié)合發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，茶多酚的氧化特性可以對(duì)不同的織物著色，根據(jù)媒染劑的不同能夠形成不同的顏色。王雪梅等[47]研究了在不同媒染劑作用下，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化黑茶色素對(duì)竹纖維的染色工藝，獲得了耐洗色牢度良好的染色產(chǎn)品。王富邦等[36-37]利用漆酶生物轉(zhuǎn)化將茶多酚作為前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為染料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)織物染色，得到色牢度優(yōu)良的染色織物，且在染色過(guò)程中未使用有害環(huán)境的添加劑來(lái)提高染料的吸收和固色，屬于生態(tài)環(huán)保染色。于學(xué)智等[48]則使用普洱茶色素上染柞蠶絲織物，發(fā)現(xiàn)經(jīng)茶色素上染的柞蠶絲織物斷裂強(qiáng)力稍有降低，拉伸性及抗皺性得到提高。程桐懷等[38， 49]從茶梗廢棄物中提取天然功能性茶色素，并將之用于蠶絲及棉織物的染色及功能改性，經(jīng)研究得出染色蠶絲及染色棉織物均表現(xiàn)出良好的生物活性、阻燃性及紫外防護(hù)功能。姜秀娟等[40]研究了茶色素上染羊毛織物，發(fā)現(xiàn)茶色素染色總體色牢度表現(xiàn)較好，染色過(guò)程綠色無(wú)污染，染后織物兼具抗菌等保健效果。

4" " 結(jié)" " 論

茶色素因具有抗癌、阻燃、抗氧化、抗紫外、抑制炎癥、降血脂等多種功能作用，以及良好的著色性能被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療以及紡織印染領(lǐng)域。為進(jìn)一步凸顯茶色素性能優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大開(kāi)發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域，此后的研究可圍繞以下幾方面展開(kāi)。

（1）加強(qiáng)對(duì)茶黃素、茶紅素以及茶褐素的分離提取和快速鑒定研究。（2）為進(jìn)一步降低成本，提高廢物利用效果，可從廢棄的茶梗中提取茶色素制成天然染料，應(yīng)用于紡織印染領(lǐng)域。（3）采用納米顆粒、水凝膠、氣凝膠、微膠囊和金屬骨架等涂覆的方法提高茶色素穩(wěn)定性和緩釋效果，同時(shí)擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域：在環(huán)境領(lǐng)域，可用于氣體分離和污染物吸附等；在電子器件領(lǐng)域，可用于光學(xué)器件、傳感器和電子廢物處理等方面；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，則可用于藥物傳遞、組織工程和生物傳感等方面。

相信在不久的將來(lái)，穩(wěn)定性好、緩釋效果好的天然茶色素將以獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于紡織印染、食品、藥品和化妝品著色，以及生物醫(yī)藥和環(huán)境工程領(lǐng)域。

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