基于FTIR、UPLC-QTOF-MSE及UNIFI天然產物數據庫快速鑒定普洱茶茶湯絮凝物中的化學成分

劉建國，巴根納，藺 煒，楊瑞冬，余建龍，韓之皓，侯兆乾，王彥平*

1. 內蒙古伊利實業集團股份有限公司 液態奶事業部 研發部，內蒙古 呼和浩特 010110；2. 沃特世科技（北京）有限公司，北京 100026

近年來，享有“飲料新貴”的茶飲料正以所向披靡的姿勢迅速占領飲料市場，而綠茶和紅茶類飲品幾近占據茶飲料市場的半壁江山，作為“后起之秀”的普洱茶類飲料也逐漸得到消費者的青睞。市面上常見的普洱茶類飲品有東方樹葉青柑普洱茶、淳茶舍普洱消茶、麟瓏茶室桂花普洱茶等。普洱茶堪稱益壽茶，經實驗驗證，普洱茶具有減肥降脂、降壓、降膽固醇、降血糖以及抗氧化、抗病毒及增強免疫力等保健功效，這得益于普洱茶中含有多種生物活性成分[1]。但在這類產品開發過程中，產品貨架期內普遍存在較為嚴重的絮凝問題。這一問題使普洱茶飲料的研發和生產過程遭遇瓶頸，絮凝物造成茶飲料感官上的難以接受性成了整個茶飲料行業內的共性問題，也是重要技術難題[2]。要解決普洱茶絮凝問題，首先要明確參與絮凝物形成的核心化學成分的種類。已有研究表明，茶飲料中絮凝物的產生是茶葉中多酚類、多酚氧化產物、蛋白質、生物堿以及金屬離子等多種化合物通過氫鍵、離子鍵、疏水作用等相互作用的結果[3-6]。但這些研究大多集中于綠茶和紅茶，對于絮凝情況嚴重的普洱茶鮮有報道。且對于絮凝物成分的測定大多聚焦于常規化學成分，缺乏廣泛而深入的系統研究。

傅里葉變換紅外光譜技術（FTIR）是進行未知化合物分子組成和結構鑒定、有機化合物官能團定性、研究分子內部及分子間相互作用的有力工具[7]。超高效液相色譜-高分辨質譜儀（UPLC-QTOF-MSE）聯用技術是超高效液相分離系統（ACQUITY UPLC I Class）和超高靈敏度的高分辨質譜（Xevo G2-XS QTOF）的完美結合。超高效液相分離系統能夠提供極佳的分離效果，高分辨質譜可以提供高分辨和高靈敏度的分析鑒定能力，該方法已廣泛應用于天然產物中未知化合物的鑒定[8-9]。UNIFI是基于Oracle數據庫的軟件，該軟件以UPLC/MSE為基礎，既可以控制儀器對數據進行MSE采集，又可高效處理數據并能生成報告[10-11]。本實驗利用FTIR、UPLC-QTOF-MSE技術結合UNIFI天然產物數據庫對普洱茶茶湯及絮凝物中的化學成分進行快速鑒定，旨在為普洱茶飲料絮凝問題的解決提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料

普洱茶購自浙江美町寶植物科技（中國）有限公司。

1.1.2 主要儀器

Thermo Nicolet iS10TM 傅 里 葉 變 換 紅 外光譜儀（美國賽默飛世爾科技公司），Waters ACQUITY UPLC I Class 超高效液相色譜系統（美國沃特世公司），Xevo G2-XS QTOF高分辨率飛行時間質譜儀（美國沃特世公司），H1850R臺式高速冷凍離心機（湘儀離心機儀器有限公司），LRH-250F生化培養箱（上海一恒科學儀器有限公司）。

1.1.3 試劑

乙腈為LC-MS級色譜純，購自美國賽默飛世爾科技公司；水為超純水，其余試劑為分析純。

1.2 樣品前處理

1.2.1 茶湯制備

準確稱取 50 ～ 100 g 普洱茶置于萃茶桶中，按 1 ∶20 ～ 1 ∶10 的茶水比，用 70℃ ～ 90℃的萃茶水進行萃取。萃茶過程采用間歇式攪拌（攪拌 2 min，靜置 1 min），萃取時間控制在 12 ～30 min。萃取結束后，茶湯和茶葉共同倒入方桶上方的篩網，靜置5 ～ 10 min，確保茶湯與茶葉充分分離，茶湯全部進入方桶中。茶湯依次經過1.5 mm粗濾、150目篩網、40目單聯或雙聯過濾器進行渣液分離。茶湯全部進入萃取液灌，冷卻至 1℃ ～ 15℃。茶湯冷卻后保持靜置 5 ～ 10 min。然后對茶湯進行離心分離，離心機轉速8000 ～ 12000 rpm，離心 20 ～ 30 min。離心后將茶湯經過138℃、30 s殺菌并灌裝，然后將茶湯冷卻至 1℃ ～ 15℃貯存待用。

1.2.2 加速茶湯樣品制備

將上述茶湯放入45℃生化培養箱中，分別進行1 d、2 d、3 d以及長時間（＞ 7 d）加速處理，處理后的樣品取出冷卻至1℃ ～ 15℃貯存待用。

1.2.3 茶湯絮狀物的富集

將經過長時間加速的茶湯靜置，棄去上清液，將瓶底部無法去除的茶湯及絮狀物倒入離心管，離心機轉速 8000 ～ 12000 rpm 離心 20 ～30 min。棄去離心管上清液，得到茶湯絮狀物。將冷凍離心獲得的絮凝物通過90℃熱水復溶解后得到絮狀物液體。

1.3 FTIR 檢測條件

將1.2.3處理過程中得到的絮狀物常溫晾干，然后取樣進行紅外光譜分析。測量范圍為400 ～4000 cm-1，光譜分辨率為 4 cm-1，選用衰減全反射光譜（ATR）模式，光譜范圍 580 ～ 4000 cm-1。

1.4 UPLC 檢測條件

取 茶 湯 上 清 液 2 mL 過 0.22 μm 孔 徑 濾膜，然后上樣進行UPLC-QTOF-MSE分析。色譜柱為 Waters ACQUITY UPLC HSS T3（100 mm×2.1 mm，1.8 μm），以水（A）-乙腈（B）為流動相，進行梯度洗脫：0 ～ 2 min，0% ～ 2%B；2 ～ 10 min，2% ～ 98%B；10 ～ 12 min，98%B；12 ～ 12.5 min，98% ～ 2%B；12.5 ～ 15 min，2%B。柱溫40℃，體積流量0.3 mL/min，進樣體積2 μL。

1.5 MS 檢測條件

采用電噴霧離子源（ESI），正、負離子模式，霧化氣（N2）體積流量為1000 L/h，脫溶劑氣溫度為550℃，錐孔氣流量為50 L/h，離子源溫度120℃，錐孔電壓為20 V，毛細管電壓為（ESI+）3.0 kV 和（ESI-）2.5 kV；MSE 掃描模式檢測，掃描范圍為 50 ～ 1200 m/z。

2 結果與分析

2.1 傅里葉變換紅外光譜分析結果

傅里葉變換紅外光譜可以客觀體現所測物質的分子結構，光譜圖中每個吸收峰都對應于不同分子及其所含基團的振動形式[7]。本試驗分別對70℃和90℃萃取的茶湯絮凝物進行傅里葉變換紅外光譜測定。從圖1可以看出，70℃下絮凝物的紅外光譜中，3264 cm-1附近的極強且寬的吸收峰主要歸屬于羥基（-OH）的伸縮振動[12-13]，說明絮凝物中存在醇類和酚類化合物；1685 cm-1為酰胺Ⅰ帶吸收峰，同時還可能有多糖振動吸收的貢獻，由茶多酚、咖啡堿、茶多糖及蛋白質的C=O伸縮振動產生[14]，由于蛋白質及茶多糖含量很小，對光譜的影響較小，所以認為此峰對應普洱茶中的化合物為兒茶素類和咖啡堿，這與羅婧和許娜等的研究結果一致[15-16]；1589 cm-1為蛋白質肽鍵酰胺Ⅱ帶偶合峰，歸屬為N-H的彎曲振動和C-N的伸縮振動[12,17]，說明此吸收峰對應的化合物為蛋白質及氨基酸[18]；1490 cm-1和 1441 cm-1可由苯環上的C=C伸縮振動產生；1373 cm-1和1317 cm-1吸收峰是由于羧酸（COO-）的C-O伸縮振動產生，此吸收峰與多酚氧化產物及含量有關[19]，說明絮凝物中可能存在多酚的氧化產物如茶黃素、茶紅素或茶褐素；由于吸收頻率在1000 ～1300 cm-1范圍內為醇、酚、酯等類的C-O或C-O-C伸縮振動吸收 峰，故 1260 cm-1、1192 cm-1、1102 cm-1和 1065 cm-1處吸收峰的變化分別由絮凝物中茶多酚中的酚、叔醇、仲醇和伯醇產生[19]；919 cm-1、829 cm-1和 752 cm-1屬 于 950 cm-1以下的指紋區[20]，此區域對分子結構十分敏感，細微變化會引起吸收峰位置和強度明顯變化，由芳烴的C-OH彎曲振動及C-H變形振動產生，意味著樣品中具有較多的芳烴類物質成分，如茶多酚，就是芳烴的含羥基衍生物。

圖1 70℃、90℃下茶湯絮凝物的傅里葉變換紅外光譜圖Figure 1 then fourier transform infrared transform spectra of tea soup flocs at 70℃ and 90℃

90℃下絮凝物的紅外光譜與70℃差別可視為由萃取溫度不同所致，主要涉及各吸收峰的強度和位置的變化，對應于其中化合物結構和含量的變化。由此可推斷普洱茶茶湯絮凝物中可能含有兒茶素類、咖啡堿、蛋白質（氨基酸）及茶多酚氧化產物類。

2.2 常溫樣品、加速茶湯樣品與茶湯絮凝物樣品的總離子流圖

本研究采用UPLC-QTOF-MSE技術分別檢測普洱茶茶湯常溫樣品以及45℃加速樣品和絮狀物樣品的極性和非極性組分，通過分析不同處理條件下普洱茶化學成分變化情況以及絮狀物90℃復溶后液體成分，以推斷茶湯絮凝物的形成機理及可能存在的化學成分。因此本研究分別采用正離子模式和負離子模式對樣品進行檢測，比較不同處理條件下樣品的輪廓差異，得到其原始譜圖及數據。如圖2所示，為正、負離子模式下的常溫樣品、加速茶湯樣品與茶湯絮狀物樣品的總離子流圖。由圖可知，正、負離子采集模式下常溫茶湯樣品及不同加速時間點茶湯樣品與茶湯絮凝物樣品相比總離子流圖均存在峰強度的差異，表明常溫普洱茶湯及加速普洱茶湯與茶湯絮凝物的化學成分有所差異。

圖2 正、負離子模式下常溫樣品、加速茶湯樣品與茶湯絮凝物的總離子流圖Figure 2 Total ion current (TIC) chromatogram of the normal temperature sample, accelerated tea soup samples and tea soup flocs in positive and negative ions mode

2.3 化合物鑒定結果

應用UPLC-QTOF-MSE模式采集質譜數據，并采用UNIFI數據庫中的自動識別處理系統對普洱茶茶湯及絮凝物中的化學成分進行自動鑒別。通過UNIFI數據庫自動檢出再結合文獻檢索及人工核對，共檢測到多種化合物，其中對27個化合物進行了歸屬，包括黃烷醇類、黃酮醇類、黃酮類、異黃酮類、酚酸類化合物和氨基酸、咖啡堿等化合物，結果見表1和表2。

表1 正離子模式下茶湯及絮凝物化學成分的UPLC-Q-TOF-MSE鑒定結果Table 1 Identification of chemical components from tea soup and flocs by UPLC-Q-TOF-MSE in positive ion mode

表2 負離子模式下茶湯及絮凝物化學成分的UPLC-Q-TOF-MSE鑒定結果Table 2 Identification of chemical components from tea soup and flocs by UPLC-Q-TOF-MSE in negative ion mode

2.4 參與普洱茶絮凝的化合物

2.4.1 多酚類化合物

2.4.1.1 黃烷類化合物

茶湯中的多酚類物質主要以黃烷醇類化合物為主，占茶多酚含量的60% ～ 80%左右[21]。如圖3所示，在常溫以及不同時間處理下的普洱茶湯中共鑒定出5種黃烷醇類化合物，其中含有4種主要兒茶素類化合物：兒茶素、表兒茶素、兒茶素沒食子酸酯、表沒食子兒茶素，且這4種兒茶素含量呈顯著下降趨勢，表明兒茶素類化合物可能與其他化合物相互作用從而形成茶絮凝。現有研究表明，兒茶素參與形成茶絮凝的機理源于其分子結構中含有較多的羥基，由于共軛效應，極易與其他化合物（如咖啡堿和蛋白質等）形成氫鍵締合物，締合度的不斷增加帶來的是其分子量及粒徑不斷增大，導致茶湯由清轉渾，嚴重時可形成絮狀物沉淀析出[22]。此外有研究表明，酯型兒茶素由于C環上帶有沒食子酰基基團，比非酯型兒茶素擁有更多的羥基，這些基團猶如爪子一樣可將咖啡堿等其他化合物牢牢地抓住，所以更容易參與茶絮凝的形成[23]。另一種黃烷醇類化合物為原花青素B1，在樣品中的響應規律和兒茶素類似，隨著加速時間的延長，原花青素B1含量呈顯著下降趨勢，表明原花青素B1可能同樣與其他化合物相互作用，參與茶絮凝的形成。原花青素B1為一分子兒茶素和一分子表兒茶素通過C-C鍵連接而形成的二聚體結構[24]，推測其參與茶絮凝的機理與兒茶素類似，同樣通過氫鍵作用與其他化合物形成絡合物，且由于原花青素B1為二聚體結構，含有較多的酚羥基，能夠提供更多的結合位點，其參與茶絮凝的機會更大。

2.4.1.2 黃酮類化合物

黃酮類化合物是植物多酚最主要的一大類化合物，包括黃酮類、黃酮醇類以及異黃酮類，其很少以游離形式存在，大多與糖或碳結合成糖苷或C-苷[25]。有研究表明，在綠茶茶湯中黃酮類化合物是參與茶湯絮凝形成的重要組分[4]，但所占比例較小，約占總絮凝物的2.26% ～3.21%[5]。如圖3所示，在常溫以及不同時間處理下的普洱茶中共鑒定出5種主要黃酮類化合物：芹黃苷、6''-O-乙酰基黃豆黃苷、木犀草素、木犀草素-7-O-葡萄糖苷、木犀草素7-芹糖（1-2）-葡萄糖苷；6種主要黃酮醇類化合物：槲皮素、二氫槲皮素、槲皮素-3-O-葡萄糖-7-O-鼠李糖苷、槲皮素-3-O-半乳糖苷、槲皮素-3'-硫酸鹽、山奈酚-3-O-蕓香糖苷；3種主要異黃酮類化合物：3'-羥基染料木黃酮、大豆苷元-7-O-葡萄糖醛酸苷、5,7-二羥基-8,4'-二甲氧基異黃酮。其中6''-O-乙酰基黃豆黃苷、木犀草素及其糖苷、槲皮素及其糖苷在加速時期的響應值呈衰減趨勢，且在絮凝物中均有較高的響應值，說明這幾種化合物均有可能與其他化合物反應，參與茶絮凝的形成；而芹黃苷和山奈酚-3-O-蕓香糖苷在加速早期響應值呈衰減趨勢，加速后期又呈上升趨勢，說明茶湯中一直存在化合物間的反應，絮凝物中也有較高響應值，說明芹黃苷與山奈酚-3-O-蕓香糖苷也有可能是絮凝物的一部分；3種主要異黃酮類化合物響應值在加速期間有增長的趨勢，說明45℃加速促進了異黃酮類化合物的生成，至于其是否參與絮凝的形成還有待進一步驗證。關于黃酮類化合物參與絮凝的報道較少，但確有研究表明在絮凝物中檢測到黃酮類化合物，如黃酮醇糖苷[3]。推測其形成絮凝物的機理是由于其分子結構上具有一定數量的酚羥基，能夠提供氫鍵結合位點。但糖苷與其他極性基團會競爭性占據這些位點，從而間接影響多酚類與其他化合物的締合[26]。

2.4.1.3 其它酚類化合物

如圖3所示，在絮凝物中發現沒食子酸響應值非常高，說明沒食子酸參與絮凝物的形成。同樣在不同樣品中發現另外兩種酚酸：二羥基苯甲酸與咖啡酸有響應，且響應值隨著加速時間的延長呈顯著下降趨勢，表明這兩種酚酸可能與其他化合物相互作用參與茶絮凝的形成，這與之前的研究結果類似[4]。沒食子酸參與絮凝形成的機理可能是由于其苯環結構上含有羥基，可作為氫鍵結合位點與其他化合物發生締合反應。在絮凝物中發現連苯三酚（焦性沒食子酸）也有較高的響應值，說明連苯三酚參與絮凝物的形成。不難推測，連苯三酚參與絮凝的主要原因同樣是由于其分子結構中含有3個酚羥基，能夠與咖啡堿或蛋白質分子中的極性基團形成氫鍵。但由于連苯三酚分子量較小，如果其濃度不夠大時應該很難形成大分子的締合物。有研究報道，連苯三酚能夠與茶湯溶液中的蛋白質反應，如果它們在溶液中的濃度足夠大，有可能推動有利于多酚-蛋白質復合物的平衡，從而在蛋白質表面形成簡單酚分子的疏水層，當締合度加劇，分子粒徑會進一步增加，最終導致絮凝物的產生[27]。Reddy等[28]通過C-NMR技術研究沒食子酸、焦性沒食子酸、兒茶素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯與膠原蛋白的互作機理時發現，沒食子酸除了通過羥基形成氫鍵，還可通過羧基與蛋白結合。而焦性沒食子酸分子中只存在羥基不存在羧基，因而與蛋白結合能力極弱，所以發現4種酚類與膠原蛋白的結合能力結果為：表沒食子兒茶素沒食子酸酯＞兒茶素＞沒食子酸＞焦性沒食子酸。

圖3 常溫樣品、加速茶湯樣品與茶湯絮凝物中多酚類化合物響應值的變化Figure 3 Changes of response values of polyphenols in normal temperature samples, accelerated tea soup samples and tea soup flocs

2.4.2 咖啡堿

咖啡堿是茶葉中最主要的生物堿，含量顯著高于其他嘌呤堿如可可堿和茶堿[29]。如圖4所示，在不同樣品中發現咖啡堿響應值非常高，且隨著加速時間的延長咖啡堿含量呈顯著下降趨勢，說明咖啡堿參與茶絮凝的形成。在絮凝物中咖啡堿的響應值達到852553，說明絮凝物中有較高含量的咖啡堿。這與烏龍茶絮凝物化合物鑒定結果吻合，研究人員通過C-NMR核磁共振技術研究發現，烏龍茶茶湯絮凝物中主要化合物為兒茶素類和咖啡堿[30]。有研究表明，咖啡堿可與兒茶素及其氧化產物（如茶黃素、茶紅素等）形成締合物導致茶湯絮凝沉淀[31]。咖啡堿分子中含有兩個酮胺基，可與其他含羥基化合物中的羥基反應，形成氫鍵締合物。另外咖啡堿分子在1,3,5,7處含有N原子，每個N原子具有一對孤對電子，同樣可以吸引多酚類化合物中羥基上的H原子，兩者互作形成氫鍵，生成氫鍵締合物。且締合物的形成同萃茶溫度及咖啡堿和茶多酚及其氧化產物的濃度密切相關[32]，溫度較高或濃度較低時咖啡堿及其他多酚化合物各自呈游離狀態，隨著溫度降低，締合加劇伴隨著粒徑增大，最終形成絮凝物[33]。通過X-射線衍射技術研究發現，兒茶素及其氧化產物與咖啡堿除了可通過氫鍵作用締合外，咖啡堿的六元環可與多酚的苯環間形成π-π堆積相互作用[34]。但不同的兒茶素類單體及其氧化產物與咖啡堿的結合比例不同，如EGCG、EC、ECG、GCG、茶黃素與咖啡堿結合的分子數之比分別為2∶2、1∶1、2∶4、2∶2和1∶2[35-37]。

圖4 常溫樣品、加速茶湯樣品與茶湯絮凝物中氨基酸類化合物及咖啡堿響應值的變化Figure 4 Changes of response values of amino acids and caffeine in normal temperature samples, accelerated tea soup samples and tea soup flocs

2.4.3 氨基酸

茶的滋味及香氣呈現離不開茶湯中的氨基酸，但氨基酸的存在同樣對茶湯絮凝物的形成有顯著影響。氨基酸分子中含有酰胺基、氨基和羧基，這些基團可提供孤對電子吸引多酚中羥基上的H原子從而形成氫鍵[3]。如圖4所示，在不同樣品中共檢出3種類型的氨基酸，分別是纈氨酸、天冬氨酸和異亮氨酸，這三種氨基酸的響應值隨著加速時間的延長呈顯著下降趨勢。其中纈氨酸響應值較高且在絮凝物中也有較高的響應，說明纈氨酸參與茶絮凝的可能性更大。而天冬氨酸和異亮氨酸僅在茶湯中有響應且響應值很低，在絮凝物中并無響應，推測可能是由于這兩種氨基酸含量較少，形成的締合物分子量較小，不足以形成大分子絮凝物。這與前人研究分析吻合，其指出在氨基酸（蛋白質）濃度較低時其不能提供足夠的結合位點與多酚交聯，形成的單層結構難以絮凝；而在高濃度下，通過將多酚絡合到蛋白質上，多酚未結合的羥基又可以通過氫鍵同另一蛋白質分子結合，使締合物分子直徑迅速增大，當相對分子質量足夠大時就形成白色棉絮狀物漂浮在茶湯中[27,38]。由于蛋白質是由多個氨基酸脫水縮合而成，所以其與多酚形成絡合物的機理也是通過氫鍵作用，其中還包括蛋白質疏水基團與多酚分子間的疏水相互作用[39]。蛋白質（氨基酸）與茶多酚的作用強弱除了取決于蛋白質（氨基酸）濃度的大小，還取決于多酚類物質結合位點的多少。研究表明，酯型兒茶素如ECG與EGCG由于有沒食子酰基的存在，含有更多的酚羥基，因此與蛋白質結合的能力較非酯型兒茶素強[40-41]。

3 討論

本試驗研究采用FTIR光譜技術對普洱茶茶湯絮凝物進行測定，經過對光譜圖中每個吸收峰位置及強度的研究，結合茶葉中各化學成分官能團對吸收峰產生的影響分析，推測絮凝物中可能存在的化合物為兒茶素類、咖啡堿、蛋白質（氨基酸）及茶多酚氧化產物類化合物。表明采用FTIR光譜技術可以作為普洱茶絮凝物化學成分判斷的初步依據。

本試驗研究采用UPLC-QTOF-MSE技術分別對普洱茶茶湯常溫樣品以及45℃加速樣品和絮狀物樣品進行了測定，結果顯示常溫茶湯樣品及不同加速時間點茶湯樣品與茶湯絮凝物樣品相比正、負離子模式下的總離子流圖均存在峰強度的差異，表明不同處理條件下化學成分有所差異。經過對質譜數據的分析，并結合UNIFI天然產物數據庫對其進行化學成分自動鑒別，再結合文獻檢索核對，共檢測到多種化合物信號，并對其中27種化合物進行了歸屬，包括黃烷醇類、黃酮醇類、黃酮類、異黃酮類、酚酸類化合物及氨基酸、咖啡堿等化合物，與前人研究結果吻合。因此，采用UPLC-QTOFMSE技術結合UNIFI天然產物數據庫可以完成對普洱茶絮凝物化學成分的鑒定。

已有研究表明，普洱茶含有豐富的生物活性成分，而有些物質如茶多酚、多酚氧化產物、咖啡堿、蛋白質、茶多糖、果膠及金屬離子等的存在，易使茶湯冷卻后產生“冷后渾”現象[42]。但本次液-質聯用對其絮凝物進行檢測時并未鑒定到文獻報道過的茶黃素、葉綠素及多糖成分，推測可能這些成分在普洱茶的絮凝物中所占比例較低，未能達到檢測下限。

另外有研究表明，不同產地、不同發酵年份的普洱茶其所含化學成分有所不同[43-44]，這些因素也會導致參與絮凝物的化學成分及含量上存在差異。今后還需進行不同產地、不同發酵年份、不同季節及不同等級等的普洱茶茶湯絮凝物進行化合物鑒定，進而為普洱茶飲料絮凝問題的解決提供理論依據。