太空茶葉中礦物質及抗氧化營養成分的溶出特性研究

董海勝， 臧 鵬， 馬少君， 徐 楠， 簡一平

（1.中國航天員科研訓練中心航天營養與食品工程重點實驗室， 北京 100094；2.北京笑傲天宮生物科技有限公司， 北京 100097）

1 引言

在軌飛行過程中乘組會受輻射、微重力及晝夜節律變化等因素的影響，機體長期處于應激狀態，消化、神經及血液循環多個生理系統發生適應性變化［1］。 太空飛行過程中腸胃功能較弱，進食飲水量下降，配置茶類產品有助于消食除膩，茶葉沖泡獲得的茶水富含礦物質元素、茶多酚類物質具有有益的生理作用，其中的抗氧化成分具有抗輻射、抗炎、調節免疫及腸道菌群等功能［2－3］。 國外航天食品系統中通常以固體速溶茶飲料的形式提供，在軌復水后飲用，包括多種口味［4］。 中國航天食品中茶類產品以茶葉形式提供，經過特殊包裝以適應失重環境下飲用對沖泡器皿及衛生學的要求，同時能夠更好地滿足飛行乘組泡茶體驗。

航天飲水通常為經過過濾得到的去離子水，濾除了人體必需的鉀、鈣、鎂等營養元素，而茶葉富含鉀、鈣、鎂等多種人體必需常量元素，采用航天飲水沖泡過程中溶出，可作為飛行乘組補充礦物質元素的來源之一。 載人航天飛行營養保障實踐中，通過將具有調節心理狀態和改善認知的食源性功能成分強化到航天食品中，如γ－氨基丁酸（γ－Aminobutyric Acid，GABA）、茶氨酸、木樨草素，實施生物節律調控，有望在深空探索任務航天功能食品中得到應用［5－6］。 GABA 是一種非蛋白質氨基酸，在茶葉中天然存在，在大腦中起抑制神經遞質的作用，具有降血壓、抗癲癇、抗焦慮、抗抑郁及鎮靜等作用［7－9］。 對于長期載人航天飛行任務，乘組長期處于孤閉隔離的空間中，承受來自各個方面的心理應激，通過飲茶攝入相應的具有調節情緒功能的成分或可作為心理支持的手段之一。

在神舟十一號的飛行食譜中，為乘組配置了綠茶和紅茶2 種茶，實現了中國首次太空泡茶。不同茶葉中特有的礦物質營養元素、茶多酚及氨基酸等組成，賦予了不同品種茶葉獨特的感官品質，太空綠茶及太空紅茶綜合了不同產地茶葉的優勢復配而成，風味獨特［10］。 而航天工況下茶中礦物質營養元素及抗氧化活性成分等的溶出特性尚缺乏數據支持，為研究航天工況下沖泡綠茶及紅茶，鉀、鈣、鎂、鈉、GABA、沒食子兒茶素沒食子酸酯（Epigallocatechin－3－gallate，EGCG）以及沒兒茶素沒食子酸酯（Epicatechin Gallate，ECG）7種成分溶出特性，本文通過模擬航天工況沖泡綠茶及紅茶，采用電感耦合等離子體發射光譜法及液相色譜串聯質譜法測定多次沖泡得到的茶水中7 種成分的含量，為航天用綠茶和紅茶的生產加工、在軌沖泡飲用提供參考依據。

2 方法

2.1 材料

太空紅茶及綠茶由北京笑傲天宮生物科技有限公司生產提供，包裝材料為食品級聚乳酸纖維茶包及非PVC5 層共擠復合膜袋，規格為3 g／袋，與交付航天飛行的產品一致，詳見圖1 所示，采用飲水管通過復水裝置注水沖泡及飲用。 太空紅茶融合不同產地紅茶的優勢，由工夫紅茶、紅碎茶、小種紅茶等紅茶品種組合制備而成；太空綠茶融合不同產地綠茶優勢，由中小葉種綠茶、大葉種綠茶、蒸青茶、珠茶及眉茶等綠茶品種組合制備而成。

圖1 太空綠茶（左）及太空紅茶（右）Fig.1 Space green tea（left） and space black tea（right）

2.2 試劑

EGCG（CAS 989－51－5）、ECG（CAS 1257－08－5）及GABA（CAS 56－12－2）標準品；乙腈（質譜純）。 標準儲備液：Ca、K、Mg 及Na 等元素的標準儲備液均為1000 mg／L；40 目試驗篩；高純氬氣純度≥99.999%（北京普萊克斯氣體有限公司）；硝酸、過氧化氫，均為優級純（GR）；超純水，韓國。

2.3 儀器

Shimadzu Nexera X2 UHPLC-8060MS 液相色譜質譜儀（島津企業管理有限公司）；Micro CL 21R 微量離心機（Thermo Scientific）；Discovery ?HS F5－3 HPLC 色譜柱（3 μm×15 cm×2.1 mm，Sigma-Aldrich 公司）；UPM-N15L 超純水機（上海儀電科學儀器股份有限公司）；XH－800B 高壓密閉微波消解儀；Agilent725－ES 電感耦合等離子體發射光譜儀（美國安捷倫科技公司，校準合格編號IP1105M167）；高速粉碎機（北京環亞天元機械設備有限公司）。

2.4 冷泡流程

模擬航天工況下綠茶及紅茶（圖1）冷泡流程如下：取綠茶和紅茶各3 g，采用食品級濾網包裝（聚乳酸纖維），置于專用復合膜袋中進行密封包裝；然后將包裝好的產品按3 g：200 g（茶葉干重：水）的比例用（65±1）℃去離子飲用水浸泡10 min，得到第一次沖泡的茶水，按上述步驟依次沖泡4 次，分別取樣，得到第2 次～第5 次沖泡茶水。 取同批次樣品重復處理2 次待測。

2.5 元素測定

參考電感耦合等離子體光譜法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，ICP-OES）［9］，將綠茶及紅茶20 g 左右粉碎過40 目試驗篩，精確稱取有代表性的樣品0.5 g，置于聚四氟乙烯消化罐底部，依次加入10 mL 硝酸、1 mL 過氧化氫，常溫常壓預消解30 min；預消解結束后，放入微波消解儀內進行消解并冷卻，得到澄清透明的消解液，移到100 mL 容量瓶中，并用超純水清洗消化罐3 次以上，一并轉移至容量瓶中，基質匹配、定容，混勻待測；取泡茶水上清30 mL 待測。 樣品重復處理測定2 次。

電感耦合等離子體發射光譜儀工作參數：高頻發生器功率1.2 kW，霧化氣壓力為200 kPa，等離子體氣為15 L／min，輔助氣為1.5 L／min，泵速為15 r／min，一次讀數時間5 s，讀數次數為3，進樣延時為30 s，穩定延時為15 s。

元素定性定量分析譜線：Ca 396.847 nm，K 769.897 nm，Mg 279.553 nm，Na 589.592 nm。 混合標準溶液：取1000 mg／L Ca、Mg、K、Na 單標各4 mL 至100 mL 容量瓶中，定容混勻得到混合標準溶液S；取混合標準溶液S 分別以5 倍梯度稀釋，溶劑介質為硝酸溶液（1 ∶4），得到4 個濃度梯度標準溶液；以溶劑為空白；測定標準溶液溶劑空白的強度后，按由低到高順序分別測定混合標準溶液，外標法定量；泡茶水中元素濃度直接讀數得出。

茶葉中元素的含量以質量分數Xi表示，按式（1）計算。

式中，Xi為試樣中元素的質量分數（mg／kg），Ci為試樣溶液中被測元素的濃度（mg／L），Ci0為空白溶液中被測元素的濃度（mg／L），V為試樣溶液中定容體積（L），m為試樣的質量（g）。

2.6 質譜分析

取泡茶水2 mL，－4 ℃下12 000 r／min 冷凍離心10 min，取離心上清液參考文獻［11］方法，采用液相色譜串聯質譜法檢測EGCG、ECG 及GABA 含量。 進樣量5 μL，流動相A（0.1%甲酸，水），流動相B（0.1%甲酸，乙腈），250 μL／min 流速，梯度洗脫（25%流動相A 保存1 min，至11 min時至100%流動相B），加熱溫度為40 ℃，霧化氣流為3 L ／ min，干燥氣流為10 L ／ min，加熱氣流為1010 L ／ min，界面ESI，界面電壓為4 kV，界面電流1.8 μA，界面溫度300 ℃，DL 溫度250 ℃，加熱塊溫度400 ℃，IG 真空為2.1×10－3Pa，PG真空為1.6×102Pa，CID 氣體為270 kPa，MRM 分析模式，MS 運行時間為0 ～18.66 min，結束時間為25 min／樣品。 以去離子水為空白。 按由低到高順序分別測定樣品，根據保留時間、質荷比及碎片信息進行定性。

EGCG、ECG 及GABA 3 種化合物的相對濃度取峰面積的常用對數，見式（2）。

式中，Ai，j為第i次浸泡茶水中待測化合物j的峰面積，Ci，j為第i次浸泡茶水中待測化合物j的相對濃度。

3 結果

3.1 礦物質營養元素溶出特性

采用電感耦合等離子體發射光譜法建立了Ca、K、Mg 及Na 4 種元素定量分析標準工作曲線，由表1 可見，Ca、K、Mg 及Na 分別選取396.847 nm、769.897 nm、589.592 nm 及279.553 nm 作為特征定量分析波長，各元素在相應特征分析譜線下的凈光強度與濃度呈良好的線性關系，工作曲線相關系數R均大于0.997，滿足定量分析要求。

表1 Ca、K、Mg 及Na 標準工作曲線Table 1 Standard curve of Ca， K， Mg and Na

采用微波消解結合電感耦合等離子體發射光譜法測定獲得的綠茶及紅茶中Ca、K、Mg 及Na 元素的含量是茶葉中相應元素的總含量，包括螯合形式和游離形式等所有元素形態和價態，如表2所示。 可以看出，太空綠茶及太空紅茶樣品中4種元素由高到低的順序均為K、Ca、Mg 及Na；高K、Ca 及Mg 含量、低Na 含量是太空綠茶及太空紅茶樣品的共性特點。 模擬航天工況下沖泡綠茶及紅茶樣品，在首次沖泡時4 種元素溶出率均最高，由高到低依次為K、Mg、Na 及Ca。 將各元素沖泡溶出率與沖泡次數進行擬合，如圖2 所示，成指數關系，相關系數均大于0.9。 綠茶中Ca、K、Mg 及Na 5 次沖泡溶出率合計分別為7.17%、86.98%、44.25%、17.95%；紅茶5 次沖泡溶出率合計分別為5.2%、93.34%、36.04%和26.19%。

表2 太空綠茶及太空紅茶中鉀、鈣、鈉及鎂元素溶出含量Table 2 Dissolution contents of 4 kinds of elements in space green tea and space black tea

圖2 鉀（a）、鎂（b）、鈉（c）、鈣（d）元素溶出率隨沖泡次數的關系Fig.2 Relationship between dissolution rate and brewing times for K（a）， Mg（b）， Na（c） and Ca（d）

3.2 EGCG、ECG 及GABA 溶出特性

采用質譜多反應監測（Multiple reaction Monitoring，MRM）正離子分析模式，用于EGCG、ECG及GABA 的定性及定量分析的母離子及子離子對 分 別 為 104.10 ＞45.10， 443.00 ＞123.05，459.00＞288.95。 由圖3（a）～（c）各化合物分子結構式可見，3 種化合物均為極性化合物，在強極性色譜柱上的保留強弱依次為EGCG ＞ECG ＞GABA。 采用0.1%甲酸，乙腈作為流動相洗脫，ECG、 GABA 和 EGCG 保 留 時 間 分 別 為7.278 min、3.657 min 和7.928 min，如圖3（d）～（f）所示。

圖3 ECG、GABA 和EGCG 的化學結構及出峰順序Fig.3 The structure and peak sequence of ECG，GABA and EGCG

太空綠茶和太空紅茶不同沖泡次數條件下，茶水中EGCG，ECG 及GABA 的動態溶出曲線如圖4 所示。 EGCG，ECG 及GABA 是茶葉的天然次生代謝產物，綠茶中EGCG，ECG 溶出高于紅茶，而紅茶中GABA 溶出高于綠茶。 相同固液比條件下連續5 次沖泡，EGCG，ECG 和GABA 溶出量和沖泡次數之間呈線性降低趨勢，相關系數均大于0.93。

圖4 綠茶和紅茶梯度沖泡過程中ECG（a），GABA（b）和EGCG（c）的動態浸出過程Fig.4 The dynamic leaching process of ECG（a），GABA（b） and EGCG（c） during gradient brewing of green tea and black tea

4 討論

鈉與氯化物一起被人體用于維持細胞外液正常的水分布，滲透壓和陰離子、陽離子平衡。 航天食品系統中的鈉含量需要重點關注，航天飛行中攝入大量鈉會加劇骨丟失，并導致腎結石形成的風險增加，因此限制飛行食譜中鈉的攝入對維持機體健康至關重要［1］。 太空綠茶及太空紅茶中鈉元素含量均較低，將其配置在飛行食譜中產生的鈉元素貢獻量較低，便于根據乘組喜好適當增配。 鉀離子是最豐富的細胞內陽離子，對神經傳導、酸堿平衡、能量代謝、血壓及膜運輸和體液分布至關重要。 研究表明，太空飛行后血清和尿液中的鉀水平下降，體重降低以及高鈉的攝入可能導致鉀的消耗［1］。 因此在飛行食譜中要保障足夠的鉀供給，太空綠茶及太空紅茶中鉀元素均較高，且溶出率最高，將其配置在飛行食譜中，可以提供天然來源的鉀。

鈣和鎂是重要的二價離子，通常在生物體中以絡合形式存在，在維持機體肌肉骨骼系統健康中起重要作用，同時是多種酶的活化劑。 對于長期航天飛行任務，飛行過程中和飛行后骨丟失和腎結石形成的風險顯著增加［1，12］。 飲食中足量的鈣和鎂攝入量，對于維持骨骼健康至關重要。 太空綠茶及太空紅茶中鈣和鎂元素含量均較高，但是溶出率較低，5 次沖泡鎂元素溶出率合計＜37%，鈣元素＜7.2%，因此，有必要研究提高鈣及鎂元素溶出率方法或者配置可供直接食用的綠茶抹茶類產品。 茶葉作為富含礦物質、茶多酚等多種成分的天然食物，其生物利用率受多種因素的影響［13］，需要進一步探討失重環境下茶中不同成分代謝吸收特點規律。

茶葉萃取物中非膳食營養活性成分質量分數占50%以上，包括EGCG、ECG 等茶多酚類物質，對促進機體健康具有重要作用［2－3］。 航天飛行過程中微重力、狹小孤閉空間、噪聲、高強度在軌工作負荷及輻射暴露使航天員處于較高的氧化應激狀態，長期飛行后航天員體內的脂質過氧化物明顯增多，通過膳食途徑，攝入抗氧化、抗輻射成分，如EGCG，ECG 等，清除機體內自由基，有助于拮抗航天特因環境對機體的不利影響［10］。 紅茶相比綠茶，具有較高的GABA 含量，可能與其加工過程有關，Hinton 等［14］研究表明，厭氧或真空處理，均可產生富集GABA 的作用。 GABA 在中樞神經系統中主要起抑制神經遞質的作用，紅茶含有較高的GABA 可以作為乘組入軌初期調節晝夜節律紊亂的飲品。

保持人體正常的血液動力學狀態和正常的滲透壓是必需的，必須攝入足夠的液體，這對于心血管健康以及維持液體和電解質的動態平衡至關重要［15］。 飛行期間液體攝入量通常少于飛行前攝入量，并且通常低于建議的數量，航天飛行引起的體重降低可能與機體脫水和主動飲水量降低有關，因此需注意確保足夠的液體攝入和機體水合狀態。 液體攝入不足會增加脫水和腎結石形成的風險。 通過飲茶的方式主動飲水，有助于實現推薦飲水量攝入目標。 不同水質影響泡茶的理化特性和感官品質，采用純凈水泡茶，水質呈弱酸性，有助于提升茶水的感官品質，且促進了兒茶素物質的溶出［16-17］，根據EGCG、ECG 及GABA 溶出特點，太空紅茶及太空綠茶具有耐受多次沖泡的特點，采用多次沖泡的方式，能最大限度萃取出茶葉中活性成分。

5 結論

1）模擬航天工況下沖泡太空綠茶及太空紅茶，對鉀、鈣、鈉、鎂4 種礦物質營養成分及EGCG、ECG、GABA 3 種非膳食營養活性成分的溶出特性研究發現，4 種礦物質營養元素隨沖泡次數呈指數衰減趨勢，3 種非膳食營養活性成分呈線性衰減趨勢。 一價元素鉀溶出率最高，二價元素鈣溶出率最低。

2）模擬航天工況下多次沖泡太空綠茶及太空紅茶，起到了梯度萃取的作用，礦物質營養元素和非膳食營養活性成分得以持續溶出，反復沖泡飲用5 次，主動飲水量達到了1000 mL。 研究結果為太空綠茶及太空紅茶的生產加工、沖泡飲用及其在航天中的應用提供參考。