施莉婷，江和源*，張建勇，王偉偉，蘇 威

（1.中國農業(yè)科學院茶葉研究所，農業(yè)部茶樹生物學與資源利用重點實驗室，浙江省茶葉加工工程重點實驗室，浙江 杭州 310008；2.中國農業(yè)科學院研究生院，北京 100081）

茶鮮葉中富含多酚類物質，其含量約占茶鮮葉干質量的18%～36%。茶鮮葉中多酚類物質含量最高的為兒茶素類，約占多酚類物質總量的70%～80%[1]。兒茶素屬黃烷醇類，是2-苯基苯并吡喃的衍生物[2]。茶鮮葉中的兒茶素類主要包括表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）、表沒食子兒茶素（epigallocatechin，EGC）、表兒茶素（epicatechin，EC）、表兒茶素沒食子酸酯（epicatechin gallate，ECG）。其中，EGCG含量最為豐富，約占兒茶素總量的50%～80%[3]。

兒茶素的B環(huán)酚羥基易氧化形成鄰醌，而鄰醌極不穩(wěn)定，易發(fā)生復雜的聚合、縮合反應，繼而形成雙黃烷醇類[4]、茶黃素類[5]和茶紅素類[6]等。Verloop等[7]發(fā)現(xiàn)兒茶素和EGC在酪氨酸酶的作用下，可產生穩(wěn)定且高含量的茶黃素。Matsuo等[8]發(fā)現(xiàn)連苯三酚型兒茶素與鄰苯二酚型兒茶素可在日本梨勻漿的作用下酶促氧化形成茶黃素類和雙黃烷醇類，未成熟的溫州蜜柑果實勻漿則選擇性地氧化連苯三酚型兒茶素形成雙黃烷醇類。因此，兒茶素類能通過酶促氧化作用形成不同的氧化產物，其酶促氧化過程多樣且復雜，具有重要的研究意義。目前，研究人員對兒茶素類氧化單一途徑的分析較多[9-13]，對多條途徑同時分析涉及較少[14]。

聚酯型兒茶素A（theasinensin A，TSA）是雙黃烷醇類的一種，是紅茶加工過程中重要的兒茶素氧化產物，不僅影響成品茶的感官品質，而且有一定的保健作用[15-19]。脫氫聚酯型兒茶素A（dehydrotheasinensin A，DTSA）作為TSA的前體物質，是EGCG發(fā)生歧化反應產生的中間產物[6,12]。而EGCG在氧化過程中也會生成各類物質[20-22]，這些物質的產生都需要經(jīng)過不同的途徑形成，加入EC后對這些反應進程又會產生一定的影響。

本研究通過在EGCG溶液中引入不同濃度的EC，對二者的可能反應途徑進行了分析，探討EGCG和EC經(jīng)由歧化途徑和苯駢化途徑形成氧化反應產物的競爭機制，可為研究兒茶素氧化反應產物的形成及其機理奠定一定的基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

兒茶素單體EGCG（純度98%） 無錫太陽綠寶科技有限公司；兒茶素單體EC（純度97%） 浙江一新制藥股份有限公司；EGCG、EC定量所需標準品（純度98%） 美國Sigma公司；TSA（純度98%） 日本長崎大學；茶黃素-3-沒食子酸酯（theaflavin-3-gallate，TF-3-G）（純度98%） 上海金穗生物科技有限公司。

乙腈（色譜純） 上海安譜實驗科技股份有限公司；檸檬酸、磷酸氫二鈉十二水合物 上海麥克林生化科技有限公司；偏磷酸 上海華精生物高科技有限公司；磷酸（85%分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；純凈水 杭州娃哈哈集團有限公司。

1.2 儀器與設備

1100高效液相色譜儀 美國Agilent公司；3K15超速離心機 德國Sigma公司；MR3001磁力攪拌器 德國Heidolph公司；HR2084勻漿機 珠海經(jīng)濟特區(qū)飛利浦家庭電器有限公司；KQ-300DE數(shù)控超聲波清洗器 中國昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豐水梨多酚氧化酶粗酶液的提取

在參考文獻[23]方法基礎上略作修改。將豐水梨置于冰箱冷藏室預冷2 h，削皮，去核，置于勻漿機中勻漿90 s，4 層濾布過濾后置于離心機中（8 000 r/min、4 ℃）離心10 min，棄去沉淀，上清液備用。

1.3.2 酶促氧化EGCG反應特性分析

用pH 5.6檸檬酸-磷酸鹽緩沖液，配制10 mmol/L EGCG溶液。取60 mL EGCG溶液，加入15 mL豐水梨梨汁提取液，反應條件為溫度30 ℃、磁力攪拌器轉速500 r/min。反應開始后，在設置時間點分別取2 mL反應液加入0.5 mL偏磷酸溶液（1 mol/L）終止反應，取樣過0.45 μm膜后進行液相色譜檢測。實驗重復2 次。

1.3.3 添加EC對EGCG酶促氧化產物的影響及其形成途徑分析

用pH 5.6檸檬酸-磷酸鹽緩沖液，配制10 mmol/L的EGCG+EC溶液，配制比例為5 mmol/L+5 mmol/L（1∶1）和7.5 mmol/L+2.5 mmol/L（3∶1）。各取60 mL兩種比例的EGCG+EC混合液，分別加入15 mL豐水梨梨汁提取液，后續(xù)實驗操作及其參數(shù)控制同1.3.2節(jié)。實驗重復2 次。

1.3.4 高效液相色譜條件

色譜柱：日本cosmosil 5C18-AR-II柱（4.6 mm×250 mm）。流動相：A相為50 mmol/L磷酸，B相為100%乙腈。洗脫梯度：0～39 min，B相由4%線性升至30%；39～54 min，B相由30%線性升至75%；54～55 min，B相由75%線性降至4%。流速為0.8 mL/min，柱溫為35 ℃，檢測波長為280 nm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為更直觀地分析實驗數(shù)據(jù)和探討反應規(guī)律，實驗數(shù)據(jù)用峰面積歸一法進行分析比較。數(shù)據(jù)以表示。采用SAS 9.1軟件進行數(shù)據(jù)處理，新復極差法進行比較，以P＜0.01為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 EGCG與EC酶促氧化反應物質分析

2.1.1 酶促氧化底物的消耗率

圖1 不同底物比例條件下的EGCG和EC消耗率Fig. 1 Changes in the consumption rate of EGCG and EC in different substrate systems

如圖1所示，在溶液中EGCG與EC濃度均為5 mmol/L發(fā)生氧化反應時，與只添加EGCG相比，EGCG消耗率變化趨勢相同，最終都呈現(xiàn)高消耗率的穩(wěn)定狀態(tài)。整個酶促氧化反應過程中，EGCG消耗率均有所增加。最終達到97.63%，高于單一體系中的EGCG消耗量92.55%。這可能說明，添加5 mmol/L的EC對EGCG的消耗有一定的促進作用。當溶液中EGCG與EC按3∶1反應時，EGCG消耗率變化趨勢與只添加EGCG時相同，最終亦呈現(xiàn)高消耗率的穩(wěn)定狀態(tài)，但反應前期無顯著影響，70～150 min，EGCG消耗率有所抑制，150 min之后EGCG消耗率有所促進（最終EGCG消耗率為96.55%）。而整個反應過程中，不同底物比例對EC消耗率影響差異不顯著，最終消耗率分別為58.82%和63.42%。

在EGCG與EC共同反應過程中，EC的氧化還原電位值較大，易被催化形成醌類物質EC醌[14]。鄰醌是一種不穩(wěn)定的中間體，易作為電子供體氧化EGCG，自身則被還原生成EC，因此整個過程中氧化還原電位值比較低的EGCG易被氧化消耗，而EC有一部分會與EGCG共同氧化生成TF-3-G，還有一部分會殘留在反應溶液中?？傮w而言，EC會加快EGCG的消耗，促進EGCG酶促氧化反應的進行。

2.1.2 主要反應產物分析

在實驗過程中主要生成了3類反應產物，包括DTSA、TF-3-G以及沒食子酸（gallic acid，GA）（圖2）。其中DTSA和TF-3-G通過酶促氧化過程形成，GA則是EGCG經(jīng)過水解途徑形成。

圖2 不同底物酶促氧化形成產物分析Fig. 2 Analysis of enzymatic oxidation products of EGCG alone and its mixture with EC

2.1.2.1 經(jīng)由歧化途徑形成DTSA

實驗結果表明，加入豐水梨酶（主要酶類為多酚氧化酶）催化后，EGCG發(fā)生氧化脫氫反應形成鄰醌，之后發(fā)生二聚合形成DTSA，從圖2可以看出，EGCG反應體系、EGCG+EC反應體系中均產生了DTSA。這與Matsuo等[8]實驗結果一致。DTSA最終會歧化分解產生TSA、聚酯型兒茶素D和烏龍茶氨酸等[12,24-26]。因此，對脫氫聚酯型兒茶素類的形成分析也是對歧化反應途徑的分析。

2.1.2.2 經(jīng)由苯駢化途徑形成TF-3-G

添加EC后，反應后體系中有新的物質TF-3-G的形成，從圖2B可以看出，峰譜圖中有TF-3-G出現(xiàn)。EGCG與EC均發(fā)生氧化脫氫反應形成鄰醌，之后二聚合，發(fā)生苯駢化反應形成TF-3-G[27]。

2.1.2.3 經(jīng)由水解途徑形成GA

GA是由EGCG經(jīng)過水解產生，這一結果與Fan Fangyuan等[28]研究一致。在實驗研究中，整個過程GA形成量總體小于1%，對于氧化聚合反應途徑主要產物的形成量影響較小。

2.2 歧化途徑與苯駢化途徑的競爭機制分析

圖3 DTSA、TF-3-G及EGCG消耗占比變化趨勢Fig. 3 Changes in the production of DTSA and TF-3-G and EGCG consumption

比較EGCG與EC濃度比分別為1∶1與3∶1的兩種反應體系，可知整個過程中轉化形成DTSA的EGCG消耗占比均高于轉化形成TF-3-G的EGCG消耗占比（圖3A、B），二者相差最高分別達到18.07%和27.40%，因此，可以推論，在EGCG酶促反應過程中，更多的EGCG轉化形成DTSA，也就說明了歧化途徑為EGCG的主要酶促反應途徑，這與徐斌的研究結論相一致[14]。但由于DTSA是由2 個EGCG結合而成，TF-3-G則是1 個EGCG與1 個EC結合而成，可以發(fā)現(xiàn)在EGCG與EC為等物質的量（1∶1）反應體系中，生成的TF-3-G含量高于DTSA含量（圖3C），TF-3-G形成率更高。這可能是由EC的量能夠提供充足的底物同EGCG反應形成TF-3-G。在EGCG與EC濃度比3∶1體系中，生成的DTSA的含量高于TF-3-G的含量（圖3D）。

在反應初始階段，體系中EGCG反應途徑基本以歧化途徑和苯駢化途徑進行。隨反應的進行，兩條途徑所占比例逐漸下降，這可能說明體系中兩條途徑所產生的物質繼續(xù)發(fā)生反應，形成其他物質（圖4）。EGCG+EC反應體系中，轉化形成DTSA的EGCG所占比例明顯降低，較EGCG單一底物的反應體系而言，歧化途徑的比重減弱。其原因在于，EC會與EGCG發(fā)生苯駢化反應形成TF-3-G，對EGCG底物的走向產生一定的競爭[14]。在二聚產物增長期，5 mmol/L的EC濃度能夠促進EGCG反應形成更多的TF-3-G，苯駢化途徑所占比例增加，此時歧化途徑與苯駢化途徑在EGCG底物上存在競爭性；產物消耗期，EGCG基本消耗殆盡，歧化途徑和苯駢化途徑均受到影響，且DTSA的消耗率比TF-3-G的消耗率快。其原因在于，EGCG消耗完全，DTSA作為中間產物，積累達到一定含量，易進一步發(fā)生反應，與其他物質結合形成高聚物[21]。

圖4 EGCG轉化形成各類產物所占比例Fig. 4 Proportions of various products from EGCG + EC mixtures

2.2.1 DTSA和TF-3-G快速形成期

圖5 不同時期EGCG各反應去向比例圖Fig. 5 Proportions of EGCG transformation into different products at different reaction stages

反應初始時期，主要反應途徑為歧化途徑以及苯駢化途徑（圖4），兩條途徑所占比例超過85%，其中EGCG體系該時間段為0～10 min；EGCG與EC濃度比3∶1體系該時間段為0～50 min；EGCG與EC濃度比1∶1體系該時間段為0～20 min。形成DTSA的EGCG消耗率始終高于形成TF-3-G的EGCG消耗率（圖3A、B），說明該時期，EGCG更多在參與歧化途徑。

圖5A為第5分鐘時轉化形成各物質的EGCG比例，隨著EC濃度的增加，EGCG轉化形成DTSA的比例有所減少，而轉化形成TF-3-G的比例均有所增加，相對單于一體系，加入2.5 mmol/L和5 mmol/L的EC，EGCG轉化形成DTSA的比例分別減少了26.29%和20.64%。由此說明，在反應前期，由于EC的存在，EGCG形成DTSA的轉化率減少，即歧化途徑所占比例減少，EC濃度對DTSA的形成影響不顯著；與2.5 mmol/L的EC體系比較，5 mmol/L的EC體系轉化形成TF-3-G的EGCG比例提高了8.15%，即苯駢化途徑所占比例有所增加。這表明物質形成積累期，歧化途徑與苯駢化途徑在底物上存在競爭性關系。

2.2.2 DTSA和TF-3-G持續(xù)增長期

這一時期，體系中反應途徑有所增加，轉化DTSA和TF-3-G的EGCG消耗量所占比例逐漸減少（圖4），DTSA含量表現(xiàn)為增長速度減緩，并逐漸達到最大值，而TF-3-G則表現(xiàn)為持續(xù)增長，這可能是因為EGCG易與自身結合形成DTSA，較早達到最大值臨界點，此時體系中EGCG少量存在，剩余的EGCG維持TF-3-G的生成。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)判斷，EGCG體系、EGCG與EC濃度比3∶1、1∶1體系該時間段分別為20～110、60～130、30～90 min。

圖5B為DTSA最大值時EGCG各反應去向比例圖，其中單一體系轉化形成DTSA的EGCG比例達57.25%，而隨著EC濃度由2.5 mmol/L增加至5 mmol/L。轉化形成TF-3-G的EGCG的比例增加了9.28%，形成DTSA的比例減少了2.28%，但DTSA間變化差異不顯著。說明在該時期，隨EC濃度增加，苯駢化途徑所占比例增加，EC的加入使歧化途徑所占比例降低，但EC的濃度對歧化途徑的影響較小，歧化途徑與苯駢化途徑在這一時期存在競爭性（圖6）。

圖6 物質持續(xù)增長期體系內反應途徑Fig. 6 Reaction pathways involved in product formation

2.2.3 主要途徑變更階段

在該時間段，DTSA出現(xiàn)消耗，其含量開始降低，可能是由于DTSA的形成達到含量臨界點，進一步形成TSA等其他物質，甚至再聚合形成其他高聚類產物（圖7）。EGCG與EC濃度比1∶1體系和3∶1體系中該時間段為90～120、130～150 min，這一時期，DTSA含量開始下降，但TF-3-G仍在增長（圖3），當TF-3-G達到最大值時，EGCG也基本消耗完全，說明此時基本已無底物供TF-3-G的形成，TF-3-G含量達到最大值臨界點。該段時間EGCG與EC濃度比1∶1體系中EGCG減少了10.70%，TF-3-G形成了1.97%，轉化率18.41%；該段時間EGCG與EC濃度比3∶1體系中EGCG減少了8.18%，TF-3-G形成了2.45%，轉化率29.95%。這說明這一時期，高EGCG濃度體系更易轉化形成TF-3-G。

圖7 TF-3-G達到最大之前體系內反應途徑Fig. 7 Reaction pathways involved before TF-3-G reached the maximum

圖5 C為TF-3-G最大值時轉化形成各物質的EGCG比例，其中EGCG體系圖示為第120分鐘EGCG基本完全消耗時EGCG的反應去向圖，該時間點，單一體系轉化形成DTSA的EGCG比例達51.83%，而隨著EC濃度的增加，轉化形成TF-3-G的EGCG的比例增加了6.70%，而其轉化形成DTSA的比例減少了0.86%，但DTSA的變化差異不顯著，說明在該時期，EC能顯著影響苯駢化途徑的進行，提高EGCG向苯駢化途徑進行的比例，降低EGCG向歧化途徑進行的比例，但EC的濃度對歧化途徑的影響較小，歧化途徑與苯駢化途徑在這一時期存在競爭性。

2.2.4 DTSA及TF-3-G物質消耗期

反應后期，是二聚產物DTSA和TF-3-G的消耗期，二者的含量均有所減少（圖3C、D），其減少的原因可能是體系中剩余的EC氧化生成氧化還原電位較高的EC-O，進而通過提供電子氧化DTSA和TF-3-G，致使這兩類氧化產物的含量銳減。其中DTSA可能發(fā)生進一步反應，并與TF-3-G形成茶紅素、茶褐素等其他高聚物；TF-3-G可能與EC等結合形成有2個和3個苯駢卓酚酮環(huán)的茶黃素類物質[29]；兒茶素可以與GA等物質氧化發(fā)生鄰醌反應，從而生成茶黃棓靈或茶黃酸[30]（圖8）。

后期，DTSA與TF-3-G均存在一定的消耗，其消耗速率均為DTSA大于TF-3-G，這說明穩(wěn)定性上，DTSA弱于TF-3-G?？赡苁且驗镈TSA為中間產物，當積累達一定臨界點后，易發(fā)生進一步反應，TF-3-G在后期也可以轉化形成茶紅素[31]、茶褐素等其他物質。對反應第180分鐘時時轉化形成各物質的EGCG比例（圖5D）分析可發(fā)現(xiàn)，該時間點轉化形成其他物質的比例明顯增加，轉化形成DTSA和TF-3-G的EGCG所占比例均顯著降低，且EC濃度越高，二者所占比例降低越快，說明在消耗期，歧化途徑以及苯駢化途徑在該時期均不進行，DTSA和TF-3-G消耗形成其他物質。

3 討論與結論

本研究以豐水梨多酚氧化酶為酶源，對兒茶素單體進行酶促氧化，產物中出現(xiàn)DTSA以及TFDG，這一結果與Mastuo等[8]的研究結果一致。此外，Mastuo等[8]還利用未成熟的溫州蜜柑果實勻漿酶促氧化兒茶素，結果體系中只產生了聚酯型兒茶素類，Lei Shicheng等[32]用皇冠梨酶促氧化EGCG和ECG，產物中出現(xiàn)TFDG。這說明，不同的酶類能夠酶促氧化兒茶素形成不同的氧化產物。但目前酶類對兒茶素氧化方向的影響研究尚不全面，這也是未來兒茶素酶促氧化的一個重要方向。

對EGCG酶促氧化反應物質分析可得出：單獨EGCG的氧化反應，主要產生DTSA、GA，分別發(fā)生了聚合反應、水解反應[28]，兩條反應途徑中以歧化途徑為主，水解途徑次之。在EGCG溶液中引入EC物質后，會與EGCG發(fā)生苯駢化反應形成TF-3-G，且EGCG與EC等濃度時，TF-3-G形成量最大，這一結果與Robertson[33]之前所的結論一致。從歧化途徑與苯駢化途徑的競爭機制中研究可得出：在反應初始階段，體系中以歧化途徑和苯駢化途徑為主；隨反應進行，體系中出現(xiàn)多條途徑，其他物質所占比例增大。加入EC，轉化形成DTSA的EGCG比例顯著降低，歧化途徑所占比例減少；隨EC含量的增加，轉化形成TF-3-G的EGCG比例增加，體系中更多的EGCG沿苯駢化途徑進行反應，歧化途徑與苯駢化途徑在底物方面存在競爭性。但在整個過程中，歧化途徑一直是EGCG酶促氧化主要反應途徑。這些研究進展，有望在后續(xù)深入研究機理的基礎上，對控制兒茶素反應途徑有一定的參考價值。

在兒茶素氧化反應的后期，DTSA和TF-3-G都有著一定程度的消耗，且其他未知物含量明顯增加，具體的消耗途徑以及消耗所產生的物質仍有待進一步探究。產物中有個別未知物質，如保留時間為24.1 min的物質尚未進行鑒定，對其進行檢測分析及形成機理可以作為后續(xù)研究的一個重要方面。由于形成GA的EGCG轉化率較小，本研究未對其轉化量進行詳細討論。在以后的研究中，也可以對EGCG形成GA及其他產物的水解途徑進行深入分析，以便全面了解兒茶素氧化的反應途徑走向及其機制。