茶氨酸，从树叶到工厂
优质的绿茶会有一种“鲜爽”的风味。1950 年，日本学者酒户弥二郎从绿茶中分离出了产生这种风味的主要物质——一种非蛋白质氨基酸，命名为茶氨酸。茶中的茶氨酸都是左旋的，按照命名法记为“L-茶氨酸”。此后的研究发现，茶氨酸不仅为茶带来鲜爽风味，它本身还具有许多生理功能。比如它能突破血脑屏障直接影响大脑活动，从而对人的情绪产生影响。这种影响又可能在生理上对于人体健康产生积极作用。1964年，日本批准了L-茶氨酸为食品添加剂使用，而美国FDA也在1985年给予了L-茶氨酸GRAS的分类。GRAS意为“一般公认安全”，虽然与“健康价值”无关，但意味着可以自由地用于各种食品中。在中国进展比较慢，直到 2014年7月18日，卫计委终于批准了它作为新食品原料。
那么，茶中有多少茶氨酸？又怎样才能得到可以作为“食品原料”的茶氨酸呢？
在成熟的茶树中，茶氨酸是在根部合成的。借助ATP提供的能量，谷氨酸和乙胺在茶氨酸合成酶的催化下合成茶氨酸。然后，茶氨酸被运输到新芽中积累起来。如果光照充足、温度较高，茶氨酸被分解成谷氨酸和乙胺，而乙胺被用于合成儿茶素。这个过程，跟茶树的光合作用密切相关。
如果光照不足、或者温度较低，那么茶氨酸的分解就会受到抑制，茶的芽和叶中就会积累比较多茶氨酸，而相应的儿茶素含量就比较低。
如果茶树的叶绿素不足，光合作用弱，茶氨酸的分解也会较弱，茶的芽叶中也会积累比较多的茶氨酸。
什么样的茶富含茶氨酸？
作为饮料，“好茶”的根本标准还得是“好喝”，而茶氨酸以及游离氨基酸的含量与茶的风味正性相关——也就是说，茶氨酸和游离氨基酸含量高的茶，往往会更好喝。
茶的芽叶中含有多少茶氨酸，茶树品种至关重要。以茶氨酸含量高而著称的茶树品种中，白叶1号无疑是名气最大的。1970年代，林业工作者在浙江省安吉县发现了一棵树龄超过百年的老茶树。这棵茶树的叶片在早春是白色的，气温升高之后逐渐恢复绿色。经过无性繁殖，这棵茶树得到充分推广，成为了著名的“安吉白茶”。2004年，这个独特的茶树品种被正式命名为“白叶1号”。
白叶1号是一个温度敏感的自然突变体。在早春低温期间，其叶绿体的形成存在障碍，叶绿素合成受阻，以至于表现为白色。与这种突变相应的，是细胞中蛋白质解体严重，导致了游离氨基酸的含量显著升高。同时，茶氨酸的分解也受到抑制，所以茶氨酸含量也很高。等到气温升高，白叶1号合成叶绿素的能力逐渐恢复正常，最后变成正常的绿色。一般品种的鲜茶芽叶，游离氨基酸的含量占干重的3～4%，茶氨酸的含量占干重的1～2%。而在白叶1号中，游离氨基酸的含量超过干重的6%，其中茶氨酸大约一半，此外茶多酚只有常规品种的一半左右。茶多酚是茶中涩味的来源，高茶氨酸低茶多酚的白叶1号，制成的绿茶涩味低而鲜爽味浓郁，风味比普通绿茶就要更好。
常规的绿茶中，也有一些茶氨酸比较高的品种，比如龙井43。在通常采摘的一芽两叶的鲜叶中，游离氨基酸的含量接近干重的4%，而茶氨酸的含量超过2%。龙井43成为制作龙井茶的优势树种，这可能也是重要的原因之一。近年来，中国农科院茶叶研究所找到了一个叶绿素含量很低的突变品种，其叶绿素a和叶绿素b只有龙井43的14%和20%，所以芽叶呈现为黄色，被命名为“中黄2号”。中黄2号的新鲜芽叶中，游离氨基酸含量约为干重的7%，而茶氨酸的含量约占干重的4%，跟白叶1号差不多。
除了品种，温度和光照也会影响到茶氨酸的分解。在关于茶的各种诗文中，优质的茶总是生长在深山幽谷。除了水源土壤的清洁，更重要的原因在于深山幽谷中光照不足，而在春天茶叶发育期间温度较低，所以茶氨酸的分解以及儿茶素的合成受到抑制。这样制得的春茶茶氨酸含量高而茶多酚含量低，也就更好喝。而夏茶和秋茶生长采摘时温度较高，光合作用旺盛，相对而言茶氨酸含量低而茶多酚含量高，也就不如春茶好喝了。
日本人偏好绿茶。但日本没有那么多深山幽谷来长茶树，所以很拼的日本人通过“人工干预”来实现深山幽谷的效果。这就是日本绿茶特有的“遮荫”处理。日本绿茶中名气最大的玉露，需要在新芽开始形成时，用竹席、芦苇或者帆布遮盖起来，持续长达20来天。因为缺乏光照，茶树会合成更多的叶绿素来补偿，从而使得茶的鲜叶更绿，做出来的绿茶更好看。同时，茶氨酸的含量更高，茶多酚含量更低，也使得它风味更好。当年酒户弥二郎分离茶氨酸，用的就是玉露茶。
从茶中分离茶氨酸
不管是作为食品添加剂、膳食补充剂还是食品原料，都需要纯度较高的茶氨酸。中国批准作为食品原料的茶氨酸对纯度的要求是最低的，只要超过20%就可以。但这也大大高于茶中的含量——也就是说，把茶氨酸分离出来，是它实现这些用途的前提。
茶氨酸易溶于水，只需要用水浸泡就可以提取出来。但是，同时被溶解到水中的，还有茶多酚、咖啡因等各种其它成分。要得到纯度高的茶氨酸，就还需要除去其它成分。好在茶氨酸很稳定，能够耐高温、耐酸、耐碱，在漫长的提取与分离流程中，能保持不失活不分解。所以，各种提取和分离天然产物的手段尽可以轮番上阵，把“杂质”逐渐去除，一步一步地提高纯度。目前，工业上可采用的分离方法有三种：沉淀法、离子交换树脂法和膜分离法。
沉淀法是最传统的化工分离手段，就是通过变化温度、加酸、加碱、加其它化学试剂等手段，把混合物中的一种或几种成分充分地沉淀下来，从而把茶氨酸和其他“杂质”成分分开。这种手段操作简单，但需要的步骤很多，在加入化学试剂沉淀的过程中，也可能引入新的杂质，甚至有的杂质中还含有有害成分。
离子交换树脂法要高端大气一些。大致流程是通过沉淀去掉蛋白质，再用吸附的方式去掉色素等成分，然后让溶液流过离子交换树脂，把茶氨酸吸附到树脂上而让其他成分流过。再改换水溶液的酸碱度，把茶氨酸“洗脱”下来，就得到了茶氨酸含量大大提高的“粗品”。这样的粗品再经过结晶纯化，可以得到高纯度的茶氨酸。纯度高，自然成本也就比较高了。
膜分离是现代天然产物分离中的新兴技术。分离使用的半透膜就象孔径非常小的筛子，允许尺寸比孔径小的分子通过，而把尺寸大于孔径的分子拦下。通过不同孔径的膜的组合，就可以把分子比茶氨酸大的和小的成分都去除，而只留下茶氨酸和分子大小与它接近的成分。膜分离的优势在于不再引入其他的物质，流程也比较简单，劣势是只能进行富集和初步纯化，只靠它也还是难以获得高纯度的产品。
茶中的茶氨酸含量很低，如果从茶原料中只是分离茶氨酸的话，经济效益就比较低。而茶氨酸含量高的鲜叶，做成的茶叶往往品质较高，能卖出更好的价钱，也就不大会用来提取茶氨酸。不过，茶中有经济价值的成分并不止茶氨酸，比如茶多酚，含量高、也更有市场吸引力。提取茶多酚产生的废液中，茶氨酸并没有受到影响。从这样的废液中提取茶氨酸，不仅原料成本几乎没有，还相当于已经去除了一些“杂质”，成本也就大大降低。
工厂里生产茶氨酸
对于化学家来说，知道了茶氨酸的分子式，就可以去想办法来合成。茶氨酸可以看成是谷氨酸与乙胺通过失去一个水分子连接而成的，就可以用L-谷氨酸（或者在反应器内能够转化成L-谷氨酸的其他分子），加上乙胺（或能转化成乙胺的分子），在适当的条件下让谷氨酸和乙胺连接起来成为茶氨酸，然后再把它从反应混合物中分离出来。
这种方式听起来很简单，但实现起来也不容易——没有适当的催化剂，有机合成的效率低而且选择性也不强——也就是说，反应物并不是那么听话地转化成茶氨酸。此外，“化学合成”这个出身就注定了它会受到歧视。尤其是，化学合成出来的是L型和D型的混合物，跟天然茶氨酸中只存在L型也还是有区别的。
在茶树内，茶氨酸是谷氨酸和乙胺在茶氨酸合成酶的作用下合成的。如果能这种酶用于化学合成，那么反应就会高效得多。可惜这不现实，这种酶极其不稳定，无法制成纯品再加入到合成反应器中。人们只好退而求其次，开发出了微生物发酵法。这种工艺先是培养微生物，合成谷氨酰胺合成酶，然后模拟茶树体内环境，用ATP提供能量，让谷氨酸和乙胺进行反应。谷氨酰胺合成酶的“天职”其实是让谷氨酸和铵离子合成谷氨酰胺。但如果反应体系中没有铵离子，那么它也能“狗拿耗子”，把乙胺弄到谷氨酸上去从而生成茶氨酸。也有一些其他酶通过其他原料来进行转化得到茶氨酸的工艺。这些方法的优点是副产物比较少，分离纯化起来要容易一些。不过，它需要先培养细菌来生成酶，然后利用这些酶去干活。这需要保持酶的活性，还要精密控制反应条件才能得到理想的结果。这对技术的要求比较高，生产流程比较复杂精密，对于工厂是相当大的挑战。
介于微生物发酵和从茶树中提取之间的，是植物细胞培养法。这种工艺一般是把茶树的愈伤组织细胞取来，加入到培养液中生长。通过调控培养条件，比如培养液的酸碱度、温度、培养液成分，利用细胞中的茶氨酸合成酶来合成茶氨酸。这种方式得到的茶氨酸跟茶树中的一样都是L型，而且含量比较高。在文献报道的试验条件下，茶氨酸的含量超过干重的20%——这已经达到了中国国家标准中作为“食品原料”的茶氨酸的纯度要求。当然，目前的国家标准中，规定了作为食品原料的茶氨酸来源于茶叶，而这种植物组织细胞培养法本身也还只在试验研究阶段。
文/云无心 | 转载于科学松鼠会
关于题图由海洛创意（HelloRF）提供
新浪微博：福茶之心
福茶之心
微信 |fuchazhixin
茶觉先生，食茶交友
