董海勝， 臧 鵬， 馬少君， 徐 楠， 簡(jiǎn)一平

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心航天營(yíng)養(yǎng)與食品工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程中乘組會(huì)受輻射、微重力及晝夜節(jié)律變化等因素的影響，機(jī)體長(zhǎng)期處于應(yīng)激狀態(tài)，消化、神經(jīng)及血液循環(huán)多個(gè)生理系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性變化［1］。 太空飛行過(guò)程中腸胃功能較弱，進(jìn)食飲水量下降，配置茶類產(chǎn)品有助于消食除膩，茶葉沖泡獲得的茶水富含礦物質(zhì)元素、茶多酚類物質(zhì)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(diào)節(jié)免疫及腸道菌群等功能［2－3］。 國(guó)外航天食品系統(tǒng)中通常以固體速溶茶飲料的形式提供，在軌復(fù)水后飲用，包括多種口味［4］。 中國(guó)航天食品中茶類產(chǎn)品以茶葉形式提供，經(jīng)過(guò)特殊包裝以適應(yīng)失重環(huán)境下飲用對(duì)沖泡器皿及衛(wèi)生學(xué)的要求，同時(shí)能夠更好地滿足飛行乘組泡茶體驗(yàn)。

航天飲水通常為經(jīng)過(guò)過(guò)濾得到的去離子水，濾除了人體必需的鉀、鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)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(guò)程中溶出，可作為飛行乘組補(bǔ)充礦物質(zhì)元素的來(lái)源之一。 載人航天飛行營(yíng)養(yǎng)保障實(shí)踐中，通過(guò)將具有調(diào)節(jié)心理狀態(tài)和改善認(rèn)知的食源性功能成分強(qiáng)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(shí)施生物節(jié)律調(diào)控，有望在深空探索任務(wù)航天功能食品中得到應(yīng)用［5－6］。 GABA 是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，在茶葉中天然存在，在大腦中起抑制神經(jīng)遞質(zhì)的作用，具有降血壓、抗癲癇、抗焦慮、抗抑郁及鎮(zhèn)靜等作用［7－9］。 對(duì)于長(zhǎng)期載人航天飛行任務(wù)，乘組長(zhǎng)期處于孤閉隔離的空間中，承受來(lái)自各個(gè)方面的心理應(yīng)激，通過(guò)飲茶攝入相應(yīng)的具有調(diào)節(jié)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(hào)的飛行食譜中，為乘組配置了綠茶和紅茶2 種茶，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首次太空泡茶。不同茶葉中特有的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素、茶多酚及氨基酸等組成，賦予了不同品種茶葉獨(dú)特的感官品質(zhì)，太空綠茶及太空紅茶綜合了不同產(chǎn)地茶葉的優(yōu)勢(shì)復(fù)配而成，風(fēng)味獨(dú)特［10］。 而航天工況下茶中礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素及抗氧化活性成分等的溶出特性尚缺乏數(shù)據(jù)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(guò)模擬航天工況沖泡綠茶及紅茶，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法及液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)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(chǎn)加工、在軌沖泡飲用提供參考依據(jù)。

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(chǎn)提供，包裝材料為食品級(jí)聚乳酸纖維茶包及非PVC5 層共擠復(fù)合膜袋，規(guī)格為3 g／袋，與交付航天飛行的產(chǎn)品一致，詳見圖1 所示，采用飲水管通過(guò)復(fù)水裝置注水沖泡及飲用。 太空紅茶融合不同產(chǎn)地紅茶的優(yōu)勢(shì)，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(chǎn)地綠茶優(yōu)勢(shì)，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(biāo)準(zhǔn)品；乙腈（質(zhì)譜純）。 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：Ca、K、Mg 及Na 等元素的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液均為1000 mg／L；40 目試驗(yàn)篩；高純氬氣純度≥99.999%（北京普萊克斯氣體有限公司）；硝酸、過(guò)氧化氫，均為優(yōu)級(jí)純（GR）；超純水，韓國(guó)。

2.3 儀器

Shimadzu Nexera X2 UHPLC-8060MS 液相色譜質(zhì)譜儀（島津企業(yè)管理有限公司）；Micro CL 21R 微量離心機(jī)（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(jī)（上海儀電科學(xué)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(fā)射光譜儀（美國(guó)安捷倫科技公司，校準(zhǔn)合格編號(hào)IP1105M167）；高速粉碎機(jī)（北京環(huán)亞天元機(jī)械設(shè)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(jí)濾網(wǎng)包裝（聚乳酸纖維），置于專用復(fù)合膜袋中進(jìn)行密封包裝；然后將包裝好的產(chǎn)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(fù)處理2 次待測(cè)。

2.5 元素測(cè)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(guò)40 目試驗(yàn)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(guò)氧化氫，常溫常壓預(yù)消解30 min；預(yù)消解結(jié)束后，放入微波消解儀內(nèi)進(jìn)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(zhuǎn)移至容量瓶中，基質(zhì)匹配、定容，混勻待測(cè)；取泡茶水上清30 mL 待測(cè)。 樣品重復(fù)處理測(cè)定2 次。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)：高頻發(fā)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(shù)時(shí)間5 s，讀數(shù)次數(shù)為3，進(jìn)樣延時(shí)為30 s，穩(wěn)定延時(shí)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(biāo)準(zhǔn)溶液：取1000 mg／L Ca、Mg、K、Na 單標(biāo)各4 mL 至100 mL 容量瓶中，定容混勻得到混合標(biāo)準(zhǔn)溶液S；取混合標(biāo)準(zhǔn)溶液S 分別以5 倍梯度稀釋，溶劑介質(zhì)為硝酸溶液（1 ∶4），得到4 個(gè)濃度梯度標(biāo)準(zhǔn)溶液；以溶劑為空白；測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液溶劑空白的強(qiáng)度后，按由低到高順序分別測(cè)定混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，外標(biāo)法定量；泡茶水中元素濃度直接讀數(shù)得出。

茶葉中元素的含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xi表示，按式（1）計(jì)算。

式中，Xi為試樣中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg／kg），Ci為試樣溶液中被測(cè)元素的濃度（mg／L），Ci0為空白溶液中被測(cè)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(zhì)量（g）。

2.6 質(zhì)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(xiàn)［11］方法，采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法檢測(cè)EGCG、ECG 及GABA 含量。 進(jìn)樣量5 μL，流動(dòng)相A（0.1%甲酸，水），流動(dòng)相B（0.1%甲酸，乙腈），250 μL／min 流速，梯度洗脫（25%流動(dòng)相A 保存1 min，至11 min時(shí)至100%流動(dòng)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(yùn)行時(shí)間為0 ～18.66 min，結(jié)束時(shí)間為25 min／樣品。 以去離子水為空白。 按由低到高順序分別測(cè)定樣品，根據(jù)保留時(shí)間、質(zhì)荷比及碎片信息進(jìn)行定性。

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

式中，Ai，j為第i次浸泡茶水中待測(cè)化合物j的峰面積，Ci，j為第i次浸泡茶水中待測(cè)化合物j的相對(duì)濃度。

3 結(jié)果

3.1 礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素溶出特性

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法建立了Ca、K、Mg 及Na 4 種元素定量分析標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)，各元素在相應(yīng)特征分析譜線下的凈光強(qiáng)度與濃度呈良好的線性關(guān)系，工作曲線相關(guān)系數(shù)R均大于0.997，滿足定量分析要求。

表1 Ca、K、Mg 及Na 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Table 1 Standard curve of Ca， K， Mg and Na

采用微波消解結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)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(yīng)元素的總含量，包括螯合形式和游離形式等所有元素形態(tài)和價(jià)態(tài)，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(diǎn)。 模擬航天工況下沖泡綠茶及紅茶樣品，在首次沖泡時(shí)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(shù)進(jìn)行擬合，如圖2 所示，成指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.9。 綠茶中Ca、K、Mg 及Na 5 次沖泡溶出率合計(jì)分別為7.17%、86.98%、44.25%、17.95%；紅茶5 次沖泡溶出率合計(jì)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(shù)的關(guān)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(zhì)譜多反應(yīng)監(jiān)測(cè)（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(duì) 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(jié)構(gòu)式可見，3 種化合物均為極性化合物，在強(qiáng)極性色譜柱上的保留強(qiáng)弱依次為EGCG ＞ECG ＞GABA。 采用0.1%甲酸，乙腈作為流動(dòng)相洗脫，ECG、 GABA 和 EGCG 保 留 時(shí) 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(xué)結(jié)構(gòu)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(shù)條件下，茶水中EGCG，ECG 及GABA 的動(dòng)態(tài)溶出曲線如圖4 所示。 EGCG，ECG 及GABA 是茶葉的天然次生代謝產(chǎn)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(xù)5 次沖泡，EGCG，ECG 和GABA 溶出量和沖泡次數(shù)之間呈線性降低趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)均大于0.93。

圖4 綠茶和紅茶梯度沖泡過(guò)程中ECG（a），GABA（b）和EGCG（c）的動(dòng)態(tài)浸出過(guò)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(xì)胞外液正常的水分布，滲透壓和陰離子、陽(yáng)離子平衡。 航天食品系統(tǒng)中的鈉含量需要重點(diǎn)關(guān)注，航天飛行中攝入大量鈉會(huì)加劇骨丟失，并導(dǎo)致腎結(jié)石形成的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此限制飛行食譜中鈉的攝入對(duì)維持機(jī)體健康至關(guān)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(chǎn)生的鈉元素貢獻(xiàn)量較低，便于根據(jù)乘組喜好適當(dāng)增配。 鉀離子是最豐富的細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子，對(duì)神經(jīng)傳導(dǎo)、酸堿平衡、能量代謝、血壓及膜運(yùn)輸和體液分布至關(guān)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(dǎo)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(lái)源的鉀。

鈣和鎂是重要的二價(jià)離子，通常在生物體中以絡(luò)合形式存在，在維持機(jī)體肌肉骨骼系統(tǒng)健康中起重要作用，同時(shí)是多種酶的活化劑。 對(duì)于長(zhǎng)期航天飛行任務(wù)，飛行過(guò)程中和飛行后骨丟失和腎結(jié)石形成的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加［1，12］。 飲食中足量的鈣和鎂攝入量，對(duì)于維持骨骼健康至關(guān)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(jì)＜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(chǎn)品。 茶葉作為富含礦物質(zhì)、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(jìn)一步探討失重環(huán)境下茶中不同成分代謝吸收特點(diǎn)規(guī)律。

茶葉萃取物中非膳食營(yíng)養(yǎng)活性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)占50%以上，包括EGCG、ECG 等茶多酚類物質(zhì)，對(duì)促進(jìn)機(jī)體健康具有重要作用［2－3］。 航天飛行過(guò)程中微重力、狹小孤閉空間、噪聲、高強(qiáng)度在軌工作負(fù)荷及輻射暴露使航天員處于較高的氧化應(yīng)激狀態(tài)，長(zhǎng)期飛行后航天員體內(nèi)的脂質(zhì)過(guò)氧化物明顯增多，通過(guò)膳食途徑，攝入抗氧化、抗輻射成分，如EGCG，ECG 等，清除機(jī)體內(nèi)自由基，有助于拮抗航天特因環(huán)境對(duì)機(jī)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(guò)程有關(guān)，Hinton 等［14］研究表明，厭氧或真空處理，均可產(chǎn)生富集GABA 的作用。 GABA 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要起抑制神經(jīng)遞質(zhì)的作用，紅茶含有較高的GABA 可以作為乘組入軌初期調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂的飲品。

保持人體正常的血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和正常的滲透壓是必需的，必須攝入足夠的液體，這對(duì)于心血管健康以及維持液體和電解質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡至關(guān)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(shù)量，航天飛行引起的體重降低可能與機(jī)體脫水和主動(dòng)飲水量降低有關(guān)，因此需注意確保足夠的液體攝入和機(jī)體水合狀態(tài)。 液體攝入不足會(huì)增加脫水和腎結(jié)石形成的風(fēng)險(xiǎn)。 通過(guò)飲茶的方式主動(dòng)飲水，有助于實(shí)現(xiàn)推薦飲水量攝入目標(biāo)。 不同水質(zhì)影響泡茶的理化特性和感官品質(zhì)，采用純凈水泡茶，水質(zhì)呈弱酸性，有助于提升茶水的感官品質(zhì)，且促進(jìn)了兒茶素物質(zhì)的溶出［16-17］，根據(jù)EGCG、ECG 及GABA 溶出特點(diǎn)，太空紅茶及太空綠茶具有耐受多次沖泡的特點(diǎn)，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(jié)論

1）模擬航天工況下沖泡太空綠茶及太空紅茶，對(duì)鉀、鈣、鈉、鎂4 種礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分及EGCG、ECG、GABA 3 種非膳食營(yíng)養(yǎng)活性成分的溶出特性研究發(fā)現(xiàn)，4 種礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素隨沖泡次數(shù)呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，3 種非膳食營(yíng)養(yǎng)活性成分呈線性衰減趨勢(shì)。 一價(jià)元素鉀溶出率最高，二價(jià)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(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和非膳食營(yíng)養(yǎng)活性成分得以持續(xù)溶出，反復(fù)沖泡飲用5 次，主動(dòng)飲水量達(dá)到了1000 mL。 研究結(jié)果為太空綠茶及太空紅茶的生產(chǎn)加工、沖泡飲用及其在航天中的應(yīng)用提供參考。