甘油提取結合液相色譜-串聯質譜法檢測茶葉及副產物中7 類化學成分

管夢迪，鄭亞茹，楊柱林，李慧敏，婁華橋，楊玉冰，李佳梅，易倫朝，李斯嶼，胡永丹，任達兵

（昆明理工大學食品科學與工程學院，云南 昆明 650500）

茶是中國特色經濟農作物之一，是世界上最古老、消費最多的飲料之一。茶葉含有豐富的化學成分，許多研究已經表明這些成分不僅對茶葉的風味具有重要作用，而且具有非常明顯的生物活性[1-3]。2022年全國干毛茶總產量為335萬 t，茶葉加工過程中，不可避免地會產生副產物。例如，普洱生茶加工中產生的茶渣，據統計每生產1 t成品茶就會產生20～30 kg干茶副產物[4]。

研究表明，茶葉中含有兒茶素、酚酸、黃酮、有機酸、氨基酸、生物堿、核苷酸等豐富的化學成分[5-6]。相比之下，茶葉副產物中這些成分的組成和含量尚不完全清晰。對茶葉及其副產物中多類化學成分進行準確定量分析有助于全面認識茶葉副產物的化學成分組成，為茶葉副產物的綜合利用提供數據。目前，常用的定量分析技術有光譜法、色譜法、電化學法、質譜法等[7-9]。上述分析技術中，質譜技術具有很高的靈敏度和準確度，能夠同時分析多個化學成分（＞100），目前已被廣泛應用于茶葉的物質定量分析檢測[10]。超高效液相色譜-三重四極桿串聯質譜（ultra-high performance liquid chromatography-triple quadrupole tandem mass spectrometry，UPLC-QQQ-MS/MS）技術具有定量準確度高、重復性好、靈敏度高、特異性強、通量高等優點，非常適合于多類成分及低含量成分的準確定量分析[11-13]。Panyatip[14]、Kikkawa[15]、Wang Dan[16]等利用UPLC-QQQ-MS/MS技術分別對茶葉中酚類、兒茶素、氨基酸、生物堿、核苷酸進行了檢測。

選擇恰當的溶劑進行提取是茶葉化學成分定量分析的必要步驟。目前，研究人員主要使用甲醇、乙醇、乙酸乙酯、氯仿作為提取溶劑[17-20]。然而，茶葉的化學成分存在結構多樣、極性差異大和濃度范圍廣的特點，上述溶劑在同時高效提取多類具有不同性質的成分方面存在不足[21]。甘油具有低毒、難揮發、化學性質穩定的特性，符合理想綠色溶劑的大部分要求，已經在化妝品工業、食品工業中獲得廣泛應用[22]。甘油屬于天然堿性化學物質，具有多羥基結構和較低的介電常數，可以改變水的介電常數，它的水溶液對酚類、鞣質類物質的溶解度較高[23-24]。目前，甘油在提取枸杞[25]、蘆筍[26]、秈米葉[27]中的黃酮、酚類物質方面已顯現出比甲醇、乙醇更好的性能。因此，甘油有望替代甲醇等傳統有機溶劑，實現茶葉中多類化學成分的同時有效提取。

本研究利用甘油結合超聲法提取茶葉及其副產物中的化學物質，通過單因素試驗確定最佳提取工藝條件，探究甘油對茶葉中多類化合物的提取效率。優化建立色譜-質譜檢測方法（如洗脫梯度、流動相組成、色譜柱等），以實現茶葉中酚類、黃酮類、氨基酸、生物堿、兒茶素等多類化學成分的準確定量分析。通過方法學驗證考察所建方法的靈敏度和準確度，并將所建方法應用于實際的茶葉及副產物樣本，研究茶葉副產物中化學成分的組成和含量，為茶葉副產物的高值化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶葉樣品依托當地茶葉生產企業進行加工和收集，包括普洱生茶、黃片和副產物（茶渣）。茶葉樣本經干燥后粉碎，過60 目篩，放在密封袋中，保存在-20 ℃冰箱。

甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、甘油、1,3-丁二醇、2,3-丁二醇、1,4-丁二醇（均為色譜級），甲酸（質譜級）上海易恩化學技術有限公司；乙腈（質譜級）德國Merck公司；本實驗共用到130 個標準品，購買于由西力生物有限公司、北京伊諾凱有限公司、廈門慧嘉生物科技有限公司、成都曼斯特生物科技有限公司和上海西寶生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

LCMS-8040 UPLC-QQQ-MS/MS聯用儀 日本島津實驗器材有限公司；KQ800 DE 數控超聲機昆山生物科技有限公司；MS105DU電子分析天平瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；TGL-16M高速離心機湘潭湘儀儀器有限公司；倍達浦超濾型超純水機 南京權坤生物科技有限公司；FSJ-A05B1打粉機 廣東小熊電器有限公司；移液槍 美國賽默飛世爾科技公司。

1.3 方法

1.3.1 提取條件的優化

1.3.1.1 樣品溶液的制備

稱取0.5 g茶粉于10 mL離心管中，加入5 mL 70%甘油溶液，渦旋混勻，超聲提取20 min（40 ℃、400 W），提取結束后離心取上清液，用70%乙腈溶液稀釋50 倍，每個樣品重復3 次。取一定量的稀釋液過0.22 μm有機濾膜后用于UPLC-QQQ-MS/MS分析。

1.3.1.2 提取試劑的選擇

以甘油、水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、2,3-丁二醇和1,4-丁二醇作為提取溶劑。除水外，其余均為70%水溶液，樣品制備同1.3.1.1節，對比提取效果，選擇一種最佳提取溶劑。

1.3.1.3 單因素試驗

分別考察不同提取溫度（20、30、40、50、60 ℃）、提取時間（5、10、20、30、40 min）、固液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50（g/mL））、溶劑含水量（30%、50%、70%、90%、100%）對待測物的提取效果，計算待測物提取量，每個樣品重復3 次。

1.3.2 UPLC-QQQ-MS/MS方法的建立

1.3.2.1 混標溶液的制備

準確稱取標準品各1 mg于2.5 mL小燒杯中，加入適量70%乙腈溶液溶解。將燒杯中的溶液轉移至10 mL容量瓶中，用70%乙腈溶液定容，獲得質量濃度為100 μg/mL的混標儲備液，置于冰箱中避光保存待用。

1.3.2.2 方法參數的確定

UPLC-QQQ-MS/MS主要由UPLC分離系統和三重四極桿質譜檢測系統串聯組成。其中，UPLC系統包括二元泵、自動進樣器、柱溫箱等模塊。

本研究采用兩根不同的色譜柱對不同類型的成分進行分離分析。一方面，采用Hypersil GOLD C18柱（100 mm×2.1 mm，1.9 μm）對兒茶素、酚酸、黃酮進行洗脫分離，具體的色譜條件：柱溫35 ℃，進樣量1 μL，流動相為0.1%甲酸溶液（A）和乙腈（B），流速0.2 mL/min，梯度洗脫：0.01～1 min，92%～87% A、8%～13% B；1～2 min，87%～83% A、13%～17% B；2～3 min，83%～80% A、17%～20% B；3～9 min，80%～75% A、20%～25% B；9～10 min，75%～68% A、25%～32% B；10～11 min，68%～50% A、32%～50% B；11～12 min，50%～40% A、50%～60% B；12～14 min，40%～15% A、60%～85% B；14～18 min，15%～92% A、85%～8% B；另一方面，采用色譜柱Hypercarb C18柱（100 mm×2.1 mm，3 μm）對生物堿、氨基酸、有機酸、核苷及核苷酸等親水性成分進行洗脫分離，具體條件為柱溫40 ℃，進樣量1 μL。流動相為0.2%甲酸＋1 mmol/L甲酸銨溶液（A）和乙腈（B），流速0.3 mL/min，梯度洗脫：0～1 min，95%～85% A、5%～15% B；1～3.5 min，85%～75% A、15%～25% B；3.5～4.5 min，75%～65% A、25%～35% B；4.5～6.5 min，65%～60% A、35%～40% B；6.5～7 min，60%～40% A、40%～60% B；7～7.01 min，40%～10% A、60%～90% B；7.01～8 min，10%～5% A、90%～95% B；8～8.5 min，5%～40% A、95%～60% B；8.5～9 min，40%～60% A、60%～40% B；9～9.5 min，60%～95% A、40%～5% B；9.5～12 min，95% A、5% B。

質譜條件：干燥氣流速15 L/min，吹掃氣流速3 L/min，接口電壓4.5 kV，CID氣壓230 kPa，離子傳輸管溫度300 ℃，加熱板溫度400 ℃，檢測電壓2.08 kV。此外，采用儀器自帶的軟件對多反應監測離子對、碰撞電壓進行優化和選擇。

1.3.2.3 方法學考察

方法學考察的內容包括標準曲線、檢測限、定量限、精密度、加標回收率以及基質效應，基于這些指標評價方法的精密度和準確度。制作標準曲線時，用70%乙腈溶液將標準品的儲備液梯度稀釋，獲得一系列不同質量濃度的混標溶液（100～0.01 μg/mL），用定量出的峰面積與其對應的質量濃度通過回歸擬合繪制標準曲線。檢測限以及定量限分別以信噪比的3 倍和10 倍進行計算。精密度包括日內和日間精密度，選擇高（100 μg/mL）、中（10 μg/mL）、低（0.5 μg/mL）混標溶液進行測定，分別在1 d內完成6 次重復進樣和3 d內重復進樣6 次。測定之后，計算各成分含量的日內和日間相對標準偏差（relative standard deviation，RSD），用以表征日內和日間精密度。茶葉基質較為復雜，含有茶多酚、生物堿、色素、糖類等多種物質，加標回收可以表征樣品中的其他成分對目標分析物離子響應強度的影響。采用樣品加標回收法進行回收率實驗，將高（100 μg/mL）、中（10 μg/mL）、低（0.5 μg/mL）3 個質量濃度的混標溶液加入茶葉樣品中進行檢測。測定加入標準品的質量濃度，然后通過比較實際質量濃度和測定質量濃度計算回收率。溶劑基質常對分析物的分析過程有顯著的干擾，并影響分析結果的準確性。在甘油和乙腈溶液中加入相同量的標準品母液，稀釋相同的倍數，純溶劑中分析物響應值與樣品基質中添加相同含量分析物響應值的比值為基質效應的數值，評價甘油溶液對于各類目標成分的基質效應。

1.4 數據處理

UPLC-QQQ-MS/MS 原始數據由儀器自帶的Labsolution軟件處理，獲得各個物質的峰面積，通過標準曲線擬合，獲得各目標物的質量濃度（mg/mL）。根據樣品量、稀釋倍數等一系列數據，將質量濃度轉化為茶樣中目標物的含量（mg/kg）。實驗結果以表示。

2 結果與分析

2.1 不同溶劑提取效果比較

選取咖啡因、茶氨酸、沒食子酸、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（(-)-epigallocatechin-3-gallate，EGCG）等21 種成分作為代表性物質，用于評價各提取溶劑的性能，這些代表性成分在茶葉中含量較高，包括酚酸類、氨基酸、茶堿、兒茶素等類別。如圖1所示，甲醇、乙醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇以及甘油的提取效果較好，它們對各物質提取峰面積總和均高于1.1×108。相比之下，純水的提取效果最差，峰面積總和低于0.6×108，這可能是因為水的極性最大，對中極性物質（酚類）的提取效果不好。上述溶劑中，甘油對氨基酸的提取效果最佳，峰面積高達0.7×108。甘油由于介電常數較低，對酚類的提取效果也較好。由于甘油的綜合提取性能以及本身的綠色性質，最終作為本研究的提取溶劑，實現一次提取并對多類成分定量分析的目的。

圖1 不同溶劑的茶葉化學物質提取效果比較Fig.1 Comparison of the extraction efficiency of different solvents for the extraction of compounds from tea

2.2 單因素試驗結果

目前茶葉化合物的提取方法主要有：超聲輔助提取法、熱水浸提法、有機溶劑萃取法和微波輔助提取法。由于超聲波具有空化作用，有助于植物的細胞壁破裂，使有效成分高效溶出，超聲輔助提取已被證明可以提高目標成分的提取率[28]。影響超聲輔助提取效率的因素包括提取時間、固液比、溶劑含水量、提取溫度等，本研究通過單因素試驗進行考察并優化，結果如圖2所示。

圖2 單因素對茶葉化學物質提取效果的影響Fig.2 Effect of operating parameters on the extraction efficiency of tea components investigated by single factor experiments

由圖2A可知，隨著超聲時間的延長，待測物提取率增加，在10～40 min內整體呈現先下降后上升的趨勢。其中，在10 min和40 min時提取效果最好，總體峰面積超過1×108，且不存在顯著差異。超聲的空化作用以及機械作用可以加速目標物從茶葉中向提取試劑中轉移，同時有可能對目標物存在破壞作用[29-30]，所以在20 min時提取效果僅好于5 min?？紤]到時間成本，最終確定10 min為最佳提取時間。

由圖2B可知，固液比的改變對提取效果影響較大。隨著固液比的增大提取效果降低，固液比1∶10時，提取效果最好，總體峰面積超過1.4×108。茶葉中的化合物在固液比1∶10時已經全部溶出，最終采用固液比1∶10。

由圖2C可知，茶葉目標物的提取效果隨著甘油含水量的增加呈先增后降的趨勢。當甘油含水量達到50%時提取效果最好，總體峰面積超過1.6×108，約是含水量70%（0.976×108）和30%（0.979×108）時提取峰面積的1.6 倍。甘油與水可以任意比例互溶，加入水后黏度降低，活性物從茶葉轉移到提取試劑的阻力變小。當含水量高于50%時，提取試劑極性與目標物極性相差較大，提取效果降低。在甘油的存在下水溶液的極性和黏度需要達到平衡，因此，最終選擇甘油的含水量為50%。

由圖2D可知，超聲提取溫度從30 ℃升高到40 ℃時，提取效果明顯提高，從40 ℃升高到70 ℃，提取效果先降低后增高。提取溫度為40、60、70 ℃時，總體峰面積均超過1.4×108，且在40 ℃與60 ℃條件下提取效果沒有明顯差異。產生這種現象的原因可能是溫度升高使分子運動加速，目標物提取率增大，但隨著溫度繼續升高目標物成分受到破壞，使得提取率降低。繼續升溫，特征物質在溶劑中的溶解度增加。從經濟成本看，提取溫度40 ℃效果最佳。

2.3 液相色譜-質譜條件的優化

色譜條件的優化主要包括流動相組成、洗脫梯度以及色譜柱的選擇。色譜條件優化后可以使目標物獲得良好分離，提高定量的準確性。梯度洗脫可以使一個復雜樣品中性質差異較大的組分實現良好的分離，確保在較短的時間內樣品中不同極性的組分均能被洗脫出來。

參考課題組前期的研究，本實驗采用Hypersil GOLD C18色譜柱對茶葉中的兒茶素、黃酮和酚酸等酚類物質進行分離[11]，流動相為0.1%甲酸溶液（A）和乙腈（B），對洗脫梯度進行微調，具體見1.3.2.2節。前期工作中，課題組采用親水作用的Syncronis HILIC色譜柱檢測茶葉中的生物堿、核苷、核苷酸、氨基酸4 類親水性物質[16]。親水色譜柱的柱效通常隨流速增大而降低，不利于快速色譜分離，此外該類型色譜柱需要較長的柱平衡時間。Hypercarb色譜柱是一類采用多孔石墨碳作為填料的C18色譜柱，對極性化合物有較強的保留能力，對結構相近物質能很好分離，有較寬的pH值范圍并且高溫條件下仍能保持穩定性。因此，本研究選擇Hypercarb C18色譜柱用于有機酸、生物堿、核苷、核苷酸、氨基酸5 類親水性成分的分離分析，通過條件優化，最終確定流動相為0.2%甲酸＋1 mmol/L甲酸銨（A）和乙腈（B），具體的洗脫梯度見1.3.2.2節。應用優化的UPLC-QQQ-MS/MS條件，對7 類共130 個化學成分進行分離分析，結果如圖3所示，可以看出這些成分均獲得了良好分離且具有較好的峰形，為準確定量分析奠定了基礎。

圖3 130 種物質總離子流圖Fig.3 Total ion chromatograms of 130 substances

2.4 方法學驗證

檢測限、定量限、精密度、加標回收率、準確度以及基質效應結果見表1、2，7 類化合物均在0.018～96.150 μg/mL內呈現良好的線性關系（0.4～12 000 mg/kg，R2≥0.990）。檢測限和定量限分別為0.000 1～4.332 1 mg/kg與0.000 2～12.996 3 mg/kg，表明該方法具有很高的靈敏度。在高、中、低3 個質量濃度下，日內、日間精密度分別為0.04%～14.94%和0.35%～14.90%，表示儀器穩定性較好，實驗結果比較可靠。目標物的加標回收率以及RSD分別在80.10%～121.12%和0.26%～25.68%之間，證明該方法準確度較高?；|效應在72.00%～118.27%之間，結果可被接受。以上結果表明本研究建立的甘油提取結合UPLC-QQQ-MS/MS定量分析方法有良好的準確性和精密度。

表1 酚類物質UPLC-QQQ-MS/MS方法學驗證結果Table 1 Analytical figures of merit of UPLC-QQQ-MS/MS for phenolics

2.5 方法的應用

將建立的方法應用于實際茶葉樣本及其副產物的化學成分定量分析，首先采用甘油結合超聲處理提取多類化學成分，然后利用驗證后的UPLC-QQQ-MS/MS進行定量分析。定量結果如表3所示，共檢測出酚類成分41 種、有機酸6 種、氨基酸16 種、生物堿1 種、核苷2 種，未檢出的成分可能是未提取到或是其含量低于檢測限。

將各檢測到的化學成分含量相加，加合總含量如圖4所示?？梢钥闯?，不同樣本的總含量相差較大，在86 622.93～219 652.94 mg/kg范圍內。其中，加合總含量最高的樣本分別為普洱生茶6號（219 652.94 mg/kg）、普洱生茶4 號（169741.61 mg/kg）和黃片（151 354.49 mg/kg）。所有樣本中，普洱生茶5號（112 235.94 mg/kg）和茶渣（86 622.93 mg/kg）的加合總含量較低。

圖4 不同茶葉被測物質加合總含量比較Fig.4 Comparison of the total contents of all detected compounds in tea samples

定量結果表明，茶葉及其副產物的樣本中含量較高的化學成分包括表兒茶素（2 399.42～21 207.83 mg/kg）、表沒食子兒茶素（1 369.47～7 934.14 mg/kg）、表兒茶素沒食子酸酯（5 168.42～26 854.46 mg/kg）、E GCG（6 484.68～28 844.07 mg/kg）、3-沒食子?；鼘幩幔? 230.36～15 722.18 mg/kg）、茶氨酸（5901.84～14458.35 mg/kg）、咖啡因（6506.29～12017.14 mg/kg）、奎寧酸（5 649.48～29 529.46 mg/kg）。具體含量對比如圖5所示，黃片和茶渣中的化學成分比較豐富。例如，茶渣中上述物質總含量較低，但是其咖啡因含量（9 969.66 mg/kg）僅次于普洱生茶7號（12 017.14 mg/kg）?？Х纫蚴遣枞~中提供苦澀味的主要物質之一，對人體具有一定的促興奮作用，還具有一定的藥理功能。普洱生茶3、6、7、8號以及黃片的茶氨酸含量均大于13 000 mg/kg，說明茶氨酸是普洱生茶及其副產物中含量最高的氨基酸，茶氨酸約占茶葉氨基酸總量50%～60%，具有甜味和鮮爽味，是茶葉的滋味物質。氨基酸成分中除茶氨酸外，精氨酸（1 114.87～3 679.68 mg/kg）、天冬氨酸（1344.32～3459.21 mg/kg）、谷氨酰胺（796.21～1653.41 mg/kg）、天冬酰胺（401.38～1938.94 mg/kg）和谷氨酸（2 387.83～6 554.72 mg/kg）的含量也較高。兒茶素類化合物是茶葉中的主要功能成分，占茶葉干質量的12%～24%，是茶湯苦澀味的呈味物質和茶湯的呈色物質。普洱生茶2、3、4、6號總兒茶素含量超過60 000 mg/kg，普洱生茶1、5、7、8號和黃片總兒茶素含量介于40 000～60 000 mg/kg之間，茶渣含量為15 830.05 mg/kg。

圖5 不同種類茶葉主要化學成分的含量Fig.5 Contents of major chemical components detected in different types of tea

黃片是指加工過程中外觀不滿足生產標準，而被人工剔除用于其他生產的茶箐。本研究的結果表明，黃片中化學成分的含量與正常茶葉樣本相當，如其EGCG、咖啡因、茶氨酸的含量分別為18 806.25、9 969.66 mg/kg和14 458.35 mg/kg，甚至高于某些正常茶葉樣本的含量。茶渣是茶葉加工中產生的另一類主要副產物，包括挑揀剩下的茶末、茶梗。定量結果表明茶渣中含量較高的化學成分包括表兒茶素（2 399.42 mg/kg）、表沒食子兒茶素（1 369.47 mg/kg）、表兒茶素沒食子酸酯（5 168.42 mg/kg）、EGCG（6 484.68 mg/kg）、3-沒食子?；鼘幩幔? 230.36 mg/kg）、木犀草素（44.91 mg/kg）、精氨酸（1 163.86 mg/kg）、天冬氨酸（1 374.07 mg/kg）、茶氨酸（5 901.84 mg/kg）、咖啡因（9 969.66 mg/kg）、奎寧酸（12 322.43 mg/kg）、乳酸（10 107.8 mg/kg）和草酸（7 542.81 mg/kg）。因此，茶渣作為茶葉加工的副產物，同樣含有豐富的生物活性成分，存在進一步利用的價值。

3 結論

本研究建立了一種以甘油為溶劑的超聲輔助提取方法，可以同時高效提取茶葉中的多類化學成分，在此基礎上進一步優化建立了茶葉中7 類共130 種化學成分的UPLC-QQQ-MS/MS定量分析方法。方法學考察結果表明所建立方法具有良好的線性關系（0.4～12 000 mg/kg，R2≥0.990）、檢測限（0.000 1～4.332 1 mg/kg）、定量限（0.000 2～12.996 3 mg/kg）、日內精密度（0.04%～14.94%）、日間精密度（0.35%～14.90%）、加標回收率（80.10%～121.12%）、RSD（0.26%～25.68%）。此外，基質效應為70.70%～118.27%。以上結果表明所建方法具有良好的線性范圍、精密度和準確度?；谒⒌姆椒?，成功測定了普洱生茶及其加工副產物中各類化學成分的準確含量，結果表明茶葉副產物同樣含有豐富的化學成分，尤其是兒茶素、咖啡因、茶氨酸等主要成分。雖然甘油適用于茶葉化合物的綠色提取，但是甘油黏性較大，一般使用其水溶液。本研究為茶葉化學成分提取提供了思路，且進一步探索了茶葉副產物中這些成分的組成和含量。