茶葉咖啡堿的研究進展

陳宇宏，王 振，文 祎，黃建安，劉碩謙，劉仲華

（湖南農業大學 茶學教育部重點實驗室，國家植物功能成分利用工程技術研究中心，湖南省植物功能成分利用協同創新中心，湖南 長沙 410128）

茶葉咖啡堿的研究進展

陳宇宏，王 振，文 祎，黃建安，劉碩謙*，劉仲華*

（湖南農業大學 茶學教育部重點實驗室，國家植物功能成分利用工程技術研究中心，湖南省植物功能成分利用協同創新中心，湖南 長沙 410128）

從咖啡堿的生物合成、分解代謝、提取純化、分析檢測和生物活性五個方面進行了綜述。

咖啡堿；生物合成；代謝；生物活性

咖啡堿是一種無色針狀結晶的含氮化學物，略帶苦味，分子式為C8H10N4O2。茶葉中咖啡堿的含量通常在3%～5%，隨茶樹生長發育條件及品種不同而有所差別，一般芽中含量最高。咖啡堿也是茶葉的重要滋味物質，對品質有較大的影響，且其含量高低與茶葉品質成正相關，品質越好，內含咖啡堿的含量一般越高。

1　咖啡堿的生物合成

咖啡堿的生物合成過程中，一是需要嘌呤環的來源，二是需要甲基供體。關于咖啡堿的合成途徑大多是通過對咖啡果和茶樹的研究得來的。咖啡堿的嘌呤環骨架來源于嘌呤核苷酸，Ashihara和Suzuki［1］在大量研究基礎上，將咖啡堿的合成途徑分成了兩個部分：核心途徑和供體途徑。

1.1核心途徑

咖啡堿的生物合成核心途徑是以黃嘌呤核苷作為起始底物，并經過三步甲基化和一步核苷降解反應而最終合成。Suzuki等［2］指出在茶樹和咖啡樹中，咖啡堿是由黃嘌呤核苷（Xanthosine）→7-甲基黃嘌呤核苷（7- methyl xanthine nucleotide）→7-甲基黃嘌呤（7- methyl xanthine ）→3、7-二甲基黃嘌呤核苷（3， 7-two methyl xanthine ）（俗稱可可堿）→1、3、7-三甲基黃嘌呤核苷（1， 3， 7- three methyl xanthine）（俗稱咖啡堿）路徑合成。Ashihara 等［8］在咖啡樹葉片中利用同位素示蹤實驗證明了這條路徑。Negishi等［3］從茶樹葉片中獲得7-NMT （Xanthosine methyltransferase/7-methylxanthosinesynthase，黃嘌呤核苷N-甲基轉移酶），其被證實是催化黃嘌呤核苷轉化成7-甲基黃嘌呤核苷的酶。Mizuno等［4］克隆了該酶全長基因CmXRS1，并驗證出其有N-甲基轉移酶活性。Kato［5］等從茶樹嫩葉中獲得了TCS（tea caffeine synthase，茶樹咖啡堿合成酶），催化咖啡堿合成的最后兩步反應，對1，7-二甲基黃嘌呤、7-甲基黃嘌呤和可可堿都顯示了高催化活性。隨后Kato等［6］克隆出該酶的編碼cDNA，TCS1，其主要催化嘌呤環的3位和1位N-甲基化。

1.2供體途徑

在供體途徑中，有多種來源可以最終合成黃嘌呤核苷，從而為核心途徑提供起始甲基受體。目前已發現至少4條路徑：腺嘌呤核苷酸路線［7］、鳥嘌呤核苷酸路線［2］、嘌呤環從頭合成路線［8］和S-腺苷甲硫氨酸循環路線［9］，其中腺嘌呤核苷酸路線是最重要的途徑。馮艷飛等［10］首次克隆得到SAM（S-adenosyl methionine，茶樹S-腺苷甲硫氨酸合成酶）基因cDNA，其預測氨基酸序列與其他物種的SAM合成酶有超過90%的同源性，SAM在S-腺苷甲硫氨酸循環路線中起重要的作用，且茶樹中黃嘌呤核苷主要來源于此循環途徑。IMPDH（Inosine monophosphate dehydrogenase，次黃嘌呤核苷酸脫氫酶）是催化IMP轉化為XMP的關鍵酶，Keya等［11］首次克隆得到IMPDH基因編碼cDNA，TIDH （EU106658），并證明其在咖啡堿合成途徑中起關鍵作用。

1.3茶樹中咖啡堿非主要合成途徑

在茶樹中另有其余非主要途徑，如補救途徑是茶葉堿通過3-甲基黃嘌呤、可可堿而最終合成咖啡堿［7］。Kato 等［12］在探究茶樹嫩葉中N-甲基轉移酶的活性后，提出了另一種非主要路徑，即7-甲基黃嘌呤→1、7-二甲基黃嘌呤（擬黃嘌呤）→咖啡堿。

2　咖啡堿的分解代謝

咖啡堿產生于嫩葉和未成熟的果實中，并在這些器官的成熟過程中逐漸積累，在這之間咖啡堿會逐漸降解三甲基，從而最終形成黃嘌呤。在咖啡葉中咖啡堿代謝首先由Kalberer［13］報道。自那時以來，若干使用的14C嘌呤生物堿示蹤實驗已經被報道［14-18］，表明主要的分解代謝途徑是咖啡堿→茶葉堿→3-甲基黃嘌呤→黃嘌呤。黃嘌呤隨后進入傳統的嘌呤降解途徑，首先在黃嘌呤氧化酶的作用下，氧化成尿酸，它的進一步分解因不同種類的生物體內有關分解酶是否存在而異。人和動物體內分解尿酸的能力較低，常以尿酸為最終產物。而植物體內因廣泛地存在著尿囊素酶、尿囊酸酶和尿酶等一系列酶，因此能繼續分解尿酸，并最終分解成氨和二氧化碳。咖啡堿降解為茶葉堿是整個降解過程的限速步驟［6，19-20］。

3　咖啡堿的提取純化

在早期的研究中，提取咖啡堿的方法已有多種，如溶劑法、升華法、離子沉淀法、柱層析法、超臨界CO2法和微波萃取法。近年來，人們將提取咖啡堿的方法不斷優化。尹志芳等［21］采取超臨界CO2萃取技術提取益陽黑茶中的咖啡堿，通過正交實驗獲得咖啡堿的最佳萃取條件為：萃取溫度40℃，萃取壓力20 MPa，固定萃取時間2 h，夾帶劑采用體積分數為70%的乙醇，適宜用量為300 mL/150 g，咖啡堿產率為（0.457±0.036）%。王立升等［22］用福建烏龍茶為原料，以超聲-微波協同萃取法為實驗方法，探討了提取咖啡堿的最優條件。結果表明，在微波功率500 W、加熱時間4 min、乙醇濃度90%、提取溫度90℃、料液比1∶20 g/mL時為最優條件。在此條件下，咖啡堿產率2.60%，純度（94±0.4）%。李振武［23］采用二級樹脂吸附層析法對茶多酚與咖啡堿進行分離與純化，通過對離子交換樹脂及大孔吸附樹脂進行篩選，最終選定NKA-Ⅱ樹脂作為第二級吸附樹脂用于咖啡堿的回收，回收的咖啡堿副產品的純度為46.5%，若將此咖啡堿進行二次升華后，其純度可達97.5%。周順珍等［24］以GB/T8313-1987水浸出方式作為樣品的提取方法對7種兒茶素組分及咖啡堿進行HPLC測定，對比國家標準GB/T8313-2008提取樣品，此操作更簡單、方便，且效率高。

4　咖啡堿的分析檢測

除常規的實驗室定量檢測咖啡堿的方法如碘量法、比色法、定氮法、紫外分光光度法等外，近年來，因為色譜法靈敏度高，操作簡便，檢測結果準確，被廣泛應用于咖啡堿的含量檢測中［25］。許禎毅［26］對采用HPLC測定武夷巖茶中咖啡堿含量的影響因素和條件進行探討，結果表明茶葉樣品中咖啡堿含量與峰面積在標準曲線范圍內線性良好，且在MgO添加量為0.5 g、沸水浴中浸提時間為30 min時，測得咖啡堿含量的相對標準偏差為0.63%，加標回收率為92%～102%，此方法能應用于不同武夷巖茶品種中咖啡堿的檢測。張琪等［27］用等度洗脫法對茶葉中6種兒茶素及限量成分咖啡堿的HPLC定量測定，結果顯示此方法簡單、準確、重現性好。褚利平等［28］建立了紅茶中咖啡因含量的HPLC測定方法，并表示用此方法可鑒別藥材真偽，并控制藥材質量。郭穎等［29］利用UPLC對咖啡堿的含量進行了分析，并表示此方法相較HPLC的分析時間大大縮短，僅需6 min。另外，宋爽等［30］用低pH沉淀法檢測了茶葉中的結合咖啡堿，結果顯示普洱茶（熟茶）水提物中的結合咖啡堿含量最高，而綠茶和紅茶水提物中只有極少量的咖啡堿為結合態。

5　咖啡堿的生物活性

5.1抗癌與治療腫瘤

在人們發現咖啡堿與癌癥、腫瘤的關系之前，咖啡堿因能興奮中樞神經系統而被應用于抗疲勞、抗焦慮等癥狀中［31-32］。至今國內外已有許多報道證實，咖啡堿的攝入量對于癌癥及腫瘤有一定的防治作用。Hildebrand等［33］在26年間對968432人的隨訪結果進行分析，結果發現，相對于不喝或偶爾喝咖啡的人，每天喝含咖啡堿的咖啡多于4杯的人，口咽癌死亡風險降低49%，這表明咖啡堿的攝入量與口咽癌死亡率呈負相關。李越等［34］以86例子宮內膜癌患者作為研究對象，對比了輔以咖啡堿治療的患者與不輔以咖啡堿治療的患者在經過紫杉醇聯合順鉑二聯化療方法治療后的子宮內膜組織雌激素受體（ER）、孕激素受體（PR）及p21的蛋白表達水平，以及血清CA -125水平，發現輔以咖啡堿治療的患者的這些指標增加更明顯。范耀東［35］觀察了以不同濃度和作用時間的咖啡堿對U251神經膠質瘤細胞的作用，初步證明了咖啡堿在體外可以抑制U251人膠質瘤細胞的增殖活性并在一定濃度范圍內（1～10 mM）可促使其凋亡。

5.2防治阿爾茨海默病

咖啡堿對于大腦皮層的興奮作用尤為顯著，有研究發現其對于阿爾茨海默病等神經疾病存在潛在的預防作用［36］。Maia 等［37］通過對實例的分析，利用回歸分析方法，表示在一定范圍內，咖啡堿攝入量高低與患阿爾茨海默病的風險有顯著的負相關。Santos 等［38］在2005年至2008年間對1999年至2003年間招募的648人的隨訪中發現，咖啡堿與女性認知能力下降之間呈負相關，但對于男性沒有明顯關系。Dall'lgna等［39］提供了第一個體外證據，表明腺苷A2A受體可以作為一個指標，證明攝入咖啡堿能有益于阿爾茨海默病的治療。研究顯示［40］：每天適當攝入咖啡堿可能延遲阿爾茨海默病的發生或降低患阿爾茨海默病的風險。

5.3防治帕金森病

大多數研究表明，咖啡堿與帕金森病呈負相關，且此關系對性別無明顯差異［41］，并有結果表明，咖啡堿對帕金森病患者有一定的保護作用［42］，當咖啡攝入量約為每天3杯時，其保護作用達到最大值。

5.4治療早產兒原發性呼吸暫停

咖啡堿是呼吸系統的刺激藥物，是治療早產兒呼吸暫停的常用手段之一［43］。王曉敏等［44］以42例早產兒原發性呼吸暫停患兒為觀察對象，在給予枸櫞酸咖啡因規范治療后，發現患兒呼吸暫停平均每天發作次數明顯減少、嚴重程度降低。魏彥敏等［45］探討了咖啡因聯合藥物治療超低出生體質量兒呼吸暫停的最佳劑量，低劑量組（5 mg/kg）治療效果略高于高劑量組（8mg/kg）治療效果，且減少了大劑量使用所致的不良反應事件的發生。但也有研究顯示，枸櫞酸咖啡因在使用期間會導致機體的耗氧量增加、患兒體重增長減慢，提示在應用該藥時需適當增加患兒的熱量攝入［46］。

6　結語

咖啡堿在茶樹體內核心途經和供體途徑中參與酶的合成以及調控作用已基本明晰。然而，咖啡堿的合成并非只受咖啡堿合成酶控制，在整個咖啡堿的合成代謝途徑中，任何一種酶都有可能對可可堿、咖啡堿等嘌呤堿的含量產生影響。即便獲得足夠多的遺傳信息，在技術不成熟的茶樹遺傳化領域還有很多問題需要解決。

茶樹體內的咖啡堿代謝途徑是復雜而且多樣化的，未來可以更多的發掘咖啡堿合成與分解代謝途徑酶基因信息，為之后的茶樹新品種選育特別是低咖啡堿茶樹品種選育奠定良好的基礎。

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Research Progress on Caffeine

CHEN Yu-hong，WANG Zhen，WEN Yi，HUANG Jian-an，LIU Shuo-qian*，LIU Zhong-hua*
（Key Laboratory of Tea Science of Ministry of Education， Hunan Agricultural University， National Research Center of Engineering Technology for Utilization of Functional Ingredients from Botanicals， Hunan Co-Innovation Center for Utilization of Botanical Functional Ingredients，Changsha 410128， China）

This paper reviewed the progresses in the caffeine biosynthesis， catabolism of caffeine， caffeine extraction and purifcation， caffeine and caffeine analysis and detection of biological activity.

Caffeine， Biosynthesis， Metabolism， Biological Activity

S571.1

A

1009-525X（2016）03-03-07

2016-05-17

2016-06-14

陳宇宏（1992-），女，湖南長沙人，在讀碩士研究生，研究方向：茶葉功能成分化學。

劉碩謙，shqianliu@sina.com；劉仲華，Larkin-liu@163.com