在巴西销售的Camellia sinensis茶叶的综合性化学分析：物理化学性质、矿物质成分及挥发性化合物的特征研究

《Food Chemistry Advances》：Integrated chemical profiling of Camellia sinensis teas marketed in Brazil: Physicochemical, mineral, and volatile compound characterization

茶叶化学与挥发性特征分析：巴西市售15种茶类的 proximate composition（水分5.51%-9.95%，灰分3.44%-6.31%，脂类0.19%-1.61%，蛋白质9.13%-19.24%，碳水化合物70.53%-83.83%）、矿物元素（钾最高2199.2 mg/kg，镁100.2-119.6 mg/kg，钙319.6-693.2 mg/kg）及挥发性成分（共鉴定298种，主要含醛、醇、酯、酮、萜烯类）的HS-SPME/GC-MS分析显示，加工工艺（绿茶/白茶热固定、乌龙茶部分氧化、红茶全氧化、烤茶热降解）显著影响挥发性指纹，PCA可区分茶类（R2=0.98），为地理标志认证和产品标准化提供依据。

　　茶叶，源自茶树（*Camellia sinensis*），是全球最广泛消费的饮料之一，因其感官多样性与健康促进特性而受到高度重视。本研究旨在对巴西市场上十五种商业茶叶进行全面的化学特征分析，重点包括其近似组成、矿物质含量和挥发性成分。通过物理化学参数测定、宏量营养素定量以及顶空固相微萃取后接气相色谱-质谱（HS-SPME/GC–MS）分析，共鉴定了298种挥发性和半挥发性化合物，主要为醛类、醇类、酯类、酮类和萜烯类物质。主成分分析（PCA）显示，茶叶根据加工方式明显聚类，特别是区分了烘焙和氧化样本。营养与挥发性数据的整合表明，加工强度和地理起源对茶叶的组成模式具有显著影响。这些发现为巴西茶叶的真伪评估、产品标准化和质量控制提供了基础，同时促进了具有附加值的功能性饮料的发展。

茶叶的种类多种多样，主要由其后处理工艺决定，这些工艺塑造了茶叶的感官、营养和功能特性。绿茶叶通过热处理钝化氧化酶，保持其绿色外观和高浓度的生物活性成分，如多酚。黑茶叶则经历完全的酶促氧化，形成深色、浓郁风味和明显香气。乌龙茶为部分氧化，呈现出介于绿茶与红茶之间的特性。白茶叶则通过极少的加工获得其轻盈的风味和颜色。不同加工方式对茶叶的风味和外观有显著影响，同时也改变了其营养成分和挥发性成分的构成。挥发性化合物主要在干燥和发酵过程中形成，是茶叶风味特征的关键，如花香、草本、果香或木质气息。这些化合物不仅影响感官接受度和消费者偏好，还对茶叶的市场价值起到重要作用。因此，挥发性成分可以作为产品身份、质量和地理来源的重要指标，为茶叶行业的可追溯性和标准化提供支持。

茶叶的近似组成提供了关于其营养质量和功能潜力的重要信息。茶叶中含有多种必需营养素，如碳水化合物、色素、氨基酸和维生素（B1、B2、B3、E、C和K），这些成分对代谢和免疫功能有重要作用。此外，钙、镁、锌、钾和铁等矿物质在维持骨骼完整性、神经肌肉活动和整体系统平衡中发挥关键作用。这种独特的营养和生物活性成分组合进一步加强了茶叶作为高生物价值和功能性饮料的相关性。

全球茶叶消费量在2022年估计为67亿公斤，预计到2025年将增加至74亿公斤。在巴西，茶叶消费量显著增长，这一趋势受到健康饮食习惯转变和对天然产品的日益需求所驱动。从2019年到2023年，巴西国家茶叶市场扩大了43%，价值约为2.5亿美元。这一增长与较低的生产成本、被认可的治疗特性、高抗氧化含量以及吸引人的感官特性有关。然而，尽管茶叶市场在扩大，巴西的本土茶叶生产仍然有限，主要集中在圣保罗的里贝拉山谷。此外，巴西市场上的茶叶产品来源和质量异质性较大，常常缺乏组成标准化和身份验证。因此，对巴西市场上茶叶的营养和挥发性成分进行综合分析，对于支持质量控制、真伪认证和市场差异化策略至关重要。

考虑到营养成分和挥发性成分对消费者感知和产品增值具有决定性作用，它们的综合评估能够更全面地理解茶叶的质量和真伪。然而，在发展中国家，尤其是新兴茶叶产业中，同时研究这些参数的文献仍然较少。因此，本研究旨在评估15种巴西市场上的*Camellia sinensis*茶叶样品的近似组成和挥发性成分，采用物理化学分析和HS-SPME/GC–MS技术。研究结果有望促进巴西茶叶市场的增值，支持真伪认证项目、消费者指导和与区域身份和产品差异化相关的可持续市场策略。

在材料和方法部分，研究对象是从一个在线市场直接购买的*Camellia sinensis*茶叶样品，这些样品代表了四种主要商业类别：绿茶、红茶、乌龙茶和白茶。样品按照名称进行组织，并通过代码识别（见表S1）。为了保持其化学完整性并防止挥发性成分的损失，样品被储存在-18°C的环境中。在分析前，使用研磨机（MG200-BR）进行三次10秒的研磨处理。通过AOAC方法（Horwitz & Latimer, 2005）确定了茶叶样品的水分、灰分、脂质和蛋白质含量。通过这些参数的差异计算出碳水化合物含量。此外，pH值的测定采用数字pH计（Micronal?，b474）进行，通过加入纯化水稀释样品并使其在室温下静置15分钟，然后搅拌至颗粒均匀悬浮。pH值的测定遵循制造商的指导。

矿物质含量的测定使用原子吸收光谱法，按照AOAC（2010）的标准进行。样品消化通过微波消化系统（MARS-Xpress, CEM Corporation）进行，使用浓硝酸矿化有机物质。消化后的样品冷却并用去离子水稀释，随后使用原子吸收光谱仪（Spectra, AA 220 FS）进行测定，采用特定的灯源检测每个元素。结果转换为百万分之一（ppm）。所分析的元素包括钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、铁（Fe）、锌（Zn）、锰（Mn）和铜（Cu）。

挥发性化合物的提取采用固相微萃取（SPME）技术，参考了Lin等人（2013）的方法进行调整。简而言之，将0.5克研磨样品加入20毫升玻璃瓶中，再加入5毫升超纯水并加热至100°C。通过持续搅拌15分钟在水浴中进行提取，使用65微米厚、1厘米长的聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯（PDMS/DVB）纤维，该纤维具有对非极性和半极性分析物的混合亲和力，能够高效捕获广泛范围的挥发性和半挥发性有机化合物。随后，将纤维取出并插入气相色谱仪（GC）的进样口，通过热脱附15秒进行分析。该实验流程的示意图见补充图S1。

挥发性化合物的分析采用GC–MS技术，使用WM-5MS毛细管柱（30米 × 0.25毫米 × 0.25微米）进行样品成分的分离。为了促进挥发性化合物的分离，恒温程序从50°C开始，逐步升至310°C，升温速率为2°C/分钟。氦气作为载气，保持恒定流速为1毫升/分钟。样品通过手动插入进样口进行引入，进样口温度为240°C，使用1:50的分流模式。质量谱分析范围为50-600 m/z。通过注入同系的碳氢化合物（C8-C20）并使用Van den Dool和Kratz方程计算，得出保留指数。化合物的鉴定通过比较实验质量谱与FFNS和Wiley库（第七版）的参考质量谱进行，并确认通过计算的保留指数与文献数据一致。HS-SPME/GC–MS程序的图示见补充图S2。

分析性能通过代表性分析物的检测来评估，以确保方法的可靠性。检测限（LOD）范围为0.1至0.5微克/升，定量限（LOQ）为0.3至1.5微克/升，相对标准偏差（RSD）值低于12%（n = 6）。校准曲线表现出高线性，r2值超过0.98。选定化合物的详细分析性能数据见补充表S17。

在结果和讨论部分，对*Camellia sinensis*茶叶样品的理化特性进行了分析。样品的水分含量范围从4.35%到9.95%，其中Tea 12（白茶）和Tea 13（烟熏红茶）的水分含量高于7%，可能会影响产品的稳定性和保存，需要在干燥工艺和包装选择上给予更多关注。相反，水分含量较低的样品如Tea 5（有机绿茶），则具有更高的稳定性，较长的保质期，因为它们更不易发生微生物生长。水分含量是食品稳定性和保存的重要指标，较低的水分含量与较低的水活度相关，显著降低微生物污染和不期望的降解反应的风险。适当的水分含量有助于延长茶叶的保质期，并保持其香气和生物活性成分。

灰分含量范围从3.44%到6.31%，反映了茶叶中钾、钙和镁等矿物质的显著存在，这些矿物质增加了样品的营养价值。Tea 10（手工绿茶）的灰分含量最高，表明其可能具有较高的矿物质含量。灰分代表食品中总矿物质残留，是评估必需微量营养素含量的重要指标。矿物质含量较高的产品因其潜在的健康益处而被视为功能性食品。此外，灰分含量的适当范围强化了产品的质量和纯度，使其成为营养和科技评估中的相关参数。

脂质含量较低，范围从0.19%到1.61%，这符合茶叶叶片的预期。尽管含量较低，这些化合物可能包括脂溶性生物活性物质，如生育酚，它们具有抗氧化活性。此外，脂质有助于感官特性，并有助于茶叶中天然抗氧化剂的吸收。蛋白质含量范围从9.13%到19.24%，其中Tea 12（白茶）的蛋白质含量最高，表明其富含氮化合物。茶叶中的蛋白质是必需氨基酸的来源，如L-茶氨酸，这种生物活性化合物与放松和改善精神专注力有关。这些结果强化了分析样品的功能潜力，特别是在营养和认知方面。相反，Tea 7（未烘焙绿茶—八仙茶）和Tea 13（烟熏红茶）的蛋白质含量较低，可能是由于较少的嫩叶或富含蛋白质的其他成分比例较低。

碳水化合物是样品中含量最多的成分，范围从70.53%到83.83%。尽管观察到变异，但未检测到统计学上显著的差异。这一组包括可溶性糖和纤维，直接影响浸泡的感官属性，如风味、质地和颜色。此外，碳水化合物可能具有益生元效应，促进消化健康。在发酵产品或基于茶叶的能量饮料中，它们的贡献也是技术性的，有助于配方的稳定性和功能性。

茶叶的pH值范围从6.16到7.15，表明其pH值处于轻微酸性到中性之间。这些结果与文献中报道的C. sinensis浸泡的pH值范围一致，通常在5.5到7.0之间，取决于茶叶类型（绿茶、红茶、白茶）。Tea 10（手工绿茶）的pH值最高（7.15 ± 0.01），可能表明其感知酸度较低，可能更受某些消费者的喜爱。pH值直接影响茶叶的感官特性，如味道、颜色和香气，并显著影响如儿茶素、咖啡因、茶氨酸和黄酮类化合物等生物活性成分的溶解度和稳定性。这些化合物被广泛认可具有抗氧化、抗炎和神经保护特性。较高的pH值，接近中性，可以促进这些生物活性成分的提取和生物利用度，增强其功能性效果。另一方面，轻微酸性pH值（通常在4.5到6.0之间）被认为更适合保存儿茶素的化学稳定性，并在制备和储存过程中减少热和氧化降解敏感营养素的风险。此外，适度的酸度在产品的微生物安全性方面起着关键作用，因为pH值可以作为防止病原体和劣化微生物生长的天然屏障。因此，监测和控制pH值对于保持茶叶的感官和营养质量，以及确保其在整个保质期内的稳定性和安全性至关重要。

茶叶的pH值受其自然存在的弱酸和多酚浓度和解离的影响。有机酸，如柠檬酸、苹果酸和草酸，在水溶液中释放质子，导致酸度并降低浸泡的pH值。相反，多酚如儿茶素和没食子酸酯则作为两性分子，能够既释放又接受氢离子，从而通过缓冲效应稳定介质。在氧化和发酵过程中，儿茶素转化为茶黄素和茶红素，这会减少可滴定酸度并倾向于提高pH值。这种自由有机酸和酚类衍生物之间的平衡解释了样品中观察到的轻微酸性到中性的pH值范围。因此，未氧化的儿茶素和有机酸含量较高的茶叶通常表现出较低的pH值，而经过长时间氧化或烘焙的茶叶则表现出更中性的特征，由于酚类聚合和减少酸解离能力。

茶叶的矿物组成（见表2）显示，分析的样品之间存在显著差异，钾（K）、镁（Mg）、钙（Ca）、锰（Mn）和铁（Fe）为主要元素。其中，Tea 5（有机绿茶）显示出最高的总矿物质浓度，特别是钾（2199.2毫克/千克），其次是Tea 1（绿茶）和Tea 2（绿茶）。这些结果与之前研究中报告的未发酵茶叶的高钾和镁含量一致。从营养角度来看，钾是含量最高的矿物质，范围从1215.3到2199.2毫克/千克。考虑到平均饮用2克干茶叶的200毫升浸泡液，这代表每杯约24-44毫克的K，相当于推荐每日摄入量（DV = 4700毫克）的1-2%。尽管茶叶不是钾的主要饮食来源，但其贡献有助于维持渗透压平衡和血压调节，特别是在低钠饮食中。镁的含量在100.2到119.6毫克/千克之间，每份提供约2.0-2.4毫克，相当于推荐每日摄入量（DV = 420毫克）的0.5-1%。Mg是超过300种酶促反应的辅因子，包括与能量代谢和抗氧化防御相关的反应。因此，定期饮用茶叶可以补充膳食中的Mg摄入，特别是在叶菜类和豆类摄入不足的人群中。

钙的含量范围从319.6到693.2毫克/千克（每份约6.4-14毫克；DV = 1300毫克）。尽管含量不高，但这种贡献在考虑多杯的累积每日摄入量时是相关的，因为钙在骨骼维护、肌肉收缩和血管调节中起着关键作用。铁的含量范围从13.7到23.4毫克/千克（每杯约0.27-0.47毫克；DV = 18毫克），而锰的含量（8.5-13.9毫克/千克）相当于每份3-5%的DV。这两种元素对于氧气运输和抗氧化防御中的超氧化物歧化酶（SOD）是必不可少的。尽管茶叶中的非血红素铁生物利用度有限，但其吸收可能在摄入富含维生素C的食物时得到改善。

锌和铜的含量（4.3-6.6毫克/千克和0.15-1.20毫克/千克，分别）相当于每杯0.1-0.3毫克和0.003-0.02毫克（每种元素不到2%的DV），有助于免疫调节、胶原蛋白合成和抗氧化防御。钠的含量（63.3-96.7毫克/千克）较低，证实了茶叶作为天然无钠饮料的特性，适合高血压或心血管受限的消费者。总体而言，这些结果表明，C. sinensis茶叶是必需矿物质的重要补充来源，这些矿物质共同支持神经肌肉、心血管和抗氧化功能。茶叶类型之间观察到的矿物多样性反映了加工方式和叶片成熟度的差异，这可以作为营养标签和功能声明的战略性利用。从技术角度来看，矿物部分还影响浸泡的缓冲能力、pH稳定性和感知口感，强调了其在营养和感官质量中的相关性。

挥发性成分的分析表明，所有15种分析茶叶中共鉴定了298种挥发性和半挥发性有机化合物（VOCs/SVOCs），包括醛类、醇类、酮类、酯类、萜烯类和酚类衍生物。这种化学多样性反映了C. sinensis香气形成的复杂性及其对后处理加工的依赖。在关键香气活性化合物中，芳樟醇、柠檬烯、苯甲醛和（Z）-3-己烯醇在大多数样品中被一致鉴定，并被广泛认为是茶叶的感官标志物。这些化合物定义了茶叶的基本感官基础，为茶叶的典型性提供了花香、柑橘清新、杏仁般温暖和绿色草本的特征。

芳樟醇及其氧化物贡献了花香和甜味，类似于薰衣草和百合，这是高质量绿茶、乌龙茶和白茶的典型特征。柠檬烯赋予柑橘的清新感，苯甲醛增加甜杏仁的温暖感，而（Z）-3-己烯醇提供了绿色、草本的清新感，这是最小加工茶叶的典型特征。这些挥发性物质共同构成了香气的基础，加工方式的差异在此基础上引入了额外的复杂性。为了增强可解释性，我们强调了在样品中反复出现的化合物以及被广泛报告为香气影响成分的化合物。我们将结果分为共同标志物和加工或类型特异性标志物，随后提供一个整合的方案，将化学、加工和感官属性联系起来。完整的化合物列表和每个样品的峰度数据见表S2-S16。

在处理依赖的挥发性标志物部分，关键挥发性物质的分布反映了加工驱动的生化途径。以下总结了区分性标志物、主导香气和解释性理由。最小氧化和热固化：绿茶和白茶。关键标志物包括C6醛类和醇类，如己醛、（Z）-3-己烯醇和1-戊烯-3-醇，以及2-戊基呋喃和顺式-3-己烯酯。这些化合物来源于脂氧合酶和过氧化物酶活性对膜脂质的作用，并在蒸汽或快速锅热处理过程中被保留。感官表达与新鲜剪切的草、叶和绿色苹果的风味一致。单萜烯如柠檬烯和轻氧合萜烯衍生物补充了顶部的柑橘清新香气。

部分氧化：乌龙茶。乌龙样品显示出芳樟醇、芳樟醇氧化物、香叶醇和芳樟醇的丰富性，以及在某些情况下苯乙醛的存在。这些化合物与单萜烯前体的中度酶促氧化和香豆酸衍生的氨基酸在萎凋和摇青过程中的作用一致。感官特征集中在花香、蜜糖和果香，这在绿茶的清新和红茶的温暖之间架起桥梁。

完全氧化：红茶。红茶呈现出来自类胡萝卜素衍生的诺里斯类物质，包括β-紫罗兰酮，以及在某些样品中β-大马酮，同时包括苯甲醛、苯乙醛和甲基水杨酸酯。这些标志物与广泛的酶促氧化和类胡萝卜素在萎凋和揉捻过程中的下游裂解有关。香气转向紫罗兰、干果、甜杏仁和轻微的冬青香气，与红茶浸泡的浓烈口感一致。

热处理和烘焙：茶叶经过更强烈的热处理后，表现出美拉德反应和糖降解产物，如糠醛、5-甲基糠醛、麦芽酚和包括2,5-二甲基吡嗪在内的烷基吡嗪。这些化合物产生了焦糖化、烘烤和坚果香气。它们的相对升高是烘焙、烤制或干燥后处理的可靠指标，用于发展口感和颜色。

微生物老化和深色风格：选定的深色或老化风格表现出较高的倍半萜烯，如β-蒎烯和芳樟醇，以及温暖的香草气息。尽管机制因加工方式而异，但较长的成熟时间和微生物作用可以促进萜烯转化和较重的基底香气的形成，这些香气被感知为木质和草本。

PCA和相关性分析进一步说明了加工技术如何影响茶叶的香气复杂性和样品的聚类。烘焙和发酵茶叶在PCA空间中的分离，结合独特的挥发性指纹，突出了使用化学计量工具追踪加工历史和真伪的潜力。这对于监管机构、食品认证系统和高价值出口市场尤其相关。因此，理解加工与化学组成之间的相互作用对于生产商、配方师和监管机构至关重要，他们希望提供差异化的、稳定的和功能有效的茶叶产品。这些发现强调了技术透明度和加工可追溯性的重要性，以确保产品质量、消费者信任和与健康导向创新的一致性。

研究结果还突显了巴西茶叶产业的创新机遇，尤其是在功能性天然产品日益受到消费者欢迎的背景下。消费者对食品和饮料的健康促进特性日益关注，导致对具有抗氧化、抗炎和营养益处的产品偏好明显转变。因此，*Camellia sinensis*茶叶代表了传统、感官吸引力和功能潜力的独特结合，使其成为增值应用的理想候选者。分析的15种茶叶样品之间观察到的显著营养和香气差异，特别是在蛋白质、矿物质含量和挥发性成分方面，为产品差异化提供了极好的基础。化学计量工具如PCA显示了根据加工和成分对茶叶进行分组的潜力，这可以支持分类系统、真伪验证和高端标签策略的开发。高蛋白和矿物质含量的茶叶，如Tea 12和Tea 5，可以被定位为针对特定目标群体的功能性饮料，如运动员或有更高营养需求的老年人。

研究中识别的挥发性标志物，如芳樟醇、柠檬烯和苯甲醛，不仅对每种茶叶的感官身份有贡献，也对其功能价值有影响。这些发现可能指导新配方的开发，以优化香气和生物活性的组合。例如，富含美拉德反应产物的烘焙茶叶可以用于创新功能性冰茶、能量饮料或作为植物基食品矩阵中的成分，其中烘焙香气和抗氧化活性是理想的。从监管角度来看，物理化学和矿物质参数的特征化支持了改善营养标签、功能声明和符合国际食品安全标准的努力。准确的蛋白质、矿物质含量、pH值和水分数据对于估算保质期、质量控制协议和可追溯性系统至关重要。这些参数对于希望出口巴西茶叶或与亚洲和欧洲成熟市场竞争的公司尤其相关。

此外，研究结果强调了投资巴西种植的茶叶和混合物，包括有机、农业林业或手工制品的重要性。尽管国内市场增长显著，但本土生产仍缺乏可见性和结构化的标准化和认证策略。本研究中进行的全面特征分析为以巴西身份、可持续性和功能性为中心的品牌和营销倡议提供了科学基础。实施此类可追溯工具可以增强消费者信心，支持公平贸易实践，并刺激巴西差异化高端茶叶产业的发展。

综上所述，这项研究不仅推进了对巴西市场上*Camellia sinensis*茶叶化学多样性的理解，还为行业、研究人员和政策制定者提供了可行的见解。营养和香气数据的整合为产品创新、消费者教育和通过健康导向、可追溯和可持续茶叶产品实现价值增长开辟了新的途径。