王 力,林 智,呂海鵬,譚俊峰,郭 麗
(1.中國農業科學院茶葉研究所,國家茶產業工程技術研究中心,農業部茶及飲料植物產品加工與質量控制重點開放實驗室,浙江 杭州 310008;2.中國農業科學院研究生院,北京 100089)
茶葉香氣影響因子的研究進展
王 力1,2,林 智1,*,呂海鵬1,譚俊峰1,郭 麗1
(1.中國農業科學院茶葉研究所,國家茶產業工程技術研究中心,農業部茶及飲料植物產品加工與質量控制重點開放實驗室,浙江 杭州 310008;2.中國農業科學院研究生院,北京 100089)
香氣是衡量茶葉品質的重要指標之一,影響因子主要有茶樹品種、自然環境與栽培條件、加工工藝和外源誘導等。本文綜述了茶葉香氣影響因子的研究進展,并展望了利用外源誘導方式調控茶葉香氣的前景。
茶葉;香氣;影響因子;外源誘導
Abstract :Aroma, an important index of tea quality, is affected by tea varieties, natural environment, cultivation conditions,processing conditions and exogenous induction factors. In this paper, factors affecting tea aroma are discussed and the prospect of using exogenous inducers to regulate tea aroma is also proposed.
Key words:tea;aroma;factor;extraneous induction
茶葉中的芳香物質亦稱“揮發性香氣組分(VFC)”,是由性質不同、含量差異懸殊的多種物質組成的混合物,在茶葉中的絕對含量很少,一般只占干物質質量的0.01%~0.05%,卻是決定茶葉品質的重要因子之一[1]。隨著茶葉香氣物質提取分離方法[2-3]、成分鑒定[4-6]、酶學[7-8]及植物化學[9-11]等相關學科的發展,科研人員在茶葉香氣形成機理及其影響因子方面的研究已取得了很大進展[12-13]。影響茶葉香氣的因子很多,而且十分復雜。已有的研究表明,茶樹品種、自然環境與栽培條件、加工工藝和外源誘導等對茶葉香氣都有明顯的影響。
茶葉香氣形成的基礎是茶樹體內生物合成的香氣前體物質。不同茶樹品種鮮葉制成的茶葉在香氣風格上存在較大差異,這種差異很大程度上是由于不同茶樹品種鮮葉在香氣前體物質的含量、組成比例以及內含糖苷水解酶特性等方面的差異而引起的。
Takeo[14]最早研究了茶樹品種間香氣特征及茶樹系統變異與單萜烯醇的關系,發現單萜烯醇如芳樟醇、香葉醇的含量及其比值具有品種上的遺傳特異性和穩定性,并首先提出了萜烯指數(TI)的概念,指出阿薩姆變種(Camellia sinensis var. assamica)的栽培品種萜烯指數均接近于1,而中國變種(Camellia sinensis var. sinensis)的栽培品種萜烯指數則較低。Morita等[15]以阿薩姆變種的無性系品種DT-I和中國變種的藪北種作材料研究香氣前體,結果表明,兩個品種鮮葉的糖苷部分經酶水解后,幾乎產生完全相同的香氣成分,但在生成量上存在較大差異。廖書娟等[16]分析了16個不同茶樹品種香氣前體——脂肪酸和糖苷類物質的組成及含量,結果表明,不同茶樹品種脂肪酸組分種類一致,均含有月桂酸、豆蔻酸、棕櫚酸、亞油酸及亞麻酸5種脂肪酸,但含量存在顯著差異;不同茶樹品種糖苷類香氣前體配體組成特點均以萜烯醇類為主,金觀音、黃觀音、青心烏龍、黃玫瑰等適制烏龍茶的品種中糖苷類總含量較高,迎霜、早春毫、福鼎歌樂等適制綠茶的品種中糖苷類含量較低,因而,可以初步推斷出糖苷類香氣前體物質可以作為一種品種適制性的新指標。利用烏龍茶品種制作的綠茶和紅茶,具有良好的香氣感官品質,已在生產實踐中得到應用。
糖苷水解酶特性的差異也是不同茶樹品種香氣差異的原因,但影響機制尚不明確。駱耀平等[17]對不同茶樹品種的β-葡萄糖苷酶活性進行了研究,結果表明,不同品種間的β-葡萄糖苷酶活性差異顯著,水仙、毛蟹、龍井43顯示出較高水平,而紅芽佛手的活性最弱,但品種的適制性與酶活性關系未表現出明顯的規律性,β-葡萄糖苷酶活性并不決定各茶類的特征香氣。陳亮等[18]研究了不同茶樹品種鮮葉中糖苷酶基因的表達差異,結果表明,不同品種茶樹酶的基因表達量差異明顯,β-葡萄糖苷酶基因以英紅1號和福鼎大白茶為最高,藪北、江華苦茶和茗科1號次之,品種之間最高與最低相差達6倍,而酶活性測定結果以藪北和茗科1號最高,黃旦和龍井43次之,基因表達量與活性之間的相關性不明顯,究其原因,可能在于基因表達到酶活性中間有很多過程,如基因的翻譯、蛋白質的修飾以及酶的活性表現等,但具體原因有待進一步研究。
不同自然環境和栽培條件會影響茶樹香氣物質間的轉化和香氣前體及相關酶活性的變化,因此,對茶葉的香氣物質種類和數量影響較大。
Mahanta[19]、Owuor[20]、楊勇[21]等先后報道了高山茶香氣優于平地茶,這是因為高海拔茶園具有相對低溫、高濕和多云霧的氣候特征,有利于維持新梢組織中高濃度的可溶性含氮化合物,增加了照射茶園陽光的漫射效應,有利于芳香物質的形成[22]。
鄧西海等[23]通過對中國祁門紅茶、印度大吉嶺紅茶、斯里蘭卡高地茶和普通紅茶礦質成分進行分析,發現優質紅茶產地主要是紅壤、紅黃壤和河流沖積形成的山間沖積臺地,土壤質地疏松,有機質含量較高,Cu對維持和提高多酚氧化酶活性具有重要意義,K的富積有利于調節水分的蒸發,這些因素均有利于形成優良的茶葉香氣品質。
Zhao等[26]研究了環境因子對茶鮮葉β-葡萄糖苷酶活性及醇系香氣的影響,結果表明施用有機肥和大棚覆蓋均利于增強β-葡萄糖苷酶活性,結合態醇系香氣含量與醇系香氣總量對生態因子的反應具有協同性,這與趙和濤[27]、董尚勝[28]、張文錦[29]等的研究結果一致。王黎明等[30]采用葉面噴施和根部澆灌兩種處理方式研究了甲殼低聚糖對茶葉主要品質因子的影響,結果表明,兩種施用方法均能增強β-葡萄糖苷酶的活性,改變茶葉香氣物質的組成和含量,且葉面噴施效果優于根部澆灌。余有本等[31]比較分析了設施栽培與常規栽培的綠茶香氣,結果表明,常規栽培茶葉的香氣總量多于設施栽培茶葉,但設施栽培茶葉低沸點物質多,芳香族化合物及萜烯類風味物質更為豐富,造成這種差異的原因有待進一步研究。
Owuor[20]、鄧西海[23]等先后報道了干濕交替的季風氣候有益于優良紅茶香氣和風味的形成。不同季節的茶葉糖苷類香氣前體含量[24]、β-葡萄糖苷酶活性[17,25]也不相同,其中前者春、秋季含量較高而夏季較低,后者秋季最高、夏季次之、春季最低。此外,近年來研究證明植物受環境脅迫會產生某些次生物質以加強對逆境的適應力,這些次生物質可能與茶葉在特殊環境條件下產生獨特的香味有關[32],曹潘榮等[33-34]先后研究了水分脅迫和低溫脅迫對嶺頭單樅茶樹鮮葉芳香物質的影響,結果表明,逆境脅迫能明顯增加芳香物質的種類,但具體的代謝途徑尚不明確。
茶葉香氣主要產生于茶葉加工過程中的熱物理化學作用,葉細胞中相互分隔的內源酶和鍵合態“香氣前體”在茶葉加工過程中得以相互接觸,從而生成了游離態香氣。茶葉按加工工藝不同分為6大類:綠茶、紅茶、青茶(俗稱烏龍茶)、黃茶、黑茶、白茶[35]。不同的加工工藝導致了不同的酶促氧化程度,會使茶葉具有各自不同的香型和香氣成分[36-37]。
攤放是綠茶制茶工藝的開始,可促進茶鮮葉的化學變化,酶系反應方向趨向于水解,酶系活力增強,淀粉、多糖、蛋白質和果膠類等物質水解生成可溶性糖和氨基酸等簡單物質,有利于提高茶湯滋味和香氣品質[38]。屠幼英等[39]研究發現攤放處理后,β-葡萄糖苷酶活性比鮮葉提高了45%以上,且香氣前體量減少了55%左右,醇系香氣前體釋放量與β-葡萄糖苷酶活性變化的趨勢一致。張正竹等[40]進一步研究了攤放過程中β-葡萄糖苷酶活性和糖苷類香氣前體含量的時間動態變化規律,結果表明在一定的攤放時間內,β-葡萄糖苷酶活性和糖苷類香氣前體含量均有所上升,這與之前香氣前體減少的報道結論不同,可能的原因在于攤放時仍然在進行香氣前體的生物合成。
殺青是綠茶形成品質的關鍵環節,其實質是酶的熱變過程,低沸點的青草氣物質大部分揮發散失,高沸點的芳香物質顯露出來,在熱的作用下,既有酶促作用,還有熱裂解作用和酯化作用,使芳香物質從含量到種類都顯著增加。采用不同的殺青方式,茶葉的香氣特征各不相同,炒青綠茶因殺青時間較長,保留苯甲醇、香葉醇等高沸點成分以及熱物理化學反應生成的吡嗪、吡咯等焦糖物質,通常具有栗香或清香,蒸青綠茶因蒸青時間短,低沸點香氣成分含量較高,青氣明顯[41]。
揉捻和干燥對茶葉香氣也有重要的影響。揉捻是形成綠茶外形的關鍵工序,卻可能對香氣不利;倪德江等[42]報道未經揉捻的名優綠茶加工過程更有利于香氣的形成,長時間的揉捻使茶汁外溢,會造成生化成分的轉化和降解。干燥是綠茶香氣形成的重要階段,不同的干燥方式,綠茶香氣差別較大[43],炒青和烘青綠茶香氣組分之間差異小,而在香氣組分的相對含量上差異較大。炒青綠茶由于熱力作用更強,低級脂肪醇類揮發得更多,萜烯類水解、環化、脫水、異構化程度更高,萜烯醇的種類和含量更多,而含氮化合物吡嗪、吡咯類等則由于糖類、氨基酸、果膠水解產物等物質經過單獨反應或相互作用發生Maillard反應和Streeker降解,含量也顯著高于烘青綠茶。
萎凋是奠定紅茶香氣形成的基礎,芳樟醇、香葉醇及順-3-已烯醇等以葡萄糖苷形式蓄積于細胞中,萎凋過程中由內源葡萄糖苷酶水解而釋放形成游離態香氣,鮮葉經萎凋后正己醇、橙花醇等芳香物質的含量顯著增加,而順-2-戊烯醇、芳樟醇、香葉醇、苯甲醇含量減少[44-45]。夏濤等[46]對工夫紅茶萎凋、發酵過程中β-葡萄糖苷酶活性的變化動態研究結果表明,低溫萎凋與發酵有利于酶活性的提高和香氣的誘導形成。黃建琴[47]和Muthumani[48]等先后報道冷凍萎凋能增加細胞膜透性,促進多酚類物質的酶促氧化,從而縮短發酵時間,減少茶黃素的消耗,提高紅茶品質,但降低了β-葡萄糖苷酶的活性,對紅茶香氣具有負面影響。
揉捻和發酵是紅茶酶促氧化的重要階段,也是紅茶香氣形成的關鍵。揉捻過程中,類胡蘿素由結合態向游離態轉變,有利于自身的氧化降解,不飽和脂肪酸也在脂肪氧化酶的作用下開始降解為小分子的醛、酮、酸等;發酵過程中,多酚類化合物氧化-還原引起了一系列包括類胡蘿卜素、脂類等氧化降解的次生和伴隨反應[49-50]。劉莉華等[51]對祁門傳統工夫紅茶和紅碎茶兩種加工工藝中β-葡萄糖苷酶活性的變化進行了研究,結果表明,紅碎茶在加工過程中β-葡萄糖苷酶在萎凋結束時活性達到最高,以后持續下降,而工夫紅茶至揉捻階段酶活升至最高;紅碎茶紅茶細胞破碎程度高,會導致更多的類胡蘿卜素降解,但揉捻時間過短,不利于糖苷酶與香氣前體物質的充分反應,釋放的萜烯醇類物質較少,延長發酵時間,可部分彌補其鍵合態香氣釋放不足的缺憾。
紅茶干燥的主要目的是及時終止酶促反應,保持已經形成的品質成分,同時在熱作用下進一步發展和完善紅茶的品質特征,一些低沸點的香氣化合物進一步揮發散失,糖和氨基酸等在熱力作用下發生非酶促褐變,類胡蘿卜素在熱的作用下也會發生裂解,形成香氣化合物。不同的干燥方式,對紅茶香氣品質有一定的影響,以炒干最好,烘干次之,微波干燥的最差[52]。
烏龍茶的關鍵工序是做青,包括曬青、涼青和搖青,細胞組織的機械損傷可加速萜烯糖苷的水解,己烯酯類、芳樟醇氧化物、倍半萜烯類、順-茉莉酮、茉莉內酯和苯乙醛等芳香物質大量形成[53],糖苷類化合物含量在此過程中持續增加,這與紅茶中的變化規律不同[54]。張秀云等[55]研究發現烏龍茶曬青和搖青的過程中,β-葡萄糖苷酶活性呈雙峰變化。做青強度[56-57]、溫濕度[58-60]、氣流[61]等均對烏龍茶香氣有重要影響,做青前期適當曬青和輕搖青、中低溫(20~25℃)、變溫做青(先高后低)、高濕(75%~90%)及適宜的葉層氣流速度等,均能有效改善做青微域環境,有利于烏龍茶優良香氣品質的形成。葉乃興等[62]報道,烏龍茶低溫和真空冷凍干燥能有效防止香氣成分的損失和熱敏感物質的氧化,有利于烏龍茶的香氣品質。
悶黃是黃茶獨有的也是形成黃茶品質的關鍵工序,在此過程發生了一系列有利于香氣品質形成的化學變化,濕熱作用導致多糖、蛋白質水解形成單糖與氨基酸,而糖與氨基酸可進一步轉化為香氣物質[63],但目前還未見具體的研究報道。
黑茶的基本工藝流程是殺青、揉捻、渥堆和干燥,關鍵的工序是渥堆。渥堆的實質是以曬青毛茶的內含成分為基質,在濕熱和微生物作用下經過一系列的生化反應,形成黑茶特有的品質風格,其中微生物通過代謝能釋放胞外酶,發生了一系列的酶促作用和甲基化反應,從而形成黑茶獨特的香氣特點。Xu[64]、呂海鵬[65]等分別研究了茯磚茶和普洱茶渥堆過程中的香氣變化,結果表明,具有陳氣的香氣成分均有增加,微生物在此過程中發揮了重要作用,但由于他們采用的香氣提取方法不同,報道的香氣成分存在較大差別,前者分析得到的主要香氣成分為反-2戊烯醛、反-2-己烯醛、1-戊烯-3-醇等,而后者則報道以1,2,3-三甲氧基苯為代表的雜氧化合物含量最為豐富。張靈枝等[66]對晾干、曬干、烘干處理后的普洱茶進行感官審評和香氣分析,結果表明,不同干燥方式的普洱茶香型特征差異較大,曬干、烘干形成的茶葉香氣不符合普洱茶陳醇的香型特征,普洱茶干燥宜采用晾干方式。
白茶品質形成的關鍵在于長時間的萎凋,亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸在酶的作用下降解為小分子的醇、醛、酮和酸類香氣化合物,己醛、反-2-己烯醛、順-3-己烯醇和1-戊烯-醇等含量較高,由于白茶采用低溫干燥,這些低沸點物質得到了更多的保留[67]。
植物體內揮發物的調控機制主要是由脂氧合酶、葡糖苷酶,通過十八烷醇途徑、類異戊二烯途徑和莽草酸途徑3個途徑促活和誘導完成的[68-69],這個誘導過程可通過外源引發物來誘導,如昆蟲侵食、β-葡萄糖苷酶、茉莉酸甲酯外源處理等[70-72],因此,外源誘導對茶葉香氣有著重要的影響。
不同昆蟲侵食茶樹會釋放出不同的揮發性物質(互利素),如茶尺蠖侵害后茶樹會產生5~6碳醛類化合物,茶蚜侵害后會產生苯甲醛,假眼小綠葉蟬侵害后會產生2,6-二甲基-3,7-辛二烯-2,6-二醇和吲哚[73]。這種以糖苷類香氣前體為主要物質的互利素不僅在茶園食物鏈(茶樹-害蟲-天敵)化學通訊機制方面具有重要作用,而且對茶葉香氣的形成和變化影響較大。例如產于中國臺灣省新竹、北埔、苗栗一帶的“東方美人茶”就是采用茶小綠葉蟬侵食后的茶芽加工而成,其香氣獨特,具有濃郁的花香、熟果香和蜂蜜香。究其原因,是由于茶樹經小綠葉蟬聚集侵害后不僅釋放出一些“互利素”,而且在茶樹葉片中合成并貯存了更多的揮發物或者揮發物的前體(包括以揮發物為配基的糖苷),這些香氣前體物質在加工過程中水解或轉化,從而形成“東方美人茶”獨特的風味品質[74-75]。趙冬香等[76]用假眼小綠葉蟬侵害龍井43品種茶樹后,發現茶樹能夠釋放出特殊的香氣成分——2,6-二甲基-3,7-辛二烯-2,6-二醇,與“東方美人茶”中特殊的香氣成分一致,驗證了該香氣成分正是茶葉受到小綠葉蟬危害后通過異常的生物合成途徑形成的。曹潘榮等[77]研究表明,茶角胸葉甲侵害嶺頭單樅茶后,能明顯地增加鮮葉芳香物質的種類,檢測出的大多數芳香物質的相對量與侵害程度呈正相關或負相關,說明芳香物質的產生與害蟲侵害強度有關。蔡曉明[78]研究了茶麗紋象甲、假眼小綠葉蟬、茶尺蟾危害誘導茶樹揮發物的種類、含量和釋放規律,蟲日密度、危害時間以及危害方式均能夠影響蟲害誘導茶樹揮發物的釋放。
許寧等[79]在研究茶樹-害蟲-天敵食物鏈化學通訊機制中發現,茶尺蠖取食茶葉后,口腔分泌物(有β-葡萄糖苷酶活性)作用于損傷部位,致使茶樹釋放出與完整新梢完全不同的揮發性化合物。Chen[80]和Musser[81]等研究指出,害蟲口腔分泌物中的酶類可能是誘導特異性互利素形成的引發子,當植物受到害蟲侵害時,植物體內就會啟動防御機制,誘導形成一些揮發性物質,如萜烯類物質(害蟲侵害而誘導形成的最主要物質),這種現象在茶樹-茶蚜-蚜繭蜂和茶樹-假眼小綠葉蟬-白斑獵蛛3級營養的化學通訊機制中也得到了充分體現[73]。
茶葉香氣形成機理的研究為利用外源誘導物改變茶葉香氣提供了酶學和生物化學的理論依據。相關學者已嘗試利用外源酶處理茶樹鮮葉或外源化合物處理茶樹,以研究外源誘導物對茶葉香氣的影響。游小清等[82]用人工合成β-葡萄糖苷酶粗品進行夏茶香氣改善試驗,研究表明,β-葡萄糖苷酶處理后的烘青綠茶中芳樟醇及香葉醇含量提高明顯。駱耀平等[83]在龍井茶制作過程中用外源β-葡萄糖苷酶處理鮮葉、攤放葉,測得香葉醇、芳樟醇、橙花叔醇等組分大量釋放。夏濤等[84]在懸浮發酵紅茶的后熟過程中添加β-葡萄糖苷酶處理,明顯改善了茶葉的香氣感官品質。桂連友[85]研究表明,應用外源茉莉酸甲酯處理茶樹,茶樹細胞受體接受刺激,茶樹葉片脂氧合酶(LOX)活性增加,誘導激活細胞膜上脂肪酸釋放到膜內,激活防御基因,導致代謝途徑重新配置,誘導出新的香氣物質。苗進[86]采用外源水楊酸甲酯處理茶樹,得到了類似的結論。然而,迄今為止,利用外源誘導物處理茶樹,改善成品茶香氣的研究國內外尚未見報道。
目前國內外研究人員對茶葉香氣影響因子進行了大量的研究,涉及茶樹品種、自然環境與栽培條件、加工工藝、外源誘導等多個方面,取得了顯著的進展。茶樹體內生物合成的香氣前體物質是茶葉香氣的基礎,茶樹品種、自然環境和栽培條件、昆蟲侵食等均能影響香氣物質間的轉化和香氣前體物質含量、組成比例及相關酶活性的變化;茶葉加工過程中的熱物理化學作用則是茶葉香氣的主要來源,不同的加工工藝造成了茶葉不同的酶促氧化程度,從而使不同茶類具有各自不同的香氣特征。然而,這些研究還不夠系統和深入,茶葉中相關酶類與香氣形成變化的關聯性、香氣關鍵影響因素的調控機制等尚未完全明確;由于化學分析手段的差別,茶葉香氣成分的報道缺乏可比性;利用外源誘導方式調控茶葉香氣的研究還處于起步階段等。因此,今后有必要加強以下幾個方面的研究:
1)利用先進的生物化學技術分析茶葉香氣的調控機制。通過分析比較香氣的成分及其化學結構,推斷茶葉香氣的生物合成途徑,利用原子示蹤技術進行驗證,并鑒定該途徑中存在的主要酶類,進行相關的酶學及分子生物學研究,系統地分析不同因素對茶葉香氣的影響機制,有助于實現人工外源誘導對茶葉香氣的調控。
2)借助新的化學分析手段確立茶葉香氣的評價體系。對茶葉香氣進行定性和定量分析,有助于找到不同影響因素與香氣化合物的對應關系。目前香氣的主要化學分析手段——氣質聯用法并不能有效地分析出化合物對茶葉的香味貢獻,因此需結合在線嗅聞等更為先進的化學分析手段對茶葉香氣進行研究,從而提出一套科學的茶葉香氣評價體系。此外,由于茶葉香氣提取方法的千差萬別,不同文獻對香氣成分的報道缺乏可比性,因此能夠真實反映茶葉香氣成分及組成的香氣提取標準也有待統一。
3)篩選低成本的外源誘導物。“東方美人茶”香氣獨特,售價比一般茶葉高3~5倍,由此可以看出利用外源物誘導茶葉香氣具有廣闊的市場前景。但β-葡萄糖苷酶和茉莉酸甲酯等化學試劑價格昂貴,應用到生產實踐難度較大。因此,在明確誘導機理的基礎上,篩選出低成本的外源誘導物,將有利于外源誘導技術的應用與推廣。
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Research Progress in Affecting Factors of Tea Aroma
WANG Li1,2,LIN Zhi1,*,LHai-peng1,TAN Jun-feng1,GUO Li1
(1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, National Engineering Technology Research Center for Tea Industry; Key Laboratory of Processing and Quality Control of Tea and Beverage Plants, Ministry of Agriculture, Hangzhou 310008,China;2. Graduate School, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100089, China)
S571.1;TS272
A
1002-6630(2010)15-0293-06
2010-01-04
浙江省重大科技專項資助項目(2007C12G3020014);現代農業產業技術體系建設專項資助項目(nycytx-26)
王力(1984—),男,碩士研究生,研究方向為茶葉加工。E-mail:wang_li@mail.tricaas.com
*通信作者:林智(1965—),男,研究員,博士,研究方向茶葉加工與質量控制。E-mail:linz@mail.tricaas.com