茶葉揮發性成分形成機制的研究進展

廉 明 呂世懂 吳遠雙 賀宜龍 周降生 孟慶雄

摘 要：茶葉的揮發性成分是決定茶葉品質的重要因子，它不僅是區分不同茶類品質特征的重要指標，同時也是捕獲和培養消費者忠誠度最重要的因素。目前對茶葉中的揮發性成分的研究大多數都是停留在揮發性成分的分離鑒定上，對其可能的形成機制及影響因素則沒有系統性的研究和全面的總結。從萜烯醇類的生物合成、胡蘿卜素類和脂肪酸的氧化降解、微生物的作用等幾個方面對茶葉揮發性成分的形成機制進行了綜述。

關鍵詞：茶葉；揮發性成分；形成機制

中圖分類號：TS272

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7847（2014）06-0550-07

茶葉的揮發性成分是茶葉中所存在的化學物質綜合配比的結果，它對茶葉品質的貢獻率高達25%～40%。由于制作工藝的不同，茶葉中各種成分的配比也不相同，因此形成了具有不同類別和香型的茶葉。隨著現代儀器分析技術的不斷發展，已經從茶葉中分離鑒定出數百種化合物，這些香氣化合物在不同類型的茶葉之間差別很大，這主要受到不同的加工工藝、自然環境與栽培條件、茶樹品種、外源誘導等諸多因素的影響。目前文獻中對茶葉揮發性成分的研究，大多數都是停留在揮發性成分的分離及鑒定上，因此對不同類型的茶葉（綠茶、烏龍茶和紅茶等）的具體香氣成分已有一個大致的了解，但是對這些揮發性成分的形成機制及影響因素則很少有全面的研究。由于影響茶葉揮發性成分的變量很多，即便是同一類型的茶葉在香型及香氣組成上都會有較大的差異，因此，全面總結各種影響因素對茶葉揮發性成分的影響是十分困難的，但是茶葉中-些非常重要的揮發性成分的生物合成途徑以及形成機制則是一致的。因此，本文從萜烯醇類物質的生物合成途徑、胡蘿卜素類和脂肪酸的氧化降解和微生物住后發酵過程中的作用等方面入手，總結和這些影響因素相關聯的茶葉揮發性成分的形成機制，為穩定茶葉品質、進一步開發茶葉深加工飲品及保健作用提供理論基礎和實踐指導。

l 茶葉揮發性成分的形成機制

茶葉的揮發性成分是茶葉中各種揮發性物質以不同的比例所構成的，它少部分存在于茶鮮葉中，人部分是通過不同的加工工藝形成的。茶葉揮發性成分雖然含量低微，只占茶葉總干質量的0.01%.～0.05%，但它的種類卻多達500種，是決定茶葉品質的重要因子之一。目前，從茶葉中鑒定出的揮發性成分涵蓋了有機化學分類中的醇類、碳氫化合物、醛類、酮類、酯類、甲氧基苯類、酚類、酸類、內酯和含氮化合物等。在這些化合物中，構成茶鮮葉的芳香物質約有100種，這些物質是茶葉中的固有香氣，是茶樹體內自身生物合成的香氣物質，其他的為轉化型香氣，是茶葉中的香氣前體物質和制茶過程中各種不同的生產工藝所決定的。本文通過對茶葉香氣形成機制的探討和總結，能夠為茶葉深加工產晶的香氣淡薄及質量不穩定等問題提供一些參考，從而提高茶葉等級，穩定茶葉產晶的質量。

1.1 萜烯醇類物質的生物合成與茶葉香氣

揮發性的單萜和倍半萜是茶葉中重要的香氣成分，主要為芳樟醇、脫氫芳樟醇、香葉醇、芳樟醇氧化物、α-萜品醇、法尼醇、橙花醇和雪松醇等。這些物質通常帶有濃郁的甜香、花香和木質香，廣泛存在于不同類型的茶葉中。它們在茶樹體內通常以葡糖苷形式存在，這些糖苷揮發性較差，因此，茶鮮葉基本沒有香味。這些重要的萜烯醇類物質是茶葉加工過程中由葡糖苷水解酶水解形成。Takep等向酶失活的茶葉組織中加入葡萄糖苷酶后，這些茶葉組織能夠釋放出芳樟醇和香葉醇等香氣物質，但是加入這種酶的抑制劑Hg2+后這兩種香氣物質的生成停止了，說明這些香氣物質的前體為葡糖苷。櫻草糖苷酶也是一個參與糖苷態香氣前體釋放的重要的酶，它通過水解櫻草糖苷釋放香氣苷元，同時櫻草糖苷是茶鮮葉中重要的醇系香氣前體物質，含量高于葡糖苷。另外，一些自然環境和加工工藝也會造成茶葉中這些糖苷及其酶類物質的變化，從而導致不同類型的茶葉中這些香氣化合物之間的差異。特別是在制茶的萎凋過程中，經揉捻、發酵以結合態形式存在的芳樟醇葡糖苷因細胞破碎而產生酶解反應，水解產生大量的芳樟醇。因此，在一些紅茶和烏龍茶的香氣成分中也撿出了較高含量的芳樟醇，而后發酵的黑茶中芳樟醇的含髓卻比較低。一些研究證明植物體內的萜類物質來源于異戊烯基焦磷酸（isopentenylpyrophosphate，IPP）及其異構物二甲烯丙基焦磷酸（dimethylallylpyrophosphate，DMAPP），它們通過質體中的2-C-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸等途徑合成，具體的生物合成途徑如圖l所示。而芳樟醇的4種氰化物（I、II、Ⅲ和Ⅳ）則是芳樟醇先氧化形成芳樟醇-6，7-環氧化物之后進一步轉化形成的，如圖2所示。總之，這些揮發性萜烯醇類物質具有宜人的花果香味，同時它們的活性閩值也比較低，即使在茶葉中含量非常低微，但卻是茶葉中不可或缺的重要香氣成分，對茶葉的品質貢獻非常大。

1.2 苯丙酸類和苯環型化合物

苯丙酸類和苯環型化合物主要是以苯酸為起點，經過一系列復雜的生物合成途徑形成的，形成的物質大多數不具有揮發性，通常只有在C。位上發生酰基化或甲基化，才會有芳香氣味。通常這些化合物主要包括具具有苦杏仁氣味的苯甲醛和風信子氣味的苯乙醛；具有攻瑰化香的笨甲醇和苯乙醇、具微弱玫瑰香味的2-苯基乙醇、有類似香草精的愉快香味的香豆素等，其中2-苯基乙醇主要是苯丙酸通過丙酬酸和笨乙醛進一步形成的。這些化合物在各種茶葉中均有檢出，它們的具體牛物合成途徑及形成機制還行待進一步研究

1.3

胡蘿卜素的氧化降解

胡蘿卜素類氧化降解米源的香氣化合物也是茶葉中一類非常重要的香氣物質，這類物質通常具有典型的花果香及木質香味，對茶葉香氣的貢獻很大。 這些物質主要包括6-甲基-5 -庚烯-2-酮、α-紫羅酮、β-紫羅酮、香葉基丙酮、茶螺烯酮、5，6-環氧-β-紫羅酮、β-大馬士酮、β-環檸檬醛和二氫獼猴桃內酯等，它們在不同類型的茶葉中均有檢出，尤其在紅茶中含量最高。β-紫羅酮具有典型的紫羅蘭香味和木質香味，Kanani等發現其感官閾值較低（0.007 μg/L），估計對茶葉香氣貢獻非常大。Schuh等利用氣相色譜一嗅覺測定法（GC-O）和香味抽提物稀釋分析法（AEDA）分析大吉嶺紅茶的特征香氣成分時，認為β-大馬士酮是大吉嶺紅茶中一種非常重要的香氣化合物，其香氣活性值低至0.004 μg/L。特別是在紅茶的發酵過程中，強烈的酶性氧化，使胡蘿卜素大量降解形成這些致香化合物，同時形成了紅茶獨特的花果香。胡羅素的氧化降解是很多植物中揮發性成分的主要形成途徑，如圖3所示，這些降解形成的揮發性成分對都是各種植物中非常重要的香氣化合物。

1.4 脂肪酸的衍生物

脂肪酸衍生物的合成途徑主要是通過多烯脂肪酸類氧化（oxidized polyenoic fatty acid）脂肪氧合酶途徑形成的。這些脂肪酸類的衍生物大多數為醛類和酯類化合物，其中具有青草香氣的反-2-庚烯醛由亞油酸自動氧化形成；具有油臭氣及粗老氣的（E，Z）-2，4-庚二烯醛和（E，E）-2，4-庚二烯醛由亞麻酸自動氧化形成：反-2-己烯醛是亞麻酸經酶解作用形成順-3-己烯醛和反-3-己烯醛后異構化的產物；己醛則是亞油酸經酶解形成的，茶葉加工時發酵和干燥階段大量形成。一些酯類成分如：十六烷酸甲酯、啞油酸甲酯、亞麻酸甲酯等，它們是由一些高級脂肪酸和低級醇脫水縮合而成，這些化合物揮發性差且無氣味。其他的一些酯類成分如：茉莉酮酸甲酯、水楊酸甲酯和乙酸芐酯等，這些成分在烏龍茶中含量較高，是1 烏龍茶中重要的香氣成分，這些物質是脂肪酸在制茶過程中與醇類物質發牛化學反應形成的。另外，具有嫩葉的鮮爽和清香氣味的順-3-己烯一l-醇是茶葉中亞麻酸酶解及自動氧化后的降解產物：具有淡青的嫩枝葉氣息的己醇則是由茶葉中的亞油酸經酶解后生成己醛，己醛再經醇脫氫酶作用而還原成己醇。

1.5 微生物的作用

在我國六人基本茶類中，只有黑茶的生產涉及微生物的參與，這個工序稱為渥堆后發酵過程。在這個過程中微生物胞外酶的催化和濕熱作用，使茶葉內含成分種類和含量發生了極為復雜的變化，從而形成了黑茶特有的色澤黑潤、滋味醇和、香氣純正、湯色黃濃明亮的品質特征。目前，微生物對黑茶香氣的影響主要是導致其產生了大量的甲氧基苯類化合物，特別是在普洱茶中。甲氧基苯類化合物的含量非常高，而在其他類型的茶葉（綠茶、烏龍茶、紅茶）中幾乎未檢出。甲氧基苯類化合物同時是普洱茶具有典型陳香味最主要的原因，其中主要為1，2.3-三甲氧基苯、l，2，4-三甲氧基苯、3，4-二甲氧基甲笨、1.2，3-三甲氧基-5-甲基苯等。劉通訊等認為，甲氧基苯類及其衍生物能夠有效改善茶葉的粗老味，使普洱茶香味陳醇，是普洱茶陳香的最要特征香氣之一。這種物質的形成和后發酵過中微生物的活動有較大的關系，這些甲氧基苯類化合物可能是微生物酶氧化降解單寧酸（Tannic acid ，TA）和表沒食子兒茶素沒食子酸酯（Epigallocatechin gal-late，EGCG）形成的。其可能形成途徑如圖4所示。另外，一些研究也證明，僅僅是普洱茶中檢出較高含量的甲氧基苯類化含物，而在其他黑茶（如湖南茯磚茶）中并末檢出此類化合物，檢出的都是一些具有典型菌花香味的物質。這可能與后發酵過程中小同的微生物種類有關，研究證明普洱茶的微生物主要是黑曲霉，而茯磚茶中的微生物主要是冠突散囊菌，其他黑茶（六堡茶、雅安藏茶和青磚茶）中的微生物種類及對其香氣的影響有待進一步研究。普洱茶隨著儲藏時間的增加而不斷陳化，特別是普洱生茶，經過數年至十年的陳化，其香氣和滋味感受逐漸接近普洱熟茶。近年來，普洱茶隨著陳化時間的增長，價格一路上漲，我們猜測這可能是緩慢氧化與微生物的活動及相關酶促反應共同作用的結果，但其陳化的分子機制及其香氣成分的變化還有待進行系統的研究。

1.6 其他一些重要化合物的形成機制

在茶葉的揮發性成分中，一些酚類化合物，如具有煙味的4-甲基愈創木酚和4-乙基愈創木酚，具有丁香和康乃馨香氣的異丁子香酚和4-乙基苯酚等，前3種物質主要由阿魏酸經微生物和相關酶降解生成，而4-乙基苯酚主要存在于后發酵茶中，是在微生物作用下由香豆酸經脫羧反應和雙鍵加氫反應生成，是構成日本腌制茶特征香氣的主要成分之一。酸類組分，大部分來自于茶鮮葉，是茶樹物質代謝過程中的中間產物，尤其是脂肪族羧酸，它們是植物的花、莖、葉、果實里的酯類和脂肪的組成成分，這些物質沸點較高，揮發性比較差，對茶葉香氣的貢獻不大。含氮化合物主要為咖啡因、吡嗪和吡咯類化合物，其中咖啡因是茶葉中重要的功效性成分，對茶葉香氣貢獻不大。其他的成分如2-甲基吡嗪、2，5-二甲基吡嗪和2 -乙酰基吡咯等，這些物質在炒青的綠茶中含量比較高.是高溫條件下，氨基酸和糖加熱后形成，能使茶葉具有典型的焦糖香。

2 不同類型茶葉中一些重要揮發性成分的總結

目前，對茶葉香氣成分的提取主要有同時蒸餾萃取（simultaneous distillation extraction， SDE）和頂空固相微萃取（headspace solid-phase microex-traction，HS-SPME），SDE法在萃取過程中需要大量的有機溶劑，且需要在高溫下進行，次生反應比較激烈，所萃取出來的香氣成分在一定程度上不能真實地的反映茶葉的原始香氣情況，而HS-SPME法則不需要任何的有機溶劑，它集采樣、加熱、萃取和解吸過程為一體，是一種比較理想的茶葉香氣成分分析技術。因此，我們對文獻中用HS-SPME法對不同類型茶葉的香氣成分的研究進行了總結，找出不同類型茶葉對應的一些重要香氣成分的分布比重情況，為進一步探索茶葉香氣成分的形成機理提供理論基礎。這些重要的揮發性化合物的相對含量檢出范圍如表1所示。

通過表l我們可以看出，綠茶和紅茶中主要以高含量的萜烯醇類物質為主（芳樟醇和香葉醇等），但紅茶中花果香味的酮類物質含量較綠茶高；烏龍茶中主要以橙花叔醇、吲哚、茉莉內酯和α-法呢烯等具有典型茉莉花香味的物質作為其特征性香扡成分；而具有陳香味的甲氧基苯類化合物則是普洱茶中含量最高的化合物，這些差異主要和不同的茶樹品種、加工工藝和環境條件等有關。

3 結論與展望

通過對不同類別的茶葉揮發性成分的形成機制進行總結后發現，萜烯醇類物質的形成與葡萄糖苷酶水解茶樹體內的葡糖苷有關；大多數酮類化合物的形成與胡蘿卜素的氧化降解有關；大量存在于普洱茶中的甲氧基苯類化合物的形成可能與微生物酶氧化降解丹寧酸和表沒食子兒茶素沒食子酸酯形成有關等。再者，茶葉的香型可能是由一種或幾種香氣成分起主導作用，其余起協調支配作用，是內含各種香氣成分比例恰當的綜合反映。茶葉的香氣成分受到栽培措施、栽培環境、茶樹種植及加工工藝等的影響。目前，已有很多文獻對不同加工工藝對茶葉品質造成的影響進行了總結，但是對茶葉香氣成分的合成途徑及一些關鍵化合物的形成機制的報道較少，對茶葉揮發性成分的一些功效機制的總結電是空白。因此，全面對茶葉揮發性成分的形成機制進行了解，對穩定茶葉質量、增加茶葉附加值具有重要意義。

同時，末來對茶葉揮發性成分的研究還應朝以下幾個方面展開：

1）目前，對茶葉揮發性成分的生物合成途徑人多是參考其他植物中揮發性成分的合成途徑來進行推斷的，盡管它們有一些相同之處，但茶葉揮發性成分十分復雜，影響其變化的因素非常多，因此其合成途徑可能會發生變化，后期應進一步研究茶葉中相關酶類與揮發性成分形成及其變化的關聯性研究：

2）在茶葉的揮發性的生物合成途徑及形成過程中，一些關鍵酶的形成、鑒定、釋放以及與底物的相互作用等動力學過程還有待進一步研究；

3）茶葉揮發性成分可能的功效機制及其對人類健康的益處還需進一步探索和挖掘：

4）茶葉揮發性成分隨季節、土壤等的變化而變化的分子機制研究：

5）利用代謝組學和多元統計學等研究手段，結合茶葉揮發性成分，對不同類型、產地、發酵程度和年份的茶葉進行區分和預測，為建立茶葉的質量評估體系奠定理論基礎。

通過本文的總結，希望有更多的學者能對茶葉揮發性成分的形成機制進行進一步的探索，為茶產業的健康發展奠定理論基礎和提供實踐指導。