光對茶樹生產與茶葉品質影響及其應用研究進展

俞少娟，王婷婷，陳壽松，林宏政，金心怡，2 *（.福建農林大學園藝學院；2.福建農林大學茶葉研究所，福建福州350002）

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光對茶樹生產與茶葉品質影響及其應用研究進展

俞少娟1，王婷婷1，陳壽松1，林宏政1，金心怡1，2 *
（1.福建農林大學園藝學院；2.福建農林大學茶葉研究所，福建福州350002）

摘要：光是茶葉生產加工過程中“溫、濕、風、光”等重要環境影響因子之一，對茶樹生長發育及茶葉品質起到舉足輕重的作用。本文綜述了光調控對茶樹代謝、茶葉加工品質影響的研究現狀，LED光在茶樹栽培育種及茶葉加工等領域中的應用，展望了LED光調控技術在未來茶葉生產加工中的應用。

關鍵詞：光調控；茶；機制；品質；LED；進展

光是植物的生長發育和功能性化學物質積累的能量與信號來源，對植物的生長、分化和代謝以及茶樹生長發育及茶葉品質起到舉足輕重的作用。光質、光強、光照時間及光照特點作為環境信號調節著植物的生命活動，是植物完成生命周期的必備條件［1-2］。

隨著高科技成果在茶產業中應用加速，茶樹栽培和茶葉加工過程的光作用機理和光調控技術逐漸成為茶業界研究的熱點問題，需要科學系統地認識光對茶樹代謝及茶葉品質形成的影響和作用機制，以及茶葉生產加工過程“溫、濕、風、光”四大環境因子之間的協同作用，以便更好地研究茶葉生產加工的光調控技術。本文綜述了光對茶樹代謝和茶葉加工品質的影響，光在茶樹栽培育種及茶葉加工等領域中應用的研究現狀，分析和展望了光調控技術在未來茶葉生產加工中的應用。

1 光調控與茶樹生長的研究

1.1 光照對茶樹代謝的影響機制

植物有著一系列的光感受器，不僅可以檢測到光的存在，而且可以檢測到光照特點、強度和光的波長。照明的光譜變化引起植物光合反應和形態的變化，進而影響生物量、莖長、植物的初級代謝和次生代謝［3-4］。早在20世紀90年代，王利溥［5-6］就進行茶樹代謝的初步研究，認為光照強度高，紅橙光多，有利于碳代謝和糖類物質的合成，糖類物質的積累為二級代謝產物——多酚類的形成提供了大量前體物質，因而多酚類含量高，與李麗田［7］研究結果一致；而氨基酸含量隨采前日照減少而增多，因為茶樹大量的氨基酸由根部合成，從根部運轉到葉部時，光強過高將導致氨基酸分解，含量降低。

光波長也會影響色素代謝產物的水平，如葉綠素、類胡蘿卜素、酚類化合物、花青素、抗壞血酸、氨基酸、有機酸、脂肪酸、糖含量和硝酸鹽等非揮發性化合物，也能調控植物揮發性分子的產生，這已在矮牽牛花、番茄、草莓和藍莓等上已得到認證［8-10］。據此Fu X等［11］用藍光（470 nm）和紅光（660 nm）照射茶樹鮮葉14天，得出藍光和紅光均能顯著增加大多數內源性揮發物，包括揮發性脂肪酸衍生物（如：正己醇、（Z）-醇），揮發性苯丙/苯環（如：苯甲醇和苯乙醇）和揮發性萜類（如：芳樟醇、香葉醇）。此外，藍光和紅光能顯著上調9/13脂氧合酶（參與揮發性脂肪酸衍生物形成）、苯丙氨酸解氨酶（參與揮發性苯丙/苯環形成）和萜類合成酶（參與揮發性萜類形成）的表達水平，重塑茶葉香氣，這對于創造多樣性茶葉產品具有重要意義。

1.2 光調控與茶樹組織培養

1969年，Forrest開始研究光質條件對于茶樹組織培養的影響，之后相續有研究報道光質對茶樹組織培養的重要性［12-14］，如暗處理的茶樹愈傷組織經再次照光處理后木質素、花青素、兒茶素的含量均增加［15-16］。據此周琳等［17］采用有色薄膜（紅、藍、綠、黃）處理茶樹愈傷組織，試驗得出藍光有利于愈傷組織的生長，紅光則相反；藍光及自然光處理下SOD、CAT活性最高，綠光及黃光不利于CAT的合成，提出在茶樹組織培養中濾去紅光或補充藍光，可降低茶樹組織培養中的褐化率。

1.3 光抑制與茶樹遮蔭補光

光照與動植物的形態建成與新陳代謝過程關系密切［18］，是形成葉綠素的必要條件，對茶葉品質也起到一定的作用。當光合結構吸收的光能超過光合作用本身所利用的能量時，導致光合效率下降，出現光抑制現象。長時間的光抑制可引起光合機構的光氧化破壞［19］。茶樹具有耐蔭、喜濕的習性，在自然條件下很容易發生光合作用光抑制現象，如“午休”現象，因此人們通常應用遮陰技術，降低茶園太陽直射光照度，調節光強，改善光質來緩解茶樹光抑制的出現。光抑制還受到溫度，水分脅迫的影響，遮蔭降低了到達茶園地表的太陽總輻射量，引起茶園溫、濕度條件的變化，起到冬暖夏涼的作用［20］。

張澤岑等［21］用紅、黃、藍、黑、透明塑料膜覆蓋茶樹，黃色薄膜下茶鮮葉花青素含量最高，無色透明薄膜次之，這是因為黃色薄膜覆蓋下的茶樹以氮代謝的次生產物參與生成花青素為主，紅色透明薄膜主要以碳代謝為主產生花青素。因此應用不同顏色的塑料膜對茶樹進行覆蓋，起到了遮蔭補光的效果，不僅能夠有效緩解光抑制現象，還能通過調節光質與光強，促進茶樹生長發育，提升茶葉品質。

2 光調控與茶葉加工的研究

2.1 光照對茶葉品質的影響機制

光照是茶葉香氣形成的誘導因子，茶鮮葉經日光萎凋，香型由青草氣轉變為清香，提高了多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）、蛋白酶（PA）、淀粉酶（Am）、纖維素酶（CE）和果膠酶（PC）等內源酶活性，而以結合態糖苷存在的醇類香氣物質和蛋白質、多糖與內源酶接觸，水解生成游離態的揮發性香氣物質，使氨基酸總量增多［22］，據鄔齡盛［23］報道，太陽光中含有不同波段的介質，能夠導入葉表組織，使得葉內細胞的酶系活動發生變化，這對于誘導茶香的前提物質起到積極作用；且采摘后的茶鮮葉仍然是植物活體，在較長的萎凋過程中具有呼吸作用［24］、光合作用［25］、蒸騰作用［26］等一系列生命活動；陳席卿、沈生榮等［27-28］研究認為鮮葉中維生素C、兒茶素總量含量隨光照強度的減弱而下降；而茶氨酸、谷氨酸含量明顯提高，使滋味甘鮮爽口；對香氣成分影響不大，但在香精油的組成比例有較大的影響，如在強光下具有青草氣物質的比例較高，在弱光下一些重要的芳香物質的比例明顯提高。

項麗慧［29］實驗表明：在黃光照射下，β-葡萄糖苷酶基因（CsBG1、CsBG2）、β-櫻草糖苷酶基因（CsBP）的相對表達量明顯提高，萎凋前期促進萎凋葉香氣相關酶基因表達，在萎凋后期調控β-葡萄糖苷酶活性提高，最終使得工夫紅茶甜花香顯現，品質提升；董連源［30］對不同季節日光萎凋與加溫萎凋所制成條紅毛茶品質進行比較，認為在春茶氣溫30℃、相對濕度在70%時，日光萎凋制成毛茶品質好于加溫萎凋；夏季氣溫高，日光強，日光萎凋毛茶品質反而下降；秋季光強度比較和緩，且日光照度比夏茶期間小，毛茶品質與加溫萎凋接近；江麗萍［31］研究提出與自然萎凋相比，日光萎凋更有利于白茶的生理生化變化，具有顯著的優越性。

2.2 茶葉加工光調控技術研究進展

日光萎凋對烏龍茶品質和香氣起到至關重要的作用，然而春茶期間常受到梅雨季節影響，導致茶葉無法正常曬青，實踐證明不經曬青制成的茶葉青氣重，滋味苦澀，湯色濁而暗［32］，因此光調控技術在烏龍茶中的應用研究最早。1987年，中野不二雄［33］用遠紅外光萎凋烏龍茶，葉溫30℃～40℃，萎凋葉減重率為10%～30%，所制茶葉香氣和滋味均優于日曬和無光照萎凋，這是由于遠紅外輻照使葉溫升高，水分蒸發較快，促使酶活性提高和萎凋葉內含物的轉化和累積［34］。同年，吳秋兒、危賽明等［35-36］進行日光萎凋、紅外燈萎凋、鏑燈萎凋、熱風萎凋對烏龍茶品質的影響試驗，認為紅外光或鏑燈曬青所制閩南烏龍茶品質優于日光曬青所制，可起到日光曬青作用；楊賢強、王金賢等［37-38］以不同光照強度的白熾燈照射鮮葉，認為在一定光強范圍內，鮮葉的氨基酸總量隨光強增大而上升，光照處理能提高中高檔茶的香氣，光輻照可以激活茶鮮葉內含物的變化，有利于改善茶葉的香氣和滋味。以上應用研究尚未涉及光代謝途徑以及光效和能耗。

王登良等［39］采用不同的濾光材料從太陽光譜中同時分出不同波長的波段，并以全光譜作為對照，進行烏龍茶曬青試驗，提出對烏龍茶香氣提高較大的光譜段是光照強度為13725lux-16774lux、波長大于520nm的黃光波段；覃玉等［40］的研究結果也認為黃橙光曬青制得的單叢毛茶香氣組分種類和香氣總量比全光曬青處理的高，認為黃橙光是單叢茶曬青過程香氣成分變化的主要影響因素；黃國資等［41］采用5種光源對黃金桂茶樹品種進行光照曬青試驗，得出晴天以自然日光加工的成茶品質最好，其次為混合光，兩者均可以提高氨基酸含量；而陰雨天采用混合光能顯著提高成茶品質，達到優良茶葉質量水平；張艷麗［25］研究表明：藍光與紅光萎凋有利于提高秋季鐵觀音和黃旦成茶鮮爽度，降低茶湯苦澀味；李小娟等［42］用日光、紫外燈、近紅外燈三種光源照射攤青葉，認為光源照射有利于具有花香或清香的芳香化合物的轉化與積累；歐燕清等［43］以晴天日曬，陰雨天風吹、抽濕和人工光照（紫外光280-320nm）4種方式進行嶺頭和鳳凰單叢茶萎凋，認為日光萎凋有利于單叢茶良好品質的形成，光照處理大幅度增加茶多酚含量，提出紫外線可能導致蛋白質變性，抑制了多酚類氧化酶的酶促氧化。

曾藩榮等［44］應用白熾燈結合機械鼓風進行紅茶補光萎凋，所制成品紅茶品質優良；周穎等［45］得出隨著紫外光照射時間的延長（1h、2h、3h），干茶中水浸出物含量增加，多糖含量穩定，但與對照樣持平，照射2h后氨基酸、生物堿含量最高，茶多酚、茶黃素含量增加，說明紫外光照射有利于工夫紅茶品質形成。

3 LED光在茶葉生產加工中的應用

LED是通過化學能轉換成光能的元件，屬于冷光源，其具有耗能低、無污染、波長穩定、低發熱等光電特性優點，能夠發出植物生長所需要的單色光，各種LED單色光組合后，可形成與各種植物光合作用與形態建成基本吻合的光譜，提高光能利用效率，在育苗，蔬菜栽培和溫室補光方面的應用效果顯著，實現傳統光源無法實現的節能、環保和空間高效利用等的功能［46-47］。在農業領域應用發展勢頭迅猛，被認為是21世紀現代農業領域最有應用前景的人工光源［48-49］，對植物生理生化及體內功能性化學物質積累也影響甚大［50，1］。

3.1 茶樹栽培

日本開始在室內使用紅光和綠光對茶苗進行無農藥栽培，不僅操作過程簡單，而且能夠培育出高產、安全、有營養的茶葉，若LED持續照明24小時不間斷的話，培育速度將達到原來的6倍，但仍需進一步驗證［51］；Homma，T等［52］對水培扦插及盆栽扦插的幼齡茶苗（Yabukita品種）用不同LED光波長（藍光（峰值波長：465 nm），綠光（502 nm），黃光（592 nm）和紅光（660 nm））連續照射，結果表明：紅光和綠光照射根扦插的芽生長良好；紅光照射的扦插苗的總根長最長；藍光照射表現出高的粗根率（0.5＜直徑＜1.0mm）。

3.2 茶樹病蟲害防治

蔡俠［53］通過室內試驗比較了波長為360-630nm內8種不同單色光LED對黑刺粉虱、茶麗紋象甲和茶尺蠖成蟲趨光反應的影響，得出：茶麗紋象甲對420nm的單色光趨性最強，黑刺粉虱對360nm、385nm、420nm的三種單色光均表現出強烈的趨性；茶尺蠖在385nm處對這些單色光反應出現最大值，總結得出單色光對于實現茶樹害蟲的高效專一防治與減少對天敵的誤殺具有一定的價值。

3.3 茶葉萎凋

LED光主要應用于茶葉萎凋過程，金心怡等［54-55］試驗研究認為，LED藍光有利于提高烏龍茶凈光合速率、萎凋葉水浸出物、可溶性總糖含量，降低酚氨比，提高毛茶品質，并發明了一種LED光源的茶葉萎凋裝置及其萎凋方法，實現人工控制茶葉全天候工廠化萎凋；黃藩等［56］研究紅光和藍光對工夫紅茶鮮葉萎凋過程中兒茶素和氨基酸組分含量變化及品質影響，得出紅光萎凋品質最優，與無光處理相比，紅光和藍光處理均能顯著降低ECG的含量；而張貝貝［57-58］認為黃光、紅光及橙光處理的紅茶香高持久，品質優，并對黃光萎凋條件進行了優化，與項麗慧等［29］的研究結果一致。

此外，LED光在紅茶發酵中也有應用，林國軒［59］根據在紅茶發酵過程中，茶黃素的含量從低往高變化出現的最高點正好是發酵適度點［60］，并利用單片機、白色LED發光管等發明了一種確定工夫紅茶發酵適度的新方法。

3.4 茶葉色選

茶葉色選機是利用色選光電傳感器/CCD鏡頭對茶物料中異色葉片進行篩選工作，集光、機電、氣動于一體的高科技綜合技術，是實現茶葉精制過程機械化自動化必不可少的機電設備［61］。

甘汝婷等［62］通過測試茶葉和雜質的反射光譜，在可見光譜范圍內，將茶葉與雜質相對反射率差值較大時對應的光波長作為選擇LED光源的峰值波長：藍光（460 nm）、綠光（530 nm）、暖白光（550 nm）、黃光（595 nm）、紅光（650 nm）、近紅外光（700 nm），研制設計了一款用于分離鐵觀音茶葉、茶梗及其雜質的LED茶葉色選燈光源，該LED茶葉色選燈光源具有高光效特性，壽命長，能提高茶葉與雜質的對比度及茶葉的加工效率；馮超［46］利用LED波長選擇性廣的主要優勢，采集炒青綠茶樣品和龍井茶樣品，搭建基于多波長的LED誘導熒光系統的熒光光譜，并借助主成分分析，實現了不同種類的茶葉分類和茶葉等級的判定。

3.5 茶葉質量評價

為滿足消費者能夠粗略估計茶葉質量，Dong Y等［63］利用不同波長LED，研制了一種熒光系統，對四種類型的綠茶和2種紅茶飲料進行分類，雖然尚未實現完全準確等級評價，但該系統小巧、經濟、使用方便，在相關的食品質量及分類上應用前景廣泛［64］。

4 研究展望

光照能夠調控茶葉香氣相關酶基因的表達，提高香氣成分，促進茶葉品質提升是毋庸置疑的，因此前人大多利用紅外燈、鏑燈、白熾燈等進行研究分析。自新型光源LED問世以來，對LED光源的研究進入熱潮至今，大多數研究集中在有萎凋工藝的烏龍茶及紅茶上，主要對光強、光質、光照時間進行研究。然而市面上銷售的LED光源種類繁多，有條形、方形等，并且同一光質的波長不統一，再加上茶樹品種、類別繁多，導致研究者之間所得數據存在差異，容易產生分歧，限制了生產上的大規模應用。為了提高研究數據的準確性與參考性，便于總結分析，研究者應該說明LED燈的外觀及基本性能，分析數據應附上差異是否顯著，利于后人進一步研究，避免做無用功。目前，LED光源還不能完全模擬太陽光，日光是不同波長的集合，經過日光作用之后的茶葉，氨基酸與糖類含量發生變化，進而影響香氣，形成獨特品質，但目前大多數研究還是集中在單波長的單色光上，對多波長的研究較少。

茶葉中的多種有效成分具有豐富的保健功效，如茶多酚，黃酮，花青素，茶黃素等，如果能夠利用LED光應用到栽培育種上，對茶樹進行專一調控，培育出如具有高茶多酚的茶樹，這將是我國茶產業發展的歷史性突破。研究表明［64］，與露天茶園、普通大棚茶園相比，光伏大棚茶園不僅能夠有效延長茶樹生長時間，提高茶樹產量，減少病蟲害，還實現了低碳經濟、節能減排的問題，可以利用光伏結合LED光補償技術，實現環境四大因子的可控，有利于茶樹內含物的提升。

實現六大茶類的全自動生產線是茶產業的目標之一，而“光”因素是關鍵所在。目前對茶葉加工環境光調控機制處于研究起步階段，茶葉光萎凋過程中的光化學、光催化對茶葉品質形成的影響尚待探明，光與溫、濕、風影響因子之間的關聯性耦合性及光調控技術需要繼續深入研究，怎樣更有效的應用LED光，是我們努力的方向。

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基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014bad06b06）；福建茶產業農技推廣服務試點建設（KNJ-151000）；科技局重大項目-政和白茶連續化智能化節能萎凋技術與裝備研究及示范（N2015N01）

作者簡介：俞少娟（1991-），女，碩士研究生，主要從事茶葉加工與加工工程。

*通訊作者：金心怡（1957-），女，教授，博士生導師，主要從事茶葉加工工程。E-mail：jxy427@tom.com