紅茶中香氣物質的形成及工藝對其影響的研究進展

張婭楠,歐伊伶,覃 麗,繆有成,蕭力爭

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

香氣作為茶葉感官審評的重要指標之一,往往對于品飲者或消費者有重要的導向功能,常被用作紅茶品質劃分等級的指標。紅茶中芳香物質雖然含量僅有0.01%～0.03%,但其種類繁多,目前已檢測出的紅茶香氣物質多達400多種。紅茶的香型包含花果香如祁門紅茶[1]、桔糖香如黃金白露[2]、松煙香如正山小種[3]等,香型的差異主要受到芳香物質含量、種類、比例及其強度因子的影響。紅茶香氣的形成主要是在加工過程中通過糖苷類水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反應、脂肪酸的氧化以及β-胡蘿卜素降解轉化產生,這部分香氣化合物的形成與加工方式密切相關。另外,部分香氣的形成是茶樹通過甲羥戊酸、莽草酸等生物途徑合成[4],這部分香氣中以萜烯類化合物含量最多,且它的形成受到茶樹的生長環境、季節、栽培方式、茶樹品種特性等因子的影響。此外外源誘導如昆蟲[5]、外源酶的添加[6]等也會對茶葉香氣的形成造成影響。隨著香氣物質提取分離、成分鑒定技術的愈加成熟、相關學科的交叉發展,對茶葉在加工過程中香氣變化的研究不斷深入。為改善紅茶香氣,提高紅茶品質,本文從紅茶香氣物質形成的反應類型及加工工藝對香氣物質形成的影響進行綜述,以期為紅茶的加工提供理論基礎。

圖1 糖苷類水解機制

1 紅茶香氣物質形成的反應類型

1.1 糖苷類水解

糖苷是茶樹在生長過程中經次級代謝形成的一類由單糖或寡糖的半縮醛羥基與-OH、-NH2及-SH等構成的穩定的香氣物質前體,主要儲存在茶樹鮮葉組織中,一般梗中含量多于葉中[7]。目前的研究表明,不同季節鮮葉中的糖苷種類是不同的,春季以萜烯醇類糖苷為主,其含量可以達到72.01%～96.41%[8]。隨季節的變化,秋季芳香族醇和脂肪族醇糖苷含量明顯增多,夏季最少[9]。鮮葉在采摘或是加工過程中,由于受到外界機械作用,細胞分室遭到破壞,位于細胞壁的β-櫻草糖苷酶、β-葡萄糖苷酶中的CsGH5BG1以及分別位于細胞基質和液泡中的CsGH1BG1和CsGH3BG1與液泡中的糖苷類香氣前體[10-11]一旦接觸便開始水解,釋放出揮發性苷元,參與紅茶香氣的構成。

圖2 氨基酸的Strecker降解的機制

糖苷類物質的水解經歷酶的糖基化及酶的去糖基化。糖苷酶的活性中心有兩個羧基,首先是酶分子上的親核羧基進攻糖基上非還原端的碳原子,另一個羧基基團上的氫被糖苷鍵上的氧親核進攻形成質子化羰基,糖基-酶中間物由此形成,此過程酶被糖基化;接著質子化的羰基親核攻擊水分子上的氫,而水分子上的羥基親核攻擊糖基-酶中間體的糖基上的碳原子,糖被去糖基化,生成了糖基及配基并使酶回復其初始的質子化態,則完成了水解過程[12-13]。酶水解的位置為糖苷鍵的C-O鍵。在酶的糖基化過程中,酶分子上的活性中心對底物具有選擇性,決定了糖苷酶對底物的專一性[14]。相比β-葡萄糖苷酶,β-櫻草糖苷酶在配基、糖基及糖苷鍵上表現出更嚴格的專一性[15]。有研究表明,紅茶加工中β-櫻草糖苷酶在香氣前體水解過程中起著至關重要的作用,β-櫻草糖苷酶活性及其釋放的香氣物質含量均高于β-葡萄糖苷酶,且鮮葉中高含量的櫻草糖苷在加工后明顯減少,而葡萄糖苷含量卻仍為鮮葉中含量的70%[16-17]。

1.2 氨基酸的降解和美拉德反應

干燥期間,干燥葉中的氨基酸、肽、蛋白質等含氮化合物與醛、酮、還原糖的羰基發生縮合、環化反應,生成極不穩定的中間產物N-糖基胺,在阿馬多利(Amadori)重排下,生成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖(ARP),此過程雖不會使茶葉產生香氣物質,但其產物卻是不揮發性香氣物質的前體。ARP在低pH(≤7)下,經過1,2-烯醇化,脫水脫氨生成羥甲基糠醛;在高pH(>7)、低溫下,ARP經過2,3-烯醇化脫去氨殘基重排,形成多種還原酮類物質,接著被裂解形成二羰基化合物;而在高pH、高溫下,ARP可直接裂解生成二羰基化合物,二羰基化合物與氨基酸發生Strecker降解,生成的羰氨化合物即Strecker醛[18]。Strecker降解機制為氨基與羰基發生親核加成,形成不穩定的半氨醛,再經消去反應脫去一個水分子形成希夫堿,而后經不可逆脫羧,電子重排、水分子加成反應形成不穩定的氨基醇,最后分解成α-酮和Strecker醛[19],該反應是茶葉重要揮發性香氣成分的來源。

羰氨化合物可進一步縮合生成吡嗪類物質[20]。然而在紅茶加工中,僅有部分氨基酸有對應的Strecker醛,其可能的原因為,部分氨基酸在降解生成Strecker醛時極不穩定,易發自身環化、偶聯或脫水作用變成其他物質,或是被非揮發性產物所替代[21]。二羰基化合物除了由茶葉中的碳水化合物降解生成,還可通過多酚與脂質的降解生成[22]。在實際加工中,由于受到氨基酸、還原糖種類、初始pH、脂肪酸、干燥葉中二羰基化合物的種類、干燥時的溫度、時間等因素的影響[23],使得美拉德反應產物復雜多樣,具有不同氣味,據不完全統計,糖與15種氨基酸反應可生成包括吡嗪類(59種)、吡咯類(104種)、及含硫化合物(102種)等在內的共計621種揮發性化合物[24]。

1.3 脂肪酸的降解

茶樹鮮葉中,含有的十四碳烯酸(C14∶1)、棕櫚油酸(C16∶1)、油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)、亞麻酸(C18∶3)等不飽和脂肪酸占脂肪酸總量的90%左右[8]。亞麻酸主要參與糖脂的構成,而油酸、亞油酸、棕櫚酸主要參與磷脂的形成。磷脂和糖脂是構成葉綠體、線粒體膜等細胞器膜脂質雙分子層結構的基本物質。

圖3 亞麻酸的降解途徑

茉莉酸及其衍生物是脂質氧化過程中另一類重要的環狀揮發性芳香化合物,具有濃郁的花香、甜香[27]。此外,庚醛和壬醛在紅茶加工過程中可通過棕櫚酸和油酸降解生成[21]。紅茶加工中脂肪酸總量減少了70%左右,以萎凋和干燥工序減少的最多[28]。亞麻酸在整個加工過程中降解了47%左右[29]。

1.4 胡蘿卜素的氧化降解

以β-胡蘿卜素等為代表的類胡蘿卜素因含有共軛烯烴結構,易在光、熱、酶等條件的影響下,發生不同程度的降解,其降解方式包括酶促降解及光降解、熱降解等非酶促降解,其降解產物是紅茶香氣的重要組成部分。在不同氧化條件下β-胡蘿卜素降解產物由于共價鍵斷裂位置的不同而不同。一般存在著C6-C7、C7-C8、C8-C9、C9-C10、C9′-C10′等鍵的斷裂,可相應的生成2,6,6-三甲基-5-環戊烯酮、β-環檸檬醛、二氫獼猴桃內酯、β-紫羅酮等具有愉悅的花香氣味物質[30]。

圖4 β-胡蘿卜素的酶促降解途徑

類胡蘿卜素酶促氧化的順序為:胡蘿卜素>玉米黃質>葉黃素[31]。在酶促降解過程中,類胡蘿卜素首先在類胡蘿卜素裂解加氧酶(CCDs)的作用下生成初級產物,再經酶促轉化形成香氣前體,后經酸解釋放出揮發性化合物[32]。CCDs家族中包含功能各不相同的四種酶(CCD1、CCD4、CCD7、CCD8),其中CCD1主要與揮發性萜類化合物的生物合成有關,進一步研究發現,其可在C9-C10和C9′-C10′雙鍵位置催化多種類胡蘿卜素的對稱性降解,生成降異戊二烯香氣物質和C14二醛[33]。CCD4、CCD7也可催化β-胡蘿卜素降解生成β-紫羅酮等香氣物質[34]。除此之外,LOX也是類胡蘿卜素降解過程中的重要酶,可高效催化類胡蘿卜素雙建在不同位置發生斷裂[35]。非酶降解途徑中,無論是熱氧化或是自然氧化亦或是光氧化條件下,β-胡蘿卜素均可氧化生成提升紅茶香氣品質的揮發性化合物,如番茄紅素可在紫外光下降解生成橙花醇、香葉基丙酮、α-法呢烯。β-胡蘿卜素的降解主要發生在發酵、干燥階段,在整個加工過程中降解了70%左右[29]

總之,在紅茶加工過程中各種香氣物質經過糖苷類水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反應、脂肪酸的氧化或β-胡蘿卜素降解等反應生成,相互協調、綜合作用形成了紅茶特有的香氣類型。表1列出了紅茶中主要香氣化合物的反應類型、香型以及閾值。

表1 紅茶中主要香氣化合物、反應類型、香型、閾值[4,21,36]

2 紅茶加工工藝對香氣物質形成的影響

2.1 萎凋

隨著萎凋的進行,細胞膜透性的增加,鮮葉中也展開了各種反應,主要是糖苷類物質的水解,此外大分子化合物如脂肪酸、蛋白質、多糖等也逐漸水解,其水解產物的增加為發酵過程中的偶聯氧化反應提供物質基礎。鮮葉經萎凋后,部分香氣物質發生了明顯的變化。有研究表明[37],萎凋葉的香氣化合物總量增加將近為鮮葉的一倍,可見萎凋對香氣物質的形成至關重要。此階段易受光照、溫度、萎凋方式等因素的影響。

相較于自然萎凋,萎凋期間若采用人工光照,可提高β-葡萄糖苷酶活性,其香氣評分比自然萎凋葉顯著提高[38],采用不同單色光照射后發現黃光、橙光和紅光萎凋能顯著改善茶葉香氣[39],其中針對黃光進行研究發現,黃光處理后香氣總量增加了21.7%,醇類、酯類、醛類、酮類、含氧化合物的香氣組分都比較高。另外兒茶素總量及氨基酸含量顯著提高,而這些物質可間接導致香氣物質的生成[40]。進一步研究表明,在采用LED黃光照射下,萎凋前期可使β-葡萄糖苷酶基因(CsBG1、CsBG2)及β-櫻草糖苷酶基因(CsBP)上調表達,末期β-葡萄糖苷酶活性得以提高,并且發現呈花香的香氣成分明顯增多[41]。冷凍萎凋因不能引起β-葡萄糖苷酶活性的增加,很大程度上限制了香氣前體物質的轉化,使得成品茶中香氣含量僅為傳統紅茶的一半左右[42-43]。但由于增大了細胞膜透性,促進多酚氧化酶與底物的迅速接觸,加快了發酵進程,減少了茶黃素的消耗,最終提高了紅茶品質[44]。

2.2 揉捻

揉捻階段,由于外力的作用使得鮮葉組織遭受嚴重破損,糖苷類香氣前體與水解酶充分接觸,反應更加劇烈。揉捻后β-櫻草糖苷酶活性顯著下降,櫻草糖苷的含量也在揉捻結束后降為鮮葉時的0.66%～0.81%[16,48],說明始于萎凋階段的水解反應在揉捻階段反應更加劇烈。此階段揮發性香氣成分的含量從鮮葉時的0.012%增加至0.034%[37]。

目前,大部分研究集中在揉捻溫度對紅茶香氣形成的影響。如當在(20±2) ℃的低溫下揉捻時,成品茶中香氣成分的種類及含量顯著增加,此外低溫下揉捻使得多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)活性保留較高,為發酵奠定了良好的基礎[49]。蔣金星通過對比不同溫區對揉捻葉香氣的影響發現,中溫區(19～25 ℃)呈現花果香型的揮發性香氣化合物含量明顯高于低溫區和高溫區,說明中溫有利于發展紅茶的花果香和甜香,而隨著揉捻溫度的升高,工夫紅茶發酵程度越深,其香氣品質逐步由花果香、甜香發展為甜香弱、出現酸餿味,而過低的揉捻溫度則不能充分發揮出工夫紅茶的花果香味[50]。

2.3 發酵

發酵是紅茶香氣品質形成的關鍵工藝。發酵階段由于ppo活性的增強而抑制了水解酶的活性,因此糖苷類物質的水解主要發生于發酵早期,發酵過程中大量香氣化合物的形成主要通過多酚的偶聯氧化作用產生。即氨基酸、胡蘿卜素、不飽和脂肪酸在多酚的氧化產物鄰醌的強氧化作用下,降解生成揮發性香氣物質[51]。發酵階段幾乎所有的香氣化合物含量都呈現增加的趨勢,尤其是紅茶特征性香氣成分增加明顯。發酵結束后,鮮葉中有95.60%的苷元得以釋放[52]。此階段,已形成了紅茶特有的基本風味。

方世輝[53]研究表明,發酵溫度以22～28 ℃為宜,若發酵溫度太低,酶活性弱,內含成分轉化不充分且進程緩慢,最終滋味淡薄,香氣低沉。若發酵溫度過高,酶促反應過于激烈且會加速酶蛋白與多酚類物質結合形成不溶性復合物,最終降低紅茶品質。發酵時若采取通氧處理,茶多酚氧化程度更高,香氣化合物種類得到增加。隨著通氧時間的延長,萜烯類香氣化合物增加的較為明顯,另外,醇類、醛類香氣化合物的含量呈增加趨勢,而酯類香氣化合物的變化趨勢卻正好相反[54]。潘科[55]也得到同樣的結論,并發現通氧處理可加快發酵葉香型的轉變。發酵程度對紅茶香氣品質至關重要。適當的輕發酵可及時終止萜烯類物質如β-香葉烯、順-β-羅勒烯、反-β-羅勒烯的轉化,利于香氣物質的呈現,從而避免成茶香氣淡薄[56]。故合理控制溫度、通氧量、發酵程度等對提高紅茶香氣有重要意義。

2.4 干燥

干燥階段,由于酶在高溫下失活,香氣物質主要通過美拉德反應、類胡蘿卜素的熱降解、焦糖化反應等非酶促氧化反應生成。高溫作用下低沸點的香氣化合物揮發,使得經發酵形成的揮發性化合物含量明顯減少。因此揮發性化合物含量呈現先增加后減少的趨勢,但香氣化合物種類卻增多了。

香氣的形成主要受干燥溫度的影響。當干燥溫度過低時,脂肪族醇醛類含量保留過多,若干燥溫度過高,雜氧類化合物含量顯著升高且萜烯醇類和芳香族醇類含量下降,古能平[57]認為初烘100 ℃、復烘100 ℃有利于紅茶品質的形成。有研究表明,將干燥溫度設置在100、130、160 ℃時發現,隨著干燥溫度的升高,醛,酮,萜烯,酸和內酯的量增加,而呋喃,碳氫化合物,醇和酯的含量下降[58]。

3 結論與展望

紅茶香氣的形成并不是由某道工序或是香氣形成的某種反應來決定的,而是隨著萎凋、揉捻、發酵、干燥工序的進展,經過一系列反應,香氣成分的含量及比例不斷變化至一定程度的結果。由此可見,無論哪個工序對紅茶香氣的形成都至關重要,因此在實際加工過程中合理的控制每一步工序,采用合適的加工方法可最大限度激發和保留游離態香氣化合物,對提高紅茶香氣具有重要意義。但實際研究中受茶葉組織結構、揮發性物質形成及轉化多樣性的影響,紅茶加工過程中香氣物質的研究進程仍相對緩慢,相信未來對這方面的研究會更加系統深入。揮發性香氣化合物的鑒定與檢測是評價紅茶香氣優劣的關鍵,但由于提取方法的不同以及提取過程中導致香氣組分含量、數量等發生改變,使得提取的香氣成分可能并不能完全反映茶葉本身的香氣組分,這就導致不能客觀全面的分析研究紅茶在加工過程中香氣的形成,因此如何解決這類問題是未來研究的重點。