基于代謝組學研究不同花色種類云南白茶的化學成分差異

王 哲，趙燕妮，陳 丹，彭佳堃，高健健，林 智，陳雪峰，田 軍，萬云龍，戴偉東,*

（1.陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西 西安 710021；2.農業農村部茶樹生物學與資源利用重點實驗室，中國農業科學院茶葉研究所，浙江 杭州 310008；3.陜西農產品加工技術研究院，陜西 西安 710021；4.昆明七彩云南慶灃祥茶業股份有限公司，云南 昆明 650501）

白茶是我國特有的一種微發酵茶，屬于六大茶類之一[1]。與其他茶類相比，白茶的加工工藝相對精簡，僅包括萎凋和干燥兩道工序。萎凋過程中，在茶葉多酚氧化酶和過氧化酶等內源酶的催化下，在制品發生輕微的發酵（氧化），促使其特殊代謝物積累，從而賦予白茶獨特的香氣與滋味品質以及特殊的藥用價值和保健功效[2-4]。近年來，一些研究陸續闡明了白茶具有較好的生物活性和健康功效，包括抗氧化、抗突變、抗癌、保護神經細胞、保護小鼠肝臟和腦部組織免受急性氧化應激損傷等[5-9]，促進了白茶的消費市場和生產區域不斷擴大。目前，白茶的產區主要集中于我國福建，近年來云南白茶產量快速增長，主要分布于云南臨滄、景谷等地，據統計2018年景谷白茶產量已達145 t[10]。與福建白茶相類似，根據芽葉采摘嫩度的不同，云南白茶一般也可分為白毫銀針（云白毫）、白牡丹（月光白）、壽眉（云壽）等花色種類。白毫銀針（云白毫）以白毫密布為特點，由嫩梢的肥壯芽頭制成；白牡丹（月光白）外形呈自然花朵形，顯毫心，由嫩梢的一芽一、二葉制成，并可進一步分為月光白一級（由一芽一葉制成）和月光白二級（由一芽二葉制成）；壽眉（云壽）葉態較緊卷，色澤灰綠帶褐，由一芽三四葉制成[11-12]。

近年來，已有較多研究對白茶的化學成分及生物活性進行了探究[13-14]，并解析福建白茶與云南白茶的化學成分差異[10,15]。在此之前，本課題組利用代謝組學方法對不同花色種類福建白茶的化學物質基礎和滋味品質貢獻成分進行研究[16]，但云南白茶化學成分方面的研究還相對較少。隨著云南白茶產量不斷增加，逐漸成為茶葉消費者的新寵，亟需開展不同花色種類云南白茶成分差異的研究。因此本研究采用超高效液相色譜-四極桿軌道阱質譜（ultra-high performance liquid chromatographyquadrupole orbitrap mass spectrometry，UPLC-Q-Orbitrap-MS）技術對云白毫、月光白一級、月光白二級、云壽四類云南白茶的化合物進行全面系統的解析，從“組學”的角度闡明不同花色種類云南白茶的代謝譜差異，從而為云南白茶的生產與消費提供化學成分方面的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

從中國云南省臨滄、普洱、大理、西雙版納等地采集具有代表性的白茶樣品39個，其中包括云白毫10個，白牡丹分為月光白一級、月光白二級各10個，云壽9個，鮮葉嫩度分別為單芽、一芽一葉、一芽二葉、一芽三四葉（表1，樣品由云南省茶葉流通協會提供）。鮮葉采集后利用室內萎凋槽進行萎凋，室溫約20～26 ℃，相對濕度約60%～70%，萎凋約48 h后日光曬干；所用品種主要為云南大葉種（Camellia sinensisvar.assamica）；樣品制作于2021年春季3～5月。在進行代謝組學分析前經過磨碎處理，置于-20 ℃冰箱貯存備用。

甲醇、乙腈（均為色譜純） 美國Merck公司；甲酸（99.0%，色譜純） 日本TIC公司；實驗用水為Milli-Q超純水。

兒茶素（catechin，C）、表兒茶素（epicatechin，EC）、表兒茶素沒食子酸酯（epicatechin gallate，ECG）、表沒食子兒茶素（epigallocatechin，EGC）、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）、沒食子兒茶素（gallocatechin，GC）、茶氨酸、脯氨酸、谷氨酸、牡荊素、異牡荊素、槲皮素-3-葡萄糖苷、槲皮素-3-半乳糖苷、槲皮素-3-蕓香苷、山柰酚-3-蕓香苷、山柰酚-3-半乳糖苷、山柰酚-3-葡萄糖苷等標準品 美國Sigma公司；聚酯型兒茶素A（theasinensin A）、聚酯型兒茶素F（theasinensin F）、原花青素B1（procyanidin B1）、原花青素B2（procyanidin B2）、茶黃素（theaflavin，TF）、茶黃素-3-沒食子酸酯（theaflavin-3-gallate，TF-3-G）、茶黃素-3'-沒食子酸酯（theaflavin-3'-gallate，TF-3'-G）、茶黃素-3,3'-沒食子酸酯（theaflavin-3,3'-digallate，TF-DG）等標準品 武漢ChemFaces公司。

表1 不同花色種類云南白茶樣品信息Table 1 Information about the types of Yunnan white tea tested in this study

1.2 儀器與設備

UPLC-Q-Exactive/MS儀 美國賽默飛世爾科技有限公司；S025粉碎研磨機 德國IKA公司；SQP電子天平賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；DK-S11型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司；5810R型高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

準確稱量茶葉0.1 g置于15 mL離心管中，加入10 mL 70%甲醇溶液，充分溶解并置于70 ℃水浴鍋浸提30 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液經0.22 μm濾膜過濾，加超純水稀釋1 倍后進行UPLC-Q-Exactive/MS分析[17]。每個茶葉樣品設置2個平行重復，同時將所有茶葉樣品充分混合，制成QC樣品，均勻地插入分析序列中，用于評價代謝組學過程的穩定性。

1.3.2 UPLC-MS分析條件

云南白茶樣品代謝組學分析采用UPLC-Q-Exactive/MS系統進行數據采集。

UPLC條件：T3色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm）；柱溫40 ℃；流速0.4 mL/min；進樣量3 μL。流動相：A相為0.1%甲酸溶液，B相為含0.1%甲酸的乙腈溶液。洗脫程序：0～10 min，98%～85% A、2%～15% B；10～18 min，85%～60% A、15%～40% B；18～20.9 min，60%～10% A、40%～90% B；20.9～25 min，10%～98% A、90%～2% B。

四極桿軌道阱質譜條件：采用電噴霧離子源；檢測模式：正離子模式；毛細管電壓3.5 kV；毛細管溫度300 ℃；輔助氣溫度和流速分別為350 ℃和10 L/min；質譜掃描范圍m/z100～1 000。

1.3.3 主要化合物含量測定

參考課題組前期已建立的方法[17]，使用外標法對樣品中兒茶素、茶氨酸、咖啡堿、黃酮糖苷類化合物進行含量測定。兒茶素類化合物采用表型兒茶素EGCG、ECG、EGC、EC標樣進行定量；茶氨酸、咖啡堿、山柰酚-3-葡萄糖苷等分別使用對應標樣進行定量。

1.4 數據處理

UPLC-Q-Exactive/MS分析得到的原始圖譜采用Compound Discoverer 3.2軟件進行峰匹配與峰面積提取。采用SIMCA-P 14.1（Umetrics，瑞典）進行有監督的偏最小二乘判別分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）和載荷圖的繪制。采用SPSS 26（IBM，美國）進行單因素方差分析（ANOVA），用于篩選具有組間顯著性差異的化合物。熱圖分析由Mev 4.7.4（Oracle，美國）完成。

2 結果與分析

2.1 基于UPLC-Q-Exactive/MS的不同花色種類云南白茶化學成分分析

經峰匹配與校準后共得到4 415個化合物離子用于后續的分析。通過與標準品比較、一級質譜、二級質譜分析等共鑒定出120個化合物，包括10個生物堿類、10個氨基酸類、5個有機酸類、11個酚酸類、5個香氣糖苷類、10個兒茶素類、13個二聚兒茶素類、8個N-乙基-2-吡咯烷酮取代的兒茶素類（N-ethyl-2-pyrrolidinonesubstituted flavan-3-ols，EPSF）、25個黃酮糖苷類、10個脂質類及13個其他類化合物，具體信息見表2。

表2 不同花色種類云南白茶中鑒定出的化合物信息Table 2 Information about identified compounds in different types of Yunnan white tea

續表2

續表2

2.2 基于UPLC-Q-Exactive/MS的不同花色種類云南白茶化學成分差異分析

2.2.1 主成分分析

為評價不同花色種類云南白茶化學成分的差異，將得到的化合物離子導入SIMCA-P 14.1進行PLS-DA，如圖1a所示，云白毫與云壽、月光白一級與月光白二級分別在第1主成分上具有顯著的分離趨勢；同時白牡丹（月光白一級、月光白二級）與云白毫、云壽在第2主成分上表現出顯著的分離趨勢，該結果充分表明云白毫、月光白一級、月光白二級、云壽的化學成分存在差異。VIP表示PLS-DA模型中每個化合物對差異做出的貢獻值。VIP值越大，說明對PLS-DA模型的分類貢獻越大，也表明該化合物在不同花色種類的云南白茶中含量存在較大差異；結合載荷圖（圖1b）發現部分化合物在云白毫和月光白一級中含量較高，分布在載荷圖右側；也有部分化合物在月光白二級和云壽中含量較高，分布在載荷圖的左側。

圖1 不同花色種類云南白茶化學成分PLS-DAFig. 1 PLS-DA score plot (a) and loading plot (b) for chemical components of different types of Yunnan white tea

2.2.2 聚類分析

為進一步闡明不同花色種類云南白茶化學成分的具體差異，通過ANOVA單因素方差分析，從已鑒定的化合物中篩選出76個具有組間顯著性差異的化合物（P＜0.05），涵蓋了兒茶素類、二聚兒茶素類、生物堿類、黃酮糖苷類等多種化合物。進一步將76個顯著差異化合物導入MeV4.7.4軟件做熱圖聚類分析，結果如圖2所示，圖中黃色代表化合物相對含量高于平均值，藍色代表化合物相對含量低于平均值。

2.2.3 兒茶素類化合物

兒茶素屬于黃烷醇類化合物，是茶葉中最主要的多酚化合物，約占所有茶多酚含量的60%～80%。兒茶素因具有抗腫瘤、抗氧化、抗病菌以及保護心腦器官等多種藥理作用而被廣泛研究[16]。有研究表明白茶中的兒茶素含量高于紅茶等發酵茶[18]。不同白茶中代表性差異化合物的含量變化如圖3所示。在本研究中，EC、ECG、EGC和EGCG在云白毫中的含量較高，分別為3.87、33.82、8.50、48.53 mg/g；白牡丹次之，含量分別為3.11、29.52、4.74、31.49 mg/g；在云壽中含量最低，分別為3.04、24.97、3.60、21.72 mg/g，即兒茶素類化合物含量在嫩度較高的茶葉中含量較高，該結果與前期在福建白茶中的結果一致[16]。大多數兒茶素在新芽中的積累量高于在成熟葉中的積累量[19]；也有研究表明酯型兒茶素含量與鮮葉嫩度呈正相關[20]。此外，前期研究結果表明EGCG、ECG在白茶茶湯中的味道強度值大于1，是白茶滋味的主要貢獻成分[16]。因此，具有較高兒茶素含量的云白毫可能具有較強的滋味濃度。相比之下，8-C-抗壞血酸沒食子酸酯在月光白一級和云白毫中含量相對較高，表阿夫兒茶精在云壽中含量相對較高，這歸因于兒茶素在特定組織中的積累和合成。

圖2 不同花色種類云南白茶差異化合物含量熱圖Fig. 2 Heatmap analysis of differential compounds in different types of Yunnan white tea

2.2.4 二聚兒茶素類化合物

本研究中，鑒定出具有顯著差異的二聚兒茶素類化合物共9個。在白茶萎凋過程中，經過多種酶的催化作用，茶葉內兒茶素類化合物發生一系列的聚合、縮合等反應逐步形成原花青素和聚酯型兒茶素等多種二聚兒茶素類產物[2,21]。原花青素是黃烷-3-醇的二聚體和低聚體產物，包括原花青素B1、原花青素B2、原花青素C1等，具有良好的抗氧化活性和清除羰基能力。有研究發現，未發酵綠茶中的原花青素含量最高，其次是輕微發酵的白茶和完全發酵的紅茶，在萎凋和發酵過程中會導致花青素含量降低[18]。聚酯型兒茶素也是茶葉中兒茶素氧化產物的一種，包括聚酯型兒茶素A、聚酯型兒茶素B、聚酯型兒茶素C和聚酯型兒茶素F等，有研究表明聚酯型兒茶素的抗氧化活性優于EGCG和茶黃素[22]。本研究中，二聚兒茶素類化合物在不同花色種類的云南白茶中均表現出相同的變化趨勢，即隨著云南白茶原料嫩度的降低，含量逐漸降低。而前期在福建白茶的研究中[16]，由于不同的二聚兒茶素需要不同的兒茶素底物合成，故在不同花色種類的白茶中含量表現出不同的變化趨勢，這可能是由于福建白茶與云南白茶的茶樹品種不同以及生長氣候條件差異造成。總體而言，二聚兒茶素類化合物均在云南白茶的云白毫中表現出較高的含量，這可能會賦予云白毫良好的抗氧化活性和清除自由基的能力。

2.2.5 生物堿類化合物

咖啡因和可可堿是甲基黃嘌呤生物堿，是茶葉中最主要的嘌呤生物堿和重要的苦味呈味物質，對茶葉的風味品質具有重要的貢獻[23]。咖啡因在茶葉中的含量相對穩定，占茶葉干質量的1.5%～5%。在本研究中，咖啡因在云白毫和白牡丹中含量相對較高，分別為29.41 mg/g和29.02 mg/g，在云壽中含量相對較低，為24.57 mg/g。可可堿在云白毫中含量顯著較高，約是在白牡丹中的2 倍，云壽中的4 倍。有研究表明茶葉葉片嫩度越高，咖啡堿含量越高，可可堿是咖啡堿合成的直接前體物質，因此在植物組織中的分布模式基本類似于咖啡堿，即新梢從上到下過程中，可可堿含量逐漸降低[24]。同時，本研究中還發現一些其他的生物堿類物質如磷酸膽堿、N-2-羥乙基-乳酰胺在云白毫和白牡丹中含量相對較高，云壽中含量相對較低；一些核苷酸類物質如腺嘌呤核糖核苷酸、5'-甲硫腺苷，在云白毫、月光白一級中含量相對較高，在月光白二級、云壽中含量相對較低。總體來說，生物堿類的化合物隨著云南白茶原料嫩度的降低，含量呈降低趨勢。

2.2.6 黃酮糖苷類化合物

黃酮糖苷是茶葉中重要的黃酮類化合物，具有良好的抗氧化活性，同時也是茶葉中重要的苦澀味成分，其味覺閾值較低且對咖啡堿的苦味有一定的增強作用[25]。黃酮糖苷按照苷元分類，可分為槲皮素苷、山柰酚苷、芹菜素苷和楊梅素苷[26]。在本研究中，鑒定出具有顯著差異的黃酮糖苷類化合物共24個，其中芹菜素苷5個，包括牡荊素、異牡荊素、芹菜素-6,8-C-二葡萄糖苷、芹菜素-6-C-葡萄糖基-8-C-阿拉伯糖苷、芹菜素-6-C-阿拉伯糖基-8-C-葡萄糖苷，均在月光白二級和云壽中含量相對較高，在云白毫和月光白一級中含量相對較低；楊梅素苷2個，分別為楊梅素-3-半乳糖苷和楊梅素-3-葡萄糖苷，在白牡丹中含量相對較高，云壽次之，在云白毫中含量相對最低；山柰酚苷與槲皮素苷共16個，大部分均在云壽和白牡丹中表現出較高的含量，在云白毫中含量相對較低，例如山柰酚-3-半乳糖苷在云壽、白牡丹、云白毫中的含量分別為0.64、0.57、0.12 mg/g；山柰酚-3-蕓香苷在云壽、白牡丹、云白毫中的含量分別為1.76、1.10、0.13 mg/g；槲皮素-3-葡萄糖苷在云壽、白牡丹、云白毫中的含量分別為0.74、0.56、0.06 mg/g；槲皮素-3-半乳糖苷在云壽、白牡丹、云白毫中的含量分別為2.16、1.91、0.45 mg/g。相比之下，2''-O-反式-對香豆酰紫云英苷、山柰酚-3-雙香豆酰葡萄糖苷、山柰酚-3-香豆酰葡萄糖苷和山柰酚-3-(6-乙酰半乳糖苷)等酰基化的黃酮糖苷在云白毫中表現出較高的含量，白牡丹次之，云壽中最低。黃酮糖苷因為苷元的不同表現出不同的含量變化，芹菜素苷在月光白二級和云壽中含量較高，楊梅素苷在白牡丹中含量較高，大部分山柰酚苷和槲皮素苷在云壽中含量較高，整體來說絕大部分黃酮糖苷類化合物在云壽和白牡丹中的含量高于云白毫，與前期福建白茶的研究結果一致[16]。

2.2.7 氨基酸和脂質類化合物

氨基酸是茶葉中的主要化學成分之一，游離氨基酸含量約占茶葉干質量的1%～4%，賦予了茶葉一定的鮮味和香氣，同時使茶湯呈現鮮爽醇和的特征。一般認為氨基酸含量較高的茶葉具有較好的風味品質[27-28]。有研究表明，白茶在長時間的萎凋過程中會導致蛋白質分解而產生較多的游離氨基酸[18]。茶氨酸是茶葉中獨有的氨基酸，本研究中茶氨酸在云白毫中的含量最高，為18.10 mg/g，是在白牡丹中的1.15 倍，云壽中的1.23 倍；脯氨酸和亮氨酸在月光白一級中含量相對較高，月光白二級和云白毫次之，云壽中較低；苯丙氨酸在白牡丹中含量相對較高，云壽次之，在云白毫中含量相對較低；異亮氨酸在云壽中含量相對較高，白牡丹次之，在云白毫中含量相對較低。前期在福建白茶的研究中同樣鑒定出以上氨基酸種類，并發現茶氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸含量與福建白茶的鮮味強度呈正相關[16]。另外，本研究中鑒定出具有顯著差異的脂質共5個，包括甘油單酯（18:3）、溶血磷脂酰膽堿（18:3）、溶血磷脂酰膽堿（18:2）、溶血磷脂酰膽堿（18:1）和溶血磷脂酰膽堿（16:0），均在云壽中含量相對較高，白牡丹次之，云白毫中含量相對最低。有研究表明部分脂質與茶葉的鮮味呈正相關[29]，脂質與云南白茶的鮮味是否具有關聯還需要進一步驗證。

2.2.8 酚酸類化合物

酚酸是一類具有羧基和羥基的芳香族化合物，在茶葉口感上起著重要作用。有研究表明沒食子酸會隨著沒食子酰化兒茶素的水解而積累[30]，與茶沒食子素是綠茶飲料中的助鮮化合物，可以按比例增強L-谷氨酸鈉的鮮味強度[31]。在本研究中茶沒食子素、菊苣酸和對甲氧基水楊酸在云白毫中含量相對較高；雙食子酰葡萄糖在月光白一級和云白毫中含量較高；而4-香豆酰奎寧酸和3-香豆酰奎寧酸在云壽和白牡丹中含量相對較高。這與前期福建白茶中的研究結果一致，此外統計分析表明沒食子酸和4-香豆酰奎寧酸含量與福建白茶的苦澀味強度呈正相關[16]。

圖3 不同花色種類云南白茶中代表性差異化合物的含量變化Fig. 3 Changes in contents of representative differential compounds among different types of Yunnan white tea

3 結 論

應用基于UPLC-Q-Exactive/MS的代謝組學方法對云白毫、月光白一級、月光白二級、云壽4 類云南白茶的化合物進行了系統分析，該方法準確全面地解析了不同花色種類云南白茶中120個化合物的含量差異，包括兒茶素類、二聚兒茶素類、氨基酸類、生物堿類、酚酸類、香氣糖苷類、EPSF類、黃酮糖苷類、脂質類化合物等。通過PLS-DA模型發現不同花色種類云南白茶的化學成分存在顯著差異，并通過ANOVA單因素方差分析篩選出具有組間顯著性差異的化合物共76個（P＜0.05）。熱圖聚類分析結果顯示，大部分兒茶素類（ECG、EGCG等）、二聚兒茶素類（原花青素、聚酯型兒茶素）、生物堿類（可可堿等）、茶氨酸、酚酸類（茶沒食子素等）化合物隨著云南白茶原料嫩度的降低，含量呈現下降趨勢；這些化合物可能會賦予高等級云南白茶較好的滋味口感和良好的生物活性。大部分黃酮糖苷類化合物包括芹菜素苷（牡荊素等）、山柰酚苷（山柰酚-3-蕓香苷等）、槲皮素苷（槲皮素-3-葡萄糖苷等）和脂質類（甘油單酯（18:3）等）化合物隨著云南白茶原料嫩度的降低，含量呈現上升趨勢；這些化合物可能會賦予低等級云南白茶較強的苦澀味。此外，部分氨基酸類化合物（亮氨酸等）、楊梅素苷（楊梅素-3-半乳糖苷、楊梅素-3-葡萄糖苷）等在白牡丹中呈現出相對較高的含量。本研究采用代謝組學方法較為系統全面地闡明了不同花色種類云南白茶的化學物質基礎差異，為云南白茶的感官品質和營養價值的研究以及等級判別提供理論依據。