茶葉揮發(fā)性成分形成機(jī)制的研究進(jìn)展

廉 明 呂世懂 吳遠(yuǎn)雙 賀宜龍 周降生 孟慶雄

摘 要：茶葉的揮發(fā)性成分是決定茶葉品質(zhì)的重要因子，它不僅是區(qū)分不同茶類(lèi)品質(zhì)特征的重要指標(biāo)，同時(shí)也是捕獲和培養(yǎng)消費(fèi)者忠誠(chéng)度最重要的因素。目前對(duì)茶葉中的揮發(fā)性成分的研究大多數(shù)都是停留在揮發(fā)性成分的分離鑒定上，對(duì)其可能的形成機(jī)制及影響因素則沒(méi)有系統(tǒng)性的研究和全面的總結(jié)。從萜烯醇類(lèi)的生物合成、胡蘿卜素類(lèi)和脂肪酸的氧化降解、微生物的作用等幾個(gè)方面對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：茶葉；揮發(fā)性成分；形成機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TS272

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-7847（2014）06-0550-07

茶葉的揮發(fā)性成分是茶葉中所存在的化學(xué)物質(zhì)綜合配比的結(jié)果，它對(duì)茶葉品質(zhì)的貢獻(xiàn)率高達(dá)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(lèi)別和香型的茶葉。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)從茶葉中分離鑒定出數(shù)百種化合物，這些香氣化合物在不同類(lèi)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(huán)境與栽培條件、茶樹(shù)品種、外源誘導(dǎo)等諸多因素的影響。目前文獻(xiàn)中對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的研究，大多數(shù)都是停留在揮發(fā)性成分的分離及鑒定上，因此對(duì)不同類(lèi)型的茶葉（綠茶、烏龍茶和紅茶等）的具體香氣成分已有一個(gè)大致的了解，但是對(duì)這些揮發(fā)性成分的形成機(jī)制及影響因素則很少有全面的研究。由于影響茶葉揮發(fā)性成分的變量很多，即便是同一類(lèi)型的茶葉在香型及香氣組成上都會(huì)有較大的差異，因此，全面總結(jié)各種影響因素對(duì)茶葉揮發(fā)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(fā)性成分的生物合成途徑以及形成機(jī)制則是一致的。因此，本文從萜烯醇類(lèi)物質(zhì)的生物合成途徑、胡蘿卜素類(lèi)和脂肪酸的氧化降解和微生物住后發(fā)酵過(guò)程中的作用等方面入手，總結(jié)和這些影響因素相關(guān)聯(lián)的茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制，為穩(wěn)定茶葉品質(zhì)、進(jìn)一步開(kāi)發(fā)茶葉深加工飲品及保健作用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

l 茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制

茶葉的揮發(fā)性成分是茶葉中各種揮發(fā)性物質(zhì)以不同的比例所構(gòu)成的，它少部分存在于茶鮮葉中，人部分是通過(guò)不同的加工工藝形成的。茶葉揮發(fā)性成分雖然含量低微，只占茶葉總干質(zhì)量的0.01%.～0.05%，但它的種類(lèi)卻多達(dá)500種，是決定茶葉品質(zhì)的重要因子之一。目前，從茶葉中鑒定出的揮發(fā)性成分涵蓋了有機(jī)化學(xué)分類(lèi)中的醇類(lèi)、碳?xì)浠衔?、醛?lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、甲氧基苯類(lèi)、酚類(lèi)、酸類(lèi)、內(nèi)酯和含氮化合物等。在這些化合物中，構(gòu)成茶鮮葉的芳香物質(zhì)約有100種，這些物質(zhì)是茶葉中的固有香氣，是茶樹(shù)體內(nèi)自身生物合成的香氣物質(zhì)，其他的為轉(zhuǎn)化型香氣，是茶葉中的香氣前體物質(zhì)和制茶過(guò)程中各種不同的生產(chǎn)工藝所決定的。本文通過(guò)對(duì)茶葉香氣形成機(jī)制的探討和總結(jié)，能夠?yàn)椴枞~深加工產(chǎn)晶的香氣淡薄及質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題提供一些參考，從而提高茶葉等級(jí)，穩(wěn)定茶葉產(chǎn)晶的質(zhì)量。

1.1 萜烯醇類(lèi)物質(zhì)的生物合成與茶葉香氣

揮發(fā)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(zhì)通常帶有濃郁的甜香、花香和木質(zhì)香，廣泛存在于不同類(lèi)型的茶葉中。它們?cè)诓铇?shù)體內(nèi)通常以葡糖苷形式存在，這些糖苷揮發(fā)性較差，因此，茶鮮葉基本沒(méi)有香味。這些重要的萜烯醇類(lèi)物質(zhì)是茶葉加工過(guò)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(zhì)，但是加入這種酶的抑制劑Hg2+后這兩種香氣物質(zhì)的生成停止了，說(shuō)明這些香氣物質(zhì)的前體為葡糖苷。櫻草糖苷酶也是一個(gè)參與糖苷態(tài)香氣前體釋放的重要的酶，它通過(guò)水解櫻草糖苷釋放香氣苷元，同時(shí)櫻草糖苷是茶鮮葉中重要的醇系香氣前體物質(zhì)，含量高于葡糖苷。另外，一些自然環(huán)境和加工工藝也會(huì)造成茶葉中這些糖苷及其酶類(lèi)物質(zhì)的變化，從而導(dǎo)致不同類(lèi)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(guò)程中，經(jīng)揉捻、發(fā)酵以結(jié)合態(tài)形式存在的芳樟醇葡糖苷因細(xì)胞破碎而產(chǎn)生酶解反應(yīng)，水解產(chǎn)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(fā)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(nèi)的萜類(lèi)物質(zhì)來(lái)源于異戊烯基焦磷酸（isopentenylpyrophosphate，IPP）及其異構(gòu)物二甲烯丙基焦磷酸（dimethylallylpyrophosphate，DMAPP），它們通過(guò)質(zhì)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(huán)氧化物之后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成的，如圖2所示?？傊@些揮發(fā)性萜烯醇類(lèi)物質(zhì)具有宜人的花果香味，同時(shí)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(duì)茶葉的品質(zhì)貢獻(xiàn)非常大。

1.2 苯丙酸類(lèi)和苯環(huán)型化合物

苯丙酸類(lèi)和苯環(huán)型化合物主要是以苯酸為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物合成途徑形成的，形成的物質(zhì)大多數(shù)不具有揮發(fā)性，通常只有在C。位上發(fā)生?；蚣谆艜?huì)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(fēng)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(lèi)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(guò)丙酬酸和笨乙醛進(jìn)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(jī)制還行待進(jìn)一步研究

1.3

胡蘿卜素的氧化降解

胡蘿卜素類(lèi)氧化降解米源的香氣化合物也是茶葉中一類(lèi)非常重要的香氣物質(zhì)，這類(lèi)物質(zhì)通常具有典型的花果香及木質(zhì)香味，對(duì)茶葉香氣的貢獻(xiàn)很大。 這些物質(zhì)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(huán)氧-β-紫羅酮、β-大馬士酮、β-環(huán)檸檬醛和二氫獼猴桃內(nèi)酯等，它們?cè)诓煌?lèi)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(zhì)香味，Kanani等發(fā)現(xiàn)其感官閾值較低（0.007 μg/L），估計(jì)對(duì)茶葉香氣貢獻(xiàn)非常大。Schuh等利用氣相色譜一嗅覺(jué)測(cè)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(shí)，認(rèn)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(fā)酵過(guò)程中，強(qiáng)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(shí)形成了紅茶獨(dú)特的花果香。胡羅素的氧化降解是很多植物中揮發(fā)性成分的主要形成途徑，如圖3所示，這些降解形成的揮發(fā)性成分對(duì)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(guò)多烯脂肪酸類(lèi)氧化（oxidized polyenoic fatty acid）脂肪氧合酶途徑形成的。這些脂肪酸類(lèi)的衍生物大多數(shù)為醛類(lèi)和酯類(lèi)化合物，其中具有青草香氣的反-2-庚烯醛由亞油酸自動(dòng)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(dòng)氧化形成：反-2-己烯醛是亞麻酸經(jīng)酶解作用形成順-3-己烯醛和反-3-己烯醛后異構(gòu)化的產(chǎn)物；己醛則是亞油酸經(jīng)酶解形成的，茶葉加工時(shí)發(fā)酵和干燥階段大量形成。一些酯類(lèi)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(jí)脂肪酸和低級(jí)醇脫水縮合而成，這些化合物揮發(fā)性差且無(wú)氣味。其他的一些酯類(lèi)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(zhì)是脂肪酸在制茶過(guò)程中與醇類(lèi)物質(zhì)發(fā)牛化學(xué)反應(yīng)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(dòng)氧化后的降解產(chǎn)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(jīng)酶解后生成己醛，己醛再經(jīng)醇脫氫酶作用而還原成己醇。

1.5 微生物的作用

在我國(guó)六人基本茶類(lèi)中，只有黑茶的生產(chǎn)涉及微生物的參與，這個(gè)工序稱(chēng)為渥堆后發(fā)酵過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中微生物胞外酶的催化和濕熱作用，使茶葉內(nèi)含成分種類(lèi)和含量發(fā)生了極為復(fù)雜的變化，從而形成了黑茶特有的色澤黑潤(rùn)、滋味醇和、香氣純正、湯色黃濃明亮的品質(zhì)特征。目前，微生物對(duì)黑茶香氣的影響主要是導(dǎo)致其產(chǎn)生了大量的甲氧基苯類(lèi)化合物，特別是在普洱茶中。甲氧基苯類(lèi)化合物的含量非常高，而在其他類(lèi)型的茶葉（綠茶、烏龍茶、紅茶）中幾乎未檢出。甲氧基苯類(lèi)化合物同時(shí)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(rèn)為，甲氧基苯類(lèi)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(zhì)的形成和后發(fā)酵過(guò)中微生物的活動(dòng)有較大的關(guān)系，這些甲氧基苯類(lèi)化合物可能是微生物酶氧化降解單寧酸（Tannic acid ，TA）和表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)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(lèi)化含物，而在其他黑茶（如湖南茯磚茶）中并末檢出此類(lèi)化合物，檢出的都是一些具有典型菌花香味的物質(zhì)。這可能與后發(fā)酵過(guò)程中小同的微生物種類(lèi)有關(guān)，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(lèi)及對(duì)其香氣的影響有待進(jìn)一步研究。普洱茶隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而不斷陳化，特別是普洱生茶，經(jīng)過(guò)數(shù)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(lái)，普洱茶隨著陳化時(shí)間的增長(zhǎng)，價(jià)格一路上漲，我們猜測(cè)這可能是緩慢氧化與微生物的活動(dòng)及相關(guān)酶促反應(yīng)共同作用的結(jié)果，但其陳化的分子機(jī)制及其香氣成分的變化還有待進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1.6 其他一些重要化合物的形成機(jī)制

在茶葉的揮發(fā)性成分中，一些酚類(lèi)化合物，如具有煙味的4-甲基愈創(chuàng)木酚和4-乙基愈創(chuàng)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(zhì)主要由阿魏酸經(jīng)微生物和相關(guān)酶降解生成，而4-乙基苯酚主要存在于后發(fā)酵茶中，是在微生物作用下由香豆酸經(jīng)脫羧反應(yīng)和雙鍵加氫反應(yīng)生成，是構(gòu)成日本腌制茶特征香氣的主要成分之一。酸類(lèi)組分，大部分來(lái)自于茶鮮葉，是茶樹(shù)物質(zhì)代謝過(guò)程中的中間產(chǎn)物，尤其是脂肪族羧酸，它們是植物的花、莖、葉、果實(shí)里的酯類(lèi)和脂肪的組成成分，這些物質(zhì)沸點(diǎn)較高，揮發(fā)性比較差，對(duì)茶葉香氣的貢獻(xiàn)不大。含氮化合物主要為咖啡因、吡嗪和吡咯類(lèi)化合物，其中咖啡因是茶葉中重要的功效性成分，對(duì)茶葉香氣貢獻(xiàn)不大。其他的成分如2-甲基吡嗪、2，5-二甲基吡嗪和2 -乙?；量┑龋@些物質(zhì)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(lèi)型茶葉中一些重要揮發(fā)性成分的總結(jié)

目前，對(duì)茶葉香氣成分的提取主要有同時(shí)蒸餾萃?。╯imultaneous distillation extraction， SDE）和頂空固相微萃?。╤eadspace solid-phase microex-traction，HS-SPME），SDE法在萃取過(guò)程中需要大量的有機(jī)溶劑，且需要在高溫下進(jìn)行，次生反應(yīng)比較激烈，所萃取出來(lái)的香氣成分在一定程度上不能真實(shí)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(jī)溶劑，它集采樣、加熱、萃取和解吸過(guò)程為一體，是一種比較理想的茶葉香氣成分分析技術(shù)。因此，我們對(duì)文獻(xiàn)中用HS-SPME法對(duì)不同類(lèi)型茶葉的香氣成分的研究進(jìn)行了總結(jié)，找出不同類(lèi)型茶葉對(duì)應(yīng)的一些重要香氣成分的分布比重情況，為進(jìn)一步探索茶葉香氣成分的形成機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。這些重要的揮發(fā)性化合物的相對(duì)含量檢出范圍如表1所示。

通過(guò)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(lèi)物質(zhì)為主（芳樟醇和香葉醇等），但紅茶中花果香味的酮類(lèi)物質(zhì)含量較綠茶高；烏龍茶中主要以橙花叔醇、吲哚、茉莉內(nèi)酯和α-法呢烯等具有典型茉莉花香味的物質(zhì)作為其特征性香扡成分；而具有陳香味的甲氧基苯類(lèi)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(shù)品種、加工工藝和環(huán)境條件等有關(guān)。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)不同類(lèi)別的茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，萜烯醇類(lèi)物質(zhì)的形成與葡萄糖苷酶水解茶樹(shù)體內(nèi)的葡糖苷有關(guān)；大多數(shù)酮類(lèi)化合物的形成與胡蘿卜素的氧化降解有關(guān)；大量存在于普洱茶中的甲氧基苯類(lèi)化合物的形成可能與微生物酶氧化降解丹寧酸和表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯形成有關(guān)等。再者，茶葉的香型可能是由一種或幾種香氣成分起主導(dǎo)作用，其余起協(xié)調(diào)支配作用，是內(nèi)含各種香氣成分比例恰當(dāng)?shù)木C合反映。茶葉的香氣成分受到栽培措施、栽培環(huán)境、茶樹(shù)種植及加工工藝等的影響。目前，已有很多文獻(xiàn)對(duì)不同加工工藝對(duì)茶葉品質(zhì)造成的影響進(jìn)行了總結(jié)，但是對(duì)茶葉香氣成分的合成途徑及一些關(guān)鍵化合物的形成機(jī)制的報(bào)道較少，對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的一些功效機(jī)制的總結(jié)電是空白。因此，全面對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制進(jìn)行了解，對(duì)穩(wěn)定茶葉質(zhì)量、增加茶葉附加值具有重要意義。

同時(shí)，末來(lái)對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的研究還應(yīng)朝以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1）目前，對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的生物合成途徑人多是參考其他植物中揮發(fā)性成分的合成途徑來(lái)進(jìn)行推斷的，盡管它們有一些相同之處，但茶葉揮發(fā)性成分十分復(fù)雜，影響其變化的因素非常多，因此其合成途徑可能會(huì)發(fā)生變化，后期應(yīng)進(jìn)一步研究茶葉中相關(guān)酶類(lèi)與揮發(fā)性成分形成及其變化的關(guān)聯(lián)性研究：

2）在茶葉的揮發(fā)性的生物合成途徑及形成過(guò)程中，一些關(guān)鍵酶的形成、鑒定、釋放以及與底物的相互作用等動(dòng)力學(xué)過(guò)程還有待進(jìn)一步研究；

3）茶葉揮發(fā)性成分可能的功效機(jī)制及其對(duì)人類(lèi)健康的益處還需進(jìn)一步探索和挖掘：

4）茶葉揮發(fā)性成分隨季節(jié)、土壤等的變化而變化的分子機(jī)制研究：

5）利用代謝組學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)學(xué)等研究手段，結(jié)合茶葉揮發(fā)性成分，對(duì)不同類(lèi)型、產(chǎn)地、發(fā)酵程度和年份的茶葉進(jìn)行區(qū)分和預(yù)測(cè)，為建立茶葉的質(zhì)量評(píng)估體系奠定理論基礎(chǔ)。

通過(guò)本文的總結(jié)，希望有更多的學(xué)者能對(duì)茶葉揮發(fā)性成分的形成機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的探索，為茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)和提供實(shí)踐指導(dǎo)。