黃 藩,劉 飛,唐曉波,羅 凡
(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所,四川 成都 610066)
萎凋是紅茶、白茶和烏龍茶等茶類制作加工的第一道工序,萎凋中的鮮葉作為離體活性組織,其呼吸作用和光合作用等生命活動(dòng)仍在進(jìn)行,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的代謝反應(yīng),對(duì)茶葉品質(zhì)的形成具有決定性作用[1]。光照作為一種能源物質(zhì)和信號(hào)分子,為鮮葉的物理反應(yīng)、生物代謝和化學(xué)變化等方面的促進(jìn),提供了必要的環(huán)境條件和能量需求[3]。萎凋效果受環(huán)境因子影響較大[4],我國(guó)烏龍茶加工有日光萎凋的傳統(tǒng)[5-6],茶葉春季生產(chǎn)正值南方梅雨季節(jié),時(shí)常遭遇陰雨潮濕天氣,無(wú)法進(jìn)行日光曬青,鮮葉萎凋效果得不到保證,所以人工光照技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,近年來(lái)補(bǔ)光技術(shù)也逐漸應(yīng)用到紅茶和白茶的萎凋工序中[7-8]。隨著茶葉加工技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展,鏑燈、白熾燈、紅外燈和LED燈(發(fā)光二級(jí)管)等人工光源均有應(yīng)用于光補(bǔ)償萎凋技術(shù)中,并取得了良好的效果,對(duì)不同茶類的萎凋效率、毛茶風(fēng)味及特征品質(zhì)成分的影響不同,已然成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。本文綜述了光照(可見(jiàn)光、紅外及遠(yuǎn)紅外光)對(duì)萎凋中鮮葉的生理、物理、化學(xué)特征和毛茶的感官品質(zhì)、化學(xué)品質(zhì)等方面的影響,以期對(duì)光萎凋技術(shù)的發(fā)展提供參考。
光作為一種能源物質(zhì)和信號(hào)分子,不但能夠調(diào)節(jié)植物體的生長(zhǎng)發(fā)育,而且對(duì)于萎凋中茶鮮葉的細(xì)胞代謝產(chǎn)物和主要酶類也起到一定的調(diào)控作用,影響了茶鮮葉主要品質(zhì)成分的積累[9]。
萎凋是鮮葉失水過(guò)程,鮮葉作為離體活性組織,其光合作用、蒸騰作用及呼吸作用仍在進(jìn)行。萎凋葉的光能利用率有限,凈光合速率會(huì)在達(dá)到峰值后持續(xù)下降,直至消失,已經(jīng)證實(shí)參與光子捕獲和電子運(yùn)輸?shù)牟町惐磉_(dá)蛋白質(zhì)在萎凋過(guò)程中是下調(diào)的[10]。有研究發(fā)現(xiàn),與無(wú)光相比,萎凋葉在人工光照5 min以內(nèi)會(huì)發(fā)生光響應(yīng),凈光合速率會(huì)在10~20min達(dá)到峰值[11],促進(jìn)萎凋進(jìn)程,且紅光和黃光的光響應(yīng)速度快于藍(lán)光。
光照能提高葉溫,促進(jìn)萎凋進(jìn)程[12-13],非可見(jiàn)光如遠(yuǎn)紅外光能明顯提高葉溫,但可見(jiàn)光如LED作為冷光源對(duì)葉溫提升有限。羅紅玉等[14]通過(guò)葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測(cè)定不同光質(zhì)萎凋中葉片光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散和分配等方面的情況,發(fā)現(xiàn)較之無(wú)光,藍(lán)光處理萎凋葉的NPQ(非光化學(xué)猝滅)和Y(NPQ)(調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量)最高,表示植物逆境耐受能力強(qiáng);紅光和黃光處理萎凋葉的逆境耐受能力居中。
光照對(duì)萎凋葉的呼吸作用也有影響,可促使萎凋葉氣孔導(dǎo)度增大,促進(jìn)大氣與葉肉細(xì)胞的氣體交換,葉內(nèi)水分快速散失,縮短萎凋時(shí)間,但不同光質(zhì)對(duì)氣孔導(dǎo)度無(wú)顯著影響[10]。但在萎凋葉失水的過(guò)程中,其呼吸速率卻有“下降—上升—平穩(wěn)”的趨勢(shì),并且藍(lán)光處理下的細(xì)胞呼吸速率高于紅光[17-18],與黃瓜葉片的光合放氧速率規(guī)律一致[19]。因?yàn)楣庹湛梢蕴岣呷~溫、促進(jìn)蒸騰作用和呼吸作用,所以萎凋葉的失水速率明顯加快,能提高萎凋效率。
光照可以加強(qiáng)萎凋葉的細(xì)胞膜透性,誘導(dǎo)鮮葉中某些氧化酶和水解酶活性的提高,促使大分子蛋白質(zhì)水解、多酚類化合物氧化,以及糖苷類等香氣前體物質(zhì)酶促降解,這些變化直接影響了萎凋葉中代謝物質(zhì)的變化,為后續(xù)生化反應(yīng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)[20]。通過(guò)iTRAQ技術(shù)已經(jīng)探明,與蛋白質(zhì)降解有關(guān)的差異表達(dá)蛋白在光照萎凋中多是上調(diào)的,與氨基酸合成有關(guān)的差異表達(dá)蛋白則相反[9]。萎凋結(jié)束時(shí)谷氨酸和天冬氨酸含量增加,因?yàn)檎{(diào)控天冬氨酸合成的酶(草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶)和谷氨酸合成的酶(谷氨酸合成酶)上調(diào)表達(dá),調(diào)控其分解轉(zhuǎn)化的精氨琥珀酸裂解酶、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天冬氨酸氧化酶和谷氨酰胺合成酶等下調(diào)表達(dá),導(dǎo)致萎凋結(jié)束時(shí)谷氨酸和天冬氨酸含量提高[21]。多酚氧化酶(PPO)是萎凋過(guò)程中的關(guān)鍵酶類,在自然萎凋條件下,PPO活性逐漸增強(qiáng),而人工光照能夠較大幅度增強(qiáng)PPO活性[22-23],直接影響了茶多酚組分的構(gòu)成比例,但由于茶樹品種、光強(qiáng)、光照時(shí)間及酶活檢測(cè)方法的不同,不同光質(zhì)對(duì)PPO活性提升的程度還有待進(jìn)一步研究[24-25]。在其它與茶多酚氧化有關(guān)酶類的研究[26-27]發(fā)現(xiàn),藍(lán)光和白光處理下的超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶 (GAT)和過(guò)氧化物酶 (POD)活性較高,紅光處理下則降低,與竹葉蘭[28]、遠(yuǎn)志[29]和丹參[30]等植物的研究結(jié)果類似。光萎凋過(guò)程中,與萜類代謝和長(zhǎng)鏈脂肪酸裂解有關(guān)的酶活性是增強(qiáng)的,相關(guān)基因表達(dá)均上調(diào),這是萎凋中出現(xiàn)青氣揮發(fā)和花香顯露現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)[31]。β-葡萄糖苷酶是一種對(duì)茶葉香氣的形成具有重要作用的水解酶類[32],以鍵合態(tài)糖苷形式存在于萎凋葉中的香氣前體在與β-葡萄糖苷酶大量接觸后,使得具有花香和水果香的萜烯醇類和芳香醇類化合物等游離態(tài)揮發(fā)性物質(zhì)得到大量的水解釋放,從而形成特征香氣。有研究表明,光照在前期促進(jìn)萎凋葉香氣相關(guān)酶基因上調(diào)表達(dá),在萎凋后期調(diào)控β-葡萄糖苷酶活性提高,進(jìn)而改善香氣品質(zhì)[33]。雖然紅光、藍(lán)光、黃光及紅藍(lán)混合光均能提高其活性,但紅光作用最明顯[34]。除了β-葡萄糖苷酶,E-烯醇合酶對(duì)橙花叔醇等香氣組分的形成有決定性作用,通過(guò)分子生物學(xué)手段已經(jīng)證實(shí)烏龍茶的日光萎凋處理極大增強(qiáng)了E-烯醇合酶的活性[35]。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光照萎凋后鮮葉中的橙花叔醇含量,呈現(xiàn)近紅外>紅光>藍(lán)光>無(wú)光的規(guī)律[36],可以猜測(cè)不同光波長(zhǎng)對(duì)E-烯醇合酶的活化作用不同。
萎凋過(guò)程中,氨基酸總量隨大分子蛋白質(zhì)水解的增加而不斷升高,相比無(wú)光萎凋,紅外光、紫外光、藍(lán)光、紅光以及白光萎凋處理離體茶鮮葉可以提高萎凋葉的氨基酸總量,且在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)鮮葉的氨基酸總量隨光強(qiáng)增大而上升,而藍(lán)紫光萎凋提高氨基酸含量的效果最明顯,與茶樹栽培上認(rèn)為的藍(lán)光照射會(huì)降低茶樹鮮葉的碳氮比,促進(jìn)蛋白質(zhì)、氨基酸的合成是一致的[37-38]。熊天[39]推測(cè)是由于藍(lán)光照射提高了植物體內(nèi)谷氨酸合成酶 (GOGAT)活性,促進(jìn)了氮循環(huán)而提高了植物體內(nèi)氨基酸的含量。但萎凋葉中20多種氨基酸組分的含量變化各異,茶葉中含量最高的氨基酸組分茶氨酸下降,而重要的呈味氨基酸谷氨酸和其他氨基酸組分升高[40]。不同光質(zhì)對(duì)氨基酸各組分的影響不同,與自然萎凋相比,紅光萎凋前期的磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、丙酮酸脫羧酶和蘋果酸脫氧酶的表達(dá)顯著低于自然萎凋,使萎凋后期L-天冬氨酸的含量極顯著低于自然萎凋;但紅光萎凋的谷氨酸含量顯著高于自然萎凋,雖然研究發(fā)現(xiàn)紅光萎凋的異檸檬酸脫氫酶表達(dá)顯著低于自然萎調(diào),不利于谷氨酸積累,但在萎凋后期,紅光處理的谷氨酸分解或轉(zhuǎn)化速率低于自然處理,使得紅光處理的谷氨酸含量得到一定程度的積累[41]。與紅光相比,藍(lán)光萎凋使茶氨酸下降幅度小于紅光;異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、賴氨酸、組氨酸、纈氨酸、脯氨酸、β-丙氨酸、色氨酸和天冬酰胺等含量增加小于紅光;而谷氨酸上升幅度卻大于紅光[29-42]。
光萎凋可以在一定程度上促進(jìn)茶多酚氧化分解,降低茶葉中苦澀味物質(zhì)的含量。有研究表明,遠(yuǎn)紅外光和紅光能較大幅度降低萎凋葉中茶多酚的含量,尤其是黃酮和酯型兒茶素。茶葉萎凋中出現(xiàn)的短波段光(藍(lán)光)促進(jìn)而長(zhǎng)波段光(紅光)抑制黃酮積累的現(xiàn)象,在萵苣、苦蕎和葡萄等瓜果作物中也有發(fā)現(xiàn)[44]。黃藩[45]研究了不同光質(zhì)萎凋下茶鮮葉的兒茶素組分動(dòng)態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)紅光處理的GC、EGC、EGCG、酯型兒茶素及兒茶素總量降低程度最大,相比無(wú)光萎凋,藍(lán)光萎凋也降低了酯型兒茶素的含量。而不同光質(zhì)對(duì)鮮葉代謝機(jī)理的影響機(jī)理并不清晰,很有可能是紅光激發(fā)酶的能力強(qiáng)于藍(lán)光,使得兒茶素的分解反應(yīng)加劇。郝亞利[46]研究也發(fā)現(xiàn)藍(lán)光萎凋中鮮葉的兒茶素總量與酯型兒茶素含量高于紅光照射。
可溶性糖在整個(gè)萎凋過(guò)程中呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)[47]??扇苄蕴呛康膭?dòng)態(tài)變化是糖類分解和呼吸作用,以及光合作用的共同結(jié)果,若提高萎凋光照的強(qiáng)度,淀粉酶、纖維素酶和果膠酶等內(nèi)源糖類水解酶[48]和呼吸相關(guān)酶類的活性越高[49],水溶性總糖含量則會(huì)降低[50]。咖啡堿的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,在茶葉初加工中含量變化較小。光照使萎凋后咖啡堿含量比鮮葉均略有增加,其中藍(lán)光處理的萎凋葉中咖啡堿含量較紅光較高[24,31]。乳酸、乙醇酸和磷酸丙酮酸等有機(jī)酸經(jīng)光照萎凋后,在萎凋葉中的含量明顯提高,尤其是藍(lán)光照射后萎凋葉中的乙醇酸含量遠(yuǎn)高于其它處理[29]。離體鮮葉受光萎凋后,葉綠素含量均有不同程度的降低,其中藍(lán)紫光、紅外光及紫外光處理下的萎凋葉的葉綠素降解較多,可能是由于光能氧化作用加速了葉綠素的破壞。所以感官審評(píng)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),光萎凋處理的烏龍茶葉底色澤較淺亮[36]。
茶葉的感官品質(zhì)一般從外形、湯色、香氣、滋味和葉底五個(gè)方面進(jìn)行判斷。不同光質(zhì)萎凋?qū)觚埐?、紅茶和白茶的毛茶感官品質(zhì)均有明顯促進(jìn)作用。各大茶類產(chǎn)區(qū)均經(jīng)常遇到雨水葉制成的茶葉香氣低滋味淡的難題,研究表明進(jìn)行光萎凋和熱風(fēng)配合萎凋,可以提高萎凋的效率和效果,提高成品茶的感官品質(zhì)[51]。日光、遠(yuǎn)紅外光、紅光、黃光、藍(lán)光及白光均可以極大提高福建烏龍茶的感官審評(píng)總分,且在香氣、滋味、湯色和葉底四個(gè)方面作用不同[52]。廣東烏龍茶用波長(zhǎng)>520 nm、光照強(qiáng)度為13725~16774 nm 的光波[53]進(jìn)行光萎凋 30 min,毛茶品質(zhì)最優(yōu)。對(duì)鐵觀音而言,在第1次和第2次搖青前進(jìn)行2次短時(shí)間補(bǔ)光萎凋,制成的鐵觀音品質(zhì)最優(yōu)[54]。白茶在數(shù)十小時(shí)萎凋后烘干即為毛茶,光照對(duì)毛茶感官品質(zhì)的影響更明顯。黃光萎凋的白茶帶有愉悅的花香,且茶湯入口帶香;藍(lán)光萎凋的白茶香氣清鮮、淡雅;綠光萎凋的白茶滋味醇厚;紅光萎凋的白茶帶青香,由此可見(jiàn)不同光萎凋制作的白茶風(fēng)格特征差別較大[18]。而光萎凋?qū)t茶感官品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在香氣和滋味上,橙光、黃光、紅光和藍(lán)光補(bǔ)光萎凋處理的紅茶,感官品質(zhì)優(yōu)于無(wú)光和其他光質(zhì)處理,甜香更加細(xì)膩持久,滋味更加甜醇鮮爽[39,55]。但紫外光和綠光萎凋?qū)t茶的香氣和滋味都有副作用,不建議用此單色光進(jìn)行紅茶萎凋[56]。
光萎凋可以改變毛茶中多種生化成分,但不同光質(zhì)在不同茶類中的作用不一。相比無(wú)光萎凋,光照可顯著提高紅茶、烏龍茶和白茶的氨基酸總量,尤其是藍(lán)光作用最明顯。而在氨基酸組分變化的研究中發(fā)現(xiàn),黃光可以顯著提高工夫紅茶中茶氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等呈味氨基酸的含量[29,57]。同時(shí),光萎凋能降低烏龍茶和工夫紅茶的茶多酚和咖啡堿的含量,有利于減低茶湯的苦澀味,且遠(yuǎn)紅外光和紅光的效果最明顯。但對(duì)白茶而言,光照卻顯著提高咖啡堿的含量。而不同光質(zhì)對(duì)茶多酚影響不同,黃光和藍(lán)光降低了茶多酚含量,而紅光、綠光、白光茶多酚含量升高。兒茶素是茶多酚中含量最高的組分,光照可以極顯著影響紅茶兒茶素總量水平,且黃光、橙光、藍(lán)光和紫外光提升效果最明顯,同時(shí)這四種光質(zhì)處理下毛茶的EGCG和ECG含量顯著高于無(wú)光處理。光照可以顯著提高烏龍茶毛茶中可溶性糖的含量,其中紅光對(duì)可溶性糖含量的作用最明顯[58]。但對(duì)紅茶的可溶性糖的影響卻不同,黃光、紅光和白光可以顯著提高可溶性糖的含量,但藍(lán)光和綠光等效果不明顯。而對(duì)水浸出物研究較少,其中光照可以顯著提高烏龍茶水浸出物含量,改善茶湯滋味品質(zhì),且有研究認(rèn)為相比單色光,混合光萎凋?qū)λ鑫锖吭黾有Ч蠲黠@[59]。
雖然茶葉揮發(fā)性香氣組分的相對(duì)含量?jī)H占干重的0.01%,但作為評(píng)價(jià)茶葉風(fēng)味品質(zhì)的重要次生代謝產(chǎn)物,直接決定和形成了茶葉品質(zhì)和風(fēng)味特征[46,60]。不同光質(zhì)萎凋?qū)γ璧南銡饪偭俊⒎N類及組成比例有一定影響。黃光照射能提高橙花叔醇等產(chǎn)生花香香型的特征組分在總香氣含量中的比例,促進(jìn)毛茶花香風(fēng)味的形成,在烏龍茶、紅茶和白茶的光照實(shí)驗(yàn)中已被多次證實(shí)[61-62]。除了橙花叔醇,吲哚作為另一種產(chǎn)生花香的特征組分,在鮮葉光萎凋過(guò)程中顯著增加,且紫外光對(duì)其促進(jìn)作用最明顯,為毛茶良好風(fēng)味的形成奠定物質(zhì)基礎(chǔ)[63]。相比無(wú)光萎凋,光照能提高毛茶的香氣總含量,增加毛茶的香氣種類,促使毛茶香氣特征較無(wú)光萎凋有較大改善。王登良等[64]研究發(fā)現(xiàn)用一定強(qiáng)度的橙光萎凋廣東烏龍茶,毛茶中會(huì)增加β-紫羅酮和紫羅蘭酮兩種良好的香氣組分。
開展光照在茶葉萎凋中應(yīng)用的研究,加強(qiáng)茶葉加工的全天候、自動(dòng)控制及精細(xì)化調(diào)控管理,對(duì)于保證茶產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)、智能、高效、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。光萎凋可以提高某些關(guān)鍵酶活性,促進(jìn)萎凋葉內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換,極大改善茶葉的香氣和滋味。人工補(bǔ)光光源的廣泛應(yīng)用,可以克服茶區(qū)雨季無(wú)法進(jìn)行曬青的難題,提高萎凋效率和效果。但在光萎凋技術(shù)的機(jī)理深化、工藝系統(tǒng)化和設(shè)備智能化等方面還有待進(jìn)一步研究。
光照技術(shù)在植物栽培、作物生產(chǎn)和組織培養(yǎng)等方面有普遍應(yīng)用,有關(guān)光照對(duì)植物的生物學(xué)效應(yīng)、生物化學(xué)機(jī)制以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面的研究發(fā)展迅猛[65-66],但有關(guān)光照對(duì)離體植物的影響機(jī)制卻鮮有報(bào)道。因此,為了深入研究光照對(duì)茶樹離體鮮葉生理代謝影響及差異蛋白變化,必須引入代謝組學(xué)和差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究策略,將不同層面上獲取的信息聯(lián)系起來(lái),從整體水平上研究離體茶鮮葉對(duì)光源照射的響應(yīng),闡明光照射脅迫下離體茶鮮葉的代謝調(diào)控途徑和關(guān)鍵調(diào)節(jié)位點(diǎn),揭示光照處理離體鮮葉對(duì)提高茶葉品質(zhì)的作用機(jī)制,為茶葉加工技術(shù)水平提升提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。
光試驗(yàn)研究應(yīng)綜合考慮3個(gè)要素:光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期,由于不同試驗(yàn)中研究對(duì)象、處理方法、光質(zhì)波長(zhǎng)和環(huán)境條件等因素的不同,導(dǎo)致得到的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同,甚至相反,所以目前大多數(shù)試驗(yàn)還是以探討某一光質(zhì)或不同組合光對(duì)某一茶類加工的影響,且集中在單波長(zhǎng)的單色光上,對(duì)多波長(zhǎng)的研究較少。在實(shí)際生產(chǎn)中尚未形成針對(duì)某一茶類特色需求的光質(zhì)、光強(qiáng)、光照周期的光補(bǔ)償萎凋工藝參數(shù)。除了光照因素,鮮葉質(zhì)量、環(huán)境溫度、濕度、含氧量、萎凋時(shí)間等都是影響鮮葉萎凋效果和效率的重要因素,但目前光照因子同其它諸多萎凋影響因子交互作用缺乏系統(tǒng)研究。所以關(guān)于不同因子的相互耦合研究,工藝研發(fā)向系統(tǒng)化方向發(fā)展,必將是實(shí)現(xiàn)茶葉全天候智能加工最為迫切的技術(shù)要求。
光萎凋設(shè)備多為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),存在品質(zhì)不穩(wěn)定、工藝匹配性差、自動(dòng)化程度低等共性技術(shù)問(wèn)題,但加工機(jī)械設(shè)備的智能化發(fā)展勢(shì)在必行,將對(duì)光萎凋設(shè)備的研制提出更高的要求[67]。萎凋光源的研發(fā)不斷變革,從日光萎凋發(fā)展到人工光照萎凋,包括可見(jiàn)光光照萎凋、紅外線萎凋及紫外線萎凋等。新型光源LED是通過(guò)化學(xué)能轉(zhuǎn)換成光能的元件,屬于冷光源,其具有耗能低、無(wú)污染、波長(zhǎng)穩(wěn)定和低發(fā)熱等光電特性優(yōu)點(diǎn),但其廣泛應(yīng)用受到高成本的嚴(yán)重限制。隨著LED光源制造成本的逐漸降低、技術(shù)的進(jìn)步以及國(guó)家對(duì)節(jié)能工程的進(jìn)一步重視,LED光源會(huì)廣泛應(yīng)用在光萎凋設(shè)備上。除了光源,還需要提升萎凋關(guān)鍵裝備的結(jié)構(gòu)、供熱方式、通風(fēng)方式和控制算法,優(yōu)化相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),形成茶葉專用,以適應(yīng)自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)的硬件要求[68]。