紅茶菌的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

李如意，尹軍峰，鄒 純，*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，浙江 杭州 310008； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081)

紅茶菌是一種傳統(tǒng)的功能性飲料，它是由酵母聯(lián)合醋酸菌發(fā)酵茶糖水而制成[1]。紅茶菌菌液中富含茶多酚、葡萄糖酸、葡萄糖醛酸、醋酸、乳酸、D-葡萄糖二酸-1，4-內(nèi)酯等活性物質(zhì)[2-3]，具有抗氧化、抑菌、解毒抗癌等功效。紅茶菌是一種歷史悠久的茶飲料，它的出現(xiàn)最早可以追溯到我國秦朝時期，之后陸續(xù)流傳到日本、俄羅斯、德國等地。近幾年，紅茶菌在北美、澳洲和歐洲等地區(qū)迅速發(fā)展，星巴克、可口可樂、百事公司等多家飲料巨頭相繼進(jìn)軍紅茶菌領(lǐng)域[4]。北美地區(qū)成為紅茶菌最大的消費(fèi)市場，占據(jù)全球的39.4%[5]。預(yù)計(jì)到2025年，紅茶菌飲料的國際市場規(guī)模將達(dá)到35億～50億美元[6-8]，其發(fā)展前景廣闊。

盡管紅茶菌在我國飲用歷史悠久，但它在國內(nèi)的生產(chǎn)還停留于家庭式、作坊式的階段。在這些粗放式生產(chǎn)中紅茶菌容易出現(xiàn)雜菌污染、品質(zhì)不穩(wěn)定等問題，導(dǎo)致市場上鮮有具備較強(qiáng)競爭力的產(chǎn)品，國內(nèi)市場占有率也很低。隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對紅茶菌的認(rèn)識和研究也逐步深入，這為紅茶菌的產(chǎn)業(yè)化提供了理論依據(jù)。在此背景下，本文梳理和總結(jié)了近年來紅茶菌在微生物組成及其共生關(guān)系、發(fā)酵影響因素與保健功能等方面的研究現(xiàn)狀，提出了目前紅茶菌研究中主要存在的問題，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 紅茶菌微生物的研究現(xiàn)狀

1.1 紅茶菌的微生物組成

醋酸菌和酵母菌是紅茶菌中的主要菌種，少數(shù)紅茶菌還含有乳酸菌。研究者們從紅茶菌中分離得到的主要細(xì)菌和酵母如表1所示。不同文獻(xiàn)報(bào)道的紅茶菌菌種組成存在一定差異，一般是由多種醋酸菌與酵母菌形成的共生體，少數(shù)研究者還在紅茶菌中發(fā)現(xiàn)了乳酸菌。

1.2 紅茶菌中各微生物間的共生關(guān)系

醋酸菌、酵母菌、乳酸菌為紅茶菌中的共生菌落，它們通過相互間的合作與競爭關(guān)系使紅茶菌產(chǎn)生大量的活性成分。酵母菌作為“啟動子”，在發(fā)酵初期(0～3 d)將蔗糖水解成葡萄糖和果糖，并通過進(jìn)一步糖酵解產(chǎn)生乙醇[38]。當(dāng)培養(yǎng)液中含有葡萄糖和乙醇后，醋酸菌開始大量繁殖，它能將葡萄糖和乙醇分別轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸和乙酸[39]。乙酸的存在會刺激酵母菌產(chǎn)生乙醇，乙醇的生成能刺激醋酸菌產(chǎn)生更多乙酸[40]。乳酸菌是一種益生菌，它能利用酵母菌的部分代謝物如維生素和蛋白質(zhì)等進(jìn)行生長繁殖，并產(chǎn)生一定量的乳酸。培養(yǎng)液中含有一定量的乙醇后乳酸菌逐漸衰弱，酵母菌重新繁殖并占絕對優(yōu)勢[41]。

2 紅茶菌發(fā)酵的影響因素

2.1 原料對紅茶菌發(fā)酵的影響

紅茶菌的發(fā)酵原料主要包括茶葉和糖類。研究者主要分析了不同茶葉種類與濃度、糖源種類與濃度對紅茶菌品質(zhì)的影響，也有一些研究者將果蔬汁或中草藥等植物提取物應(yīng)用于紅茶菌的培養(yǎng)，形成特殊的風(fēng)味或功效。

在茶葉種類選擇方面，紅茶或綠茶通常是紅茶菌發(fā)酵的底物；后來研究者們開始利用黑茶、烏龍茶發(fā)酵紅茶菌，并研究比較了紅茶、綠茶、黑茶、烏龍茶在紅茶菌發(fā)酵過程中對其功能性成分含量和菌膜生長的影響。孫協(xié)軍等[42]研究發(fā)現(xiàn)，紅茶菌總酸和蛋白質(zhì)含量在以紅茶、綠茶、烏龍茶、黑茶作為發(fā)酵原料時相近，多酚含量和糖度在以綠茶或紅茶作為發(fā)酵原料時相對較高。過慈妹[43]研究發(fā)現(xiàn)，以綠茶為原料發(fā)酵紅茶菌形成菌膜的時間較紅茶短，且菌膜量較紅茶增加；而菌膜量在以烏龍茶為發(fā)酵原料時較少，黑茶作為發(fā)酵原料時則無菌膜長出。就抑菌物質(zhì)而言，紅茶菌在不同種類茶湯中發(fā)酵對抑菌物質(zhì)的最終形成影響不大。茶汁濃度也是影響紅茶菌發(fā)酵的重要因素，濃度過低可能導(dǎo)致產(chǎn)品的茶味不足，濃度過高則可能抑制紅茶菌生長。王榮榮等[44]發(fā)現(xiàn)，茶汁濃度低于0.9%時，隨著茶汁濃度的增加菌膜生成量增加，茶汁濃度大于0.9%后菌膜的生成量下降。這可能是由于茶多酚物質(zhì)含量的增加在一定程度上會抑制紅茶菌中微生物的生長，所以當(dāng)紅茶菌茶汁濃度過大后，菌膜的生成量開始下降[44]。袁磊等[40]研究發(fā)現(xiàn)，茶葉添加量越大，產(chǎn)酸率越高。綜上所述，茶汁中的氨基酸、維生素、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)能夠促進(jìn)紅茶菌的生長，但其中的茶多酚等物質(zhì)在濃度較高時會抑制紅茶菌的生長，此外，茶汁濃度還影響了紅茶菌的風(fēng)味品質(zhì)。因此，在紅茶菌的制備中需將茶葉添加量控制在合適的范圍。在糖源種類與濃度選擇方面，研究者主要比較了紅糖、蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖等糖源對紅茶菌主要成分和pH的影響，并進(jìn)一步分析了不同糖濃度對紅茶菌產(chǎn)酸率和感官品質(zhì)的影響。孫協(xié)軍等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在以紅糖、蔗糖、葡萄糖作為糖源發(fā)酵的紅茶菌中，紅糖發(fā)酵的紅茶菌茶多酚與蛋白質(zhì)含量最低，pH最高；蔗糖、葡萄糖發(fā)酵的紅茶菌蛋白質(zhì)含量、pH沒有差異，但蔗糖發(fā)酵的紅茶菌茶多酚含量高于葡萄糖發(fā)酵的紅茶菌中茶多酚含量。Reiss[45]在20～22 ℃條件下研究不同濃度不同糖源(蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖)對紅茶菌pH和代謝產(chǎn)物的影響，結(jié)果表明，果糖和蔗糖能產(chǎn)生較多的乙醇，而葡萄糖則產(chǎn)生少量的乙醇。在糖添加量對紅茶菌的影響方面，袁磊等[40]發(fā)現(xiàn)，糖添加量較低時紅茶菌味淡色淺，糖添加量較高時紅茶菌過甜色深，并且較高的糖添加量會形成高滲透壓，從而抑制微生物的生長，故不宜添加高濃度的糖。

表1 紅茶菌共生體系中的微生物組成

此外，為了賦予紅茶菌更好的保健功效，近年來出現(xiàn)了許多將果蔬汁或中草藥等植物提取物應(yīng)用于紅茶菌培養(yǎng)的報(bào)道。比如往紅茶菌中分別添加肉桂[46]、小麥草汁[47]、葡萄汁[48]、各類水果[49]、老山芹汁[50]、枸杞金銀花[51]、紅棗汁[52]和石榴汁[53]等等，使得制備的紅茶菌口感獨(dú)特，香氣各異，且營養(yǎng)成分和抗氧化活性得到改善。

2.2 培養(yǎng)條件對紅茶菌發(fā)酵的影響

近年來，有關(guān)紅茶菌培養(yǎng)條件的研究主要集中在研究發(fā)酵溫度、pH與通氣方式對紅茶菌品質(zhì)的影響。

培養(yǎng)溫度對紅茶菌中菌種的生長、產(chǎn)酸、菌膜生成和紅茶菌口味等均有影響。就菌種生長溫度而言，26～30 ℃為酵母菌的最適生長溫度[34]，醋酸菌在28 ℃時生長最快，但不得超過40 ℃[54]。在產(chǎn)酸與代謝物方面，實(shí)驗(yàn)表明，菌種在紅茶菌中發(fā)酵產(chǎn)酸的最佳溫度是30 ℃[54]。分別在22、30 ℃發(fā)酵紅茶菌，在30 ℃下紅茶菌發(fā)酵產(chǎn)生的酸、葡萄糖、果糖和維生素C含量更高[55]；這可能是由于30 ℃條件下菌種生長速度加快，代謝物生成量增多。喬宏萍等[56]分別在20、25、30、35 ℃下發(fā)酵紅茶菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在20 ℃下紅茶菌的菌膜產(chǎn)生較少且口味差，隨著發(fā)酵溫度的升高，菌膜生成與口味均有改善。

pH是影響紅茶菌發(fā)酵的最重要環(huán)境參數(shù)之一，它會影響紅茶菌菌種的生長和抑菌效果。王麗麗等[57]研究表明，低酸條件可促進(jìn)紅茶菌的生長繁殖，但pH過低則不利菌種的生長。醋酸菌可耐受的pH范圍是3.6～6.3，酵母菌的最佳pH取決于菌株種類，但平均范圍在4.5～6.5[58]。張虎成等[59]研究發(fā)現(xiàn)，抑菌圈在pH為7時最小，當(dāng)pH<7時，抑菌圈隨pH的逐漸增大而減小，當(dāng)pH>7時，抑菌圈隨pH的升高又逐漸增大。由于較低pH會導(dǎo)致飲料的總體感官品質(zhì)下降，故應(yīng)合理把握紅茶菌飲料的pH；有研究表明，當(dāng)總酸度達(dá)到4～5 g·L-1時，獲得的酸性飲料令人愉悅[60]。

傳統(tǒng)的紅茶菌采用的是靜止培養(yǎng)的方式，但一些研究者發(fā)現(xiàn)，通過振蕩通氣的方式可加速紅茶菌生長、降低菌膜的生成量并提高紅茶菌產(chǎn)率。醋酸菌、酵母菌作為紅茶菌中的主要菌種，在氧氣存在的情況下能更好地將葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙酸、乙醇等物質(zhì)，并為乳酸菌的生長提供豐富的營養(yǎng)基質(zhì)[61]，故通氣方式在紅茶菌菌種的生長中發(fā)揮著重要的作用。王碩等[62]研究表明，振蕩通氣培養(yǎng)可以促進(jìn)菌群生長(酵母菌和木醋酸菌數(shù)量分別是靜止培養(yǎng)時的3倍和4倍)，抑制菌膜生成，從而減少糖類等碳源物質(zhì)的損耗。李昊燃[63]研究表明，靜態(tài)培養(yǎng)的菌膜呈薄膜狀且產(chǎn)量高，而振蕩培養(yǎng)的菌膜呈絲帶狀或者絮狀且持水性比靜態(tài)培養(yǎng)好。綜上所述，通氣方式對紅茶菌的生長和產(chǎn)酸、菌膜的產(chǎn)量和性質(zhì)均具有較大影響。

2.3 菌種組成對紅茶菌發(fā)酵的影響

傳統(tǒng)的紅茶菌培養(yǎng)方式是在煮沸過的糖茶水中加入帶有菌膜的紅茶菌液，并對其進(jìn)行靜置培養(yǎng)。這種方式發(fā)酵時間長，易染雜菌，且由于紅茶菌中復(fù)雜的微生物組成導(dǎo)致紅茶菌口味不盡相同，難以滿足標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的需要[39]。為早日實(shí)現(xiàn)紅茶菌工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，近年來出現(xiàn)的“從紅茶菌和自然界中篩選適合生產(chǎn)紅茶菌的純菌種并進(jìn)行組合搭配”成為研究的一個新思路。

研究表明，純菌混合發(fā)酵技術(shù)對紅茶菌發(fā)酵具有縮短培養(yǎng)周期、促進(jìn)功能性成分生成、提高部分保健功效的作用。王鴻志等[64]和林娟等[65]以不同的菌種組合發(fā)酵紅茶菌，與傳統(tǒng)紅茶菌相比，紅茶菌的發(fā)酵時間縮短，且滋味爽口、風(fēng)味獨(dú)特。Nguyen等[36]從傳統(tǒng)紅茶菌中篩選適合生產(chǎn)葡萄糖醛酸的酵母與醋酸菌，并將篩選出的酵母DekkerabruxellensisKN89與醋酸菌Gluconacetobacterintermedius按4：6(2種菌的活細(xì)胞數(shù)比)混合發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵7 d紅茶菌中可生成175.8 mg·L-1的葡萄糖醛酸，這為安全生產(chǎn)富含葡萄糖醛酸的紅茶菌提供了參考。Wang等[66]研究表明，用巴氏醋桿菌、木葡糖醋桿菌和拜氏接合酵母混合發(fā)酵獲得的紅茶菌比各菌株單獨(dú)發(fā)酵的菌液具有更高濃度的有機(jī)酸。陳雪嬌等[67]采用自主篩選的醋酸菌純種和市售純菌酵母菌、乳酸菌進(jìn)行紅茶菌飲品改良發(fā)酵，以及傳統(tǒng)產(chǎn)膜紅茶菌發(fā)酵，對比有效成分發(fā)現(xiàn)，菌種組合搭配生成的紅茶菌發(fā)酵液產(chǎn)酸能力、抗超氧陰離子自由基能力、游離氨基酸、8種必需氨基酸生成能力和SOD活性較傳統(tǒng)的紅茶菌液有明顯的改善。王國增等[68]將釀酒酵母、葡糖醋桿菌和植物乳桿菌按體積比1∶1∶1菌種配比進(jìn)行復(fù)配，得到的紅茶菌具有較強(qiáng)的抗氧化能力。另外，不同菌種之間混合培養(yǎng)時，微生物之間會因?yàn)榇x途徑和代謝能力的不同而相互促進(jìn)或抑制[69]。

總之，深入研究培養(yǎng)條件、菌種、原料對紅茶菌發(fā)酵的影響是實(shí)現(xiàn)紅茶菌的工業(yè)化應(yīng)用、統(tǒng)一紅茶菌工業(yè)化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

3 紅茶菌的保健功能研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對于紅茶菌保健功能的研究主要集中在抗氧化、抑菌、護(hù)肝、提高免疫力和防癌抗癌等方面。

3.1 抗氧化功能

3.2 抑菌功能

紅茶菌液對霉菌等真菌的抑制作用有限，但對革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌具有明顯的抑制作用[75]。目前已報(bào)道的可被紅茶菌抑制的微生物有大腸埃希菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、腸炎沙門氏菌、痢疾志賀氏菌、單增李斯特菌、熒光假單胞菌、致病性大腸埃希菌、產(chǎn)毒性大腸埃希菌、豬霍亂沙氏桿菌、蠟狀芽孢桿菌、大腸埃希菌、幽門螺桿菌、根瘤膿桿菌、雞沙門氏菌、霍亂弧菌等[68，73，79-82]。研究表明，紅茶菌的抑菌作用主要來源于茶多酚、共生體系在代謝過程中形成的乙酸、葡萄糖酸二酸等代謝產(chǎn)物和多種微生物共同作用形成的抗菌蛋白等[83]。申瑞瑞等[84]通過熱處理試驗(yàn)和低溫濃縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紅茶菌發(fā)酵液中可能存在對熱敏感的抑菌活性物質(zhì)，例如多肽類或蛋白類物質(zhì)。李璐路[83]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度酸性物質(zhì)和抑菌蛋白的共同作用使得紅茶菌發(fā)酵液有抑菌效果，且發(fā)酵液總蛋白濃度與抑菌效果呈正相關(guān)。王恩智等[85]研究表明，茶多酚對金黃色葡萄球菌和普通變形桿菌(尤其是腸道致病菌)具有不同程度的抑制和殺傷作用，其中對金黃色葡萄球菌的最低抑制濃度為62.5 mg·mL-1。Greenwalt等[86]和Steinkraus等[87]研究表明，乙酸是紅茶菌發(fā)酵液里具有抑菌作用的重要物質(zhì)，乙酸等有機(jī)酸可降低溶液的pH，進(jìn)而導(dǎo)致酸度引起的缺氧，這可能是致病菌受到抑制的一個重要原因[88]。

3.3 護(hù)肝功能

紅茶菌的護(hù)肝作用是由于其中的抗氧化成分對肝臟起了抗氧化作用或通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激等實(shí)現(xiàn)的，但也有研究認(rèn)為D-葡萄糖二酸-1，4-內(nèi)酯是紅茶菌護(hù)肝作用的關(guān)鍵成分[76]。Lee等[89]研究表明，紅茶菌可通過影響脂質(zhì)代謝來保護(hù)肝細(xì)胞免受脂質(zhì)毒性。吳雅茗等[90]研究發(fā)現(xiàn)，紅茶菌菌液對四氯化碳導(dǎo)致的小鼠急性肝損傷有保肝降酶的作用，該作用可能與提高小鼠肝臟抗氧化損傷能力有關(guān)。Wang等[76]研究表明，紅茶菌能對乙酰氨基酚誘導(dǎo)的ICR小鼠急性肝損傷起到改善的作用，這可能得益于D-葡萄糖二酸-1，4-內(nèi)酯。此外，葡萄糖醛酸能與肝臟中的毒素分子結(jié)合，并將它們從機(jī)體中清除，從而起到護(hù)肝的功效[88]。

3.4 提高免疫力功能

紅茶菌不僅能促進(jìn)免疫相關(guān)基因的表達(dá)，還可以增強(qiáng)免疫細(xì)胞活性。王春龍[91]將不同濃度的紅茶菌凍干產(chǎn)物灌給免疫力低下的小鼠，通過qRT-PCR方法發(fā)現(xiàn)，枸杞金銀花紅茶菌發(fā)酵飲料可促進(jìn)IL-2、IL-6、IFN-γ、Cox-2、Mcl-l和Bcl-xL等與免疫相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。Wang等[92]研究表明，高中劑量的紅茶菌能夠增強(qiáng)腹腔巨噬細(xì)胞功能和淋巴細(xì)胞增殖活性，是一種有效的免疫調(diào)節(jié)劑。李波清等[93]研究發(fā)現(xiàn)，對小鼠長期進(jìn)行紅茶菌灌胃處理可增強(qiáng)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的吞噬功能，并明顯提高小鼠自然殺傷細(xì)胞的殺傷活性。

3.5 防癌抗癌功能

紅茶菌中起抗癌作用的主要成分是D-葡萄糖二酸-1，4-內(nèi)酯，有研究認(rèn)為它能抑制與癌癥發(fā)生有關(guān)的β-葡聚苷酸酶的活性，從而減少致癌物的生成[94]。另外，部分研究者對紅茶菌抗癌機(jī)制進(jìn)行了研究。比如Srihari等[95]研究發(fā)現(xiàn)，紅茶菌通過降低血管生成刺激物的表達(dá)可顯著降低前列腺癌細(xì)胞的存活率；俸毅等[96]發(fā)現(xiàn)，紅茶菌菌液能夠快速降解亞硝酸鹽，并在降解過程中產(chǎn)生大量的NO，從而對預(yù)防胃腸癌起到一定的保健作用。此外，紅茶菌可以降低胃的pH，這對胃腸道中的有害菌如幽門螺桿菌等有拮抗作用，還可預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)生[97]。

4 問題與展望

近年來，雖然人們對紅茶菌在微生物組成、營養(yǎng)成分、發(fā)酵制備技術(shù)、保健功能等方面進(jìn)行了廣泛研究，但是紅茶菌的研究目前還存在以下不足：(1)研究者對紅茶菌中小分子的功能性成分(如有機(jī)酸、酯類)分析得比較透徹，但對一些活性大分子(如抗菌肽)的種類、形成機(jī)制研究較少且不深入；(2)隨著高通量測序技術(shù)的日益成熟，紅茶菌中的微生物組成已基本明確，但這些復(fù)雜的微生物中究竟哪些菌起益生作用，起何種益生效果尚不明確；(3)當(dāng)前紅茶菌的研究大部分采用玻璃杯、搖瓶等簡單容器進(jìn)行相對粗放的培養(yǎng)，缺乏應(yīng)用發(fā)酵罐精準(zhǔn)控制的研究，對紅茶菌的規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化制備參考價值相對較?。?4)由于茶多酚的氧化絡(luò)合、微生物的代謝和衰亡等原因，導(dǎo)致紅茶菌存在產(chǎn)品穩(wěn)定性較差的問題，這也是限制其產(chǎn)業(yè)化的重要因素。

隨著人們對健康品質(zhì)需求的日益增加，風(fēng)味獨(dú)特且具有多種保健功效的紅茶菌正在飛速發(fā)展，并推動著茶飲料行業(yè)的升級。今后紅茶菌的發(fā)展方向主要包括以下幾個方面：(1)系統(tǒng)探明紅茶菌發(fā)酵中微生物組成的變化規(guī)律和目標(biāo)代謝物的形成機(jī)制，通過特定菌種的組合、精準(zhǔn)的發(fā)酵調(diào)控實(shí)現(xiàn)紅茶菌的標(biāo)準(zhǔn)化制備；(2)豐富紅茶菌的產(chǎn)品形式，開發(fā)菌種存活率高、產(chǎn)品穩(wěn)定性好的粉劑或片劑；(3)明確紅茶菌的抑菌機(jī)制，促進(jìn)其在天然、安全食品防腐劑或添加劑等方面的開發(fā)和應(yīng)用；(4)紅茶菌合成的細(xì)菌纖維素是一種高機(jī)械強(qiáng)度、持水性強(qiáng)、生物相容性好的高分子納米材料，加強(qiáng)其合成機(jī)制和性能改良的研究，拓展其在化妝品、紡織、醫(yī)學(xué)材料等方面的應(yīng)用。