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(xué)食品與生物工程學(xué)院,陜西 西安 710021;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶樹生物學(xué)與資源利用重點實驗室,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,浙江 杭州 310008;3.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院,陜西 西安 710021;4.昆明七彩云南慶灃祥茶業(yè)股份有限公司,云南 昆明 650501)
白茶是我國特有的一種微發(fā)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(nèi)源酶的催化下,在制品發(fā)生輕微的發(fā)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(zhì)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(xù)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(hù)神經(jīng)細(xì)胞、保護(hù)小鼠肝臟和腦部組織免受急性氧化應(yīng)激損傷等[5-9],促進(jìn)了白茶的消費市場和生產(chǎn)區(qū)域不斷擴(kuò)大。目前,白茶的產(chǎn)區(qū)主要集中于我國福建,近年來云南白茶產(chǎn)量快速增長,主要分布于云南臨滄、景谷等地,據(jù)統(tǒng)計2018年景谷白茶產(chǎn)量已達(dá)145 t[10]。與福建白茶相類似,根據(jù)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(jìn)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(tài)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(xué)成分及生物活性進(jìn)行了探究[13-14],并解析福建白茶與云南白茶的化學(xué)成分差異[10,15]。在此之前,本課題組利用代謝組學(xué)方法對不同花色種類福建白茶的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)和滋味品質(zhì)貢獻(xiàn)成分進(jìn)行研究[16],但云南白茶化學(xué)成分方面的研究還相對較少。隨著云南白茶產(chǎn)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(zhì)譜(ultra-high performance liquid chromatographyquadrupole orbitrap mass spectrometry,UPLC-Q-Orbitrap-MS)技術(shù)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(jìn)行全面系統(tǒng)的解析,從“組學(xué)”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(chǎn)與消費提供化學(xué)成分方面的理論依據(jù)。
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(xié)會提供)。鮮葉采集后利用室內(nèi)萎凋槽進(jìn)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(jìn)行代謝組學(xué)分析前經(jīng)過磨碎處理,置于-20 ℃冰箱貯存?zhèn)溆谩?/p>
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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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
UPLC-Q-Exactive/MS儀 美國賽默飛世爾科技有限公司;S025粉碎研磨機(jī) 德國IKA公司;SQP電子天平賽多利斯科學(xué)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(jī) 德國Eppendorf公司。
1.3.1 樣品前處理
準(zhǔn)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(jīng)0.22 μm濾膜過濾,加超純水稀釋1 倍后進(jìn)行UPLC-Q-Exactive/MS分析[17]。每個茶葉樣品設(shè)置2個平行重復(fù),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(xué)過程的穩(wěn)定性。
1.3.2 UPLC-MS分析條件
云南白茶樣品代謝組學(xué)分析采用UPLC-Q-Exactive/MS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)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(zhì)譜條件:采用電噴霧離子源;檢測模式:正離子模式;毛細(xì)管電壓3.5 kV;毛細(xì)管溫度300 ℃;輔助氣溫度和流速分別為350 ℃和10 L/min;質(zhì)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(biāo)法對樣品中兒茶素、茶氨酸、咖啡堿、黃酮糖苷類化合物進(jìn)行含量測定。兒茶素類化合物采用表型兒茶素EGCG、ECG、EGC、EC標(biāo)樣進(jìn)行定量;茶氨酸、咖啡堿、山柰酚-3-葡萄糖苷等分別使用對應(yīng)標(biāo)樣進(jìn)行定量。
UPLC-Q-Exactive/MS分析得到的原始圖譜采用Compound Discoverer 3.2軟件進(jìn)行峰匹配與峰面積提取。采用SIMCA-P 14.1(Umetrics,瑞典)進(jìn)行有監(jiān)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(jìn)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。
經(jīng)峰匹配與校準(zhǔn)后共得到4 415個化合物離子用于后續(xù)的分析。通過與標(biāo)準(zhǔn)品比較、一級質(zhì)譜、二級質(zhì)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(jī)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(zhì)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(xù)表2
續(xù)表2
2.2.1 主成分分析
為評價不同花色種類云南白茶化學(xué)成分的差異,將得到的化合物離子導(dǎo)入SIMCA-P 14.1進(jìn)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(xiàn)出顯著的分離趨勢,該結(jié)果充分表明云白毫、月光白一級、月光白二級、云壽的化學(xué)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(xiàn)值。VIP值越大,說明對PLS-DA模型的分類貢獻(xiàn)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(jié)合載荷圖(圖1b)發(fā)現(xiàn)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(cè);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(cè)。
圖1 不同花色種類云南白茶化學(xué)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(jìn)一步闡明不同花色種類云南白茶化學(xué)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(jìn)一步將76個顯著差異化合物導(dǎo)入MeV4.7.4軟件做熱圖聚類分析,結(jié)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(lán)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(hù)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(fā)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(jié)果與前期在福建白茶中的結(jié)果一致[16]。大多數(shù)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(guān)[20]。此外,前期研究結(jié)果表明EGCG、ECG在白茶茶湯中的味道強(qiáng)度值大于1,是白茶滋味的主要貢獻(xiàn)成分[16]。因此,具有較高兒茶素含量的云白毫可能具有較強(qiáng)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(jīng)過多種酶的催化作用,茶葉內(nèi)兒茶素類化合物發(fā)生一系列的聚合、縮合等反應(yīng)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(chǎn)物[2,21]。原花青素是黃烷-3-醇的二聚體和低聚體產(chǎn)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(fā)現(xiàn),未發(fā)酵綠茶中的原花青素含量最高,其次是輕微發(fā)酵的白茶和完全發(fā)酵的紅茶,在萎凋和發(fā)酵過程中會導(dǎo)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(chǎn)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(yōu)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(xiàn)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(xiàn)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??傮w而言,二聚兒茶素類化合物均在云南白茶的云白毫中表現(xiàn)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(zhì),對茶葉的風(fēng)味品質(zhì)具有重要的貢獻(xiàn)[23]??Х纫蛟诓枞~中的含量相對穩(wěn)定,占茶葉干質(zhì)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??煽蓧A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(zhì),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(fā)現(xiàn)一些其他的生物堿類物質(zhì)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(zhì)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??傮w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(qiáng)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(xiàn)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?;狞S酮糖苷在云白毫中表現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果一致[16]。
2.2.7 氨基酸和脂質(zhì)類化合物
氨基酸是茶葉中的主要化學(xué)成分之一,游離氨基酸含量約占茶葉干質(zhì)量的1%~4%,賦予了茶葉一定的鮮味和香氣,同時使茶湯呈現(xiàn)鮮爽醇和的特征。一般認(rèn)為氨基酸含量較高的茶葉具有較好的風(fēng)味品質(zhì)[27-28]。有研究表明,白茶在長時間的萎凋過程中會導(dǎo)致蛋白質(zhì)分解而產(chǎn)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(fā)現(xiàn)茶氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸含量與福建白茶的鮮味強(qiáng)度呈正相關(guān)[16]。另外,本研究中鑒定出具有顯著差異的脂質(zhì)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(zhì)與茶葉的鮮味呈正相關(guān)[29],脂質(zhì)與云南白茶的鮮味是否具有關(guān)聯(lián)還需要進(jìn)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?;瘍翰杷氐乃舛e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(qiáng)L-谷氨酸鈉的鮮味強(qiáng)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??鼘幩岷?-香豆??鼘幩嵩谠茐酆桶啄档ぶ泻肯鄬^高。這與前期福建白茶中的研究結(jié)果一致,此外統(tǒng)計分析表明沒食子酸和4-香豆??鼘幩岷颗c福建白茶的苦澀味強(qiáng)度呈正相關(guān)[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
應(yīng)用基于UPLC-Q-Exactive/MS的代謝組學(xué)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(jìn)行了系統(tǒng)分析,該方法準(zhǔn)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(zhì)類化合物等。通過PLS-DA模型發(fā)現(xiàn)不同花色種類云南白茶的化學(xué)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(jié)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)上升趨勢;這些化合物可能會賦予低等級云南白茶較強(qiáng)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(xiàn)出相對較高的含量。本研究采用代謝組學(xué)方法較為系統(tǒng)全面地闡明了不同花色種類云南白茶的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)差異,為云南白茶的感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值的研究以及等級判別提供理論依據(jù)。