红茶中香气物质的形成及工艺对其影响的研究进展

张娅楠,欧伊伶,覃 丽,缪有成,萧力争

(湖南农业大学园艺园林学院,国家植物功能成分利用工程技术研究中心,茶学教育部重点实验室,湖南省植物功能成分利用协同创新中心,湖南长沙 410128)

香气作为茶叶感官审评的重要指标之一,往往对于品饮者或消费者有重要的导向功能,常被用作红茶品质划分等级的指标。红茶中芳香物质虽然含量仅有0.01%～0.03%,但其种类繁多,目前已检测出的红茶香气物质多达400多种。红茶的香型包含花果香如祁门红茶[1]、桔糖香如黄金白露[2]、松烟香如正山小种[3]等,香型的差异主要受到芳香物质含量、种类、比例及其强度因子的影响。红茶香气的形成主要是在加工过程中通过糖苷类水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反应、脂肪酸的氧化以及β-胡萝卜素降解转化产生,这部分香气化合物的形成与加工方式密切相关。另外,部分香气的形成是茶树通过甲羟戊酸、莽草酸等生物途径合成[4],这部分香气中以萜烯类化合物含量最多,且它的形成受到茶树的生长环境、季节、栽培方式、茶树品种特性等因子的影响。此外外源诱导如昆虫[5]、外源酶的添加[6]等也会对茶叶香气的形成造成影响。随着香气物质提取分离、成分鉴定技术的愈加成熟、相关学科的交叉发展,对茶叶在加工过程中香气变化的研究不断深入。为改善红茶香气,提高红茶品质,本文从红茶香气物质形成的反应类型及加工工艺对香气物质形成的影响进行综述,以期为红茶的加工提供理论基础。

图1 糖苷类水解机制

1 红茶香气物质形成的反应类型

1.1 糖苷类水解

糖苷是茶树在生长过程中经次级代谢形成的一类由单糖或寡糖的半缩醛羟基与-OH、-NH2及-SH等构成的稳定的香气物质前体,主要储存在茶树鲜叶组织中,一般梗中含量多于叶中[7]。目前的研究表明,不同季节鲜叶中的糖苷种类是不同的,春季以萜烯醇类糖苷为主,其含量可以达到72.01%～96.41%[8]。随季节的变化,秋季芳香族醇和脂肪族醇糖苷含量明显增多,夏季最少[9]。鲜叶在采摘或是加工过程中,由于受到外界机械作用,细胞分室遭到破坏,位于细胞壁的β-樱草糖苷酶、β-葡萄糖苷酶中的CsGH5BG1以及分别位于细胞基质和液泡中的CsGH1BG1和CsGH3BG1与液泡中的糖苷类香气前体[10-11]一旦接触便开始水解,释放出挥发性苷元,参与红茶香气的构成。

图2 氨基酸的Strecker降解的机制

糖苷类物质的水解经历酶的糖基化及酶的去糖基化。糖苷酶的活性中心有两个羧基,首先是酶分子上的亲核羧基进攻糖基上非还原端的碳原子,另一个羧基基团上的氢被糖苷键上的氧亲核进攻形成质子化羰基,糖基-酶中间物由此形成,此过程酶被糖基化;接着质子化的羰基亲核攻击水分子上的氢,而水分子上的羟基亲核攻击糖基-酶中间体的糖基上的碳原子,糖被去糖基化,生成了糖基及配基并使酶回复其初始的质子化态,则完成了水解过程[12-13]。酶水解的位置为糖苷键的C-O键。在酶的糖基化过程中,酶分子上的活性中心对底物具有选择性,决定了糖苷酶对底物的专一性[14]。相比β-葡萄糖苷酶,β-樱草糖苷酶在配基、糖基及糖苷键上表现出更严格的专一性[15]。有研究表明,红茶加工中β-樱草糖苷酶在香气前体水解过程中起着至关重要的作用,β-樱草糖苷酶活性及其释放的香气物质含量均高于β-葡萄糖苷酶,且鲜叶中高含量的樱草糖苷在加工后明显减少,而葡萄糖苷含量却仍为鲜叶中含量的70%[16-17]。

1.2 氨基酸的降解和美拉德反应

干燥期间,干燥叶中的氨基酸、肽、蛋白质等含氮化合物与醛、酮、还原糖的羰基发生缩合、环化反应,生成极不稳定的中间产物N-糖基胺,在阿马多利(Amadori)重排下,生成1-氨基-1-脱氧-2-酮糖(ARP),此过程虽不会使茶叶产生香气物质,但其产物却是不挥发性香气物质的前体。ARP在低pH(≤7)下,经过1,2-烯醇化,脱水脱氨生成羟甲基糠醛;在高pH(>7)、低温下,ARP经过2,3-烯醇化脱去氨残基重排,形成多种还原酮类物质,接着被裂解形成二羰基化合物;而在高pH、高温下,ARP可直接裂解生成二羰基化合物,二羰基化合物与氨基酸发生Strecker降解,生成的羰氨化合物即Strecker醛[18]。Strecker降解机制为氨基与羰基发生亲核加成,形成不稳定的半氨醛,再经消去反应脱去一个水分子形成希夫碱,而后经不可逆脱羧,电子重排、水分子加成反应形成不稳定的氨基醇,最后分解成α-酮和Strecker醛[19],该反应是茶叶重要挥发性香气成分的来源。

羰氨化合物可进一步缩合生成吡嗪类物质[20]。然而在红茶加工中,仅有部分氨基酸有对应的Strecker醛,其可能的原因为,部分氨基酸在降解生成Strecker醛时极不稳定,易发自身环化、偶联或脱水作用变成其他物质,或是被非挥发性产物所替代[21]。二羰基化合物除了由茶叶中的碳水化合物降解生成,还可通过多酚与脂质的降解生成[22]。在实际加工中,由于受到氨基酸、还原糖种类、初始pH、脂肪酸、干燥叶中二羰基化合物的种类、干燥时的温度、时间等因素的影响[23],使得美拉德反应产物复杂多样,具有不同气味,据不完全统计,糖与15种氨基酸反应可生成包括吡嗪类(59种)、吡咯类(104种)、及含硫化合物(102种)等在内的共计621种挥发性化合物[24]。

1.3 脂肪酸的降解

茶树鲜叶中,含有的十四碳烯酸(C14∶1)、棕榈油酸(C16∶1)、油酸(C18∶1)、亚油酸(C18∶2)、亚麻酸(C18∶3)等不饱和脂肪酸占脂肪酸总量的90%左右[8]。亚麻酸主要参与糖脂的构成,而油酸、亚油酸、棕榈酸主要参与磷脂的形成。磷脂和糖脂是构成叶绿体、线粒体膜等细胞器膜脂质双分子层结构的基本物质。

图3 亚麻酸的降解途径

茉莉酸及其衍生物是脂质氧化过程中另一类重要的环状挥发性芳香化合物,具有浓郁的花香、甜香[27]。此外,庚醛和壬醛在红茶加工过程中可通过棕榈酸和油酸降解生成[21]。红茶加工中脂肪酸总量减少了70%左右,以萎凋和干燥工序减少的最多[28]。亚麻酸在整个加工过程中降解了47%左右[29]。

1.4 胡萝卜素的氧化降解

以β-胡萝卜素等为代表的类胡萝卜素因含有共轭烯烃结构,易在光、热、酶等条件的影响下,发生不同程度的降解,其降解方式包括酶促降解及光降解、热降解等非酶促降解,其降解产物是红茶香气的重要组成部分。在不同氧化条件下β-胡萝卜素降解产物由于共价键断裂位置的不同而不同。一般存在着C6-C7、C7-C8、C8-C9、C9-C10、C9′-C10′等键的断裂,可相应的生成2,6,6-三甲基-5-环戊烯酮、β-环柠檬醛、二氢猕猴桃内酯、β-紫罗酮等具有愉悦的花香气味物质[30]。

图4 β-胡萝卜素的酶促降解途径

类胡萝卜素酶促氧化的顺序为:胡萝卜素>玉米黄质>叶黄素[31]。在酶促降解过程中,类胡萝卜素首先在类胡萝卜素裂解加氧酶(CCDs)的作用下生成初级产物,再经酶促转化形成香气前体,后经酸解释放出挥发性化合物[32]。CCDs家族中包含功能各不相同的四种酶(CCD1、CCD4、CCD7、CCD8),其中CCD1主要与挥发性萜类化合物的生物合成有关,进一步研究发现,其可在C9-C10和C9′-C10′双键位置催化多种类胡萝卜素的对称性降解,生成降异戊二烯香气物质和C14二醛[33]。CCD4、CCD7也可催化β-胡萝卜素降解生成β-紫罗酮等香气物质[34]。除此之外,LOX也是类胡萝卜素降解过程中的重要酶,可高效催化类胡萝卜素双建在不同位置发生断裂[35]。非酶降解途径中,无论是热氧化或是自然氧化亦或是光氧化条件下,β-胡萝卜素均可氧化生成提升红茶香气品质的挥发性化合物,如番茄红素可在紫外光下降解生成橙花醇、香叶基丙酮、α-法呢烯。β-胡萝卜素的降解主要发生在发酵、干燥阶段,在整个加工过程中降解了70%左右[29]

总之,在红茶加工过程中各种香气物质经过糖苷类水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反应、脂肪酸的氧化或β-胡萝卜素降解等反应生成,相互协调、综合作用形成了红茶特有的香气类型。表1列出了红茶中主要香气化合物的反应类型、香型以及阈值。

表1 红茶中主要香气化合物、反应类型、香型、阈值[4,21,36]

2 红茶加工工艺对香气物质形成的影响

2.1 萎凋

随着萎凋的进行,细胞膜透性的增加,鲜叶中也展开了各种反应,主要是糖苷类物质的水解,此外大分子化合物如脂肪酸、蛋白质、多糖等也逐渐水解,其水解产物的增加为发酵过程中的偶联氧化反应提供物质基础。鲜叶经萎凋后,部分香气物质发生了明显的变化。有研究表明[37],萎凋叶的香气化合物总量增加将近为鲜叶的一倍,可见萎凋对香气物质的形成至关重要。此阶段易受光照、温度、萎凋方式等因素的影响。

相较于自然萎凋,萎凋期间若采用人工光照,可提高β-葡萄糖苷酶活性,其香气评分比自然萎凋叶显著提高[38],采用不同单色光照射后发现黄光、橙光和红光萎凋能显著改善茶叶香气[39],其中针对黄光进行研究发现,黄光处理后香气总量增加了21.7%,醇类、酯类、醛类、酮类、含氧化合物的香气组分都比较高。另外儿茶素总量及氨基酸含量显著提高,而这些物质可间接导致香气物质的生成[40]。进一步研究表明,在采用LED黄光照射下,萎凋前期可使β-葡萄糖苷酶基因(CsBG1、CsBG2)及β-樱草糖苷酶基因(CsBP)上调表达,末期β-葡萄糖苷酶活性得以提高,并且发现呈花香的香气成分明显增多[41]。冷冻萎凋因不能引起β-葡萄糖苷酶活性的增加,很大程度上限制了香气前体物质的转化,使得成品茶中香气含量仅为传统红茶的一半左右[42-43]。但由于增大了细胞膜透性,促进多酚氧化酶与底物的迅速接触,加快了发酵进程,减少了茶黄素的消耗,最终提高了红茶品质[44]。

2.2 揉捻

揉捻阶段,由于外力的作用使得鲜叶组织遭受严重破损,糖苷类香气前体与水解酶充分接触,反应更加剧烈。揉捻后β-樱草糖苷酶活性显著下降,樱草糖苷的含量也在揉捻结束后降为鲜叶时的0.66%～0.81%[16,48],说明始于萎凋阶段的水解反应在揉捻阶段反应更加剧烈。此阶段挥发性香气成分的含量从鲜叶时的0.012%增加至0.034%[37]。

目前,大部分研究集中在揉捻温度对红茶香气形成的影响。如当在(20±2) ℃的低温下揉捻时,成品茶中香气成分的种类及含量显著增加,此外低温下揉捻使得多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)活性保留较高,为发酵奠定了良好的基础[49]。蒋金星通过对比不同温区对揉捻叶香气的影响发现,中温区(19～25 ℃)呈现花果香型的挥发性香气化合物含量明显高于低温区和高温区,说明中温有利于发展红茶的花果香和甜香,而随着揉捻温度的升高,工夫红茶发酵程度越深,其香气品质逐步由花果香、甜香发展为甜香弱、出现酸馊味,而过低的揉捻温度则不能充分发挥出工夫红茶的花果香味[50]。

2.3 发酵

发酵是红茶香气品质形成的关键工艺。发酵阶段由于ppo活性的增强而抑制了水解酶的活性,因此糖苷类物质的水解主要发生于发酵早期,发酵过程中大量香气化合物的形成主要通过多酚的偶联氧化作用产生。即氨基酸、胡萝卜素、不饱和脂肪酸在多酚的氧化产物邻醌的强氧化作用下,降解生成挥发性香气物质[51]。发酵阶段几乎所有的香气化合物含量都呈现增加的趋势,尤其是红茶特征性香气成分增加明显。发酵结束后,鲜叶中有95.60%的苷元得以释放[52]。此阶段,已形成了红茶特有的基本风味。

方世辉[53]研究表明,发酵温度以22～28 ℃为宜,若发酵温度太低,酶活性弱,内含成分转化不充分且进程缓慢,最终滋味淡薄,香气低沉。若发酵温度过高,酶促反应过于激烈且会加速酶蛋白与多酚类物质结合形成不溶性复合物,最终降低红茶品质。发酵时若采取通氧处理,茶多酚氧化程度更高,香气化合物种类得到增加。随着通氧时间的延长,萜烯类香气化合物增加的较为明显,另外,醇类、醛类香气化合物的含量呈增加趋势,而酯类香气化合物的变化趋势却正好相反[54]。潘科[55]也得到同样的结论,并发现通氧处理可加快发酵叶香型的转变。发酵程度对红茶香气品质至关重要。适当的轻发酵可及时终止萜烯类物质如β-香叶烯、顺-β-罗勒烯、反-β-罗勒烯的转化,利于香气物质的呈现,从而避免成茶香气淡薄[56]。故合理控制温度、通氧量、发酵程度等对提高红茶香气有重要意义。

2.4 干燥

干燥阶段,由于酶在高温下失活,香气物质主要通过美拉德反应、类胡萝卜素的热降解、焦糖化反应等非酶促氧化反应生成。高温作用下低沸点的香气化合物挥发,使得经发酵形成的挥发性化合物含量明显减少。因此挥发性化合物含量呈现先增加后减少的趋势,但香气化合物种类却增多了。

香气的形成主要受干燥温度的影响。当干燥温度过低时,脂肪族醇醛类含量保留过多,若干燥温度过高,杂氧类化合物含量显著升高且萜烯醇类和芳香族醇类含量下降,古能平[57]认为初烘100 ℃、复烘100 ℃有利于红茶品质的形成。有研究表明,将干燥温度设置在100、130、160 ℃时发现,随着干燥温度的升高,醛,酮,萜烯,酸和内酯的量增加,而呋喃,碳氢化合物,醇和酯的含量下降[58]。

3 结论与展望

红茶香气的形成并不是由某道工序或是香气形成的某种反应来决定的,而是随着萎凋、揉捻、发酵、干燥工序的进展,经过一系列反应,香气成分的含量及比例不断变化至一定程度的结果。由此可见,无论哪个工序对红茶香气的形成都至关重要,因此在实际加工过程中合理的控制每一步工序,采用合适的加工方法可最大限度激发和保留游离态香气化合物,对提高红茶香气具有重要意义。但实际研究中受茶叶组织结构、挥发性物质形成及转化多样性的影响,红茶加工过程中香气物质的研究进程仍相对缓慢,相信未来对这方面的研究会更加系统深入。挥发性香气化合物的鉴定与检测是评价红茶香气优劣的关键,但由于提取方法的不同以及提取过程中导致香气组分含量、数量等发生改变,使得提取的香气成分可能并不能完全反映茶叶本身的香气组分,这就导致不能客观全面的分析研究红茶在加工过程中香气的形成,因此如何解决这类问题是未来研究的重点。