薄佳慧,张杨玲,宫连瑾,杜哲儒,杨玉珠,宋加艳,何加兴,蒋平利,缪有成,肖力争,
(1.湖南农业大学园艺学院,湖南长沙 410128;2.湖南省植物功能成分利用协同创新中心,湖南长沙 410128;3.茶学教育部重点实验室,湖南长沙 410128)
外源酶最早于茶叶中的应用主要集中在茶叶深加工领域[1],外源酶通常定义为源于食品加工原料及研究对象以外的酶类[2],例如从茶鲜叶、幼果及其他植物或其愈伤组织中提取得到,或从所培养微生物中获得的酶类[3-4]。生物体产生的大量酶可作为天然催化剂[5],能作用于多种物质成分的合成、转化及降解反应。目前,外源酶的应用已然成为茶叶深加工领域的研究热点之一,茶叶内有效组分与功能成分的分离纯化是茶叶天然成分高效利用的基础,然而这些产物中的活性成分通常含量较低且成分复杂,利用外源酶有助于高效、高纯度地将这些天然物质分离、提纯、合成,同时在茶饮料的保香、增香、澄清等方面也发挥着重要作用[6-7]。
绿茶、白茶和红茶等在制药和食品工业中被认为是富含抗氧化剂、酪氨酸酶抑制剂和细胞毒活性的重要茶类[8],含丰富的儿茶素类、茶黄素类(TFs)、黄酮类物质等,在食品和医药领域拥有巨大的应用潜力。随着酶技术应用的不断创新与快速发展[9],天然成分提取的新需求得到逐步满足,茶资源利用率稳步提升。但是,从其它植物或微生物中提取分离而得到外源酶的技术成本较高,活力难以保持稳定,因而茶叶深加工与固化外源酶技术相结合的应用将是今后的研究重点之一。本文综述了近几年来外源酶在茶叶深加工领域中的研究及其应用,以期为茶叶天然成分的酶法应用提供一定的借鉴,进一步实现高效快速、节能环保地利用天然成分及提升茶饮料品质的目的。
外源酶在茶叶深加工领域的应用主要着重于提高茶叶天然成分提取的有效得率、纯化率,降低成本及绿色环保等方面。外源酶技术的核心是酶的应用,酶是一种生物大分子蛋白,其生物活性、特异性和选择性使其在生物催化和生物医学等领域具有广阔的应用前景[10]。茶叶中大部分天然化学成分都包含于细胞壁内,细胞壁的存在是阻碍茶叶天然成分高得率的主要因素之一,利用酶技术来破坏茶叶细胞壁将有助于提升茶叶天然成分的利用率。常见的细胞壁消化酶主要包括纤维素酶、果胶酶和葡聚糖酶等酶类,此外,单宁酶、蛋白酶及多酚氧化酶也是茶叶深加工中使用最广泛的外源酶类。
1.1.1 单宁酶 单宁酶(单宁酰基水解酶),主要来源于黑曲霉,是一种重要的水解酶,可催化水解单宁或没食子酸酯中的酯键,释放葡萄糖、表儿茶素(EC)和没食子酸(GA),其中,GA作为抗凋亡剂,有助于保护人类细胞免受氧化损伤,通过动物实验发现,单宁酶本身不具有明显的副作用和细胞毒性[11-16],因此,单宁酶广泛应用于食品、饮料、饲料、制药和化学等工业加工中[13]。单宁酶在茶叶加工领域多应用于速溶茶的制备,是解决茶汤“冷后浑”现象的转溶专用酶,对深加工茶产品中有效成分的增加起到积极地促进作用[17]。
1.1.2 纤维素酶 纤维素酶是能够降解纤维素生成葡萄糖的一类复合酶,主要由内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及β-葡萄糖苷酶组成[18]。纤维素酶可促进植物细胞壁的溶解,使植物细胞内溶物溶解度显著增加,其广泛使用于食品行业,如果汁[19]、酿酒[20]、制茶[21]等,茶叶细胞壁经纤维素酶破坏后,茶叶内有效组分的得率和挥发性物质的释放量显著提高。纤维素酶通常比普通酶在相对较高的温度下更稳定,但由于生产成本较高及生物活性较低的原因,纤维素酶的应用推广受到一定局限[22]。
1.1.3 果胶酶 果胶酶是一类能够降解果胶分子的酶的总称,是以游离态存在的水解酶,包括聚半乳糖醛酸酶、果胶酯酶和果胶酸裂解酶[23-24]。果胶酶可将不溶性原果胶降解为聚合的可溶性果胶;或通过多链机制水解底物中的特定基团;或通过酯交换反应进行果胶酸盐或果胶酸盐的非水解去除[25]。在果汁饮料的生产过程中,果胶酶对其澄清度和稳定性发挥着重要作用[23]。在茶叶深加工中,果胶酶可大幅提高速溶茶的制率并减少其泡沫的产生[26]。
1.1.4 蛋白酶 蛋白酶是最重要的一种工业酶制剂,是能催化蛋白质和多肽水解的一类酶的总称。其可将大分子量的多肽链从中间切断,生成肽键长度较短的肽分子或游离氨基酸[27]。蛋白酶常与其他外源酶类组合成复合酶应用于液态茶饮料的生产,能在保留茶叶原有有效成分的基础上,进一步提高茶饮料滋味的鲜爽感,并减少沉淀的产生[28]。
1.1.5 多酚氧化酶 多酚氧化酶(PPO)是一种含铜的氧化还原酶,根据底物的特异性和结构分为酪氨酸酶、儿茶酚氧化酶、儿茶酚酶、邻二酚氧化酶、单酚氧化酶和漆酶等[29]。PPO的作用机理可以总结为两个反应,即在氧分子存在时,PPO催化一元酚羟基化,生成二酚,然后进行氧化反应,从二酚中除去氢分子,生成奎宁;在催化反应过程中,酶的活性位点在met-、oxy-和deoxy-之间以循环方式进行催化[29]。PPO广泛应用在茶叶深加工的各个层面,对儿茶素、茶黄素、茶氨酸的制备以及速溶茶粉的生产均具有积极意义。表1为主要应用于茶叶深加工中的外源酶种类。
表1 主要应用于茶叶深加工中的外源酶种类Table 1 Types of exogenous enzymes used in tea deep processing
过氧化氢酶(CAT)是催化过氧化氢(H2O2)分解成氧和水的酶,其作用机理实质上是H2O2的歧化,采用CAT与PPO进行双酶协同液态发酵,将绿茶茶汤浸提液转化成红茶茶汤,可有效增加红茶茶汤中茶红素和茶黄素的含量,改善茶汤品质[36]。
糖苷酶即糖苷水解酶,是能裂解两个糖分子之间的糖苷键的酶,其主要作用于高尔基体和内质网[37]。α-L-鼠李糖苷酶与β-葡萄糖苷酶双酶结合可对速溶茶香气起到协同增效的作用[38],其中β-葡萄糖苷酶为单体蛋白,能够水解β-D-糖苷键,释放非还原性β-D-葡萄糖残基和末端苷元,促使茶叶醇香香气的形成[39]。
淀粉酶是能将淀粉和糖原水解的酶的总称[40],其具有良好的活性、底物专一性、热稳定性、较宽的pH谱以及对变性剂和重金属的良好抵抗力等特性[41],α-淀粉酶的内切酶能随机水解淀粉中由α-(1→4)糖苷键生成的低聚糖混合物[42]。研究表明,α-淀粉酶能有效提取茶渣中的粗膳食纤维[43],通过与糖化酶复合作用于茶籽粕提取茶皂素,茶皂素得率可高达9.83%,明显高于传统水提取法[44]。
茶叶所含的功能性成分以及其生物利用度可能在降低人类多种疾病的风险方面发挥重要作用[9]。利用外源酶或酶制剂有针对性地改善茶叶中特定成分的组成及含量,有助于实现茶叶中有效组分与不溶性成分的提取利用,为茶叶功能成分的产业化发展奠定了良好的基础。目前,相较于其他功能成分,外源酶在儿茶素类及茶黄素类物质的应用研究最为深入。
儿茶素是主要的茶叶多酚类物质,其分子和氢键数值很大,儿茶素的生物利用度还较低[45],催化合成技术有待进一步发展。儿茶素的酶法应用主要是通过外源酶对儿茶素分子结构进行修饰,促进EGCG和表儿茶素没食子酸酯(ECG)向表没食子儿茶素(EGC)和EC的转化,Fang等[46]从普洱茶中分离出的黑曲霉RAF106,能够在只含有儿茶素的绿茶水溶液中将酯型儿茶素有效降解为生物利用度较高的非酯型儿茶素和GA,并且通过该实验首次发现,添加不同的氮源、乳糖以刺激菌丝生长和单宁酶活性可以显著加速其生物转化(氮源是微生物生长和产酶的重要组成部分)。据报道,采用固态发酵法,从以茶副产物为原料获得的黑曲霉中提取单宁酶处理茶汤,发生了以EGCG水解为主导反应的儿茶素转化过程,茶汤的透明度、2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)和DPPH抑制活性以及清除羟自由基的能力显著提高[47-49],此法具有儿茶素工业化提取的潜力。此外,单宁酶处理后的绿茶提取物与黄酮醇联用可提高表儿茶素(EC)的生物利用度和生物活性[50]。
儿茶素的酶法应用为儿茶素的工业产业化制备提供了极大的便捷与技术支持,研究表明,在七种不同的外源酶中来自于曲霉菌的戊聚糖复合酶是提取儿茶素最有效的外源酶[51]。Itoh等[52]利用漆酶处理有GA存在的绿茶提取物,发现其与非漆酶处理的绿茶提取物中儿茶素的组成有很大差异,表现为漆酶处理下的绿茶提取物中EGC和EGCG以较低的浓度存在。植物酶具有多功能活性及特异性,能有效裂解多种糖苷键,如3-O-葡萄糖苷、3-O-半乳糖苷和3-O-葡萄糖基芸香苷等,其对于没食子儿茶素(GC)表现出强烈的活性,会导致GA和去没食子儿茶素的产生[53]。
茶黄素(TFs)的主要成分包括茶黄素(Theaflavin,TF)、茶黄素-3-没食子酸酯(Theaflavin-3-gallate,TF-3-G)、茶黄素-3′-没食子酸酯(Theaflavin-3′-gallate,TF-3′-G)和茶黄素-3,3′双没食子酸酯(Theaflavin-3,3′-digallate,TFDG),其理化性质表现为活泼、易氧化、稳定性差等[54],具有降血压、保护骨骼健康、抵抗糖尿病等功效[55-57]。茶黄素混合物中的儿茶素、咖啡碱和未知污染物增加了有效分离和纯化茶黄素及其单体的难度和成本[58],因此,关于茶黄素单体的分离纯化及合成仍是当前茶黄素的制备瓶颈。多酚氧化酶在茶黄素的分离纯化及合成中起关键作用,酚类化合物的氧化机制可能涉及对酚类物质底物现有羟基附近的邻位进行羟基化(单酚氧化酶活性),并将邻位的二羟基苯氧化为苯醌[59]。
2.2.1 外源多酚氧化酶的应用 薛金金等[60]在对催化儿茶素氧化形成TFs的最佳酶源进行筛选时,发现丰水梨PPO在茶黄素合成总量及单体TF-3′-G和TFDG合成量上明显优于其它外源酶。将梨PPO固定化处理,TFDG的合成率高达42.23%,且该酶在连续使用8个周期后,仍保持其初始能力的85%,储存期可达30 d[61]。PPO转化产物经乙酸乙酯分馏后,可制得纯度为62.5%的茶黄素[62]。Zeng等[63]首次通过PPO重组技术酶促产生茶黄素,成功从9个物种中克隆了PPO基因并进行了表达,其中以茶多酚为底物的8个重组PPO具有较强的茶黄素生产活性及较低的生产成本,为茶黄素产业化的进一步发展提供了新思路。
2.2.2 外源酪氨酸酶的应用 酪氨酸酶是一种含铜加氧酶[64],其本身不能氧化茶黄素,主要用于茶黄素衍生物的合成[65]。Chattopadhyay团队[66-67]利用土豆和香蕉提取出酪氨酸酶并将其应用在电化学阻抗谱上,成功建立了一个阻抗成本低、易携带的测试茶多酚含量的示范模型。酶促茶黄素合成率的差异是由EGC和EGCG的氧化程度决定的,利用酪氨酸酶催化TFs的合成反应在1-辛醇/缓冲双相体系缓冲液中进行时,自二聚作用在辛醇相被抑制,允许氧化的EGCG参与了同EC醌的结合,从而导致茶黄素单体TF-3-G的有效生产[68]。蘑菇源酪氨酸酶能更有效地制备质量高且稳定的茶黄素单体,其在40 ℃条件下孵育30 min后TFDG最高产率为86.7%,当EC及EGC与酪氨酸酶共同孵育时,TF能够在1 h内保持稳定[65,69]。利用酪氨酸酶联合过氧化氢酶由儿茶素合成茶黄素是一种新方法,H2O2会诱导酪氨酸酶失活,因此可将CAT加入到酪氨酸酶催化ECG和EGC合成茶黄素的反应中以消除H2O2,最终得到的TF-3′-G,与没有CAT的反应相比,其产物增加了3.1倍,四种茶黄素的生成速率和得率均大幅提升[70-71]。
2.2.3 外源漆酶的应用 据报道,利用普洱茶固态发酵法分离得到的杜宾曲霉粗酶原液含有过氧化物酶、儿茶酚氧化酶和漆酶活性[72],漆酶主要可形成不溶性络合物,以EGCG为原料,GA经漆酶氧化可合成没食子酸酯[73]。真菌漆酶可将EGCG氧化成游离儿茶素、酯类儿茶素、GA和茶色素,该研究为漆酶氧化EGCG的应用提供了理论依据,为茶色素的高产利用提供了新的技术支持[74]。
2.2.4 其他酶法应用 研究表明,将单宁酶介导的生物转化与高速逆流色谱仪相结合,是一种新型高效分离茶黄素的方法[58],但这一方法存在仅将茶黄素和EGC分离的局限性。为了实现大规模生产茶黄素,研究人员开发了一种新型、简单、廉价的制备方法,通过控制茶鲜叶中的PPO和POD活性实现可选择性、高效地获得茶黄素——一锅多米诺型酶的选择性生物转化法合成茶黄素(冷冻保存的每480 g绿茶产生1.7 g茶黄素)[75]。
茶氨酸是茶树特有的化合物之一,具有鲜味和甜味[76],无论在食品还是医药领域均具有较大的应用潜力,但如何高效地从茶叶中提取茶氨酸这一问题还有待研究人员进一步探索。目前茶氨酸的外源酶法制备主要集中于不同来源的谷氨酰供体和谷氨酰转肽酶的研究[4],研究人员分别选用甘油、无机盐作为培养基和0.1%w/v乳糖作为诱导剂,开发了一种利用重组大肠杆菌源c-谷氨酰转肽酶合成茶氨酸的酶法辅助提取方法[77]。为连续合成茶氨酸,研发了一种由谷氨酰胺酶和孔径为23.6 nm的介孔二氧化硅组成的流动型微反应器[78]。
不同的复合酶配比对茶氨酸的提取率有着较大的影响,岳鹍等[79]采用纤维素酶、果胶酶和漆酶组成的复合酶提取绿茶中的茶氨酸,通过最优工艺设计实验表明当茶汤浓度为100 g/L,三者的酶添加量分别为0.657%、0.543%、0.600%时,茶氨酸的提取率可达到极大值0.421%,但总体看来得率依旧较低。Sakhaei[80]首次利用真菌康宁木霉进行固态发酵生产谷氨酰胺酶,以L-谷氨酰胺和乙胺为底物提取酶液生产茶氨酸,所得茶氨酸浓度最高可达43 mmol/L。最新研究发现,木瓜蛋白酶和纤维素酶组成复合酶作用于武夷岩茶下脚料水提液,游离氨基酸溶出率可高达26.97%[81]。近年来,虽然酶法合成茶氨酸的研究逐渐深入,但仍未能找到适合产业化制备的最佳酶条件与制备工艺。
茶多糖(TPS)是一类与蛋白质结合的杂多糖,可从茶树的叶、花及种籽中提取而得,其被公认为是一种安全无毒的食品添加剂[82],有研究证明,TPS具有多种生物活性,如抗氧化、抗肿瘤、抗癌、抗高血糖和抗炎功效[83-84]。传统提取方法即热水提取茶多糖的产量相对较低,且生物利用度成效不显著[32]。
酶处理会诱导生物活性成分发生生物转化,用单宁酶和果胶酶同时处理可有效制备具有较高生物活性的TPS,改善TPS得率(5.39%),增强绿茶提取物清除羟自由基活性的能力[32,85]。同样,有研究单独利用果胶酶,并采用超声波辅助酶法连续提取茶叶中的茶多糖,茶多糖的得率高达20.12%[2],酶法提取成效极显著。何晓梅等[86]以皖西粗老低档绿茶为原料,研究得出木瓜蛋白酶辅助浸提茶多糖的条件较为温和,适合茶多糖脱蛋白,其得率可达到5.414%。目前,针对乌龙茶提取茶多糖的研究较多,用外源蜗牛酶辅助提取白芽奇兰茶中的茶多糖,总提取率较之前提高了77.74%[87]。外源果胶酶、木瓜蛋白酶和纤维素酶组成的复合酶提取漳平水仙饼茶多糖,外源酶影响力按强弱排序依次为:木瓜蛋白>果胶酶>纤维素酶,最佳工艺参数下得率为4.26%[88]。此外,应用外源纤维素酶可从茶花[89]及茶叶废料[90]中有效提取TPS,得率分别为15.28%与11.85%。
茶皂素又名茶皂甙,是提取自茶树种子中的一类糖苷化合物,酶解法提纯茶皂甙,是指与茶皂素相互作用的多糖分子和蛋白质等物质,经专一的酶水解成单糖小分子后去除,最终得到单一、高纯度茶皂素的方法[91]。不同复合酶水解提纯茶皂素的工艺参数不同,利用α-淀粉酶和糖化酶复合提取茶籽粕中茶皂素比传统水提取法要高,其得率为9.83%[44],通过结合纤维素酶和蛋白酶对茶皂素进行水解纯化,可使茶皂素的纯度显著提升,由原先的67.5%提高至98.3%[92];在有脂肪酶的参与下,茶皂素的较优提取工艺条件为温度50 ℃,时间1 h,添加外源脂肪酶量、纤维素酶量、蛋白酶量(胰蛋白酶和木瓜蛋白酶为1∶1)分别为0.31%、0.32%和0.36%时,茶皂素得率高达86.86%±0.92%,纯度87.04%[93]。茶皂素作为天然表面活性剂性能极佳,现阶段对于水解酶法制备茶皂素的研究还知之甚浅,随着对茶皂素性质和结构特性的深入了解,未来仍有很大的空间对其进行研究。
由于速溶茶加工过程的复杂性,常出现速溶茶产品风味品质远不如原叶茶的情况,外源酶是速溶茶生产过程中最主要的外源添加物,能明显改善速溶茶的感官品质,且利用酶法粉碎方法可以克服冷冻粉碎及化学溶解常规粉碎等方法的一些缺点,如沉淀产生。
研究表明,β-葡萄糖苷酶可显著改变速溶绿茶、速溶乌龙茶水溶液的香气,并与α-L-鼠李糖苷酶具有协同增效作用[38]。Zhu等[94]以茶梗和马铃薯为原料,经发酵制得茶梗粗酶后处理速溶绿茶,增加了茶粉中的2-乙基呋喃、2-甲基丁酸乙酯和癸醛的含量,降低了反式柠檬烯氧化物、2-庚酮辛醛、水杨酸甲酯的含量,从而导使得感官审评时花香显著增加,青草气、木质和甜味明显减少。利用在茶叶废料、麦麸和桔皮培养基上发酵制备所得酶提取物制备速溶乌龙茶,茶中2-戊基呋喃和3-顺-己烯-1-醇显著增加,这一方法已被证明是改善原味速溶乌龙茶香气特征的有效手段[95]。
茶叶液态发酵理论与技术研究有着广阔的前景,多酚氧化酶体外氧化绿茶提取液生产速溶红茶的加工技术,能够有效提高速溶红茶中茶黄素的含量,并更好地改善其感官品质[96]。现阶段,一种通过深层发酵生产高茶褐素速溶茶产品的新型方法受到研究人员的关注,与传统固态发酵法相比,该方法的生产过程具有可控性、可重复性以及高效性且在速溶茶中仅会有较少的微生物代谢物,据报道,以塔宾曲霉和黑曲霉深层发酵,能够生产出高茶褐素的速溶普洱茶和速溶黑茶产品[97-98]。较国外而言,中国速溶茶粉生产技术还比较落后,制率相对较低,随着生物技术的发展与应用,利用外源酶技术改良速溶茶滋味淡薄、香气低沉等缺点,改善产品风味与整体接受度将成为速溶茶粉生产加工的研究方向。
由于茶叶天然产物在制成茶饮料后有香气不持久、易产生沉淀等弊端,市场不乏有伪茶饮料出现[99],为了改善茶饮料的生产及保质工艺,研究表明外源酶不仅是速溶茶的外源优良添加物,同样也是液态茶饮料生产过程中最主要的外源添加物之一。用复合酶(水解酶、酯酶、蛋白酶)制备绿茶浓缩液,茶叶有效利用率由30%增至46%,提高幅度达53.33%,不良风味物质茶多酚及咖啡碱比例下降,而儿茶素的组成、酚氨比更趋合理,使得其整体风味品质更加醇和、滋味更加协调[100]。绿茶浓缩液在果胶酶和纤维素酶组成的复合破壁酶以及由鲜味蛋白酶和茶提取蛋白酶组成的复合外源蛋白酶处理的基础上,浸提时辅以谷氨酰胺酶、果胶酶和纤维素酶分解蛋白质,或利用单宁酶水解酯型儿茶素,能成功地提高茶汤中的氨基酸含量并加速茶叶细胞的破坏崩解,有效减少绿茶浓缩液沉淀的产生,从而进一步提高绿茶浓缩液的稳定性,改善浓缩液的风味品质[101-102]。单独使用果胶酶或纤维素酶进行破壁处理,均能提高茶汁中茶多酚提取率。此外,单宁酶可高效水解乌龙茶汤浸提物中酯型儿茶素[103],实验发现绿茶及红茶的茶汤经过单宁酶作用后,浑浊度明显降低,总抗氧化能力和明亮度均显著提高[104]。
β-葡萄糖苷酶和α-葡萄糖苷酶在茶饮料的制备中具有潜在的应用前景[105],廖凯[106]采用单宁酶、β-葡萄糖苷酶酶解红茶饮料,所获得的红茶饮料汤色红亮,香气纯正,风味适中,稳定性较好。研究发现,氨基官能化Fe3O4-CS纳米颗粒是单宁酶固定化的有效载体,与来自黑曲霉的单宁酶共同作用可有效提高茶浸提液的透明度和色泽[107],这也是第一份关于磁性纳米粒子固定化单宁酶应用于澄清茶叶浸提液的报告。
在茶叶深加工方面,外源酶的应用主要包括外源酶类的选择、分离制备、发酵系统的成熟稳定、反应器及载体的选择等方面,同时,与固定化技术相结合在食品加工领域已经成为一个必然趋势。目前,研究人员已经从茶鲜叶、幼果及其他植物或其愈伤组织中培养得到多种性质、功能不同的外源酶,用于茶叶功能成分的合成、提取及分离。外源酶在茶叶深加工产品的制率和得率方面起着重要作用,其中,针对儿茶素及茶黄素方面的酶法应用研究最为深入,同时也是当前茶叶功能成分利用的研究热点之一,对儿茶素类物质的转化合成及茶黄素单体的分离合成起到极为显著的推动作用,既提升了合成效率,又节约了生产成本。茶氨酸、茶多糖及茶皂素的酶法提取及纯化技术在未来还有很大的探索空间,设计合适的反应器及载体并与固定化技术相结合,有利于提高外源酶的活力和稳定性,同时显著增强对环境的耐受能力,从而提高茶氨酸、茶多糖及茶皂素等物质的提纯效果。现阶段,茶饮料生产过程中芳香物质逸散、后浑浊等问题已得到初步解决,但在解决酶制剂的性价比以及得到期望定向修饰产物等问题方面依旧是该领域的一个研究空白。未来在外源酶的利用方面还应注意规避性质不稳定、重复利用度差、难以储藏等风险,结合多种技术及研究方法以实现外源酶技术在茶叶天然成分方面的连续化及产业化生产。