紅茶中香氣物質(zhì)的形成及工藝對其影響的研究進(jìn)展

張婭楠,歐伊伶,覃 麗,繆有成,蕭力爭

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,國家植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心,茶學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南長沙 410128)

香氣作為茶葉感官審評的重要指標(biāo)之一,往往對于品飲者或消費(fèi)者有重要的導(dǎo)向功能,常被用作紅茶品質(zhì)劃分等級的指標(biāo)。紅茶中芳香物質(zhì)雖然含量僅有0.01%～0.03%,但其種類繁多,目前已檢測出的紅茶香氣物質(zhì)多達(dá)400多種。紅茶的香型包含花果香如祁門紅茶[1]、桔糖香如黃金白露[2]、松煙香如正山小種[3]等,香型的差異主要受到芳香物質(zhì)含量、種類、比例及其強(qiáng)度因子的影響。紅茶香氣的形成主要是在加工過程中通過糖苷類水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反應(yīng)、脂肪酸的氧化以及β-胡蘿卜素降解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生,這部分香氣化合物的形成與加工方式密切相關(guān)。另外,部分香氣的形成是茶樹通過甲羥戊酸、莽草酸等生物途徑合成[4],這部分香氣中以萜烯類化合物含量最多,且它的形成受到茶樹的生長環(huán)境、季節(jié)、栽培方式、茶樹品種特性等因子的影響。此外外源誘導(dǎo)如昆蟲[5]、外源酶的添加[6]等也會(huì)對茶葉香氣的形成造成影響。隨著香氣物質(zhì)提取分離、成分鑒定技術(shù)的愈加成熟、相關(guān)學(xué)科的交叉發(fā)展,對茶葉在加工過程中香氣變化的研究不斷深入。為改善紅茶香氣,提高紅茶品質(zhì),本文從紅茶香氣物質(zhì)形成的反應(yīng)類型及加工工藝對香氣物質(zhì)形成的影響進(jìn)行綜述,以期為紅茶的加工提供理論基礎(chǔ)。

圖1 糖苷類水解機(jī)制

1 紅茶香氣物質(zhì)形成的反應(yīng)類型

1.1 糖苷類水解

糖苷是茶樹在生長過程中經(jīng)次級代謝形成的一類由單糖或寡糖的半縮醛羥基與-OH、-NH2及-SH等構(gòu)成的穩(wěn)定的香氣物質(zhì)前體,主要儲(chǔ)存在茶樹鮮葉組織中,一般梗中含量多于葉中[7]。目前的研究表明,不同季節(jié)鮮葉中的糖苷種類是不同的,春季以萜烯醇類糖苷為主,其含量可以達(dá)到72.01%～96.41%[8]。隨季節(jié)的變化,秋季芳香族醇和脂肪族醇糖苷含量明顯增多,夏季最少[9]。鮮葉在采摘或是加工過程中,由于受到外界機(jī)械作用,細(xì)胞分室遭到破壞,位于細(xì)胞壁的β-櫻草糖苷酶、β-葡萄糖苷酶中的CsGH5BG1以及分別位于細(xì)胞基質(zhì)和液泡中的CsGH1BG1和CsGH3BG1與液泡中的糖苷類香氣前體[10-11]一旦接觸便開始水解,釋放出揮發(fā)性苷元,參與紅茶香氣的構(gòu)成。

圖2 氨基酸的Strecker降解的機(jī)制

糖苷類物質(zhì)的水解經(jīng)歷酶的糖基化及酶的去糖基化。糖苷酶的活性中心有兩個(gè)羧基,首先是酶分子上的親核羧基進(jìn)攻糖基上非還原端的碳原子,另一個(gè)羧基基團(tuán)上的氫被糖苷鍵上的氧親核進(jìn)攻形成質(zhì)子化羰基,糖基-酶中間物由此形成,此過程酶被糖基化;接著質(zhì)子化的羰基親核攻擊水分子上的氫,而水分子上的羥基親核攻擊糖基-酶中間體的糖基上的碳原子,糖被去糖基化,生成了糖基及配基并使酶回復(fù)其初始的質(zhì)子化態(tài),則完成了水解過程[12-13]。酶水解的位置為糖苷鍵的C-O鍵。在酶的糖基化過程中,酶分子上的活性中心對底物具有選擇性,決定了糖苷酶對底物的專一性[14]。相比β-葡萄糖苷酶,β-櫻草糖苷酶在配基、糖基及糖苷鍵上表現(xiàn)出更嚴(yán)格的專一性[15]。有研究表明,紅茶加工中β-櫻草糖苷酶在香氣前體水解過程中起著至關(guān)重要的作用,β-櫻草糖苷酶活性及其釋放的香氣物質(zhì)含量均高于β-葡萄糖苷酶,且鮮葉中高含量的櫻草糖苷在加工后明顯減少,而葡萄糖苷含量卻仍為鮮葉中含量的70%[16-17]。

1.2 氨基酸的降解和美拉德反應(yīng)

干燥期間,干燥葉中的氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等含氮化合物與醛、酮、還原糖的羰基發(fā)生縮合、環(huán)化反應(yīng),生成極不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物N-糖基胺,在阿馬多利(Amadori)重排下,生成1-氨基-1-脫氧-2-酮糖(ARP),此過程雖不會(huì)使茶葉產(chǎn)生香氣物質(zhì),但其產(chǎn)物卻是不揮發(fā)性香氣物質(zhì)的前體。ARP在低pH(≤7)下,經(jīng)過1,2-烯醇化,脫水脫氨生成羥甲基糠醛;在高pH(>7)、低溫下,ARP經(jīng)過2,3-烯醇化脫去氨殘基重排,形成多種還原酮類物質(zhì),接著被裂解形成二羰基化合物;而在高pH、高溫下,ARP可直接裂解生成二羰基化合物,二羰基化合物與氨基酸發(fā)生Strecker降解,生成的羰氨化合物即Strecker醛[18]。Strecker降解機(jī)制為氨基與羰基發(fā)生親核加成,形成不穩(wěn)定的半氨醛,再經(jīng)消去反應(yīng)脫去一個(gè)水分子形成希夫堿,而后經(jīng)不可逆脫羧,電子重排、水分子加成反應(yīng)形成不穩(wěn)定的氨基醇,最后分解成α-酮和Strecker醛[19],該反應(yīng)是茶葉重要揮發(fā)性香氣成分的來源。

羰氨化合物可進(jìn)一步縮合生成吡嗪類物質(zhì)[20]。然而在紅茶加工中,僅有部分氨基酸有對應(yīng)的Strecker醛,其可能的原因?yàn)?部分氨基酸在降解生成Strecker醛時(shí)極不穩(wěn)定,易發(fā)自身環(huán)化、偶聯(lián)或脫水作用變成其他物質(zhì),或是被非揮發(fā)性產(chǎn)物所替代[21]。二羰基化合物除了由茶葉中的碳水化合物降解生成,還可通過多酚與脂質(zhì)的降解生成[22]。在實(shí)際加工中,由于受到氨基酸、還原糖種類、初始pH、脂肪酸、干燥葉中二羰基化合物的種類、干燥時(shí)的溫度、時(shí)間等因素的影響[23],使得美拉德反應(yīng)產(chǎn)物復(fù)雜多樣,具有不同氣味,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),糖與15種氨基酸反應(yīng)可生成包括吡嗪類(59種)、吡咯類(104種)、及含硫化合物(102種)等在內(nèi)的共計(jì)621種揮發(fā)性化合物[24]。

1.3 脂肪酸的降解

茶樹鮮葉中,含有的十四碳烯酸(C14∶1)、棕櫚油酸(C16∶1)、油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)、亞麻酸(C18∶3)等不飽和脂肪酸占脂肪酸總量的90%左右[8]。亞麻酸主要參與糖脂的構(gòu)成,而油酸、亞油酸、棕櫚酸主要參與磷脂的形成。磷脂和糖脂是構(gòu)成葉綠體、線粒體膜等細(xì)胞器膜脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì)。

圖3 亞麻酸的降解途徑

茉莉酸及其衍生物是脂質(zhì)氧化過程中另一類重要的環(huán)狀揮發(fā)性芳香化合物,具有濃郁的花香、甜香[27]。此外,庚醛和壬醛在紅茶加工過程中可通過棕櫚酸和油酸降解生成[21]。紅茶加工中脂肪酸總量減少了70%左右,以萎凋和干燥工序減少的最多[28]。亞麻酸在整個(gè)加工過程中降解了47%左右[29]。

1.4 胡蘿卜素的氧化降解

以β-胡蘿卜素等為代表的類胡蘿卜素因含有共軛烯烴結(jié)構(gòu),易在光、熱、酶等條件的影響下,發(fā)生不同程度的降解,其降解方式包括酶促降解及光降解、熱降解等非酶促降解,其降解產(chǎn)物是紅茶香氣的重要組成部分。在不同氧化條件下β-胡蘿卜素降解產(chǎn)物由于共價(jià)鍵斷裂位置的不同而不同。一般存在著C6-C7、C7-C8、C8-C9、C9-C10、C9′-C10′等鍵的斷裂,可相應(yīng)的生成2,6,6-三甲基-5-環(huán)戊烯酮、β-環(huán)檸檬醛、二氫獼猴桃內(nèi)酯、β-紫羅酮等具有愉悅的花香氣味物質(zhì)[30]。

圖4 β-胡蘿卜素的酶促降解途徑

類胡蘿卜素酶促氧化的順序?yàn)?胡蘿卜素>玉米黃質(zhì)>葉黃素[31]。在酶促降解過程中,類胡蘿卜素首先在類胡蘿卜素裂解加氧酶(CCDs)的作用下生成初級產(chǎn)物,再經(jīng)酶促轉(zhuǎn)化形成香氣前體,后經(jīng)酸解釋放出揮發(fā)性化合物[32]。CCDs家族中包含功能各不相同的四種酶(CCD1、CCD4、CCD7、CCD8),其中CCD1主要與揮發(fā)性萜類化合物的生物合成有關(guān),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),其可在C9-C10和C9′-C10′雙鍵位置催化多種類胡蘿卜素的對稱性降解,生成降異戊二烯香氣物質(zhì)和C14二醛[33]。CCD4、CCD7也可催化β-胡蘿卜素降解生成β-紫羅酮等香氣物質(zhì)[34]。除此之外,LOX也是類胡蘿卜素降解過程中的重要酶,可高效催化類胡蘿卜素雙建在不同位置發(fā)生斷裂[35]。非酶降解途徑中,無論是熱氧化或是自然氧化亦或是光氧化條件下,β-胡蘿卜素均可氧化生成提升紅茶香氣品質(zhì)的揮發(fā)性化合物,如番茄紅素可在紫外光下降解生成橙花醇、香葉基丙酮、α-法呢烯。β-胡蘿卜素的降解主要發(fā)生在發(fā)酵、干燥階段,在整個(gè)加工過程中降解了70%左右[29]

總之,在紅茶加工過程中各種香氣物質(zhì)經(jīng)過糖苷類水解、氨基酸的Strecker降解、美拉德反應(yīng)、脂肪酸的氧化或β-胡蘿卜素降解等反應(yīng)生成,相互協(xié)調(diào)、綜合作用形成了紅茶特有的香氣類型。表1列出了紅茶中主要香氣化合物的反應(yīng)類型、香型以及閾值。

表1 紅茶中主要香氣化合物、反應(yīng)類型、香型、閾值[4,21,36]

2 紅茶加工工藝對香氣物質(zhì)形成的影響

2.1 萎凋

隨著萎凋的進(jìn)行,細(xì)胞膜透性的增加,鮮葉中也展開了各種反應(yīng),主要是糖苷類物質(zhì)的水解,此外大分子化合物如脂肪酸、蛋白質(zhì)、多糖等也逐漸水解,其水解產(chǎn)物的增加為發(fā)酵過程中的偶聯(lián)氧化反應(yīng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。鮮葉經(jīng)萎凋后,部分香氣物質(zhì)發(fā)生了明顯的變化。有研究表明[37],萎凋葉的香氣化合物總量增加將近為鮮葉的一倍,可見萎凋?qū)ο銡馕镔|(zhì)的形成至關(guān)重要。此階段易受光照、溫度、萎凋方式等因素的影響。

相較于自然萎凋,萎凋期間若采用人工光照,可提高β-葡萄糖苷酶活性,其香氣評分比自然萎凋葉顯著提高[38],采用不同單色光照射后發(fā)現(xiàn)黃光、橙光和紅光萎凋能顯著改善茶葉香氣[39],其中針對黃光進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),黃光處理后香氣總量增加了21.7%,醇類、酯類、醛類、酮類、含氧化合物的香氣組分都比較高。另外兒茶素總量及氨基酸含量顯著提高,而這些物質(zhì)可間接導(dǎo)致香氣物質(zhì)的生成[40]。進(jìn)一步研究表明,在采用LED黃光照射下,萎凋前期可使β-葡萄糖苷酶基因(CsBG1、CsBG2)及β-櫻草糖苷酶基因(CsBP)上調(diào)表達(dá),末期β-葡萄糖苷酶活性得以提高,并且發(fā)現(xiàn)呈花香的香氣成分明顯增多[41]。冷凍萎凋因不能引起β-葡萄糖苷酶活性的增加,很大程度上限制了香氣前體物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,使得成品茶中香氣含量僅為傳統(tǒng)紅茶的一半左右[42-43]。但由于增大了細(xì)胞膜透性,促進(jìn)多酚氧化酶與底物的迅速接觸,加快了發(fā)酵進(jìn)程,減少了茶黃素的消耗,最終提高了紅茶品質(zhì)[44]。

2.2 揉捻

揉捻階段,由于外力的作用使得鮮葉組織遭受嚴(yán)重破損,糖苷類香氣前體與水解酶充分接觸,反應(yīng)更加劇烈。揉捻后β-櫻草糖苷酶活性顯著下降,櫻草糖苷的含量也在揉捻結(jié)束后降為鮮葉時(shí)的0.66%～0.81%[16,48],說明始于萎凋階段的水解反應(yīng)在揉捻階段反應(yīng)更加劇烈。此階段揮發(fā)性香氣成分的含量從鮮葉時(shí)的0.012%增加至0.034%[37]。

目前,大部分研究集中在揉捻溫度對紅茶香氣形成的影響。如當(dāng)在(20±2) ℃的低溫下揉捻時(shí),成品茶中香氣成分的種類及含量顯著增加,此外低溫下揉捻使得多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)活性保留較高,為發(fā)酵奠定了良好的基礎(chǔ)[49]。蔣金星通過對比不同溫區(qū)對揉捻葉香氣的影響發(fā)現(xiàn),中溫區(qū)(19～25 ℃)呈現(xiàn)花果香型的揮發(fā)性香氣化合物含量明顯高于低溫區(qū)和高溫區(qū),說明中溫有利于發(fā)展紅茶的花果香和甜香,而隨著揉捻溫度的升高,工夫紅茶發(fā)酵程度越深,其香氣品質(zhì)逐步由花果香、甜香發(fā)展為甜香弱、出現(xiàn)酸餿味,而過低的揉捻溫度則不能充分發(fā)揮出工夫紅茶的花果香味[50]。

2.3 發(fā)酵

發(fā)酵是紅茶香氣品質(zhì)形成的關(guān)鍵工藝。發(fā)酵階段由于ppo活性的增強(qiáng)而抑制了水解酶的活性,因此糖苷類物質(zhì)的水解主要發(fā)生于發(fā)酵早期,發(fā)酵過程中大量香氣化合物的形成主要通過多酚的偶聯(lián)氧化作用產(chǎn)生。即氨基酸、胡蘿卜素、不飽和脂肪酸在多酚的氧化產(chǎn)物鄰醌的強(qiáng)氧化作用下,降解生成揮發(fā)性香氣物質(zhì)[51]。發(fā)酵階段幾乎所有的香氣化合物含量都呈現(xiàn)增加的趨勢,尤其是紅茶特征性香氣成分增加明顯。發(fā)酵結(jié)束后,鮮葉中有95.60%的苷元得以釋放[52]。此階段,已形成了紅茶特有的基本風(fēng)味。

方世輝[53]研究表明,發(fā)酵溫度以22～28 ℃為宜,若發(fā)酵溫度太低,酶活性弱,內(nèi)含成分轉(zhuǎn)化不充分且進(jìn)程緩慢,最終滋味淡薄,香氣低沉。若發(fā)酵溫度過高,酶促反應(yīng)過于激烈且會(huì)加速酶蛋白與多酚類物質(zhì)結(jié)合形成不溶性復(fù)合物,最終降低紅茶品質(zhì)。發(fā)酵時(shí)若采取通氧處理,茶多酚氧化程度更高,香氣化合物種類得到增加。隨著通氧時(shí)間的延長,萜烯類香氣化合物增加的較為明顯,另外,醇類、醛類香氣化合物的含量呈增加趨勢,而酯類香氣化合物的變化趨勢卻正好相反[54]。潘科[55]也得到同樣的結(jié)論,并發(fā)現(xiàn)通氧處理可加快發(fā)酵葉香型的轉(zhuǎn)變。發(fā)酵程度對紅茶香氣品質(zhì)至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)妮p發(fā)酵可及時(shí)終止萜烯類物質(zhì)如β-香葉烯、順-β-羅勒烯、反-β-羅勒烯的轉(zhuǎn)化,利于香氣物質(zhì)的呈現(xiàn),從而避免成茶香氣淡薄[56]。故合理控制溫度、通氧量、發(fā)酵程度等對提高紅茶香氣有重要意義。

2.4 干燥

干燥階段,由于酶在高溫下失活,香氣物質(zhì)主要通過美拉德反應(yīng)、類胡蘿卜素的熱降解、焦糖化反應(yīng)等非酶促氧化反應(yīng)生成。高溫作用下低沸點(diǎn)的香氣化合物揮發(fā),使得經(jīng)發(fā)酵形成的揮發(fā)性化合物含量明顯減少。因此揮發(fā)性化合物含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,但香氣化合物種類卻增多了。

香氣的形成主要受干燥溫度的影響。當(dāng)干燥溫度過低時(shí),脂肪族醇醛類含量保留過多,若干燥溫度過高,雜氧類化合物含量顯著升高且萜烯醇類和芳香族醇類含量下降,古能平[57]認(rèn)為初烘100 ℃、復(fù)烘100 ℃有利于紅茶品質(zhì)的形成。有研究表明,將干燥溫度設(shè)置在100、130、160 ℃時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著干燥溫度的升高,醛,酮,萜烯,酸和內(nèi)酯的量增加,而呋喃,碳?xì)浠衔?醇和酯的含量下降[58]。

3 結(jié)論與展望

紅茶香氣的形成并不是由某道工序或是香氣形成的某種反應(yīng)來決定的,而是隨著萎凋、揉捻、發(fā)酵、干燥工序的進(jìn)展,經(jīng)過一系列反應(yīng),香氣成分的含量及比例不斷變化至一定程度的結(jié)果。由此可見,無論哪個(gè)工序?qū)t茶香氣的形成都至關(guān)重要,因此在實(shí)際加工過程中合理的控制每一步工序,采用合適的加工方法可最大限度激發(fā)和保留游離態(tài)香氣化合物,對提高紅茶香氣具有重要意義。但實(shí)際研究中受茶葉組織結(jié)構(gòu)、揮發(fā)性物質(zhì)形成及轉(zhuǎn)化多樣性的影響,紅茶加工過程中香氣物質(zhì)的研究進(jìn)程仍相對緩慢,相信未來對這方面的研究會(huì)更加系統(tǒng)深入。揮發(fā)性香氣化合物的鑒定與檢測是評價(jià)紅茶香氣優(yōu)劣的關(guān)鍵,但由于提取方法的不同以及提取過程中導(dǎo)致香氣組分含量、數(shù)量等發(fā)生改變,使得提取的香氣成分可能并不能完全反映茶葉本身的香氣組分,這就導(dǎo)致不能客觀全面的分析研究紅茶在加工過程中香氣的形成,因此如何解決這類問題是未來研究的重點(diǎn)。