基于分子感官科學的茶葉滋味研究進展

劉忠英,楊 婷,戴宇樵,方仕茂,劉亞兵,冉乾松,李 琴,沈 強,潘 科

(貴州省茶葉研究所,貴州貴陽 550006)

滋味是評價茶葉品質(zhì)的重要指標之一。茶湯滋味由溶解于茶湯中的化學物質(zhì)組成決定,而物質(zhì)組成因產(chǎn)地、生境、茶樹品種、采摘季節(jié)、加工工藝、貯藏條件等因素影響呈現(xiàn)差異,使得茶葉滋味品質(zhì)不一,各具特色。人們常以評價茶葉滋味來指導(dǎo)茶葉的生產(chǎn)、加工、銷售和貯藏過程。

21世紀以來,食品感官科學、茶葉化學、描述性感官分析等學科將感官審評與檢測分析相結(jié)合,并廣泛應(yīng)用于茶葉特征香氣[1-3]、滋味物質(zhì)識別[4-6]、鑒定及重組上[7-8],逐漸闡明茶葉特征風味,基本實現(xiàn)了茶葉品質(zhì)的量化評價,從而更加客觀地評定茶葉風味品質(zhì)。但針對茶葉滋味方面的研究仍缺乏系統(tǒng)性,有關(guān)從分子層面揭示茶葉滋味特征的報道仍較少,使得對茶葉滋味的研究,已遠遠滯后于產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。由此,本文基于分子感官科學研究體系,從茶葉滋味的呈味物質(zhì)入手,主要介紹了關(guān)鍵滋味物質(zhì)的呈味特性、相互作用關(guān)系、重組與應(yīng)用研究進展,并分析分子感官科學在茶葉滋味品質(zhì)研究上的應(yīng)用前景,旨在為從分子水平深剖茶葉滋味的研究提供參考。

1 分子感官科學簡介

分子感官科學,最初由德國慕尼黑理工大學分子感官科學實驗室的Peter Schieberle教授[9-10]于2007年提出,其研究思路是在分子水平上定性、定量深入剖析、描述風味,篩選出關(guān)鍵風味物質(zhì),結(jié)合化學手段對關(guān)鍵風味物質(zhì)進行重組和評價,并應(yīng)用于產(chǎn)品品質(zhì)的質(zhì)量控制上[11-12]。其技術(shù)基礎(chǔ)依賴于高選擇性、高通量、高靈敏度的檢測分析方法的廣泛應(yīng)用,如反相液相色譜、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、核磁共振等技術(shù)是分子感官科學重要技術(shù)手段[13-15],從而使研究者從分子層面揭秘蘊藏在食品風味背后深刻的化學本質(zhì)。

表1 茶湯中主要兒茶素組分識別閾值及滋味活度值Table 1 Recognition threshold and taste activity value of main catechins in tea soup

Peter Schieberle教授成功運用分子感官科學深入剖析和重組了日本龜甲萬醬油[8]、法國Prunus ameniaca杏中的關(guān)鍵香氣化合物[9],并成功應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)儲藏過程中的質(zhì)量控制。2019年,Kejing An等[16]用分子感覺科學鑒定荔枝熱殺菌汁的關(guān)鍵香氣物質(zhì),Li等[17]運用分子感覺科學[18]技術(shù),采用氣相色譜-嗅覺測定(GC-O)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)相結(jié)合,鑒定了國京芝麻香型白酒的主要香味物質(zhì)。Zhai等[19]應(yīng)用分子感覺科學技術(shù),發(fā)現(xiàn)香椿的氣味活性值(OAVs)2-異丙基-3-甲氧基吡嗪、丁香酚和β-紫羅蘭酮最高,并對總香氣進行重組實驗,成功地鑒定和定量了各自關(guān)鍵的加臭劑。毛世紅[20]通過GC-O分析了川紅工夫的香氣關(guān)鍵變量,并進行重組構(gòu)建,指紋圖譜技術(shù)探究其相似度,應(yīng)用于工夫紅茶的質(zhì)量控制中,這些研究使得分子感官科學在食品香氣上得以充分發(fā)展和應(yīng)用[21-23]。但是利用分子感官科學研究體系在茶葉滋味上的研究仍鮮見報道,僅停留在將分子感官科學部分技術(shù)應(yīng)用于茶葉特征滋味物質(zhì)的鑒定上,尚不夠系統(tǒng)、全面、深入,目前仍處于理論水平上,實際應(yīng)用難度較大。

2 基本味覺的形成

味覺是由水溶性物質(zhì)刺激口腔中味蕾而產(chǎn)生的一種生理感覺,能感知和區(qū)別的基本味覺，分為甜(sweet)、苦(bitter)、酸(sour)、咸(salty)和鮮(umami)5種。不同呈味物質(zhì)的味覺受體及信號傳導(dǎo)通道各不相同,甜味受體T1R2/T1R3[24],鮮味受體是T1R1/T1R3異聚體受體[25],苦味受體是T2R1[26-27]。除基本味之外,茶湯中能夠被人感知的還有澀味,而澀味與辣、麻味一樣屬于觸覺,而非味覺,它并不通過舌頭上的味蕾產(chǎn)生,而是由于口腔中的上皮細胞暴露在含明礬或多酚類物質(zhì)的溶液中所產(chǎn)生的起皺、粗糙的復(fù)合感覺[28]。

3 茶葉滋味屬性

茶葉滋味是茶湯水溶性呈味物質(zhì)對人體各味覺受體的綜合作用效應(yīng),是評價茶葉品質(zhì)的重要指標之一。國內(nèi)外學者一致認為,苦、澀、鮮、甜是茶葉中主要滋味屬性,且各滋味間強度關(guān)系為:澀味>苦味>鮮味>甜味[22]。而多酚類、生物堿類、氨基酸類、碳水化合物類和有機酸類等,又是構(gòu)成綠茶茶湯的主要滋味物質(zhì),因其組成、含量、閾值的不同而對茶湯滋味的貢獻程度不同[29-30]。其中,苦澀味的EGCG、苦味的咖啡堿及鮮味的L-谷氨酸是構(gòu)成綠茶茶湯滋味的關(guān)鍵物質(zhì)。常以滋味活度值(濃度/閾值)來衡量滋味物質(zhì)貢獻度,活度值越高,該物質(zhì)對整體滋味的影響越大,通過滋味稀釋分析和比較滋味稀釋分析法,比較各滋味物質(zhì)貢獻率大小,以篩選和鑒定食物風味中的關(guān)鍵作用物質(zhì)。

4 茶湯關(guān)鍵滋味物質(zhì)研究

4.1 兒茶素類

多酚類由兒茶素類(黃烷醇類)、黃酮醇類、花青素類和酚酸縮酚酸類組成,是構(gòu)成茶葉滋味品質(zhì)主要物質(zhì)[31-32]。其中,兒茶素是黃烷醇類物質(zhì),是一類2-苯基苯并吡喃的衍生物,占茶多酚總量的70%～80%,是綠茶茶湯多酚類的主體物質(zhì),兒茶素的組成和氧化聚合程度直接影響茶湯滋味。茶湯苦澀味強度隨兒茶素濃度增加而增強[27]。Narukawa等[27]研究指出相同濃度下4種兒茶素滋味強度順序為:ECG>EGCG>EC>EGC,且這4種兒茶素的滋味強度均隨濃度的增加而增強[33-34]。

兒茶素類物質(zhì)同時存在苦味和澀味兩種滋味屬性,不同兒茶素苦澀味閾值不同,茶湯中主要兒茶素組分識別閾值及滋味活度值如表1所示,其主要兒茶素的苦味閾值在190～1630 μmol/L之間,澀味閾值在115～860 μmol/L之間。酯型兒茶素的閾值低于非酯型兒茶素,苦味和收斂性都強于非酯型兒茶素,在茶湯中含量較高,是影響茶湯苦澀味的關(guān)鍵化學成分[35-36]。Susanne等[37]研究表明,EGCG的滋味活度值下限大于3,其他4種兒茶素EGC、ECG、EC、GCG的閾值上限大于1,主要貢獻茶湯苦味強度;且兒茶素與苦澀味呈顯著正相關(guān),與鮮味、甜味呈顯著負相關(guān)[38]。

在紅茶中,兒茶素類及其氧化產(chǎn)物茶黃素主要呈現(xiàn)澀味,是紅茶滋味呈鮮爽和收斂性的主要物質(zhì),使得茶湯甜醇帶鮮;而殘留的兒茶素,主要表現(xiàn)為爽口和刺激性。就茶湯澀味而言,茶黃素所占比例不到0.02%,對澀味貢獻度較低[12];此外,茶黃素及其沒食子酸酯可與咖啡堿,形成茶乳酪,改善茶湯的滋味和口感[20,39]。

表2 茶湯中主要氨基酸組分識別閾值及滋味活度值Table 2 Recognition threshold and taste activity value of main amino acid components in tea soup

4.2 氨基酸類

氨基酸類是唯一一類呈現(xiàn)鮮味、甜味、苦味和無味4種味感的物質(zhì),不同的氨基酸滋味屬性及味覺閾值均存在差異,但總體呈現(xiàn)鮮甜,苦味氨基酸組分對苦味的貢獻較小[40]。

茶氨酸是游離氨基酸的主體物質(zhì),占50%左右,茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸是茶湯鮮味的主要貢獻者[41]。谷氨酸、茶氨酸/氨基酸總量比值(Thea/aa)及鮮味氨基酸總量/氨基酸總量比值(Umami/aa)與黃茶滋味鮮感呈相關(guān)性[42]。游離氨基酸對紅茶茶湯呈“清鮮”味感特征。一直以來,茶氨酸被認為是茶湯鮮味的呈味物質(zhì),并把它作為評價綠茶鮮爽度的重要標志,但劉爽等[43]研究表明,脯氨酸、甲硫氨基酸、丙氨酸、絲氨酸也是綠茶鮮爽味的特征成分,茶氨酸、甘氨酸、脯氨酸等與谷氨酸共同存在于茶湯;而谷氨酸的濃度高于閾值,茶氨酸卻是閾值遠遠高于濃度,由此認為,谷氨酸是鮮味的直接呈味氨基酸,而非茶氨酸。徐文平等[44]在分析春夏茶苦澀味差異性化學成分表明,甲硫氨酸含量春茶高于夏茶。茶湯中主要氨基酸組分識別閾值及滋味活度值,詳見表2。

4.3 咖啡堿

咖啡堿屬于三甲基黃嘌呤堿化合物,占干物質(zhì)的2%～5%[49],是茶葉中的主要生物堿;咖啡堿無臭、呈苦味,夏茶含量較高,其苦味閾值是97 mg/kg,被認為是主要的苦味物質(zhì)。

目前研究表明,咖啡堿屬同質(zhì)物質(zhì),即只呈苦味;但其濃度的高低與苦味強度沒有相關(guān)性[44,50],其主要原因是咖啡堿的羰基(C=O)易與茶湯中兒茶素、氨基酸等化合物的羥基(-OH)發(fā)生締合作用(可以多個締合),咖啡堿自身在有礦物質(zhì)和糖類存在下可形成二聚體,水的氫健也會促進咖啡堿間的結(jié)合,降低茶湯在中自由態(tài)的咖啡堿含量,弱化咖啡堿的苦味呈現(xiàn)。此外,楊亞軍等[51]研究發(fā)現(xiàn),咖啡堿含量在3.8%～1.5%之間時,茶湯粗澀感降低,鮮爽度增強。

5 茶湯中其他呈味物質(zhì)研究

5.1 黃酮類

黃酮類物質(zhì)是黃酮苷類和黃酮醇類的總稱,黃酮苷化合物呈柔和澀味,可增強咖啡堿苦味。黃酮類物質(zhì)閾值較低,在0.00115～19.80 μmol/L之間[40],其組分中的槲皮素-3-O-蕓香糖苷、楊皮素-3-O-半乳糖苷和槲皮素-3-O-半乳糖苷的滋味活度值均高于10,可能是茶湯滋味的重要貢獻物[52]。槲皮素-3-O-蕓香糖苷在紅茶中的滋味活度值最大,高達70490.6。

5.2 酚酸

茶葉中的酚酸類物質(zhì)有沒食子酸、單寧酸和綠原酸等。其中,沒食子酸呈酸味,濃度較高時有苦澀味;單寧酸和綠原酸呈苦澀味,并隨著濃度的增加而增強[53]。

5.3 花青素類

花青素是一種天然植物水溶性色素,在紫鵑[53]、紫芽等紫化類茶樹中含量較多,約為0.5%～1.0%,是紫色芽葉苦澀味的主要呈味物質(zhì)[54-55]。

5.4 糖類

茶葉中糖類物質(zhì)由單糖和多糖組成,綠茶中游離糖含量蔗糖>葡萄糖>果糖>麥芽糖,均無顯著性差異[56]。在黃金芽加工的工夫紅茶中，麥芽糖含量最高,茶湯中游離的糖類物質(zhì)和甜味氨基酸與甜味強度呈顯著正相關(guān)[57]。Scharbert等[37]認為茶葉中糖含量較低,且其閾值高于茶湯中含量,DOT值小于0.1,糖類對甜味強度的影響很小。

5.5 有機酸類

茶葉中的有機酸包括沒食子酸、草酸、蘋果酸、抗壞血酸、乳酸、琥珀酸等,大約占茶葉干物質(zhì)總量的3%。其中,與鮮味呈顯著正相關(guān)的是:沒食子酸、琥珀酸、抗壞血酸、乳酸、琥珀酸;與甜味呈顯著正相關(guān)的是:沒食子酸、抗壞血酸;草酸與苦味呈正相關(guān),與甜味呈顯著負相關(guān)[56]。毛世紅等[20]研究發(fā)現(xiàn),L-蘋果酸、草酸和天冬氨酸滋味活度值均大于1,其中屬L-蘋果酸的滋味活度值最高,達30.1,是工夫紅茶主要的酸味成分;其次為沒食子酸和丁二酸。

綜上所述,茶葉中的苦味物質(zhì)主要為咖啡堿、苦味氨基酸、兒茶素、黃酮類、酚酸、花青素;澀味物質(zhì)主要為兒茶素、澀味氨基酸、黃酮類、酚酸、花青素;甜味物質(zhì)主要有甜味氨基酸、糖類、部分有機酸;酸味物質(zhì)主要有酸味氨基酸、部分有機酸。

6 滋味物質(zhì)間相互作用關(guān)系研究

6.1 EGCG與其他滋味物質(zhì)的相互作用關(guān)系

茶湯滋味是茶湯中可溶性物質(zhì)的綜合體現(xiàn),物質(zhì)之間的相互作用可分為協(xié)同、加和、抑制三種。EGCG是茶湯滋味的重要參與者,現(xiàn)有研究中滋味物質(zhì)間的相互作用大多圍繞EGCG展開。谷氨酸在高濃度條件下,可顯著降低EGCG的苦味,而對其澀味影響不顯著;咖啡堿弱化鮮味能力強于EGCG,但二者均不顯著[58]。蔗糖與EGCG之間存在互相抑制作用,蔗糖只降低低濃度EGCG 苦味,而對其澀味弱化作用不明顯[59]。蘆丁與 EGCG之間的影響均不顯著[59]。而EGC和苦味表現(xiàn)為負相關(guān),推測是由于其自身苦味閾值高,且與生物堿形成氫鍵而發(fā)生了苦味消隱的作用[60]。

6.2 咖啡堿與其他滋味物質(zhì)的相互作用關(guān)系

咖啡堿雖唯一呈現(xiàn)苦味的物質(zhì),但在茶湯中,不是單獨作用,而是與其他滋味物質(zhì)的綜合效應(yīng)?？Х葔A與EGCG混合后的苦味呈現(xiàn)強度均高于單一物質(zhì)的,但又低于二者苦味之和[61]?？Х葔A能夠增強茶氨酸的鮮味,少量降低茶氨酸的甜味,而茶氨酸卻少量降低咖啡堿的苦味[62];咖啡堿對谷氨酸呈味效應(yīng)的影響大于谷氨酸對咖啡堿的[56]。黃酮苷可增強咖啡堿的苦味[40],蘆丁可以顯著增加咖啡堿的苦味強度[59]。蔗糖增強咖啡堿的苦味,同時咖啡堿也少量增強蔗糖的甜味。

6.3 氨基酸類與其他滋味物質(zhì)的相互作用關(guān)系

茶氨酸和蔗糖間存在鮮甜味的協(xié)同作用[63],低濃度的谷氨酸使蔗糖溶液的甜味強度呈先增加后降低的變化,當蔗糖和谷氨酸均處于高濃度條件下,顯著降低了咖啡堿的苦味強度[59]。茶氨酸、甘氨酸、脯氨酸等與谷氨酸共存于茶湯中,對谷氨酸鮮味的呈現(xiàn)具有協(xié)同增效作用[43]。

6.4 離子與滋味物質(zhì)的相互作用關(guān)系

整體而言,茶湯滋味的醇度、甘度和濃度與水浸出物、EGCG、咖啡堿、GCG、ECG和茶多酚6種物質(zhì)含量具有較強的相關(guān)性[66]。楊悅等[67]通過描述性分析認為,茶湯濃度與水浸出物、EGCG、EGC、βG顯著相關(guān);苦度與EGC、GC、可溶性糖顯著相關(guān);澀度與茶多酚、水浸出物、βG、EGCG、ECG顯著相關(guān);鮮度與氨基酸、可溶性糖、水浸出物顯著相關(guān);茶湯整體滋味品質(zhì)與鮮味呈顯著正相關(guān),與苦味呈顯著負相關(guān)[43]。阮宇成等[68]研究發(fā)現(xiàn),茶多酚含量在20%～25%之間,基本可達到綠茶茶湯濃度要求,在此之上,提高氨基酸含量,即可提高綠茶鮮爽口感。可見,滋味物質(zhì)間的相互作用較為復(fù)雜,滋味物質(zhì)間的味感互作如圖1所示,目前的研究大部分集中在在單一物質(zhì)之間的相關(guān)性層面;未來,針對不同呈味物質(zhì)之間的組成比例關(guān)系,多元多級滋味物質(zhì)單體之間的相互作用關(guān)系,及呈鮮物質(zhì)與呈香物質(zhì)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系等方面的研究都需要不斷深入開展下去。

圖1 滋味物質(zhì)間的味感相互作用[69]Fig.1 Interaction between taste substances

表3 綠茶關(guān)鍵滋味物質(zhì)重組研究Table 3 Research on recombination of key taste substances of green tea

7 茶湯關(guān)鍵滋味物質(zhì)重組研究

風味重組是分子感官科學的關(guān)鍵技術(shù),其是對影響食品風味的關(guān)鍵物質(zhì)進行定性定量分析后,對其風味進行模擬重構(gòu),結(jié)合主成分分析、聚類分析和偏最小二乘判別法等統(tǒng)計方法評價模擬樣和原樣的差異性,并對模型進行驗證和調(diào)整。

由表3,對綠茶滋味特征物質(zhì)的重組與構(gòu)建,結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計學方法,已逐步從線性方程到多元函數(shù)模型而深入開展,構(gòu)建模型的相關(guān)系數(shù)不斷提高,可以預(yù)算出極大值與極小值。但在模型建立過程中,往往因變量過多,或為了提高模型效能,不得不損失大量有價值的變量,而導(dǎo)致模型應(yīng)用范圍太窄,使得模型仍處于理論水平的研究[73-74]。

8 茶湯滋味物質(zhì)重組與應(yīng)用

茶湯滋味物質(zhì)的重組與應(yīng)用主要體現(xiàn)在拼配環(huán)節(jié)。拼配是對滋味物質(zhì)重組后應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),同時拼配也是茶葉生產(chǎn)和經(jīng)營中的重要工序。根據(jù)標準茶樣,將不同原料、不同加工技術(shù)的茶,拼合成特定花色等級的成品茶,以達到“揚長避短”、“高低平衡”,穩(wěn)定茶葉品質(zhì)的目的。

傳統(tǒng)的拼配技術(shù)僅處于應(yīng)用層面,未與茶葉拼配過程內(nèi)含成分的變化緊密聯(lián)系起來,常依賴于拼配人員個人的經(jīng)驗和主觀判斷,使拼配結(jié)果呈偶然性,產(chǎn)品穩(wěn)定性較差,無法定量化、標準化。為此,西南大學童華榮團隊[35,58,75-78]在準確分析茶葉滋味特征,建立重組模型后,采用混料均勻設(shè)計方法拼配出符合模型的綠茶和工夫紅茶產(chǎn)品,來對模型進行驗證,這為以評價滋味物質(zhì)為基礎(chǔ)的,茶葉量化拼配技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

9 展望

隨著分子感官科學的不斷發(fā)展,該學科綜合了食品風味化學、分析化學、感官組學,從分子層面入手,深入剖析關(guān)鍵風味作用物質(zhì),并對其進行重組和應(yīng)用,更為深入和系統(tǒng)的研究體系得到了國內(nèi)外學者的認可。但目前利用分子感官科學研究體系在茶葉風味上的研究尚不夠系統(tǒng)、全面,僅集中在特征風味物質(zhì)的描述和鑒別,對于茶葉風味的質(zhì)量控制和消費者喜好性研究應(yīng)用仍較少。因此,亟需不斷將分子感官科學應(yīng)用于茶葉滋味研究中,不僅有利于提高茶湯質(zhì)量,更符合市場需求,以開發(fā)出滿足消費者喜好的茶葉產(chǎn)品。

分子感官科學也面臨著茶葉感官審評的時效性和主觀性的困境,為了彌補傳統(tǒng)感官審評和化學成分檢測在鑒別茶葉滋味品質(zhì)上的不足,研究者們已先后組建了專業(yè)的茶葉感官評價小組,進一步梳理了茶葉滋味描述詞,及建立對應(yīng)的參比體系,將茶葉內(nèi)含成分與專家感官審評建立相關(guān)關(guān)系[20,59,79-81]。隨著電子舌等快速、準確、智能化檢測技術(shù)在茶葉中的廣泛應(yīng)用,為深入探究茶葉滋味特征物質(zhì)之間的相互作用機理,剖析茶葉滋味特征,穩(wěn)定茶葉品質(zhì),提高茶葉質(zhì)量,未來將茶葉內(nèi)含成分定性定量與專業(yè)感官評價小組和電子舌等建立一一對應(yīng)關(guān)系,并以消費者喜好性為導(dǎo)向,構(gòu)建茶葉滋味特征評價模型,并應(yīng)用于茶葉數(shù)字化拼配中,將會成為分子感官科學研究體系應(yīng)用于茶葉滋味研究的重要方向。