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《食品科学》:福建省农业科学院王阶平研究员等:基于广泛靶向代谢组学的武夷肉桂加工过程代谢物的动态变化
发布时间:2025-11-10  阅读:660次

来源:食品科学杂志

武夷岩茶是中国闽北乌龙茶的典型代表,发酵程度较重,汤色橙黄明亮,叶底呈绿叶红镶边,以独特的岩韵和花香闻名于世。根据采摘鲜叶的茶树品种,武夷岩茶可分为水仙、肉桂、大红袍、名枞、奇种、金牡丹、黄观音、菜茶群体种等,其中肉桂是武夷岩茶当家品种之一

武夷岩茶的加工工序包括萎凋、做青、杀青、揉捻、干燥等,每道工序对武夷岩茶化学成分的转化具有不同的作用。代谢组学技术能同时对生物体小分子代谢物进行全面系统的定性和定量分析,具有高通量和高灵敏度的特点,可结合统计学分析实现可视化探究不同样本的差异和潜在的差异代谢物。该技术在茶叶领域被广泛应用。

福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所的陈梅春、王阶平*,福建省武夷山市坛坛封茶业有限公司的陈善明等以武夷肉桂为研究对象,利用广泛靶向代谢组学技术(超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)与气相色谱-质谱(GC-MS))探究武夷肉桂加工全过程(萎凋→做青→杀青→揉捻→干燥)的全代谢物动态变化,以期为进一步完善武夷岩茶品质形成机理及其优异品质形成的调控提供数据支撑。





1 武夷肉桂加工过程挥发性和非挥发性代谢物的鉴定与分析 

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基于GC-MS和UPLC-MS/MS检测技术,从武夷肉桂鲜叶和加工过程不同工序的茶样中共检测到1 758 个代谢物。利用GC-MS技术检测到783 种挥发性代谢物(表1),包括305 个醇/酯/酮/醛类(39.4%~45.9%)、161 个萜类(23.3%~31.3%)、125 个杂环类(10.8%~16.2%)、125 个烃类(9.5%~12.7%)、15 个含N/S化合物(1.2%~3.1%)和52 个其他类化合物(2.7%~5.3%),其中以醇/酯/酮/醛类和萜类化合物为主。

在武夷肉桂加工过程,各类挥发性代谢物含量变化如图1所示,总挥发性代谢物总量与各类化合物含量变化趋势一致,含量均先上升后下降;做青后茶样挥发性物质总量达到高峰,与萎凋工序茶样相比,其总挥发性代谢物、醇/酯/酮/醛类、萜类、杂环类、烃类、含N/S化合物及其他类化合物的增幅分别为80.5%、110.6%、48.1%、72.1%、95.1%、33.8%和50.9%;与茶鲜叶相比,做青后茶样的总挥发性代谢物、醇/酯/酮/醛类、萜类、杂环类、烃类、含N/S化合物及其他类化合物的增幅分别为149.1%、189.5%、175.8%、75.5%、131.1%、40.7%和52.7%。但是,杀青后茶样的挥发性代谢物含量急剧下降,与做青后的茶样相比,其总挥发性代谢物、醇/酯/酮/醛类、萜类、杂环类、烃类、含N/S化合物及其他类化合物的降幅分别为60.4%、62.0%、52.2%、62.5%、67.9%、64.9%和66.2%,降幅均超过50.0%。揉捻后茶样的挥发性代谢物含量上升,而干燥后又下降。整体上,干燥后茶样的挥发性代谢物含量最低,总挥发性代谢物、醇/酯/酮/醛类、萜类、杂环类、烃类、含N/S化合物及其他类化合物分别占茶鲜叶代谢物含量的70.7%、73.5%、91.0%、54.4%、64.0%、29.4%和46.1%。

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武夷肉桂加工过程不同类别挥发性代谢物的主要组成和变化如图2所示。挥发性物质中醇/酯/酮/醛类化合物以2-环戊基乙醇、(Z)-戊-2-烯丁酸丁酯、戊酸芳樟酯、(Z)-己酸-3-己烯酯、甲基-(2,2,3-三甲基环戊基)-甲酮、2,6,6-三甲基双环[3.2.0]庚-2-烯-7-酮为主。在加工过程,2-环戊基乙醇、甲基-(2,2,3-三甲基环戊基)-甲酮和2,6,6-三甲基双环[3.2.0]庚-2-烯-7-酮含量总体上呈现下降趋势;(Z)-戊-2-烯丁酸丁酯、戊酸芳樟酯和(Z)-己酸-3-己烯酯含量先上升后下降,于做青后达到最高(图2A)。脂肪族醛、醇、叶醇酯类化合物对于鲜叶加工过程香型的形成有着重要作用,与鲜叶相比,干燥后毛茶中的C6醛类和C6醇类化合物含量分别降低91.7%和27.1%;叶醇酯类化合物的含量增加520.4%,其中(Z)-己酸-3-己烯酯增幅最大,达671.1%。此外,一些醇类、酮类物质对茶叶的香型具有重要贡献,如α-松油醇、二氢猕猴桃内酯、β-紫罗兰酮、异佛尔酮与花香、果香、甜香呈显著负相关,与参香、药香、木香和陈香呈显著正相关。本研究中,毛茶的α-松油醇含量下降36.6%;苯甲醇、β-紫罗兰酮和异佛尔酮含量分别增加68.6%、28.1%和433.0%,表明本研究制备的岩茶具有丰富的香型。

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萜类化合物以紫苏烯、β-罗勒烯、乙酸芳樟酯、δ-愈创木烯、β-红没药烯和1-甲基-4-(1,2,2-三甲基环戊基)环己-1,3-二烯为主。在加工过程中,β-罗勒烯、δ-愈创木烯、β-红没药烯和1-甲基-4-(1,2,2-三甲基环戊基)环己-1,3-二烯的含量变化趋势一致,先上升后下降,于做青工序后达到最高峰;紫苏烯和乙酸芳樟酯含量变化波动大,整体上呈现下降趋势(图2B)。

杂环类化合物以2-己酰基呋喃、呋喃酮、3,5-二甲基吡唑-1-羧胺和1-(1H-吡唑-4-基)-乙酮为主,在加工过程中的含量整体上呈下降趋势。烃类化合物以正丁基苯、(1-甲氧基丙基)-苯、(1-甲基-1-丙基戊基)-苯和1,10-十一碳二烯为主,在加工过程中的含量整体上先上升后下降,于做青工序后达到高峰(图2C)。

含N/S化合物以苯甲硫醇、二丙基二硫、(甲硫基)-苯和3-(1-甲基亚乙基)-环戊烷甲腈为主。其他类化合物以(R)-(+)-1-(对甲苯基)乙胺、4-乙基苯酚、苯酚和4,5-二甲基-1,3-苯二醇为主。其中,苯甲硫醇和(R)-(+)-1-(对甲苯基)乙胺在加工过程中的含量整体上呈下降趋势,二丙基二硫和4-乙基苯酚的含量先上升后下降,其他4 个化合物加工过程中含量变化不大(图2D)。

利用UPLC-MS/MS检测到975 种非挥发性代谢物(表2),包括264 个有机酸类(29.6%~38.1%)、278 个黄酮类(28.3%~34.7%)、14 个原花青素(3.0%~3.8%)、68 个氨基酸及其衍生物(4.5%~13.1%)、59 个生物碱(5.0%~6.6%)、43 个木脂素和香豆素(1.0%~2.5%)及249 个其他类化合物(11.8%~18.4%),其中以有机酸类和黄酮类化合物为主。

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在武夷肉桂加工过程,各类非挥发性代谢物含量变化如图3所示。茶鲜叶经萎凋和做青后,总非挥发性物质含量上升,增幅为24.3%,而后工序过程中总含量变化较小;干燥后毛茶非挥发性物质总量相对于鲜叶的增幅为27.8%。有机酸类、木脂素和香豆素类化合物含量在岩茶加工过程先上升到最高点,而后下降至平衡点;黄酮类化合物含量先上升后下降,于杀青后含量达到最高,相对于鲜叶增幅为18.6%;原花青素含量在岩茶加工过程变化较小;氨基酸及其衍生物含量逐渐上升,在萎凋和做青工序上升速度快(相对于鲜叶,增幅分别为83.3%和238.3%),杀青、揉捻和干燥工序上升缓慢,干燥后的毛茶氨基酸及其衍生物含量相对鲜叶增幅为270.2%;生物碱含量先上升后下降,于做青后达到最高峰(相对鲜叶增幅为62.4%),干燥后的毛茶生物碱含量相对鲜叶增幅为35.4%;其他类非挥发性物质在加工过程缓慢上升。

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武夷肉桂加工过程不同类别非挥发性代谢物的主要组成和变化如图4所示。非挥发性物质中有机酸类以没食子酸甲酯、柠檬酸、奎宁酸和琥珀酸为主(图4A),其中,没食子酸甲酯含量逐渐下降,琥珀酸含量逐渐升高,柠檬酸和奎宁酸在整个加工过程含量变化不明显。黄酮类化合物以表儿茶素-3-(3-O-甲基)没食子酸酯、槲皮素-7-O-芸香糖苷-4-O-葡萄糖苷、儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯和槲皮素-3-O-半乳糖苷为主,表儿茶素-3-(3-O-甲基)没食子酸酯、槲皮素-3-O-半乳糖苷和槲皮素-7-O-芸香糖苷-4-O-葡萄糖苷含量变化不明显,而儿茶素没食子酸酯和表儿茶素没食子酸酯在干燥工序后的含量低于鲜叶,降幅分别为13.2%和5.9%。进一步对4 种简单儿茶素和4 种酯型儿茶素总量变化进行分析发现,鲜叶制备成毛茶后,简单儿茶素和酯型儿茶素总量相对于鲜叶降幅分别为20.6%和9.2%(图4B)。黄酮(醇)糖苷类化合物含量先上升后下降,于杀青后达到高峰,毛茶的含量相对于鲜叶增幅为9.3%。本实验检测的黄酮糖苷类化合物包括木犀草素苷、芹菜素苷、牡荆素苷、苜蓿素苷、柚皮素苷、橙皮素苷、圣草酚苷、金圣草黄素苷、荭草素苷、高车前素苷、香叶木素苷、高良姜素苷等;黄酮(醇)糖苷类包括山柰酚苷、槲皮素苷、杨梅素苷、异鼠李素苷、柽柳黄素苷等。主要的4 种糖苷类化合物在加工过程中变化如图4C所示,加工过程中山柰酚苷含量先上升后下降,于杀青后达到高峰,而槲皮素苷含量变化无规律,两者在毛茶中的含量相对于鲜叶降幅分别为5.7%和8.4%;木犀草素苷含量轻微上升,在毛茶中的含量相对于鲜叶增幅为4.6%;芹菜素苷逐渐增加,在毛茶中的含量相对于鲜叶增幅为24.4%。芹菜素-6/8-C-葡萄糖苷(牡荆素)对于茶汤厚度有贡献,鲜叶制备成毛茶后,牡荆素含量相对鲜叶增幅为66.2%,说明毛茶厚度增加。

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原花青素主要由茶黄素、原花青素B3和原花青素B2组成(图4D),其中茶黄素在做青后的含量快速上升,相对于鲜叶增幅为731.8%,后期杀青、揉捻和干燥工序过程的茶黄素含量上升较慢,制成毛茶后,茶黄素含量相对茶鲜叶增幅为810.1%;原花青素B3和原花青素B2在整个加工过程含量变化不大。生物碱主要由可可碱、N-阿魏酰胍丁胺和胆碱组成,可可碱含量先上升后下降,于做青后达到高峰;N-阿魏酰胍丁胺和胆碱在干燥工序完成后的含量显著低于鲜叶。

氨基酸及其衍生物主要由L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-正亮氨酸、DL-色氨酸和L-谷氨酸组成,其中L-谷氨酸含量逐渐下降,制成毛茶后,其含量相对茶鲜叶降幅为39.9%;L-亮氨酸、L-异亮氨酸和L-正亮氨酸的含量逐渐升高,DL-色氨酸含量先上升后维持不变,制成毛茶后,4 种氨基酸的含量相对于茶鲜叶的增幅分别为428.7%、362.4%、379.2%和207.1%(图4E)。

木质素和香豆素类化合物以7-羟基-2H-1-苯并吡喃-2-酮、异东莨菪碱-葡萄糖苷、芝麻素和8R-二氢脱氢二萜醇4-O-β-D-吡喃葡萄糖苷为主,含量总体轻微下降。其他类化合物以α-亚麻酸、(E)-芳樟醇-1-酸和棕榈醛为主(图4F),这3 个化合物均为游离脂肪酸,其中α-亚麻酸含量先上升后保持平稳,制成毛茶后,含量相对于茶鲜叶增幅为123.0%;(E)-芳樟醇-1-酸在做青后呈下降趋势,制作成毛茶后含量相对于茶鲜叶的降幅为61.1%;棕榈醛的含量在整个加工过程呈轻微上升趋势。


2 武夷肉桂加工过程不同工序代谢物PCA和聚类分析

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以检测的所有挥发性和非挥发性代谢物为指标进行PCA(图5)和聚类分析(图6)。PCA结果显示,武夷肉桂加工过程鲜叶和萎凋茶样的全代谢物组差异小于其他工序的茶样,不同工序样品能被明显区分开。聚类分析结果显示,6 个工序的茶样可以聚为2 类,I类为鲜叶和萎凋后茶样,II类为做青、杀青、揉捻和干燥后茶样,其中I类鲜叶和萎凋后茶叶全代谢物组差异较小;II类中做青、杀青、揉捻和干燥后茶样全代谢物组差异相对较大,可以分别聚为亚类。聚类分析结果与PCA结果基本一致。
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为了更加准确地反映6 组样品间的代谢物差异,依据VIP≥1.0且P<0.05,共筛选出556 种差异化合物,包括342 种挥发性代谢物(9 个含N/S化合物、62 个杂环类、59 个萜类、61 个烃类、131 个醇/酯/醛/酮类及20 个其他类化合物)和214 种非挥发性物质(43 个黄酮类、78 个有机酸类、15 个氨基酸及衍生物、13 个生物碱、8 个木质素和香豆素、1 个原花青素及56 个其他类化合物)。在342 种挥发性差异代谢物中,含N/S化合物主要包括(甲硫基)-苯、苯甲硫醇、缩二脲等;杂环化合物主要包括5-乙基-3-羟基-4-甲基-2(5H)-呋喃酮、3,5-二甲基吡唑-1-羧胺、呋喃酮、2-己酰基呋喃等;萜类化合物主要包括β-罗勒烯、(E)-4,8- 二甲基壬基-1,3,7-三烯、紫苏烯、乙酸芳樟酯、β-蒎烯等;烃类化合物主要包括(1-甲氧基丙基)-苯、1,10-十一碳二烯、2,6-二甲基-2,6-辛二烯等;醇/酯/醛/酮类化合物主要包括3-己烯酸丁酯、2-甲基-2-戊醛、(Z)-戊-2-烯丁酸丁酯、甲基-(2,2,3-三甲基环戊基)-甲酮、2,6,6-三甲基双环[3.2.0]庚-2-烯-7-酮等。在非挥发性差异代谢物中,黄酮类化合物主要包括黄烷醇类、黄酮(醇)糖苷类、查耳酮和二氢黄酮等;有机酸类化合物主要包括奎宁酸、没食子酸、莽草酸、肉桂酸、苯甲酸、苯乙酸、茉莉酸、苹果酸等;氨基酸及其衍生物主要包括L-天冬氨酸、环亮氨酸、3-氨基丙酸甲酯等;生物碱主要包括N-阿魏酰胍丁胺、可可碱、胆碱等;木质素和香豆素主要包括表松脂醇、5-甲氧基异落叶松脂醇-9-O-葡萄糖苷等;其他非挥发性化合物主要包括棕榈酸、棕榈醛等游离脂肪酸和核苷酸及其衍生物。

3 武夷肉桂加工过程不同工序代谢物差异分析

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利用OPLS-DA对武夷肉桂加工过程中不同工序代谢物变化进行分析,鲜叶vs萎凋(vs前面的组别为对照组,下同)、萎凋vs做青、做青vs杀青、杀青vs揉捻、揉捻vs干燥2 个工序茶样的OPLS-DA的S-plot图如图7所示,红色点表示不同工序之间差异显著的代谢物,越靠近右上角和左下角的代谢物表示其差异越显著。

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武夷肉桂加工过程不同工序差异显著的代谢物数目如表3所示。茶青经萎凋工序后,茶样代谢物组共有281 种代谢物含量发生了显著变化;经做青工序后,有558 种代谢物含量发生显著变化,其中含量上调的物质有536 种,含量下调的有22 种;经杀青工序后,530 种代谢物含量发生显著变化,其中含量上调的有92 种,含量下调有438 种;经揉捻工序后,有354 种代谢物含量发生显著变化,其中含量上调有308 种,含量下调有46 种;经干燥工序后,有555 种代谢物发生变化,含量上调的代谢物有117 种,含量下调的代谢物有438 种。研究发现,在武夷肉桂鲜叶经萎凋和做青工序处理后,代谢物含量上调的数目比较多,下调的数目比较少;在杀青、揉捻、干燥等工序处理后,含量下调的代谢物数目比较多,含量上调的代谢物数目比较少。

武夷肉桂加工过程不同工序差异代谢物的OPLS-DA模型中VIP值最大的前20 个代谢物如表4所示。鲜叶萎凋后,VIP值最大的前20 个差异代谢物中含量下调的代谢物有4 个,为吲哚-5-甲酸(生物碱)、吲哚-3-甲酸(生物碱)、5,7-二羟基色原酮和(E,Z)-3,6-壬二烯-1-醇;含量上调的代谢物有16 个,包括橙皮素-7-O-葡萄糖苷(黄酮类)、丁香酸(有机酸类)、乙酸胍(生物碱)、L-谷氨酰胺(氨基酸)、L-赖氨酸(氨基酸)、β-氨环柠檬醛等化合物。

做青后,VIP值最大的前20 个差异代谢物中含量下调的代谢物有3 个,为杨梅素-3-O-半乳糖苷-3-O-鼠李糖苷(黄酮类)、杨梅素-3-O-芸香糖苷(黄酮类)和5,8-二羟基-9,12-十八碳二烯酸;含量上调的代谢物有17 个,包括甲基庚烯酮、肉桂醇、丁酸辛酯、β-榄香烯等挥发性代谢物。

杀青后,VIP值最大的前20 个差异代谢物中含量下调的代谢物有12 个,包括α-酮戊二酸(有机酸类)、L-丙氨酰-L-亮氨酸(氨基酸)、2-甲基-2-戊醛(醛类)、2,2,3-三甲基环丁酮、己酸甲酯等;含量上调的代谢物有8 个,包括1-O-对香豆酰奎宁酸、肉桂酸(有机酸类)、1-乙酰基-β-咔啉(生物碱)、3-硝基-L-酪氨酸、4-甲基-2-氧杂环丁酮等。

揉捻后,VIP值最大的前20 个差异代谢物中含量下调的代谢物有6 个,包括木犀草素-7-O-葡萄糖醛酸苷(黄酮类)、1-乙酰基-β-咔啉(生物碱)、2-乙基-5-甲基-呋喃、十一醛等;含量下调的代谢物有14 个,包括烟胺(生物碱)、L-丙氨酰-L-亮氨酸(氨基酸)、己酸甲酯、α-酮戊二酸等。

干燥后,VIP值最大的前20 个差异代谢物中含量下调的代谢物有9 个,包括1,6-二-O-没食子酰-3-O-肉桂酰-β-D-葡萄糖(有机酸类)、4-己烯-3-酮、1-(5-叔丁基吡嗪-2-基)乙酮等;含量上调的代谢物有11 个,包括延胡索酸、马来酸、1-乙酰基-β-咔啉(生物碱)、十一醛、乙酸异龙脑酯等。上述含量变化显著的VIP值前20的差异代谢物,每道工序完成后,含量下降的代谢物几乎降低至检测限以下,含量上升的基本上为新出现的代谢物。

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4 武夷肉桂加工过程不同工序差异代谢物功能注释及富集分析

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将筛选出的差异显著的代谢物在京都基因与基因组百科全书(KEGG)数据库中进行注释,不同组别注释的KEGG通路数目如表5所示。进一步对差异显著代谢物KEGG的注释结果按照KEGG中通路类型进行分类,主要注释到3 类,即代谢、遗传信息处理和环境信息处理。

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进一步对差异代谢物进行KEGG通路富集分析,不同组别差异代谢物KEGG富集气泡如图8所示。鲜叶vs萎凋样品差异表达代谢物富集显著性排名前3的通路包括二萜类和三萜类生物合成通路,富集到该通路的差异代谢物包括α-石竹烯、δ-杜松烯、α-法呢烯、(E)-1-甲基-4-(6-甲基庚-5-烯-2-亚烷基)环己-1-烯和β-红没药烯等;氨酰-tRNA生物合成通路,富集到该通路的差异代谢物包括L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-色氨酸、L-缬氨酸、L-酪氨酸、L-谷氨酰胺和L-赖氨酸等;硫代葡萄糖苷生物合成通路(图8A),富集到该通路的差异代谢物包括L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-色氨酸、L-缬氨酸和L-酪氨酸等游离氨基酸,上述结果表明萎凋工序对于游离氨基酸和萜类化合物的形成影响很大。

萎凋vs做青样品差异表达代谢物主要富集于亚麻油酸代谢通路,富集到该代谢通路的代谢物包括γ-亚麻酸、顺式十八碳-9-烯-12-炔酸、9,10,13-三羟基-11-十八碳烯酸、9-过氧-10E,12Z-十八碳二烯酸、5,8-二羟基-9,12-十八碳二烯酸、2-甲基-6-亚甲基辛基-2,7-二烯酮等;次级代谢产物生物合成通路,富集到该通路的差异代谢物包括松脂醇、L-色氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸、松柏醇、香草醛和肉桂酸等;硫代葡萄糖苷生物合成通路(图8B),富集到该通路的代谢物包括L-色氨酸、L-缬氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸和L-甲硫氨酸等,表明做青工序对于游离氨基酸、游离脂肪酸和萜类化合物的形成影响很大。

做青vs杀青样品差异表达代谢物主要富集于柠檬烯和松萜类降解通路,富集到该通路的差异代谢物包括柠檬烯、香芹酮、α-氧化蒎烯、苯甲醇、左旋香芹酮和4-(1-甲基乙烯基)-1-环己烯-1-甲醛等;类单萜生物合成通路,富集到该通路的代谢物包括柠檬烯、2-甲基-6-亚甲基辛基-2,7-二烯酮、α-松油醇、月桂烯、(1R,2S,5S)-2-甲基-5-(1-甲基乙基)-双环[3.1.0]己-2-醇、甲基-(2,2,3-三甲基环戊基)-甲酮和左旋香芹酮等;富集核苷酸及其衍生物等差异代谢物的嘌呤代谢信号通路(图8C),表明杀青工序对萜类、醇/酮/醛/酸类等挥发性化合物的形成影响大。

杀青vs揉捻样品差异表达代谢物主要富集于类单萜生物合成通路,富集到该通路上的差异代谢物包括柠檬烯、2-甲基-6-亚甲基辛基-2,7-二烯酮、月桂烯、α-松油醇、(1R,2S,5S)-2-甲基-5-(1-甲基乙基)-双环[3.1.0]己-2-醇、甲基-(2,2,3-三甲基环戊基)-甲酮和左旋香芹酮等;柠檬烯和松萜类降解通路,富集到该通路的差异代谢物包括柠檬烯、乙酸己酯、α-氧化蒎烯、苯甲醇、左旋香芹酮和4-(1-甲基乙烯基)-1-环己烯-1-甲醛等;莨菪烷类、哌啶类和吡啶类生物碱的生物合成通路,富集到该通路的差异代谢物主要有古豆碱、托品酮和8-甲基-8-氮杂双环[3.2.1]辛烷-3-醇等信号通路(图8D),表明揉捻工序对萜烯类、醇/酮/醛/酸类等挥发性化合物的形成影响大。

揉捻vs干燥样品差异表达代谢物主要富集于柠檬烯和松萜类降解通路,富集到该通路上的差异代谢物包括柠檬烯、6,6-二甲基-双环[3.1.1]庚-2-烯-2-甲醇、香芹酮、α-氧化蒎烯、α-蒎烯、4-(1-甲基乙烯基)-1-环己烯-1-羧酸、左旋香芹酮、4-(1-甲基乙烯基)-1-环己烯-1-甲醛等;二萜类和三萜类生物合成通路,富集到该通路上的差异代谢物包括β-瑟林烯、α-石竹烯、3,7,11-三甲基-1,6,10-十二碳三烯-3-醇、δ-杜松烯和(E)-1-甲基-4-(6-甲基庚-5-烯-2-亚烷基)环己-1-烯等;亚麻油酸代谢与光合作用通路(图8E),富集到该通路的代谢物包括γ-亚麻酸、顺式十八碳-9-烯-12-炔酸、(9Z,11E)-十八碳二烯酸、7,8-二羟基-9,12-十八碳二烯酸、9-过氧-10E,12Z-十八碳二烯酸、香草醛和1-(3-羟苯基)-乙酮等,表明干燥工艺对萜烯类、酮/醛/酸类化合物和黄酮类化合物的形成影响大。

综上所述,武夷肉桂加工过程中,不同工序对肉桂岩茶代谢物的转化产生重要影响。肉桂岩茶重要非挥发性代谢物(如游离氨基酸、生物碱)在萎凋和做青工序变化幅度大,在其他工序变化幅度小;而挥发性代谢物在所有加工工序都发生较大变化,尤其是萜类化合物。


讨 论


风味(香气和滋味)是评价茶叶品质的主要因素,是其代谢物的外在表现,如酮类化合物通常带有花果香味,醇类和萜类化合物带有特殊的花香和果香,氨基酸主导茶汤鲜爽味,儿茶素类和黄酮类赋予茶汤苦涩味,可溶性糖是茶汤呈现甜味的重要因子,有机酸与茶汤厚度和苦味有关系。茶叶风味是在加工过程中由酶促和非酶促反应形成的,与加工工艺密切相关。武夷岩茶的加工工序包括萎凋、做青、杀青、揉捻和干燥,每一道工序对岩茶风味成分的形成都有贡献。本实验探究了鲜叶在岩茶加工工序中的动态变化情况,发现加工过程中,总挥发性代谢物含量先上升后下降,总非挥发性代谢物含量先上升后维持平稳,其中萜类、烃类、醇/酯/醛/酮等重要挥发性代谢物各工序均发生较大幅度的变化,而游离氨基酸、生物碱等重要非挥发性代谢物仅在部分工序发生较大幅度的变化。

萎凋包括日光萎凋和加温萎凋,萎凋后鲜叶失去光泽,青气减退,整个萎凋过程以脱水10%~15%为宜。已有研究表明,萎凋过程儿茶素和黄酮类化合物的生物合成受到抑制,蛋白酶、多酚氧化酶、糖苷水解酶等内源酶活性提高,促进蛋白质降解,加快儿茶素和黄酮类化合物的化学转化,使得氨基酸、茶黄素、萜烯类化合物等含量上升。不同方式的萎凋对于岩茶风味成分的形成也有较大的影响,日光萎凋会促进苄基氰和吲哚的形成,而加温萎凋则使α-法呢烯含量大幅度提高,从而形成不一样的香型。本研究中肉桂鲜叶萎凋后,全代谢物含量上调,包括挥发性物质中的醇/酯/酮/醛类、萜类和烃类化合物,非挥发性代谢物中的有机酸类、氨基酸及其衍生物和生物碱。其中,差异显著的代谢物主要为游离氨基酸(L-谷氨酰胺、L-赖氨酸)、生物碱类(吲哚-3/5-甲酸、乙酸胍)、有机酸类(丁香酸)、黄酮类(橙皮素-7-O-葡萄糖苷)和萜类(β-环柠檬醛)等。

做青是武夷岩茶品质形成的关键工序,由摇青和晾青交替进行,摇青通过机械损伤叶片,诱导酶促氧化的进行,多酚类和叶绿素、类胡萝卜素等色素类物质发生变化,使青叶产生绿底红镶边,紧接通过晾青使叶片恢复紧张状态。做青过程中,低沸点的青草气成分得以挥发和转化,高沸点的花香、果香成分显露出来,使芳香物质含量得到大幅度提高。适当增加摇青和晾青次数,可有效促进芳香物质的积累。本研究发现,做青后的茶样,挥发性代谢物含量提高至萎凋工序阶段的近2 倍,特别是醇/酯/酮/醛类、烃类和杂环化合物;非挥发性代谢物中氨基酸及其衍生物、生物碱及脂质类化合物含量上调比较多,其中差异显著的代谢物包括氨基酸类(L-色氨酸、L-缬氨酸、L-苯丙氨酸、L-酪氨酸和L-甲硫氨酸)、黄酮类(杨梅素-3-O-半乳糖苷-3-O-鼠李糖苷、杨梅素-3-O-芸香糖苷)、脂质类(γ-亚麻酸等)、醇/酯/酮/醛类(肉桂醇、甲基庚烯酮、丁酸辛酯)和萜类(β-榄香烯),与Chen Si和Hu Cijie等报道的做青过程会促进萜烯、脂肪酸和苯类挥发物的形成,从而促使乌龙茶形成果香和花香的研究结果一致。

杀青是武夷岩茶加工过程一道重要工序,其通过高温抑制酶活,使叶片停止发酵,防止叶片继续红变,同时使叶片挥发掉部分水分,让叶片变软便于揉捻,进一步通过揉捻使叶片卷转成条,体积缩小,最后通过干燥抑制酶促氧化反应的进行,消除茶叶的苦涩味,促进茶汤滋味醇厚的形成。本研究发现,杀青、揉捻和干燥对茶叶挥发性物质影响比较大,各类挥发性物质含量降幅均超过50.0%;而对非挥发性代谢物含量影响较小。进一步通过KEGG富集分析发现,在武夷肉桂加工过程中,游离氨基酸在萎凋和做青工序显著富集,黄酮类化合物在干燥工序显著富集;萜类和游离脂肪酸等在各加工工序均显著富集,醇/酮/醛/酸类等代谢物在杀青、揉捻和干燥工序显著富集,表明加工工序对于茶样萜类、醇/酮/醛/酸类等、游离脂肪酸、氨基酸、黄酮类物质的形成和转化影响很大。

已有研究表明,不饱和脂肪酸在脂氧合酶的作用下氧化成为过氧化物,过氧化物在氢氧化裂解酶的进一步氧化裂解下生成C6醛类,C6醛类被乙醇脱氢酶还原成为相应的醇类物质,而后部分醇类物质在醇酰基转移酶作用下开始发生酯化反应,形成带有花果香的叶醇酯类衍生物。脂肪族醛类和醇类物质呈青草香,叶醇类物质呈花果甜香,本研究中鲜叶加工成毛茶后,C6醛类化合物含量下降91.7%,C6醇类化合物含量下降27.1%,叶醇酯类衍生物如(Z)-己酸-3-己烯酯含量增幅为671.1%,表明鲜叶加工成毛茶后,叶片青草香褪去后形成柔和的花果香。周子维等报道摇青机械力能显著降低鲜叶中的亚麻酸及亚油酸含量,从而促进脂肪族类香气物质的形成,而本研究发现随着鲜叶做青后,α-亚麻酸含量逐渐升高(增幅为123.0%),可能是因为脂肪族类香气物质形成过程中α-亚麻酸未作为脂氧合酶代谢底物被氧化降解。

此外,本研究中武夷肉桂鲜叶加工成毛茶后,呈花香或果香的芳樟醇及其氧化物、苯甲醇、β-罗勒烯等,呈辛香的脱氢芳樟醇、α-石竹烯等,呈薄荷香的异佛尔酮,呈木香的β-紫罗兰酮等,呈麝香的二氢猕猴桃内酯等挥发性物质含量上升,使得形成的武夷肉桂显露花果香、辛香和薄荷香。儿茶素类化合物在茶叶加工过程中会发生氧化聚合、水解、甲基化、糖苷化等变化,影响该类物质的积累,这可能是本研究中滋味成分呈涩味的简单儿茶素和酯型儿茶素含量下降和茶黄素含量上升的原因。一般认为茶叶氨基酸含量越高,风味品质越好,本研究中氨基酸含量在加工过程中不断上升,促进茶汤鲜爽滋味的形成;同时,对厚度有贡献的有机酸含量上调,对改善茶汤滋味具有重要意义。黄酮(醇)糖苷是茶叶中重要的黄酮类化合物,也是茶汤的一类重要呈色物质,该类具有苦涩味,含量增加会增强茶汤的苦涩口感和厚度。本研究中检出的黄酮(醇)糖苷类化合物类型丰富,有20余种糖苷元,以山柰酚苷、槲皮素苷、木犀草素苷和芹菜素苷为主,其中芹菜素苷变化最为显著,特别是芹菜素-6/8-C-葡萄糖苷,增幅达到66.2%,增强了茶汤的厚度。制成毛茶后,黄酮(醇)糖苷类化合物总量增加,也提高了茶汤色彩饱和度,使茶汤颜色纯度有所上升


结 论


本研究基于广泛靶向代谢组学技术对武夷肉桂加工过程中代谢物动态变化进行了系统分析,共检测到783 种挥发性代谢物和975 种非挥发性代谢物。加工过程中,总挥发性代谢物含量先上升后下降,总降幅为70.7%;总非挥发性代谢物含量先上升后维持平稳,总增幅为27.8%。萜类、烃类、醇/酯/醛/酮类等重要挥发性代谢物含量在各加工工序均发生较大变化,游离氨基酸、生物碱等重要非挥发性代谢物含量在萎凋和做青工序变化幅度大于其他工序,有机酸类、黄酮类等代谢物含量在各加工工序变化幅度较小。基于PCA和聚类分析全代谢物组发现,鲜叶和萎凋后茶样全代谢物组差异小于其他工序茶样,不同工序茶样差异明显。利用OPLS-DA筛选出黄酮(醇)糖苷类、奎宁酸、L-天冬氨酸、可可碱、棕榈酸、2-己酰基呋喃、β-罗勒烯、紫苏烯、3-己烯酸丁酯、2,6,6-三甲基双环[3.2.0]庚-2-烯-7-酮等556 个差异代谢物用以区分不同工序的样本。进一步结合KEGG富集分析发现,游离氨基酸在萎凋和做青工序显著富集,黄酮类化合物在干燥工序显著富集;萜类和游离脂肪酸等在各加工工序均显著富集,醇/酮/醛/酸类等代谢物在杀青、揉捻和干燥工序显著富集。本研究利用广泛靶向代谢组学分析技术更加全面细致地揭示了武夷山肉桂加工过程中代谢物整体特征,为深入探究武夷岩茶品质与加工的相关性提供理论依据。


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作者简介




通信作者:
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王阶平,研究员,福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所,目前主要从事芽胞杆菌的基因组学和分类学、乳酸菌资源收集与应用、环境微生物学、农业废弃物资源化利用、植物线虫的生物防治与基因资源等方面研究。主持各类项目10余项,获2016年福建省科技进步三等奖(排名第三);获2017年福建省科技进步一等奖项(排名第四)。近5年作为第一或通信作者发表论文30余篇,作为主要编著发表论著部。





第一作者:

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陈梅春,福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所,芽胞杆菌研究中心主任,福建省高层次C类现有人才,入选中国科协第三届青年人才托举工程、院首批英才计划、院优才计划。主要从事生物功能物质研究与应用。发表第一或通讯作者论文33 篇;获授权发明专利项;获中国科学院院长优秀奖(2012年),博士论文入选中科院百篇优博(2013年);主持国家级、省级、院级及企业横向项目10余项;获2020年度福建省科技进步奖三等奖项(排名第一)、2023年度福建省科技进步三等奖项(排名第三)、获2018年度福建省农科院科技创 新一等奖项(排名第一);获第六届福建省直青年五四奖章2022年)。









本文《基于广泛靶向代谢组学的武夷肉桂加工过程代谢物的动态变化》来源于《食品科学》2025年46卷第8期221-234页,作者:陈梅春,陈善明,马秋梅,陈雯帆,陈雯颖,林恩泉,蓝江林,刘波,王阶平。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241009-031。


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