微生物对茶叶中嘌呤生物碱代谢的研究进展

马存强，杨 超，周斌星,2,*，任小盈，李 静，李发志

（1.云南农业大学龙润普洱茶学院，云南 昆明 650201；2.安徽农业大学茶与食品科技学院，安徽 合肥 230036；3.云南省保山市隆阳区茶叶技术推广站，云南 保山 678000）

微生物对茶叶中嘌呤生物碱代谢的研究进展

马存强1，杨 超1，周斌星1,2,*，任小盈1，李 静1，李发志3

（1.云南农业大学龙润普洱茶学院，云南 昆明 650201；2.安徽农业大学茶与食品科技学院，安徽 合肥 230036；3.云南省保山市隆阳区茶叶技术推广站，云南 保山 678000）

嘌呤碱是茶叶中重要的内含物质，常应用于医疗保健和食品饮料等行业。在黑茶渥堆和茶叶微生物发酵期间嘌呤碱出现种类和含量的变化。为探究微生物与嘌呤碱代谢的关系，本文对近年国内外相关研究进行综述，发现不同微生物单菌种发酵对嘌呤碱含量和种类影响不一，顶头孢霉（Cephalosporium acremonium）能显著提高茶叶中咖啡碱含量；烟曲霉（Aspergillus fumigatu）、乳酸菌（Lactobacillus）、醋酸型乳酸菌（acetic acid Lactobacillus）等对嘌呤碱含量影响不大；酵母菌（yeast）、聚多曲霉（Aspergillus sydowii）对咖啡碱有降低作用；黑曲霉（Aspergillus niger）对嘌呤碱代谢影响存在争议；咖啡碱与茶叶碱存在消长关系。

茶叶；微生物；嘌呤碱；咖啡碱；代谢

茶叶年人均消费量已达0.5 kg，已经超过咖 啡、啤酒、葡萄酒和碳酸饮料，成为第一大饮料[1]。这得益于人们对茶叶保健功效的认识和认可。大量在人体、动物和实验室状态下的研究表明，茶叶具有减少腰部脂肪堆积[2]、抗炎杀菌[2-3]、抗氧化[4]、减少动脉粥样硬化机率[5]和一定的防癌抗癌[6-8]等功效作用。这得益于茶叶中的功能成分，如茶多酚、茶色素、茶多糖、氨基酸等。嘌呤类生物碱亦是茶叶中重要的呈味物质和功能成分。

1 茶叶中嘌呤生物碱的种类和功效

茶叶生物碱主要为嘌呤类生物碱以及少量的嘧啶类生物碱。嘌呤类生物碱有咖啡碱（1,3,7-三甲基黄嘌呤，caffeine）、茶碱（1,3-二甲基黄嘌呤，theophylline）、可可碱（3,7-二甲基黄嘌呤，theobromine）、黄嘌呤（xanthine）、次黄嘌呤（hypoxanthine）、拟黄嘌呤（1,7-二甲基黄嘌呤，paraxanthine），以及在云南省苦茶中首次分离出的苦茶碱（1,3,7,9-四甲基尿酸，theacrine）[9]和云南普洱熟茶中分离鉴定出的8-氧化咖啡因（8-oxocaffeine）[10]。其结构特点是以嘌呤环为基本骨架，嘌呤碱的种类取决于嘌呤环上甲基的位置和个数。嘧啶类生物碱有胸腺嘧啶脱氧核苷（deoxythymidine）、胸腺嘧啶（hymine）、尿嘧啶（uraci）。在普通品种中，咖啡碱占干质量的2%～4%，可可碱约占0.05%，茶碱约占0.002%。

生物碱的种类和含量受到茶树生长的季节、品种以及茶叶加工工艺不同的影响。Wang等[11]对2009年4—9月生长的茶鲜叶研究表明嘌呤类生物碱的含量随季节起伏较大，并在8月份含量达到顶峰，咖啡碱含量相对稳定，只有波浪状起伏。在不同品种生物碱含量研究中，较具有代表性的为可可茶无性系品种[12]，其鲜叶不含咖啡碱和茶碱，而是以可可碱为主；苦茶树（Camellia assamica var. kucha）[13]的鲜叶中含有苦茶碱（1,3,7,9-四甲基尿酸），对咖啡碱引起的神经系统兴奋有抑制作用[9]。在对同为绿茶品种的龙井43号和安吉白茶的生物碱差异化研究中发现，可可碱含量有显著差异，咖啡碱差异明显[14]。加工工艺的不同也造成了茶叶中生物碱含量的变化，一般咖啡碱含量高低的次序为：红茶（完全发酵茶）＞乌龙茶（半发酵茶）＞绿茶（不发酵茶）[15]。同时也有研究表明随着发酵程度的加深，咖啡碱和可可碱含量降低[16]。这或许与咖啡碱的存在形式、测定方法以及茶树生长地理环境、鲜叶的年龄和质量有关（表1）。

表1 茶叶中主要嘌呤碱的功效与潜在危险Table1 Efficacy and potential risks of principal purine alkaloids in tea

2 茶叶加工中的微生物

在普洱生茶、普洱熟茶、茯砖茶、康砖茶的加工与贮藏过程中，微生物大量参与并对茶叶的化学成分和品质产生深远影响（表2）。早期普洱茶（普洱生茶）自然存放，通过自然环境中微生物类群作用以达到自然陈化[27]。对陈放15、25 年普洱生茶作微生物分离鉴定得到橙黄色游动放线菌（Actinoplanes aurantiacus）、淡橘橙游动放线菌（Actinoplanes pallidoaurantiacus）、绛红褐游动放线菌（Actinoplanes purpeobrunneus）、链霉属杆菌（Streptomyces bacillaris）、卡伍尔链霉菌卡伍尔亚种（Streptomyces cavourensis subsp. cavourensis）、灰黑色链霉菌（Streptomyces cinereus）[28-29]。Zhao等[30]在2010年从60 个不同茶样中分离出71 种真菌，鉴定出其中的63 种，分属于19 个不同的属，分别为曲霉属（Aspergillus sp.）、青霉属（Penicillium sp.）、酵母菌属（yeast）、木霉属（Trichoderma sp.）、芽枝霉菌属（Cladosporium sp.）、子囊菌属（Ascomycete sp.）和黏隔孢属（Septogloeum sp.）、小球腔菌属（Leptosphaeria sp.）、脉孢菌属（Neurospora sp.)、踝节菌属（Talaromyces sp.）、根毛菌属（Rhizomucor sp.）、Pezia sp.、弯孢聚壳属（Eutypella sp.）、肉座菌属（Hypocrea sp.）、镰刀霉菌（Fusarium sp.）、白腐菌属（Phanerochaete sp.）、松庆病菌属（Trametes sp.）、柯楠属（Corynascus sp.）、犁头霉菌属（Absidia sp.）。普洱熟茶以云南晒青毛茶为原料，经潮水渥堆加工而成。在普洱茶渥堆过程中分离出40余种真菌，分属于19 个不同的属，其中曲霉属、青霉属、酵母菌属占普洱茶菌落的80%左右[31]。随着温度的升高，嗜热菌在渥堆中后期大量出现[32]，并鉴定为微小根毛霉（Rhizomucor pusilus）、牛根毛霉（Rhizomucor t a u r i c u s）、疏棉嗜热丝孢菌（T h e r m o m y c e s lanuginosus）、埃莫森篮状菌（Talaromyces emersonii）等嗜热菌。黑曲霉[33]和酵母菌[34]被认为是普洱茶的优势菌，并在普洱茶加工中得以应用。茯砖茶与普洱茶同属于黑茶范畴，以独特的发花工序而著称。茯砖茶中鉴定出的微生物有冠突散囊菌、间型散囊菌、匍匐散囊菌、谢瓦散囊菌、阿姆斯特丹散囊菌、赤散囊菌、散囊菌、黑曲霉、毛霉、拟青霉、草酸青霉、短密青霉、谢瓦氏曲霉、冠突曲霉等。优势菌群为冠突散囊菌（Eurotium cristatum（Raper & Fennell） Malloch & Cain）。冠突散囊菌在四川康砖茶中亦有检出，对康砖茶品质产生影响的微生物同时还有放线菌属、毛霉属和耐热葡萄球菌等。以岭头单丛晒青毛茶为原料后发酵而成广东陈香茶中的优势菌群分别为黑曲霉、产黄青霉和灰绿霉[35]。

绿茶、黄茶和白茶为不发酵或微发酵茶，加工过程应杜绝微生物的参与，以避免污染。然而，微生物在茶的再加工与深加工有巨大应用前景。酵母菌、真菌、细菌等三大微生物是影响红茶品质的最主要微生物，研究表明红茶、乌龙茶中有益微生物的适度添加可显著提高茶叶品质[36]。

表2 茶叶加工中的微生物种类Table2 Major microorganism species during tea processing

3 微生物对茶叶中嘌呤碱含量的影响

3.1 自然渥堆发酵过程中嘌呤碱含量的变化

黑茶渥堆是以茶叶为基质，众多微生物参与的固态发酵过程。在普洱茶渥堆期间，水浸出物略微下降、茶多酚含量大幅度下降、茶褐素急剧上升[37-38]。不同产地的普洱茶咖啡碱含量无显著性差异。在普洱茶自然渥堆过程中，咖啡碱略有上升[39]。Wang Di等[40]研究与之相反，渥堆末期咖啡碱含量较原料有所降低。这或许与渥堆过程中优势菌种的差异相关。在普洱茶渥堆期间添加发酵剂可加快咖啡碱的变化，降低熟茶的生产周期。在利用添加鲜叶浸提物的微生物发酵实验中[41]，浸提物的添加可降低咖啡碱的含量，而菌种不同会对咖啡碱产生不同的结果。

3.2 可降解咖啡碱菌株的筛选

为了生产低咖啡碱茶叶（咖啡碱含量小于1%），国内外科技工作者采取热水浸提、超临界CO2提取、有机物萃取等物理化学方法脱去茶叶中多余的咖啡碱，或通过杂交育种选育低咖啡碱的茶树新品种。通过茶、咖啡园土壤筛选可降解咖啡碱的菌株同样取得可喜成果。利用咖啡碱作为唯一碳源和氮源，Gokulakrishnan等[42]从土壤中筛选出Pseudomonas sp. GSC1182菌株，该菌株在48 h内能降解掉培养基中80%的咖啡碱。Brand等[43]研究发现微生物的咖啡碱降解效率与温度有关，曲霉菌和青霉菌等真菌在25 ℃条件下的降解率为100%，在30 ℃条件下时仅为80%。国内同样有相关研究[44-45]，栗娜等[44]在杭州茶园筛选出对咖啡碱降解效率达100%的菌株，经分子学鉴定为假单胞菌属的Pseudomonas lutea。柴洁[45]以普洱茶渥堆茶样为实验材料，筛选出可降解咖啡碱菌株，经18S rDNA测序鉴定为聚多曲霉（Aspergillus sydowii NRRL250），并进行单菌落茶叶发酵发现，咖啡碱含量大幅度下降，至末期含量甚微；茶叶碱含量大幅度上升，末期时茶叶碱含量达2.814%。咖啡碱与茶叶碱存在消长关系。在微生物发酵过程中，咖啡碱存在着与植物中咖啡碱相似的降解途径。

3.3 单菌株茶叶发酵嘌呤碱含量变化

对不同微生物单菌株发酵的研究证实不同微生物对嘌呤碱含量和种类影响不一（表3）。利用顶头孢霉的单菌落发酵普洱茶过程中咖啡碱含量大幅度上升[46]。在Qin Jinhua等[47]研究中证实烟曲霉（Aspergillus fumigatu）对咖啡碱和可可碱的含量影响不大，黑曲霉（Aspergillus niger）可显著降低咖啡碱的含量。Wang Xiaogang等[48]对不同微生物对茶叶发酵过程中咖啡碱及生物碱含量的研究发现，Tieghem ACCC30005、R. arrhizus Fisher3.2893和M. circinelloides van. Tieghem AS3.2484，能够提高发酵过程中咖啡碱的含量而酵母菌、C. albicans（Robin）Berkhout ACCC2100和C. famata（Saito）Lodder ACCC2052能够降低发酵过程中咖啡碱的含量。这与Pasha等[49]研究酵母菌能降低红茶发酵咖啡碱含量的结论相符。在黑曲霉发酵普洱茶过程中咖啡碱含量略有上升，与Wang Xiaogang等[48]结果不一致。Nishino等[50]通过乳酸菌和醋酸型乳酸菌对湿润的绿茶废料发酵，发现咖啡碱含量没有明显变化。研究冠突散囊菌[51]对绿茶液发酵过程中的影响，在0～8 d的发酵液中咖啡碱含量保持稳定，随着菌丝体的产生，咖啡碱下降到11.97 mg/mL。

表3 不同微生物对嘌呤类生物碱的影响Table3 Effects of different microorganisms on purine alkaloids

4 结 语

目前，在普洱茶以及黑茶渥堆发酵与陈化过程中分离鉴定出超过71 株真菌，6 株放线菌和7类细菌。另外有5 类微生物被证实对咖啡碱有显著降解作用。这为研究微生物与咖啡碱等嘌呤碱的关系以及低咖啡碱茶叶的生产提供了丰富的菌种来源。在以晒青毛茶、绿茶、红茶等不同茶叶为基质的微生物发酵中，黑曲霉、酵母菌、顶头孢霉、聚多曲霉等真菌对茶叶中咖啡碱含量有显著影响。烟曲霉、乳酸菌、醋酸型乳酸菌、冠突散囊菌等微生物对咖啡碱、可可碱等嘌呤碱含量产生或多或少的影响。而茶叶微生物发酵过程中，咖啡碱、可可碱、茶叶碱等嘌呤碱的代谢途径尚不清晰；不同嘌呤碱之间的消长关系和内在联系值得进一步研究。

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Recent Progress in Microbial Metabolism of Purine Alkaloids in Fermented Tea

MA Cun-qiang1, YANG Chao1, ZHOU Bin-xing1,2,*, REN Xiao-ying1, LI Jing1, LI Fa-zhi3
(1. LongRun Pu-erh Tea College, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. College of Tea and Food Science and Technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 3. Yunnan Province Baoshan City Longyang Tea Technical Extension Station, Baoshan 678000, China)

As important substances present in tea, purine alkaloids are often employed in medicine and health care as well as drinks. The kinds and contents of purine alkaloids are potentially changed during microbial fermentation of tea. After reviewing recent literature regarding the association of microorganisms with the metabolism of purine alkaloids in fermented tea, this article fi nds that different strains, when used individually to ferment tea, have different effects on the kinds and contents of purine alkaloids. C ephalosporium acremonium can substantially enhance caffeine c ontents in tea, Aspergillus fumigatu, Lactobacillus, and acetic acid Lactobacillus have little impact on the contents purine alkaloids, and yeast and Aspergillus sydowii NRRL 250 can reduce caffeine contents. However, the effect of Aspergillus niger on purine alkaloid metabolism remains controver sial. In addition, a trade-off relationship between caffeine and theophyllin e exists during tea fer mentation.

tea; microorganism; purine alkaloids; caffeine; metabolism

S571.1

A

1002-6630（2014）21-0292-05

10.7506/spkx1002-6630-201421057

2013-12-27

“十一五”国家科技支撑计划项目（2007BAD58B03）；保山市科技项目-保山市特种茶叶开发与研究项目

马存强（1988—），男，硕士研究生，研究方向为茶叶加工与综合利用。E-mail：macunqiang1208@aliyun.com

*通信作者：周斌星（1963—），男，副教授，博士，研究方向为茶叶加工。E-mail：bxzhou01@126.com