茶叶香气成分及检测技术研究进展

施莉婷,江和源,张建勇,王伟伟,苏 威

(1.中国农业科学院茶叶研究所,农业部茶树生物学 与资源利用重点实验室,浙江省茶叶加工工程重点实验室,浙江杭州 310008;2.中国农业科学院研究生院,北京 100081)

中国茶叶种类繁多,风味品质各具特色。茶叶品质主要由五个方面决定:外形、香气、滋味、汤色、叶底[1]。其中,香气物质在茶叶中的含量只占干物质的0.02%[2],却是茶叶品质评定的重要因子。而不同的茶类,其香气组成以及种类也有所不同,乌龙茶的香型种类较其它茶类更为丰富,绿茶中香气组成与鲜叶原料较为相似,白茶与红茶的香气组分在种类和数量上具有一定相似性[3]。随着对茶叶香气研究的逐步深入,其香气类型及香气化合物也逐渐明确。由于茶叶中香气化合物含量少、物质复杂、易挥发,茶叶香气成分的解析及其检测仍然是茶叶品质化学研究领域的一个热点。本文着重对近些年不同茶类香气成分及检测技术进行了综述,以期为茶叶香气研究提供借鉴。

1 茶叶中发现的香气成分

目前为止,已有700多种茶叶芳香物质被发现[4],主要物质分为萜烯类衍生物、酯类衍生物、芳香族衍生物和含氮、氧、硫等杂环类化合物[5]。而不同类别的茶叶香气类型也有所不同,主要是因为香气组分及其所占比例的差异,从而形成了特定的茶叶香型。

1.1 绿茶香气成分

绿茶的感官香气类型主要为嫩香、嫩栗香、栗香和清香等。其香气主要组分为[6]:青叶醇、青叶醛、紫罗酮、顺茉莉酮、橙花叔醇、芳樟醇、香叶醇、苯乙醛、吡嗪、吡啶、呋喃类衍生物等化合物。

绿茶中,香气成分以醇类和酯类为主,但不同品牌茶叶的香气类型有所不同,所对应的香气组分也存在一定的差异。龙丽梅等[7]对3种名优绿茶特征香气成分研究发现,西湖龙井中醇类和酯类化合物最多,而黄山毛峰和信阳毛尖中醇类化合物最多,香叶醇、芳樟醇、香榧醇以及反-橙花叔醇是这3种绿茶共有的醇类化合物。朱荫等[8]从西湖龙井茶样品中检测出522 种共性香气成分,数量最多的为芳香烃,其次为烷烃、烯、酯、酮,分析表明,醇类、酯类等化合物是其优异香气品质的物质基础。房泽海等[9]在5种山东绿茶中共发现52种主要的挥发性化合物,其中醇类和酯类所占数目最多,共17种。

当β-紫罗酮、橙花叔醇等化合物含量高,3,7,11-三甲基-1-十二醇的含量低时,其香气成分特征表现为栗香型[10];顺-3-己烯醇、己酸-顺-3-己烯酯的百分含量高时,表现为清香型[11];随着绿茶储存时间增加,2-丁基-2-辛烯醛的含量也有所增加,果香增加[12]。如龙井茶清香突出,是由于其香气成分中包含倍半萜;黄山毛峰的玫瑰花香显著是因为其组分富含香叶醇、苯乙醇及α-紫罗酮和顺-茉莉酮;碧螺春中低沸点的烯醇类含量高,使其具有清香甘甜的香气。此外,Ryoko等[13]分析绿茶香气后发现七种物质对其香气品质至关重要,分别为4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、3-羟基-4,5-二甲基-2(5H)-呋喃酮、香豆素、香草醛、香叶醇、(E)-异月桂醇以及2-甲氧基苯酚。

1.2 红茶香气成分

红茶香气主要为嫩香、甜香和花香等。红茶加工过程中,儿茶素类氧化形成的产物继续氧化氨基酸、不饱和脂肪酸以及类胡萝卜素,形成的醛、酮、酸类化合物为红茶的主要香气成分[14],主要包括:香叶醇、香叶酸、芳樟醇及其氧化物、顺-2-己烯醛、茉莉酮甲酯、苯甲醇、2-苯乙醇、水杨酸甲酯等[15-16]。任洪涛等[17]分析发现云南红茶香气化合物中醇类物质的含量最高,酮类、酯类、酸类以及烃类化合物的含量相对较少。徐元俊等[18]研究表明滇红和英红香气中芳樟醇含量显著高于香叶醇,祁红和宜红中香叶醇含量显著高于芳樟醇。王秋霜等[19]也发现英红中芳樟醇含量很高。相对于大叶种红茶,小叶种红茶中橙花醇含量与芳樟醇及其氧化物含量的比值较高[20-21]。但大部分的红茶中,醇类一直作为主要香气化合物种类存在。

不同红茶样品的香气表现具有特异性,其对应的赋香物质也有所不同,例如,祁门红茶的代表性香型为“祁门香”,其特征性香气物质为香叶醇、芳樟醇及其氧化物、苯甲醇和苯乙醇[22];有推测表明川红产生桔香的主要化合物是3,7-二甲基-1,5,7-辛三烯-3-醇[23];在正山小种红茶中,长叶烯和α-松油醇是其最丰富的香气成分,长叶烯、长叶环烯、愈创木酚等为此类红茶独特的成分[24]。

1.3 乌龙茶香气成分

乌龙茶香气主要为花果香,其香气主要组分为:苯甲醇、橙花叔醇、顺-3-己烯酯、邻苯二甲酸、二丁酯等[25]。乌龙茶香气类型丰富多变,不同产区、不同类型乌龙茶间香气成分组成及含量存在一定的差异。嵇伟彬等[26]通过研究不同产区乌龙茶香气成分发现台湾高山乌龙茶香气清雅带花香,主要成分是反-橙花叔醇和α-法尼烯;广东乌叶单枞香型丰富,主要香气成分是反-橙花叔醇和吲哚;闽南清香型铁观音香气清幽显花香,主要赋香物质有反-橙花叔醇、吲哚和α-法尼烯;闽北水仙有焙火香并带有花香,反-橙花叔醇、芳樟醇及其氧化产物和紫罗酮类物质是主要香气成分。陈泉宾等[25]对清香型乌龙茶、闽南乌龙茶和闽北乌龙茶香气研究发现,3种乌龙茶中,橙花叔醇在香气成分中所占比例最高,为香气中最主要的物质,其中,闽南乌龙茶香气化合物数量最多,闽北乌龙茶酯类化合物含量最高。以上研究可以发现橙花叔醇以及反-橙花叔醇均是乌龙茶中主要且重要的香气成分。但乌龙茶的不同香型的主要特征香气成分及含量有所不同,例如,肉桂香的主要香气成分为橙花叔醇、吲哚、植醇、芳樟醇及其氧化物;玉兰香主要的香气成分为法尼醇、植醇、吲哚;清香型乌龙中则是以橙花叔醇、芳樟醇为主导芳香物质[27]。

1.4 黑茶香气成分

相对于其它茶类,黑茶中香气的类型相对较少,主要为陈香、菌花香等。其主要香气组分为[28-29]:1,2,3-三甲氧基苯、3,4-二甲氧基苯、4-乙基-1,2-二甲氧基苯、β-芳樟醇、壬醛、水杨酸甲酯以及2,6-二叔丁基对甲苯等。袁思思等[30]通过分析茯砖茶、青砖茶、黑砖茶中香气成分发现,茯砖茶中香气成分最为丰富,主要为碳氢化合物、醇类和酯类物质;黑砖茶中香气成分的种类最少,香气成分是碳氢化合物;青砖茶香气成分种类居中,主要香气成分为醇类物质。这可能是因为茯砖茶中冠突散囊菌的作用,使其内部产生了更多的香气物质,从而丰富了其香气成分的类型。彭雪萍等[31]比较了冰岛普洱生茶、静真普洱茯茶、湖南茯茶、陕西茯茶中的香气物质,冰岛普洱生茶中香气成分以及香气总量均最高,湖南茯茶最低。其原因可能是普洱生茶尚未完成充分的后发酵程序,部分程度上仍保留有绿茶的本质,所以其内部的一些香气物质与绿茶较为相似[32],主要的香气成分为醇类、酮类和碳氢化合物[33]。普洱生茶中己醛、青叶醛、苯甲醛、苯乙醛、芳樟醇、橙花醇、香叶醇等的含量均较高[34],这与绿茶中成分较为相似。

不同种类的黑茶其香气表现有所差异,赋香物质也有所不同。具有陈香的普洱茶,其β-芳樟醇、癸醛、壬醛、水杨酸甲酯、3,4-二甲氧基甲苯等成分的含量要明显高于其他普洱茶类[29];对青砖茶中的陈香、木香和菌香贡献率较大的代表性成分有β-环柠檬醛、β-紫罗酮、β-二氢紫罗酮、己醛、(E)-2-戊烯醛、(E)-2-己烯醛、庚醛、壬醛、癸醛、萘、1-甲基萘、柠檬烯和6-甲基-5-庚烯-2-酮等[35];菌香是茯砖茶的主要香气,其主要赋香物质可能为醇类、酮类、醛类、杂氧化合物等物质[36]。

1.5 其它茶类的香气成分

除了四大茶类的香气成分分析之外,研究者们对其它茶类香气成分也进行了一定的研究。白茶典型的香气特征为毫香,其特征成分为香叶醇、芳樟醇、苯甲醛、苯乙醛、苯甲醇、苯乙醇、己醛、(E)-2-己烯醛、(Z)-3-己烯醇和1-戊烯-3-醇等[37]。丁玎等[38]研究了不同等级和贮藏年份的白茶香气成分,从4个等级白茶中鉴定出了14种醇类和8种醛类等51种香气成分,从5个年份白茶中发现12种醇类,9种醛类以及16种碳水化合物等56种香气成分。黄茶中香气化合物种类最多的为醛、烃、酮以及醇类,这四类化合物相对含量高。孟爱丽等[39]对蒙顶黄芽分析发现,其香气特征为甜香和清香,香气成分中醇类物质含量高于其它茶类,酯类及酸类物质含量很低。窨制茶是将茶坯与鲜花拼合窨制而成,其主要香气成分为芳樟醇、α-法呢烯、乙酸苄酯、顺式-3-己烯醇苯甲酸和苯甲醇等[40]。在窨制后烘焙过程中茶叶香气成分会发生一系列化学变化,部分芳樟醇会发生氧化反应,而萜烯类化合物则会出现异构化[41]。

2 茶叶香气成分的检测技术

随着科技的发展,茶叶香气成分的检测技术逐步被改进,检测手段也日益增多。目前茶叶香气成分主要通过气相色谱-质谱联用技术、气相色谱-嗅觉测量技术、二维气相色谱/飞行时间质谱联用技术以及电子鼻技术等进行检测。

2.1 气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)

GC-MS是目前茶叶香气分析中最常用的检测技术,多与固相微萃取联用,从而对茶叶香气进行分析。王丽丽等[42]用顶空固相微萃取/GC-MS联用法对不同茶样所制绿茶和白茶香气物质进行检测,鉴定出11个共有香气物质,80个差异香气物质。刘聪等[43]运用分别在玫瑰香型和普通滇红茶中鉴定出62种和58种香气成分,并且确定了6种具有玫瑰香或类似玫瑰香的化合物:芳樟醇、苯乙醇、香叶醇、β-大马烯酮、香叶基丙酮以及(E)-橙花叔醇。王秋霜等[44]采用该技术对斯里兰卡红茶进行分析鉴定,共检测出58 种香气化合物,并确定斯里兰卡红茶的特征性香气成分为水杨酸甲酯。吕世懂等[45]通过GC-MS技术在5 种乌龙茶中检出127 种香气成分,其中53 种为共有香气成分。由于GC-MS技术具有分离效率高、鉴别能力强、易于定性等特点,因此,在茶叶香气分析上的应用较为广泛。

2.2 气相色谱-嗅觉测量技术(GC-O)

GC-O技术最早于1964年由Fuller等提出,对鉴别特征香味物质及其强度、作用大小均有比较良好的效果。目前,研究者们常将其与GC-MS技术结合使用。肖作兵等[46]利用GC-MS结合GC-O技术鉴定出龙井茶中75种特征香气成分,并结合芳香萃取物稀释分析(AEDA)技术分离得到49种活性香气成分,确定了对龙井茶香气贡献较大的几类物质,包括橙花叔醇、二氢猕猴桃内酯等。舒畅等[47]通过GC-O技术分别在新、陈龙井茶中鉴定出23种和26种香气活性物质,对二者香气贡献较大的成分有β-紫罗兰酮、2-甲基丙醛、2-甲基丁醛、癸醛和己醛。Zhu等[48]利用该技术检测发现2-甲基丙醛、3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、橙花叔醇、(E)-2-庚烯醛、己醛、辛醛、吲哚和二甲硫醚等在冻顶乌龙、铁观音和大红袍中气味活性值较高。目前,GC-O技术对分析香气贡献率方面的作用明显。

2.3 全二维气相色谱/飞行时间质谱联用技术(GC×GC-TOFMS)

GC-GC-TOFMS技术是一种灵敏度高、峰容量高且分辨率高的新型检测技术,近些年,在食品[49-50]、燃料[51-52]等领域的应用表明,该技术拥有良好的分离效果。相对GC-MS技术,GC×GC-TOFMS技术在分离上具备更大的优势。朱荫等[8]运用GC×GC-TOFMS技术在西湖龙井茶样品中检测出共性香气成分522种。穆兵等[53]通过GC×GC-TOFMS鉴定出六堡茶中共有香气成分307种,其中香气成分主要有醛类、醚类、芳香烃化合物和有机酸类。Sonali等[54]采用该技术分析了绿茶、乌龙茶以及红茶中挥发性成分的差异,初步确定了450种化合物,其中74种化合物为差异香气物质。GC×GC-TOFMS技术使可分析的茶叶香气化合物数量提高了数倍,一定程度上弥补了一维气相色谱分析上的不足,为茶叶香气组分的进一步研究奠定了先进技术基础。

2.4 电子鼻检测技术

电子鼻技术是现今社会一种新兴的智能仿生技术,目前在食品质量[55-57]以及安全检测[58-59]等方面都有较为广泛的应用。很多研究者开始利用电子鼻技术对茶叶品质进行区分。陈婷等[60]发现利用电子鼻技术能够较好地区分不同年份普洱熟茶中挥发物成分的差异。高林等[61]研究发现使用电子鼻技术能有效区分不同等级、储藏年份的普洱茶,但对不同产地的普洱茶区分不够明确。就目前的电子鼻技术而言,传感器灵敏度不高、漂移影响大、重复性不理想等问题,是当前该技术存在的缺陷,因此,后续研究尚须对电子鼻检测技术进行改进。

2.5 其它检测技术

除以上几种常用检测技术外,仍有一些其它技术在研究中使用,如GC-FPD、GC-FID、GC-ECD以及GC-GC/MS等。相对而言,这几种检测技术在茶叶香气检测中使用较少,但对于茶叶中特殊香气组分的鉴定,如硫类化合物等,较为适用。Zhu等[48]利用GC-FPD技术在冻顶乌龙、铁观音和大红袍中分别检测出六种、七种和五种硫化合物。Robin等[62]用GC-FID及GC-MS在脱咖啡因黑茶中检测出11种香气化合物,香气活性值范围为8-512。Gu等[63]研究了使用GC-ECD测定葡萄糖结合香气前体的可能性,发现该技术灵敏度高,适用于对新鲜茶叶中葡萄糖苷的测定。Amanda等[64]利用GC-GC/MS对云南地区东亚季候风发生前后的茶样分析,发现两种茶中主要香气成分是芳樟醇、香叶醇、萜品醇、脱氢芳樟醇和橙花醇。这些检测方法虽然使用相对较少,但对部分香气物质的检测存在一定的优势。

3 展望

茶叶香气作为茶叶感官品质表现的一个重要指标,其形成、提取以及检测分析等都成为了茶叶品质研究的热点。随着科研技术和设备的迅速发展,茶叶香气的提取与检测手段也逐步提高,但茶叶香气物质在茶叶样品中表现为含量低、组分复杂且容易挥发,因此在提取与检测中仍存在一定的困难和不足之处,有待研究人员更深入的探讨。

目前的研究主要集中于萜烯醇类、芳香醇、脂肪醇、酯类等香气的方面,定性方面研究报道很多,但在定量方面,多集中于相对定量,无论是鲜叶还是成品茶,均缺乏绝对定量信息。此外,在茶叶加工过程中,这些香气成分的变化也缺乏绝对定量信息。因此,这些香气成分绝对定量方面的研究,会是未来香气成分研究的一个重要部分。对于其他香气类成分,如醛类、酮类、杂环类等成分,目前研究者们多采用Nist数据库进行定性,缺乏标准品定性定量的研究报道。

在不同香气成分对不同茶类香气的贡献度方面,目前也鲜有研究。有些化合物可能在茶叶香气中所占比例低,但对香气的贡献值却不可忽视,如β-大马烯酮等,对这些物质的定性以及阈值方面仍需进一步深入研究。此外,在香气提取过程中,其组分及含量可能发生改变,不同的提取方法所得到的香气组分含量、数量和类别等都可能存在差异,提取的香气成分可能并不能完全反映茶叶本身的香气组分等,故如何解决提取的茶叶香气与茶叶本身香气的差异也是未来研究的重点。