基于分子感官科学的茶叶滋味研究进展

刘忠英,杨 婷,戴宇樵,方仕茂,刘亚兵,冉乾松,李 琴,沈 强,潘 科

(贵州省茶叶研究所,贵州贵阳 550006)

滋味是评价茶叶品质的重要指标之一。茶汤滋味由溶解于茶汤中的化学物质组成决定,而物质组成因产地、生境、茶树品种、采摘季节、加工工艺、贮藏条件等因素影响呈现差异,使得茶叶滋味品质不一,各具特色。人们常以评价茶叶滋味来指导茶叶的生产、加工、销售和贮藏过程。

21世纪以来,食品感官科学、茶叶化学、描述性感官分析等学科将感官审评与检测分析相结合,并广泛应用于茶叶特征香气[1-3]、滋味物质识别[4-6]、鉴定及重组上[7-8],逐渐阐明茶叶特征风味,基本实现了茶叶品质的量化评价,从而更加客观地评定茶叶风味品质。但针对茶叶滋味方面的研究仍缺乏系统性,有关从分子层面揭示茶叶滋味特征的报道仍较少,使得对茶叶滋味的研究,已远远滞后于产业的快速发展。由此,本文基于分子感官科学研究体系,从茶叶滋味的呈味物质入手,主要介绍了关键滋味物质的呈味特性、相互作用关系、重组与应用研究进展,并分析分子感官科学在茶叶滋味品质研究上的应用前景,旨在为从分子水平深剖茶叶滋味的研究提供参考。

1 分子感官科学简介

分子感官科学,最初由德国慕尼黑理工大学分子感官科学实验室的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、描述风味,筛选出关键风味物质,结合化学手段对关键风味物质进行重组和评价,并应用于产品品质的质量控制上[11-12]。其技术基础依赖于高选择性、高通量、高灵敏度的检测分析方法的广泛应用,如反相液相色谱、液相色谱-质谱联用技术、核磁共振等技术是分子感官科学重要技术手段[13-15],从而使研究者从分子层面揭秘蕴藏在食品风味背后深刻的化学本质。

表1 茶汤中主要儿茶素组分识别阈值及滋味活度值Table 1 Recognition threshold and taste activity value of main catechins in tea soup

Peter Schieberle教授成功运用分子感官科学深入剖析和重组了日本龟甲万酱油[8]、法国Prunus ameniaca杏中的关键香气化合物[9],并成功应用于产品生产储藏过程中的质量控制。2019年,Kejing An等[16]用分子感觉科学鉴定荔枝热杀菌汁的关键香气物质,Li等[17]运用分子感觉科学[18]技术,采用气相色谱-嗅觉测定(GC-O)和气相色谱-质谱(GC-MS)相结合,鉴定了国京芝麻香型白酒的主要香味物质。Zhai等[19]应用分子感觉科学技术,发现香椿的气味活性值(OAVs)2-异丙基-3-甲氧基吡嗪、丁香酚和β-紫罗兰酮最高,并对总香气进行重组实验,成功地鉴定和定量了各自关键的加臭剂。毛世红[20]通过GC-O分析了川红工夫的香气关键变量,并进行重组构建,指纹图谱技术探究其相似度,应用于工夫红茶的质量控制中,这些研究使得分子感官科学在食品香气上得以充分发展和应用[21-23]。但是利用分子感官科学研究体系在茶叶滋味上的研究仍鲜见报道,仅停留在将分子感官科学部分技术应用于茶叶特征滋味物质的鉴定上,尚不够系统、全面、深入,目前仍处于理论水平上,实际应用难度较大。

2 基本味觉的形成

味觉是由水溶性物质刺激口腔中味蕾而产生的一种生理感觉,能感知和区别的基本味觉，分为甜(sweet)、苦(bitter)、酸(sour)、咸(salty)和鲜(umami)5种。不同呈味物质的味觉受体及信号传导通道各不相同,甜味受体T1R2/T1R3[24],鲜味受体是T1R1/T1R3异聚体受体[25],苦味受体是T2R1[26-27]。除基本味之外,茶汤中能够被人感知的还有涩味,而涩味与辣、麻味一样属于触觉,而非味觉,它并不通过舌头上的味蕾产生,而是由于口腔中的上皮细胞暴露在含明矾或多酚类物质的溶液中所产生的起皱、粗糙的复合感觉[28]。

3 茶叶滋味属性

茶叶滋味是茶汤水溶性呈味物质对人体各味觉受体的综合作用效应,是评价茶叶品质的重要指标之一。国内外学者一致认为,苦、涩、鲜、甜是茶叶中主要滋味属性,且各滋味间强度关系为:涩味>苦味>鲜味>甜味[22]。而多酚类、生物碱类、氨基酸类、碳水化合物类和有机酸类等,又是构成绿茶茶汤的主要滋味物质,因其组成、含量、阈值的不同而对茶汤滋味的贡献程度不同[29-30]。其中,苦涩味的EGCG、苦味的咖啡碱及鲜味的L-谷氨酸是构成绿茶茶汤滋味的关键物质。常以滋味活度值(浓度/阈值)来衡量滋味物质贡献度,活度值越高,该物质对整体滋味的影响越大,通过滋味稀释分析和比较滋味稀释分析法,比较各滋味物质贡献率大小,以筛选和鉴定食物风味中的关键作用物质。

4 茶汤关键滋味物质研究

4.1 儿茶素类

多酚类由儿茶素类(黄烷醇类)、黄酮醇类、花青素类和酚酸缩酚酸类组成,是构成茶叶滋味品质主要物质[31-32]。其中,儿茶素是黄烷醇类物质,是一类2-苯基苯并吡喃的衍生物,占茶多酚总量的70%～80%,是绿茶茶汤多酚类的主体物质,儿茶素的组成和氧化聚合程度直接影响茶汤滋味。茶汤苦涩味强度随儿茶素浓度增加而增强[27]。Narukawa等[27]研究指出相同浓度下4种儿茶素滋味强度顺序为:ECG>EGCG>EC>EGC,且这4种儿茶素的滋味强度均随浓度的增加而增强[33-34]。

儿茶素类物质同时存在苦味和涩味两种滋味属性,不同儿茶素苦涩味阈值不同,茶汤中主要儿茶素组分识别阈值及滋味活度值如表1所示,其主要儿茶素的苦味阈值在190～1630 μmol/L之间,涩味阈值在115～860 μmol/L之间。酯型儿茶素的阈值低于非酯型儿茶素,苦味和收敛性都强于非酯型儿茶素,在茶汤中含量较高,是影响茶汤苦涩味的关键化学成分[35-36]。Susanne等[37]研究表明,EGCG的滋味活度值下限大于3,其他4种儿茶素EGC、ECG、EC、GCG的阈值上限大于1,主要贡献茶汤苦味强度;且儿茶素与苦涩味呈显著正相关,与鲜味、甜味呈显著负相关[38]。

在红茶中,儿茶素类及其氧化产物茶黄素主要呈现涩味,是红茶滋味呈鲜爽和收敛性的主要物质,使得茶汤甜醇带鲜;而残留的儿茶素,主要表现为爽口和刺激性。就茶汤涩味而言,茶黄素所占比例不到0.02%,对涩味贡献度较低[12];此外,茶黄素及其没食子酸酯可与咖啡碱,形成茶乳酪,改善茶汤的滋味和口感[20,39]。

表2 茶汤中主要氨基酸组分识别阈值及滋味活度值Table 2 Recognition threshold and taste activity value of main amino acid components in tea soup

4.2 氨基酸类

氨基酸类是唯一一类呈现鲜味、甜味、苦味和无味4种味感的物质,不同的氨基酸滋味属性及味觉阈值均存在差异,但总体呈现鲜甜,苦味氨基酸组分对苦味的贡献较小[40]。

茶氨酸是游离氨基酸的主体物质,占50%左右,茶氨酸、谷氨酸、天冬氨酸是茶汤鲜味的主要贡献者[41]。谷氨酸、茶氨酸/氨基酸总量比值(Thea/aa)及鲜味氨基酸总量/氨基酸总量比值(Umami/aa)与黄茶滋味鲜感呈相关性[42]。游离氨基酸对红茶茶汤呈“清鲜”味感特征。一直以来,茶氨酸被认为是茶汤鲜味的呈味物质,并把它作为评价绿茶鲜爽度的重要标志,但刘爽等[43]研究表明,脯氨酸、甲硫氨基酸、丙氨酸、丝氨酸也是绿茶鲜爽味的特征成分,茶氨酸、甘氨酸、脯氨酸等与谷氨酸共同存在于茶汤;而谷氨酸的浓度高于阈值,茶氨酸却是阈值远远高于浓度,由此认为,谷氨酸是鲜味的直接呈味氨基酸,而非茶氨酸。徐文平等[44]在分析春夏茶苦涩味差异性化学成分表明,甲硫氨酸含量春茶高于夏茶。茶汤中主要氨基酸组分识别阈值及滋味活度值,详见表2。

4.3 咖啡碱

咖啡碱属于三甲基黄嘌呤碱化合物,占干物质的2%～5%[49],是茶叶中的主要生物碱;咖啡碱无臭、呈苦味,夏茶含量较高,其苦味阈值是97 mg/kg,被认为是主要的苦味物质。

目前研究表明,咖啡碱属同质物质,即只呈苦味;但其浓度的高低与苦味强度没有相关性[44,50],其主要原因是咖啡碱的羰基(C=O)易与茶汤中儿茶素、氨基酸等化合物的羟基(-OH)发生缔合作用(可以多个缔合),咖啡碱自身在有矿物质和糖类存在下可形成二聚体,水的氢健也会促进咖啡碱间的结合,降低茶汤在中自由态的咖啡碱含量,弱化咖啡碱的苦味呈现。此外,杨亚军等[51]研究发现,咖啡碱含量在3.8%～1.5%之间时,茶汤粗涩感降低,鲜爽度增强。

5 茶汤中其他呈味物质研究

5.1 黄酮类

黄酮类物质是黄酮苷类和黄酮醇类的总称,黄酮苷化合物呈柔和涩味,可增强咖啡碱苦味。黄酮类物质阈值较低,在0.00115～19.80 μmol/L之间[40],其组分中的槲皮素-3-O-芸香糖苷、杨皮素-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,可能是茶汤滋味的重要贡献物[52]。槲皮素-3-O-芸香糖苷在红茶中的滋味活度值最大,高达70490.6。

5.2 酚酸

茶叶中的酚酸类物质有没食子酸、单宁酸和绿原酸等。其中,没食子酸呈酸味,浓度较高时有苦涩味;单宁酸和绿原酸呈苦涩味,并随着浓度的增加而增强[53]。

5.3 花青素类

花青素是一种天然植物水溶性色素,在紫鹃[53]、紫芽等紫化类茶树中含量较多,约为0.5%～1.0%,是紫色芽叶苦涩味的主要呈味物质[54-55]。

5.4 糖类

茶叶中糖类物质由单糖和多糖组成,绿茶中游离糖含量蔗糖>葡萄糖>果糖>麦芽糖,均无显著性差异[56]。在黄金芽加工的工夫红茶中，麦芽糖含量最高,茶汤中游离的糖类物质和甜味氨基酸与甜味强度呈显著正相关[57]。Scharbert等[37]认为茶叶中糖含量较低,且其阈值高于茶汤中含量,DOT值小于0.1,糖类对甜味强度的影响很小。

5.5 有机酸类

茶叶中的有机酸包括没食子酸、草酸、苹果酸、抗坏血酸、乳酸、琥珀酸等,大约占茶叶干物质总量的3%。其中,与鲜味呈显著正相关的是:没食子酸、琥珀酸、抗坏血酸、乳酸、琥珀酸;与甜味呈显著正相关的是:没食子酸、抗坏血酸;草酸与苦味呈正相关,与甜味呈显著负相关[56]。毛世红等[20]研究发现,L-苹果酸、草酸和天冬氨酸滋味活度值均大于1,其中属L-苹果酸的滋味活度值最高,达30.1,是工夫红茶主要的酸味成分;其次为没食子酸和丁二酸。

综上所述,茶叶中的苦味物质主要为咖啡碱、苦味氨基酸、儿茶素、黄酮类、酚酸、花青素;涩味物质主要为儿茶素、涩味氨基酸、黄酮类、酚酸、花青素;甜味物质主要有甜味氨基酸、糖类、部分有机酸;酸味物质主要有酸味氨基酸、部分有机酸。

6 滋味物质间相互作用关系研究

6.1 EGCG与其他滋味物质的相互作用关系

茶汤滋味是茶汤中可溶性物质的综合体现,物质之间的相互作用可分为协同、加和、抑制三种。EGCG是茶汤滋味的重要参与者,现有研究中滋味物质间的相互作用大多围绕EGCG展开。谷氨酸在高浓度条件下,可显著降低EGCG的苦味,而对其涩味影响不显著;咖啡碱弱化鲜味能力强于EGCG,但二者均不显著[58]。蔗糖与EGCG之间存在互相抑制作用,蔗糖只降低低浓度EGCG 苦味,而对其涩味弱化作用不明显[59]。芦丁与 EGCG之间的影响均不显著[59]。而EGC和苦味表现为负相关,推测是由于其自身苦味阈值高,且与生物碱形成氢键而发生了苦味消隐的作用[60]。

6.2 咖啡碱与其他滋味物质的相互作用关系

咖啡碱虽唯一呈现苦味的物质,但在茶汤中,不是单独作用,而是与其他滋味物质的综合效应。咖啡碱与EGCG混合后的苦味呈现强度均高于单一物质的,但又低于二者苦味之和[61]。咖啡碱能够增强茶氨酸的鲜味,少量降低茶氨酸的甜味,而茶氨酸却少量降低咖啡碱的苦味[62];咖啡碱对谷氨酸呈味效应的影响大于谷氨酸对咖啡碱的[56]。黄酮苷可增强咖啡碱的苦味[40],芦丁可以显著增加咖啡碱的苦味强度[59]。蔗糖增强咖啡碱的苦味,同时咖啡碱也少量增强蔗糖的甜味。

6.3 氨基酸类与其他滋味物质的相互作用关系

茶氨酸和蔗糖间存在鲜甜味的协同作用[63],低浓度的谷氨酸使蔗糖溶液的甜味强度呈先增加后降低的变化,当蔗糖和谷氨酸均处于高浓度条件下,显著降低了咖啡碱的苦味强度[59]。茶氨酸、甘氨酸、脯氨酸等与谷氨酸共存于茶汤中,对谷氨酸鲜味的呈现具有协同增效作用[43]。

6.4 离子与滋味物质的相互作用关系

整体而言,茶汤滋味的醇度、甘度和浓度与水浸出物、EGCG、咖啡碱、GCG、ECG和茶多酚6种物质含量具有较强的相关性[66]。杨悦等[67]通过描述性分析认为,茶汤浓度与水浸出物、EGCG、EGC、βG显著相关;苦度与EGC、GC、可溶性糖显著相关;涩度与茶多酚、水浸出物、βG、EGCG、ECG显著相关;鲜度与氨基酸、可溶性糖、水浸出物显著相关;茶汤整体滋味品质与鲜味呈显著正相关,与苦味呈显著负相关[43]。阮宇成等[68]研究发现,茶多酚含量在20%～25%之间,基本可达到绿茶茶汤浓度要求,在此之上,提高氨基酸含量,即可提高绿茶鲜爽口感。可见,滋味物质间的相互作用较为复杂,滋味物质间的味感互作如图1所示,目前的研究大部分集中在在单一物质之间的相关性层面;未来,针对不同呈味物质之间的组成比例关系,多元多级滋味物质单体之间的相互作用关系,及呈鲜物质与呈香物质之间的协调关系等方面的研究都需要不断深入开展下去。

图1 滋味物质间的味感相互作用[69]Fig.1 Interaction between taste substances

表3 绿茶关键滋味物质重组研究Table 3 Research on recombination of key taste substances of green tea

7 茶汤关键滋味物质重组研究

风味重组是分子感官科学的关键技术,其是对影响食品风味的关键物质进行定性定量分析后,对其风味进行模拟重构,结合主成分分析、聚类分析和偏最小二乘判别法等统计方法评价模拟样和原样的差异性,并对模型进行验证和调整。

由表3,对绿茶滋味特征物质的重组与构建,结合数理统计学方法,已逐步从线性方程到多元函数模型而深入开展,构建模型的相关系数不断提高,可以预算出极大值与极小值。但在模型建立过程中,往往因变量过多,或为了提高模型效能,不得不损失大量有价值的变量,而导致模型应用范围太窄,使得模型仍处于理论水平的研究[73-74]。

8 茶汤滋味物质重组与应用

茶汤滋味物质的重组与应用主要体现在拼配环节。拼配是对滋味物质重组后应用的关键技术,同时拼配也是茶叶生产和经营中的重要工序。根据标准茶样,将不同原料、不同加工技术的茶,拼合成特定花色等级的成品茶,以达到“扬长避短”、“高低平衡”,稳定茶叶品质的目的。

传统的拼配技术仅处于应用层面,未与茶叶拼配过程内含成分的变化紧密联系起来,常依赖于拼配人员个人的经验和主观判断,使拼配结果呈偶然性,产品稳定性较差,无法定量化、标准化。为此,西南大学童华荣团队[35,58,75-78]在准确分析茶叶滋味特征,建立重组模型后,采用混料均匀设计方法拼配出符合模型的绿茶和工夫红茶产品,来对模型进行验证,这为以评价滋味物质为基础的,茶叶量化拼配技术奠定了基础。

9 展望

随着分子感官科学的不断发展,该学科综合了食品风味化学、分析化学、感官组学,从分子层面入手,深入剖析关键风味作用物质,并对其进行重组和应用,更为深入和系统的研究体系得到了国内外学者的认可。但目前利用分子感官科学研究体系在茶叶风味上的研究尚不够系统、全面,仅集中在特征风味物质的描述和鉴别,对于茶叶风味的质量控制和消费者喜好性研究应用仍较少。因此,亟需不断将分子感官科学应用于茶叶滋味研究中,不仅有利于提高茶汤质量,更符合市场需求,以开发出满足消费者喜好的茶叶产品。

分子感官科学也面临着茶叶感官审评的时效性和主观性的困境,为了弥补传统感官审评和化学成分检测在鉴别茶叶滋味品质上的不足,研究者们已先后组建了专业的茶叶感官评价小组,进一步梳理了茶叶滋味描述词,及建立对应的参比体系,将茶叶内含成分与专家感官审评建立相关关系[20,59,79-81]。随着电子舌等快速、准确、智能化检测技术在茶叶中的广泛应用,为深入探究茶叶滋味特征物质之间的相互作用机理,剖析茶叶滋味特征,稳定茶叶品质,提高茶叶质量,未来将茶叶内含成分定性定量与专业感官评价小组和电子舌等建立一一对应关系,并以消费者喜好性为导向,构建茶叶滋味特征评价模型,并应用于茶叶数字化拼配中,将会成为分子感官科学研究体系应用于茶叶滋味研究的重要方向。