茶有真香，但香从何来？关于茶叶香气形成机制的综述

首先，抛出个问题：

为什么植物会带气味？

茶叶所带的花香、果香以及一些其它的香，难道是为了满足人类的口感吗？

我们所感受到的一些香味物质，是植物的次生代谢物，在进化过程中作为环境响应而发展。这些代谢物有助于保护植物免受环境胁迫（如防御天敌等），也是植物重要的可被利用成分。

利用应激反应来改善植物中的天然品质成分，吸引了越来越多的研究兴趣。香气是影响茶品质的重要因素。茶叶在采前（茶叶生长过程）和采后（茶叶加工过程）中对各种胁迫的防御反应可导致香气形成。

作者（曾兰亭、Naoharu Watanabe和杨子银）首先对茶叶中普遍存在的几种特征性芳香化合物的生物合成进行了总结性研究，这些化合物来源于挥发性脂肪酸衍生物（VFADs）、挥发性萜烯（VTs）和挥发性苯丙酸类/苯环类（VPBs）。此外，生物胁迫（如茶绿叶蝉）和非生物胁迫（如光照、温度和机械损伤）可以提高香气合成基因的表达水平，导致茶叶中特有的香气成分大量积累。了解它们之间特有的香气化合物和压力是安全有效地提高茶叶品质的关键。

了解茶树中芳香族化合物的生物合成和应激反应机制

从而安全有效地改善茶叶香气

我们知道，茶叶中的香气成分决定了茶香构成的主要因素，成分的好坏与多少很大程度上决定了一泡茶叶的质量。通常，茶叶中酚类化合物和氨基酸分别占茶叶含量的18％~36％和1％~4％，香气化合物占小于0.03％。气相色谱（GC），GC-质谱（GC-MS），核磁共振（NMR）光谱等已经鉴定出超过700种香味物质。而在这些香味物质之间却差异甚远，这些差异不止体现在香气的味道，更大地体现在能被人类所感知的阈值。

在某些情况下，两种不同香气化合物之间的阈值浓度存在千倍的差异。例如，玫瑰香气化合物，2-苯基-乙醇，人体可以在1000ng/L水中检测到，而另一种芳香化合物，damascenone，具有蜂蜜水果香味，只能在4ng/L时感知到。说明可能一些在茶树中大量存在的香味物质对茶叶香气的贡献比那些含量较少的要更低，这使得茶叶香气远比想象中的要复杂许多。

根据不同的反应途径，茶叶香气形态可分为三种类型，即叶细胞存活时的酶促反应（主要发生在采前茶树发育和部分采后制造阶段，以及涉及香气相关基因的激活和底物与酶之间的反应）、叶细胞破裂时的酶促反应（主要发生在部分采后制造阶段，涉及底物抗原之间的反应）、热物理和化学反应 （主要发生在部分采后制造和深加工阶段）。

茶树挥发性

成分的直接研究

与其他植物类似，茶树的挥发性物质根据代谢来源可以分为4大类：挥发性萜烯类（VTs）、挥发性苯丙烷类/苯环类（VPBs)、挥发性脂肪酸派生物（VFADs）和类胡萝卜素挥发性衍生物。这些挥发性物质在不同植物中的形成途径既有相同之处又各具特异。由于茶树的遗传转化体系还没有建立，目前直接研究茶叶中挥发性物质形成途径还具有难度，因此对茶叶中挥发性物质合成途径的研究大多基于其他植物的相关研究。

目前，对于一些香气合成相关的基因仅仅只是在其他模式植物中被验证。茶叶中具有自由挥发性化合物和糖基性结合挥发性化合物（GBVs），由于后者与它们的自由糖苷配体相比更易溶于水和反应更少，因此茶叶中的香气组分多以配糖体形式存在。许多GBVs，包括β-樱草糖苷酶和β-葡糖苷酶都能够被β-糖苷酶水解释放多种形式的挥发性香气物质，因此对茶叶中能够被β-糖苷酶水解的GBVs和合成的研究得到广泛关注。

已经有1个β-樱草糖苷酶和3个β-葡糖苷酶从茶叶中得到分离鉴定，这些研究不仅揭示了它们的形成和代谢机制，也为控制茶叶香气品质提供了重要的分子工具。除了糖苷水解途径之外，茶叶中许多香气成分是通过从头合成途径形成的。近年来，一些涉及这些从头合成途径最终步骤的关键酶类相关基因也已得到分离鉴定，比如参与芳樟醇、橙花叔醇、罗勒烯、水杨酸甲酯、吲哚、己烯醛等香气成分合成的相关基因。在一些情况下，有多种酶类参与同一终步反应形成香气物质，而由于同源基因的存在，多个基因也都能参与同一香气物质的形成。

生物胁迫

有助于茶叶香气的形成

在正常和非胁迫条件下，大多数挥发性化合物（包括芳香化合物）以植物液体形式存在。植物在环境压力下时合成并释放出一些挥发性化合物。这些应激诱导的挥发物具有减少或缓解应激对植物的一些负面影响的功能。与非生物胁迫相反，生物胁迫，特别是食草动物攻击对植物挥发物的影响已经得到了深入研究。

与其他植物类似，在幼苗生长过程中，许多食草动物，如刺穿吸虫包括茶绿叶蝉和茶蚜虫，以及昆虫包括螨虫等咬食茶叶并影响其产量和质量。这些食草动物的攻击可诱导茶叶产生并释放出大量的挥发性化合物，如VFADs（包括（Z）-3-己烯-1-醇，（Z）-3-己烯基乙酸酯，（E）-2-己烯醛和（E） - 2-己烯酸），VPB（包括苄腈，苯甲醛和吲哚）和VT（包括香叶醇，法呢烯，芳樟醇和橙花叔醇）。而这些食草动物诱导的挥发物可能具有植物保护功能。大多数报道都集中在草食动物诱导的植物挥发物的生态功能上。

然而，草食动物诱导的植物挥发物可能会影响茶树的香气特性。在茶的实际应用中，有一个典型的例子，茶叶绿叶蝉感染的茶叶被用来制作著名的乌龙茶（东方美人），其具有令人联想到成熟水果和蜂蜜的香气。这种独特的香气归因于特征性的挥发性单萜，比如叶蝉侵害诱导产生的2,6-二甲基-3,7-辛二烯-2,6-二醇（diendiol I）和在乌龙茶制作过程中加热条件下由diendiol I派生出的脱氢芳樟醇。有趣的是，伤害和其他食草动物的攻击，如刺吮昆虫，包括茶蚜虫，咀嚼昆虫，包括茶叶虫和蜘蛛螨，都没有诱导茶叶中二烯醇I的形成。

茶树中一些典型的生物胁迫

机械损伤和遭受其他害虫侵害条件下并不产生diendiol I，这揭示出了小绿叶蝉侵害诱导香气物质形成的独特机制。目前，尽管对于diendiol I在植物中的合成途径还不得而知，但是有一些研究表明它可能是由芳樟醇衍生出来的。叶蝉取食后能够诱导茶树CsLIS1 和 CsLIS2基因上调表达，大量释放芳樟醇，进一步研究发现连续损伤是叶蝉取食诱导茶树叶片释放芳樟醇的关键。此外，叶蝉取食除了诱导芳樟醇的大量释放，还能诱导香叶醇（牻牛儿醇）的大量释放，但是并不影响茶叶中香叶醇合酶的活性。

非生物胁迫

刺激茶树香气物质形成

非生物胁迫可以用于茶叶采摘前后茶叶香气调控，这些非生物胁迫包括土壤条件、光照、温度等，它们能够引起植物多种反应。这其中最重要的一个因子就属光照（白茶经过日光萎凋和自然阴干，岩茶的晒青和直接上桶吹风），光照强度和波长变化都能够引起植物挥发物的变化，在实践应用中，黑暗处理（近乎无光）能够改善茶叶的风味品质。

比如日本的玉露茶和抹茶在前期都要经过遮阴过程（3周左右），这样可以显著提高茶叶中多种香气物质的含量，尤其是VPBs。进一步研究发现遮阴能够加快转化为VPBs的上游代谢物的代谢，尤其是莽草酸、预苯酸、苯丙酮酸等。然而延长遮阴又会导致植株生殖生长加快，减少了采摘生物量。因此还需要找出它们之间的平衡。

萎凋槽萎凋茶鲜叶

目前，有研究通过改变波长来探究茶叶香气物质的变化，结果发现与自然光或者黑暗处理相比，蓝光和红光能够显著提高采收前茶叶中包括VFADs、VPBs和VTs在内的大多数挥发物质的产生，并能够诱导相关基因的表达，而对采收后的影响不大。此外与遮阴相比，蓝光或者红光处理在增加挥发物产生的同时还不影响生物量。光照对采收后茶叶香气物质产生影响较小可能与处理时间短有关，而其他非生物因素则对采收后的香气物质产生影响较大。

乌龙茶制作过程中也是保持叶片活性时间最长的，因此可以认为乌龙茶香气品质独特得益于茶叶的胁迫应激生化反应。乌龙茶中最主要的香气成分是橙花叔醇和一些VFADs，它们在摇青阶段大量产生，并且相关基因的表达在摇青阶段也得到激活。除了机械损伤，干旱胁迫也能够促使芳香成分的产生。

此外还有研究表明紫外照射采收后的茶青也能促进β-樱草糖苷酶和β-葡糖苷酶基因的表达，进而导致香气物质的释放。而茶叶的加工过程是伴随多种胁迫处理的，有研究发现采收后的低温处理也能够促进挥发物的释放，并且机械损伤和低温处理对于采收后茶叶中挥发物的释放具有协同效应。

除了茶叶细胞存活时的酶促反应，当茶叶细胞被破坏时的酶促反应也会促成茶香气的形成。这些反应主要发生在茶叶制造过程中，尤其是红茶制造过程。当茶叶细胞被破坏时，RNA的浓度急剧降低，这可能不会导致参与茶叶芳香合成的基因的活化且终止茶叶香气合成。

例如，乌龙茶和红茶的制造过程的细胞破坏（揉捻和摇青），但这两种茶的吲哚量存在显著差异。这不是由于红茶的过热过程（伤害应激）中的茶叶细胞破坏导致吲哚转化，而是终止吲哚合成。虽然茶叶香气相关基因的激活可能不会在破碎的茶叶细胞中发生，但茶叶细胞的破坏增加了底物和酶之间相互作用的可用性。

手工揉捻

有趣的是，研究发现在乌龙茶加工过程中，从采摘到第一次摇青，茶叶的叶细胞还处于完整无损伤状态，不同的亚细胞间处于隔离状态；而在第二次摇青到第五次摇青过程中，细胞已经扭曲变大，此时细胞壁仍然完好。这表明在这个过程中只有CsGH1BG1和CsGH3BG1参与水解反应释放香气物质，由于β-樱草糖苷酶和CsGH5BG1都位于细胞壁，且β-樱草糖苷酶是最主要的糖苷结合香气组分，因此在这个过程中乌龙茶的香气组分并没有显著提升。

在红茶制作过程中，揉捻之后，β-樱草糖苷酶结合香气组分显著减少，表明此过程中发生了水解反应，预示着这是红茶香气物质形成的主要阶段。这说明乌龙茶和红茶香气形成的途径可能不同。

研究这些香气形成的机制，找到关键原因，目前虽然茶树转基因技术还未成熟，不能通过基因工程来定向提高茶叶品质，但我们可以通过外部刺激来提高茶叶香气或其他优良内含物（氨基酸、茶多酚等）。

原文作者简介

杨子银，博士、研究员、博导、中国科学院百人计划入选者、广东省杰出青年基金获得者、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才、广东省现代农业茶叶产业技术体系创新团队岗位专家；2007年于浙江大学茶学系取得博士学位，2007—2012年于日本静冈大学进行博士后研究（博士后、JST研究员、JSPS外国人特别研究员），2012年入选中国科学院百人计划，加入中国科学院华南植物园，成立研究组。

主要研究方向：茶树（Camellia sinensis）次生代谢与资源利用研究；已发表SCI论文65篇（通讯作者与第1作者52篇），申请专利28项（第1发明人8项、第2发明人12项）；现主持国家自然科学基金、国家重点基础研究计划（973计划）子课题、中国科学院-创新-引进国外杰出人才专项、中国科学院重点部署项目、广东省杰出青年基金项目等科研项目；现为Scientific Reports杂志编委和41个国际期刊的审稿人。

简介来源：

http://sky.xynu.edu.cn/info/1050/1004.htm.

曾兰亭，女，汉族，福建莆田人，中共党员。2018年7月毕业于中国科学院华南植物园（中国科学院大学），获得理学博士学位，随后留该单位进行博士后工作，师从杨子银研究员。主要研究方向是茶树次生代谢与调控，重点开展茶叶香气形成的生物学基础研究与安全提香关键技术的研发。系统阐明了茶叶香气响应关键生物胁迫和非生物胁迫的机制，并提出了利用逆境胁迫机制安全提高茶香品质的研究思路；在理论研究成果的基础上，建立了低质茶资源品质提升关键技术，并在广东省内主要茶区推广应用。

以第1作者在Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food Chemistry、Postharvest Biology and Technology等期刊上发表SCI论文11篇，其中相关领域Top 5%论文9篇；以第1发明人申请专利4项，参与制定团体标准3项、地方标准1项和企业标准4项（第1起草人2项），开发软件著作权4项（第1完成人2项）；主持国家自然科学基金青年基金项目1项、中国博士后科学基金面上项目一等资助1项、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目1项和广东省自然科学基金面上项目1项。

获得第六届中国茶叶学会青年科技奖，植物生物学女科学家分会“优秀女科学家奖”。担任Phyton, International Journal of Experimental Botany SCI期刊的副主编，Journal of Hazardous Materials、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Photochemistry等SCI期刊审稿人。

简介来源：

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7906211.