基于代謝組學技術對曬青茶加工過程的代謝物分析

劉學艷，呂才有

1. 滇西科技師范學院 生物技術與工程學院，云南 臨滄 677000；2. 云南省紅茶工程技術研究中心，云南 臨滄 677000；3. 云南農業大學 茶學院，云南 昆明 650100

云南省主產茶區集中在瀾滄江流域，大部分茶園分布于山區與半山區，機械化推廣難度較大，機械化采摘技術成為云南茶產業發展的瓶頸。云南茶產品以普洱茶為主，其中以春季鮮葉制成的普洱茶最受消費者青睞。夏、秋茶由于茶多酚等含量較高，制成的茶產品苦澀味較重，再加上手工采摘成本較高，大量的夏、秋茶資源被浪費[1]，嚴重影響了云南省茶產業的經濟效益。云南省普遍推廣種植的‘云抗10號’（占云南省無性系良種的89.4%），其抗性強、長勢均勻[2]，利于機械化采摘；制成的普洱生茶清香濃郁，滋味醇正，湯色黃亮；制成的普洱熟茶香氣醇正、陳香，湯色紅濃明亮，滋味醇厚[3]。

曬青毛茶的加工主要包括鮮葉攤晾、殺青、揉捻及日光干燥等。其中，殺青工序對曬青毛茶品質影響最大，揉捻工序會影響曬青毛茶的外形，也在一定程度上影響曬青毛茶的口感；日光干燥工藝保留了茶葉的內含成分，更有利于普洱茶后期加工及存放過程中內含物質的轉化[4]。隨著普洱茶品牌價值的提升，傳統的手工加工方式不僅無法滿足巨大的需求量，也無法保證普洱茶的質量，曬青茶的生產逐漸向標準化、機械化作業發展，生產過程逐步趨向車間無人化[5]。

曬青茶的品質受茶樹品種[6]、生長年限[7]、加工方式、儲存時間等因素的影響。這些因素會引起曬青毛茶中咖啡堿、氨基酸、茶多酚、可溶性糖等呈味物質以及葉綠素等呈色物質的含量及比例變化，進而影響茶葉品質及口感[8]。其中，曬青茶最獨特的“日曬味”品質特征的形成，與日光干燥有著密切的關系。跟炒干、烘干相比，日光干燥方式溫度更低，更有利于曬青茶后期物質的轉化。坤吉瑞[9]等研究了日光干燥、曬青棚干燥和曬青棚內加紫外燈干燥3種曬干方式對曬青綠茶的品質影響，發現不同干燥方式會影響曬青茶內脂肪酸、揮發性香氣物質和感官審評結果，且使用曬青棚內添加紫外燈照射處理下可以增加成品茶中醛類揮發性香氣物質，獲得更好的感官風味。已有研究表明，云南大葉種曬青茶含有比其它茶類更高的多酚類活性物質，其提取物有較強的抗氧化活性，可有效清除超氧陰離子、羥基自由基、DPPH自由基、抑制黃曲霉毒素生長[10]。馬超龍[11]采用GC-MS技術分離鑒定了曬青毛茶加工過程中6個在制樣品共得到113種香氣化合物，主要是醇類、醛類、酯類、烯類等，并且醇類香氣物質在加工過程中變化最為明顯。

目前大量的研究集中在曬青茶的加工工藝、生化成分、揮發性物質及保健功效等方面，對于曬青茶在加工過程中的代謝物變化情況研究甚少。本研究以‘云抗10號’茶樹鮮葉制成的曬青毛茶為研究對象，采用代謝組學技術對其加工過程中的代謝物進行深入檢測和分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

2020年9月，在德宏芒市四季茶業有限公司生產車間將機械采摘的‘云抗10號’大葉種鮮葉使用機械化加工生產線加工制成曬青毛茶。機采鮮葉先平鋪攤晾（以10 ～ 15 cm的厚度攤放 8 h，攤放過程中進行 2 ～ 3 次通溝散熱），之后輸送至滾筒殺青機殺青（殺青溫度180℃，殺青速度50 Hz，殺青時間3 min），再經攤晾機輸送至回潮機（回潮時間約15 min），隨后輸送至揉捻機進行揉捻（先輕揉5 min，再重揉約20 min，再輕揉5 min），解塊后輸送至曬青棚內日光干燥制成曬青毛茶（以3 cm的厚度平鋪在竹席上，日曬至足干）。分別取攤晾葉、殺青葉、揉捻葉、干燥葉各20 g，每份樣品重復選取3次，置于液氮中保存，之后對樣品進行代謝物提取鑒定。樣品信息及編號如下（表1）。

表1 樣品編號Table 1 The number of samples

主要儀器：5424R 2 Eppendorf型離心機，艾本 德 中國 有限 公 司；SHIMADZU Nexera X2型超高液相UPLC，日本島津；Applied Biosystems 4500 Q TRAP 型串聯質譜 MS，美國AB SCIEX。

主要試劑：甲醇（色譜純，Merck）、乙腈（色譜純，Merck）、標準品（色譜純，BioBioPha/Sigma-Aldrich）、KH2PO4、Na2HPO4·12H2O、茚三酮、酒石酸鉀鈉和氯化亞錫，分析純。

1.2 廣泛靶向代謝組學檢測

1.2.1 LC-MS樣品提取

將茶樣放置于真空凍干機中冷凍干燥——用研磨儀研磨（30 Hz，1.5 min）至粉末狀——稱取 100 mg 粉末，溶解于 1.2 mL 70% 甲醇提取液——每30 min渦旋1次（持續30 s），渦旋6次后將樣本放置于4℃冰箱過夜——離心（轉速12000 rpm）10 min后，吸取上清液，用微孔濾膜（0.22 μm）過濾樣品，并保存于進樣瓶中，用于UPLC-MS/MS分析。

1.2.2 LC-MS/MS色譜分析

主要利用超高效液相色譜（UPLC）和串聯質譜（MS）兩種數據采集系統。具體條件：色譜柱 Agilent SB-C18 1.8 μm，2.1 mm*100 mm；流動相A相：超純水（加入0.1%的甲酸）；B相：乙腈（加入0.1%的甲酸）；洗脫梯度0.00 min B相比例為5%，9.00 min內B相比例線性增加到 95% 并維持在 95% 1 min，10.00 ～ 11.10 min B相比例降為5%，并以5%平衡至14 min；流速 0.35 mL/min，柱溫為 40℃；進樣量為 4 μL。

1.2.3 質譜條件

由三重四極桿線性離子阱質譜儀（Q TRAP）、AB4500 Q TRAP UPLC / MS / MS 系統掃描獲得代謝物信息。ESI源具體操作參數為：離子源為渦輪噴霧；離子源溫度為550℃；離子噴霧電壓（IS）為正離子模式5500 V，負離子模式 -4500 V；離子源氣體為 I（GSI）50 psi、II（GSII）60 psi、簾氣（CUR）25 psi。

1.2.4 差異代謝物篩選方法

利用多維統計VIP值、單維統計P值及差異倍數FC來篩選差異代謝物，選取VIP＞1，P ＜0.05，FC≥2或FC≤0.5的代謝物為差異代謝物。

1.2.5 代謝物定性和定量方法

利用軟件Analyst 1.6.3處理質譜數據，獲得不同樣本的代謝物質譜分析數據后對所有物質的質譜峰進行峰面積積分，并對其中同一代謝物在不同樣本中的質譜出峰進行積分校正。

1.3 數據分析

采用 SPSS 22.0、GraphPad Prism 7 兩個分析軟件進行差異顯著性分析和繪圖。使用Analyst 1.6.3處理代謝物的質譜數據，采用UV歸一化處理代謝物含量數據，使用R軟件分析數據并繪制熱力圖。

2 結果與分析

2.1 樣本質控及統計分析

通過對“攤放葉”“殺青葉”“揉捻葉”“干燥葉”四組樣品進行代謝物提取后，再對樣本的代謝物進行質譜定性定量分析。圖1為樣品中所檢測到的代謝物多峰圖，圖中每個不同顏色的質譜峰代表檢測到的一個代謝物，每個色譜峰的峰面積代表對應物質的相對含量。

圖1 檢測到的代謝物多峰圖（A：正離子模式，B：負離子模式）Figure 1 Metabolic peaks detected（A: positive ion mode，B: negative ion mode）

2.2 正交偏最小二乘法判別分析（OPLS-DA）

OPLS-DA分析對于相關性較小的變量更敏感，可以使組間區分最大化，有利于尋找差異代謝物。本實驗先建立了四組茶樣之間的PLSDA模型，評價模型的預測參數如表2。其中R2X和R2Y分別表示所建模型對X和Y矩陣的解釋率，Q2大于0.9即為出色模型。本次試驗中四組樣品的Q2均大于0.9，進一步說明四組模型構建良好，具有較高的預測能力。

表2 樣本分組比較的R2值和Q2值Table 2 The calculated R2 and Q2 values of different groups

為避免PLS-DA模型出現過擬合現象，本研究建立了四組樣本的OPLS-DA-plot（圖2），判斷代謝物對于每個分組的貢獻率。其中，紅色表示VIP≥1的代謝物，綠色表示VIP ＜ 1的代謝物。根據OPLS-splo圖，四組樣品中紅色點和綠色點在各個模型中的數量和分布范圍不同，說明差異代謝物對模型的貢獻率不一樣，即模型建立成功，可根據VIP值篩選差異代謝物。此外，PLS-DA模型和opls-splot模型相互驗證，說明對加工過程中各個階段的樣本進行代謝物分組比較是可行的，且各組存在明顯差異，得到的差異代謝物具有統計學意義。

圖2 三組樣品OPLS-splo圖Figure 2 OPLS-SPLO diagram of each group

2.3 差異代謝物的篩選

基于VIP值，結合單變量分析的差異倍數值FC來進一步篩選出差異代謝物。本實驗選擇VIP大于1，FC≥2或者FC≤0.5的代謝物進一步分析。FC≥2和FC≤0.5表示代謝物在對照組和實驗組中差異為2倍，都表示差異顯著。根據此篩選標準，在四組樣品中篩選到的差異代謝物個數如下（表3）。

表3 四組樣品差異代謝物數量Table 3 Differential metabolites in four groups of samples

2.4 秋季曬青茶加工過程中主要代謝物含量變化

2.4.1 萜類代謝物

如圖3所示，萜類物質在加工過程中，京尼平、白樺脂酸、山楂酸含量存在顯著性變化。京尼平和山楂酸兩種物質在殺青過程中含量顯著上升，揉捻過程中含量稍微下降，干燥過程中又快速下降。白樺酸酯相對含量在殺青、揉捻過程中持續升高，干燥過程中下降。

圖3 萜類代謝物在加工過程中的變化Figure 3 Changes of Terpene Metabolites during Processing

2.4.2 生物堿類代謝物

本研究中檢測到的生物堿類差異代謝物中含量變化較大的是2-氨基嘌呤、煙酸甲酯、吲哚-3-甲醛、色胺、吲哚-3-乙酸、3-羥丙基棕櫚酸酯和對香豆酰基腐胺。其中，3-羥丙基棕櫚酸酯和2-氨基嘌呤在加工過程中變化比較顯著。這兩種物質在攤放葉中含量極高，隨著殺青揉捻的進行，含量逐漸降低。色胺類物質含量在殺青過程中明顯升高，揉捻和干燥過程中又逐漸降低。總體上看，生物堿類物質在加工過程中相對含量逐漸降低。

圖4 生物堿類代謝物在加工過程中含量變化Figure 4 Changes of Alkaloids metabolites during processing

2.4.3 氨基酸及其衍生物類代謝物

氨基酸是茶葉中非常重要的呈味物質之一，主要影響茶葉的鮮味和甜味。氨基酸類代謝物在加工過程中代謝物含量變化如圖5所示。其中，還原性谷胱甘肽在殺青過程中快速升高，干燥過程中又快速降低；L-蘇氨酸、L-蛋氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸、L-天冬氨酸-O-二葡萄糖苷這幾種物質的含量很高，在加工過程中的變化也非常快。S-腺苷-L-蛋氨酸的相對含量在攤放葉、殺青葉、揉捻葉中變化不是很大，在干燥過程中快速降低。

圖5 氨基酸及其衍生物類代謝物在加工過程中變化Figure 5 Changes of amino acids and their derivatives during processing

2.4.4 部分黃酮類代謝物

黃酮類物質的種類和含量是所有代謝物中最豐富的，也是對茶葉品質影響最大的。本研究中檢測到的黃酮類在加工過程中變化趨勢如圖6。從圖中可看出，曬青茶加工過程中黃酮類物質的變化幅度很大，山奈酚、圣草酚、高車前素、香葉木素、鼠李檸檬素、花旗松素這幾種物質在各組樣品中含量很高，變化也很快。其中，杜鵑黃素、花旗松素、鼠李檸檬素、香葉木素、高車前素、五羥基查爾酮、圣草酚、阿夫兒茶精這幾種物質都在殺青過程中達到了最大值，隨后逐漸降低。部分物質如鼠李檸檬素、高車前素、圣草酚、香葉木素、丁香亭等雖然在揉捻過程中含量有所降低，通過干燥工序后相對含量又增加。總體上看，大部分黃酮類物質在殺青過程中含量快速增加，在揉捻和干燥過程中逐漸降低。

圖6 部分黃酮類代謝物在加工過程中代謝物變化Figure 6 Changes of flavonoid metabolites during processing

2.5 代謝物KEGG功能注釋及富集分析

差異代謝物在生物體內相互作用，形成不同的通路，通過查詢KEGG相關代謝通路數據庫可以對差異代謝物進行注釋，還可以將代謝物作為一個整體網絡進行研究。本實驗中四組樣品的差異代謝物通路如圖7（圖中縱坐標為KEGG代謝通路的名稱，橫坐標為注釋到該通路下的代謝物個數及其個數占被注釋上的代謝物總數的比例）。

根據圖 7（a）可知，TF vs SQ 中有 94種差異代謝物分別被注釋到33條代謝通路，主要包括嘌呤代謝、谷胱氨酸代謝、維生素代謝、類黃酮生物合成及苯丙酸合成。其中，黃酮生物合成路徑中注釋到的代謝物種類較多。由圖7（b）可知，在SQ vs RN組中有23種代謝物分別被注釋到9條代謝通路中。在揉捻過程中，以物理作用為主，化學反應為輔，所以差異代謝物很少。硫胺代謝、嘧啶代謝、苯丙酸合成、黃酮和黃酮醇代謝、精氨酸和脯氨酸代謝、α-亞麻酸代謝幾條代謝路徑中各被注釋到一種差異代謝物。由圖7（c）可知，RN vs SG組有90種代謝物分別被注釋到42種代謝通路中，主要包括玉米素合成、色氨酸代謝、單環菌素合成、谷胱甘肽代謝、蛋氨酸和精氨酸代謝、苯丙酸等氨基酸生物合成、維生素C合成、2-氧代環戊烷羧酸甲酯合成。其中，黃酮和黃酮醇類生物合成、氨基酸代謝、嘧啶代謝、嘌呤代謝是四組樣品中主要和共有的代謝通路類型。

圖7 三組樣品的KEGG代謝通路及富集到的代謝物所占比例Figure 7 The proportion of KEGG metabolic pathway and enriched metabolites in three groups of samples

2.6 部分差異代謝物通路及其與茶葉品質的關系

2.6.1 攤放工序與曬青茶品質形成的關系

本實驗中，代謝組學技術檢測到的攤放葉代謝物包括酚酸類、黃酮類、氨基酸及其衍生物類、有機酸類、生物堿類、脂質類等。攤放葉中含有相對含量較高的D-赤酮酸內酯、2-氨基乙烷磺酸、6-羥基己酸、2-氧代己二酸、磷酸烯醇式丙酮酸等5種有機酸類物質，3-羥丙基棕櫚酸酯兩種生物堿，丁香亭、檸檬素等黃酮類物質，這些物質是茶葉品質形成的基礎。

2.6.2 殺青工序與曬青茶品質形成的關系

在曬青茶的加工過程中，殺青工序對茶葉的品質影響最大。殺青過程中，氨基酸類代謝物在加工過程中含量變化很大，其中，L-蘇氨酸通過絲氨酸和蘇氨酸代謝途徑以及單桿菌酰胺生物合成途徑，相對含量顯著升高。根皮素通過類黃酮生物合成途徑顯著上調，使得“殺青葉”中的根皮素代謝物含量遠高于“攤放葉”。通過查詢殺青工序促進的物質代謝通路，還原型谷胱甘肽、L-蛋氨酸亞砜、蛋氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸、甲硫腺苷、1-氨基環丙烷羧酸、S-腺苷-L-高半胱氨酸主要通過氨基酸及其衍生物類生物合成途徑完成代謝。

2.6.3 揉捻工序與曬青茶品質形成的關系

揉捻工序主要是利用外力按照不同茶類的加工需求使用不同的揉捻方式將殺青過的茶葉揉捻成形，主要發生物理變化。通過LC-MS技術對代謝物的檢測分析，大部分代謝物在揉捻過程中含量變化不明顯，只有少數物質含量發生了顯著性變化。整體上看來，黃酮類物質在揉捻過程中變化比較明顯，主要是丁香亭、杜鵑黃素、香葉木素、高車前素、五羥基查爾酮、圣草酚、鼠李檸檬素、花旗松素、溶血磷脂酰膽堿、槲皮素-7-O-蕓香糖苷-4'-O-葡萄糖苷、胸腺嘧啶、兒茶酚等含量顯著升高。其中，4-甲基-5-(beta-羥乙基)噻唑通過硫胺代謝途徑顯著上調。其中，N-(4-氨基丁基)-乙酰胺在生物合成途徑中表現為顯著上調。少數物質在揉捻過程中相對含量降低。其中，丁香亭、2’,4’,6’,3,4-五羥查耳酮通過類黃酮生物合成途徑、阿魏酸通過苯丙酸合成途徑含量降低。

2.6.4 干燥過程與曬青茶品質形成的關系

干燥過程中，發生顯著性變化的物質是氨基酸類、黃酮類。其中，磷烯醇丙酮酸在糖酵解途徑中顯著升高，2-脫氧-D-核糖 5-磷酸酯二鈉鹽通過磷酸戊糖途徑含量顯著升高。葡萄糖醛酸內酯、抗壞血酸、脫氫抗壞血酸含量通過抗壞血酸代謝途徑顯著升高。

3 討論

通過LC-MS檢測結果，曬青茶加工過程所有在制品共有649個差異代謝物。在攤放過程中，茶葉細胞膜滲透能力增強，酶活性增強，淀粉、多酚類、多糖、蛋白質、果膠、酯類等物質產生以酶促水解為主的氧化降解，生成對曬青茶品質有重要作用的簡單物質[12]。殺青是影響茶葉品質最重要的因素。本次研究中殺青采用滾筒殺青，熱源為木柴，人工添加木柴無法保證溫度的恒定。前人研究表明，不同熱源的殺青機熱效率不同，會影響茶葉的色澤和香氣[13]。機采鮮葉老嫩混雜，滾筒殺青時無法保證所有鮮葉都能均勻殺青，因此，機采鮮葉的殺青可以考慮使用葉飛等研制的電磁滾筒耦合熱風殺青方式來提高機采曬青茶的滋味和香氣[14]。

殺青過程中，高溫抑制了部分酶的活性，大分子物質氧化降解。氨基酸類通過美拉德反應生成糖胺類物質，帶有青草氣的酚酸類（阿魏酸、扁桃酸、異阿魏酸）和脂肪酸類代謝物含量下調。殺青葉“青草味”散失的主要原因可能就是這些酸類物質在高溫作用下降解形成帶花香的香葉醛、壬醛、苯甲醛[15]。水楊酸甲酯在殺青過程中含量也明顯下調，具有花果香的橙花叔醇、香葉基丙酮、順式茉莉酮、香葉醛、檸檬醛等在殺青葉中上調，可能是曬青茶品質香氣形成的基礎物質[16]。HAN等研究表示，殺青還能促進類胡蘿卜素香氣前體降解[17]和糖苷水解[18]，形成帶有栗香的芳樟醇、苯乙醇、香葉醇等物質[19-20]。

在揉捻過程中主要是借助外力促進茶葉成形，代謝物變化不大。其中，13S-羥基-9Z,11E,15Z-十八碳三烯酸、9,10-環氧十八碳二烯酸、9,12,13-三羥基-10,15-十八碳二烯酸這幾種代謝物含量顯著降低。這幾種物質呈苦澀味，揉捻過程中轉化降解，進一步降低了茶鮮葉的苦澀味。

干燥是在太陽光的作用下降低揉捻葉中的水分，內含物發生復雜的熱化學作用提升曬青茶香氣和滋味[21]。前人研究表明，脂肪酸氧化降解產物對改善茶葉風味品質具有重要作用[22]。在排除不良天氣干擾的基礎上，曬青棚內加設紫外燈進行曬青處理，可促進制品中的脂肪酸降解，進一步提高曬青茶香氣品質，紫外線強度越大可能越有利于脂肪酸氧化分解為對應的香氣化合物[23]。也有學者研究發現，人工光源干燥可以避免因天氣條件造成的曬青茶品質差異從而調控和穩定曬青茶品質[24]。

大量研究表明，夏秋茶內含成分豐富（例如黃酮和黃酮苷類物質高于春茶[25]），部分代謝物具有良好的保健功效。如L-精氨酸具有抗炎功效[26]、槲皮素可以制成藥物[27]，用于臨床治療人類肝部病毒疾病[28-29]，也可以用于動物疾病治療[30]；山奈酚可以保護血管[31]、輔助治療皮膚病[32]；花青素不僅可以作為色素，還可以作為醫藥成分輔助治療腫瘤[33]。可見夏秋茶只要加以合理利用，可以通過液態發酵[34]、鮮葉固態發酵[35]等新的后發酵工藝或深加工工藝制成多元化產品，提高茶產業總體經濟效益。

4 結論

基于代謝組學技術，通過OPLS-DA等多元統計分析方法，LC-MS儀器對茶葉樣品的代謝物信息具有很高的靈敏度和穩定性，建立的實驗模型可靠。四組樣品共檢測到649個代謝物，包括黃酮類、氨基酸及其衍生物類、核苷酸及其衍生物類、酚酸類、脂類、有機酸類。通過差異代謝物的篩選，五組樣品之間有不同的差異代謝物。從加工工序來看，殺青工序對茶葉的代謝物影響最大，從攤放葉到殺青葉共檢測到97種差異代謝物；其次是干燥工序，從揉捻葉到干燥葉共檢測到71種差異代謝物；最后是揉捻工序，從殺青葉到揉捻葉共檢測到23種差異代謝物。在整個曬青茶加工過程中，變化最明顯的代謝物主要是黃酮類、氨基酸及其衍生物類、有機酸類。其中，山楂酸、京尼平、2-氨基嘌呤、色胺、對香豆酰基腐胺、3-羥丙基棕櫚酸酯、L-蘇氨酸、L-蛋氨酸、L-甘氨酰-L-異亮氨酸、N-乙酰-L-蛋氨酸、L-賴氨酸丁酸酯、還原型谷胱甘肽、S-腺苷-L-蛋氨酸、L-天冬氨酸-O-二葡萄糖苷、阿夫兒茶精、山奈酚、圣草酚、鼠李檸檬素花旗松素、香橙素、高車前素、香葉木素、丁香亭等這些物質在整個加工過程中變化最明顯，是曬青茶品質形成的關鍵物質。通過KEGG代謝通路分析，樣品之間的差異代謝物主要通過黃酮類生物合成、氨基酸類代謝、嘌呤代謝等幾種代謝途徑合成。其中，黃酮類生物合成途徑中富集到的差異代謝物種類最多，部分代謝物可參與多個代謝途徑，各組間有多條代謝通路一致，如精氨酸和脯氨酸等氨基酸類代謝、維生素類代謝、嘧啶代謝、黃酮和黃酮醇類代謝等。

綜上，茶鮮葉中的內含物質在加工過程中通過氧化、降解、縮合、聚合等多種反應途徑轉化形成特定物質，影響曬青茶的色、香、味、形，形成曬青茶獨特的“曬青味”。