红茶是经鲜叶采摘、萎凋、揉捻、发酵、干燥等工序加工而成的全发酵茶[1],其因独特的风味及降脂、抗氧化、消炎等健康功效而备受消费者青睐。红茶销量占全球茶叶市场销售量的78%[2-3],然而当前红茶市场面临供应过剩的挑战[4]。据中国茶叶流通协会统计,2023年我国红茶内销量为37.9万t,同比减少0.7%[5]。可见,红茶不可避免要进入贮藏阶段。此外,茶叶的生产具有明显的季节性,在流通市场之前通常需要一定时间的存放。但茶叶内部疏松多孔,内含物质丰富,贮藏期间易受外界环境的影响而导致内含物质发生变化[6],或提高红茶品质[7],或降低其经济价值[8]。即贮藏对商品茶的品质和价值具有直接的影响。近年来,茶叶贮藏品质化学与“年份茶”逐渐成为人们关注的热点[9]。徐玉婕等[10]研究显示,经过1年贮藏的祁门红茶甜度增加,收敛性减弱,香气向花果香转变。宋振硕等[11]发现,经过3年贮藏的花果香红茶陈香和陈酸的特征显现。杨娟等[12]指出红茶的品质在贮藏的3个月内有所提升,之后品质逐渐降低。王近近等[6]、陈丹[9]、谢清怡[7]、TAO等[13]探究了红茶贮藏过程中影响红茶品质变化的环境因素以及内含成分的化学变化机理等。明晰红茶贮藏过程中的品质衍变规律对延长红茶的消费周期以及提高红茶的质量和经济效益具有重要的意义。
本文系统归纳了近年关于红茶贮藏品质化学的相关研究成果,旨在概述和整理红茶贮藏过程中引起红茶品质变化的因素,系统分析红茶贮藏品质形成的机理,详细阐述鉴别红茶贮藏品质的判别技术,并对未来红茶贮藏品质控制的研究方向进行展望,以期为红茶的贮藏技术发展及贮藏品质的变化机制研究提供理论依据。
1 影响红茶贮藏品质的因素
在茶叶贮藏过程中,茶叶中对环境影响敏感的化合物会发生转化,导致香气、外观和口感的变化[14]。总结影响红茶品质的环境因素及贮藏过程中的品质变化规律,对推动红茶贮藏技术的发展有重要意义。
1.1 水分对红茶贮藏品质的影响
商品茶通常以干燥的形式进行贮藏和交易,茶叶含水率与茶叶内含物质的化学反应密切相关,同时影响微生物繁殖导致茶叶的劣变[2]。茶叶的表面结构疏松,并且细胞壁所含有的羟基及亲水基团可通过毛细管作用吸收水分[6]。水作为化学反应的媒介和参与化学反应的物质,茶叶对水的吸附会提高多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)和过氧化物酶(peroxidase,POD)的活性[15]。茶叶中水分含量的增多,会加速茶叶内含物氧化,导致茶叶陈化劣变[16-18]。如含水率增加至12%时,茶叶会发生霉变[6,19]。相反,茶叶的含水率过低时,水分子难以与茶叶氢键结合形成单分子层,从而无法隔绝氧气,导致茶叶中的脂肪酸发生氧化[8]。当茶叶含水率约为6%时,水能够以单层的形式存在于茶叶表面,保护内部的化合物免受氧气暴露,从而降低微生物繁殖引起的茶叶变质。一般认为,含水率控制在3%～5%有利于维持茶叶品质[2,6,9,19]。
环境湿度是影响茶叶含水率的重要因素,环境湿度的增加会导致其含水率的增加,进而影响茶叶品质[20]。研究表明,红茶虽然有较高的吸湿性,水分活度却不高,与其他茶类相比,红茶在较高湿度的贮藏环境中能够保持较为稳定的状态[20]。一般认为,50%以下的环境湿度有利于茶叶含水率的保持[21]。为保持较高的红茶品质,红茶在贮藏过程中控制其本身的含水率和环境湿度具有重要意义。
1.2 温度对红茶贮藏品质的影响
茶叶中含有催化各种反应的酶,温度与这些酶的活性密切相关。当环境温度在酶的活性范围(20～35 ℃)时,随着温度的升高,残留的PPO和POD的活性也会增加[22]。PPO和POD活性的增加,会加速红茶的自氧化速率,加深茶叶三色(干茶色、汤色、叶底色)褐变程度和气味的改变[16]。此外,贮藏温度过高会导致茶叶不饱和脂肪酸如油酸、亚油酸、亚麻酸等自动氧化,形成醛、醇、酮等挥发性物质(图1),使红茶香型异变,品质下降[23]。王近近等[6]研究表明,在相同湿度的环境条件下,室温和4 ℃的条件有助于保持红茶的生化成分含量和干茶色泽品质。崔文锐[22]的研究表明,0～10 ℃贮藏条件下,茶色素的变化最小,26 ℃贮藏条件次之,12～25 ℃贮藏条件则具有最大变化。谢清怡[7]的研究表明,红碎茶叶在低温(4 ℃)贮藏6个月后,其香味得到了很大程度的保留,但经过6个月(40 ℃)的贮藏则开始出现陈味。研究还发现,在5 ℃、湿度30%的贮藏条件下利于香味的保持,而长时间贮存易产生陈味[7]。此外,过高的贮藏温度还会导致茶汤中可溶性糖含量降低,使得没食子酸、咖啡碱和奎宁酸的酸味、苦味和涩味显现出来[24]。因此,合理的控制贮藏环境的温度有利于保持红茶品质。
图1 不饱和脂肪酸氧化为醇类、酮类和醛类气味物质的途径
Fig.1 Pathways for the oxidation of unsaturated fatty acids to alcohols, ketones, and aldehydes odorants
1.3 氧气对红茶贮藏品质的影响
茶叶中的儿茶素、氨基酸、原花青素、黄酮及其苷类、脂类和酚酸等物质,都可在氧气的作用下发生氧化反应,从而影响红茶的品质[25]。在红茶贮藏阶段,氧气和温度条件适宜时,短期的贮藏(<40 d)有利于发挥“后熟作用”,促进茶多酚及其氧化产物进一步的转化,改善茶汤的颜色和亮度,提高红茶品质[8]。相反,如果贮藏条件不佳,会导致干茶和茶汤色泽加深,茶汤滋味淡薄[19]。研究表明,将茶叶包装中的氧气含量控制在0.1%以下有助于维持茶叶品质,氧气含量高于5%则可能导致茶叶劣变。因此,通常在红茶包装过程中会注入氮气,以避免红茶的氧化变质[19]。
1.4 光照对红茶贮藏品质的影响
光照通过促进色素和脂类物质的氧化降解影响茶叶品质[16,21]。氧气与太阳射线的直接结合会促进叶绿素分子中镁的释放和植基的去除,进而导致叶绿素的分解,降低干茶色泽的亮度[26]。类胡萝卜素在光照的作用下发生光化学氧化和自氧化,使得红茶外观色泽变得偏暗[13]。此外,红茶中含有的不饱和脂肪酸,在光的照射下会发生氧化反应,产生如丙醛、戊醛的异味物质,从而对红茶的香气品质带来不利的影响[19]。红茶在贮藏过程中一般会通过使用合适的包装材料避免光线对其品质的影响。
2 红茶贮藏过程中品质成分的变化
2.1 红茶贮藏过程中挥发性品质成分的变化
红茶中挥发性化合物的组成和比例决定了红茶的香气质量。TAO等[27]研究发现新鲜祁门红茶与贮藏1年的祁门红茶关键香气挥发物(包括3-甲基丁醛,二甲基硫化物,苯乙醛,(E,Z)-2,6-壬二烯醛等)相同,但贮藏1年后的祁门红茶关键香气挥发物丧失,木质气味显露。通过在贮藏过程中添加关键香气挥发物能够削弱木质香气,增强祁门红茶香气新鲜度[27]。ZHANG等[28]分析不同贮藏年份(2015年、2017年、2019年和2021年)红茶香气品质的变化,结果表明,贮藏过程中,随着年份的增加,以花香和果香为主的36种代谢产物显著降低(P<0.05),18种具有辛、酸、木香的挥发性成分显著增加(P<0.05),且推测单萜烯生物合成和次生代谢生物合成途径是导致红茶贮藏过程中代谢产物相对含量发生变化的关键代谢途径。徐玉婕等[10]研究了祁门红茶在不同贮藏条件下贮藏1年挥发性物质变化情况,结果表明,与低温贮藏(-40 ℃)红茶相比,室温贮藏红茶中呈现花香的酮类、烯类以及内酯类化合物含量显著增加。TAO等[13]研究贮藏1～20年的7种同等级别祁门红茶挥发性物质的变化情况,研究表明,贮藏前5年,甘露醇、芳樟醇等关键的糖苷衍生挥发物的浓度呈指数下降趋势,贮藏超过5年后,作为存放祁门红茶达到优质水平重要标志的一些甲氧基苯挥发物浓度持续增加。此外,研究还发现,β-胡萝卜素在氧化后会生成β-紫罗兰酮(图2)等挥发性物质,对红茶的香气和风味起到积极作用[13]。
图2 β-胡萝卜素氧化生成β-紫罗兰酮途径[29]
Fig.2 Oxidation of β-carotene to produce β-violetone pathway[29]
2.2 红茶贮藏过程中非挥发性品质成分的变化
2.2.1 多酚类
茶叶中含有多种多酚类化合物,主要包括黄烷醇类、黄酮类、黄酮醇类、花色苷类和酚酸类等物质[29]。JIMÉNEZ-ZAMORA等[30]研究认为,红茶在25 ℃条件下贮藏3个月,由于暴露较多的酚类物质发生氧化,总酚含量略有下降;贮藏至6个月后,由于紧密附着在植物基质上的酚类物质受到了保护,能够在更长的时间内保持活性,总酚含量几乎保持不变,但含量总体呈下降的趋势。杨娟等[12]研究红茶自然条件贮藏1年茶多酚变化情况,结果表明,在红茶贮藏过程中,虽然部分茶多酚的氧化中间产物在短时间内很难朝一个方向进行进一步的聚合,导致可溶性茶多酚的含量有所回升,但茶多酚含量依然呈总体减少的趋势。
茶叶中最主要的黄烷醇类化合物是儿茶素,其占茶多酚含量的75%～80%,与茶叶的苦涩味有关[29,31]。HUANG等[32]研究发现,随着祁门红茶贮藏年份的增加,主要儿茶素[表儿茶素 (epicatechin,EC)、表没食子儿茶素 (epigallocatechin, EGC)、表儿茶素没食子酸酯(epicatechin gallate,ECG)、表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)、没食子儿茶素没食子酸酯(gallocatechin gallate,GCG)]含量会逐渐减少,没食子酸(gallic acid,GA)由于没食子酸儿茶素EGCG和ECG的降解会得到积累,使得茶叶苦涩味降低(图3)。此外,ANANINGSIH等[34]研究表明,儿茶素的稳定性会受到高温、pH值、氧气、光照等因素的影响。特别是在较高温度下,EGCG会发生差向异构化、氧化反应和水合反应,其中水合反应会导致EGC(或GC)和GA含量增加[35-36]。黄酮醇和黄酮糖苷是茶叶中含量最高、也是最主要的黄酮类物质,约占干茶重量的3%～4%,茶多酚总量的13%[29],与茶汤涩味、颜色、光泽密切相关[36-38]。谢清怡[7]研究发现,随着红茶贮藏时间的增加,黄酮-C-糖苷和大多数山柰酚-O-糖苷的含量增加,大多数槲皮素糖苷和杨梅素糖苷的含量减少。其中,与滋味有关的槲皮素、山奈酚糖苷3-O-[β-d-葡萄糖吡喃糖苷-(1-3)-α-l-鼠李糖苷-(1-6)-β-d-葡萄糖吡喃糖苷]等物质的减少会导致茶汤的涩味下降和陈年风味的加重[38]。酚酸是一类分子中具有羧基和羟基的芳香族化合物,约占干茶重量的5%,贡献茶汤鲜味和涩味[29,39]。谢清怡[7]研究发现,GA、绿原酸、3-香豆酰奎宁酸及菊苣酸在贮藏19个月后呈下降趋势,导致茶汤滋味淡薄。
图3 EGCG和ECG在红茶贮藏过程中的降解途径[33]
Fig.3 Degradation pathways of EGCG and ECG during black tea storage[33]
2.2.2 色素
色素包括水溶性色素和脂溶性色素,水溶性色素是茶多酚氧化的主要产物,包括茶黄素(theaflavins,TFs)、茶红素(thearubigins,TRs)和茶褐素(theabrownins,TBs),脂溶性色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素[29,40-41]。红茶贮藏期间,在有氧和满足PPO、POD活性的温度条件下,残留的儿茶素被氧化形成醌,随后氧化缩合形成TFs、TRs和TBs(图4)[22,42]。此外,儿茶素及其氧化中间产物还会与蛋白质、氨基酸等物质络合形成暗色高聚化合物,导致茶汤颜色灰暗,滋味淡薄,品质发生劣变[22,42]。陈丹等[43]研究表明,随着红茶贮藏时间的增加,由于TFs进一步的氧化聚合,其含量逐渐降低,而TRs和TBs的含量逐渐增加。茶汤的颜色逐渐从亮红色变暗,滋味从甜醇变为醇和。叶绿素主要由叶绿素a和叶绿素b构成,其对叶片的形态、汤色及叶底色有一定的影响[19]。叶绿素在水、光照和高温条件下易发生氧化降解。茶叶在长时间贮藏期间,叶绿素可能会受外界环境影响,导致置换和脱镁分解反应的发生,生成暗褐色的脱镁叶绿素以及叶绿素酸酯,从而影响茶叶的品质[42]。当叶绿素的转化率超过70%,会导致干茶枯黄,汤色变暗[44]。类胡萝卜素是一类具有黄色到橙黄色的多种有色化合物[29]。在长期室温贮藏过程中,由于类胡萝卜素的长期自氧化作用,能够形成丰富的C13、C11、C10和C9类异戊二烯等挥发物,对红茶香气的形成具有重要作用[8]。
图4 红茶贮藏过程中TFs、TRs和TBs形成途径[29]
Fig.4 Formation pathways of TFs, TRs, and TBs during black tea storage[29]
2.2.3 氨基酸类
氨基酸与茶叶滋味和香气的形成和变化密切相关[45]。在茶叶贮藏过程中,氨基酸的含量呈现波动性变化[46-47]。红茶贮藏初期,一些可溶性蛋白质可通过水解使得游离氨基酸含量增加;到了贮藏后期,主要氨基酸的氧化聚合速度超过了水溶性蛋白质的水解速度,并且氨基酸还会被茶多酚的中间产物醌类物质氧化(图5),导致氨基酸组成和比例失调,茶汤失鲜,影响茶叶品质[46-47]。刘亚文等[46]研究表明,长时间的贮藏会导致红茶中茶氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等含量下降;此外,随着贮藏时间的延长,大量的游离氨基酸也会由于氧化降解而逐渐减少[45]。HUANG等[32]研究结果显示,茶氨酸的含量与红茶贮藏年限(1～20年)显著负相关,尤其是当贮藏时间超过10年,茶氨酸的含量会急剧下降。
图5 氨基酸与邻醌形成醛类气味物质途径[33]
Fig.5 Formation of aldehyde odorant pathway from amino acids and o-quinone[33]
2.2.4 有机酸类
茶叶中含有近30种有机酸,主要包括奎宁酸、苹果酸和草酸等。其中,奎宁酸、柠檬酸、CA等酸味滋味阈值较低,因此有机酸的增加会降低茶汤的甜度和醇度,使酸味更加突出[24,48]。此外,有机酸在生化反应中扮演着重要角色。如,乙烯酸、亚油酸等作为糖类分解的中间产物,可参与茶叶香气的形成和转化[24,49-50]。ZHUANG等[51]研究表明,随着红茶贮藏时间的延长,有机酸特别是CA、羟基肉桂酰奎宁酸和奎宁酸的增加不仅使红茶的茶汤酸味凸显,还导致茶汤产生涩味。谢子譞[24]研究表明,在红茶贮藏1～3年的过程中,奎宁酸的含量显著增加(P<0.05),低温(0 ℃以下)和低湿(20%湿度)的贮藏条件有利于减少酸味的产生。
2.2.5 生物碱类
茶叶中主要含有嘌呤类生物碱,如咖啡碱、茶叶碱和可可碱,其中咖啡碱含量最高且极易溶于水,是茶汤苦味和爽口感的主要来源[52]。陈丹等[43]对0、1、3和4年的晒青红茶生物碱进行了测定,结果表明,随着晒青红茶贮藏年份的推移,咖啡碱含量呈上升趋势,推测其含量上升的原因与可可碱发生的甲基化反应,以及核糖核苷酸降解生成嘌呤核苷酸,提供嘌呤环有关。HUANG等[32]比较祁门红茶不同贮藏年限(1、2、3、4、5、10、17和20年)非挥发性物质变化情况,发现咖啡碱和可可碱的含量变化较为稳定。徐玉婕等[10]研究结果表明,祁门红茶在低温(-40 ℃)和室温条件下分别贮藏1年后,咖啡碱含量均略有增加,其中室温变化更大。杨娟等[12]研究了红茶在自然条件下贮藏1年咖啡碱含量的变化,结果表明,贮藏1年内咖啡碱含量呈波动性变化,但含量总体呈下降的趋势,而含量减少的原因可能与咖啡碱与茶黄素形成复合物有关。
3 红茶贮藏品质的判别技术
随着国内外红茶消费需求的增加,市场上出现了以旧充新的茶叶掺假现象,实现不同贮藏年份红茶品质的判别和不同质量等级的茶叶鉴定,对保护消费者利益,稳定茶叶市场具有重要意义[53-54]。传统的专家感官评审被认为是描述红茶质量和等级的重要标准,但感官评审易受主观因素影响,缺乏可重复性和公平性[54]。此外,大量研究利用化学方法来鉴别茶叶新鲜度和时间,如HPLC、GC-MS、比色法等[45,55]。这些化学分析方法不仅费力耗时,还无法保证茶样的无损及分析效率,因此,目前需要更多的客观快速的技术来评价红茶的品质。
3.1 近红外高光谱成像
近红外高光谱成像(near infrared spectrum instrument, NIRS)广泛用于各个领域,对样品进行扫描,以获取样品中有机分子的含氢基团特征信息,具有无损、快速、准确的特点,还能够有效识别农产品和食品原料的贮藏时间[1,56]。REN等[54]利用NIRS结合多个决策树方法对红茶质量进行划分,研究表明,基于数据融合的精细树模型的正确分类率达93.13%,即NIRS结合智能算法能够作为一种快速有效的方法用于准确识别红茶的等级质量。此外,HONG等[1]利用NIRS结合深度学习方法能够快速检测红茶的贮存年限,研究表明,模型校准、验证和预测集的分类准确率分别为92.715%、82.271%和80.707%。
3.2 电子舌和电子鼻
茶叶的味道和香气是其品质评价和市场定价的关键指标。电子舌(electronic tongue,ET)和电子鼻(electronic nose,EN)在茶叶分级中起重要作用[57]。ET是一种用于分析液体食品和饮料的传感器技术,比人类更敏感、自动化和公正;EN技术通过气体传感器阵列识别茶叶中的挥发性化合物,与GC-MS相比,EN技术更快捷、简单,并且不需要复杂的样品制备[58]。HIDAYAT等[59]利用EN结合化学计量学工具对红茶样本的质量进行实时分类的结果表明,ET结合支持向量机线性模型和最大值预处理方法最准确,可实现对样本质量水平的100%正确预测分类。REN等[60]利用ET系统结合蚁群优化算法和化学计量对刚果红茶质量进行评估,研究结果表明,基于5种味觉特征创建的最小二乘支持向量机判别模型对红茶质量的正确判别率为99.14%,即ET传感器阵列对刚果红茶质量的评估有较好的应用前景。
3.3 计算机视觉图像技术
计算机视觉图像技术已被证明是一种强大的智能分析工具,广泛应用于农业、食品、建筑和医疗等行业[61]。其原理是通过图像传感器获取目标图像信号,使用图像处理系统将其转换为数字信号,提取目标特征,最终进行识别和检测[56]。BAKHSHIPOUR等[62]使用计算机视觉系统采集和处理了来自4种不同类别红茶的240个样品的图像,结果表明,基于相关性的特征选择的人工神经网络分类器表现最佳,分类准确率达到96.25%。
此外,除上述技术用于判断红茶品质,目前还有许多的技术也被用于红茶贮藏质量判别的应用。主要包括:中红外、拉曼、太赫兹光谱和高光谱成像技术,以及微型近红外光谱和ET联用,近红外光谱、计算机视觉图像技术和比色传感器联用,智能手机成像和近红外光谱联用等技术[63-64]。
4 展望
贮藏与红茶品质紧密相关,关于红茶贮藏过程中品质变化及其机理研究逐渐增加并取得了一定的进展。为进一步丰富红茶贮藏品质化学研究及提升红茶贮藏品质,本文综述了红茶贮藏过程中品质变化机理及相关研究进展。然而仍存在着诸多的问题值得探讨,未来的研究可以从以下三方面开展:a)目前针对红茶贮藏的研究多集中于散茶,而针对于米砖、小京砖等紧压红茶的研究结果鲜见报道。探索紧压红茶贮藏过程中品质成分的代谢转化机理具有重要意义。b)现有研究多集中于红茶贮藏过程中常规成分或感官品质变化,针对红茶贮藏过程中脂肪酸、氨基酸等代谢转变途径和影响因素的系统研究较少。贮藏对红茶风味品质的影响及内含物代谢转化机理需要进一步的全面分析。c)当前关于红茶贮藏保质期的评判较为宽泛,研究表征红茶劣变的关键因子,利用快速无损的检测方法实现茶叶质量的鉴定是未来的重要研究方向。
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