多组学视角下刚果红茶发酵过程中的香气形成机制

《Food Chemistry》：Multi-omics insights into aroma formation in congou black tea during fermentation

　　

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  通过转氨酶途径，苯丙氨酸的降解是形成茶香的主要因素。
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  在生成醛类物质方面，脂肪酸的自氧化作用比酶促反应更为重要。
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  在发酵初期，糖苷的水解会促使萜类物质的释放。
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  即便细胞结构受到破坏，核糖体蛋白仍能维持酶的合成。
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  蛋白磷酸酶通过修饰作用来调节酶的活性。

引言

作为全球最受欢迎的饮品之一，红茶是由茶叶经过萎凋、揉捻（或切碎）、发酵和干燥等工序加工而成（Zhou et al., 2020）。根据加工工艺的不同，红茶主要分为三大类：苏宗红茶、丛桂红茶和碎茶（ISO 20715:2023）。其中，丛桂红茶在中国最为常见，其特点是具有花香、果香和蜜香，口感醇厚浓郁（Yao et al., 2023; Zhou et al., 2023）。

在丛桂红茶的四个加工阶段中，萎凋阶段可使叶片的含水量从约75%降至60–55%，从而增加叶片的柔韧性，同时逐步激活多酚氧化酶和过氧化物酶，为后续的酶促氧化做准备（Zhou et al., 2020）。揉捻过程持续1–1.5小时，通过施加压力和旋转力破坏细胞壁，使汁液和精油释放出来，这也标志着发酵正式开始。发酵是决定茶叶品质的核心阶段，在此期间茶叶会呈现出铜色，并形成独特的香气。这一阶段通常持续3–6小时，时间远长于CTC红茶的发酵时间，且需要在控制良好的条件下进行（相对湿度85–95%，温度25–32℃）（Zhang et al., 2023）。在此阶段，多酚会转化为茶黄素和茶红素；茶黄素能带来清新的黄色或橙色色调，而茶红素则使茶叶口感更浓郁，颜色更深（Wu et al., 2021）。干燥过程分为两个阶段：先是高温干燥阶段（110–120℃），然后再进行低温干燥阶段（80℃），这样就能终止酶的活性，锁定茶叶的风味，最终将茶叶的含水量降至3–5%。在这四个阶段中，包括揉捻在内的发酵环节是决定丛桂红茶独特花香、果香和蜜香的关键步骤，也是本研究重点关注的方面。红茶发酵的启动源于揉捻过程所引发的各类化学反应。叶片细胞在受到这种轻微的机械应力后，可能会触发应激反应，包括基因表达和蛋白质合成的变化，而这些变化又会影响长时间发酵过程中风味代谢物的形成（Xin et al., 2019）。此外，发酵过程中酶活性的动态变化是影响风味化合物浓度变化的主要因素（Liu et al., 2023），对于理解红茶香气的形成机制具有重要意义。因此，通过综合分析揉捻和发酵过程中的基因表达、蛋白质水平以及风味代谢物浓度的变化，我们可以从新的视角揭示丛桂红茶香气特征的形成机制。

香气的一致性被公认为是丛桂红茶重要的经济价值指标，而发酵则是决定其香气品质的关键环节。香气是人类对挥发性化合物的综合感知结果。在丛桂红茶中，这些挥发性化合物主要由醛类、醇类、酯类、烷烃和酮类组成（Kang et al., 2019）。其中，醛类和醇类被认为是形成红茶香气的重要成分（Feng et al., 2019）。不过，并非所有的挥发性成分都能对茶叶香气产生显著影响。分析技术的进步使得感官分析技术得以广泛应用，用于识别具有香气活性的关键化合物（Flaig et al., 2020）。借助这项分析技术，人们已经鉴定出多种挥发性化合物，如苯乙醇、苯乙醛、香叶醇、（E,E）-2,4-庚二烯醛、芳樟醇、苯甲醇、水杨酸甲酯以及β-紫罗兰酮，这些都被认定为红茶中的关键香气活性化合物（Zhou et al., 2023; Kang et al., 2019; Huang et al., 2022b）。这些关键香气化合物主要是在发酵过程中产生的，它们可以被视为氨基酸、脂肪酸、异戊二烯类物质以及糖苷结合挥发性化合物的降解产物（Chen et al., 2022; Yang et al., 2013）。然而，以往的研究仅关注了这些关键物质在发酵过程中的动态变化（Chen et al., 2022），对其背后的形成机制探讨不够深入。目前仍有若干关键问题尚未得到解答：（1）关键香气化合物的形成主要是通过新生物合成还是非酶促氧化降解实现的；（2）基因和蛋白质的表达与香气前体物质及其衍生的挥发性化合物的动态变化之间存在怎样的关联；（3）哪些调控因子决定了整体香气的积累过程。要解决这些问题，就需要采用整合多组学的方法。此前已有研究将转录组学与代谢组学相结合，用于探究红茶加工过程中风味品质的形成机制（Li et al., 2025a）。在发酵之前的萎凋和揉捻阶段，茶叶细胞依然保持完整且具有活性，因此可以通过转录组学分析获得可靠的信息。然而，在发酵阶段进行转录组学研究则面临着RNA快速降解这一根本性生物学障碍。有研究显示，在萎凋和切碎之后，茶叶中的总RNA含量会在6小时内降至原来的十分之一（Zeng et al., 2019b）。鉴于红茶发酵本质上是一个涉及蛋白酶的酶促过程，我们认为将蛋白质组学与酶活性检测相结合，才是揭示这一阶段香气形成机制的最有效方法。通过直接监测发酵过程中关键酶的丰度，蛋白质组学能够有效弥补转录抑制与活跃代谢途径之间的差距。不过，这一策略目前尚未被应用于红茶发酵过程的研究中。

综上所述，鉴于现有的知识空白，我们提出这样一个假设：丛桂红茶发酵过程中的香气形成是生物合成与非酶促氧化共同作用的结果，而在发酵的中后期，非酶促途径起主导作用。本研究的主要目的是阐明红茶发酵过程中香气形成的化学转化机制，并验证这一假设。为此，我们全面系统地研究了丛桂红茶发酵过程中香气品质的形成机制，涵盖了关键风味化合物的动态变化、基因表达、蛋白质含量以及酶活性等方面的内容。同时，我们还明确了在不同发酵阶段，生物合成与非酶促降解对香气生成的各自贡献程度。这些研究结果可以为优化和改进发酵工艺提供理论依据，也有助于培育适合红茶生产的茶树品种。

章节要点

化学品

分析级Na?SO?和NaCl购自上海沪西化工有限公司（中国上海）。二氯甲烷（GC，≥99.9%）来自Sigma-Aldrich公司。环己酮（GC，≥99.7%）则购自上海麦克林生化有限公司。手动式SPME纤维采样装置以及聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯（PDMS/DVB，65微米，1厘米）微萃取纤维则购自Supelco公司（美国宾夕法尼亚州贝勒方特）。7-茶碱乙醇（HPLC，99.36%）则购自TargetMol公司（波士顿，

挥发性香气成分

对采集到的样品中的挥发性化合物进行了分析，采用了HS-SPME与GC–MS（TG-WAX，DB-5MS）联用技术，共鉴定出了188种化合物（见表S4）。无监督主成分分析（图1A）显示，目标香气成分与其他样品有明显区别；R²X值为0.869，说明拟合效果良好。前两个主成分解释了总方差的68.4%（分别为55.8%和12.6%）。样品从第二象限开始逆时针分布，且随着发酵时间的推进逐渐分离。如果不考虑目标香气成分（图1B），则发酵的初始阶段

结论

这项多组学研究系统地分析了丛桂红茶发酵过程中关键香气化合物的形成情况。经过8小时的发酵后，茶叶中的总挥发性物质含量增加了5.1倍，其中醛类、醇类和酸类的含量分别增加了7.2倍、7.5倍和7.1倍；共鉴定出了29种差异性代谢物，其中包括苯乙醛、（E,E）-2,4-庚二烯醛以及芳樟醇。过氧化物酶的活性增加了约10倍，蛋白酶的活性增加了约5倍，而多酚氧化酶和脂氧酶的活性则没有变化

CRediT作者贡献说明

周静涛：论文撰写——初稿撰写、软件使用、实验材料准备、研究方法设计、实验实施、数据分析、数据整理、概念构建。 秦沐雪：软件使用、实验材料准备、研究实施、数据分析、数据整理。 李佳思：研究指导、实验实施。 朱俊宇：软件使用、实验实施。 陈亚忠：研究指导。 张德：论文撰写——审阅与编辑。 Bernard Ntezimana：论文撰写——审阅与编辑。 余志：研究指导、方法设计。 陈玉琼：方法设计。 倪德江：论文撰写——审阅与

资金支持

本研究得到了以下机构的资助：中国国家自然科学基金（项目编号32272769）、云南省倪德江专家工作站（项目编号202405AF140099）、中国博士后科学基金会-湖北联合支持计划（项目编号2025T092HB），以及云南省创新引导与科技型企业培育计划项目（项目编号202304BQ040118）。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢华中农业大学国家农作物种质创新利用重点实验室的实验设施，这些设施为LC-MS和GC–MS分析提供了帮助、支持与技术指导。同时，也感谢该实验室代谢组学研究团队中的钟琳琳和刘婷两位同志所提供的帮助。

Jingtao Zhou|Muxue Qin|Jiasi Li|Junyu Zhu|Yazhong Chen|De Zhang|Bernard Ntezimana|Zhi Yu|Yuqiong Chen|Dejiang Ni