综述：基于积累代谢物的修剪茶叶增值化：当前技术与可持续生产前景

《Industrial Crops and Products》：Valorization of pruned tea leaves based on the accumulated metabolites: Current techniques and prospects towards sustainable production

　　

概述了季节性气候与修剪茶叶生物质（PTB）光合作用之间的关系。茶废弃物生物质（TWB）中积累的代谢物适用于两阶段酶提取。综述了积累代谢物的生物转化和热化学转化。TWB的增值技术对于可持续生物质生产至关重要。

1. 引言
茶植物（Camellia sinensis）作为多年生经济作物，其鲜叶经加工制成商品茶，但在修剪过程中产生大量修剪茶叶生物质（PTB）。这些生物质富含茶多酚（TPP）、L-茶氨酸、茶皂素等次级代谢物，具有多种健康促进活性。然而，由于夏季和秋季茶叶品质较低，大量PTB被废弃，加上消费端产生的茶废弃物生物质（TWB），每年全球产生超过500万吨修剪茶叶和580万吨消费茶渣。TWB中初级代谢物（如纤维素、半纤维素、木质素）和次级代谢物（如TPP）具备潜在价值，但以往研究多聚焦于热化学和生物转化制备吸附剂、堆肥或饲料，对次级代谢物的生物转化关注不足。本研究旨在总结PTB中光合作用驱动的代谢物积累特征，并基于两阶段酶提取、生物转化和热化学转化技术，实现TWB的高值化利用。

2. 当前生物质增值技术概述
2.1 生物质分类
生物质主要分为木质生物质（如森林残留物）和非木质生物质（如农业残留物）。木质生物质具有低水分、高碳含量和热值，适用于热解制备生物炭；非木质生物质则水分和灰分较高，但通过堆肥和青贮可转化为肥料和饲料。TWB属于非木质生物质，其纤维素和木质素含量低于木质生物质，但次级代谢物含量显著高于草本植物。

2.2 当前生物质转化方法
生物质转化主要通过堆肥、热解和生物燃料生产实现。堆肥将有机质转化为腐殖质，热解在无氧条件下生成生物炭，生物转化则通过发酵制备乙醇等液体燃料。木质生物质因高纤维素和木质素含量，热解产物碳含量更高。

2.3 TWB需要有效的生态转化
TWB主要包括PTB和消费茶渣（CTB），中国每年产生超过2000万吨湿TWB。其独特的结构（茎部富含木质纤维素，叶片富含功能性成分）要求结合生态转化方法进行增值，例如通过先提取可溶性次级代谢物，再对残留物进行热化学或生物转化，以实现可持续发展。

3. 茶生物质生产概述
3.1 茶与生物质生产的联系
通过文献计量分析，中国在茶生物质研究中发表论文占比47%，主要关注碳氮代谢和胁迫响应。关键词聚类显示，茶生物质研究集中于碳同化、氮代谢、胁迫响应以及生物炭、热解等转化技术，但茶多酚（TPP）和氨基酸的后续利用不足。

3.2 TWB的生理模式
茶植物为C3短日照作物，最适温度20–25℃。夏季强光照和高温促进次级代谢物积累，如黄酮类化合物，以增强抗逆性。
3.2.1 茶植物的光合特性
茶植物光合速率受光照、温度、水分和氮素影响。适宜光照强度为1.67–2.03 J·cm^?2·min^?1，红光下光合速率高于蓝光；温度超过30℃抑制新梢生长；水分胁迫降低光合速率；施氮（26 kg·667 m^?2）可提高叶绿素含量和光合参数。
3.2.2 茶植物的碳捕获
茶植物作为C3植物，当前大气CO₂浓度（约400 ppm）低于饱和点，CO₂升高可促进光合作用。茶植物每年固碳1243.8–2526.7 kg·ha^?1，其中50.8%储存在生物质中，为初级代谢物合成提供底物和能量。

3.3 PTB中积累的初级代谢物
3.3.1 非结构性碳水化合物和氨基酸
非结构性碳水化合物（NSC，包括单糖、二糖和糖醇）在茶植物中含量为12%–14%（w/w）。夏季高温和强光胁迫下，可溶性糖（葡萄糖、蔗糖、果糖）和脯氨酸等积累，以增强抗性。氨基酸含量在夏季低于春季，但总游离氨基酸占1%–5%，蛋白质占干重21%–28%，其中γ-氨基丁酸、谷氨酸和脯氨酸参与胁迫响应。
3.3.2 结构性碳水化合物和木质素
PTB细胞壁含有纤维素（>9.3%）、半纤维素（>42.5%）和木质素（>31.9%），这些结构性碳水化合物为CTB的增值（如生物炭制备）提供碳源。

3.4 PTB中积累的丰富次级代谢物
3.4.1 黄酮类化合物
夏季高温、强光和干旱胁迫上调黄酮类化合物合成基因，增加总黄酮醇含量。茶多酚（TPP）包括儿茶素、花青素和原花青素，在胁迫下含量显著升高，如干旱96小时后总黄酮增加53%。
3.4.2 茶皂素
茶皂素属三萜类糖苷，在高温、干旱和强光胁迫下积累，参与植物防御。其生物合成酶学已有进展，但季节变化规律需进一步研究。
3.4.3 木质素
木质素在茶植物中提供机械支撑并参与胁迫响应。强光、UV-B辐射和干旱刺激木质素积累，保护细胞免受活性氧（ROS）损伤。

4. 通过生物提取实现TWB的增值
4.1 来自TWB的两阶段酶提取
4.1.1 从PTB中酶提取可溶性TPP、TPS和皂素
采用果胶酶和纤维素酶复合酶在48℃下提取TPP，最大得率达82.26 mg/g；酶辅助提取茶多糖（TPS）和皂素可提高得率，但纯度和成本仍需优化，未来可结合深共晶溶剂和双水相技术。
4.1.2 从CTB中生物提取不溶性纤维和蛋白质
CTB中的不溶性纤维可通过纤维素酶等水解制备功能性膳食纤维，发酵菌株（如乳酸菌和曲霉）可改变其微观结构。茶蛋白经碱提取得率20.73%，但存在食品安全问题；生物水解（如共发酵乳酸菌）可回收肽段，并用于开发降脂肽。

4.2 来自TWB的TPP用于食品包装
4.2.1 聚合物交联剂
TPP在碱性条件下氧化生成醌中间体，与蛋白质侧链形成共价键，增强复合膜的拉伸强度和阻隔性能。
4.2.2 抗菌剂
TPP的抗氧化和抗菌活性可延长食品货架期，作为塑料化剂用于可食用包装。

4.3 TWB中的功能性成分作为饲料添加剂
TPP可提高山羊日增重和猪肉蛋白质含量，原花青素（PA）作为天然抗生素替代物；茶皂素改善反刍动物产品脂肪酸组成；L-茶氨酸增强免疫和抗氧化功能。

4.4 来自TWB的提取物用于制备金属纳米颗粒（NPs）
4.4.1 抗病和抗菌
TPP作为还原剂和稳定剂合成铜纳米颗粒（NPs），对胃癌和卵巢癌细胞具有细胞毒性，且与Cu²⁺协同增强抗菌活性。
4.4.2 作为污染物清洁剂
TWB提取物中的羟基等基团可作为污染物吸附位点，合成MgO NPs对亚甲基蓝光催化降解效率达97%。

5. 通过生物转化实现TWB的增值
5.1 基于TWB的固态发酵（SSF）用于酶生产
TWB作为单宁底物，通过固态发酵（SSF）生产单宁酶，优化条件下得率246.82 U/g；残留纤维素可用于生产纤维素酶，促进木质纤维素水解。
5.2 青贮PTB作为饲料
青贮60天后，PTB中咖啡因、TPP和L-茶氨酸得以保留，并富集乳酸和乙酸，形成高水溶性碳水化合物饲料。
5.3 堆肥PTB用于土壤
5.3.1 作为土壤改良剂
PTB堆肥后可改善土壤理化性质，减少重金属吸收，如PTB混合有机肥可降低砷、镉、铬浓度。
5.3.2 作为化感物质调节根际微生物组
TPP作为化感物质，在长期连作茶園中导致有益菌（如芽孢杆菌）减少，而降解儿茶素的假单胞菌增加。建议预处理PTB（如热水浸泡）以降低TPP含量。

6. 通过热化学转化实现TWB的增值
6.1 热解TWB制备生物炭
6.1.1 作为土壤栽培养分
TWB生物炭（500 kg·ha^?1）提高茶植物氮、磷、钾含量，增加糖、淀粉和氨基酸，并提升光合速率和水分利用效率。
6.1.2 作为高效吸附材料
700℃热解制备的生物炭对Cd²⁺吸附容量达74.04 mg/g，在茶園中可降低砷、镉、铬浓度。
6.1.3 作为电极修饰材料
TWB生物炭含氧官能团（-COOH、-OH）可增强导电性，与镍氧化物复合可制备赝超级电容器，用于储能和催化。
6.2 来自TWB的生物燃料
TWB热解生成生物油（含烷烃、烯烃），气化（700–800℃）产合成气（H₂、CO、CH₄），转化效率>50%，可减少CO₂排放。
6.3 来自TWB基生物炭的碳量子点（CQDs）
TWB经水热法（200℃, 8 h）制备CQDs，具有良好光学性能和生物相容性，可用于荧光传感器、生物成像和临床医学。

7. 研究展望
传统茶业面临供需失衡和大量PTB、CTB产生的困境。未来需通过两阶段酶提取、微生物转化和热化学转化三条路径实现TWB增值，其中生物炭固碳和碳量子点制备具有高经济性，协同气化可有效管理废弃物并减少环境危害。

8. 结论
TWB因固定碳和积累代谢物具有高值化潜力。两阶段酶提取可回收可溶性TPP、TPS和不溶性纤维蛋白；生物转化将残留物转化为饲料和肥料；热化学转化生成生物炭、生物燃料和碳量子点，契合可持续生产目标。