威客电竞项目文章 IF=63！ 农科院茶叶所12个绿茶样本加工过程代谢物变化研究
威客电竞2021年5月，中国农业科学院茶叶研究所在Food Chemistry发表了名为“Widely targeted metabolomic analysis reveals dynamic changes in nonvolatile and volatile metabolites during green tea processing”的研究论文。本研究是基于广泛靶向代谢组学和挥发性代谢组学技术，分析了每类非挥发性和挥发性代谢物的动态演变规律，阐明加工程序对这些代谢物的影响，并探讨非挥发性和挥发性代谢物之间的关系。本研究结果为指导绿茶加工提供了理论依据。迈维代谢提供了广泛靶向代谢组学和挥发性代谢组学检测与分析服务。
绿茶具有抗氧化、抗癌、抗菌、抗炎、抗辐射等多种保健功效。由于绿茶的这些特性及其独特的感官品质，如绿叶、清汤、浓郁的香气和清新爽口的味道，绿茶越来越受到消费者的青睐。绿茶的功能活性和风味品质(即味道、酒、叶的形状和颜色以及香气)主要由非挥发性代谢物决定，而脂溶性叶绿素和类胡萝卜素的颜色特性决定了干绿茶的形状和颜色。
绿茶的风味品质在很大程度上取决于鲜叶材料和所采用的加工技术，尤其是加工技术。在这种情况下，绿茶的“非发酵”加工包括摊放、固定、成形(揉捻)和干燥，并且除了成形过程的机械力之外，还依赖于固定和干燥过程的热量来促进和转化挥发性和非挥发性物质，以产生独特的风味品质。因此，本研究有望为优质绿茶的形成机理提供理论参考和客观依据。
在本研究中，通过广泛靶向代谢组学分析从新鲜叶、固定叶、卷叶和干燥叶中提取的样品。共检测到527种非挥发性代谢物，包括109种黄酮类、89种酚酸类、81种脂类、64种氨基酸及其衍生物、48种核苷酸及其衍生物、37种有机酸、25种生物碱、24种单宁、12种糖和醇，9种木脂素和香豆素，以及29种其他代谢物。QC-TIC图(图2-a)和样品多峰检测图(图2-b)分析表明，本研究记录的数据具有良好的重复性和可靠性。
基于527种非挥发性代谢物，PCA分析表明质控样本QC和新鲜茶叶与其他三组显著区分开来。鲜叶组位于QC值以下，其他三组样品位于QC值以上，说明鲜叶与其他三组样品的非挥发性代谢物存在显著差异(图2-c)。
图2 (2-a)质控样品的TIC图。(2-b)MRM模式下代谢物的多峰图。 (2-c)非挥发性代谢物的PCA图。(2-d)基于PLS-DA分析茶叶非挥发性代谢物的动态轨迹。
为了进一步了解非挥发性代谢物在加工过程中的演变轨迹，以527个非挥发性代谢物为自变量，以4个处理组为因变量进行PLS-DA分析。如图2-d所示，新鲜的叶子在图的左侧，固定的和卷起的叶子在左上方，干燥的叶子在左下方，从而表明各种叶子组之间，特别是新鲜的和固定的叶子之间有明显的分离。相比之下，固定的叶子和卷起的叶子之间的差异很小。这些结果表明，在非挥发性代谢物的加工过程中，固定是最关键的过程，其次是干燥，而滚动产生的影响最小。
本研究对527种物质进行了分类，并观察了不同类型的非挥发性代谢物在加工过程中的变化。如图3所示，非挥发性代谢物的总量呈现以下趋势:RTS FTS DTS FTL，11种代谢物(单宁除外)在加工过程中表现出显著变化(p 0.05)。其中，氨基酸及其衍生物、有机酸、木脂素和香豆素的数量在滚动过程中达到峰值之前先增加，然后减少。黄酮类、生物碱类、核苷酸类、衍生物类、脂类等呈上升趋势，糖类和酚酸类呈下降趋势。总的来说，氨基酸及其衍生物、糖和醇、类黄酮、有机酸和脂质在固定和干燥后经历了最显著的变化，这与PCA分析结果一致。
此前发现，在固定和干燥过程中使用高温会促进非挥发性代谢物的水解、取代、异构化、氧化还原和其他热物理和化学反应。如上所述威客电竞，氨基酸和可溶性糖不仅是产生清爽甜味的重要成分，也是增强香气的关键前体物质。在本研究中，发现在高温固定和干燥条件下糖被大量利用。由于固定极大地促进了蛋白质的热水解，氨基酸形成的速率高于其消耗和积累的速率。黄酮类化合物是茶水颜色的一些关键代谢产物，而低阈值黄酮苷增加了苦味和涩味。先前的研究表明，在热处理下，黄酮苷被降解成黄酮苷元和糖体，从而降低它们的苦味和涩味，这种转化关系也在本研究中得到进一步的验证。
为了阐明每个过程对绿茶加工各阶段中存在的非挥发性代谢物的影响，探讨了这些过程之间的主要差异。作者根据筛选差异代谢物的标准：VIP 1和FC≥ 2或≤0.5，进行了FTL对FTS、FTS对RTS和RTS对DTS的OPLS-DA分析，用于筛选不同的代谢物。总共筛选了153种不同的物质，其中在FTL和FTS之间有148种差异物质 (图4-a，其中126个上调物质，22个下调物质)，在FTS和RTS之间有4种差异物质 (图4-b，其中1个上调物质，3个下调物质)，在RTS和DTS之间有11种差异物质 (图4-c，其中8个上调物质，3个下调物质)。
如图4-d，不同的比较组之间既有共同的代谢物，也有特有的代谢物。更具体地说，FTL vs FTS和FTS vs RTS拥有三种共同的物质(即茶碱、胸腺嘧啶、1-甲基黄嘌呤)，它们同时受到固定热和滚动压力的影响。在FTL vs FTS和RTS vs DTS之间还发现了七种常见的物质(即，L-焦谷氨酸、3-氨基水杨酸、L-谷氨酰胺O-己糖苷、L-谷氨酸O-己糖苷、MAG(18:4)异构体3、MAG(18:4)异构体1和芥子酰酒石酸)，并且发现这些物质在加热下会发生快速转化。FTL和FTS特有的138种非挥发性代谢物仅受固定温度的影响；而丙氨酸仅受滚动影响；(S)-腺苷甲硫氨酸、(R)-泛硫氨酸、柠康酸和1-α-亚麻酸二葡萄糖苷仅受干燥温度的影响。因此，各种前体在固定过程中并不存在于相似的反应体系(茶叶组织或细胞)，而是在揉捻后进入相同的反应环境，以至于干燥温度和揉捻压力促进了叶片组织的断裂。这一结果进一步证实，由于高温处理促进了代谢物的水解、异构化、氧化和其他快速热化学反应，因此固定对于转化绿茶加工过程中存在的非挥发性代谢物尤为关键威客电竞。
如图5-a所示，153种不同的代谢物主要包括37种脂类、26种氨基酸及其衍生物、14种黄酮类、25种酚酸类和21种核苷酸及其衍生物、8种鞣质、8种生物碱、6种有机酸和1种木脂素香豆素，其中138种代谢物是FTL和FTS特有的，占不同物质总量的90%(图5-b)。为了以更直观的方式观察不同代谢物之间发生的变化，获得了153种不同代谢物的热图(图5-c)。
本研究结果挥发性代谢物总量呈下降趋势，FTL和FTS之间的下降趋势最高(图6)，这与作者在之前的研究中观察到的趋势一致。酯占鲜叶总香气量的44%，固定后比例下降20%，而高沸点醛、烯和芳烃的含量显著增加威客电竞，例如3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、壬醛、3-蒈烯和2-甲基萘。此外，醇和醛的比例分别增加了10%和11%，这归因于氨基酸的Strecker反应和磷脂诱导的脂质降解。鲜叶含有多种酯类，其中一些是青草味物质，如(Z)-3-己烯基己酸酯、(Z)-3-己烯-1-醇乙酸酯和水杨酸甲酯。干燥过程中，酯含量普遍增加，各种高形成沸点物质。这一结果表明高温和长期处理促进了酯化反应。因此，固定操作导致低沸点、青草味的挥发性代谢物大量消散，这也促使酯、酮、醛和具有板栗香、花香和果味的代谢物的形成。也就是说，固定过程可以调节氨基酸和脂质含量，从而控制绿茶成品的风味和强度。因此，可以调节影响绿茶中非挥发性化合物形成/转化的方向和程度的固定方法、温度、时间和其他关键参数，以获得具有不同风味特征的绿茶产品。
本项研究利用广泛靶向代谢组学结合挥发性代谢组学的方法分析了茶叶在加工过程中各类非挥发性和挥发性代谢物的动态演变规律，阐明加工程序对这些代谢物的影响，并探讨非挥发性和挥发性代谢物之间的关系。本研究结果为指导绿茶加工提供了理论依据。