光对茶树生产与茶叶品质影响及其应用研究进展

2016-03-30俞少娟王婷婷陈寿松林宏政金心怡福建农林大学园艺学院福建农林大学茶叶研究所福建福州350002

福建茶叶 2016年5期

俞少娟，王婷婷，陈寿松，林宏政，金心怡，2 *（.福建农林大学园艺学院；2.福建农林大学茶叶研究所，福建福州350002）

俞少娟1，王婷婷1，陈寿松1，林宏政1，金心怡1，2 *
（1.福建农林大学园艺学院；2.福建农林大学茶叶研究所，福建福州350002）

摘要：光是茶叶生产加工过程中“温、湿、风、光”等重要环境影响因子之一，对茶树生长发育及茶叶品质起到举足轻重的作用。本文综述了光调控对茶树代谢、茶叶加工品质影响的研究现状，LED光在茶树栽培育种及茶叶加工等领域中的应用，展望了LED光调控技术在未来茶叶生产加工中的应用。

关键词：光调控；茶；机制；品质；LED；进展

光是植物的生长发育和功能性化学物质积累的能量与信号来源，对植物的生长、分化和代谢以及茶树生长发育及茶叶品质起到举足轻重的作用。光质、光强、光照时间及光照特点作为环境信号调节着植物的生命活动，是植物完成生命周期的必备条件［1-2］。

随着高科技成果在茶产业中应用加速，茶树栽培和茶叶加工过程的光作用机理和光调控技术逐渐成为茶业界研究的热点问题，需要科学系统地认识光对茶树代谢及茶叶品质形成的影响和作用机制，以及茶叶生产加工过程“温、湿、风、光”四大环境因子之间的协同作用，以便更好地研究茶叶生产加工的光调控技术。本文综述了光对茶树代谢和茶叶加工品质的影响，光在茶树栽培育种及茶叶加工等领域中应用的研究现状，分析和展望了光调控技术在未来茶叶生产加工中的应用。

1 光调控与茶树生长的研究

1.1 光照对茶树代谢的影响机制

植物有着一系列的光感受器，不仅可以检测到光的存在，而且可以检测到光照特点、强度和光的波长。照明的光谱变化引起植物光合反应和形态的变化，进而影响生物量、茎长、植物的初级代谢和次生代谢［3-4］。早在20世纪90年代，王利溥［5-6］就进行茶树代谢的初步研究，认为光照强度高，红橙光多，有利于碳代谢和糖类物质的合成，糖类物质的积累为二级代谢产物——多酚类的形成提供了大量前体物质，因而多酚类含量高，与李丽田［7］研究结果一致；而氨基酸含量随采前日照减少而增多，因为茶树大量的氨基酸由根部合成，从根部运转到叶部时，光强过高将导致氨基酸分解，含量降低。

光波长也会影响色素代谢产物的水平，如叶绿素、类胡萝卜素、酚类化合物、花青素、抗坏血酸、氨基酸、有机酸、脂肪酸、糖含量和硝酸盐等非挥发性化合物，也能调控植物挥发性分子的产生，这已在矮牵牛花、番茄、草莓和蓝莓等上已得到认证［8-10］。据此Fu X等［11］用蓝光（470 nm）和红光（660 nm）照射茶树鲜叶14天，得出蓝光和红光均能显著增加大多数内源性挥发物，包括挥发性脂肪酸衍生物（如：正己醇、（Z）-醇），挥发性苯丙/苯环（如：苯甲醇和苯乙醇）和挥发性萜类（如：芳樟醇、香叶醇）。此外，蓝光和红光能显著上调9/13脂氧合酶（参与挥发性脂肪酸衍生物形成）、苯丙氨酸解氨酶（参与挥发性苯丙/苯环形成）和萜类合成酶（参与挥发性萜类形成）的表达水平，重塑茶叶香气，这对于创造多样性茶叶产品具有重要意义。

1.2 光调控与茶树组织培养

1969年，Forrest开始研究光质条件对于茶树组织培养的影响，之后相续有研究报道光质对茶树组织培养的重要性［12-14］，如暗处理的茶树愈伤组织经再次照光处理后木质素、花青素、儿茶素的含量均增加［15-16］。据此周琳等［17］采用有色薄膜（红、蓝、绿、黄）处理茶树愈伤组织，试验得出蓝光有利于愈伤组织的生长，红光则相反；蓝光及自然光处理下SOD、CAT活性最高，绿光及黄光不利于CAT的合成，提出在茶树组织培养中滤去红光或补充蓝光，可降低茶树组织培养中的褐化率。

1.3 光抑制与茶树遮荫补光

光照与动植物的形态建成与新陈代谢过程关系密切［18］，是形成叶绿素的必要条件，对茶叶品质也起到一定的作用。当光合结构吸收的光能超过光合作用本身所利用的能量时，导致光合效率下降，出现光抑制现象。长时间的光抑制可引起光合机构的光氧化破坏［19］。茶树具有耐荫、喜湿的习性，在自然条件下很容易发生光合作用光抑制现象，如“午休”现象，因此人们通常应用遮阴技术，降低茶园太阳直射光照度，调节光强，改善光质来缓解茶树光抑制的出现。光抑制还受到温度，水分胁迫的影响，遮荫降低了到达茶园地表的太阳总辐射量，引起茶园温、湿度条件的变化，起到冬暖夏凉的作用［20］。

张泽岑等［21］用红、黄、蓝、黑、透明塑料膜覆盖茶树，黄色薄膜下茶鲜叶花青素含量最高，无色透明薄膜次之，这是因为黄色薄膜覆盖下的茶树以氮代谢的次生产物参与生成花青素为主，红色透明薄膜主要以碳代谢为主产生花青素。因此应用不同颜色的塑料膜对茶树进行覆盖，起到了遮荫补光的效果，不仅能够有效缓解光抑制现象，还能通过调节光质与光强，促进茶树生长发育，提升茶叶品质。

2 光调控与茶叶加工的研究

2.1 光照对茶叶品质的影响机制

光照是茶叶香气形成的诱导因子，茶鲜叶经日光萎凋，香型由青草气转变为清香，提高了多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）、蛋白酶（PA）、淀粉酶（Am）、纤维素酶（CE）和果胶酶（PC）等内源酶活性，而以结合态糖苷存在的醇类香气物质和蛋白质、多糖与内源酶接触，水解生成游离态的挥发性香气物质，使氨基酸总量增多［22］，据邬龄盛［23］报道，太阳光中含有不同波段的介质，能够导入叶表组织，使得叶内细胞的酶系活动发生变化，这对于诱导茶香的前提物质起到积极作用；且采摘后的茶鲜叶仍然是植物活体，在较长的萎凋过程中具有呼吸作用［24］、光合作用［25］、蒸腾作用［26］等一系列生命活动；陈席卿、沈生荣等［27-28］研究认为鲜叶中维生素C、儿茶素总量含量随光照强度的减弱而下降；而茶氨酸、谷氨酸含量明显提高，使滋味甘鲜爽口；对香气成分影响不大，但在香精油的组成比例有较大的影响，如在强光下具有青草气物质的比例较高，在弱光下一些重要的芳香物质的比例明显提高。

项丽慧［29］实验表明：在黄光照射下，β-葡萄糖苷酶基因（CsBG1、CsBG2）、β-樱草糖苷酶基因（CsBP）的相对表达量明显提高，萎凋前期促进萎凋叶香气相关酶基因表达，在萎凋后期调控β-葡萄糖苷酶活性提高，最终使得工夫红茶甜花香显现，品质提升；董连源［30］对不同季节日光萎凋与加温萎凋所制成条红毛茶品质进行比较，认为在春茶气温30℃、相对湿度在70%时，日光萎凋制成毛茶品质好于加温萎凋；夏季气温高，日光强，日光萎凋毛茶品质反而下降；秋季光强度比较和缓，且日光照度比夏茶期间小，毛茶品质与加温萎凋接近；江丽萍［31］研究提出与自然萎凋相比，日光萎凋更有利于白茶的生理生化变化，具有显著的优越性。

2.2 茶叶加工光调控技术研究进展

日光萎凋对乌龙茶品质和香气起到至关重要的作用，然而春茶期间常受到梅雨季节影响，导致茶叶无法正常晒青，实践证明不经晒青制成的茶叶青气重，滋味苦涩，汤色浊而暗［32］，因此光调控技术在乌龙茶中的应用研究最早。1987年，中野不二雄［33］用远红外光萎凋乌龙茶，叶温30℃～40℃，萎凋叶减重率为10%～30%，所制茶叶香气和滋味均优于日晒和无光照萎凋，这是由于远红外辐照使叶温升高，水分蒸发较快，促使酶活性提高和萎凋叶内含物的转化和累积［34］。同年，吴秋儿、危赛明等［35-36］进行日光萎凋、红外灯萎凋、镝灯萎凋、热风萎凋对乌龙茶品质的影响试验，认为红外光或镝灯晒青所制闽南乌龙茶品质优于日光晒青所制，可起到日光晒青作用；杨贤强、王金贤等［37-38］以不同光照强度的白炽灯照射鲜叶，认为在一定光强范围内，鲜叶的氨基酸总量随光强增大而上升，光照处理能提高中高档茶的香气，光辐照可以激活茶鲜叶内含物的变化，有利于改善茶叶的香气和滋味。以上应用研究尚未涉及光代谢途径以及光效和能耗。

王登良等［39］采用不同的滤光材料从太阳光谱中同时分出不同波长的波段，并以全光谱作为对照，进行乌龙茶晒青试验，提出对乌龙茶香气提高较大的光谱段是光照强度为13725lux-16774lux、波长大于520nm的黄光波段；覃玉等［40］的研究结果也认为黄橙光晒青制得的单丛毛茶香气组分种类和香气总量比全光晒青处理的高，认为黄橙光是单丛茶晒青过程香气成分变化的主要影响因素；黄国资等［41］采用5种光源对黄金桂茶树品种进行光照晒青试验，得出晴天以自然日光加工的成茶品质最好，其次为混合光，两者均可以提高氨基酸含量；而阴雨天采用混合光能显著提高成茶品质，达到优良茶叶质量水平；张艳丽［25］研究表明：蓝光与红光萎凋有利于提高秋季铁观音和黄旦成茶鲜爽度，降低茶汤苦涩味；李小娟等［42］用日光、紫外灯、近红外灯三种光源照射摊青叶，认为光源照射有利于具有花香或清香的芳香化合物的转化与积累；欧燕清等［43］以晴天日晒，阴雨天风吹、抽湿和人工光照（紫外光280-320nm）4种方式进行岭头和凤凰单丛茶萎凋，认为日光萎凋有利于单丛茶良好品质的形成，光照处理大幅度增加茶多酚含量，提出紫外线可能导致蛋白质变性，抑制了多酚类氧化酶的酶促氧化。

曾藩荣等［44］应用白炽灯结合机械鼓风进行红茶补光萎凋，所制成品红茶品质优良；周颖等［45］得出随着紫外光照射时间的延长（1h、2h、3h），干茶中水浸出物含量增加，多糖含量稳定，但与对照样持平，照射2h后氨基酸、生物碱含量最高，茶多酚、茶黄素含量增加，说明紫外光照射有利于工夫红茶品质形成。

3 LED光在茶叶生产加工中的应用

LED是通过化学能转换成光能的元件，属于冷光源，其具有耗能低、无污染、波长稳定、低发热等光电特性优点，能够发出植物生长所需要的单色光，各种LED单色光组合后，可形成与各种植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱，提高光能利用效率，在育苗，蔬菜栽培和温室补光方面的应用效果显著，实现传统光源无法实现的节能、环保和空间高效利用等的功能［46-47］。在农业领域应用发展势头迅猛，被认为是21世纪现代农业领域最有应用前景的人工光源［48-49］，对植物生理生化及体内功能性化学物质积累也影响甚大［50，1］。

3.1 茶树栽培

日本开始在室内使用红光和绿光对茶苗进行无农药栽培，不仅操作过程简单，而且能够培育出高产、安全、有营养的茶叶，若LED持续照明24小时不间断的话，培育速度将达到原来的6倍，但仍需进一步验证［51］；Homma，T等［52］对水培扦插及盆栽扦插的幼龄茶苗（Yabukita品种）用不同LED光波长（蓝光（峰值波长：465 nm），绿光（502 nm），黄光（592 nm）和红光（660 nm））连续照射，结果表明：红光和绿光照射根扦插的芽生长良好；红光照射的扦插苗的总根长最长；蓝光照射表现出高的粗根率（0.5＜直径＜1.0mm）。

3.2 茶树病虫害防治

蔡侠［53］通过室内试验比较了波长为360-630nm内8种不同单色光LED对黑刺粉虱、茶丽纹象甲和茶尺蠖成虫趋光反应的影响，得出：茶丽纹象甲对420nm的单色光趋性最强，黑刺粉虱对360nm、385nm、420nm的三种单色光均表现出强烈的趋性；茶尺蠖在385nm处对这些单色光反应出现最大值，总结得出单色光对于实现茶树害虫的高效专一防治与减少对天敌的误杀具有一定的价值。

3.3 茶叶萎凋

LED光主要应用于茶叶萎凋过程，金心怡等［54-55］试验研究认为，LED蓝光有利于提高乌龙茶净光合速率、萎凋叶水浸出物、可溶性总糖含量，降低酚氨比，提高毛茶品质，并发明了一种LED光源的茶叶萎凋装置及其萎凋方法，实现人工控制茶叶全天候工厂化萎凋；黄藩等［56］研究红光和蓝光对工夫红茶鲜叶萎凋过程中儿茶素和氨基酸组分含量变化及品质影响，得出红光萎凋品质最优，与无光处理相比，红光和蓝光处理均能显著降低ECG的含量；而张贝贝［57-58］认为黄光、红光及橙光处理的红茶香高持久，品质优，并对黄光萎凋条件进行了优化，与项丽慧等［29］的研究结果一致。

此外，LED光在红茶发酵中也有应用，林国轩［59］根据在红茶发酵过程中，茶黄素的含量从低往高变化出现的最高点正好是发酵适度点［60］，并利用单片机、白色LED发光管等发明了一种确定工夫红茶发酵适度的新方法。

3.4 茶叶色选

茶叶色选机是利用色选光电传感器/CCD镜头对茶物料中异色叶片进行筛选工作，集光、机电、气动于一体的高科技综合技术，是实现茶叶精制过程机械化自动化必不可少的机电设备［61］。

甘汝婷等［62］通过测试茶叶和杂质的反射光谱，在可见光谱范围内，将茶叶与杂质相对反射率差值较大时对应的光波长作为选择LED光源的峰值波长：蓝光（460 nm）、绿光（530 nm）、暖白光（550 nm）、黄光（595 nm）、红光（650 nm）、近红外光（700 nm），研制设计了一款用于分离铁观音茶叶、茶梗及其杂质的LED茶叶色选灯光源，该LED茶叶色选灯光源具有高光效特性，寿命长，能提高茶叶与杂质的对比度及茶叶的加工效率；冯超［46］利用LED波长选择性广的主要优势，采集炒青绿茶样品和龙井茶样品，搭建基于多波长的LED诱导荧光系统的荧光光谱，并借助主成分分析，实现了不同种类的茶叶分类和茶叶等级的判定。

3.5 茶叶质量评价

为满足消费者能够粗略估计茶叶质量，Dong Y等［63］利用不同波长LED，研制了一种荧光系统，对四种类型的绿茶和2种红茶饮料进行分类，虽然尚未实现完全准确等级评价，但该系统小巧、经济、使用方便，在相关的食品质量及分类上应用前景广泛［64］。

4 研究展望

光照能够调控茶叶香气相关酶基因的表达，提高香气成分，促进茶叶品质提升是毋庸置疑的，因此前人大多利用红外灯、镝灯、白炽灯等进行研究分析。自新型光源LED问世以来，对LED光源的研究进入热潮至今，大多数研究集中在有萎凋工艺的乌龙茶及红茶上，主要对光强、光质、光照时间进行研究。然而市面上销售的LED光源种类繁多，有条形、方形等，并且同一光质的波长不统一，再加上茶树品种、类别繁多，导致研究者之间所得数据存在差异，容易产生分歧，限制了生产上的大规模应用。为了提高研究数据的准确性与参考性，便于总结分析，研究者应该说明LED灯的外观及基本性能，分析数据应附上差异是否显著，利于后人进一步研究，避免做无用功。目前，LED光源还不能完全模拟太阳光，日光是不同波长的集合，经过日光作用之后的茶叶，氨基酸与糖类含量发生变化，进而影响香气，形成独特品质，但目前大多数研究还是集中在单波长的单色光上，对多波长的研究较少。

茶叶中的多种有效成分具有丰富的保健功效，如茶多酚，黄酮，花青素，茶黄素等，如果能够利用LED光应用到栽培育种上，对茶树进行专一调控，培育出如具有高茶多酚的茶树，这将是我国茶产业发展的历史性突破。研究表明［64］，与露天茶园、普通大棚茶园相比，光伏大棚茶园不仅能够有效延长茶树生长时间，提高茶树产量，减少病虫害，还实现了低碳经济、节能减排的问题，可以利用光伏结合LED光补偿技术，实现环境四大因子的可控，有利于茶树内含物的提升。

实现六大茶类的全自动生产线是茶产业的目标之一，而“光”因素是关键所在。目前对茶叶加工环境光调控机制处于研究起步阶段，茶叶光萎凋过程中的光化学、光催化对茶叶品质形成的影响尚待探明，光与温、湿、风影响因子之间的关联性耦合性及光调控技术需要继续深入研究，怎样更有效的应用LED光，是我们努力的方向。

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