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“云南农业大学农业科技这十年”之茶学院科技成果与典型人物
来源:茶学院 时间:2022-07-27浏览次数:

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十八大以来,茶学院在农业科技创新的道路上不断开拓进取,取得了较为突出的科技创新成果。由茶学院院长王白娟作为第一完成人,完成的“高压脉冲电场提高普洱茶品质的技术创新及产业化应用”成果被中科合创(北京)科技成果评价中心评价为:总体达到国内领先水平,其中抗氧化性机理研究达到国际先进水平。该成果获2020年云南省科技进步三等奖,2020-2021年度神农中华农业科技奖三等奖。该成果成功申请了14项实用新型相关专利,其中一项专利“一种降低普洱茶成品中茶多酚含量的方法”于2018年获云南省专利奖一等奖。以上奖励王白娟均为排名第一。并发表相关论文共15篇,其中SCI/EI收录9篇。

该成果发现了高压脉冲电场对普洱茶内含微生物的选择性灭活现象,初步揭示高压脉冲电场提高普洱茶抗氧化性的机理,丰富了自由基生物医学和普洱茶生物化学的理论;创新性地将高压脉冲电场用于普洱茶的灭菌,建立了一种绿色环保、低能耗、不影响普洱茶风味口感的物理灭菌新技术,为保证普洱茶食品安全性找到了新方法;创造性地应用高压脉冲电场技术加快了普洱茶的陈化,提高了普洱茶的香气成分、内含物成分和抗氧化性,提升了普洱茶品质;创制了一种提高普洱茶的水浸出物含量的脉冲电场处理装置和一种对高压脉冲电场处理的茶叶香味的检测装置并获专利,该装置明显提高了普洱茶水浸出物含量和香气。以上成果在茶科技领域内具有相当的社会影响力,填补了部分高压脉冲电场机理的空白。目前,科技成果应用于已经应用于多家企业,总的销售额新增1亿元以上。

微生物与茶叶品质关系研究系列专题

微生物生态的多样性与独特性是大自然给予云南普洱茶的一个“馈赠”。众所周知,普洱熟茶是一种具有独特感官风味和多种保健功效的微生物发酵茶。可以说,没有微生物,就没有普洱熟茶!

土壤是茶树赖以生存的基质,茶园土壤养分状况是影响茶叶产量品质的重要因素。微生物作为土壤生态系统的重要组成部分,其群落结构和多样性受植物种类和土壤理化性质的影响,另一方面,土壤微生物参与了诸多土壤生物反应过程,对植物生长及土壤微环境具有重要调节作用。

多年来,云南农业大学茶学院科研团队针对普洱茶加工与品质形成关键技术,以及微生物、土壤养分状态和茶叶品质之间的关系开展了深入而卓有成效的研究,积累了大量的科研成果,对普洱茶产业的高质量创新发展起到了极大的促进作用。

(一)三种曲霉和产黄青霉发酵对普洱茶品质的影响研究

普洱熟茶是微生物固态发酵的产物。其传统普洱茶加工为一个自然接菌的固态发酵,存在微生物来源复杂、不可控等问题。因此,亟需对普洱茶发酵机理开展研究,以变革普洱茶发酵方式。茶学院赵明教授课题组从普洱茶发酵中分离得到多种微生物菌株,并开展了一系列纯菌发酵和(接菌)强化发酵,以探究不同微生物对普洱茶品质的影响及其作用机理。

应用黑曲霉、塔宾曲霉和烟曲霉3种曲霉,分别对茶叶进行纯菌发酵,应用代谢组学方法检测了发酵前后茶叶代谢物的变化,发现发酵后,茶叶中的类黄酮、甘油磷脂、有机氧化合物和脂肪酸含量发生了变化;应用蛋白质组学分析了曲霉在茶叶基质上产生的酶,关联挖掘了参与茶叶物质代谢的酶。为进一步实现普洱(熟)茶的可控发酵,应用从市售普洱茶中分离鉴定得到的产黄青霉P1接种于灭菌和未灭菌的晒青茶中,分别进行纯菌发酵(Pure-culture fermentation,PF)与强化发酵(Enhanced fermentation,EF)。结果表明,强化接菌发酵是安全的。

图1 三种曲霉纯菌发酵实验研究路线


图2 茶叶产黄青霉发酵样品中真菌群落的种水平群落结构


通过课题组以上研究,揭示了普洱茶优势菌曲霉和产黄青霉在发酵中的作用,为全面揭示普洱茶发酵机理,进而建立益生菌发酵普洱茶技术,为后续进行多菌种的普洱茶强化发酵乃至实现普洱茶工业化的控菌发酵提供了理论基础。相关研究成果1以论文形式发表在国际食品科学的TOP期刊《Food Chemistry》(2021年影响因子7.514;JCR分区Q1)上,成为ESI高被引文章。相关研究成果2以论文形式2021年发表在国际食品顶级期刊《Food Research International》(2021年影响因子6.475;JCR分区Q1)。

(二)利用茶源真菌有氧发酵普洱茶生产茶碱

咖啡碱(Caffeine)、茶碱(Theophylline)和可可碱(Theobromine)是茶叶中的主要嘌呤碱和功能性成分。其中咖啡碱约占干质量的2%~4%,可可碱约0.05%,茶叶碱约0.002%。具有使人兴奋的作用。茶树的咖啡碱分解代谢过程中,茶碱是一种暂时的代谢物,作为一种天然甲基黄嘌呤保持在一个非常低的水平。然而,在普洱(熟)茶渥堆发酵过程中,由于大量微生物菌群的参与,这些嘌呤碱呈现出或增加或减少的变化趋势。

为探明普洱茶发酵过程中这些嘌呤碱物质的代谢变化机制,茶学院周斌星副教授课题组从普洱茶渥堆发酵中相继分离鉴定7株潜在菌株。研究显示,焦曲霉(A. ustus)和溜曲霉(A. tamarii)能实现茶碱的生物降解,并大量产生3-甲基黄嘌呤和黄嘌呤(图3),显示了焦曲霉等菌株在3-甲基黄嘌呤和黄嘌呤生物合成的应用潜力。相反,聚多曲霉(Aspergillus sydowii)几乎能实现咖啡碱的完全降解。

图3 焦曲霉和溜曲霉降解茶碱产生3-甲基黄嘌呤和黄嘌呤


经过进一步研究,课题组分离和鉴定了普洱茶中将咖啡因转化为茶碱的有效品系,并且初步探明了生产茶碱的最佳工艺条件,为聚多曲霉(Aspergillus sydowii)在茶碱中的应用生产提供了一定理论基础和指导意义。相关成果以论文形式2018年发表在《BMC Microbiology》(2021年影响因子3.605;JCR分区Q2)。

(三)应用红曲霉发酵生产具有独特曲香风味和突出降脂抗炎功效的新型普洱茶产品

红曲霉是历史悠久的一种有益菌,云南农业大学茶学院周红杰、邓秀娟等人前期研究表明通过红曲霉发酵可获得品质风味独特且保健功效突出的新型普洱茶产品,其不仅有利于茶叶中降脂、抗炎功能成分的富集,使得其在降脂、抗炎、抗动脉粥样硬化方面的功效更加突出(图4),而且使得普洱茶风味更加独特有辨识度(具有独特米曲酯香,滋味甜活度和回甘度和汤色红亮度更加突出)(图5),目前已被投入大生产加工并获得市场好评。

课题组研究为红曲霉发酵普洱茶的生产加工调控提供了坚实的科学依据,为普洱茶品控关键技术和风味形成机理的研究奠定了良好基础;同时也为利用有益微生物进行普洱茶发酵调控,逐步实现普洱茶定向化、风味化、功能化、可控化的智能发酵提供了良好范例,在促进普洱茶品质精准调控、创新产品研发和提质增效等方面都具有很强的现实意义。

图4 红曲霉发酵普洱茶的降脂、抗炎和抗动脉粥样硬化作用


图5 红曲霉发酵普洱茶的加工风味轮


(四)古茶园与现代茶园土壤肥力、微生物及茶叶品质的研究

茶树长期连作,使根系分泌物多样性降低,施肥、修剪和茶树凋落物归还使根际酸性物质的积累、使茶园土壤Al、Fe离子富集,pH值明显下降,Ca、Mg等盐基离子淋失和微量元素相对缺乏,带来土壤微生物数量下降、多样性减少、有机质积累下降等而导致茶园土壤肥力退化和养分失衡,直接制约着茶园生产的可持续发展。

2014年来,杨广容老师课题组先后对云南景迈山、布朗山、南糯山、易武、攸乐、蛮砖及冰岛等古茶山的现代、古茶园土壤养分状况、土壤微生物群落结构及多样性与茶叶品质的关系进行一系列深入研究,在云南茶园土壤养分状况尤其是古茶园土壤与微生物多样性方面积累了丰富研究经验,并取得一些阶段性成果,为探明茶园土壤微生物群落的演变特征及其与茶园土壤环境因子的关系提供理论依据。相关研究成果以论文形式于2022年5月12日发表在《MBC Plant Biology》(2021年影响因子4.215;JCR分区Q1)。

图6 古茶园和现代茶园土壤细菌群落丰度与多样性分析


(五)雷电对茶树根际土壤成分、微生物群落结构及茶叶活性成分的影响

云南农业大学茶学院王白娟教授团队项目组的有机茶基地位于云南省西双版纳州勐海县,由于独特的气候和地理条件,勐海县雷暴频率高,是我国的强雷暴中心,年平均雷暴日超过110天。从利用雷电资源出发,我们在普洱茶有机茶园安装了三个大型避雷针,闪电通过避雷针的引导进入避雷针附近的土壤,在一定程度上可以影响土壤的物理化学性质和植物的生长。

为了探讨这种生态效应,王白娟教授课题组做了统计分析,分析结果表明,避雷针附近根际土壤中有机质、钾、有效钾、铜、钙含量明显升高,并且总磷含量降低,而有效磷含量增加,这表明雷电可以增加土壤磷的有效性。与对照土壤相比,雷电也显著提高了茶树根际土壤的细菌多样性,且Sphingomonas, Nitrospira, Reyranella显著富集,这些有益菌群的富集将有助于茶树更好地应对不断变化的环境并增强对病虫害的抗性。同时避雷针附近的茶叶中氨基酸、多酚和可溶性糖含量增加。研究结果同时解析了根际微生物指标、土壤性质和茶叶功能成分之间存在显著的相关性。该研究成果以论文形式发表在微生物领域JCR1区TOP期刊《Frontiers in Microbiology》(2021年影响因子6.064),首次报道了雷电的生物学效应,揭示了雷电-土壤理化-微生态-植物生长之间的互作网络,为雷电资源的潜在利用提供了理论参考,并为绿色高效提高茶叶品质提供了思路。

图7 闪电与茶树根际土壤性质、微生物群落结构和茶叶功能物质之间的相互作

作者:刘志薇
编辑:潘伟荣


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