不使用糖，叶子本身就甜——“甜茶”的秘密揭晓

提到甜茶，许多人可能会想到加了大量糖的冰茶。

然而，此次研究的“甜茶”并不是在普通红茶中加入糖的饮品，而是指在中国部分地区生长的传统上被用作甜茶的壳斗科植物Lithocarpus litseifolius。

这种植物的嫩叶和新芽制成的饮品，即使不加糖也能感受到强烈的甜味。其原因在于叶子中大量积累的被称为“二氢查尔酮”的植物成分。

其中，主要成分是芹菜素和三叶苷。这些是与糖结合的黄酮类化合物，虽然被认为与植物的防御和环境适应有关，但对人类来说，它们作为天然来源的强甜味成分受到关注。

然而，甜茶是如何通过化学反应产生如此大量的甜味成分的，长期以来一直不为人知。

浙江大学茶叶研究所等研究团队此次详细研究了这种复杂的“植物内甜味工厂”的基因和酶水平。

嫩叶干重的30%是甜味相关成分

甜茶最大的特点是二氢查尔酮类的含量极高。

根据原始论文，叶子中芹菜素和三叶苷等的比例可能达到干重的约21%至33%。也就是说，去除水分后的嫩叶相当大一部分由与甜味相关的成分构成。[1][2]

虽然苹果的叶子和树皮中也存在芹菜素，但甜茶的含量高于苹果属植物。因此，该植物不仅适合作为天然甜味成分的来源，还适合作为研究二氢查尔酮生物合成的模型植物。

近年来，食品行业需要在减少糖使用量的同时保持美味的技术。

然而，糖不仅仅是甜味的材料。在饮料中，它影响口感和香气的感知，在糕点中，它与体积、烘焙色、保水性、口感有关。因此，仅用其他甜味剂替代糖，往往无法再现原产品的味道和质量。

即便如此，如果能够稳定地生产出少量即可提供足够甜味的植物成分，将为饮料、乳制品、糕点、健康食品等减少糖的使用提供新的选择。

此次研究的重大意义在于揭示了植物用于生产甜味成分的“设计图”，而不是大量采集原料的方法。

此前无法解释的“双键”处理

植物在合成二氢查尔酮时，多个原料和酶依次发生反应。

最终要生成芹菜素和三叶苷，首先必须合成“芹菜素”这一基本骨架。在这一过程中，需要将起始物质中碳之间的双键转化为单键的还原反应。

传统上，认为二重键还原酶直接作用于与辅酶A结合的p-香豆酰CoA这一物质的解释较为有力。

然而，过去用苹果等进行的实验中，报告了候选酶未按预期工作的问题。在试管内未能确认反应，或在其他生物中引入基因后未能充分生成目标成分，结果不一致。

此次研究团队认为，“还原反应发生的阶段可能不同”。

调查结果显示，双键的还原发生在中间生成的醛型物质上，而非传统认为的CoA结合型物质。

首先，名为LlCCR的酶将p-香豆酰CoA转化为p-香豆醛。接着，酶LlDBR1还原醛状态分子的双键，生成二氢-p-香豆醛。

这一发现可能解释了过去研究中部分酶未对CoA结合型物质反应的原因。

可以说，研究人员此前试图让“不同工序的工人”工作，而实际上LlDBR1负责的是后续的醛工序。

逐一验证24个候选基因

研究团队从甜茶的基因表达信息中选出了可能与甜味成分合成相关的24个基因。

对象包括肉桂酰CoA还原酶、双键还原酶、醛脱氢酶、4-香豆酰CoA连接酶、查尔酮合成酶、糖转移酶等。

研究中，通过在大肠杆菌等中表达候选基因生成酶，并在试管内确认其对何种物质反应。不仅调查了基因的存在，还验证了反应速度和底物选择性。

此外，还通过向植物施加特定基因的暂时抑制剂反义寡脱氧核苷酸，调查了叶中二氢查尔酮量的变化。

抑制LlCCR、LlDBR1、LlALDH1、Ll4CL2等基因时，目标甜味成分的量减少。此外，抑制生成三叶苷的LlP4′GT或生成芹菜素的LlP2′GT1时，各成分量也下降。

试管内的酶实验和活体植物中的基因抑制实验都指向同一方向，强有力地支持了各酶在实际植物内也参与生物合成的可能性。

通往芹菜素的路径不止一条

此次研究团队揭示的另一个重要发现是，通往甜味成分基本骨架芹菜素的路径不止一条。

显示出至少有两条路径可以从共同中间体二氢-p-香豆醛生成芹菜素。

在第一条路径中，LlALDH1将醛转化为酸，Ll4CL2再次添加CoA。随后，查尔酮合成酶LlCHS1反应生成芹菜素。

在第二条路径中，LlCCR参与通常相反方向的反应，从中间体提供合成芹菜素所需的物质。LlCHS1在此基础上工作，生成芹菜素。

这就像是通往同一目的地的两条道路。

即使一条路径的原料或酶不足，利用另一条路径也能继续生产。对于植物来说，可以根据生长状况和环境条件调整代谢流。

从食品产业的角度来看，可能可以选择两条路径中生产效率较高的一条。将基因植入酵母或大肠杆菌中，在发酵罐内生产芹菜素或三叶苷时，也许可以设计适合宿主微生物的路径。

使木材坚硬的酶也参与甜味成分

特别有趣的是LlCCR的多功能性。

通常称为CCR的酶参与植物细胞壁中木质素的合成。木质素是使植物茎和干硬化并支撑输水组织的重要成分。

然而在甜茶中，LlCCR不仅参与木质素合成，还参与甜味成分二氢查尔酮的生产。

植物的碳资源不是无限的。需要选择是将相同的起始物质用于增强体质的木质素，还是用于二氢查尔酮。

LlCCR被认为在这一分岔点附近调节代谢物流动，起到“切换开关”的作用。

在年轻柔软的叶子中，还不需要大量生产木质素，而需要次级代谢物来保护自己免受昆虫和紫外线的伤害。虽然尚需进一步研究以明确二氢查尔酮在植物内的具体防御功能，但年轻叶子中甜味成分的集中可能与植物的生长策略有关。

为什么年轻的叶子更甜

研究还调查了为什么年轻叶子中大量积累二氢查尔酮的原因。

一方面是因为LlCCR能够高效处理起始物质。另一方面是因为合成路径下游的糖转移酶在年轻叶子中强烈表达。

根据糖附加在芹菜素上的位置，完成的成分会有所不同。

LlP4′GT主要生成三叶苷，而LlP2′GT1主要生成芹菜素。由于这些糖转移酶的活跃作用，生成的芹菜素被迅速转化为稳定的配糖体并积累在叶子中。

糖附加反应对于植物来说不仅仅是简单的收尾工作。它是改变水溶性、细胞内移动、毒性、储存便利性等的重要过程。

也就是说，甜茶不仅具备生产甜味分子的能力，还具备将其加工成稳定形态并保存的能力。

所谓的糖的约300倍甜味是否真实

最近发表的关于中国功能性甜茶的综述中介绍了关于三叶苷和芹菜素等二氢查尔酮类成分具有约300倍于蔗糖的甜味的文献信息。[3]

然而，“300倍甜”这一数字并不意味着只需加入糖的1/300即可制成相同的产品。

高甜度甜味剂在开始感受到甜味的时间和甜味在口中残留的时间上与糖不同。关于芹菜素及相关成分，有报告称其甜味上升较慢，后期伴有清凉感的余韵。

此外，与食品中含有的儿茶素等苦味成分结合，可能会削弱甜味的感知。另一方面，与少量糖结合时，甜味可能会协同增强。

因此，在实际产品开发中，不是用一种甜味成分替代所有糖，而是结合少量糖或其他甜味剂、香味、酸味的方法更为现实。

重要的不仅是甜味的强度。需要包括入口瞬间的甜味、吞咽后的余韵、与苦味或涩味、香味的协调在内的“甜味时间设计”。

微生物制造天然甜味成分的时代

生物合成途径的揭示使得可以考虑从植物中提取成分以外的生产方法。

例如，通过将必要的基因导入酵母或大肠杆菌，从糖或植物来源原料中发酵生产目标成分的方法。

此前芹菜素的微生物生产中，双键还原步骤容易成为瓶颈。因此，使用外部添加中间原料的方法或借用非植物还原酶的方法。

利用此次发现的LlCCR和LlDBR1组合，可能构建更接近植物本身路径的反应系统。

此外，在生成芹菜素后使LlP4′GT发挥作用可多生成三叶苷，使LlP2′GT1发挥作用可多生成芹菜素，这样的生产物调整也可以考虑。

然而，实验室水平的合成与作为食品廉价大量生产是两个不同的问题。

需要解决酶的稳定性、生产速度、副产物量、精制成本、发酵原料、废水处理、食品标准、储存中的变化等许多问题。

即便如此，确定了两条生物合成路径和主要酶，意味着开发者从在黑暗中摸索阶段进入到可以根据设计图进行改进的阶段。

也可能用于品种改良

此次成果不仅可以应用于微生物发酵，还可能应用于甜茶本身的品种改良。

如果选择LlCCR、LlDBR1、LlP4′GT、LlP2′GT1等作用强的个体，可能培育出含有更多甜味成分的品种。

也有助于优化收获时机。即使知道嫩叶成分多，摘得太早会减少产量，摘得太晚可能会降低甜味成分。

结合叶子的生长阶段、基因表达、成分量、收获量，可以决定最有效的收获时机。

另一方面，极端增加甜味成分可能会影响植物的生长和病害抵抗性。如果木质素和二氢查尔酮争夺相同的原料，过多地将代谢流向甜味成分，可能会导致枝干变弱。

品种改良需要考虑的不仅是甜味，还包括产量、抗病性、耐寒性、栽培的便利性等整体平衡。

“天然来源”并不等于健康效果的证明

需要注意的是，此次研究并不是检验人类减重或糖尿病预防的临床研究。