從科學角度認識茶葉的香氣與滋味
關於茶葉化學
多酚類是茶湯苦澀味的來源，這種苦澀可在飲茶時誘發生津和回甘
蛋白質和胺基酸是鮮味、甘味和甜味的來源
並可與其他物質結合產生新的香氣物質
醣類的功能則在緩和多酚類的苦澀味，並增進香氣與茶湯的濃稠甜香。
茶葉品質好壞的判斷，長久以來都是以感官評比為主，但茶葉屬於嗜好品，濃淡香臭各有所好，在你一言我一句的論調中，茶葉的品質好壞不容易有共識。茶葉化學看似一門枯燥的學問，卻與茶葉品質形成有絕對的關係，瞭解茶葉化學，才能真正客觀、科學地評估茶葉的品質和風味。
茶葉的內含物質很多，影響茶湯滋味的有以下幾種：多酚類、生物鹼、蛋白質和胺基酸、醣類、香氣物質、維生素和礦物質、茶皂苷。多酚類是茶湯苦澀味的來源，這種苦澀可在飲茶時誘發生津和回甘；生物鹼具有苦味；蛋白質和胺基酸是鮮味、甘味和甜味的來源，並可與其他物質結合產生新的香氣物質；醣類的功能則在緩和多酚類的苦澀味，並增進香氣與滋味。
茶湯苦澀味的來源──茶多酚
茶多酚是茶葉中最主要的化學成分，是茶葉滋味的主體。過去認為茶湯的苦澀味來自於單寧（鞣質），後來證實茶內所含物質的化學結構更為複雜，與單寧不同，稱為「縮和單寧」，如今我們所說的茶單寧只的就是茶多酚（Tea Polyphenols）。茶多酚又可分為「黃烷醇類」、「黃酮類」、「花青素類」等數類；其中「黃烷醇類」（即「兒茶素類」）占茶多酚總量約70-80%，是滋味的主要來源之一，影響茶葉品質很大。
兒茶素類包含物質「兒茶素」（catechin, C）、「沒食子兒茶素」（Gallocatechin, GC）、「兒茶素沒食子酸酯」（Gatechingallate, CG）、「沒食子兒茶素沒食子酸酯」（Gallocatechingallate, GCG）、及其對應的異構物。其中「兒茶素」（C）、「沒食子兒茶素」（GC）及其所對應的異構物稱為「簡單兒茶素」（游離型兒茶素、非酯型兒茶素），「兒茶素沒食子酸酯」（CG）、「沒食子兒茶素沒食子酸酯」（GCG）及其所對應的異構物，則稱為「複雜兒茶素」（酯型兒茶素）。
茶的苦澀味是來自茶多酚與口腔中蛋白質結合所產生的感覺。茶多酚中的兒茶素類有不同的味覺感受；簡單而茶素（包含C, EC, GC, EGC）較不苦澀且爽口，收斂性較弱；複雜而茶素（包含CG, ECG, GCG, EGCG）苦澀味較重，同時收斂性也比較強。收斂性為茶湯入喉以後，口腔內的刺激感，這種刺激感可能帶來生津、回韻或存在於舌面的粗糙感。
茶葉加工所謂的「發酵作用」說法，長久以來是一種誤解，正確來說，在製茶過程中帶動茶葉化學變化的並不是發酵，而是「酶促氧化」作用，茶葉中的酶（enzyme）屬於蛋白質，在台灣稱做酵素。在一定的溫度、酸鹼值及反應物質濃度下，會帶動茶葉中多元酚類的氧化還原反應，連帶也促進其他內含物質的變化。這一系列複雜的生物化學反應，是形成茶葉品質的重要關鍵。
不發酵茶（綠茶與黃茶）的製作中，茶葉中的酶在短時間內被高溫中止活性，抑制發酵作用的進行，因此保留了大部分未氧化縮和的兒茶素類物質。而全發酵茶（紅茶）的加工工藝中，茶葉內的兒茶素類物質經發酵作用的推動，則轉化為茶黃素、茶紅素及多種兒茶素氧化縮和物質，只保留少量未氧化的兒茶素類。半發酵茶（青茶）透過獨特的製造工序，保留了一部份未氧化的兒茶素類物質，另一部分的兒茶素類則藉由複雜的氧化還原作用，形成不同於茶黃素與茶紅素的聚合物。茶黃素、茶紅素、茶褐素等茶葉發酵產物是構成茶湯色澤的主要來源，而這些發酵產物的顏色，能從字面上清楚分辨。
兒茶素類以外的多酚類物質，如黃酮類雨花青素類，會在鮮葉中與醣類分子結合形成醣苷。黃酮類物質含量雖然比兒茶素類少，但是據目前研究指出，只要極低濃度的黃酮類就會產生苦味及澀感。黃銅苷在製茶過程若水解為黃酮及醣類，則甜度提升，苦味降低。花青素類同樣具有苦味，並且其苷元水溶性比黃酮類高，此類的物質在夏秋季含量較高，若發酵不足，過重的苦味或成茶品質來說是一項不利的因素。
刺激中樞神經興奮的生物鹼
「咖啡鹼」（即咖啡因）、「可可鹼」和「茶鹼」是茶葉中主要的生物鹼，其中以「咖啡鹼」含量最高，占茶葉乾重約2%-4%；其次為「可可鹼」，約占0.05%；再其次為「茶鹼」，約占0.002%。「茶鹼」屬於「生物鹼」的一種，是植物體內的含氮化合物，因具有複雜的組成與生理作用，自古以來便被作為藥用。
在製茶過程中，高溫殺菁工序的有無會影響咖啡鹼含量。經由適當加熱，咖啡鹼在120度C可以昇華，在180度C會大量昇華。
咖啡鹼是一種中樞神經的刺激物，適量攝取有提神及減低疲勞的作用，也也可舒緩頭痛症狀，過度的攝取則對身體會有不良反應。茶鹼在茶葉中的含量約為咖啡鹼的千分之一，醫學上應用於呼吸系統疾病的治療。許多媒體宣稱茶葉中的茶鹼是造成胃部不適的元兇，其實有待商榷。一來茶鹼在茶葉中的含量極微，二來以目前的科學研究尚未能證實茶鹼對消化系統確實有影響。
根據國外對喝咖啡引起的胃酸分泌的臨床研究資料，咖啡鹼對人體腸胃不適影響的程度和大眾所認知的並不相同。飲用咖啡所早成的腸胃不適，可能是因為咖啡中的其他物質所產生的作用，而非咖啡鹼所造成。但本身已患有消化性潰瘍的人，可能會因為攝取咖啡鹼而增加胃酸分泌，使病情加劇。
以相同重量的咖啡與茶葉作比較，茶葉中的咖啡鹼含量並不一定比咖啡來的少，但沖泡一杯咖啡所使用的咖啡豆重量一定比沖泡一杯茶來的高，所以喝咖啡會有影響睡眠的可能，反之茶葉的影響則較小。因為喝茶而影響睡眠的人，可以選擇烘焙程度較高的茶葉；在烘焙的過中，茶葉中的咖啡鹼會隨著溫度的提高而逸散於空氣之中。
茶湯甘甜滋味的來源──蛋白質與胺基酸
茶葉中的胺基酸以兩種不同的形式存在，一種是構成茶葉內蛋白質的胺基酸分子，另一種為存在於茶樹體內的游離態胺基酸。茶葉乾物重中約有7%游離胺基酸，占茶湯所有可溶性物質約15%；蛋白質占茶葉乾物重約20%，絕大部分不溶於水，只有少部分的蛋白質不會因為製茶過程中熱的作用而凝固，對茶湯滋味有些為貢獻。
目前發現茶葉中可溶解的游離態胺基酸種類共26種，許多胺基酸具有鮮、甘、甜的滋味，並且在製茶過程中轉變為「茶胺酸（theanine）」占游離態胺基酸總量的50%-70%，是影響茶葉品質的重要元素。
不溶於水的蛋白質，一部分可在製造過程中，分解為游離態胺基酸，進而與其他物質合成新的香氣物質，對茶湯滋味與香氣亦有貢獻。茶葉中的酶也是蛋白質，雖然本身不溶於水，但是茶葉的發酵作用不能沒有酶的參與。
茶胺酸具有焦糖的香氣與味精的鮮爽味，有助於提升茶湯的滋味表現。報導指出茶胺酸有助於舒緩神經緊張及提升注意力。還有部分研究認為胺基酸有中和咖啡因對中樞神經興奮的作用，和各項研究的成果一致。在從事茶業數十年的經驗裡，也經常觀察到滋味甘甜且苦澀度低的茶，比較不會影響睡眠。藉由對茶樹如何合成茶胺酸機制的瞭解，目前市面上已經出現由人工合成的茶胺酸衍生商品。
使茶湯更加濃稠甜香的醣類
茶葉中的醣類已不同的形式存在，可溶性的醣類是茶湯甜味及香氣的來源，對茶湯中帶有苦澀味的多酚類物質有協調作用，含量越高，滋味越甘甜。茶葉中大部分的醣類為多醣，若製造工藝發揮得當，部分的多醣可以降解為可溶性的醣類及果膠物質，增加茶湯的甜味；其中可溶性果膠物質對茶湯濃稠度有提增的效果，在製作過程中可藉由水解酶的作用增加。
醣類是人類重要的營養來源，從各種穀物均可獲得。茶葉中的醣類主要功能為增進茶湯香氣與滋味，緩和多酚類的苦味及澀未。脂多醣是一種大分子的醣類化合物，據文獻記載有增強免疫能力，進而可對抗輻射和抗癌症等作用；然而，除非將茶葉吃進肚子，否則這樣的成分是無法藉由沖泡而溶解於茶湯中。
形成茶湯香氣的重要成分──香氣物質
茶葉香氣物質占內含物質不到0.1%的比例，重要性卻一點都不輸含量高的多酚類物質。香氣來源的一部份為鮮葉中原有的揮發性化合物，一部份則來自於類胡蘿蔔素、萜烯類、醣類、胺基酸等物質透過加工所形成。
參與茶湯滋味形成的維生素與礦物質
茶葉中含有各種維生素，但大部分都不溶於水。如維生素A、D、E、K，這些脂溶性的維生素以一般的茶葉沖泡方式是無法攝取的。茶葉中可溶的維生素種類為水溶性的維生素B群及維生素C。缺乏維生素C易引起壞血病，維生素B群對人體有更為多元的保健效果。這些的確可藉由飲用茶湯而攝取，但茶湯中還有其他具有刺激性的物質，如咖啡鹼與多酚類，在飲用茶湯時會與維生素同時被人體吸收，所以過量飲茶還是可能對人體產生負面作用。由於製造工藝的不同，等量的綠茶與紅茶茶乾，綠茶所含的維生素C較紅茶高。但維生素C會隨著儲存的方式與時間而氧化失去營養價值，因此綠茶的品飲比其他茶類更講求其新鮮。
茶葉中含有鉀、鈉、鎂、鐵、鈣、錳等金屬元素，都是人體必需的礦物質。特別是茶葉中所含有的氟，與骨骼及牙齒的健全關係密切。報導指出茶葉中的硒有抗癌、抗衰老、保護免疫系統等作用。茶葉中的礦物質元素，與茶園的土壤母質有關，《茶經》中說「上者生爛石、中者生礫壤、下者生黃土」，部分原因就是因為土壤中的礦物質種類及含量多寡，對所產出的茶湯滋味有很大的影響。對發酵茶類而言，礦物質扮演著輔基的角色，參與各種形成品質的生物化學反應。
可刺激喉頭生津的茶皂苷
茶皂苷又稱皂素，是結構複雜的醣苷類化合物。1931年時由日本學者從茶樹種子中分離出來而命名。而後隨著分析技術的進步，還一直有不同的茶皂苷被發現。廣義來說茶花皂苷（Floratheasaponin）也可歸類為茶皂苷的一種。皂苷難溶於冷水，可稍溶於溫水，味苦而辛辣，對咽喉有刺激性，起泡性強。傳統醫學中使用的人蔘、五加、黨參、白頭翁、三七等植物中均有皂苷。
有文獻指出茶皂苷有抗菌、抗癌、抗高血壓、抗氧化、抑制酒精吸收、保護腸胃及驅蟲等作用。不過，若正式使用在醫療用途上，無論是美國或歐盟地區都尚無相關的規範。在巨大的商業利益推動下所宣傳的內容，多半建立於非常基礎的生化實驗階段，或是刻意忽略實驗中的其他現象所建構起的不完整資訊。
隨茶葉成熟度不同而變化的內含物質
茶葉內含的各種化學物質，相互合作形成茶湯豐富多元的滋味。但要注意的是，茶葉的各項內含物質除了隨品種、產地有所不同，也會隨著成熟度而發生變化。針對不同茶類的製造，就有對應的採摘成熟度，應該採摘不同的新梢部位。以鐵觀音茶樹新梢的內含物質為例，較苦澀的多酚類物質，以及胺基酸與咖啡鹼，會隨著成熟度提高而降低；而香氣物質（包含類胡蘿蔔素、β胡蘿蔔素）則會隨成熟度提高而增加；醣類隨成熟度增加更是大幅度地增加。觀察茶葉化學成分的組成，我們才能清楚掌握採摘成熟度對不同茶類製造所代表的意義。
青茶（鐵觀音）鮮葉不同葉位主要化學成分（%）
| 項目 | 第一葉 | 第二葉 | 第三葉 | 第四葉 | 第一、三葉
增減率 |
| 多酚類 | 22.63 | 18.30 | 16.23 | 14.65 | -28% |
| 兒茶素 | 14.74 | 12.43 | 12.00 | 10.50 | -18% |
| 胺基酸 | 3.11 | 2.92 | 2.34 | 1.95 | -24% |
| 茶胺酸 | 1.83 | 1.52 | 1.20 | 1.10 | -34% |
| 咖啡鹼 | 3.78 | 3.64 | 3.19 | 2.62 | -15% |
| 類胡蘿蔔素 | 0.026 | 0.036 | 0.041 | — | +57% |
| β胡蘿蔔素 | 0.00624 | 0.00672 | 0.00802 | 0.1086 | +28% |
| 醚進出物 | 6.98 | 7.90 | 11.35 | 11.43 | +62% |
| 還原醣 | 0.46 | 1.34 | 2.39 | 2.56 | +419% |
資料來源：《茶業化學》中國科學技術大學出版社
在茶葉研究的科學成果愈來愈多之後，我們對茶葉的本質也有了更深的認識。半發酵茶的製造工藝，是所有茶類加工方式中最晚形成的一種，製作工序也比其他茶類複雜，其姿態千變萬化，更為人津津樂道，感嘆茶葉學問的高深。
藉由茶葉化學的進展，我們才能逐漸釐清各種香氣與滋味的形成機制。雖然普遍認為茶葉的發源地為中國，但是對茶葉科學深入的探究，從1960年代英國學者E. A. Houghton Roberts針對發酵進行研究，到近年來對茶葉發酵研究貢獻卓越的日本學者Takashi Tanaka，重要的研究成果都是來自外國學者。台灣人以半發酵茶製造工藝為傲，對茶葉科學的基本教育卻是付之闕如，反而在茶道美學、哲學方面大作文章，是本末倒置的行為。台灣的高等教育體系中欠缺專門研究茶產業的系所及研究人員，而中國卻投入大量的資源與人力進行研究，其成果已經遠遠超越台灣。台灣的茶業有長久的優良傳統，倘若不趕快在茶業的基礎研究加緊腳步、急起直追，Formosa Oolong Tea的名頭，想必也將淹沒在歷史的洪流之中。
《台灣烏龍茶第一堂課》
《烏龍茶的世界》
陳煥堂老師著