烤煙調(diào)制過程中淀粉精細結(jié)構(gòu)的研究進展

宋朝鵬，孫福山，許自成，徐秀紅，王松峰，宮長榮*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，鄭州 450002；2.中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，青島 266101）

淀粉是烤煙葉片大田期積累的重要碳水化合物，成熟的鮮煙葉中淀粉含量高達40%左右[1]。與其它作物不同，烤后煙葉不以淀粉作為碳水化合物的最終貯存形態(tài)，淀粉只是其發(fā)育過程中碳水化合物的暫存形式，貯存于煙葉細胞內(nèi)有生活力的葉綠體或質(zhì)體中。成熟過程中淀粉的合成、積累、分解和轉(zhuǎn)化狀況，決定著烤后煙葉內(nèi)部各種化學成分之間的協(xié)調(diào)程度。煙葉經(jīng)調(diào)制后，淀粉大多轉(zhuǎn)化為小分子碳水化合物，這些化合物參與煙氣酸堿平衡的調(diào)節(jié)，對煙氣醇和性與芳香性具有重要作用[2]。

近年來，煙草科技工作者常把淀粉含量作為評價煙葉內(nèi)在質(zhì)量的一項重要指標。宮長榮等[3-4]對調(diào)制過程中煙葉淀粉含量的變化做了詳盡的研究，并提出了合理調(diào)控淀粉含量的工藝措施。但綜觀近年來的文獻，可以發(fā)現(xiàn)大家在重視淀粉研究的同時，忽略了淀粉結(jié)構(gòu)對煙葉品質(zhì)的影響。淀粉精細結(jié)構(gòu)是指直鏈淀粉、支鏈淀粉和脂類等化學成分的分子結(jié)構(gòu)，是品質(zhì)形成的主要物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。研究烤煙淀粉精細結(jié)構(gòu)形成的機制及其在調(diào)制過程中的變化將為淀粉降解提供新的思路或突破口，對煙草品質(zhì)的調(diào)控和改良具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 煙葉的淀粉結(jié)構(gòu)

淀粉主要由直鏈淀粉（amylose，AM）和支鏈淀粉（amylopectin，AP）組成（表1，圖1，圖2）。對煙草而言，支鏈淀粉是其主要成分，占淀粉總量的70%，直鏈淀粉僅占30%。支鏈淀粉的精細結(jié)構(gòu)最終影響煙葉淀粉特性的形成[6-8]。

表1 煙葉直鏈淀粉和支鏈淀粉的比較Table 1 Comparison of amylase and amylopectin in tobacco leaves

煙草淀粉是顆粒狀的，在煙草細胞中一般單獨存在[9]，在顯微鏡下可以看出其顆粒組成[10]（圖3）。

圖1 煙草直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of amylase in tobacco leaves

圖2 煙草支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of amylopectin in tobacco leaves

圖3 煙草淀粉粒結(jié)構(gòu)Fig.3 Starch granule structure in tobacco leaves

2 煙葉淀粉精細結(jié)構(gòu)形成的生理機制

淀粉的生物合成是1個復雜的生化過程，是各種酶之間協(xié)同互作的結(jié)果。Akihiro、Ohda和Suzuki等的研究結(jié)果[11-13]表明，對淀粉生物合成具有重要影響的酶主要有4種：（1）ADP葡萄糖焦磷酸化酶（ADP glucose pyrophoshporylase，ADPGlcPP）；（2）淀粉合成酶（starch synthase，SS），包括可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）和顆粒結(jié)合淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）；（3）淀粉分支酶（starch branching enzyme，BE）；（4）淀粉去分支酶（starch debranching enzyme，DBE）。

上述4種酶具有多種亞基或同功酶，且不同的亞基或同功酶在淀粉合成過程中有著更為精細的分工。已知ADPGlcPP有3個小亞基和4個大亞基[12]，其中大亞基1主要調(diào)控直鏈淀粉和支鏈淀粉短鏈合成。GBSS在水稻內(nèi)僅有GBSSⅠ一種同功酶，主要參與直鏈淀粉合成，并可能對支鏈淀粉B4等長鏈合成具有重要作用。SSS有SSⅠ、SSⅡa、SSⅡb、SSⅡc、SSⅢa、SSⅢb、SSⅣa和 SSⅣb 等 8種同功酶，其中SSⅠ具有調(diào)控支鏈淀粉短鏈合成的作用，SSⅡa 具有延長支鏈淀粉A鏈和B1鏈的作用[14-15]，而SSⅢa則可能參與支鏈淀粉長B1和B2鏈的合成[16]。BE有3種同功酶形式：BEⅠ，參與支鏈淀粉 B1、B2和 B3鏈的合成；BEⅡa，強化BEⅠ和 BEⅡb的功能；BEⅡb，參與支鏈淀粉 A鏈的形成。淀粉合成相關(guān)酶在亞基或同功酶種類上的多樣性及酶之間的互作構(gòu)成了淀粉精細結(jié)構(gòu)多樣性的生物學基礎(chǔ)。

3 烤煙調(diào)制過程中淀粉含量及結(jié)構(gòu)的變化

3.1 淀粉含量變化

進入成熟期的煙葉呈現(xiàn)出降解特征，葉片細胞的細胞質(zhì)密度進一步降低，液泡數(shù)量較前期有顯著增加。巨大淀粉粒中出現(xiàn)大量空洞。這表明在淀粉代謝相關(guān)酶的作用下，淀粉被降解轉(zhuǎn)變成可溶性糖，但此時細胞質(zhì)中仍有豐富的囊泡存在，且淀粉粒表膜依舊保持完整，說明淀粉粒的降解是從里向外進行的。淀粉的消化性能及降解性能主要取決于組成淀粉的鏈淀粉和支鏈淀粉的含量比例，比例均衡不利于降解。這是因為普通淀粉中直鏈淀粉含量少，形成的結(jié)晶區(qū)小，無定形區(qū)比例大，淀粉分散于水以后，容易吸水膨脹。而淀粉酶是特殊的蛋白質(zhì)，它溶于水后容易進入淀粉顆粒的無定形區(qū)甚至結(jié)晶區(qū)，作用于淀粉。而當鏈淀粉和支淀粉含量相當時，鏈淀粉容易形成小的結(jié)晶區(qū)，而大分子量的支鏈淀粉通過其支鏈貫穿各個小結(jié)晶區(qū)，并通過氫鍵結(jié)合形成較為穩(wěn)固的晶格，其無定形區(qū)較小，因此淀粉酶難于作用[17]。

烘烤過程中淀粉等生物大分子迅速降解。淀粉的轉(zhuǎn)化是在淀粉分解酶的作用下進行的，淀粉分解酶在 20℃以上隨溫度的升高而活性隨之增高，60℃時達到最大值，到70℃時完全失去活性。煙葉烘烤環(huán)境中相對濕度和煙葉內(nèi)水分的存在是淀粉酶保持一定活性狀態(tài)的前提，65%～70%的環(huán)境濕度是淀粉降解的限制值，低的濕度更能使淀粉分解酶失去活性[3-4]。

3.2 淀粉結(jié)構(gòu)變化

在濕熱過程中，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)發(fā)生了變化，如淀粉顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、黏度、膨脹率、溶解率、糊的透明度、凍融穩(wěn)定性指標均有一定程度的降低[18]。加熱后，淀粉顆粒間開始出現(xiàn)對水的競爭，越來越多的淀粉顆粒失去雙折射現(xiàn)象，雙折射現(xiàn)象的消失首先發(fā)生于淀粉顆粒的核，并且與顆粒中心區(qū)域的空腔形成有關(guān)。這說明顆粒中組織化薄弱的區(qū)域首先受結(jié)構(gòu)無序化的影響。在水分有限的條件下，晶質(zhì)的無序化受到限制，被約束在顆粒內(nèi)部。因此，顆粒無法迅速膨脹，顆粒中的大分子也無法向外擴展?jié)B出。然而，隨著溫度升高，顆粒的完整性逐漸減弱，母體隨之呈不均勻擴展[19]。淀粉顆粒被加熱到一定溫度后就開始膨脹糊化，到一定溫度后糊化完成，即物料內(nèi)的淀粉顆粒全部糊化。淀粉顆粒大小不同，其糊化難易也不相同，較大的顆粒容易糊化，可在較低的溫度下糊化。如馬鈴薯淀粉乳開始糊化的溫度是56℃，糊化完成溫度為 67℃。淀粉粒在 65℃以下時，還基本上都是與生淀粉粒相同的貝殼狀結(jié)構(gòu)，而到了66℃時，就有少數(shù)一些淀粉粒吸水膨脹，其貝殼狀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而形成類似山脊狀的結(jié)構(gòu)。68℃時，膨脹的淀粉粒數(shù)約達到總數(shù)的一半。之后，隨著溫度的升高，膨脹的淀粉粒越來越多，膨脹的程度也越來越大，山脊狀結(jié)構(gòu)也慢慢地向結(jié)構(gòu)更加松散的半透明球狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，到74℃時，基本上全部的淀粉粒都已吸水膨脹。隨著加熱溫度的繼續(xù)上升，有些顆粒表面的微孔逐漸擴展、合并，孔與孔之間形成小梁和皺褶，使其呈多皺褶、多網(wǎng)孔的小體。另有些顆粒表面塌陷，呈橡皮筏形或薄煎餅形。該結(jié)構(gòu)是淀粉糊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的初期階段[20-21]。

4 淀粉含量及結(jié)構(gòu)與煙葉品質(zhì)的關(guān)系

淀粉是煙葉中重要的基礎(chǔ)有機化合物，在烘烤過程中發(fā)生一系列變化，其分解、轉(zhuǎn)化、消耗狀況，決定著煙葉內(nèi)在品質(zhì)和外觀商品等級的優(yōu)劣[2]。

初烤煙葉中殘留的淀粉是對煙葉色香味不利的化合物，嚴重影響著煙葉的外觀和內(nèi)在品質(zhì)以及卷煙的香吃味。一方面會影響燃燒速度和燃燒的完全性；另一方面燃吸時淀粉會產(chǎn)生焦糊氣味，產(chǎn)生刺激性和雜氣，對香吃味有不良影響[22]。但是，烤后煙葉的淀粉含量也不是越低越好。近年來一些部門和專家為了實現(xiàn)煙葉淀粉含量3.5%的目標，采取了各種措施，積極促進淀粉的分解轉(zhuǎn)化，最終使煙葉淀粉含量降到3.6%，然而，煙葉的商品價值或使用價值幾乎接近于零[23]。

相對于淀粉含量而言，淀粉組分及直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比值對品質(zhì)更有實際意義。國內(nèi)外已對此做過深入研究，一致認為直鏈淀粉含量和支鏈淀粉的長/短鏈比例對糧食作物口感起決定性作用[24-25]。目前有關(guān)淀粉結(jié)構(gòu)與糧食作物品質(zhì)的研究已是國際上的熱點問題，但關(guān)于煙草方面的研究還較少，亟待加強研究。

5 小 結(jié)

烤煙調(diào)制過程中淀粉發(fā)生的一系列變化是多因素復雜作用的結(jié)果。與煙草品種、生長環(huán)境、成熟度、調(diào)制條件等因素有關(guān)。在調(diào)制過程中，煙葉的淀粉含量、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)均發(fā)生變化，這與其吸水性、膨脹特性直接有關(guān)，也與粘結(jié)性、柔軟性和光澤密切相關(guān)。

對于烤煙淀粉在調(diào)制過程中的變化，目前的研究主要集中在如何調(diào)控溫度、濕度等環(huán)境因子降低淀粉含量等方面，忽略了淀粉的存在形態(tài)，沒有將淀粉體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶特性結(jié)合起來研究，缺少對煙草吸食品質(zhì)相關(guān)化學組分進行深入分析。

煙葉支鏈淀粉的分枝化度較高，流體動力學半徑較小，空間位阻也較小，調(diào)制過程中溫濕度條件的異常變化會對支鏈淀粉的組分和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，使淀粉的理化性質(zhì)發(fā)生一系列的變化，并最終反應(yīng)在淀粉的降解特性上[26]。因此，利用高效液相色譜等生化技術(shù)及掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）等顯微技術(shù)，研究調(diào)制過程中淀粉精細結(jié)構(gòu)的變化及其與淀粉粒形態(tài)學特征之間的關(guān)系，比較風格差異較大的煙葉品種在淀粉精細結(jié)構(gòu)上的差異，探討淀粉精細結(jié)構(gòu)與煙葉品質(zhì)之間的關(guān)系，將有利于解析烤煙品質(zhì)和風格的形成機理，全面揭示調(diào)制過程煙草吸食品質(zhì)形成的生化基礎(chǔ)。這些研究對于揭示煙草香吃味形成的機理，具有十分重要的理論和實踐意義。

[1]王懷珠，楊煥文，郭紅英，等.淀粉類酶降解鮮煙葉中淀粉的研究[J].中國煙草科學，2005（2）：37-39.

[2]宮長榮，王能如，汪耀富.煙葉烘烤原理[M].北京：科學出版社，1994.

[3]宮長榮，袁紅濤，陳江華.烘烤過程中環(huán)境濕度和煙葉水分與淀粉代謝動態(tài)[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2003，36（2）：155-158.

[4]宮長榮，孫福山，汪耀富，等.煙葉烘烤中不同變黃溫度對某些生理生化特性的影響[J].中國煙草科學，1998（2）：6-7.

[5]Tester R F,Karkalas J,Qi X.Starch composition,fine structure and architecture [J].Journal of Cereal Science,2004(39):151-165.

[6]肖協(xié)忠.煙草化學[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1997.

[7]Powell Gaines T,Horace G Cutler.Effect of flue curing on the amylase / amylopectin ratio of tobacco starch [J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，1974，22（4）：706-708.

[8]Matheson N.K.The chemical structure of amylose and amylopectin fractions of starch from tobacco leaves during development and diurnally-nocturnally[J].CORESTA，1997（4）：17-18.

[9]范昌發(fā)，郭曉才，賈敬芬，等.植物細胞中淀粉代謝與離體形態(tài)發(fā)生途徑?jīng)Q定的關(guān)系[J].華北農(nóng)學報，2000，15（4）：52-57.

[10]包勁松.植物淀粉生物合成研究進展[J].生命科學，1999，11（增刊）：104-107.

[11]Akihiro T,Mizuno K,Fujimura T.Gene expression of ADP-glucose pyrophosphorylase and starch contents in rice cultured cells are cooperatively regulated by sucrose and ABA[J].Plant Cell Physiology,2005(46):937-946.

[12]Ohdan T,Francisco P B,Sawada T,et al.Expression profiling of genes involved in starch synthesis in sink and source organs of rice [J].Journal of Experimental Botany,2005(56):3229-3244.

[13]Suzuki K,Hattori A,Tanaka S,et al.High-coverage profiling analysis of genes expressed during rice seed development,using an improved amplified fragment length polymorphism technique [J].Functional and Integrative Genomics,2005(5):117-127.

[14]Umemoto T,Yano M,Satoh H,et al.Mapping of a gene responsible for the difference in amylopectin structure between japonica-type and indica-type rice variety [J].Theoretical and Applied Genetics,2002(104):1-8.

[15]Umemoto T,Aoki N,Lin H,et al.Natural variation in rice starch synthase Ⅱaffects enzyme and starch properties [J].Functional Plant Biology,2004(31):671-684.

[16]Nakamura Y.Towards a better understanding of the metabolic system for amylopectin biosynthesis in plants:rice endosperm as a model tissue [J].Plant Cell Physiology,2002(43):718-725.

[17]邱禮平，溫其標.不同鏈淀粉含量玉米淀粉結(jié)構(gòu)特性及其降解性能的研究[J].糧油加工與食品機械，2005（10）：83-86.

[18]徐忠，繆銘，王鵬，等.濕熱處理對不同淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響[J].哈爾濱商業(yè)大學學報（自然科學版），2005，21（5）：649-653.

[19]江柏萱.內(nèi)含水受熱后木薯淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變化[J].世界熱帶農(nóng)業(yè)信息，1999（5）：17-18.

[20]吳薇，高振江.馬鈴薯在氣體射流沖擊烤制過程中其淀粉粒的顯微結(jié)構(gòu)變化[J].糧油加工與食品機械，2003（10）：18-19.

[21]趙凱，張守文，方桂珍，等.濕熱處理對玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及熱焓特性的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30（10）：17-20.

[22]邱妙文，凌壽軍，王行，等.不同烘烤濕度條件與煙葉淀粉含量變化關(guān)系[J].中國煙草科學，2004（3）：6-8.

[23]宮長榮，劉霞，郭瑞，等.淀粉代謝及影響烤煙淀粉含量的因素[J].云南農(nóng)業(yè)大學學報，2006，21（6）：742-748.

[24]Ramesh M,Ali S Z,Bhattacharya KR.Structure of rice starch and its relation to cooked-rice texture [J].Carbohydr Polym,1999(38):337-347.

[25]Vandeputtea G E,Vermeylena R,Geeroms J.Rice starches:Ⅲ.Structural aspects provide insight in amylopectin retrogradation properties and gel texture [J].Journal of Cereal Science,2003(38):61-68.

[26]杜先鋒，許時嬰，王璋.淀粉凝膠力學性能的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17（2）：16-19.