烤煙淀粉微觀結(jié)構(gòu)特性及其與品質(zhì)關(guān)系研究進(jìn)展

王 濤，賀 帆，詹 軍，徐成龍，宮長(zhǎng)榮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002）

淀粉是高等植物中碳水化合物貯藏的主要形式，成熟的鮮煙葉中淀粉含量高達(dá)40%[1]。與其他植物相比，鮮煙葉中的淀粉只作為暫時(shí)貯存形態(tài)，煙葉經(jīng)調(diào)制、發(fā)酵后，淀粉大部分轉(zhuǎn)化為小分子碳水化合物，這些小分子碳水化合物能參與調(diào)節(jié)煙氣酸堿平衡；游離糖還能與蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的游離氨基酸進(jìn)行美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生一系列致香前體物[2]。

近幾年，我國(guó)烤煙生產(chǎn)水平雖然大幅提高，但是與國(guó)外優(yōu)質(zhì)烤煙相比，內(nèi)在化學(xué)成分協(xié)調(diào)性仍然存在較大差異，尤其是淀粉含量高已成為制約我國(guó)煙葉質(zhì)量提高的一個(gè)重要因素[3]。因此，針對(duì)烤煙淀粉代謝及其調(diào)控的研究工作日漸引起學(xué)者的關(guān)注。在此筆者從淀粉的微觀結(jié)構(gòu)、特性等方面對(duì)前人的研究結(jié)果進(jìn)行分析綜述，對(duì)烤煙淀粉降解與品質(zhì)特色形成的研究提出了新思路。

1 煙葉淀粉結(jié)構(gòu)特性

1.1 淀粉結(jié)構(gòu)表征與特性

淀粉是一種天然的多晶體系，在淀粉顆粒結(jié)構(gòu)中包含著結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)兩大部分，是直鏈淀粉和支鏈淀粉的有序集合。淀粉的生物合成包含引發(fā)、鏈增長(zhǎng)與支化三個(gè)明顯的酶過(guò)程，對(duì)其有重要影響的酶主要有 ADPG-PPase、SBE和 SS[4-6]。一般認(rèn)為，ADPG-PPase控制淀粉合成速率，而SBE和SS共同影響淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)與特性。SBE是淀粉體內(nèi)合成支鏈淀粉的關(guān)鍵酶；SS可分為淀粉粒結(jié)合型淀粉合成酶（Granule-Bound Starch Synthase，GBSS）和可溶性淀粉合成酶（Soluble Starch Synthase，SSS），GBSS I是研究較多的一類，它控制著直鏈淀粉的合成[7]。相關(guān)研究[2]表明，煙葉中直鏈淀粉占17%～27%，聚合度在100～6000；支鏈淀粉的分枝化度較高，流體動(dòng)力學(xué)半徑較小，空間位阻也較小，聚合度在1000～3 000 000。

淀粉顆粒由于植物種類的不同，其結(jié)構(gòu)特性均各具特征，一般淀粉顆粒的形狀為圓形、卵形和多角形；顆粒大小一般介于2～120 μm[8-11]。淀粉顆粒中，除淀粉分子外通常含有 10%～20%的水分和少量蛋白質(zhì)、脂類、磷和微量無(wú)機(jī)物[12]?？緹煹牡矸垲w粒為圓球形或不規(guī)則形狀，顆粒粒度較小。在偏光顯微鏡下觀察，有明暗相交替的層狀結(jié)構(gòu)（生長(zhǎng)環(huán)），具有明顯的偏光十字[13]。惠斯特勒[14]指出，這些生長(zhǎng)環(huán)代表著淀粉折射率、密度、結(jié)晶度及對(duì)化學(xué)和酶侵襲的抵抗力，而且可提供團(tuán)粒形態(tài)發(fā)育史的可見(jiàn)記錄。利用X-射線衍射儀，淀粉可以被分為“A”型、“B”型和一種混合形式“C”型，煙葉中淀粉屬于B-型粉晶體。

1.2 淀粉結(jié)構(gòu)特性對(duì)酶解的影響

相關(guān)研究表明[15-16]，淀粉組分中脂類能與直鏈淀粉形成脂質(zhì)-淀粉復(fù)合物，而復(fù)合物將會(huì)減少酶與底物的接觸，使淀粉鏈很難進(jìn)入淀粉酶的活性位點(diǎn)；同時(shí)復(fù)合物增加了淀粉的疏水性，間接降低了酶解性能。同脂類一樣顆粒表面的蛋白質(zhì)會(huì)降低酶與底物的接觸，對(duì)淀粉的酶解同樣有阻礙作用。結(jié)合磷主要在淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，而淀粉的膨脹性與淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)有關(guān)，因此磷的存在很可能也會(huì)對(duì)淀粉的酶解有阻礙。邱禮平等[17]通過(guò)對(duì)不同鏈淀粉含量玉米酶降解性能研究認(rèn)為，直鏈淀粉含量50%的玉米淀粉最難被酶降解。這可能是因?yàn)榈矸勖冈谧饔糜诘矸蹠r(shí)容易進(jìn)入淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，而直鏈淀粉容易形成小的結(jié)晶區(qū)，當(dāng)直鏈淀粉與支鏈淀粉含量相當(dāng)時(shí)，支鏈淀粉通過(guò)支鏈貫穿各個(gè)小結(jié)晶區(qū)，通過(guò)氫鍵的作用結(jié)晶區(qū)更穩(wěn)固，此外，直鏈淀粉含量的增加會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)-直鏈淀粉復(fù)合物的增加同樣會(huì)降低淀粉的酶解性能。但是，不同文獻(xiàn)關(guān)于直鏈淀粉對(duì)酶解的影響頗有爭(zhēng)議，Stevneb[18]認(rèn)為，低直鏈淀粉水解程度大于普通淀粉和高直鏈淀粉。淀粉的晶體性質(zhì)在淀粉的酶學(xué)行為中伴有重要角色，其研究對(duì)于淀粉降解性能的理解非常重要。國(guó)外多數(shù)研究[19]表明，“B”型晶體對(duì)α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶水解的抗性都大于“A”型。

2 成熟過(guò)程中烤煙淀粉積累、結(jié)構(gòu)及其特性的變化

2.1 淀粉的動(dòng)態(tài)積累

大量研究[20-21]表明，烤煙成熟過(guò)程中淀粉含量在生理成熟時(shí)達(dá)到最高，之后進(jìn)入工藝成熟開(kāi)始降低。在淀粉積累的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，生態(tài)因素與農(nóng)藝措施對(duì)淀粉有著重要影響。Huber等[22]認(rèn)為，短光照（7 h）下煙草中蔗糖-磷酸酯合成酶活性發(fā)生轉(zhuǎn)移，蔗糖減少，但淀粉生成量增大。史宏志等[23]研究提出，紅光能在一定程度上提高碳水化合物的含量。在成熟期內(nèi)隨著溫度升高，煙葉碳水化合物含量降低[24]；受到凍害的成熟煙葉，淀粉含量明顯增加[25]。相關(guān)研究[26-27]分析表明，在不同施肥水平下，隨著施氮量的增加，淀粉積累推遲且含量減少即淀粉積累量與施氮量呈負(fù)相關(guān)；與鉀素呈負(fù)相關(guān)，磷呈正相關(guān)。

2.2 淀粉的結(jié)構(gòu)特性變化

淀粉結(jié)構(gòu)特性受基因型（G）和環(huán)境（E）的共同影響，部分性狀間存在顯著 G×E互作效應(yīng)[28]。Tatsuo[29]指出，打頂后煙葉中淀粉顆粒大小和支鏈/直鏈淀粉比值隨成熟而增加，淀粉中的鈣下降，磷含量保持不變；對(duì)于其他結(jié)構(gòu)特性的變化研究主要集中在小麥、水稻等作物上。Matsuki[30]認(rèn)為，小麥成熟期高溫下單粒淀粉含量下降，一些品種直鏈淀粉含量增加，而在低溫下支鏈淀粉的短鏈比例較大。許振柱等[31]對(duì)小麥進(jìn)行嚴(yán)重干旱處理研究表明籽粒中總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量降低，直鏈/支鏈比降低。通過(guò)小麥不同施氮量試驗(yàn)[32]分析表明，每公頃施純氮0～240 kg范圍內(nèi)，隨著氮肥的增加，直鏈/支鏈淀粉比值隨施氮量增加呈減小趨勢(shì)。在水氮互作條件下，從灌水與施氮對(duì)淀粉影響的效應(yīng)大小看，直鏈淀粉的施氮效應(yīng)大于灌水效應(yīng)，而支鏈淀粉和總淀粉含量則是灌水效應(yīng)大于施氮效應(yīng)[33]。由此得出，通過(guò)一定的農(nóng)業(yè)措施，對(duì)烤煙淀粉結(jié)構(gòu)特性的調(diào)控，進(jìn)而對(duì)烘烤過(guò)程中的淀粉酶解行為進(jìn)行調(diào)控將有可能成為降低淀粉含量的研究熱點(diǎn)。

3 烘烤過(guò)程中烤煙淀粉含量、結(jié)構(gòu)及其特性的變化

烘烤是烤煙不同于其他作物的一個(gè)重要加工環(huán)節(jié)，在烘烤過(guò)程中煙葉內(nèi)部仍進(jìn)行著激烈的生理生化反應(yīng)。宮長(zhǎng)榮等[34]研究表明，煙葉內(nèi)淀粉降解主要在變黃和定色前期，和煙葉水分、酶活性有重要關(guān)系。實(shí)際上，烘烤過(guò)程中淀粉的結(jié)構(gòu)與特性的變化均能不同程度影響淀粉降解速度和程度。

3.1 淀粉含量

烘烤過(guò)程中淀粉等生物大分子迅速降解，淀粉含量的變化在烘烤的前36 h尤其劇烈，36～60 h內(nèi)降解減緩，72 h后降解緩慢，干筋以后淀粉含量基本上沒(méi)什么變化[35]。不同烘烤條件相比較，采用低溫低濕變黃，慢速升溫定色的方法，煙葉中淀粉降解量、降解速率，淀粉酶和淀粉磷酸化酶活性都較高，烤后煙葉淀粉含量較低[36]。宮長(zhǎng)榮等[34,37]研究表明，在環(huán)境濕度較高的階段，煙葉內(nèi)淀粉有著最大量和最快速度的降解，濕度降到70%以下時(shí)，淀粉含量趨于穩(wěn)定。低溫條件下，淀粉快速水解時(shí)間長(zhǎng)，水解較徹底；高溫下淀粉發(fā)生快速水解時(shí)間早，持續(xù)時(shí)間較短，致使淀粉不能夠徹底降解。

3.2 淀粉顆粒結(jié)構(gòu)特性

烘烤過(guò)程中，煙葉一度處于高溫高濕的環(huán)境中，在濕熱以及酶的作用下，淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。相關(guān)研究指出，隨著烘烤的進(jìn)行和溫度的提高，顆粒表面呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，存在明顯的爆裂孔，內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞[13]；直鏈淀粉與支鏈淀粉的比率不變，一直保持在3:7左右[38-39]；淀粉組分中粗脂肪、水分和灰分逐漸變小，而結(jié)合磷含量逐漸增大[13]。對(duì)于烘烤過(guò)程中觀察到的淀粉顆粒表面出現(xiàn)的大量空洞，相關(guān)研究結(jié)果[40]認(rèn)為在淀粉酶解過(guò)程中，在酶的作用下淀粉顆粒表面不規(guī)則部分以及無(wú)定形區(qū)首先形成了淺淺的溝壑，接著往顆粒內(nèi)部進(jìn)行水解，并開(kāi)始形成針孔狀的小孔，之后，酶繼續(xù)縱向或橫向水解顆粒內(nèi)部淀粉，最終形成空洞。

烘烤過(guò)程中，煙葉各種組分在濕熱條件下會(huì)產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變、流變性質(zhì)變化、質(zhì)量組成變化等，這些變化會(huì)促進(jìn)煙葉品質(zhì)的形成，同時(shí)對(duì)于一些物質(zhì)的降解也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。烘烤過(guò)程中淀粉糊漿中流釋出來(lái)的直鏈淀粉在糊漿中形成溶膠，從而造成淀粉黏度特性發(fā)生了變化；在糊液中較少殘存的淀粉顆粒組成的線狀結(jié)構(gòu)以及回生后形成的凝膠束形成了淀粉糊透明，減弱了光線的折射和反射強(qiáng)度，淀粉透光率上升[41]。煙葉烘烤過(guò)程中，淀粉理化性質(zhì)尤其是熱特性的變化是熱處理中最明顯的變化，通過(guò)加熱提供能量，淀粉顆粒破壞結(jié)晶膠束區(qū)弱的氫鍵后，顆粒開(kāi)始水合和吸水膨脹，結(jié)晶區(qū)消失，溶液黏度增加，淀粉顆粒破裂，雙折射消失。

4 淀粉含量、結(jié)構(gòu)及其特性與烤煙品質(zhì)的關(guān)系

4.1 淀粉含量與烤煙品質(zhì)的關(guān)系

淀粉作為煙葉中重要的化合物，在烘烤過(guò)程中其分解、轉(zhuǎn)化決定著煙葉內(nèi)在品質(zhì)與外觀質(zhì)量。人們對(duì)于煙葉淀粉與品質(zhì)的關(guān)系普遍認(rèn)識(shí)是：淀粉含量如果較高，一方面會(huì)影響燃吸的速度和完全性，另一方面燃吸時(shí)淀粉會(huì)產(chǎn)生焦糊氣味，對(duì)煙葉香吃味有不良影響[42-43]。淀粉含量過(guò)高反應(yīng)為煙葉正反面色差大，顏色灰暗，葉面僵硬。通過(guò)對(duì)烤煙淀粉的熱裂解的研究表明，淀粉對(duì)烤煙的影響主要表現(xiàn)在對(duì)雜氣、刺激性、香氣、余味及燃燒性等指標(biāo)上；對(duì)煙草品質(zhì)的不利影響與淀粉裂解時(shí)產(chǎn)生的小分子醛類物質(zhì)相關(guān)[44]。也有研究認(rèn)為，淀粉含量并不是越低越好，只強(qiáng)調(diào)或考慮某種化學(xué)成分，難免會(huì)影響煙葉化學(xué)成分的整體協(xié)調(diào)性，甚至影響煙葉的風(fēng)格特色[45]。

4.2 淀粉結(jié)構(gòu)及其特性與烤煙品質(zhì)的關(guān)系

烤煙淀粉組成、顆粒結(jié)構(gòu)及其特性與煙葉內(nèi)在質(zhì)量與外觀質(zhì)量有密切關(guān)系。淀粉中蛋白質(zhì)與脂類物質(zhì)能直接或者間接影響煙葉的吸食品質(zhì)，而灰分的變化反映了煙葉燃燒殘余程度。黏著性適中的凝膠可以賦予最終煙草制品良好的口感[13]。淀粉等大分子物質(zhì)的吸濕特性與初烤煙葉回潮及平衡水分含量也有重要影響。而直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比值對(duì)品質(zhì)更有實(shí)際意義，在糧食作物中，直鏈淀粉含量的微弱變化都可能導(dǎo)致品質(zhì)的明顯不同[46]。但關(guān)于煙草方面的報(bào)道還較少，有待進(jìn)一步研究。

5 問(wèn)題與展望

烘烤是彰顯煙葉特色，呈現(xiàn)煙葉質(zhì)量的重要過(guò)程，鮮煙葉采后以及烘烤過(guò)程中的生理生化變化對(duì)于煙葉可用性有顯著影響，主要化合物含量和性質(zhì)的變化對(duì)煙葉烤后品質(zhì)有決定性作用。綜觀近幾年研究近況，國(guó)外的煙葉淀粉研究方向主要是淀粉在煙草葉片或其他組織中合成與基因表達(dá)[47]；國(guó)內(nèi)的研究主要集中在如何調(diào)控田間與烤房的環(huán)境因子降低淀粉含量等方面，對(duì)于成熟、烘烤過(guò)程中烤煙淀粉顆粒結(jié)構(gòu)特性的變化及其調(diào)控與煙葉品質(zhì)特色的形成沒(méi)有得到足夠的重視。

5.1 烤煙淀粉結(jié)構(gòu)特性的調(diào)控

從酶學(xué)的角度，植物葉片淀粉降解主要通過(guò)水解和磷酸化兩條途徑，而二者均由淀粉酶催化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在烘烤環(huán)境條件對(duì)淀粉降解方面進(jìn)行的大量研究，已經(jīng)基本掌握了烘烤過(guò)程中淀粉酶活性與淀粉的降解規(guī)律。但是在成熟、烘烤過(guò)程中，烤煙淀粉不僅在含量上發(fā)生了明顯變化，結(jié)構(gòu)與特性也發(fā)生了變化，尤其是烘烤過(guò)程中溫濕度條件的變化會(huì)對(duì)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。因此，通過(guò)對(duì)烤煙淀粉微觀結(jié)構(gòu)、特性的變化，結(jié)合相關(guān)酶活性規(guī)律的研究分析，得出其結(jié)構(gòu)、特性在成熟、烘烤過(guò)程中的調(diào)控措施，進(jìn)而掌握降解規(guī)律以及調(diào)控措施，為烤煙淀粉降解尋求適宜烘烤環(huán)境條件，最終達(dá)到改變淀粉質(zhì)量和降低其含量，進(jìn)一步提高煙葉香吃味品質(zhì)。

5.2 淀粉結(jié)構(gòu)特性與煙葉品質(zhì)特色形成的關(guān)系

目前對(duì)于淀粉與煙葉品質(zhì)的關(guān)系研究較多的是，淀粉含量對(duì)煙葉品質(zhì)的影響，在碳氮平衡條件下，煙葉淀粉含量越低越好。但是對(duì)于淀粉結(jié)構(gòu)、特性與煙葉品質(zhì)關(guān)系的研究一直是個(gè)空白。因此，利用植物顯微、X-射線衍射等現(xiàn)代分析技術(shù)，比較烘烤過(guò)程以及烤后風(fēng)格差異較大的煙葉在淀粉微觀結(jié)構(gòu)與特性上的差異，分析與煙葉品質(zhì)的關(guān)系，對(duì)于解析烤煙風(fēng)格特色以及烘烤過(guò)程中的形成具有十分重要的意義。

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