王 濤，賀 帆，詹 軍，徐成龍，宮長榮

（河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，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40%[1]。與其他植物相比，鮮煙葉中的淀粉只作為暫時貯存形態(tài)，煙葉經(jīng)調制、發(fā)酵后，淀粉大部分轉化為小分子碳水化合物，這些小分子碳水化合物能參與調節(jié)煙氣酸堿平衡；游離糖還能與蛋白質水解產(chǎn)生的游離氨基酸進行美拉德反應，產(chǎn)生一系列致香前體物[2]。

近幾年，我國烤煙生產(chǎn)水平雖然大幅提高，但是與國外優(yōu)質烤煙相比，內在化學成分協(xié)調性仍然存在較大差異，尤其是淀粉含量高已成為制約我國煙葉質量提高的一個重要因素[3]。因此，針對烤煙淀粉代謝及其調控的研究工作日漸引起學者的關注。在此筆者從淀粉的微觀結構、特性等方面對前人的研究結果進行分析綜述，對烤煙淀粉降解與品質特色形成的研究提出了新思路。

1 煙葉淀粉結構特性

1.1 淀粉結構表征與特性

淀粉是一種天然的多晶體系，在淀粉顆粒結構中包含著結晶區(qū)和無定形區(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)、鏈增長與支化三個明顯的酶過程，對其有重要影響的酶主要有 ADPG-PPase、SBE和 SS[4-6]。一般認為，ADPG-PPase控制淀粉合成速率，而SBE和SS共同影響淀粉顆粒的結構與特性。SBE是淀粉體內合成支鏈淀粉的關鍵酶；SS可分為淀粉粒結合型淀粉合成酶（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，流體動力學半徑較小，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，其結構特性均各具特征，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、脂類、磷和微量無機物[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構（生長環(huán)），具有明顯的偏光十字[13]。惠斯特勒[14]指出，這些生長環(huán)代表著淀粉折射率、密度、結晶度及對化學和酶侵襲的抵抗力，而且可提供團粒形態(tài)發(fā)育史的可見記錄。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 淀粉結構特性對酶解的影響

相關研究表明[15-16]，淀粉組分中脂類能與直鏈淀粉形成脂質-淀粉復合物，而復合物將會減少酶與底物的接觸，使淀粉鏈很難進入淀粉酶的活性位點；同時復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會降低酶與底物的接觸，對淀粉的酶解同樣有阻礙作用。結合磷主要在淀粉顆粒的無定形區(qū)，而淀粉的膨脹性與淀粉顆粒的無定形區(qū)有關，因此磷的存在很可能也會對淀粉的酶解有阻礙。邱禮平等[17]通過對不同鏈淀粉含量玉米酶降解性能研究認為，直鏈淀粉含量50%的玉米淀粉最難被酶降解。這可能是因為淀粉酶在作用于淀粉時容易進入淀粉顆粒的無定形區(qū)，而直鏈淀粉容易形成小的結晶區(qū)，當直鏈淀粉與支鏈淀粉含量相當時，支鏈淀粉通過支鏈貫穿各個小結晶區(qū)，通過氫鍵的作用結晶區(qū)更穩(wěn)固，此外，直鏈淀粉含量的增加會導致脂質-直鏈淀粉復合物的增加同樣會降低淀粉的酶解性能。但是，不同文獻關于直鏈淀粉對酶解的影響頗有爭議，Stevneb[18]認為，低直鏈淀粉水解程度大于普通淀粉和高直鏈淀粉。淀粉的晶體性質在淀粉的酶學行為中伴有重要角色，其研究對于淀粉降解性能的理解非常重要。國外多數(shù)研究[19]表明，“B”型晶體對α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶水解的抗性都大于“A”型。

2 成熟過程中烤煙淀粉積累、結構及其特性的變化

2.1 淀粉的動態(tài)積累

大量研究[20-21]表明，烤煙成熟過程中淀粉含量在生理成熟時達到最高，之后進入工藝成熟開始降低。在淀粉積累的動態(tài)變化過程中，生態(tài)因素與農(nóng)藝措施對淀粉有著重要影響。Huber等[22]認為，短光照（7 h）下煙草中蔗糖-磷酸酯合成酶活性發(fā)生轉移，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相關；與鉀素呈負相關，磷呈正相關。

2.2 淀粉的結構特性變化

淀粉結構特性受基因型（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[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；對于其他結構特性的變化研究主要集中在小麥、水稻等作物上。Matsuki[30]認為，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]對小麥進行嚴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。通過小麥不同施氮量試驗[32]分析表明，每公頃施純氮0～240 kg范圍內，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。在水氮互作條件下，從灌水與施氮對淀粉影響的效應大小看，直鏈淀粉的施氮效應大于灌水效應，而支鏈淀粉和總淀粉含量則是灌水效應大于施氮效應[33]。由此得出，通過一定的農(nóng)業(yè)措施，對烤煙淀粉結構特性的調控，進而對烘烤過程中的淀粉酶解行為進行調控將有可能成為降低淀粉含量的研究熱點。

3 烘烤過程中烤煙淀粉含量、結構及其特性的變化

烘烤是烤煙不同于其他作物的一個重要加工環(huán)節(jié)，在烘烤過程中煙葉內部仍進行著激烈的生理生化反應。宮長榮等[34]研究表明，煙葉內淀粉降解主要在變黃和定色前期，和煙葉水分、酶活性有重要關系。實際上，烘烤過程中淀粉的結構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內降解減緩，72 h后降解緩慢，干筋以后淀粉含量基本上沒什么變化[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]。宮長榮等[34,37]研究表明，在環(huán)境濕度較高的階段，煙葉內淀粉有著最大量和最快速度的降解，濕度降到70%以下時，淀粉含量趨于穩(wěn)定。低溫條件下，淀粉快速水解時間長，水解較徹底；高溫下淀粉發(fā)生快速水解時間早，持續(xù)時間較短，致使淀粉不能夠徹底降解。

3.2 淀粉顆粒結構特性

烘烤過程中，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，淀粉的顆粒結構發(fā)生了巨大變化。相關研究指出，隨著烘烤的進行和溫度的提高，顆粒表面呈現(xiàn)網(wǎng)絡狀結構，存在明顯的爆裂孔，內部結晶結構被破壞[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，而結合磷含量逐漸增大[13]。對于烘烤過程中觀察到的淀粉顆粒表面出現(xiàn)的大量空洞，相關研究結果[40]認為在淀粉酶解過程中，在酶的作用下淀粉顆粒表面不規(guī)則部分以及無定形區(qū)首先形成了淺淺的溝壑，接著往顆粒內部進行水解，并開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部淀粉，最終形成空洞。

烘烤過程中，煙葉各種組分在濕熱條件下會產(chǎn)生相轉變、流變性質變化、質量組成變化等，這些變化會促進煙葉品質的形成，同時對于一些物質的降解也會產(chǎn)生很大的影響。烘烤過程中淀粉糊漿中流釋出來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構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度，淀粉透光率上升[41]。煙葉烘烤過程中，淀粉理化性質尤其是熱特性的變化是熱處理中最明顯的變化，通過加熱提供能量，淀粉顆粒破壞結晶膠束區(qū)弱的氫鍵后，顆粒開始水合和吸水膨脹，結晶區(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、結構及其特性與烤煙品質的關系

4.1 淀粉含量與烤煙品質的關系

淀粉作為煙葉中重要的化合物，在烘烤過程中其分解、轉化決定著煙葉內在品質與外觀質量。人們對于煙葉淀粉與品質的關系普遍認識是：淀粉含量如果較高，一方面會影響燃吸的速度和完全性，另一方面燃吸時淀粉會產(chǎn)生焦糊氣味，對煙葉香吃味有不良影響[42-43]。淀粉含量過高反應為煙葉正反面色差大，顏色灰暗，葉面僵硬。通過對烤煙淀粉的熱裂解的研究表明，淀粉對烤煙的影響主要表現(xiàn)在對雜氣、刺激性、香氣、余味及燃燒性等指標上；對煙草品質的不利影響與淀粉裂解時產(chǎn)生的小分子醛類物質相關[44]。也有研究認為，淀粉含量并不是越低越好，只強調或考慮某種化學成分，難免會影響煙葉化學成分的整體協(xié)調性，甚至影響煙葉的風格特色[45]。

4.2 淀粉結構及其特性與烤煙品質的關系

烤煙淀粉組成、顆粒結構及其特性與煙葉內在質量與外觀質量有密切關系。淀粉中蛋白質與脂類物質能直接或者間接影響煙葉的吸食品質，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品質更有實際意義，在糧食作物中，直鏈淀粉含量的微弱變化都可能導致品質的明顯不同[46]。但關于煙草方面的報道還較少，有待進一步研究。

5 問題與展望

烘烤是彰顯煙葉特色，呈現(xiàn)煙葉質量的重要過程，鮮煙葉采后以及烘烤過程中的生理生化變化對于煙葉可用性有顯著影響，主要化合物含量和性質的變化對煙葉烤后品質有決定性作用。綜觀近幾年研究近況，國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[47]；國內的研究主要集中在如何調控田間與烤房的環(huán)境因子降低淀粉含量等方面，對于成熟、烘烤過程中烤煙淀粉顆粒結構特性的變化及其調控與煙葉品質特色的形成沒有得到足夠的重視。

5.1 烤煙淀粉結構特性的調控

從酶學的角度，植物葉片淀粉降解主要通過水解和磷酸化兩條途徑，而二者均由淀粉酶催化，國內外學者在烘烤環(huán)境條件對淀粉降解方面進行的大量研究，已經(jīng)基本掌握了烘烤過程中淀粉酶活性與淀粉的降解規(guī)律。但是在成熟、烘烤過程中，烤煙淀粉不僅在含量上發(fā)生了明顯變化，結構與特性也發(fā)生了變化，尤其是烘烤過程中溫濕度條件的變化會對淀粉的組分和結構產(chǎn)生重要影響，使淀粉的理化性質發(fā)生一系列的變化，并最終反應在淀粉的降解特性上。因此，通過對烤煙淀粉微觀結構、特性的變化，結合相關酶活性規(guī)律的研究分析，得出其結構、特性在成熟、烘烤過程中的調控措施，進而掌握降解規(guī)律以及調控措施，為烤煙淀粉降解尋求適宜烘烤環(huán)境條件，最終達到改變淀粉質量和降低其含量，進一步提高煙葉香吃味品質。

5.2 淀粉結構特性與煙葉品質特色形成的關系

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

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