孫敬權(quán)　唐經(jīng)祥　任四海

摘要分析并繪制了烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化的路徑，闡明了淀粉在葉綠體內(nèi)降解的主要產(chǎn)物為麥芽糖，麥芽糖在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)化合成蔗糖，蔗糖在液泡內(nèi)轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖。該路徑的闡明為煙葉烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化調(diào)控提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞烤煙；烘烤；淀粉降解；糖分轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)S572；TS44+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）19-0101-03

Pathway of Starch Breakdown and Sugar Translation in Tobacco Leaves During Fluecuring and Their Regulation

SUN Jingquan，TANG Jingxiang，REN Sihai

（Tobacco Research Institute， Anhui Academy of Agricultural Sciences， Hefei，Anhui 230031）

AbstractThis paper described the pathway of starch breakdown and sugar translation in tobacco leaves during fluecuring. Maltose is the major form of carbon exported from the chloroplast. Sucrose is made by sucrose phosphate synthase in the cytosol. The hydrolysis of sucrose yield fructose and glucose in the vacuole. The expound of the pathway provided the basis for regulation of starch breakdown and sugar translation in tobacco leaves during fluecuring.

Key wordsFluecured tobacco；Fluecuring；Starch breakdown；Sugar translation

烤煙在烘烤過程中，累積于鮮煙葉內(nèi)的淀粉（占干重25%～40%）大部分被降解，并主要以果糖、葡萄糖和蔗糖等累積于初烤煙葉內(nèi)。研究表明，煙葉內(nèi)的還原糖（主要為果糖和葡萄糖等）與氨基酸等發(fā)生的美拉德反應(yīng)是煙葉致香物質(zhì)重要來源，可見，淀粉降解及糖分轉(zhuǎn)化的程度顯著影響煙葉的品質(zhì)。而且，淀粉對(duì)煙氣質(zhì)量具有負(fù)面影響[1]，其含量已經(jīng)成為評(píng)價(jià)烤后煙葉質(zhì)量的重要限制性指標(biāo)之一。研究還表明，與氨基酸等發(fā)生美拉德反應(yīng)可產(chǎn)生致香物質(zhì)的糖主要為果糖和葡萄糖等?？梢?，烘烤過程煙葉內(nèi)蔗糖若未能充分轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖顯然不利于煙葉增香。另外，累積于初烤煙葉內(nèi)的幾種主要糖分，其吸濕保濕性能差異也很大，果糖最強(qiáng)，葡萄糖居中，蔗糖較弱。烘烤過程將煙葉內(nèi)的蔗糖充分轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖對(duì)煙葉保潤(rùn)也有利。因此，降低初烤煙葉淀粉和蔗糖含量是烤煙烘烤重要的研究課題。

為實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤過程淀粉充分降解和糖分充分轉(zhuǎn)化，首先要理清烤煙烘烤過程中淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化的途徑并弄清其關(guān)鍵調(diào)控因素。然而，至今尚缺少對(duì)淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化整個(gè)途徑的完整闡述，該研究結(jié)合植物葉片淀粉降解的共性規(guī)律對(duì)此做較為詳細(xì)的分析和概述。

1烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化途徑

1.1葉綠體內(nèi)淀粉的降解與轉(zhuǎn)運(yùn)

分析認(rèn)為，采收后裝入烤房?jī)?nèi)烘烤的煙葉，其淀粉降解與夜間植物葉片淀粉降解有著相似的特性。21世紀(jì)初，人們還在用禾谷類作物種子胚乳淀粉降解過程解釋葉片葉綠體內(nèi)的淀粉降解過程。但隨著分子生物學(xué)技術(shù)在植物葉綠體內(nèi)淀粉降解方面的研究應(yīng)用，科學(xué)家們逐步發(fā)現(xiàn)葉片葉綠體內(nèi)的淀粉降解過程與禾谷胚乳內(nèi)的淀粉降解過程完全不同。特別是麥芽糖轉(zhuǎn)運(yùn)子基因（mex1）的發(fā)現(xiàn)，徹底更正了過去對(duì)葉綠體內(nèi)淀粉降解的認(rèn)識(shí)。Niittyl等[2]證明了麥芽糖轉(zhuǎn)運(yùn)子對(duì)于葉片淀粉降解的必要性?，F(xiàn)今，科學(xué)家們不僅證明了從葉綠體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)出來的淀粉降解產(chǎn)物主要是麥芽糖，而且還基本弄清了葉綠體內(nèi)淀粉降解的途徑。Zeeman等[3-4]對(duì)葉片葉綠體內(nèi)淀粉降解進(jìn)行過較為詳細(xì)的描述。

依據(jù)已有的研究成果，筆者將葉綠體內(nèi)淀粉降解及其主要產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程簡(jiǎn)化為以下5個(gè)步驟：

①淀粉磷酸化[5-7]；

②磷酸化的淀粉粒逐層降解[8-9]；

③線性磷酸葡聚糖脫磷酸并降解[10-11]；

④低聚麥芽糖降解[12]；

⑤麥芽糖轉(zhuǎn)運(yùn)出葉綠體[13-14]。

Yu等[5]、Baunsgaard等[6]、Rittea等[7]研究表明，淀粉磷酸化是葉片淀粉降解的前提，編碼α-葡聚糖水二激酶和磷酸葡聚糖水二激酶的2個(gè)基因任何1個(gè)突變或被敲除都會(huì)導(dǎo)致葉片淀粉不能被降解。王懷珠等[15]研究也認(rèn)為，煙葉烘烤過程中，淀粉降解是淀粉酶和淀粉磷酸化酶綜合作用的結(jié)果，并且鮮煙葉中淀粉磷酸化酶活性較高。

Scheidig等[16]、Yu等[17]研究認(rèn)為，淀粉降解受光調(diào)控，磷酸化的淀粉在葉片處于黑暗環(huán)境中很快開始降解。雖能被α-淀粉酶、極限糊精酶、β-淀粉酶3條途徑分別不同程度地降解，但編碼α-淀粉酶、極限糊精酶基因被敲除對(duì)淀粉降解速度影響不大，而編碼β-淀粉酶的基因被敲除則導(dǎo)致淀粉過量累積。宮長(zhǎng)榮等[18]研究也表明，煙葉烘烤過程中，β-淀粉酶活性最高，且同工酶活性和生理生化酶活性測(cè)定結(jié)果相一致。由此可見，煙葉內(nèi)的淀粉主要是通過β-淀粉酶降解的。

Weise 等[13]研究認(rèn)為，在葉綠體內(nèi)淀粉降解的主要產(chǎn)物為麥芽糖，當(dāng)葉綠體內(nèi)淀粉降解轉(zhuǎn)化為麥芽糖后，在麥芽糖轉(zhuǎn)運(yùn)子的作用下，麥芽糖被從葉綠體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。

1.2細(xì)胞質(zhì)內(nèi)蔗糖的合成

被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的麥芽糖逐步轉(zhuǎn)化合成蔗糖，其過程可簡(jiǎn)化為以下6個(gè)步驟：

①麥芽糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖等；

②葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖；

③6-磷酸葡萄糖分別轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖和1-磷酸葡萄糖；

④1-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸葡萄糖；

⑤尿苷二磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖合成磷酸蔗糖；

⑥磷酸蔗糖脫磷酸轉(zhuǎn)化為蔗糖。

麥芽糖被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)以后，在麥芽糖轉(zhuǎn)葡糖基酶作用下，被轉(zhuǎn)化為葡萄糖。Lu等[19]研究了麥芽糖轉(zhuǎn)葡糖基酶將麥芽糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖等的作用。對(duì)于在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)由葡萄糖合成蔗糖的研究較多，合成途徑也比較清楚。

Veramendi 等[20]證明了Hexokinase 1是葉片葉綠體內(nèi)淀粉降解過程中重要的一環(huán)，若Hexokinase 1活性被抑制將導(dǎo)致葉綠體內(nèi)淀粉不能被充分降解并過量積累。

在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的蔗糖，其去向主要取決于消耗碳水化合物的器官或組織對(duì)蔗糖需求的大小。當(dāng)需求大時(shí)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖優(yōu)先向這些器官或組織輸出，但當(dāng)其對(duì)蔗糖需求降低時(shí)（如去庫(kù)處理等），細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成的蔗糖則通過跨膜運(yùn)輸進(jìn)入液泡貯藏。成熟煙葉之所以能夠累積高達(dá)干重25%～40%的淀粉，也與煙葉生產(chǎn)采取打頂措施有關(guān)。在田間，白天光合作用累積淀粉，夜晚因打頂（去庫(kù)處理）導(dǎo)致降解和轉(zhuǎn)運(yùn)較少，淀粉在葉片內(nèi)逐漸積累。對(duì)于采收后烘烤過程中的煙葉，淀粉降解的中間產(chǎn)物（如麥芽糖、葡萄糖等）經(jīng)轉(zhuǎn)化在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成蔗糖再通過跨膜運(yùn)輸進(jìn)入液泡。

1.3蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)及液泡內(nèi)蔗糖水解

研究表明，蔗糖是通過質(zhì)子反向協(xié)同運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡的。轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡內(nèi)的蔗糖在酸性轉(zhuǎn)化酶作用下轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖。

HEINEKE等[21]研究證明，煙葉內(nèi)蔗糖主要存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而高達(dá)98%的葡萄糖、果糖存在于液泡中。Klann 等[22-23]研究也表明，己糖積累型的栽培番茄在果實(shí)成熟過程中液泡蔗糖轉(zhuǎn)化酶的活性大幅度增強(qiáng)，但蔗糖積累型的野生番茄品種在果實(shí)成熟過程中其活性一直維持在較低的水平。當(dāng)液泡蔗糖轉(zhuǎn)化酶的表達(dá)被抑制后，栽培番茄品種果實(shí)從己糖積累型轉(zhuǎn)化為蔗糖積累型。Yau等[24]研究也表明，將一個(gè)2.5 kb長(zhǎng)度DNA片段插入到染色體上以消除液泡 acid soluble invertase isozyme Ⅱ 轉(zhuǎn)錄將會(huì)導(dǎo)致蔗糖在液泡內(nèi)累積。

依據(jù)上述研究成果得出，液泡內(nèi)果糖、葡萄糖主要來自于蔗糖的轉(zhuǎn)化。

綜上，烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化途徑可簡(jiǎn)要概括如圖1所示。

2烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化調(diào)控

烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化途徑的理清，為分析和查找煙葉烘烤工藝存在的問題提供了理論依據(jù)，對(duì)淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化進(jìn)行調(diào)控具有重要指導(dǎo)作用。

葉綠體內(nèi)的淀粉主要是通過β-淀粉酶途徑降解的，而β-淀粉酶活性受麥芽糖濃度調(diào)控[25]。而且，抑制編碼己糖激酶活性及Hex-1基因表達(dá)也將嚴(yán)重阻礙淀粉的降解[26]。其機(jī)理則是抑制編碼己糖激酶活性或Hex-1基因表達(dá)所造成的高濃度葡萄糖直接抑制細(xì)胞質(zhì)糖苷轉(zhuǎn)移酶DPE2活性，進(jìn)而提高麥芽糖濃度抑制β-淀粉酶活性，導(dǎo)致淀粉累積[26]?？梢?，對(duì)于烘烤過程中的煙葉，在淀粉未能充分降解之前，過早和過度失水導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)和葉綠體內(nèi)糖濃度提高，顯然對(duì)淀粉降解不利。

另外，己糖激酶Hex-1的活性與ATP供給有關(guān)，即為促進(jìn)淀粉充分降解，需要保留適當(dāng)?shù)乃謥砭S持細(xì)胞呼吸強(qiáng)度。宮長(zhǎng)榮等[27]研究也認(rèn)為，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。煙葉水分降低到50%左右時(shí)淀粉降解變緩，含量趨于穩(wěn)定。

另?yè)?jù)宮長(zhǎng)榮等[28]研究表明，烘烤過程中在35～38 ℃變黃，并在煙葉變黃后延長(zhǎng)12 h和在42 ℃條件下凋萎12 h，有利于淀粉降解和煙葉品質(zhì)改善。龔順禹等[29]研究也認(rèn)為，采用低溫低濕變黃，慢速升溫定色的烘烤環(huán)境，煙葉內(nèi)淀粉酶和淀粉磷酸化酶活性較高，有利于煙葉淀粉的降解。低溫低濕變黃：變黃期干球溫度32～38 ℃，相對(duì)濕度74%～81%，待煙葉基本全黃，然后以0.5 ℃/h 升溫到54～55 ℃完成定色。

從該文概述的糖分轉(zhuǎn)化途徑可知，累積于初烤煙葉內(nèi)的葡萄糖、果糖主要來自于蔗糖在液泡內(nèi)的轉(zhuǎn)化。也就是說，煙葉烘烤過程中，糖分轉(zhuǎn)化的方向是蔗糖先在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)由麥芽糖、葡萄糖逐步合成再被轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡內(nèi)，然后蔗糖再被水解為葡萄糖、果糖。這一過程很好地解釋了烤后煙葉內(nèi)葡萄糖和果糖含量基本相當(dāng)（或差別不大）的現(xiàn)象。糖分轉(zhuǎn)化方向的闡明為解決烘烤過程中對(duì)糖分轉(zhuǎn)化相關(guān)酶促反應(yīng)是促還是控的問題提供了理論依據(jù)。

為降低初烤煙葉蔗糖含量，烘烤過程應(yīng)該充分促進(jìn)蔗糖向葡萄糖、果糖轉(zhuǎn)化。然而，蔗糖進(jìn)入液泡是跨膜主動(dòng)運(yùn)輸過程，需要能量的支持。也就是說，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的蔗糖能否被充分地轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡并轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖取決于細(xì)胞的呼吸作用強(qiáng)度，即與煙葉含水量有關(guān)。過早和過度失水將導(dǎo)致細(xì)胞呼吸減弱或終止，減低甚至阻止蔗糖向液泡轉(zhuǎn)運(yùn)而累積于細(xì)胞質(zhì)中，結(jié)果是初烤煙葉蔗糖偏高。

3結(jié)語(yǔ)

就目前生產(chǎn)而言，普遍采用強(qiáng)制通風(fēng)的密集烘烤，這種烘烤方式為烤煙烘烤提供了強(qiáng)大的調(diào)控能力，為烤煙烘烤過程保水充分變黃提供了保障。但若烘烤工藝執(zhí)行不當(dāng)，也可帶來明顯的負(fù)面影響。因此，在當(dāng)前采用強(qiáng)制通風(fēng)密集烘烤的情況下，強(qiáng)調(diào)防止煙葉烘烤前中期過度失水更具有現(xiàn)實(shí)意義。分析認(rèn)為，烤后煙葉淀粉殘留量高、吸濕保濕能力差、僵硬光滑、油潤(rùn)性差等也都與此有關(guān)。要糾正“片黃則干”錯(cuò)誤觀念，確保將煙葉烤香、烤潤(rùn)。

45卷19期孫敬權(quán)等烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉(zhuǎn)化途徑及調(diào)控

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