烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化途徑及調控

孫敬權　唐經祥　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化的路徑，闡明了淀粉在葉綠體內降解的主要產物為麥芽糖，麥芽糖在細胞質內轉化合成蔗糖，蔗糖在液泡內轉化為葡萄糖和果糖。該路徑的闡明為煙葉烘烤過程淀粉降解與糖分轉化調控提供了依據。

關鍵詞烤煙；烘烤；淀粉降解；糖分轉化

中圖分類號S572；TS44+1文獻標識碼A文章編號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。研究表明，煙葉內的還原糖（主要為果糖和葡萄糖等）與氨基酸等發生的美拉德反應是煙葉致香物質重要來源，可見，淀粉降解及糖分轉化的程度顯著影響煙葉的品質。而且，淀粉對煙氣質量具有負面影響[1]，其含量已經成為評價烤后煙葉質量的重要限制性指標之一。研究還表明，與氨基酸等發生美拉德反應可產生致香物質的糖主要為果糖和葡萄糖等。可見，烘烤過程煙葉內蔗糖若未能充分轉化為果糖和葡萄糖顯然不利于煙葉增香。另外，累積于初烤煙葉內的幾種主要糖分，其吸濕保濕性能差異也很大，果糖最強，葡萄糖居中，蔗糖較弱。烘烤過程將煙葉內的蔗糖充分轉化為果糖和葡萄糖對煙葉保潤也有利。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。

為實現煙葉烘烤過程淀粉充分降解和糖分充分轉化，首先要理清烤煙烘烤過程中淀粉降解與糖分轉化的途徑并弄清其關鍵調控因素。然而，至今尚缺少對淀粉降解與糖分轉化整個途徑的完整闡述，該研究結合植物葉片淀粉降解的共性規律對此做較為詳細的分析和概述。

1烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化途徑

1.1葉綠體內淀粉的降解與轉運

分析認為，采收后裝入烤房內烘烤的煙葉，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的淀粉降解過程。但隨著分子生物學技術在植物葉綠體內淀粉降解方面的研究應用，科學家們逐步發現葉片葉綠體內的淀粉降解過程與禾谷胚乳內的淀粉降解過程完全不同。特別是麥芽糖轉運子基因（mex1）的發現，徹底更正了過去對葉綠體內淀粉降解的認識。Niittyl等[2]證明了麥芽糖轉運子對于葉片淀粉降解的必要性。現今，科學家們不僅證明了從葉綠體內轉運出來的淀粉降解產物主要是麥芽糖，而且還基本弄清了葉綠體內淀粉降解的途徑。Zeeman等[3-4]對葉片葉綠體內淀粉降解進行過較為詳細的描述。

依據已有的研究成果，筆者將葉綠體內淀粉降解及其主要產物的轉運過程簡化為以下5個步驟：

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麥芽糖轉運出葉綠體[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個基因任何1個突變或被敲除都會導致葉片淀粉不能被降解。王懷珠等[15]研究也認為，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]研究認為，淀粉降解受光調控，磷酸化的淀粉在葉片處于黑暗環境中很快開始降解。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致淀粉過量累積。宮長榮等[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定結果相一致。由此可見，煙葉內的淀粉主要是通過β-淀粉酶降解的。

Weise 等[13]研究認為，在葉綠體內淀粉降解的主要產物為麥芽糖，當葉綠體內淀粉降解轉化為麥芽糖后，在麥芽糖轉運子的作用下，麥芽糖被從葉綠體內轉運至細胞質內。

1.2細胞質內蔗糖的合成

被轉運至細胞質內的麥芽糖逐步轉化合成蔗糖，其過程可簡化為以下6個步驟：

①麥芽糖轉化為葡萄糖等；

②葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖；

③6-磷酸葡萄糖分別轉化為6-磷酸果糖和1-磷酸葡萄糖；

④1-磷酸葡萄糖轉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磷酸蔗糖脫磷酸轉化為蔗糖。

麥芽糖被轉運至細胞質內以后，在麥芽糖轉葡糖基酶作用下，被轉化為葡萄糖。Lu等[19]研究了麥芽糖轉葡糖基酶將麥芽糖轉化為葡萄糖等的作用。對于在細胞質內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是葉片葉綠體內淀粉降解過程中重要的一環，若Hexokinase 1活性被抑制將導致葉綠體內淀粉不能被充分降解并過量積累。

在細胞質內合成的蔗糖，其去向主要取決于消耗碳水化合物的器官或組織對蔗糖需求的大小。當需求大時，細胞質內形成的蔗糖優先向這些器官或組織輸出，但當其對蔗糖需求降低時（如去庫處理等），細胞質內形成的蔗糖則通過跨膜運輸進入液泡貯藏。成熟煙葉之所以能夠累積高達干重25%～40%的淀粉，也與煙葉生產采取打頂措施有關。在田間，白天光合作用累積淀粉，夜晚因打頂（去庫處理）導致降解和轉運較少，淀粉在葉片內逐漸積累。對于采收后烘烤過程中的煙葉，淀粉降解的中間產物（如麥芽糖、葡萄糖等）經轉化在細胞質內合成蔗糖再通過跨膜運輸進入液泡。

1.3蔗糖轉運及液泡內蔗糖水解

研究表明，蔗糖是通過質子反向協同運輸轉運至液泡的。轉運至液泡內的蔗糖在酸性轉化酶作用下轉化為果糖和葡萄糖。

HEINEKE等[21]研究證明，煙葉內蔗糖主要存在于細胞質內，而高達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成熟過程中液泡蔗糖轉化酶的活性大幅度增強，但蔗糖積累型的野生番茄品種在果實成熟過程中其活性一直維持在較低的水平。當液泡蔗糖轉化酶的表達被抑制后，栽培番茄品種果實從己糖積累型轉化為蔗糖積累型。Yau等[24]研究也表明，將一個2.5 kb長度DNA片段插入到染色體上以消除液泡 acid soluble invertase isozyme Ⅱ 轉錄將會導致蔗糖在液泡內累積。

依據上述研究成果得出，液泡內果糖、葡萄糖主要來自于蔗糖的轉化。

綜上，烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化途徑可簡要概括如圖1所示。

2烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化調控

烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化途徑的理清，為分析和查找煙葉烘烤工藝存在的問題提供了理論依據，對淀粉降解與糖分轉化進行調控具有重要指導作用。

葉綠體內的淀粉主要是通過β-淀粉酶途徑降解的，而β-淀粉酶活性受麥芽糖濃度調控[25]。而且，抑制編碼己糖激酶活性及Hex-1基因表達也將嚴重阻礙淀粉的降解[26]。其機理則是抑制編碼己糖激酶活性或Hex-1基因表達所造成的高濃度葡萄糖直接抑制細胞質糖苷轉移酶DPE2活性，進而提高麥芽糖濃度抑制β-淀粉酶活性，導致淀粉累積[26]。可見，對于烘烤過程中的煙葉，在淀粉未能充分降解之前，過早和過度失水導致細胞質和葉綠體內糖濃度提高，顯然對淀粉降解不利。

另外，己糖激酶Hex-1的活性與ATP供給有關，即為促進淀粉充分降解，需要保留適當的水分來維持細胞呼吸強度。宮長榮等[27]研究也認為，環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，淀粉含量趨于穩定。煙葉水分降低到50%左右時淀粉降解變緩，含量趨于穩定。

另據宮長榮等[28]研究表明，烘烤過程中在35～38 ℃變黃，并在煙葉變黃后延長12 h和在42 ℃條件下凋萎12 h，有利于淀粉降解和煙葉品質改善。龔順禹等[29]研究也認為，采用低溫低濕變黃，慢速升溫定色的烘烤環境，煙葉內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化途徑可知，累積于初烤煙葉內的葡萄糖、果糖主要來自于蔗糖在液泡內的轉化。也就是說，煙葉烘烤過程中，糖分轉化的方向是蔗糖先在細胞質內由麥芽糖、葡萄糖逐步合成再被轉運至液泡內，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葡萄糖和果糖含量基本相當（或差別不大）的現象。糖分轉化方向的闡明為解決烘烤過程中對糖分轉化相關酶促反應是促還是控的問題提供了理論依據。

為降低初烤煙葉蔗糖含量，烘烤過程應該充分促進蔗糖向葡萄糖、果糖轉化。然而，蔗糖進入液泡是跨膜主動運輸過程，需要能量的支持。也就是說，細胞質內合成的蔗糖能否被充分地轉運至液泡并轉化為果糖和葡萄糖取決于細胞的呼吸作用強度，即與煙葉含水量有關。過早和過度失水將導致細胞呼吸減弱或終止，減低甚至阻止蔗糖向液泡轉運而累積于細胞質中，結果是初烤煙葉蔗糖偏高。

3結語

就目前生產而言，普遍采用強制通風的密集烘烤，這種烘烤方式為烤煙烘烤提供了強大的調控能力，為烤煙烘烤過程保水充分變黃提供了保障。但若烘烤工藝執行不當，也可帶來明顯的負面影響。因此，在當前采用強制通風密集烘烤的情況下，強調防止煙葉烘烤前中期過度失水更具有現實意義。分析認為，烤后煙葉淀粉殘留量高、吸濕保濕能力差、僵硬光滑、油潤性差等也都與此有關。要糾正“片黃則干”錯誤觀念，確保將煙葉烤香、烤潤。

45卷19期孫敬權等烤煙烘烤過程淀粉降解與糖分轉化途徑及調控

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