皖南不同土壤类型烤烟抗氧化能力差异分析

2011-05-25季学军王道支刘国顺

中国烟草科学 2011年6期

季学军，张国，王道支，刘国顺

（1.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽宣城 242000；2.国家烟草栽培生理生化研究基地，郑州 450002）

特色烟叶是指在品质特征上有不同于其他烟叶特点的烟叶，这些特点能为工业所接受，并且在卷烟配方中所利用，突出表现在香型风格突出，香气质好，香气量充足等方面[1]。自上世纪60年代起，我国烤烟被划分为浓香型、清香型、中间香型三大香型，安徽皖南烟区烟叶属浓香型，同时具有与津巴布韦烟叶相似的焦甜香风格特征。

烤烟中香气成分的种类、含量及其比例是构成特色烟质量的物质基础。烤烟中香气物质的种类很多，其前体物质可分为类胡萝卜素和非环萜烯、类黑松烷巨环萜烯、赖百当类双萜烯以及棕色化反应产物等。特色烟的质量形成除与品种的种性有关外，更与生态环境和农艺措施有关。烟叶的香气前体物质大多数属于次生代谢产物，并不是其生长繁殖所必须的，可能主要是其对非生物环境因素胁迫的应激反应的产物。烟株生长过程中，受到的非生物环境胁迫作用分别有高温或低温、干旱或淹水、强光、营养缺乏等，导致烟株体内活性氧积累。植物体内存在着酶促和非酶促两类防御活性氧的保护系统，前者与烟叶香气关系不大，而后者可能与烟叶香气物质的合成有密切关系，烟叶合成较多的还原性物质如类胡萝卜素、酚类、还原糖和氨基酸等，这些物质是烟叶香气的前体物质[2-9]。因此，适度的氧化胁迫可能有利于烟叶中香气前体物质的合成与积累，有利于特色烟质量的形成[10]。

自 2003年在皖南华阳河流域部分植烟地块发现具有津巴布韦烟叶特有的焦甜香风格的烟叶后，经在该烟区主要土壤类型（冲积砂壤土、河滩砂壤土、粉砂土和水稻土）植烟，其他生态条件如光、肥、气和温等基本相同，能够稳定表现出焦甜香风格的主要是冲积砂壤土、河滩砂壤土和粉砂土等砂性较强的土壤，其机理值得深入研究。本试验通过对皖南烟区 4种土壤类型植烟烟叶中活性氧的产生、清除机制进行系统研究，以探讨活性氧代谢与特色烟形成的关系。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在皖南冲积砂壤土、河滩砂壤土、冲积粉砂土和水稻土4种土壤上进行，供试品种为云烟87，按当地特色优质烟叶生产技术规程进行生产管理。移栽前后每种土壤选取 20株烟进行叶位标记，每隔2 d调查1次，选取第18片真叶代表中部叶。自叶片长出5 mm计为叶龄第1天，分别采集15、30、45、60 d叶龄的中部叶片于冰盒内带回实验室，剪去叶片周围的边叶，剪取6～8叶脉之间的叶剪碎后混匀，进行相关生理指标测定。

1.2 测定项目和方法

烟叶中总抗氧化能力（TAOC）、超氧阴离子自由基(O-2)含量和羟自由基含量（鲜基）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶(POD)、谷胱甘肽还原酶（GR）、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛（MDA）含量、Ve、GSH和Vc含量的测定采用南京建成生物工程研究所生产的试剂盒进行测定，方法按产品说明书。Car含量的测定采用比色法[11]。烟叶中叶绿素（a、b和总量）的测定采用比色法[11]。总酚含量的测定采用Folin-酚法[11]。

1.3 数据分析

采用SPSS统计软件进行统计分析。

2 结果

2.1 活性氧含量

植物体内活性氧由超氧阴离子自由基(O-2)、氢氧根负离子（OH-）、羟自由基(•OH)、过氧化氢（H2O2）和单线态氧(1O2)组成[12]。由图 1、2可以看出，不同叶龄烟叶中O-2和•OH的含量冲积砂壤土和水稻黏土变化趋势基本相同，沙性较高的河滩地砂壤土和粉砂土变化趋势基本相同。第 30天冲积砂壤土和水稻黏土烟叶中 O-2的含量明显低于河滩地砂壤土和粉砂土，而15～30 d烟叶中•OH含量则明显高于河滩地砂壤土和粉砂土。4种土壤60 d叶龄烟叶中2种活性氧的含量均大幅度降低，此可能与烟叶逐渐衰老、呼吸减弱有关。

图1 不同土壤中部叶超氧阴离子含量的变化Fig.1 The change of O-2 content in middle leaves from 4 soils

图2 不同土壤中部叶羟自由基含量的变化Fig.2 The change of OH content in middle leaves from 4 soils

2.2 丙二醛含量

丙二醛（MDA）含量往往作为植物受到胁迫后体内积累活性氧水平和细胞损伤的指标[13-14]。由图3可以看出，烟叶中MDA的含量均是低叶龄时较高，后逐渐降低，可能是幼龄叶呼吸旺盛对环境敏感，而老龄叶呼吸减弱对环境不敏感。粉砂土、河滩地砂壤土和冲积砂壤土3种土壤，中部叶中MDA的含量均高于水稻黏土，含量最高的是河滩地砂壤土。3种土壤叶龄15、30、45和60 d烟叶中MDA的平均含量分别比水稻黏土高 64.4%、76.3%、175.1%和237.1%。15～45 d叶龄河滩地砂壤土烟叶中MDA含量明显高于冲积砂壤土和粉砂土，45～60 d叶龄粉砂土烟叶中MDA含量有一个跃升。水稻黏土烟叶中O-2和•OH含量较高而MDA含量则较低，其机理有待进一步研究。

图3 不同土壤中部叶MDA含量变化Fig.3 The MDA content in middle leaves from 4 soils

2.3 总抗氧化能力

由图4可以看出，中部叶总抗氧化能力粉砂土、河滩地砂壤土和冲积砂壤土，显著高于水稻黏土，其中含量最高的是粉砂土。3种土壤叶龄15、30、45和60 d烟叶中总活性氧平均含量分别比水稻黏土高497.7%、790.4%、59.2%和42.7%。

图4 不同土壤中部叶总抗氧化能力变化Fig.4 The antioxidant capacity in middle leaves from 4 soils

2.4 抗氧化酶活性

SOD主要清除 O-2，抗坏血酸过氧化物酶(APX)、POD、GR和CAT主要清除H2O2[15]。从图5可以看出，中部叶中CAT、POD和GR活性水稻黏土较低，而SOD活性较高，可能与其烟叶中O-2含量较高有关（图1）。叶龄30 d时河滩地砂壤土和粉砂土烟叶中的CAT和POD活力远高于水稻黏土和冲积砂壤土；而GR活力则是粉砂土和冲积砂壤土较高。

2.5 抗氧化物质含量

由图5可以看出，粉砂土、河滩地砂壤土和冲积砂壤土中，45和60 d叶龄烟叶总酚、类胡萝卜素和Vc含量的变化趋势均是高于水稻黏土，叶龄45和 60 d总酚含量平均比水稻黏土高 17.4%和42.5%，类胡萝卜素含量平均高 73.0%和 40.4%，Vc含量平均高162.2%和252.4%。除冲积砂壤土外，粉砂土和河滩地砂壤土烟叶中 Ve含量明显高于水稻黏土，叶龄45 d和60 d Ve平均含量比水稻黏土高33.6%和15.7%（图5）。4种土壤烟叶中GSH的变化趋势相同，数值相差不大（图6）。

2.6 叶绿素含量

中部叶叶绿素a和b含量见图7，第45～60 d烟叶中叶绿素a和b含量水稻黏土明显高于其他3种土壤。粉砂土烟叶中叶绿素a和b的含量几乎呈直线下降。叶绿素容易受到活性氧的氧化损伤，所以，水稻黏土植烟烟叶受到的氧化胁迫可能较轻，而粉砂土植烟烟叶受到的氧化胁迫可能较重。

图5 不同土壤中部叶4种抗氧化酶活性的变化Fig.5 The change of antioxidant enzyme activity in middle leaves from 4 soils

3 讨论

生物受到不良环境条件的胁迫，导致体内活性氧积累，从而引起氧化应激水平的增高，刺激体内抗氧化酶活性和其他抗氧化物质代偿性增高，总抗氧化能力随之增高，以对抗体内增强的过氧化反应，保护组织细胞免受损伤[16-17]。水稻黏土植烟不同叶龄烟叶中部叶MDA含量和TAOC均较低，而叶绿素含量较高，可能是烟叶受到的因水分或营养胁迫造成的氧化胁迫较轻；河滩地砂壤土和冲积砂壤土不同叶龄烟叶中MDA含量和TAOC均较高，可能是烟叶受到的因水分或营养胁迫造成的氧化胁迫较重；而粉砂土植烟不同叶龄烟叶中TAOC较高，叶绿素、MDA含量较低，可能是由于粉砂土植烟烤烟在生长早期即受到较强的氧化胁迫，抗氧化能力在生长早期已经达到高峰，MDA含量反而较低，且粉砂土植烟烟叶中叶绿素含量较低。因此，粉砂土植烟烤烟在生长过程中受到的氧化胁迫强于其他3种土壤。

TAOC由抗氧化酶活性和非酶抗氧化物质组成，粉砂土、河滩地砂壤土和冲积砂壤土植烟中部叶TAOC高于水稻黏土的原因主要是由于CAT活性和类胡萝卜素、总酚及Vc含量高有关。类胡萝卜素是对烤烟香气质量有重要影响的潜香型萜烯类化合物，类胡萝卜素的降解和热裂解产物可生成近百种香气化合物，这些化合物是构成烤烟细腻、高雅、清新的主要香气成分[18-19]。多酚是烤烟中重要的香气前体物，烟叶中某些酚类物质的含量与烟叶品质及其芳香吸味呈正相关。烟叶中的多酚类化合物多为芸香苷、绿原酸、咖啡酸、莨菪亭、儿茶酚等，这些多酚类化合物挥发性低，燃吸过程中直接进入烟气的很少，多分解为二元酚类和糠醛衍生物。多酚化合物在调制期间将发生一些重要反应，使调制产物和香气的复杂性增加，烟气的平衡性和协调性得到改善。在烟叶燃吸期间（600 ℃以上），芸香苷、绿原酸、咖啡酸、莨菪亭、儿茶酚等形成的热裂解产物，许多对烟气香味有直接影响，可赋予烟气清甜香和烤香。另外，多酚类物质在过氧化酶和多酚氧化酶的作用下，易氧化产生淡红色至黑褐色的醌类物质及其聚合物，导致烟叶颜色变为橘黄或不同程度的棕褐色。加之多酚类物质及其氧化产物还可与氨基酸、糖类和矿物质等发生酶促棕色化反应，形成许多分子量大小不等、颜色各异的复合色素，并对香气产生积极的影响[20-22]。所以，粉砂土、河滩地砂壤土和冲击砂壤土植烟烟叶类胡萝卜素和总酚高于水稻黏土可能是其焦甜香感优于水稻黏土的主要原因。

图6 不同土壤中部叶抗氧化物质含量变化Fig.6 The change of ·antioxidant contents in middle leaves from 4 soils

图7 不同土壤中部叶叶绿素a和b含量的变化Fig.7 The change of chlorophyll a and b in middle leaves from different soils

粉砂土植烟中后期由于土壤脱肥和干旱，烟叶中抗氧化酶活性和主要抗氧化物质含量急剧下降，细胞受损严重，叶绿素含量迅速降低，影响了烟叶中各种物质的合成，田间耐熟性差，对烤烟品质不利，影响焦甜香风格的形成。所以，适度氧化胁迫有利于烤烟焦甜香风格的形成。

4 结论

本研究结果表明，在皖南4种植烟土壤类型中，水稻黏土植烟烤烟在生长过程中受到的氧化胁迫较轻，河滩地砂壤土和冲积砂壤土植烟受到的氧化胁迫较重，粉砂土植烟烤烟受到的氧化胁迫强最重；粉砂土、河滩地砂壤土和冲积砂壤土植烟中部叶类胡萝卜素、总酚含量高于水稻黏土，可能是其焦甜香风格优于水稻黏土的主要原因；适度氧化胁迫有利于烤烟焦甜香风格的形成。

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