影响烟草次生代谢产物因素的研究进展

杨敬国等

摘要

烟草次生代谢产物直接或间接地影响烟草的内在质量。该类物质的分析研究已成为国内外烟草研究重点领域之一。该研究综述了影响烟草次生代谢产物主要因素及其当前的研究现状，并且指出利用植物次生代谢基因工程来改善烟叶品质将是未来发展方向之一。

关键词烟草；次生代谢产物；因素

中图分类号S572文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09678-04

Research Advances in Factors Influencing the Secondary Metabolites of Tobacco

YANG Jingguo， ZHANG Li， JI Houwei* et al（Technology Center， China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd， Guiyang， Guizhou 550009）

AbstractThe secondary metabolites of tobacco directly or indirectly affect tobacco intrinsic quality. The analysis and research of this kind of material has become one of the important fields of tobacco research at home and abroad. This paper summarizes the main factors influencing secondary metabolites of tobacco and its current research situation， and points out that the use of plant secondary metabolism genetic engineering to improve the quality of tobacco leaf will be one of the future development direction.

Key wordsTobacco； Secondary metabolites； Factors

次生代谢（Secondary metabolism） 是指存在于植物、动物和微生物中有别于初生代谢（Primary metabolism） 的一类特殊而又复杂的代谢类型。植物次生代谢物不仅为人类提供丰富的药物、香料和工业原料，对人类的生产生活具有重要作用，而且一些次生代谢物则与机体抗性、信号传导、适应性调节、生长发育以及植物的花色香味等现象有关[1]。因此，对植物次生代谢物的研究已成为当前植物学领域的研究热点。

烟草中的生物碱及主要香气前体物质如萜烯、醇类、酸类、脂类、酚类等大多数物质均是次生代谢产物。生物体主要利用某些初生代谢产物为原料，在一系列酶的催化作用下，形成一类并非植物生长发育所必需的小分子有机化合物，其产生通常有种属器官组织以及生长发育时期的特异性[2]。从烟叶可用性的观点出发，左天觉[3]认为田间生长和管理、烟叶适熟采收和适当的调制等生产过程会影响烟叶的物理和化学特性，而这些特性的变化又会直接或间接地影响烟草及其制品的内在质量和安全性。因此，分析不同生产过程中烟草代谢产物的动态变化，对提高烟叶品质和卷烟质量具有重要意义。笔者对近年来影响烟草次生代谢产物因素的研究进行了综述，旨在为烟草品质的提高提供参考。

1烟株生長和管理对烟草次生代谢产物的影响

烟株的生长发育不仅取决于遗传因素，而且受环境因子的调控和栽培措施的影响[4-5]。

1.1遗传因素

烟草属茄科（Solanaceae）烟草属（Nicotiana），目前共发现66个种。在烟草的种中，大多数是野生的，只有红花烟草（N. tabacum L.）和黄花烟草（N. rustica L.）等由于具有经济价值而被人工栽培。其中，红花烟草是被通常栽培的烟草种，又被称为普通烟草，是2个野生种N. sylvestris×N. tomentosiformis或N. octophora的杂交后代。

国内外大量研究表明，基因型或品种会影响烟叶的代谢物组成和烟草及其制品的品质。美国曾收集1 500个遗传因子不同的烟草品系，在同一地点和同样的栽培条件下种植。它们的次生代谢产物和产生的烟气成分差异很大[6]。一些研究者分析了烤烟、白肋烟、马里兰烟和香料烟中挥发性酸的含量，发现几种烟草挥发性酸的定量结果差异较大。其中，香料烟中异戊酸和β-甲基戊酸含量远高于其他烟草，且C5和C6酸异/正异构体比值也较高。这种组成特点赋予香料烟的特征香味[7]。Weeks等[8]比较了20世纪40～80年代主要烤烟品种的挥发性成分，发现不同品种的烤烟挥发性成分含量差异在0.05水平显著。顾少龙等[9]对豫中地区9个不同基因型烤烟品种中化学成分和中性致香物质含量进行了研究，发现常规化学成分和中性香味物质在不同基因型间存在广泛的差异。周冀横等[10]研究表明，不同品种烤烟释放的焦油量和稠环芳烃也存在差异。徐明康等[11]对凉山会东烟区3个基因型烤烟（红花大金元、云85和云97）的外观质量、物理特性和化学成分及中性致香物质含量进行了对比分析，发现红花大金元的品质最好。常爱霞等[12]还发现，大白筋599的特异性香味性状是由少数显性或部分显性基因控制的质量性状遗传。

1.2环境因子

同一品种种植在不同地区，表现出差异显著的香气质、香气量和吃味等。我国学者根据燃吸烟叶的烟气整体香气特征，把栽培烟草的香气分为烤烟型、白肋型、香料型、雪茄型、马合烟型等。在烤烟型香气的基本特征下，把我国数量最多、栽培面积最大的烤烟划分为清香型、浓香型和中间香型三大类型[13]。一般认为，云南烟叶表现为典型的清香型，河南烟叶表现为典型的浓香型，而贵州地区烟叶则表现为中间香型[14]。不同地区烟叶表现出不同的香气风格特征，是不同地区地形地貌、气候条件和土壤条件等生态条件综合作用的结果[15]。

大量的研究表明，温度、光照、降水等气候条件与烟草品质关系密切[16-18]。黄中艳等[19]还对比研究了气候、土壤和品种对烤烟化学成分含量的影响，明确了烤烟大田期气象因素对烤烟内在品质形成的主导性作用。黄中艳等[20]认为，云南烟区气候“前期气温偏高适中、多光少雨，中后期气温偏低、寡照多雨”的独特性是其清香型风格形成的主要原因，而在大田中后期河南、湖南、山东等地日照充足是其盛产浓香型烤烟的主要原因。在昼夜相同的情况下，随着夜间温度的升高，烟叶中非蛋白氮含量增加，会覆盖致香物质发出的香气，对烤烟品质不利。张家智等[21]认为，昼夜温差大是云南烤烟表现出清香特点的重要影响因素之一。

充足的光照也是生产优质烟叶的重要条件。光照不足易造成植株细软纤弱，同时光合作用受阻，干物质积累少，烟叶烤后香气不足，品质差，而光照过强则易形成“粗筋暴叶”。Andersen等[22-23]研究表明，强光照、强紫外辐射处理的烤烟多酚含量较高。温永琴等[24]研究表明，光照对云南烤烟多酚化合物有正效应作用。这种正效应不仅表现在光照强度上，而且日照时数与多酚化合物呈正效应关系。Mann[25]认为，绿原酸等多酚类物质和类黄酮物质是陆生植物的“紫外光过滤器”，能保护植物免受紫外辐射的损伤。而紫外辐射量在太阳辐射总量中占有一定的比例[26]。日照时数增长和辐射增强都会使紫外辐射量增加，因此会诱导较多的多酚和类黄酮物质的合成和积累。

降雨量的大小和降雨的分布会影响土壤水分、烟田空气湿度和烟草叶面腺毛分泌物，对烟草的生长发育和香气品质具有重要影响，因此合适的降雨量是生产优质烟草的又一个主要的气候条件。理想的雨量分布情况是：在移栽期，雨水充足，有利于还苗；在还苗到团棵期，降水少些，有利于生根；在旺长期有充足的雨水，有利于烟株开片和茎叶生长；在成熟期，较少的雨量有利于成熟采收。Severson等[27]认为，灌水可提高烟叶中顺-冷杉醇、蔗糖酯和西柏三烯二醇的含量，但大的降雨则冲刷淋洗掉大量的烟叶表面类脂成分。温永琴等[24]也认为，烤烟大田期的总降雨量对云南烤烟脂溶性香味物质的含量起负效应。韩锦峰等[28]研究表明，干旱胁迫会导致烤烟烟叶中还原糖含量下降，烟碱和总氮含量升高，主要香气物质含量减少，烟草品质下降。

在横跨几个气候区的大范围内，气候条件是烟叶能否较好生长发育的主要因素，但是在同一气候区的小范围内，土地条件则是主导烟叶质量的重要因素。近年的研究结果表明，山坡和丘陵所产烟叶都明显优于平原地区。韩锦峰等[29]研究了河南卢氏山区不同海拔高度烟叶的香气物质含量，结果表明随着海拔高度的增加，烤烟烟片中大马酮、苯乙醇、苯甲醛等18种香气成分含量均是海拔800、1 000 m的烟叶高于海拔600 m的烟叶。另外，随着海拔高度的升高，类胡萝卜素总量、β-胡萝卜素、叶黄素、紫黄质和新黄质的含量呈明显增加趋势；而多酚总量、绿原酸和芸香苷含量也有一定程度的增加。李继新等[30]对贵州不同生态区特色烟叶的品质特征进行了研究，结果表明随着海拔高度的升高，烟叶香气风格依次为中偏清（中低海拔）、中间香型（中海拔）、清偏中香型（中高海拔）和清香型（高海拔）。

土壤的类型、分布以及它的理化性质与烟草的产量、品质和风味有着密切的联系。选择适宜的土壤是优质烟叶生产的又一个重要环节。一般认为，红、黄、紫等有色土及结构良好、土壤疏松的沙壤土或壤砂土最适合种植烤烟。这类土壤能为烤烟生长提供最佳的水、气、肥和热环境。Gamou等[31]研究表明，生长在红土上的烟叶中类脂和西柏三烯二醇的含量比生长在黑土上的烟叶高，而种植在黑土上的烟叶总类胡萝卜素和精油的含量要显著低于种植在轻壤土上的烟叶。土壤肥力也会对烟叶产量和质量产生较大的影响。土壤肥力太高，所产的烟叶主脉肥大，含水量高，糖分含量下降，烟碱和含氮总量升高，烟味辛辣，香气质差。但是，肥力过低，烟株由于缺乏营养而导致叶片较薄，产量低，香气不足。一般来说，中等肥力、有机质和氮素含量以及有效磷、钾含量高的土壤生產出烟叶的品质较好。除土壤的类型和肥力外，土壤的酸碱度也会影响烟叶的生长发育和品质。这主要是因为土壤的酸碱度会影响土壤中元素的有效性、物质的转化以及根系对矿物质的吸收。国内外研究和生产实践表明，pH在5.5～6.5的范围内最适宜烟株的生长发育。

1.3栽培措施

种植密度和留叶数、适当的施肥、打顶和抹杈以及使用生长调节剂等栽培措施都会影响烟叶的品质。研究表明，在给定的面积内增加烟叶总数会使烟叶含氮量和生物碱含量降低，而对还原糖含量没有显著影响[32]。只有在中等肥力、有机质和氮素含量以及有效磷、钾含量高的土壤才能生产出优质的、可用性好的烟叶，因此在施肥时必须把握好量。从烟叶的主要化学成分考虑，当施肥1 681 kg/hm2时，生产的烟叶更符合要求[33]。也有研究表明，极高的K2O施用量对产量和烟叶等级没有影响，却使烟气中的焦油和烟碱量降低[34]。打顶对烟碱的积累起促进作用，是对烟碱含量影响最大的农艺栽培措施。打顶后烟碱的含量会急剧增加，而打顶时期也会影响烟叶总生物碱和总氮含量。打顶过早或较低都会使烟叶总生物碱和总氮含量升高，烟气中焦油和生物碱增加。朴世领等[35]表明，适当地推迟打顶时间，有利于降低烟碱含量。打顶后抹杈也会对烟叶的品质产生影响。良好的抹杈管理可以提高烟叶的香气品质。而不同的抹杈方式对烟叶化学成分也会产生较大的影响。马来酰肼处理可使糖含量升高，而人工抹杈则会使生物碱含量升高。喷施生长调节剂会影响烟叶化学成分和品质，如喷施乙烯催熟剂可增加烟叶中淀粉量[36]，喷施吲哚乙酸（IAA）、萘乙酸（NAA）、赤霉素（GA3）、2，4二氯苯氧乙酸（2，4D）等能使烟叶烟碱含量降低[37]。也有报道指出，地膜覆盖可提高烟叶的香气品质[38]。

2烟叶采收和成熟度对烟草次生代谢产物的影响

成熟度反映烟叶内各种代谢产物含量和比例的变化程度，在很大程度上影响着烟叶的质量，尤其是香气量和香气浓度等。目前，国内外将成熟度作为衡量烟叶质量和烟叶质量分级的重要指标[39]。在烟叶成熟过程中，其代谢产物的变化一直都是烟草科技工作者感兴趣的课题。就同一产地、同一品种和同一部分的烟叶而言，随着成熟度的增加，烟碱和还原糖含量增加；而总氮、总挥发碱、蛋白质氮、叶绿素、类胡萝卜素等含量相应减少。因此，总糖/总植物碱和总氮/总植物碱随着烟叶成熟度的增加而减少[40-41]。但是，总糖和淀粉的变化趋势研究结果不尽相同[42-43]。这可能与研究采用的烟叶品种、成熟度和分析方法不同有关。在20世纪70年代以后，科研工作者对不同成熟度烟叶的香气物质组成做了大量的研究。研究表明，石油醚提取物和酚类物质的含量随着成熟度的增加而增加，并且在烟叶成熟时含量达到最大值，其后随着成熟度的增加而略有下降的趋势[44-45]。刘百战等

[46]研究表明，成熟度好的烟叶香味成分含量比成熟度差的烟叶更丰富，在研究的14种香味成分中苯甲醛、苯乙醇、氧化异佛尔酮、β-大马酮、巨豆三烯酮、二氢猕猴桃内酯和新植二烯等9种重要香味成分含量在成熟度好的烟叶中明显高于成熟度差的烟叶。

在旺长期时，烟草叶片内干物质的积累大于分解，达到生理成熟时干物质达到最高峰，达到高峰之后烟叶立即开始衰老，含氮化合物相应地减少。当达到工艺成熟时，烟叶的糖含量高，总氮和烟碱的含量适宜，各种化学成分比例协调，烟叶的香气质好，香气量足，青杂气和刺激性明显减轻，总体的香吃味质量最好，工业使用价值高。把握好成熟度和采用合适的采收方式是保障烟叶原料上水平的重要措施。目前，常用的采烟方法主要有砍茎采收和逐叶采收。采用逐叶采收可获得叶片的最大有效利用，还可提高优质烟叶的等级比例。

3调制对烟草次生代谢产物的影响

采摘后，烟叶仍有新陈代谢活动，其生命会一直延续到生化反应因热的作用或脱水而停滞。调制的目标是通过强化烟叶的生化反应进程，把采收的烟叶的潜在质量转化为期望的消费质量。烤烟调制也被称作烘烤。它的基本原理是通过人为地控制温度、湿度和通风等条件调控烟叶的变色速度和干燥速度，相互配合，使得烟叶向着需要的方向转化和干燥。在调制初期，为了让烟叶在较多的水分情况下进行有机物质的转化和分解，需要快的变色速度和慢的干燥速度，因此需要采用较低的温度和较高的相对湿度，使得烟叶丧失一定的水分，但仍保持它的生命活动。当烟叶基本全部变黄时，需要将颜色固定下来，就应迅速减慢或停止变色速度，并且加快干燥速度，因此需要升高温度，降低相对湿度，使得烟叶中的水分迅速蒸发排走，从而使黄色固定下来。根据烟叶的变化特点和对烘烤条件要求的不同，一般将烟叶的烘烤过程分为变黄阶段、定色阶段和干筋阶段[47]。

烤烟调制过程中烟叶代谢产物变化的总趋势为高分子化合物向低分子化合物转化，其中烤烟的变黄阶段是主要的代谢物转化的关键时期。其中，最显著的变化是淀粉含量大幅度降低，糖和羰基化合物含量明显增加，总氮、蛋白质、烟碱和叶绿素、类胡萝卜素等的含量也有一定程度的降低[48]。淀粉和蛋白质的分解产物——糖和氨基酸是重要的香气前体物质，而叶绿素和类胡萝卜素的降解产物新植二烯和巨豆三烯酮等都是重要的香气物质。在定色阶段，葡萄糖与氨基酸又进一步缩合形成致香物质。因此，在调制过程中合理的控制烘烤条件有利于提高烟草的品质。调制除了可以提高烟草品质，还可以降低烟草特有亚硝胺（NTSNAs）和焦油等主要危害物质的含量[49]。

4 小结

影响烟草次生代谢产物的因素主要有遗传因素、环境、栽培、采收和调制等。近年来，该研究相对较多。但是，在次生代谢机制方面开展的研究相对较少。利用植物次生代谢基因工程可提高对烟草有利的次生代谢物，减少不利的次生代谢物的含量。这对于烟叶生产来说将是十分有利的促进。但是，对烟草次生代谢产物的多样性及其相关酶和基因表达调控的复杂性将是未来研究的难点和突破点[50]。因此，阐明烟草次生代谢的中间产物和最终产物的内在联系、参与各步反应的酶及其基因的表达与调控、次生代谢产物合成的各个代谢途径之间的相互联系等将是一项比较艰巨的挑战。

安徽农业科学2014年

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