不同成熟度烟叶烘烤过程中大分子物质代谢动态研究

赵高坤，任 可,，陈妍洁,，巩江世琪，陈俊鸿，何 鲜,4，何聪莲,，李军营，王 聪，陈严平，邹聪明，岳 诚*，夏振远*

(1.云南省烟草农业科学研究院，云南 昆明 650021；2.云南农业大学，云南 昆明 650201；3.云南省烟草公司红河州公司，云南 弥勒 661500；4.西南大学，重庆 400716；5. 浙江中烟工业有限责任公司，浙江 杭州 310000)

【研究意义】20世纪80年代以来，烟叶成熟度是目前烟叶主要生产国之间烟叶质量竞争的核心关注点[1]。成熟度不同的烟叶，糖类、蛋白质、淀粉等成分均有差异，会对烟叶和烟气的感官质量产生影响[2]。蛋白质在烤烟烟叶中具有十分重要的地位，蛋白质除本身具有重要的生理生化功能外，还对烤烟的物质转化和代谢过程具有调节控制功能，最终对烤烟的烟叶质量起决定性作用。烤烟烘烤过程中降解的蛋白质大多数是叶绿素蛋白，而烟叶内的蛋白质对于其感官评吸质量却有不利的影响，初烤烟叶内的蛋白质含量过高，燃吸时会产生如同燃烧羽毛的臭味，辛辣和苦涩的感觉增加，过低又会使香气不够浓重[3]。通过烘烤淀粉水解为糖，糖可使烟叶香气浓郁，吃味醇和，田间鲜烟叶淀粉含量高，品质优良[4]；可溶性糖是决定烟叶品质的重要成分，单糖能降低烟叶燃烧时蛋白质所产生的不良气味,减少刺激性，双糖因含量极少故对烟叶品质影响不大[5]。所以，烟草叶片采收的成熟度影响烟叶生产质量的关键，能对烤烟烟叶的工业价值起到决定性作用[6]。烤烟烟叶成熟度上升，除蛋白质含量降低外，烟叶叶片中叶绿素、可溶性糖、游离氨基酸含量均升高。但各类型游离氨基酸含量又增有减[6]。烘烤过程中烟叶大分子物质代谢的动态变化充分且直观地反映了其生理活动，所以对烟叶烘烤过程中的大分子物质代谢的动态变化研究，对于烘烤调制出高质量的干烟叶具有重要意义。我国传统栽培出的上部烟叶成熟度不够，烤后烟叶淀粉转化不充分、还原糖较低、香气量不足、香气质差、杂气较多[7]，造成上部烟叶收购价格较低，工业可用性低，以致实际生产中上部烟叶的大量浪费。但是由于上部烟叶单叶量最重，叶片数较多，占整株烟叶的1/3，占单株产量的30 %～40 %[7]，所以上部烟叶又是支撑烟农经济效益的重要部位。【前人研究进展】研究表明上部烟叶成熟后适当推迟采收有利于烟草品质的形成与可利用性的提高, 朱宏强[8]指出上部烟叶采收随着时间的推移，香气的质和量均会逐渐上升。成熟度好的上部烟叶燃烧性好、香气足、劲头大、焦油量少、烟碱含量适中，这使得将上部烟叶作为优质烟叶的原料成为可能[9]。【本研究的切入点】故本研究以烤烟品种云烟87的不同成熟度上部烟叶为研究材料，检测分析烘烤过程中烟叶相关生理指标(水分、可溶性淀粉、可溶性糖、淀粉酶、氨基酸酶、色素、蛋白质)化规律。【拟解决的关键问题】旨在通过明确云烟87不同成熟度烘烤过程中的大分子物质的代谢变化，以期为烘烤出具有良好香气及吃味的烤烟提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为云南主栽烤烟品种云烟87上部烟叶，采自云南省昆明市宜良县耿家营。田间栽培为行株距120 cm×60 cm，施氮肥90 kg/hm2，N∶P∶K为1∶2∶3，栽培措施按当地烟农经验进行管理。

1.2 试验设计

1.2.1 烟叶成熟度的判断 烟叶按照农户常规成熟标准判断烟叶的成熟度，正常采收烟叶为适熟烟叶标记为K，外观标准为烟叶表现为主脉3/4变白、支脉2/3变白，叶面发黄面积约70 %，茸毛部分脱落，叶面有少量成熟斑和泡状突起；过熟烟叶指相对于正常采收延迟7 d左右采收的烟叶为标记为L，外观标准为烟叶主脉支脉4/5发白，叶面发黄面积约90 %，茸毛大部分脱落，叶面有明显成熟斑和泡状突起；未熟烟叶指相对于正常采收提前7 d左右采收的烟叶标记为J，外观标准为烟叶主脉约2/3白变，支脉青色，叶面变黄面积约50 %，茸毛无脱落无斑点(图1)。

1.2.2 样品采集 将采收的烟叶放入密集烤房设置相同烘烤工艺并烘烤，分别于烤前鲜样(处理T1)、烘烤温度36 ℃末(处理T2)、烘烤温度38 ℃末(处理T3)、烘烤温度42 ℃末(处理T4)、烘烤温度48 ℃末(处理T5)、烘烤温度54 ℃末(处理T6)及烤后(处理T7)7个阶段取样。取样烟叶均处于烤房下层烘烤，取样时各成熟度烟叶选取3杆烟叶记为3次重复，每杆烟叶选取3片烟叶，去除主脉和较大支脉，剪碎混匀并用锡纸包裹放入液氮瓶中，后放于-86 ℃冰箱保存待用。

图1 不同田间采收成熟度烟叶Fig.1 Harvest of mature tobacco leaves in different fields

1.2.3 生理指标测量 参考刘家尧所著《植物生理学实验教程》[10]方法分别对各样品的水分、淀粉、可溶性糖、蛋白质、叶绿素及类胡萝卜素含量进行测定，并记录数据。

1.3 数据统计

所有数据均采用软件Excel 2007处理，IBM SPSS Statistics 23进行方差分析、计算和统计作图表。

2 结果与分析

2.1 不同成熟度的烤烟烟叶烘烤过程中色素含量变化

从表1中可以看出，由于成熟度的不同烘烤过程中各阶段烟叶色素含量均存在极显著差异，叶绿素A的含量在处理T1、处理T2、处理T5和处理T6均表现出：未熟烟叶与适熟烟叶存在极显著差异，适熟烟叶与过熟烟叶存在极显著差异，即未熟烟叶叶绿素A含量>适熟烟叶叶绿素A含量>过熟烟叶叶绿素A含量；在T3处理中，过熟烟叶和适熟烟叶不存在显著差异，但未熟烟叶分别极显著大于过熟烟叶和适熟烟叶；烘烤温度42 ℃末处理中，适熟烟叶与未熟烟叶存在极显著差异，未熟烟叶与过熟烟叶存在极显著差异，即适熟烟叶叶绿素A含量>未熟烟叶叶绿素A含量>过熟烟叶叶绿素A含量；

叶绿素B含量在处理T1时期未熟烟叶极显著大于适熟烟叶，适熟烟叶极显著大于过熟烟叶；在处理T2、处理T3、处理T5和处理T6下，未熟烟叶与过熟烟叶存在极显著差异，过熟烟叶与适熟烟叶存在极显著差异，即未熟烟叶叶绿素B含量>过熟烟叶叶绿素B含量>适熟烟叶叶绿素B含量，烘烤温度42 ℃末处理下，未熟烟叶叶绿素B含量显著高于适熟烟叶；在烘烤温度48 ℃末和烘烤温度54 ℃末处理下，熟烟叶极显著大于过熟烟叶，过熟烟叶显著大于适熟烟叶；在处理T4未熟烟叶大于过熟烟叶大于适熟烟叶；在T7处理下，未熟烟叶与过熟烟叶表现出显著差异，过熟烟叶与适熟烟叶存在极显著差异。

表1 不同成熟度的烤烟烟叶烘烤过程中色素含量差异及变化

总叶绿素含量在处理T1时未熟烟叶极显著大于适熟烟叶，适熟烟叶极显大于过熟烟叶；在处理T2未熟烟叶极显著大于过熟烟叶，过熟烟叶大于适熟烟叶；在处理T3和处理T6下，未熟烟叶和过熟烟叶存在极显著差异，过熟烟叶总叶绿素含量显著大于适熟烟叶总叶绿素含量；在处理T4下，适熟烟叶的总叶绿素含量和未熟烟叶总叶绿素含量存在差异，但差异并不显著，但未熟烟叶总叶绿素含量极显著高于过熟烟叶叶绿素含量，过熟烟叶叶绿素含量显著大于适熟烟叶总叶绿素含量；在处理T5下，未熟烟叶极显著大于适熟烟叶，适熟烟叶大于过熟烟叶；在T7处理下，未熟烟叶与适熟烟叶存在极显著差异，适熟烟叶与过熟烟叶存在极显著差异，即未熟烟叶总叶绿素含量>适熟烟叶总叶绿素含量>过熟烟叶总叶绿素含量。

烤烟烟叶类胡萝卜素含量，除处理T4和处理T6外，各成熟度均存在极显著性差异，具体表现为：未熟烟叶类胡萝卜素含量>适熟烟叶类胡萝卜素含量>过熟烟叶类胡萝卜素含量；在处理T4下，适熟烟叶类胡萝卜素含量大于未熟烟叶类胡萝卜素含量，但并未表现出显著性，未熟烟叶类胡萝卜素含量极显著大于过熟烟叶类胡萝卜素含量；在处理T6下，各成熟度烟叶之间类胡萝卜素含量均存在显著性差异，具体表现为：未熟烟叶类胡萝卜素含量高于过熟烟叶类胡萝卜素含量，过熟烟叶累胡萝卜素含量高于适熟烟叶类胡罗卜素含量。

烟叶烘烤调制阶段，烤烟叶片中叶绿素A、叶绿素B和总叶绿素含量的变化趋势极其相似，均呈现出减小的趋势。不同成熟度的处理对鲜烟叶和烘烤过程中色素含量的变化有这较为明显的影响，鲜烟叶中叶绿素含量随成熟度的上升而极显著下降；在烘烤调制期间未熟烟叶叶绿素含量减少的主要时期是处理T4以前，而适熟和过熟烟叶绿素含量减少的主要时期是处理T2以前。且未熟烟叶叶绿素含量减少的速度明显快于适熟烟叶，适熟烟叶叶绿素含量减少的速度快于过熟烟叶，烘烤结束后叶绿素含量从高到低排序为：未熟烟叶叶绿素含量高于适熟烟叶叶绿素含量，适熟烟叶叶绿素含量高于过熟烟叶叶绿素含量。在不同烟叶成熟度下，烤烟烟叶类胡萝卜含量变化差异明显，在新鲜烟叶中，随着烟叶成熟度上升，类胡萝卜含量会表现出极显著下降。在烟叶烘烤调制期间，未成熟烟叶类胡罗卜素含量变化趋势为先上升再下降再上升最后再下降，期间出现两次高峰，分别在处理T3和处理T5；适熟烟叶类胡萝卜素含量先减小后增大再减小最后趋于稳定，高峰出现在处理T2；过熟烟叶类胡萝卜素含量先减小后增大最后减小，高峰出现在处理T6。烤后类胡萝卜素含量依然呈现为未熟烟叶>适熟烟叶>过熟烟叶。

2.2 不同成熟度烟叶烘烤过程中淀粉酶、可溶性淀粉和糖含量变化

从表2中可以看出,烟叶在烘烤过程各温度末期生理指标的含量由于烟叶成熟度的不同存在极显著的差异。

可溶性糖含量：在处理T1适熟和过熟烟叶的含量极其接近，且均极显著大于未熟烟叶；在处理T2、处理T4和处理T7均表现出过熟烟叶极显著大于适熟烟叶，适熟烟叶可溶性糖含量又极显著高于未熟烟叶可溶性糖含量；处理T3下，适熟烟叶与过熟烟叶存在极显著差异，过熟烟叶与未熟烟叶存在极显著差异，即适熟烟叶可溶性糖含量>过熟烟叶总可溶性糖含量>未熟烟叶总可溶性糖含量。

处理T6时表现为适熟烟叶显著大于过熟烟叶，过熟烟叶极显著大于未熟烟叶。不同成熟度烟叶均表现相同的趋势均表现为先增大后减小再增大最后减小的趋势，期间出现两次高峰，过熟烟叶出现在处理T2和处理T5，适熟烟叶出现在处理T3和处理T6，未熟烟叶出现在处理T2和处理T4。烤后可溶性糖含量表现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且均有少量的增加但不明显。

淀粉含量：处理T1时具体表现出适熟烟叶极显著大于未熟和过熟烟叶，未熟烟叶和过熟烟叶间无显著差异；处理T2和处理T5时表现出过熟烟叶极显著大于适熟烟叶，适熟烟叶极显著大于未熟烟叶；处理T3、处理T4和处理T6时均表现出适熟烟叶极显著大于过熟烟叶，过熟烟叶极显著大于未熟烟叶；烤后适熟烟叶和过熟烟叶无显著差异，且极显著大于未熟烟叶。烘烤过程中淀粉含量均呈现减小的趋势且主要发生在处理T1至处理T2，减小的速度为未熟烟叶>适熟烟叶>过熟烟叶。烤后淀粉含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且与烤前相比均有明显的减少。

淀粉酶：在处理T1时过熟烟叶的含量大于适熟烟叶的含量，未熟烟叶的含量在两者之间；在处理T3、处理T4和烤后均表现出过熟烟叶淀粉酶含量极显著大于适熟烟叶淀粉酶含量，但适熟烟叶淀粉酶含量显著小于未熟烟叶淀粉酶含量；在处理T3下，适熟烟叶显著小于过熟烟叶，过熟烟叶显著小于未熟烟叶；处理T5时过熟烟叶显著小于适熟烟叶，适熟烟叶显著小于未熟烟叶；处理T6时表现为适熟烟叶与过熟烟叶存在显著性差异，过熟烟叶与未熟烟叶存在显著性差异，具体表现为适熟烟叶淀粉酶含量小于过熟烟叶淀粉酶含量。成熟度不同的烟叶均表现相同的趋势均表现为先减小后增大再减小再增大最后减小的趋势，期间出现多次高峰。烤后淀粉酶含量表现为过熟烟叶<适熟烟叶<未熟烟叶，且均有少量的增加但不明显。

2.3 烘烤过程中烟叶蛋白质含量和氨基酸含量的变化

蛋白质含量：处理T1时具体表现出过熟烟叶大于适熟烟叶大于未熟烟叶；处理T2时表现出过熟烟叶大于适熟烟叶，适熟烟叶大于未熟烟叶；处理T3、处理T4和处理T6时均表现出适熟烟叶小于过熟烟叶，过熟烟叶大于未熟烟叶；烤后适熟烟叶和过熟烟叶无显著差异，且大于未熟烟叶。烘烤过程中蛋白质含量均呈现增加-减小-增加-减小-增加的趋势。烤后蛋白质含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且与烤前相比均有明显的减少。

氨基酸含量：处理T1时具体表现出过熟烟叶小于适熟烟叶小于未熟烟叶；处理T2和处理T5时表现出过熟烟叶小于适熟烟叶，适熟烟叶小于未熟烟叶；处理T3、处理T4时均表现出适熟烟叶大于过熟烟叶，过熟烟叶小于未熟烟叶；烤后适熟烟叶和过熟烟叶无显著差异，且大于未熟烟叶。烘烤过程中氨基酸含量均呈现增加-减小的趋势。烤后氨基酸含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶。

内肽酶：处理T1时具体表现出过熟烟叶大于适熟烟叶大于未熟烟叶；处理T2时表现出过熟烟叶大于适熟烟叶，适熟烟叶大于未熟烟叶；处理T4时表现出适熟烟叶小于过熟烟叶，过熟烟叶大于未熟烟叶；烤后适熟烟叶和过熟烟叶无显著差异，且大于未熟烟叶。烘烤过程中内肽酶含量均呈现增加-减小-增加-减小的趋势。烤后内肽酶含量呈现为适熟烟叶>过熟烟叶>未熟烟叶。

氨肽酶：处理T1时具体表现出过熟烟叶小于适熟烟叶小于未熟烟叶；处理T2和处理T4时表现出过熟烟叶小于适熟烟叶，适熟烟叶小于未熟烟叶；处理T4时均表现出适熟烟叶大于过熟烟叶，过熟烟叶小于未熟烟叶；烤后适熟烟叶和过熟烟叶无显著差异，且小于未熟烟叶。烘烤过程中氨肽酶含量均呈现增加-减小的趋势。烤后氨肽酶含量呈现为过熟烟叶<适熟烟叶<未熟烟叶。

表3 烟叶烘烤过程中蛋白质、氨基酸、內肽酶和氨肽酶含量变化及差异

3 讨 论

3.1 不同成熟度烟叶烘烤过程中色素含量变化

姚益群等[11]研究指出，虽然烟草烟叶的色素没有香味表征，但是烟叶色素在经过一系列转化后会影响烟草香气品质的重要因素。类胡萝卜素和类胡萝卜素的降解产物是烟草重要的香气来源，会对烟草烟叶品质起到决定性作用。周益衡等[12]研究发现叶绿素在烤烟烘烤调制过程中会分解成叶醇，叶醇再次脱水降解产物植物呋喃和新植二烯能增加烤烟的清香气息。试验结果显示随着烘烤的进行烟叶中叶绿素含量均表现为减小的趋势，且主要发生在变黄期；

适熟烟叶和过熟烟叶叶绿素含量降解集中发生在鲜样至36 ℃末期间，未熟烟叶集中在鲜样至42 ℃末期间，降解速度表现为未熟烟叶>适熟烟叶>过熟烟叶。这与孙福山[13]的研究结果相一致，即叶绿素在变黄期快速降解，特别是烘烤的前48 h降解量大，之后变缓，在 45 ℃后基本稳定。这说明成熟度越高鲜叶叶绿素含量越低，烘烤过程中降解速度较慢，主要降解时间越短。所以针对不同成熟度烟叶的烘烤应采用不同的烘烤方法使烟叶叶绿素在不同的烘烤温度之前降解使烟叶变黄，防止烟叶烤青烤焦。

叶绿素含量在烤烟烘烤过程中差异极显著，烤后烟叶叶绿素含量从高到低依次是：未熟烟叶、过熟烟叶、适熟烟叶；适熟烟叶叶绿素充分降解，烤后含量仅为1.3 mg/100g。类胡萝卜素烘烤过程中不呈规律性的下降，可能是由于水分含量的变化导致；烤后类胡萝卜素含量均有一定的下降，且含量表现为未熟烟叶>适熟烟叶>过熟烟叶。调制过程中色素降解较为彻底，能大幅提高烟草香气质量，烟叶质量，工业加工价值[14]。烟叶在燃吸时若叶绿素含量过高，会产生明显的青杂气，带来严重的刺激性[12]，烤后烟叶叶绿素过高对烟叶品质不利，然而类胡萝卜素含量的增加对于评吸结果有利[15]。

3.2 不同成熟度烟叶烘烤过程中淀粉酶、可溶性淀粉和糖含量变化

烟草在生长成熟过程中，其农艺性状，生理生化指标不断发生改变，这些变化直接或间接的影响着不同生育期不同成熟度烟草叶片的烘烤调制特性和烤后烟叶质量等级以及工业再加工性[16-21]，所以烟草鲜烟叶的成熟度直接影响着烘烤过程中烟叶的烘烤特性和烤后烟叶的质量。烤后淀粉含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且与烤前相比均有明显的减少。这与孙福山的研究结果有相同之处亦有所区别，变黄期是淀粉降解的主要时期，淀粉含量随成熟度的提高而明显降低，适熟鲜烟叶淀粉含量较高，烘烤中降解较快[13]；成熟度较低的烟叶淀粉降解时间较长。淀粉通过烘烤水解为糖，糖可使烟叶香气浓郁，吃味醇和[3,22]，淀粉的降解与多种因素有关，宫长荣[23]研究表明，烟叶含水量在百分之五十以下时，淀粉降解速率很低，淀粉含量很稳定。淀粉酶的含量随着烤烟的成熟度不同而不同，淀粉酶含量影响着可溶性糖和淀粉的水解[24]。本研究结果显示烤后可溶性糖含量表现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且均有少量的增加但不明显。烤后淀粉含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且与烤前相比均有明显的减少。烤后淀粉酶含量表现为过熟烟叶<适熟烟叶<未熟烟叶，且均有少量的增加但不明显。

3.3 烘烤过程中烤烟烟叶蛋白质和氨基酸含量的变化

烘烤过程中过熟烟叶的可溶性蛋白含量明显高于适熟和未熟烟叶，烤后高达48.95 mg/g，虽然烤后烟叶蛋白含量均低于普遍优质烟叶的蛋白含量标准(7 %～9 %)[25]，但唯有适熟烟叶烤后的蛋白含量最低，对烟叶吸味品质的不利影响最小。不同成熟度烟叶中的蛋白质含量在烘烤过程中均表现为持续下降，而游离氨基酸含量变化差异明显，在烤烟尚熟烟叶中游离氨基酸含量呈持续上升现象，而适熟和过熟烟叶呈现“上升-下降-上升”的变化趋势[26]。尚熟烟叶的蛋白质在采摘前积累合成量较多，可能在某种热稳定性较好的酶作用下，在烘烤过程中烟叶游离氨基酸含量持续上升。而适熟和过熟烟叶随着烘烤时间推移和烘烤温度上升。内肽酶是促进可溶性蛋白质生成游离氨基酸的关键酶，其活性高低直接影响着蛋白质与游离氨基酸的消长速率[27]。随着温度的升高，在低温变黄期能显著提高烟叶内肽酶的活性，其中适熟和过熟烟叶对环境的温度胁迫更加敏感，其内肽酶活性较高，生成多肽来减轻逆境环境中氧自由基的损伤[28]。本研究结果表明，烘烤过程中蛋白质含量均呈现增加-减小-增加-减小-增加的趋势。烤后蛋白质含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶，且与烤前相比均有明显的减少。烘烤过程中氨基酸含量均呈现增加-减小的趋势。烤后氨基酸含量呈现为过熟烟叶>适熟烟叶>未熟烟叶。烘烤过程中内肽酶含量均呈现增加-减小-增加-减小的趋势。烤后内肽酶含量呈现为适熟烟叶>过熟烟叶>未熟烟叶。烘烤过程中氨肽酶含量均呈现增加-减小的趋势。烤后氨肽酶含量呈现为过熟烟叶<适熟烟叶<未熟烟叶。

4 结 论

综合分析得出烟叶成熟度对烘烤过程中烟叶的大分子物质代谢具有重要影响；适宜成熟度采收的烟叶烘烤过程中色素降解速度较快且烤后降解较彻底，淀粉水解为水溶性糖较为彻底，淀粉酶活性强，对烟叶香味及吸味品质形成较为有利。过熟烟叶色素含量降解少、烤后含量较低烘烤过程中蛋白质含量均呈现增加-减小-增加-减小-增加、氨基酸含量均呈现增加-减小、内肽酶含量均呈现增加-减小-增加-减小的趋势。成熟度适宜的烟叶烘烤过程中色素降解速度较快且较彻底。淀粉、淀粉酶含量适宜，淀粉水解为水溶性糖较为彻底，蛋白质、氨基酸的含量适宜，利于美拉德反应的完成，对烟叶品质形成具有重要作用。