云烟87与硃砂2号烟叶化学成分差异分析

赵信林，栾明宝，张谊寒

(1.云南省烟草农业科学研究院，云南昆明 650021；2.中国农业科学院麻类研究所/南方经济作物研究中心，湖南长沙 410221)

烟草(Nicotianatabacum)是全球最重要的经济作物之一，而我国已经成为世界上最大的烟草生产和消费国[1－2]。烟草的经济价值主要体现在叶片上，烟叶的高产和高质是烟草种植的重要目标。烟叶的产量与烟草品种、环境因素、栽培管理紧密相关[3－4]。在特定环境和管理水平下，烟草品种对烟叶产量和品质起着决定性作用，因此，充分利用现代或传统育种技术培育高产优质烟草品种十分必要。

硃砂烟(Cherry red tobacco)是指烤烟中能将大部分烟碱(尼古丁)转化为去甲基烟碱(降烟碱)的突变植株[5]。研究[6]表明，变异株中去甲基酶基因可以大量表达，从而将烟碱大量转化为降烟碱。目前，硃砂烟因其特殊的“糯米香”风味而受到卷烟工业的持续关注，并被业界称作烟叶中的极品[7]。然而，以“硃砂烟”为主题词，通过“中国知网”对关于硃砂烟的研究进行搜索，发现国内硃砂烟的研究报告并不多，现有研究全部集中在2020年及以后，尤其缺乏对其特殊风味产生机制的分析。因此，亟须加强对硃砂烟的研究。

云烟87 是以云烟2 号为母本，K326 作父本进行杂交，经系谱选择育成的烤烟品种[8]，在其绿色及衰老叶片中的主要生物碱是烟碱。然而，在生产云烟87 过程中，研究人员发现了稀有的硃砂烟变异株后，相关人员进一步通过分子技术选育成为硃砂烟新品系，即硃砂2 号。这两个品种为探明硃砂烟风味形成机制提供了优异材料。但目前关于硃砂2 号的研究还鲜有报道，其烟叶与非变异株云烟87 烟叶在化学成分上的差异还有待深入了解。因此，本研究拟通过测定云烟87 和硃砂2 号不同叶位的烟叶中与烟叶质量相关的主要成分指标，对比两个烟草品种烟叶在化学成分上的差异，以期为进一步改良硃砂2 号提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试烟草品种为云烟87 和硃砂2 号，其中，硃砂2 号于2019年在云南省烟草农业科学研究院玉溪研和试验基地种植的云烟87 群体中发现，同年套袋自交获得硃砂烟种子。云烟87CYP82E4基因不表达，硃砂2 号为云烟87CYP82E4 基因表达后植株。

1.2 方法

1.2.1 田间试验

试验在云南省昆明市石林县板桥镇者乌龙村(103.28°E，24.70°N)进行，海拔1680 m，土壤养分状况如下:有机质25.34 g/kg、速效氮106.9 mg/kg、速效磷26.42 mg/kg、速效钾149.2 mg/kg，pH 7.91。土壤类型为紫色土，前作为小麦。2020年将前一年收获的硃砂烟(CR)和云烟87(CK)再次种植在云南省烟草农业科学研究院玉溪研和试验基地，在同一片农田进行烟叶品比试验。每个烟草品种种植3 个小区，每个小区种植100 株左右，行株距为120 cm×55 cm。整个烟草生育期间两个品种的田间管理措施保持一致。

1.2.2 取样与分析

按照烟叶成熟顺序进行先后收获，烤烟完成后对烟叶的常规化学成分、致香成分、生物碱成分进行测定和分析。

1.2.3 烟叶成分分析

总植物碱含量按照YC/T 468—2013«烟草及烟草制品总植物碱的测定连续流动法»测定；总氮含量按照YC/T 161—2002«烟草及烟草制品总氮的测定连续流动法»测定；总糖和还原糖含量按照YC/T 159—2002«烟草及烟草制品水溶性糖的测定连续流动法»测定；钾含量按照YC/T 217—2007«烟草及烟草制品钾的测定连续流动法»测定；氯含量按照YC/T 162—2002«烟草及烟草制品氯的测定连续流动法»测定[9]。生物碱采用气相色谱/质谱(SIM)法按照标准«烟草及烟草制品烟碱、降烟碱、新烟碱、麦斯明和假木贼碱的测定气相色谱－质谱联用法»YC/T 383－2010测定[10]。致香成分测定参考文献[11]中方法。本研究分析的主要致香成分见表1。

表1 本研究测定的烟叶主要致香成分Table 1 The main flavor compounds in tobacco leaf determined in this study

1.3 数据分析

图1～2 中数据采用Microsoft Excel 2016 处理，采用SPSS 22.0 进行方差分析，并用Duncan 法在P＝0.05 显著水平上进行多重比较，采用Origin 2021 进行绘图；图3 数据采用Microsoft Excel 2016 和R 语言软件对云烟87 和硃砂2 号主要致香物质进行处理和t检验，并借助“微生信”在线绘图平台(http:/ /www.bioinformatics.com.cn/)作火山图。

2 结果与分析

2.1 烟叶常规化学指标

与云烟87 相比，硃砂2 号烟叶的代表性常规化学成分含量出现了显著的增加或者下降(图1)。硃砂2 号烟叶中的还原糖含量与云烟87 相比有显著性下降，这一点在上、中、下3 个部位的烟叶出现的规律一致。与还原糖类似，硃砂2 号烟叶中的总植物碱和氯的含量与云烟87 相比也显著下降。硃砂2 号3 个部位烟叶中的总氮和钾含量则显著高于云烟87。

2.2 烟叶生物碱分析

硃砂2 号和云烟87 烟叶中的烟碱、降烟碱、麦斯明、新烟碱、新烟草碱和可替宁含量如图2所示。与云烟87 相比，硃砂2 号上、中、下3 个部位烟叶中的烟碱和降烟碱含量分别显著降低和增加，这是硃砂烟自身特有的属性。类似降烟碱，硃砂2 号不同部位烟叶中的麦斯明含量也显著高于云烟87。硃砂2 号上部烟叶中的新烟碱含量显著高于云烟87，但是两个品种烟草的中、下部烟叶中的新烟碱含量并没有显著性差异。在上、中部烟叶中，硃砂2 号的新烟草碱含量显著高于云烟87，但是在下部烟叶中的新烟草碱含量差异并不显著。不论是烟草品种，还是烟叶部位，对可替宁的含量都没有产生显著性影响。

图2 烟叶中的生物碱含量Fig.2 Alkaloid content in tobacco leaves

2.3 烟叶致香成分分析

对云烟87 和硃砂2 号烟草不同部位(上6 片、中6 片、下6 片)烟叶中的主要致香物质含量进行了差异分析，结果如图3所示。结果表明，与云烟87 相比，硃砂2 号烟叶的致香成分含量发生了显著的变化，一些成分含量显著提高或者下降，但大部分成分含量差异不显著，且该变化因叶片部位不同而产生很大差异。在上部叶中，硃砂2 号的2，4 庚二烯醛(FC3)、棕榈酸(F58)和西柏三烯二醇－2(FC62)3 种致香成分与云烟87 相比显著降低，而硃砂2 号的吲哚(FC14)、螺岩兰草酮(FC47)、蒎烷(FC51)、二十二六烯酸甲酯(FC55)和亚油酸甲酯(FC64)则显著提高。在中部叶中，硃砂2 号的2，4 庚二烯醛(FC3)和西柏三烯二醇－2(FC62)2 种致香成分与云烟87 相比显著降低，而糠醛(FC2)、苯乙醛(FC6)、巨豆三烯酮A(FC32)、巨豆三烯酮B(FC34)、巨豆三烯酮C(FC36)、巨豆三烯酮D(FC38)、正十五醛(FC43)、二十二六烯酸甲酯(FC55)和棕榈酸(FC58)9 种致香成分则显著提高。在下部叶中，硃砂2 号烟叶中所有已测致香成分与云烟87 相比，均没有显著降低者，4－羟基－3－甲基苯乙酮(FC15)、4－羟基－β－二氢大马酮(FC37)、2，4，6－三甲基－1，3－苯二胺(FC39)、正十五醛(FC43)、二十二六烯酸甲酯(FC55)和棕榈酸(FC58)6 种成分则显著提高。

图3 烟叶中致香成分差异分析Fig.3 Difference analysis of flavor compounds in tobacco leaves

3 讨论

硃砂烟主要是在栽培过程中由普通烟草自然突变形成，其成熟烟叶经初烤后会出现硃砂斑纹且风味独特，具有很高的经济价值，在卷烟和香料等领域具有广阔的应用前景[7]。硃砂烟因颜色呈樱桃红，又被国外学者称为“樱桃红烟”，国外关于硃砂烟最早的报道可以追溯到20世纪50年代[5]。然而，我国关于硃砂烟的研究才刚刚起步，亟须加强硃砂烟育种工作和风味形成机制研究。

硃砂烟叶与普通烟叶相比，除烤烟后烟叶颜色的区别，在烟叶化学成分组成上也产生了显著的改变。还原糖对烟气的香吃味有重要作用，还可以减少烟气的刺激性，对烟叶品质影响较大[12]，优质烤烟的还原糖含量应处于16.1%～22.1%[13]，本研究表明硃砂2 号和云烟87 烟叶还原糖含量大致在前述范围以内。一般烟叶总氮在1.53%～1.88%时，烟叶劲头适中、刺激性小，香气量充足，可用性高[14]，本研究中两种烟草上部叶中的总氮含量高过此值，可能会对烟叶品质有一定的影响，但中下部叶片在推荐范围以内。烟草总植物碱是影响烟草商品价值的主要因素，能使吸食者获得一种生理上的满足，但其含量过高易损害人体健康[15]，适量降低总植物碱对烟草品质具有重要的意义。本研究中硃砂2 号的总植物碱含量显著低于云烟87，可能对烟叶的品质有一定的提升作用。钾是能提高烟叶燃烧性的矿质元素[16]，与烟叶香吃味也密切相关[17]，对烟叶品质具有重要的提升作用。本研究表明，硃砂2 号烟叶中钾的含量显著高于云烟87，所以硃砂2 号的品性要优于云烟87。烟叶中正常含氯量范围应为0.3%～0.8%，氯过高或过低对烟叶品质均有不良影响[18]，在这方面硃砂2 号烟叶比云烟87 的品质更优。

一般认为硃砂烟是由于烤烟中的烟碱向降烟碱大量转化而形成，所以“低烟碱、高降烟碱”是硃砂烟最鲜明的特征之一[19]。本研究中云烟87 烟叶中的烟碱含量是硃砂2 号烟叶的4～6 倍，而硃砂2 号烟叶的降烟碱含量为云烟87 的11～14 倍，因此，硃砂2 号具有硃砂烟最鲜明的特点。已有研究证明，硃砂烟中去甲基酶基因可以大量表达，从而将烟碱大量转化为降烟碱[6]。关于烟草基因组中烟碱去甲基酶基因家族，目前已有4 个功能基因被克隆，分别为CYP82E4、CYP82E5、CYP82E10、CYP82E21[20－23]，但是进一步的研究表明CYP82E4 才是导致“低烟碱、高降烟碱”的关键基因[6]。因此，本研究中CYP82E4 基因表达与否是导致云烟87 和硃砂2 号烟叶中烟碱与降烟碱差异的根本原因。麦斯明在两种烟草中的变化趋势与降烟碱一致，表明硃砂2 号烟叶中的烟碱可能有一部分转化为了麦斯明，这一点与焦天雷等[10]的研究结论一致。此外，新烟碱、新烟草碱和可替宁在硃砂2 号中也有显著或不显著的增加，推测这与烟碱的转化有一定的联系。

烟叶尼古丁含量低使得硃砂烟口感醇厚，具有较高的香气物质和香气量，刺激性小，与普通烟叶相比有更大的发展优势[24]。云南硃砂烟具有典型的“糯米香”风味，备受烟草行业关注，研究硃砂烟“糯米香”产生机制具有重要的意义。本研究对云烟87 和硃砂2 号烟叶中的致香物质进行了测定和分析，研究表明:与云烟87 相比，硃砂2 号烟叶有多种香气成分发生了显著变化，而且与烟叶的取样部位紧密相关；硃砂2 号烟叶中部烟叶致香成分含量上调的种类最多，上部和下部叶成分含量变化种类相同，这说明硃砂2 号与云烟87 相比，中部叶片的风味差可能更大。同时，硃砂2号独特风味的形成主要与少部分酮类、醛类、酸类、酯类化合物的变化有关。

4 结论

通过分析硃砂2 号与云烟87 烟叶化学成分含量差异，可以得出以下结论:一是硃砂2 号在还原糖、总氮、钾、氯、总植物碱等常规化学成分含量上与云烟87 相比，有了明显的差异和改善，可使硃砂2 号烟叶可燃性更好、吃味更佳；二是硃砂2 号显著降低了烟碱的含量，提高了降烟碱的含量；与云烟87 相比，硃砂2 号烟叶独特风味的形成主要与部分酮类、醛类、酸类、酯类化合物的变化有关，关键因子包括含量显著下降的2，4 庚二烯醛、西柏三烯二醇－2 和含量显著提高的吲哚、棕榈酸、二十二六烯酸甲酯、2，4，6－三甲基－1，3－苯二胺、正十五醛等。