烤煙煙葉淀粉顆粒結構特征與基本特性

賀帆，王濤，王梅，史龍飛，李偉，王勇軍，宮長榮

1 河南農業大學煙草學院，鄭州文化路95號 450002；

2湖北省煙草公司恩施州公司，恩施施州大道119號 445000;

3河南省煙草公司三門峽市公司，三門峽上陽中路 472000

淀粉是高等植物中碳水化合物貯藏的主要形式，不同植物的遺傳和環境不同，形成的淀粉顆粒的結構和性質有著明顯的差異。淀粉獨特的物理化學性能對淀粉和含淀粉物料的加工具有關鍵性意義。與其他高等植物相比，鮮煙葉中的淀粉只作為暫時貯存形態。在烘烤過程中其分解、轉化決定著煙葉內在品質與外觀質量。國外優質烤煙淀粉含量約為1%-2%，而我國煙葉中淀粉含量約為4%-6%；淀粉含量如果較高，一方面會影響燃吸的速度和完全性，另一方面燃吸時淀粉會產生焦糊氣味，對煙葉香吃味有不良影響[1-2]。相關研究表明，淀粉的顆粒大小、形狀、結晶結構以及直鏈和支鏈淀粉含量等因素均與淀粉的酶解有密切關系[3]。煙葉淀粉顆粒主要為圓球形和長圓柱狀，顆粒存在明暗相交的層狀結構；淀粉的顆粒大小隨著葉片的成熟逐漸增大，在工藝成熟時長軸平均粒徑為3.21 μm[4-6]。淀粉是由直鏈和支鏈淀粉組成，煙葉淀粉直鏈淀粉與支鏈淀粉比值為3:7；與貯藏器官內的淀粉相比較，相對分子量較小[7-8]。淀粉的粘度和碘親和力隨著葉片的成熟逐漸增加[6]。有關淀粉結構特性與作物品質、淀粉降解機理的研究較多，但是對于與煙葉淀粉降解有關的顆粒結構和特性的研究卻鮮有報道。因此，本試驗通過研究三個品種成熟鮮煙葉淀粉顆粒的超微結構、晶體特性和熱特性，旨在從微觀角度探尋合理調控烤后煙葉淀粉含量的途徑，為提升煙葉質量特色提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2010～2011年在河南省盧氏縣南峪煙站進行，供試品種云煙87、中煙103和中煙202，5月18日移栽，行距120 cm，株距50 cm，試驗田土壤肥力均勻一致，均按照優質烤煙生產技術規范栽培管理。

1.2 樣品制備

以中部葉（9～12位葉）為試驗材料，煙葉成熟時按照葉位單葉采收。各品種隨機采取20片鮮煙葉立即提取淀粉。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 煙葉淀粉提取 煙葉淀粉的提取參照文獻[9]進行。

1.3.2 淀粉顆粒結構 采用美國FEI Quanta 200 環境掃描電鏡，挑取適量淀粉樣品，將其均勻平鋪于載樣臺上，按照常規方法噴金處理，噴金后樣品直接放入掃描顯微樣品室進行觀察。掃描過程用20KV的加速電壓。

1.3.3 淀粉晶體特性 采用荷蘭X’Pert PRO型X射線衍射儀，X-射線衍射條件：CuKα 輻射，管壓40KV，管流40mA，掃描速度2°/min，掃描范圍5-50°，步寬0.02°。采用MDI Jade 5.0分析軟件計算結晶度[10]。

1.3.4 淀粉熱特性 采用德國NETZSCH公司的STA409PC同步熱分析儀，稱取2.5 mg淀粉樣品放入DSC測試盒，加5 μL去離子水，密封后置于冰箱4℃放置過夜，測試前取出平衡至室溫，測定時空盒為參照，升溫速度10℃/min，測試溫度范圍30-120℃。用儀器自帶軟件計算淀粉糊化起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和熱焓值（?H）。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種煙葉淀粉顆粒結構

不同植物來源的淀粉顆粒具有不同的形狀特征，大小和微觀形貌[11]。通過掃描電子顯微鏡觀察（圖1），成熟鮮煙葉淀粉顆粒表面光滑，主要為圓球形和長圓柱狀，其中中煙103淀粉顆粒個別呈現不規則形狀。3個品種烤煙淀粉顆粒表面均存在明顯的內陷凹槽；層狀結構多出現在長圓柱狀和不規則形狀的淀粉顆粒上，只有少數圓球形淀粉顆粒存在層狀結構，且中煙103和中煙202兩個品種的煙葉淀粉表面的層狀結構明顯多于并較云煙87明顯；并未觀察到孔洞或者裂口。通過電鏡標尺估測（表1），成熟鮮煙葉淀粉顆粒粒徑較小，由1.55 μm至8.04 μm不等，主要集中在3～4 μm；與塊莖[12]和谷物類[13]等相比粒徑較小。3個品種中以中煙103長軸平均粒徑最小，其次為中煙202，云煙87最大。目前，國內一般根據淀粉粒的臍點個數和輪紋環繞狀況將淀粉顆粒分為單粒淀粉、復粒淀粉和半復粒淀粉[14]。由圖1可知，鮮煙葉淀粉顆粒呈單粒淀粉特征。

表1 煙葉淀粉顆粒粒徑

2.2 不同品種煙葉淀粉晶體特性

淀粉顆粒是多晶體系，主要由結晶區和無定形區組成。根據X-射線衍射圖形可以分為“A”、“B”和“C”三種類型，其中“C”型是“A”和“B”的混合型[15]。通過X-射線衍射分析，3個品種烤煙淀粉在5.6、15.0、17.2和24.4處有較強衍射峰出現，但云煙87淀粉在22.7處存在1個中強峰。由此可見，烤煙煙葉淀粉X-射線衍射為“B”型模式。淀粉的XRD圖像中，2θ在20°附近的峰被認為為直鏈淀粉與脂的無定形峰，不同來源的淀粉在2θ 20°附近的峰強度不同，說明直鏈淀粉和脂的含量也不同；由圖2可知，云煙87和中煙103煙葉淀粉的直鏈淀粉和脂的含量相近，而中煙202含量稍低。通過MDI Jade 5.0對3個品種烤煙煙葉淀粉X-射線衍射圖譜分析計算，中煙202相對結晶度最小為25.25%，其次中煙103為30.34%，云煙87的最大34.68%。

圖1 煙葉淀粉顆粒掃描電子顯微鏡圖片

圖2 煙葉淀粉X-射線衍射圖譜

2.3 不同品種煙葉淀粉的熱特性

由于植物細胞中淀粉以顆粒狀態存在，直鏈淀粉和支鏈淀粉通過氫鍵高度有序的緊密的結合在一起，因此淀粉在冷水中不溶；但是當有一定量的水分存在情況下，加熱至某一溫度，水分子快速擴散至淀粉顆粒中，水被無定形區吸收，淀粉顆粒吸水膨脹，晶體有序性消失，結晶區雙螺旋結構被破壞解離，直鏈淀粉滲出，這種現象被稱之為淀粉的糊化[16]。淀粉糊化過程要經歷可逆吸水、不可逆吸水和顆粒解體階段，而糊化溫度能反映淀粉粒的硬度并直接影響淀粉粒的物理特性。通過淀粉的DSC熱力學特性分析（表2）可以看出，與其他作物淀粉相比，煙葉內淀粉顆粒的糊化起始溫度較低，但糊化峰值溫度、終止溫度和糊化焓較高。3個品種之間的各糊化溫度有細微的差別，但糊化焓差異較大；其中以云煙87煙葉淀粉的起始糊化溫度最低，但峰值溫度、終止溫度和糊化焓最高。煙葉淀粉的熱焓值隨著結晶度的降低而降低。

表2 煙葉淀粉DSC特征值

3 討論與結論

植物淀粉粒的大小和顆粒形狀不僅受基因控制，還與生長環境密切相關[17]。試驗結果表明，烤煙煙葉內暫時貯存的淀粉顆粒形狀為圓球形和長圓柱狀，個別呈不規則形狀；粒徑較小，平均在3～4 μm；這與王濤等[4]的研究結果一致，且Therin等[18]也認為長度小于5 μm的淀粉粒一般是植物的葉片或莖稈產生的瞬時淀粉粒。宋朝鵬、李統帥等[5,19]通過生物顯微鏡觀察到淀粉顆粒存在層狀結構；試驗結果表明煙葉淀粉顆粒表面不僅存在層狀結構還存在明顯的內陷凹槽，在層狀結構中能明顯觀察到在密實的結晶區之間具有無定形區。內陷凹槽是由于球形蛋白質微體阻礙了淀粉團粒在那部位的生長而留下的痕跡；而層狀輪紋結構一般被認為是淀粉周期性生長的生長環，表現了淀粉外加生長時沉積的方式或速率的波動而產生的淀粉含量高低的殼層[20-21]。多數研究表明，在酶的作用下，淀粉顆粒層狀結構逐漸增多，且層狀結構的出現能夠加速酶的侵蝕[22,4]，因此，不同品種的田間成熟煙葉淀粉的顆粒表面層狀結構存在的差異與煙葉內淀粉降解相關酶的作用存在一定關系，且與烘烤過程中淀粉的降解具有密切的關系。

淀粉的晶體性質在淀粉的酶學行為中伴有重要的角色。試驗結果表明，烤煙煙葉淀粉X射線衍射圖形為“B”型。相關研究[25]認為，“B”型淀粉的結晶結構優于“A”型淀粉，對α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶的水解有更大抗性。淀粉具有結晶區和無定形區，淀粉分子中的直鏈與支鏈淀粉通過雙螺旋結構結合，而雙螺旋分子鏈通過分子間的相互作用力以一定空間點陣形成不同的多晶形態[23-24]。三個品種的煙葉淀粉相對結晶度差異明顯，這表明，不同品種煙葉的淀粉內在淀粉分子鏈長及其分子間的結構上存在一定的差異，從而對烘烤過程中的淀粉降解存在一定的影響。

淀粉糊化最先發生在淀粉顆粒的無定形區，直鏈淀粉最先被溶解，支鏈淀粉部分溶解[26]。試驗結果表明，煙葉淀粉在35℃～38℃開始糊化，明顯低于其他作物淀粉的糊化起始溫度，這可能是由于煙葉淀粉顆粒粒徑較小，且部分顆粒存在出層狀結構，無定形區顯現，有利于淀粉的糊化。對淀粉結晶度和熱焓值關系進行研究表明，隨著結晶度的降低，熱焓值也隨之降低。吳平等在對錐栗原淀粉及其分離組分的熱特性研究中也認為，從原淀粉、直鏈淀粉、中間成分到支鏈淀粉，它們的熱焓依次減少，XRD分析結晶度依次降低，即支鏈晶體含量越多則熱焓越低[27]。

淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成的半晶體結構，其中直鏈淀粉和支鏈淀粉所占比例及支鏈淀粉的精細結構決定淀粉的特性[23，28]。不同基因型烤煙煙葉淀粉的顆粒表面特征基本一致，但內部分子鏈結構的不同造成特性的差異，并對烘烤過程中淀粉的降解具有重要影響。但本試驗只是初步研究結果，對于煙葉淀粉顆粒內部結構、支鏈淀粉鏈結構以及淀粉級分分離等及其與烘烤過程中降解的關系有待進一步研究。同時，從煙葉中提取的蛋白質可制作為多種食品；提取的煙堿制成醫藥可防治病患，制成農藥可防治農作物害蟲；煙葉生理成熟時淀粉含量高達40%，那么病殘葉及其打掉的底腳葉是否可以作為淀粉來源及其如何應用，有待進一步探討。

[1] 王瑞新. 煙草化學[M]. 北京: 中國農業出版社, 2003:44-45.

[2] WEEKS W W. Chemistry of tobacco constituents influence flavor and aroma[J]. Recent Advance of Tobacco Science, 1985(11): 175-200.

[3] 徐麗霞, 扶雄, 黃強. 淀粉顆粒結構特性對酶解影響的研究進展[J]. 糧食與飼料工業, 2008 (5): 21-23.

[4] 王濤, 賀帆, 田斌強, 等. 密集烘烤過程中烤煙上部葉淀粉顆粒結構與酶解力變化[J]. 中國農業科學, 2012,45(13): 2704-2710.

[5] 宋朝鵬, 李統帥, 張勇剛, 等. 烘烤過程中煙葉淀粉透光率和顆粒結構的變化[J]. 云南農業大學學報, 2010,25(3): 368-372.

[6] Matheson N K, Wheatley J M. Starch changes in developing and senescing tobacco leaves[J]. Australian Journal of Biological Sciences, 1962, 15(3):445-458.

[7] Gaines T P, Culter H G. Effect of flue curing on the amylose/amylopectin ratio of tobacco starch[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1974, 4(22):706-708.

[8] Matheson N K. The chemical structure of amylase and amylopectin fractions of starch from tobacco leaves during development and diurnally-nocturnally [J].Carbohydrate Research, 1996, 282:247-262.

[9] 王濤, 賀帆, 田斌強, 等. 烤煙煙葉淀粉的提取工藝優化[J]. 煙草科技, 2012, (6): 80-83.

[10] 陳翠蘭, 張本山, 陳福全. 淀粉結晶度計算的新方法[J].食品科學, 2011, 32(9): 68-71.

[11] Jane J L, Kasemsuwan T, Leas S, et al. Anthology of starch granule morphology by scanning electron microscopy[J]. Starch, 1994, 46(4):121-129.

[12] 陸大雷, 郭換粉, 董策, 等. 普通、甜、糯玉米果穗不同部位籽粒淀粉理化特性和顆粒分布差異[J]. 作物學報, 2011,37(2): 331-338.

[13] Hoover R, Hughes T, Chung H J, et al. Composition,molecular structure, properties, and modif i cation of pulse starches: a review [J]. Food research international, 2010,43: 399-413.

[14] 韋存虛, 張軍, 周衛東, 等. 水稻胚乳淀粉體被膜的降解和復粒淀粉粒概念的探討[J]. 中國水稻科學, 2008,22(4): 377-384.

[15] 黃強, 羅發興, 楊連生. 淀粉顆粒結構的研究進展[J].高分子材料科學與工程, 2004, 20(5): 19-23.

[16] 馬榮朝, 秦文, 薛文通. 馬鈴薯糊化過程中介電特性和熱特性的分析[J]. 農業工程學報, 2008, 24(10): 248-251.

[17] 葛威, 劉莉, 金正耀. 幾種禾本科植物淀粉粒形態比較及其考古學意義[J]. 第四紀研究, 2010, 30(2): 377-384.

[18] Therin M, Torrence R, Fullagar R. Australian museum starch reference collection[J]. Australian Archaeology,1997, 44:52-53.

[19] 李統帥. 烘烤過程中煙葉淀粉顆粒結構及理化性質的研究[D]. 鄭州: 河南農業大學, 2010.

[20] Buttrose M S. The inf l uence of environment on the shell structure of starch granules [J]. The Journal of Cell Biology, 1962, 14(2):159-167.

[21] Yoshida M, Fujh M, Nikuni Z, et al. The appositive growth of starch granules in beans as revealed by autoradiography [J]. Bulletin of the Agricultural Chemical Society of Japan, 1958, 21:127.

[22] Peroni-okita F H G, Simao R A, Cardoso M B, et al. In vivo degradation of banana starch: structural characterization of the degradation process [J].Carbohydrate Polymers, 2010, 81: 291-299.

[23] 滿建民, 蔡金文, 徐斌, 等. 作物淀粉晶體結構的波譜分析[J]. 作物學報, 2012, 38(4): 691-698.

[24] Cheetham N W H, Tao L. Variation in crystalline type with amylose content in maize starch granules: an X-ray powder diffraction study [J]. Carbohydrate Polymer,1998, 36:277-284.

[25] Gerard C, Colonna P, Buleon A. Amylolysis of maize mutant starches [J]. Journal of Science and Food Agriculture, 2001, 81:1281-1287.

[26] 吳殿星, 舒小麗, 吳偉. 稻米淀粉品質研究與利用[M].北京: 中國農業出版社, 2009:24-27.

[27] 吳平, 胡蝶, 曾紅華, 等. 錐栗原淀粉及其分離組分的熱力學特性[J]. 中國糧油學報, 2011, 26(2): 38-42, 51.

[28] Tian Z X, Qian Q, Liu Q Q, et al. Allelic diversities in rice starch biosynthesis lead to a diverse array of rice eating and cooking qualities [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2009, 106:21760-21765.