馬鈴薯低溫糖化機制及影響因素研究

舒銳，譚峰軍，劉少軍，焦健，姚甜甜 ，蘭成云 ，李曉龍

（1.山東省輕工農副原料研究所，山東高密261500；2.濰坊市奎文區農林局，山東濰坊 261041）

馬鈴薯低溫糖化機制及影響因素研究

舒銳1，譚峰軍2*，劉少軍1，焦健1，姚甜甜1，蘭成云1，李曉龍1

（1.山東省輕工農副原料研究所，山東高密261500；2.濰坊市奎文區農林局，山東濰坊 261041）

馬鈴薯作為一種重要的加工作物，其加工食品薯片和薯條已經風靡全球，但馬鈴薯在低溫貯藏過程中淀粉轉化為還原糖，導致還原糖含量升高，油炸加工時生成一種帶有苦味的褐色物質，嚴重影響馬鈴薯的加工品質。近年來，馬鈴薯低溫糖化機制的研究取得了很大的進展，人們對影響馬鈴薯低溫糖化的因素也有了比較系統的認識。本文在前人的研究基礎上，結合近年的一些新的研究與發現，從碳水化合物代謝、生物膜通透性、馬鈴薯品種（基因型）、淀粉粒結構等方面進行了分析與總結，進一步探討了低溫糖化的調控機制和影響因素，為馬鈴薯加工品質改良提供理論依據和技術途徑，對于品種選育和改良具有重要的應用價值。

馬鈴薯；低溫糖化；影響因素；機制

如今薯片和薯條已經成為風靡全球的食品，尤其受到年輕人的喜愛。但低溫貯藏過程中馬鈴薯塊莖常因淀粉轉化為還原糖，導致還原糖含量迅速積累[2]，馬鈴薯這種在貯藏過程中淀粉降解、還原糖積累的現象被稱之為低溫糖化。對于加工用馬鈴薯而言，塊莖在低溫貯藏期間發生低溫糖化反應，在油炸加工時，還原糖與塊莖中游離的氨基酸發生非酶促的美拉德反應（Mai1lard reaction），生成一種帶有苦味的褐色物質，嚴重影響了馬鈴薯加工產品的色澤和品質[3]。

隨著馬鈴薯加工業的發展，馬鈴薯加工品種的市場需求日益增加，但由于我國馬鈴薯種質資源匱乏，制約了馬鈴薯加工品種的選育工作，而直接引進國外加工品種又受知識產權保護、品種適應性等條件的限制等。因此，探討馬鈴薯低溫糖化的調控機制，分析低溫糖化的影響因素，為馬鈴薯加工品質改良提供理論依據和技術途徑。

1 馬鈴薯低溫糖化機制

1.1 低溫條件下碳水化合物的代謝

低溫糖化時產生的糖類來源于淀粉，關于淀粉的降解方式主要有兩種觀點[4]。一種觀點認為淀粉酶的水解是淀粉降解的主要方式。Cottrell等[5]將5個馬鈴薯品種的新鮮塊莖在4℃和10℃貯藏幾個月后，測定發現4℃下貯藏5周，還原糖含量及三種淀粉酶（琢-淀粉酶、茁-淀粉酶、脫支酶）活性急劇上升，在10℃下則表現恒定或略有增加。而另一觀點則認為淀粉降解主要是淀粉磷酸化酶起作用，淀粉磷酸化酶隨貯藏時間的延長，活性呈增加趨勢[6]，然后還原糖含量、轉化酶活性也增大，因而認為淀粉的降解主要是通過磷酸降解路線，淀粉磷酸化酶活性升高是低溫糖化開始的標志[7]。淀粉降解生成磷酸己糖，磷酸己糖被轉運到細胞質轉化為蔗糖，蔗糖還可以在液泡中進一步分解成還原糖，其中淀粉-糖代謝中比較重要的酶有尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）和酸性蔗糖轉化酶（AcInv），對淀粉降解起著重要的作用[8]。有研究發現，在3℃貯藏條件下，不耐低溫糖化的馬鈴薯品種中的UGPase活性比耐低溫糖化的馬鈴薯品系高10倍，如果通過反義RNA技術抑制UGPase的活性降低到30%以后，低溫下的轉基因馬鈴薯塊莖中蔗糖含量比原來的品種大幅度下降[9]。AcInv催化蔗糖進一步降解為還原糖，這是一個不可逆的過程，是低溫糖化過程中的關鍵酶[10]。劉勛[11]研究發現，轉入轉化酶抑制子基因的塊莖，4℃貯藏后AcInv活性和還原糖含量明顯下降，蔗糖含量顯著上升，炸薯片色澤明顯改善，但淀粉含量變化不明顯，說明低溫貯藏塊莖中抑制轉化酶活性主要調節蔗糖的分解。林原等[12]發現馬鈴薯中存在由蔗糖轉化酶、轉化酶抑制蛋白和SNRK1激酶組成的蛋白質復合體，級聯式地調節馬鈴薯塊莖在低溫貯藏條件下的蔗糖轉化酶活性。而SNRK1琢亞基的磷酸化使其茁亞基失去功能，從而激活了轉化酶抑制蛋白，使轉化酶不能降解蔗糖，因此減少了低溫貯藏過程中馬鈴薯還原糖的積累。該研究建立了蔗糖代謝途徑馬鈴薯低溫糖化的分子作用模式，為馬鈴薯低溫糖化性狀的改良提供了理論依據和新途徑。

低溫貯藏期間還原糖積累也可能由于糖酵解作用的減弱，低溫條件下糖酵解受到抑制，導致磷酸己糖從呼吸作用途徑進入蔗糖合成途徑。Navrátil等[13]通過研究表明，低溫導致了糖酵解途徑被抑制，從而使還原糖積累，他通過導入抑制磷酸果糖激酶的Lbpfk基因，發現轉基因株系中還原糖含量明顯降低。

1.2 低溫貯藏對馬鈴薯塊莖生物膜的影響

關于溫度可以影響生物膜的通透性已經有大量的研究證實。在馬鈴薯低溫貯藏時由于溫度的變化使得馬鈴薯塊莖處在一個冷脅迫的環境中，大量研究證實，冷脅迫可以導致生物膜通透性的改變，這個理論已被人們所接受[9]。其中與低溫糖化有關的生物膜主要有造粉體膜（淀粉體膜）和液泡膜。造粉體是一種具有雙層質膜的無色質體，它具有對低溫敏感的物理性質，造粉體膜脂肪酸的不飽和度影響其通透性。冷脅迫可以引起馬鈴薯細胞內活性氧代謝平衡被打破，活性氧積累，導致膜脂發生過氧化[14]，膜脂過氧化引起膜透性增加的直接原因可能是膜磷脂性質的改變，間接原因可能是膜蛋白在過氧化過程中受到傷害，質膜是細胞與外界環境之間的界面，各種逆境對細胞的影響首先作用于質膜[15]。造粉體膜結構的完整性在貯藏過程中發生變化，電導率更高，膜的破壞更為明顯[14]。冷脅迫導致細胞生物體膜選擇通透性功能遭到破壞，主要是液泡膜發生滲漏，由于膜對降解酶的滲透性增加，使淀粉水解加快，導致低溫貯藏過程中淀粉發生了糖化[15]。

2 馬鈴薯低溫糖化影響因素

2.1 馬鈴薯的品種

不同品種的馬鈴薯，其干物質和還原糖含量有很大差異，基因型是影響馬鈴薯塊莖貯藏期間糖分含量的重要因素。將不同品種的馬鈴薯分別貯藏于2益、4益、8益條件下，還原糖含量出現了不同程度的增加，蔗糖含量亦有不同程度的升高[16]。鞏慧玲等[17]研究表明，不同品種的馬鈴薯貯藏期間及經回溫處理后，還原糖、淀粉含量的變化差異均達極顯著水平。2012年，陳霞[18]通過基因芯片的篩選，從野生種ber塊莖中分離到188個與低溫有關的基因，并同栽培種E3塊莖中的表達模式進行比較，發現大部分基因在E3塊莖中的表達模式與ber基本相同，少數基因表達模式或表達量在兩個品種間存在較大差異，這些基因可能是兩個品種塊莖低溫糖化差異的原因。就低溫糖化的內因而言，不同品種的敏感度存在著差異，同一品種不同生長環境[7]。這點說明馬鈴薯抗低溫糖化的能力不僅與基因型有關，還與生長環境有關。

2.2 馬鈴薯淀粉粒的結構

淀粉在植物細胞中以顆粒狀存在，稱為淀粉粒。淀粉?？梢苑譃閮煞N類型：支鏈淀粉和直鏈淀粉。支鏈淀粉分子要大于直鏈淀粉分子，并且支鏈淀粉分子含有很多的小支鏈。

淀粉粒中存在由支鏈淀粉構成的無定型區和由直鏈淀粉構成的結晶區兩部分。無定型區熱力學不穩定容易被酶降解，結晶區則是穩定抗酶解的[19]。所以如果支鏈越多那么無定型區也就越多，則更容易被降解。而馬鈴薯淀粉中72%～82%是支鏈淀粉，所以更容易被降解。Leszkowiat等[20]也證明了易低溫糖化的品種比抗低溫糖化的品種有更多的無定型區，其淀粉粒結構更不穩定。王清等[21]通過轉基因導入反義AcInv基因，發現馬鈴薯塊莖總淀粉含量、支鏈淀粉含量的下降速度變緩，直鏈淀粉含量增加，這更多的是由于支鏈淀粉構成的無定型區容易酶降解，而直鏈淀粉構成的結晶區保持相對穩定的結果。他還推測是導入的反義AcInv基因削弱了與淀粉降解有關酶系的活性。淀粉粒的結構與低溫糖化的關系是通過酶的作用表現出來的，改變酶的活性或改變淀粉粒的成分比例都可以達到提高馬鈴薯的抗低溫糖化能力。

3 結語

對于馬鈴薯塊莖低溫貯藏時出現低溫糖化現象的研究已經有上百年的歷史，得出了一些重要的結論，也提出了很多的假說去研究。馬鈴薯低溫糖化的機制可以從以上這幾個方面去研究探索，馬鈴薯低溫糖化的機制是復雜的，涉及到多方面的研究，但這些研究不是獨立的，而是相互聯系、相互制約的一個整體。比如淀粉粒結構和生物膜能夠影響低溫糖化作用，究其原因是由于酶的活性影響了馬鈴薯塊莖碳水化合物的代謝。品種與抗低溫糖化能力有著重要關系，因此選育優良品種至關重要，這也是現在研究的一個重點。另外，加工用馬鈴薯選擇較菜用馬鈴薯高的適宜貯藏溫度也是減緩加工用馬鈴薯糖化的有效措施。雖然目前關于塊莖低溫糖化的機制已經有很多的研究與結論，但我們真正的要把這些影響因素系統化還有很多的工作要做，亟待今后進一步的系統性研究。

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濟南果品研究院功能食品研究所

中華全國供銷合作總社濟南果品研究院功能食品研究所是專業從事果品、蔬菜及食用菌功能食品研究、應用、功能性評價，尤其是靈芝、金針菇、猴頭菇、香菇、蛹蟲草、紅棗、苦瓜、魔芋、山藥、枸杞、紅棗等多種食藥兼用物品功能成分提取、分離研究、產品開發與推廣服務的研發機構。近年來，功能食品研究所先后與中國科學院、中國農科院、國際蘑菇學會、中國食用菌協會等單位密切合作，取得了多項國家級、省部級科研成果。

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Progress on Mechanism and Influence Factors of Cold-induced Sweetening in Potato

SHU Rui1,TAN Feng-jun2*,LIU Shao-jun1,JIAO Jian1,YAO Tian-tian1,LAN Cheng-yun1,LI Xiao-long1
(1.Shandong Light Industry Institute of Agricultural and Sideline Raw Materials,Gaomi 261500,China; 2.Kuiwen Bureau of Agriculture and Forestry,Weifang 261041,China)

Potato is an important processing crop.Potato chips and French fries are extremely popular food in the world.But during the low temperature storage,the conversion of starch into sugar resulted in the processing quality of potato.This research is based on the previous study and then combined with some new research and discovery.The influence factors of cold-induced sweetening of potato were summarized,such as carbohydrate metabolism,biological membrane permeability, potato varieties(genotype)and starch granule structure.

Potato;cold-induced sweetening;influence factors;mechanism

S532

A

1008-1038(2017)03-0006-04

2016-11-06

舒銳（1987—），男，助理農藝師，主要從事作物栽培育種研究

*通訊作者：譚峰軍（1976—），女，助理農藝師，主要從事蔬菜栽培及推廣工作