烤烟烟叶淀粉颗粒结构特征与基本特性

49贺帆等　烤烟烟叶淀粉颗粒结构特征与基本特性

烤烟烟叶淀粉颗粒结构特征与基本特性

贺帆1，王涛1，王梅1，史龙飞1，李伟2，王勇军3，宫长荣1

1 河南农业大学烟草学院，郑州文化路95号 450002；

2湖北省烟草公司恩施州公司，恩施施州大道119号 445000;

3河南省烟草公司三门峡市公司，三门峡上阳中路 472000

摘　要：为明确烟叶淀粉颗粒结构和特性，合理调控烤后烟叶淀粉含量，采用环境扫描电子显微镜、X-射线衍射仪和同步热分析仪测定了云烟87、中烟103和中烟202三个品种田间成熟烟叶的淀粉颗粒结构特征、晶体特性和热特性。结果表明：三个品种田间成熟烟叶淀粉颗粒主要为圆球形和长圆柱状，个别呈不规则形状，平均粒径为3～4 μm；长圆柱状和不规则形状的淀粉颗粒上存在明显的层状结构，且中烟103和中烟202两个品种的烟叶淀粉表面的层状结构明显多于并较云烟87明显；X-射线衍射均为“B”型模式，品种间相对结晶度差异明显；烟叶淀粉颗粒的糊化起始温度较低，但糊化峰值温度、终止温度和糊化焓较高，三个品种之间的各糊化温度略有差异，但糊化焓差异较大；热焓值随着结晶度的降低而降低。

关键词：烤烟；淀粉；颗粒结构；晶体特性；热特性

doi：10.3969/j.issn.1004-5708.2013.03.010

中图分类号：S572.01 文献标识码：A 文章编号：1004-5708（2013）03-0049-05

Structural characteristics and properties of starch granules in flue-cured tobacco leaves HE Fan1, WANG Tao1, WANG Mei1, SHI Longfei1, LI Wei2, WANG Yongjun3, GONG Changrong1

1 College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;

2 Enshi Municipal Tobacco Company, Enshi, Hubei 445000, China;

3 Sanmenxia Municipal Tobacco Company, Sanmenxia, Henan 472000, China

Abstract: Structure, crystalline and thermal properties of starch granules in matured tobacco leaves from Yunyan87, Zhongyan103 and Zhongyan202 were determined by environmental scanning electron microscope, X-ray diffractometer and simultaneous thermal analyzer. Results showed that most starch granules were spheroidal and long cylindrical, while others were irregular shape. The average diameter was 3μm~4μm. Layer structure was found on the surface of long cylindrical and irregular starch granules. The layer structure of Zhongyan103 and Zhongyan202 were more than Yunyan87. X-ray diffraction showed that relative crystallinities among three cultivars were signi?cantly different, although they all showed B type diffraction spectrum. Thermal analysis showed that initial gelatinization temperature of starch granule was low, but peak temperature, terminal temperature and gelatinization enthalpy were high. There were no signi?cant differences in gelatinization temperatures among cultivars. Gelatinization enthalpy decreased when relative crystallinity decreased.

Keywords: ?ue-cured tobacco; starch; granule structure; crystalline property; thermal property

淀粉是高等植物中碳水化合物贮藏的主要形式，不同植物的遗传和环境不同，形成的淀粉颗粒的结构和性质有着明显的差异。淀粉独特的物理化学性能对淀粉和含淀粉物料的加工具有关键性意义。与其他高等植物相比，鲜烟叶中的淀粉只作为暂时贮存形态。在烘烤过程中其分解、转化决定着烟叶内在品质与外观质量。国外优质烤烟淀粉含量约为1%-2%，而我国烟叶中淀粉含量约为4%-6%；淀粉含量如果较高，一方面会影响燃吸的速度和完全性，另一方面燃吸时淀粉会产生焦糊气味，对烟叶香吃味有不良影响[1-2]。

基金项目：国家烟草专卖局重大专项资助项目（TS-01-2011006）

作者简介：贺帆（1975—），博士，讲师，主要从事烟草调制与加工研究，Email：hefanyc@https://www.360docs.net/doc/1d507820.html,

通讯作者：宫长荣( 1948—)，教授，博士生导师，主要从事烟草调制与加工研究，Email:gongchr009@https://www.360docs.net/doc/1d507820.html,

收稿日期：2012-08-23

50中国烟草学报　2013年6月第19卷第3期

相关研究表明，淀粉的颗粒大小、形状、结晶结构以及直链和支链淀粉含量等因素均与淀粉的酶解有密切关系[3]。烟叶淀粉颗粒主要为圆球形和长圆柱状，颗粒存在明暗相交的层状结构；淀粉的颗粒大小随着叶片的成熟逐渐增大，在工艺成熟时长轴平均粒径为3.21 μm[4-6]。淀粉是由直链和支链淀粉组成，烟叶淀粉直链淀粉与支链淀粉比值为3:7；与贮藏器官内的淀粉相比较，相对分子量较小[7-8]。淀粉的粘度和碘亲和力随着叶片的成熟逐渐增加[6]。有关淀粉结构特性与作物品质、淀粉降解机理的研究较多，但是对于与烟叶淀粉降解有关的颗粒结构和特性的研究却鲜有报道。因此，本试验通过研究三个品种成熟鲜烟叶淀粉颗粒的超微结构、晶体特性和热特性，旨在从微观角度探寻合理调控烤后烟叶淀粉含量的途径，为提升烟叶质量特色提供理论基础。

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验于2010~2011年在河南省卢氏县南峪烟站进行，供试品种云烟87、中烟103和中烟202，5月18日移栽，行距120 cm，株距50 cm，试验田土壤肥力均匀一致，均按照优质烤烟生产技术规范栽培管理。

1.2　样品制备

以中部叶（9~12位叶）为试验材料，烟叶成熟时按照叶位单叶采收。各品种随机采取20片鲜烟叶立即提取淀粉。

1.3　测定项目与方法

1.3.1　烟叶淀粉提取烟叶淀粉的提取参照文献[9]进行。

1.3.2　淀粉颗粒结构采用美国FEI Quanta 200 环境扫描电镜，挑取适量淀粉样品，将其均匀平铺于载样台上，按照常规方法喷金处理，喷金后样品直接放入扫描显微样品室进行观察。扫描过程用20KV的加速电压。

1.3.3　淀粉晶体特性采用荷兰X’Pert PRO型X射线衍射仪，X-射线衍射条件：CuKα辐射，管压40KV，管流40mA，扫描速度2°/min，扫描范围5-50°，步宽0.02°。采用MDI Jade 5.0分析软件计算结晶度[10]。

1.3.4　淀粉热特性采用德国NETZSCH公司的STA409PC同步热分析仪，称取

2.5 mg淀粉样品放入DSC测试盒，加5 μL去离子水，密封后置于冰箱4℃放置过夜，测试前取出平衡至室温，测定时空盒为参照，升温速度10℃/min，测试温度范围30-120℃。用仪器自带软件计算淀粉糊化起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）和热焓值（?H）。

1.4　数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0进行数据处理和统计分析。

2　结果与分析

2.1　不同品种烟叶淀粉颗粒结构

不同植物来源的淀粉颗粒具有不同的形状特征，大小和微观形貌[11]。通过扫描电子显微镜观察（图1），成熟鲜烟叶淀粉颗粒表面光滑，主要为圆球形和长圆柱状，其中中烟103淀粉颗粒个别呈现不规则形状。3个品种烤烟淀粉颗粒表面均存在明显的内陷凹槽；层状结构多出现在长圆柱状和不规则形状的淀粉颗粒上，只有少数圆球形淀粉颗粒存在层状结构，且中烟103和中烟202两个品种的烟叶淀粉表面的层状结构明显多于并较云烟87明显；并未观察到孔洞或者裂口。通过电镜标尺估测（表1），成熟鲜烟叶淀粉颗粒粒径较小，由1.55 μm至8.04 μm不等，主要集中在3～4 μm；与块茎[12]和谷物类 [13]等相比粒径较小。3个品种中以中烟103长轴平均粒径最小，其次为中烟202，云烟87最大。目前，国内一般根据淀粉粒的脐点个数和轮纹环绕状况将淀粉颗粒分为单粒淀粉、复粒淀粉和半复粒淀粉[14]。由图1可知，鲜烟叶淀粉颗粒呈单粒淀粉特征。

表1　烟叶淀粉颗粒粒径

品种粒径/μm长轴平均粒径/μm

云烟87 1.65~8.04 4.11±1.38

中烟103 1.65~7.01 3.55±1.05

中烟202 1.55~7.63 3.94±0.31

2.2　不同品种烟叶淀粉晶体特性

淀粉颗粒是多晶体系，主要由结晶区和无定形区组成。根据X-射线衍射图形可以分为“A”、“B”和“C”三种类型，其中“C”型是“A”和“B”的混合型[15]。通过X-射线衍射分析，3个品种烤烟淀粉在5.6、15.0、17.2和24.4处有较强衍射峰出现，但云烟87淀粉在22.7处存在1个中强峰。由此可见，烤烟烟叶淀粉X-射线衍射为“B”型模式。淀粉的XRD图像中，2θ在20°附近的峰被认为为直链淀粉与脂的无定形峰，不同来源的淀粉在2θ 20°附近的峰强度不同，说明直链淀粉和脂的含量也不同；由

51贺帆等　烤烟烟叶淀粉颗粒结构特征与基本特性

图2可知，云烟87和中烟103烟叶淀粉的直链淀粉和脂的含量相近，而中烟202含量稍低。通过MDI Jade 5.0对3个品种烤烟烟叶淀粉X-射线衍射图谱分析计算，中烟202相对结晶度最小为25.25%，其次中烟103为30.34%，云烟87的最大34.68%

。

图2　烟叶淀粉X-射线衍射图谱2.3　不同品种烟叶淀粉的热特性

由于植物细胞中淀粉以颗粒状态存在，直链淀粉和支链淀粉通过氢键高度有序的紧密的结合在一起，因此淀粉在冷水中不溶；但是当有一定量的水分存在情况下，加热至某一温度，水分子快速扩散至淀粉颗粒中，水被无定形区吸收，淀粉颗粒吸水膨胀，晶体有序性消失，结晶区双螺旋结构被破坏解离，直链淀粉渗出，这种现象被称之为淀粉的糊化[16]。淀粉糊化过程要经历可逆吸水、不可逆吸水和颗粒解体阶段，而糊化温度能反映淀粉粒的硬度并直接影响淀粉粒的物理特性。通过淀粉的DSC热力学特性分析（表2）可以看出，与其他作物淀粉相比，烟叶内淀粉颗粒的糊化起始温度较低，但糊化峰值温度、终止温度和糊化焓较高。3个品种之间的各糊化温度有细微的差别，但糊化焓差异较大；其中以云烟87烟叶淀粉的起始糊化温度最低，但峰值温度、终止温度和糊化焓最高。烟叶淀粉的热焓

值随着结晶度的降低而降低。

图1　烟叶淀粉颗粒扫描电子显微镜图片

注：样品编号见图片右下角，YY87：云烟87；ZY103：中烟103；ZY202：中烟202。放大倍数左侧图为2000倍，右侧图为5000倍。

52中国烟草学报　2013年6月第19卷第3期

3　讨论与结论

植物淀粉粒的大小和颗粒形状不仅受基因控制，还与生长环境密切相关[17]。试验结果表明，烤烟烟叶内暂时贮存的淀粉颗粒形状为圆球形和长圆柱状，个别呈不规则形状；粒径较小，平均在3~4 μm；这与王涛等[4]的研究结果一致，且Therin等[18]也认为长度小于5 μm的淀粉粒一般是植物的叶片或茎秆产生的瞬时淀粉粒。宋朝鹏、李统帅等[5,19]通过生物显微镜观察到淀粉颗粒存在层状结构；试验结果表明烟叶淀粉颗粒表面不仅存在层状结构还存在明显的内陷凹槽，在层状结构中能明显观察到在密实的结晶区之间具有无定形区。内陷凹槽是由于球形蛋白质微体阻碍了淀粉团粒在那部位的生长而留下的痕迹；而层状轮纹结构一般被认为是淀粉周期性生长的生长环，表现了淀粉外加生长时沉积的方式或速率的波动而产生的淀粉含量高低的壳层[20-21]。多数研究表明，在酶的作用下，淀粉颗粒层状结构逐渐增多，且层状结构的出现能够加速酶的侵蚀[22,4]，因此，不同品种的田间成熟烟叶淀粉的颗粒表面层状结构存在的差异与烟叶内淀粉降解相关酶的作用存在一定关系，且与烘烤过程中淀粉的降解具有密切的关系。

淀粉的晶体性质在淀粉的酶学行为中伴有重要的角色。试验结果表明，烤烟烟叶淀粉X射线衍射图形为“B”型。相关研究[25]认为，“B”型淀粉的结晶结构优于“A”型淀粉，对α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶的水解有更大抗性。淀粉具有结晶区和无定形区，淀粉分子中的直链与支链淀粉通过双螺旋结构结合，而双螺旋分子链通过分子间的相互作用力以一定空间点阵形成不同的多晶形态[23-24]。三个品种的烟叶淀粉相对结晶度差异明显，这表明，不同品种烟叶的淀粉内在淀粉分子链长及其分子间的结构上存在一定的差异，从而对烘烤过程中的淀粉降解存在一定的影响。

淀粉糊化最先发生在淀粉颗粒的无定形区，直链淀粉最先被溶解，支链淀粉部分溶解[26]。试验结果表明，烟叶淀粉在35℃~38℃开始糊化，明显低于其他作物淀粉的糊化起始温度，这可能是由于烟叶淀粉颗粒粒径较小，且部分颗粒存在出层状结构，无定形区显现，有利于淀粉的糊化。对淀粉结晶度和热焓值关系进行研究表明，随着结晶度的降低，热焓值也随之降低。吴平等在对锥栗原淀粉及其分离组分的热特性研究中也认为，从原淀粉、直链淀粉、中间成分到支链淀粉，它们的热焓依次减少，XRD分析结晶度依次降低，即支链晶体含量越多则热焓越低[27]。

淀粉是由直链淀粉和支链淀粉组成的半晶体结构，其中直链淀粉和支链淀粉所占比例及支链淀粉的精细结构决定淀粉的特性[23，28]。不同基因型烤烟烟叶淀粉的颗粒表面特征基本一致，但内部分子链结构的不同造成特性的差异，并对烘烤过程中淀粉的降解具有重要影响。但本试验只是初步研究结果，对于烟叶淀粉颗粒内部结构、支链淀粉链结构以及淀粉级分分离等及其与烘烤过程中降解的关系有待进一步研究。同时，从烟叶中提取的蛋白质可制作为多种食品；提取的烟碱制成医药可防治病患，制成农药可防治农作物害虫；烟叶生理成熟时淀粉含量高达40%，那么病残叶及其打掉的底脚叶是否可以作为淀粉来源及其如何应用，有待进一步探讨。

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表2　烟叶淀粉DSC特征值

品种

DSC特征值

起始糊化温度 To/℃峰值糊化温度 Tp/℃糊化终止温度 Tc/℃Tc-To/℃?H/(J/g)云烟8735.2077.60115.6080.40191.40中烟10336.4075.70101.6065.20173.00中烟20238.2075.60106.7068.50142.20

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烤烟烟叶淀粉颗粒结构特征与基本特性

作者：贺帆， 王涛， 王梅， 史龙飞， 李伟， 王勇军， 宫长荣， HE Fan， WANG Tao， WANG Mei， SHI

Longfei， LI Wei， WANG Yongjun， GONG Changrong

作者单位：贺帆,王涛,王梅,史龙飞,宫长荣,HE Fan,WANG Tao,WANG Mei,SHI Longfei,GONG Changrong(河南农业大学烟草学院,郑州文化路95号,450002)， 李伟,LI Wei(湖北省烟草公司恩施州公司,恩施施州大道119号,445000)

， 王勇军,WANG Yongjun(河南省烟草公司三门峡市公司,三门峡上阳中路,472000)

刊名：

中国烟草学报

英文刊名：Acta Tabacaria Sinica

年，卷(期)：2013(3)

本文链接：https://www.360docs.net/doc/1d507820.html,/Periodical_zgycxb201303012.aspx