馬鈴薯低溫糖化機(jī)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(nóng)副原料研究所，山東高密261500；2.濰坊市奎文區(qū)農(nóng)林局，山東濰坊 261041）

馬鈴薯低溫糖化機(jī)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(nóng)副原料研究所，山東高密261500；2.濰坊市奎文區(qū)農(nóng)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?xiàng)l已經(jīng)風(fēng)靡全球，但馬鈴薯在低溫貯藏過程中淀粉轉(zhuǎn)化為還原糖，導(dǎo)致還原糖含量升高，油炸加工時(shí)生成一種帶有苦味的褐色物質(zhì)，嚴(yán)重影響馬鈴薯的加工品質(zhì)。近年來，馬鈴薯低溫糖化機(jī)制的研究取得了很大的進(jìn)展，人們對(duì)影響馬鈴薯低溫糖化的因素也有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合近年的一些新的研究與發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)，進(jìn)一步探討了低溫糖化的調(diào)控機(jī)制和影響因素，為馬鈴薯加工品質(zhì)改良提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑，對(duì)于品種選育和改良具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

馬鈴薯；低溫糖化；影響因素；機(jī)制

如今薯片和薯?xiàng)l已經(jīng)成為風(fēng)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(zhuǎn)化為還原糖，導(dǎo)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(xiàn)象被稱之為低溫糖化。對(duì)于加工用馬鈴薯而言，塊莖在低溫貯藏期間發(fā)生低溫糖化反應(yīng)，在油炸加工時(shí)，還原糖與塊莖中游離的氨基酸發(fā)生非酶促的美拉德反應(yīng)（Mai1lard reaction），生成一種帶有苦味的褐色物質(zhì)，嚴(yán)重影響了馬鈴薯加工產(chǎn)品的色澤和品質(zhì)[3]。

隨著馬鈴薯加工業(yè)的發(fā)展，馬鈴薯加工品種的市場(chǎng)需求日益增加，但由于我國馬鈴薯種質(zhì)資源匱乏，制約了馬鈴薯加工品種的選育工作，而直接引進(jìn)國外加工品種又受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、品種適應(yīng)性等條件的限制等。因此，探討馬鈴薯低溫糖化的調(diào)控機(jī)制，分析低溫糖化的影響因素，為馬鈴薯加工品質(zhì)改良提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1 馬鈴薯低溫糖化機(jī)制

1.1 低溫條件下碳水化合物的代謝

低溫糖化時(shí)產(chǎn)生的糖類來源于淀粉，關(guān)于淀粉的降解方式主要有兩種觀點(diǎn)[4]。一種觀點(diǎn)認(rèn)為淀粉酶的水解是淀粉降解的主要方式。Cottrell等[5]將5個(gè)馬鈴薯品種的新鮮塊莖在4℃和10℃貯藏幾個(gè)月后，測(cè)定發(fā)現(xiàn)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(xiàn)恒定或略有增加。而另一觀點(diǎn)則認(rèn)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(shí)間的延長(zhǎng)，活性呈增加趨勢(shì)[6]，然后還原糖含量、轉(zhuǎn)化酶活性也增大，因而認(rèn)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(biāo)志[7]。淀粉降解生成磷酸己糖，磷酸己糖被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化為蔗糖，蔗糖還可以在液泡中進(jìn)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(zhuǎn)化酶（AcInv），對(duì)淀粉降解起著重要的作用[8]。有研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)抑制UGPase的活性降低到30%以后，低溫下的轉(zhuǎn)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(jìn)一步降解為還原糖，這是一個(gè)不可逆的過程，是低溫糖化過程中的關(guān)鍵酶[10]。劉勛[11]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化酶活性主要調(diào)節(jié)蔗糖的分解。林原等[12]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中存在由蔗糖轉(zhuǎn)化酶、轉(zhuǎn)化酶抑制蛋白和SNRK1激酶組成的蛋白質(zhì)復(fù)合體，級(jí)聯(lián)式地調(diào)節(jié)馬鈴薯塊莖在低溫貯藏條件下的蔗糖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化酶抑制蛋白，使轉(zhuǎn)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(jù)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(dǎo)致磷酸己糖從呼吸作用途徑進(jìn)入蔗糖合成途徑。Navrátil等[13]通過研究表明，低溫導(dǎo)致了糖酵解途徑被抑制，從而使還原糖積累，他通過導(dǎo)入抑制磷酸果糖激酶的Lbpfk基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系中還原糖含量明顯降低。

1.2 低溫貯藏對(duì)馬鈴薯塊莖生物膜的影響

關(guān)于溫度可以影響生物膜的通透性已經(jīng)有大量的研究證實(shí)。在馬鈴薯低溫貯藏時(shí)由于溫度的變化使得馬鈴薯塊莖處在一個(gè)冷脅迫的環(huán)境中，大量研究證實(shí)，冷脅迫可以導(dǎo)致生物膜通透性的改變，這個(gè)理論已被人們所接受[9]。其中與低溫糖化有關(guān)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(zhì)膜的無色質(zhì)體，它具有對(duì)低溫敏感的物理性質(zhì)，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(xì)胞內(nèi)活性氧代謝平衡被打破，活性氧積累，導(dǎo)致膜脂發(fā)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(zhì)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(zhì)膜是細(xì)胞與外界環(huán)境之間的界面，各種逆境對(duì)細(xì)胞的影響首先作用于質(zhì)膜[15]。造粉體膜結(jié)構(gòu)的完整性在貯藏過程中發(fā)生變化，電導(dǎo)率更高，膜的破壞更為明顯[14]。冷脅迫導(dǎo)致細(xì)胞生物體膜選擇通透性功能遭到破壞，主要是液泡膜發(fā)生滲漏，由于膜對(duì)降解酶的滲透性增加，使淀粉水解加快，導(dǎo)致低溫貯藏過程中淀粉發(fā)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(zhì)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(xiàn)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(jīng)回溫處理后，還原糖、淀粉含量的變化差異均達(dá)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(gè)與低溫有關(guān)的基因，并同栽培種E3塊莖中的表達(dá)模式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)大部分基因在E3塊莖中的表達(dá)模式與ber基本相同，少數(shù)基因表達(dá)模式或表達(dá)量在兩個(gè)品種間存在較大差異，這些基因可能是兩個(gè)品種塊莖低溫糖化差異的原因。就低溫糖化的內(nèi)因而言，不同品種的敏感度存在著差異，同一品種不同生長(zhǎng)環(huán)境[7]。這點(diǎn)說明馬鈴薯抗低溫糖化的能力不僅與基因型有關(guān)，還與生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)。

2.2 馬鈴薯淀粉粒的結(jié)構(gòu)

淀粉在植物細(xì)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(gòu)成的無定型區(qū)和由直鏈淀粉構(gòu)成的結(jié)晶區(qū)兩部分。無定型區(qū)熱力學(xué)不穩(wěn)定容易被酶降解，結(jié)晶區(qū)則是穩(wěn)定抗酶解的[19]。所以如果支鏈越多那么無定型區(qū)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(qū)，其淀粉粒結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定。王清等[21]通過轉(zhuǎn)基因?qū)敕戳xAcInv基因，發(fā)現(xiàn)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(gòu)成的無定型區(qū)容易酶降解，而直鏈淀粉構(gòu)成的結(jié)晶區(qū)保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)果。他還推測(cè)是導(dǎo)入的反義AcInv基因削弱了與淀粉降解有關(guān)酶系的活性。淀粉粒的結(jié)構(gòu)與低溫糖化的關(guān)系是通過酶的作用表現(xiàn)出來的，改變酶的活性或改變淀粉粒的成分比例都可以達(dá)到提高馬鈴薯的抗低溫糖化能力。

3 結(jié)語

對(duì)于馬鈴薯塊莖低溫貯藏時(shí)出現(xiàn)低溫糖化現(xiàn)象的研究已經(jīng)有上百年的歷史，得出了一些重要的結(jié)論，也提出了很多的假說去研究。馬鈴薯低溫糖化的機(jī)制可以從以上這幾個(gè)方面去研究探索，馬鈴薯低溫糖化的機(jī)制是復(fù)雜的，涉及到多方面的研究，但這些研究不是獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的一個(gè)整體。比如淀粉粒結(jié)構(gòu)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(guān)系，因此選育優(yōu)良品種至關(guān)重要，這也是現(xiàn)在研究的一個(gè)重點(diǎn)。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(guān)于塊莖低溫糖化的機(jī)制已經(jīng)有很多的研究與結(jié)論，但我們真正的要把這些影響因素系統(tǒng)化還有很多的工作要做，亟待今后進(jìn)一步的系統(tǒng)性研究。

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廣告專欄

濟(jì)南果品研究院功能食品研究所

中華全國供銷合作總社濟(jì)南果品研究院功能食品研究所是專業(yè)從事果品、蔬菜及食用菌功能食品研究、應(yīng)用、功能性評(píng)價(jià)，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(chǎn)品開發(fā)與推廣服務(wù)的研發(fā)機(jī)構(gòu)。近年來，功能食品研究所先后與中國科學(xué)院、中國農(nóng)科院、國際蘑菇學(xué)會(huì)、中國食用菌協(xié)會(huì)等單位密切合作，取得了多項(xiàng)國家級(jí)、省部級(jí)科研成果。

“十二五”期間承擔(dān)完成的主要課題有：國家科技支撐課題《蘋果綜合加工關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化示范》《村鎮(zhèn)服務(wù)業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究》；國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目《工廠化金針菇菇根綜合利用關(guān)鍵技術(shù)中試研究》等。特別是緩釋長(zhǎng)效破壁靈芝孢子粉及苦瓜魔芋顆粒功能食品開發(fā)已列入國家科技部國家級(jí)星火計(jì)劃項(xiàng)目：項(xiàng)目編號(hào)分別為2003EA184003和2007EA184003；并獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局保健食品批準(zhǔn)證書：國食健字G20050527、國食健字G20130389。破壁靈芝孢子技術(shù)研究已通過國家部級(jí)鑒定，位居同類研究的國際先進(jìn)水平。

具代表性授權(quán)發(fā)明專利有：一種食用菌復(fù)合多糖的制備工藝，專利號(hào)：ZL 2012 1 0091101.5；一種毛木耳復(fù)合營養(yǎng)片及其制備方法，專利號(hào)：ZL 2012 1 0290861.9；一種鮮活靈芝孢子的破壁方法，專利號(hào)：ZL 2011 1 0358260.2；一種靈芝孢子粉的破壁方法，專利號(hào)：ZL 02 1 35627.0等。

目前，功能食品研究所依托濟(jì)南果品研究院的資源優(yōu)勢(shì)，開展了果、蔬、食用菌資源綜合利用技術(shù)研究，突破了果、蔬、食用菌功能成分高效提取、資源綜合高值利用、綠色低碳健康食品及配料生產(chǎn)的工業(yè)化配套等系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開發(fā)了系列果、蔬、食用菌營養(yǎng)健康食品及配料，并進(jìn)行了功能成分的分析及評(píng)價(jià)，形成并推廣了系列先進(jìn)技術(shù)成果，愿與國內(nèi)外同仁密切協(xié)作，為高附加值果蔬（食藥用菌）產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、生產(chǎn)做出更大貢獻(xiàn)。

典型技術(shù)成果情況

一、食（藥）用菌綜合高值加工關(guān)鍵技術(shù)

1.靈芝及破壁孢子粉加工關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

2.金針菇、香菇、木耳、蛹蟲草等綜合加工關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

3.食（藥）用菌復(fù)合多糖提取、純化及產(chǎn)品開發(fā)；

4.食（藥）用菌口服液、片劑、顆粒加工關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

5.高品質(zhì)食用菌調(diào)味品加工關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

二、果蔬功效成分提取、純化及產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用技術(shù)

1.果蔬功能性多糖提取關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

2.果蔬膳食纖維提取、產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究；

3.高品質(zhì)果蔬粉加工關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

4.苦瓜、魔芋、南瓜等降血糖成分提取關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)；

5.蘋果、核桃、葡萄等大宗果蔬高效綜合利用技術(shù)及系列產(chǎn)品開發(fā)。

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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(nóng)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(nóng)藝師，主要從事蔬菜栽培及推廣工作