解锁烤烟 “风味密码”：43℃与 45℃背后的烟草品质提升关键

为解决烟草烤烟过程中物质动态变化不明等问题，南平烟区研究人员开展烟草多组学研究。结果发现关键温度点及重要代谢物变化规律。该研究能助力优化烤烟工艺，推荐科研读者阅读。

　　

烤烟过程中的 “神秘变化”：科学家们的新发现

烟草，凭借其独特的风味和颇高的经济价值，在全球农业领域占据着重要的一席之地。对于烟草种植者和烟草制品生产商来说，生产出高质量的烟草是他们一直以来的追求目标。而烤烟过程，作为烟草生产的关键环节，就像是一场神奇的 “魔法秀”，在这个过程中，烟草叶片会发生一系列奇妙的变化，颜色、香气、成分都会焕然一新。但这场 “魔法秀” 背后的具体奥秘，却长期困扰着科研人员。

以往的研究虽然在烟草的生长阶段、不同部位成分差异等方面取得了一些成果，可对于烤烟过程中物质的动态变化，了解得还远远不够。比如说，烟草香气一直是大家关注的重点，之前研究多聚焦于生长阶段香气前体的合成差异，以及废弃烟梗的风味前体和挥发性香气成分的不同。在生化物质动态变化方面，研究也多集中在不同叶龄烤烟后叶片的差异和烟草褐变产物的鉴定上。但在烤烟这个关键过程中，挥发性物质、代谢物、酶和生化化合物到底是怎么变化的，它们之间又有着怎样的关系，目前还缺乏系统的研究。要是能搞清楚这些问题，对于提高烟草品质、优化烤烟工艺，那可是有着极大的帮助。

为了揭开这些谜题，来自南平烟区的科研人员进行了深入研究，并在《BMC Plant Biology》期刊上发表了题为 “Multi - omics reveals the dynamic changes in aroma and metabolic substances during the flue - curing process of Cuibi 1 tobacco” 的论文。经过一系列研究，他们得出了不少重要结论，这些结论不仅让我们对烟草的烤烟过程有了更深入的认识，还为优化烤烟工艺提供了宝贵的思路。

在这项研究里，科研人员用到了不少厉害的技术方法。他们精心挑选了福建南平烟区的优质烟草品种翠碧 1 号（Cuibi 1，简称 CB - 1）的上部叶片作为研究对象。通过多组学技术，结合生理生化分析，全面地对烟草叶片在烤烟过程中的各种变化进行了探究。比如说，他们用气相色谱 - 质谱联用技术（GC - MS）来分析挥发性代谢物，用超高效液相色谱 - 串联质谱技术（UPLC - MS/MS）检测非挥发性代谢物，还通过特定的试剂盒测定了关键酶的活性。这些技术就像是科研人员的 “秘密武器”，帮助他们一步步揭开烟草烤烟过程的神秘面纱。

下面，咱们来详细看看科研人员都发现了些什么有趣的结果。

一、烤烟过程中 FTLs 形态特征和化学成分含量的动态变化

科研人员发现，随着烤烟从 T0 阶段推进到 T5 阶段，烟草叶片就像经历了一场奇妙的变身。叶片的变黄率逐渐升高，颜色从绿色慢慢变成黄褐色，就像树叶到了秋天会变色一样。同时，叶片的水分含量和平整度逐渐下降，变得更加柔软，摸起来的手感都不一样了。

在化学成分方面，变化也很明显。随着温度升高，叶绿素含量不断下降，这和叶片变黄的现象正好吻合。还原糖作为产生鲜味的重要物质，含量从 T0 到 T3 阶段持续上升，这让烟草的刺激性降低，口感变得更加清新爽口。淀粉含量则是先下降后上升，T0 到 T3 阶段，它可能转化成了蔗糖和还原糖，之后随着温度继续升高，又有所增加，这可能和叶片中的褐变反应有关，伴随着细胞液泡破裂和水分流失，淀粉含量发生了这样的变化。蛋白质含量在 T2 阶段显著增加，氮含量从 T1 到 T2 上升，到 T5 又下降，这是因为在烤烟中后期，高温可能导致含氮化合物分解，变成挥发性含氮物质或者非挥发性氮产物，挥发性的就释放到环境中去了，所以氮含量就降低了。而氯和钾含量在整个烤烟过程中的变化则不太明显。

二、烤烟五个阶段 FTLs 酶活性的动态变化

为了搞清楚和烟草品质形成相关的内在物质变化，科研人员测量了几种关键酶的活性。超氧化物歧化酶（SOD）在生物抗氧化系统中起着重要作用，它的活性随着温度升高，从 5967.23 U/g 逐渐上升到 17579.97 U/g。多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）都和褐变反应有关，PPO 活性一开始升高，在 T4 阶段达到峰值 759.47 U/g，之后又下降到 T5 阶段的 244.95 U/g；POD 活性同样在 T4 阶段达到最高，为 96996.77 U/g 。苯丙氨酸解氨酶（PAL）是苯丙烷代谢途径的关键限速酶，它的活性在 T3 阶段达到峰值 490.02 U/g，之后随着温度升高逐渐降低。这些酶活性的变化，就像一个个 “小开关”，控制着烟草内部各种物质的变化。

三、烤烟过程中 FTLs 挥发性代谢物的动态变化

利用顶空固相微萃取 - 气相色谱 - 质谱联用技术（HS - SPME GC/MS），科研人员在 T1 - T5 阶段一共鉴定出了 545 种挥发性有机化合物（VOCs）。这些 VOCs 种类繁多，被分成了 16 类，其中酯类是最常见的，占比 17.8%，接下来是萜类（16.33%）、杂环化合物（15.96%）和醇类（9.36%），它们是烟草中主要的挥发性成分，共同为烟草贡献了各种各样的香气。

通过主成分分析（PCA），科研人员发现分析方法很稳定，数据质量也适合进一步研究。而且不同阶段挥发性物质的变化很有意思，从早期变黄阶段（T1）到定色早期（T3），挥发性物质变化很大，不同挥发性物质的数量从 C1 比较组（T1 vs. T2）的 39 种大幅增加到 C2 比较组（T1 vs. T3）的 235 种。定色期之后，代谢变化就没那么快了。通过韦恩分析，科研人员还发现有 27 种常见的挥发性物质在整个烤烟过程中都在不断变化，它们可能和烤烟多样的风味有关。

科研人员还对所有 VOCs 的变化趋势进行了分析，通过 K - means 聚类分析，发现大约 53% 的挥发性物质在烤烟阶段呈上升趋势。其中，有一些挥发性物质在特定阶段达到峰值，还有一些在整个过程中持续增加，像 KMW0608（3 - 巯基己醇）、NMW0016（环己基乙酸酯）等，它们都有着独特的香气，为烟草的风味增添了不少特色。

四、形成不同特征香气类型的关键香气活性化合物

为了进一步探究核心挥发性成分对烟草香气形成的影响，科研人员计算了这些挥发性物质的相对气味活性值（rOAV）。rOAV≥1 的化合物对样品风味有直接贡献。在 545 种代谢物中，有 279 种有注释信息，其中 82 种在所有阶段 rOAVs＞1，35 种被确定为显著差异挥发性物质（SDVs）。在这 35 种 SDVs 中，萜类化合物占比最大，达到 22.86%，像 WMW0023（(+)-α - 蒎烯）等，含量都呈上升趋势。醛类化合物占 14.29%，和整体感官质量得分呈负相关。

这些 SDVs 变化趋势不同，一部分随着温度升高而增加，比如 KMW0466（3 - 环己烯 - 1 - 甲硫醇，α,α,4 - 三甲基 - ）在 T3 阶段显著富集，浓度大幅上升，是产生硫味香气的主要物质；另一部分则呈下降趋势。而且，和 T1 阶段相比，T5 阶段的烟草具有绿色、草本、水果和甜味等多种香气，混合着柑橘和花香，形成了一种 “清新甜香” 的独特风味。

五、烤烟过程中 FTLs 的风味轮（旋转）

在烤烟过程中，烟草的颜色、香气和味道都发生了很大变化。外观从绿色变成黄色，最后变成褐色；香气则从绿色香气逐渐转变为水果 / 草本香气、成熟水果 / 皮质香气，最后是甜味 / 焦味 / 蜡味香气，越来越丰富多样。

T1 到 T2 阶段，绿色味道比较明显，同时水果香气增强，一些辛辣味道减弱。到 T3 阶段，风味变得更加丰富，水果和甜味出现，还多了玫瑰、泥土、花香和坚果等味道，辛辣味进一步减少。T4 和 T5 阶段，香气趋于稳定，T4 阶段香气最浓郁，有很强的甜味，但这个阶段要注意控制湿度，因为容易产生霉味。

六、烤烟过程中 FTLs 非挥发性代谢物的动态变化

利用广泛靶向代谢组学方法（UPLC - MS/MS），科研人员检测到了 1069 种代谢物，其中 412 种被确定为非挥发性代谢物，它们分布在 10 个类别中，脂质类最多，占 26.94%，然后是酚酸类、生物碱类等。

在不同阶段的比较中，C2 比较组（T1 vs. T3）中前 20 种显著变化的非挥发性代谢物呈上调趋势，像 Lmmn001643（2 - 羟基肉桂酸，酚酸类）、MWS20633g（O - 磷酸 - L - 酪氨酸，氨基酸和衍生物类）等都大幅增加，这些物质对烟草品质有积极影响。而黄酮醇糖苷类物质可能是导致烟草苦味的主要成分。

韦恩分析发现有 121 种常见的显著差异代谢物在五个烤烟阶段都发挥着作用。同时，不同阶段的非挥发性代谢物相关性分析表明，T1 和 T2 阶段的样品与其他阶段区分明显，T3、T4 和 T5 阶段的样品则更集中。而且，核苷酸和衍生物、木脂素和香豆素等物质在 T3 阶段显著增加，对烟草的口感有积极贡献；黄酮类和生物碱类物质含量先升后降。

七、KEGG 中挥发性和非挥发性代谢物的组合分析

对差异挥发性代谢物的 KEGG 分析表明，这些代谢物在单萜生物合成途径中显著富集。在这个途径中，不同物质在不同阶段散发不同香气，(-)- 薄荷醇在 T1 阶段贡献薄荷味，(-)-α - 蒎烯随着温度升高，对刺激性、萜类、芳香和薄荷味香气贡献显著。

对酪氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和苯丙烷生物合成途径中，非挥发性代谢物变化的分析发现，这些途径都和苯丙氨酸解氨酶（PAL）密切相关。在这些途径中，各种代谢物含量随着温度变化而改变，像咖啡酸、阿魏酸和芥子酸含量增加，促进了木质素的形成，这也解释了为什么烤烟叶片比新鲜叶片更坚韧。而且这些酸还有很多其他功能，比如阿魏酸的抗炎、抗氧化、抗菌作用，芥子酸的多种生物活性等，它们共同影响着烟草的品质。

综合来看，这项研究全面分析了烟草叶片在烤烟过程中挥发性物质、代谢物、酶和生化化合物的动态变化。研究发现 43℃是酶活性和代谢物转变的关键温度，45℃则需要严格控制湿度来优化烤烟过程。T3 阶段酚酸、氨基酸及其衍生物显著富集，可能是潜在的非挥发性化合物生物标志物。烟草香气主要由高 rOAVs 的物质决定，像 KMW0380、KMW0383 和 KMW0466 等，它们让烤烟有了绿色和木质的风味。同时，差异挥发性和非挥发性代谢物在多个重要途径中富集，这些途径和苯丙氨酸解氨酶以及绿原酸和芦丁的合成有关，影响着烟草的香气品质、强度、刺激性和挥发性。温度升高还会加速木质素的形成，改变烟草的物理特性。

这项研究的意义重大，它让我们对翠碧 1 号烟草在烤烟过程中的香气和代谢变化有了更深入的理解，就像是为我们打开了一扇了解烟草 “内在世界” 的窗户。通过揭示这些变化，科研人员为优化烤烟工艺提供了有力的理论支持，以后烟草种植者和生产商就能根据这些研究成果，调整烤烟的温度、湿度等条件，生产出品质更好、香气更宜人的烟草产品，在提高烟草质量的道路上又迈出了坚实的一步。不过，研究人员也指出，影响烟草最终烘烤质量的因素还有很多，像环境湿度、气流、光照，以及烟草品种、种植方法和产地差异等，未来还需要进一步研究这些因素，让我们对烟草烘烤过程的认识更加全面和深入。