解锁烟草烘烤 “密码”：关键温度点与代谢物如何塑造烟草风味品质？

为解决烟草烘烤过程中品质形成机制不明等问题，南平烟区研究人员开展烟草叶片烘烤研究。结果发现关键温度点及重要代谢物，明确其对品质影响。该研究为优化烘烤工艺提供依据，值得科研读者一读。

　　

烟草，作为一种在全球经济中占据重要地位的作物，凭借其独特的风味和可观的经济价值，一直备受关注。在烟草的生产过程中，烘烤（flue-curing）环节至关重要，它就像一场神奇的魔法，能让烟草叶片发生奇妙的变化，从青涩走向成熟，拥有独特的颜色、香气和品质。

然而，这场 “魔法” 背后的奥秘却并未被人们完全掌握。目前，虽然大家都知道烘烤对烟草品质影响巨大，但对于烟草叶片在烘烤过程中香气前体物质含量的变化及其形成机制，研究还十分有限。比如说，在烘烤时，烟草叶片里的各种物质究竟是如何变化的？哪些物质对烟草的香气和品质起着关键作用？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着烟草研究领域。而且，烘烤过程中烟草叶片容易出现褐变反应，这不仅影响烟草的外观，还会降低其经济价值。另外，叶片上的残留灰分、刺鼻气味以及香气不足等问题，也严重影响着烟草的最终品质。为了生产出更高质量的烟草产品，解开这些谜团迫在眉睫。

为了攻克这些难题，来自南平烟区的研究人员展开了深入探索。他们的研究成果发表在了《BMC Plant Biology》期刊上，论文题目是《Integrated metabolomics and physiological analysis provides insights into the key metabolic changes during flue - curing of Nicotiana tabacum L. cv. Cuibi 1》。经过一系列严谨的研究，他们发现了许多关键信息。研究确定了 43℃是酶活性和代谢物转变的关键时期，在这个温度下，烟草叶片内部就像开启了一场热闹的 “物质变革派对”，各种物质开始活跃地变化。而 45℃时，则需要严格控制湿度，稍有不慎，烟草的品质就可能受到影响。在 T3 阶段，酚酸、氨基酸及其衍生物显著富集，这些物质就像是隐藏在烟草里的 “宝藏”，有可能成为非挥发性化合物的候选生物标志物。此外，研究还揭示了挥发性和非挥发性代谢物在多个重要代谢途径中富集，这些途径与烟草的香气品质、强度、刺激性和挥发性密切相关。这些发现为优化烟草烘烤工艺提供了宝贵的思路，就像为烟草种植者和加工者们点亮了一盏明灯。

在研究过程中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们采集了烟草品种翠碧 1 号（Cuibi 1，CB - 1）在烘烤过程中 6 个关键阶段的叶片样本。通过对样本进行化学组成分析，测定总氮、尼古丁、淀粉、总可溶性糖、还原糖等含量，了解烟草叶片在烘烤过程中的物质变化。同时，测量超氧化物歧化酶（SOD）、多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等关键酶的活性，探究酶在烟草品质形成中的作用。利用顶空固相微萃取 - 气相色谱 - 质谱联用技术（HS - SPME - GC - MS）分析挥发性代谢物，广泛靶向代谢组学方法结合 UPLC - MS/MS 分析非挥发性代谢物。最后，通过统计分析，包括主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘法判别分析（OPLS - DA）等，来深入挖掘数据背后的信息。

下面，让我们一起走进他们的研究成果，看看这些技术方法都带来了哪些有趣的发现。

烘烤过程中 FTLs 形态特征和化学成分含量的动态变化

随着烘烤从 T0 进行到 T5，烟草叶片就像经历了一场色彩蜕变之旅，变黄率逐渐增加，颜色从绿色慢慢变成黄褐色。与此同时，叶片的水分含量和扁平度逐渐下降，变得更加柔软，就像被温柔地塑造过一样。叶绿素含量随着温度升高而减少，这与叶片变黄的现象完美呼应，就像是叶绿素在和温度玩一场 “你升我降” 的游戏。还原糖含量作为鲜味化合物的来源，从 T0 到 T3 呈上升趋势，这不仅减少了烟草的刺激性，还让烟草带上了清新爽口的特质。淀粉含量则从 T0 到 T3 呈下降趋势，之后随着温度继续上升又有所增加，这可能是因为叶片中的褐变反应加剧，细胞液泡破裂，水分流失，就像一场内部的 “小地震” 改变了淀粉的命运。蛋白质水平在 T2 阶段显著增加，氮含量从 T1 到 T2 上升，随后在 T5 阶段下降，这可能是由于高温导致含氮化合物分解，形成挥发性含氮物质或非挥发性氮产物并释放到环境中。而氯和钾含量在整个烘烤过程中的变化则相对较小。

五个烘烤阶段 FTLs 酶活性的动态变化

研究人员对与烟草品质形成相关的关键酶活性进行了测量。超氧化物歧化酶（SOD）作为生物抗氧化系统的重要成员，其活性随着温度升高逐渐从 5967.23 U/g 上升到 17579.97 U/g，就像一位忠诚的卫士，努力保护着烟草细胞免受氧化伤害。多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）参与褐变反应，它们的活性变化很有意思。PPO 活性先上升，在 T4 阶段达到峰值 759.47 U/g，之后下降到 T5 阶段的 244.95 U/g；POD 活性同样在 T4 阶段达到峰值 96996.77 U/g 。苯丙氨酸解氨酶（PAL）作为苯丙烷代谢途径的关键限速酶，在 T3 阶段活性达到峰值 490.02 U/g，随后随着温度升高逐渐下降。这些酶的活性变化就像一场精心编排的舞蹈，各自有着独特的节奏，共同影响着烟草的品质。

烘烤过程中 FTLs 挥发性代谢物的动态变化

研究人员利用 HS - SPME - GC/MS 技术，在 T1 - T5 烘烤阶段共鉴定出 545 种挥发性有机化合物（VOCs）。这些 VOCs 就像一群性格各异的小精灵，被分为 16 类。其中，酯类最为丰富，占比 17.8%，紧随其后的是萜类（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，共同为烟草赋予了丰富多样的香气。主成分分析（PCA）显示分析方法稳定，数据质量可靠。进一步分析发现，从早期变黄期（T1 阶段）到定色早期（T3 阶段），挥发性物质发生了显著变化，不同挥发性物质的数量大幅增加。Venn 分析还找到了 27 种在四个比较组中都存在的常见挥发性物质，它们就像一群 “常驻嘉宾”，在烘烤过程中持续变化，为烟草的风味贡献着独特的力量。通过 K - means 聚类分析发现，约 53% 的挥发性物质在烘烤阶段呈上升趋势，其中一些化合物如 KMW0608（3 - 巯基己醇）、NMW0016（环己基乙酸酯）等，具有较高的相对气味活性值（rOAV），对烟草的香气有着重要贡献。

形成不同特征香气类型的关键香气活性化合物

为了深入了解核心挥发性成分对烟草香气形成的影响，研究人员计算了这些挥发性物质的相对气味活性值（rOAV）。结果发现，有 82 种代谢物在所有阶段的 rOAV 都大于 1，其中 35 种被确定为显著差异挥发性物质（SDVs）。在这些 SDVs 中，萜类化合物占比最大，达到 22.86%，如 WMW0023（(+)-α - 蒎烯）、KMW0434（2,6,6 - 三甲基 - 1 - 环己烯 - 1 - 甲醛）等，它们的含量呈上升趋势。醛类化合物占 SDVs 的 14.29%，其含量与整体感官质量得分呈负相关。这些 SDVs 呈现出两种主要趋势，一组 16 种物质随温度升高而增加，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，是硫香气的主要贡献者；另一组 19 种物质则呈下降趋势。与 T1 阶段相比，T5 阶段的烟草具有绿色、草本、水果和甜味的香气，多种香气混合，形成了独特的 “清新甜香” 特征。

FTLs 烘烤过程中的风味轮（旋转）

在烘烤过程中，烟草的颜色、香气和味道都发生了显著变化，每个烘烤阶段都有着独特的风味特征。颜色从 “绿色→黄色→棕色” 转变，香气则从 “青香→果香 / 草香→熟果香 / 皮质香→甜香 / 焦香 / 蜡香” 过渡，就像一场精彩的魔法秀，不断给人带来惊喜。T2 阶段以绿色味道为主，伴随着浓郁的果香和水仙花香，同时一些辛辣味逐渐减弱。到了 T3 阶段，风味变得更加丰富，出现了水果和甜味的音符，还有玫瑰、泥土、花香和坚果的味道，辛辣味进一步减少。T4 和 T5 阶段，香气趋于稳定，T4 阶段的香气最为浓郁，带有强烈的甜香，但此时要注意，这个阶段（45℃）容易出现霉味，所以需要小心控制湿度，不然烟草就可能 “生病” 啦。

烘烤过程中 FTLs 非挥发性代谢物的动态变化

研究人员采用广泛靶向代谢组学方法（UPLC - MS/MS），共检测到 1069 种代谢物，鉴定出 412 种不同的非挥发性代谢物。这些非挥发性代谢物种类丰富，脂质占比最多，为 26.94%，其次是酚酸（15.2%）和生物碱（10.92%）。在 T1 和 T3 阶段的比较中，发现一些代谢物显著上调，如 Lmmn001643（2 - 羟基肉桂酸 *，酚酸类）增加了 19.58 倍，MWS20633g（O - 磷酸 - L - 酪氨酸，氨基酸和衍生物）增加了 18.59 倍。这些代谢物的上调对烟草的最终品质有着积极影响，因为氨基酸、多酚和生物碱等对烟草产品的香气质量至关重要，并且与总感官评分呈正相关。而一些黄酮醇苷类物质则可能是导致烟草苦味的主要原因。Venn 分析找到 121 种在四个比较组中都存在的常见显著差异代谢物，它们在整个烘烤过程中都发挥着作用。此外，还发现核苷酸和衍生物、木脂素和香豆素等在 T3 阶段含量显著增加，而黄酮类和生物碱的含量从 T1 到 T4 增加，在 T5 阶段逐渐减少。

挥发性和非挥发性代谢物的 KEGG 联合分析

KEGG 分析表明，差异挥发性代谢物在单萜生物合成途径中显著富集。在这个途径中，不同的化合物在不同阶段散发着独特的气味，如 T3 阶段的月桂烯（Myrcene）和 (-)- 内 - 葑醇（(-)-endo - Fenchol）会散发出强烈的霉味、香脂味和香料味等，(-)- 薄荷醇（(-)-Menthol）在 T1 阶段直接贡献着薄荷味。随着温度升高，(-)-α - 蒎烯（(-)-alpha - Pinene）的气味变得更加突出。非挥发性代谢物在酪氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和苯丙烷生物合成途径中发生变化，这些途径与苯丙氨酸解氨酶（PAL）密切相关。在这些途径中，许多代谢物的含量随着温度变化而改变，比如咖啡酸、阿魏酸和芥子酸的含量随着温度升高而增加，它们不仅参与木质素的形成，还具有抗氧化、抗炎等多种功能，对烟草的品质有着重要影响。

综合来看，这项研究全面分析了烟草叶片在烘烤过程中挥发性物质、代谢物、酶和生化化合物的动态变化。确定了关键温度点和重要代谢物，揭示了代谢途径与烟草香气和品质的关系。这一研究成果就像一把钥匙，为优化烟草烘烤工艺提供了重要依据，帮助烟草种植者和加工者生产出更高质量的烟草产品，提升烟草的经济价值。不过，研究人员也意识到，影响烟草最终烘烤品质的因素还有很多，比如环境湿度、气流、光照，以及烟草品种、种植方法和产地差异等。未来的研究需要进一步探索这些因素，让我们对烟草烘烤过程有更深入、更全面的了解，从而不断完善烟草生产工艺，让烟草产品的品质更上一层楼。