马铃薯低温糖化机制及影响因素研究

舒锐，谭峰军，刘少军，焦健，姚甜甜 ，兰成云 ，李晓龙

（1.山东省轻工农副原料研究所，山东高密261500；2.潍坊市奎文区农林局，山东潍坊 261041）

马铃薯低温糖化机制及影响因素研究

舒锐1，谭峰军2*，刘少军1，焦健1，姚甜甜1，兰成云1，李晓龙1

（1.山东省轻工农副原料研究所，山东高密261500；2.潍坊市奎文区农林局，山东潍坊 261041）

马铃薯作为一种重要的加工作物，其加工食品薯片和薯条已经风靡全球，但马铃薯在低温贮藏过程中淀粉转化为还原糖，导致还原糖含量升高，油炸加工时生成一种带有苦味的褐色物质，严重影响马铃薯的加工品质。近年来，马铃薯低温糖化机制的研究取得了很大的进展，人们对影响马铃薯低温糖化的因素也有了比较系统的认识。本文在前人的研究基础上，结合近年的一些新的研究与发现，从碳水化合物代谢、生物膜通透性、马铃薯品种（基因型）、淀粉粒结构等方面进行了分析与总结，进一步探讨了低温糖化的调控机制和影响因素，为马铃薯加工品质改良提供理论依据和技术途径，对于品种选育和改良具有重要的应用价值。

马铃薯；低温糖化；影响因素；机制

如今薯片和薯条已经成为风靡全球的食品，尤其受到年轻人的喜爱。但低温贮藏过程中马铃薯块茎常因淀粉转化为还原糖，导致还原糖含量迅速积累[2]，马铃薯这种在贮藏过程中淀粉降解、还原糖积累的现象被称之为低温糖化。对于加工用马铃薯而言，块茎在低温贮藏期间发生低温糖化反应，在油炸加工时，还原糖与块茎中游离的氨基酸发生非酶促的美拉德反应（Mai1lard reaction），生成一种带有苦味的褐色物质，严重影响了马铃薯加工产品的色泽和品质[3]。

随着马铃薯加工业的发展，马铃薯加工品种的市场需求日益增加，但由于我国马铃薯种质资源匮乏，制约了马铃薯加工品种的选育工作，而直接引进国外加工品种又受知识产权保护、品种适应性等条件的限制等。因此，探讨马铃薯低温糖化的调控机制，分析低温糖化的影响因素，为马铃薯加工品质改良提供理论依据和技术途径。

1 马铃薯低温糖化机制

1.1 低温条件下碳水化合物的代谢

低温糖化时产生的糖类来源于淀粉，关于淀粉的降解方式主要有两种观点[4]。一种观点认为淀粉酶的水解是淀粉降解的主要方式。Cottrell等[5]将5个马铃薯品种的新鲜块茎在4℃和10℃贮藏几个月后，测定发现4℃下贮藏5周，还原糖含量及三种淀粉酶（琢-淀粉酶、茁-淀粉酶、脱支酶）活性急剧上升，在10℃下则表现恒定或略有增加。而另一观点则认为淀粉降解主要是淀粉磷酸化酶起作用，淀粉磷酸化酶随贮藏时间的延长，活性呈增加趋势[6]，然后还原糖含量、转化酶活性也增大，因而认为淀粉的降解主要是通过磷酸降解路线，淀粉磷酸化酶活性升高是低温糖化开始的标志[7]。淀粉降解生成磷酸己糖，磷酸己糖被转运到细胞质转化为蔗糖，蔗糖还可以在液泡中进一步分解成还原糖，其中淀粉-糖代谢中比较重要的酶有尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）和酸性蔗糖转化酶（AcInv），对淀粉降解起着重要的作用[8]。有研究发现，在3℃贮藏条件下，不耐低温糖化的马铃薯品种中的UGPase活性比耐低温糖化的马铃薯品系高10倍，如果通过反义RNA技术抑制UGPase的活性降低到30%以后，低温下的转基因马铃薯块茎中蔗糖含量比原来的品种大幅度下降[9]。AcInv催化蔗糖进一步降解为还原糖，这是一个不可逆的过程，是低温糖化过程中的关键酶[10]。刘勋[11]研究发现，转入转化酶抑制子基因的块茎，4℃贮藏后AcInv活性和还原糖含量明显下降，蔗糖含量显著上升，炸薯片色泽明显改善，但淀粉含量变化不明显，说明低温贮藏块茎中抑制转化酶活性主要调节蔗糖的分解。林原等[12]发现马铃薯中存在由蔗糖转化酶、转化酶抑制蛋白和SNRK1激酶组成的蛋白质复合体，级联式地调节马铃薯块茎在低温贮藏条件下的蔗糖转化酶活性。而SNRK1琢亚基的磷酸化使其茁亚基失去功能，从而激活了转化酶抑制蛋白，使转化酶不能降解蔗糖，因此减少了低温贮藏过程中马铃薯还原糖的积累。该研究建立了蔗糖代谢途径马铃薯低温糖化的分子作用模式，为马铃薯低温糖化性状的改良提供了理论依据和新途径。

低温贮藏期间还原糖积累也可能由于糖酵解作用的减弱，低温条件下糖酵解受到抑制，导致磷酸己糖从呼吸作用途径进入蔗糖合成途径。Navrátil等[13]通过研究表明，低温导致了糖酵解途径被抑制，从而使还原糖积累，他通过导入抑制磷酸果糖激酶的Lbpfk基因，发现转基因株系中还原糖含量明显降低。

1.2 低温贮藏对马铃薯块茎生物膜的影响

关于温度可以影响生物膜的通透性已经有大量的研究证实。在马铃薯低温贮藏时由于温度的变化使得马铃薯块茎处在一个冷胁迫的环境中，大量研究证实，冷胁迫可以导致生物膜通透性的改变，这个理论已被人们所接受[9]。其中与低温糖化有关的生物膜主要有造粉体膜（淀粉体膜）和液泡膜。造粉体是一种具有双层质膜的无色质体，它具有对低温敏感的物理性质，造粉体膜脂肪酸的不饱和度影响其通透性。冷胁迫可以引起马铃薯细胞内活性氧代谢平衡被打破，活性氧积累，导致膜脂发生过氧化[14]，膜脂过氧化引起膜透性增加的直接原因可能是膜磷脂性质的改变，间接原因可能是膜蛋白在过氧化过程中受到伤害，质膜是细胞与外界环境之间的界面，各种逆境对细胞的影响首先作用于质膜[15]。造粉体膜结构的完整性在贮藏过程中发生变化，电导率更高，膜的破坏更为明显[14]。冷胁迫导致细胞生物体膜选择通透性功能遭到破坏，主要是液泡膜发生渗漏，由于膜对降解酶的渗透性增加，使淀粉水解加快，导致低温贮藏过程中淀粉发生了糖化[15]。

2 马铃薯低温糖化影响因素

2.1 马铃薯的品种

不同品种的马铃薯，其干物质和还原糖含量有很大差异，基因型是影响马铃薯块茎贮藏期间糖分含量的重要因素。将不同品种的马铃薯分别贮藏于2益、4益、8益条件下，还原糖含量出现了不同程度的增加，蔗糖含量亦有不同程度的升高[16]。巩慧玲等[17]研究表明，不同品种的马铃薯贮藏期间及经回温处理后，还原糖、淀粉含量的变化差异均达极显著水平。2012年，陈霞[18]通过基因芯片的筛选，从野生种ber块茎中分离到188个与低温有关的基因，并同栽培种E3块茎中的表达模式进行比较，发现大部分基因在E3块茎中的表达模式与ber基本相同，少数基因表达模式或表达量在两个品种间存在较大差异，这些基因可能是两个品种块茎低温糖化差异的原因。就低温糖化的内因而言，不同品种的敏感度存在着差异，同一品种不同生长环境[7]。这点说明马铃薯抗低温糖化的能力不仅与基因型有关，还与生长环境有关。

2.2 马铃薯淀粉粒的结构

淀粉在植物细胞中以颗粒状存在，称为淀粉粒。淀粉粒可以分为两种类型：支链淀粉和直链淀粉。支链淀粉分子要大于直链淀粉分子，并且支链淀粉分子含有很多的小支链。

淀粉粒中存在由支链淀粉构成的无定型区和由直链淀粉构成的结晶区两部分。无定型区热力学不稳定容易被酶降解，结晶区则是稳定抗酶解的[19]。所以如果支链越多那么无定型区也就越多，则更容易被降解。而马铃薯淀粉中72%～82%是支链淀粉，所以更容易被降解。Leszkowiat等[20]也证明了易低温糖化的品种比抗低温糖化的品种有更多的无定型区，其淀粉粒结构更不稳定。王清等[21]通过转基因导入反义AcInv基因，发现马铃薯块茎总淀粉含量、支链淀粉含量的下降速度变缓，直链淀粉含量增加，这更多的是由于支链淀粉构成的无定型区容易酶降解，而直链淀粉构成的结晶区保持相对稳定的结果。他还推测是导入的反义AcInv基因削弱了与淀粉降解有关酶系的活性。淀粉粒的结构与低温糖化的关系是通过酶的作用表现出来的，改变酶的活性或改变淀粉粒的成分比例都可以达到提高马铃薯的抗低温糖化能力。

3 结语

对于马铃薯块茎低温贮藏时出现低温糖化现象的研究已经有上百年的历史，得出了一些重要的结论，也提出了很多的假说去研究。马铃薯低温糖化的机制可以从以上这几个方面去研究探索，马铃薯低温糖化的机制是复杂的，涉及到多方面的研究，但这些研究不是独立的，而是相互联系、相互制约的一个整体。比如淀粉粒结构和生物膜能够影响低温糖化作用，究其原因是由于酶的活性影响了马铃薯块茎碳水化合物的代谢。品种与抗低温糖化能力有着重要关系，因此选育优良品种至关重要，这也是现在研究的一个重点。另外，加工用马铃薯选择较菜用马铃薯高的适宜贮藏温度也是减缓加工用马铃薯糖化的有效措施。虽然目前关于块茎低温糖化的机制已经有很多的研究与结论，但我们真正的要把这些影响因素系统化还有很多的工作要做，亟待今后进一步的系统性研究。

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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

舒锐（1987—），男，助理农艺师，主要从事作物栽培育种研究

*通讯作者：谭峰军（1976—），女，助理农艺师，主要从事蔬菜栽培及推广工作