馬鈴薯低溫糖化形成機理及其調控因素研究進展

崔廣璨，李清清，王慶國，劉騰飛

（山東農業大學 食品科學與工程學院，山東 泰安 271018）

馬鈴薯（SolanumtuberosumL.）是世界第四大作物，其營養豐富，是多種加工食品的重要原料。由馬鈴薯直接加工的油炸產品，如油炸薯條和薯片等在馬鈴薯加工產業中占比達70%以上[1]。在馬鈴薯加工工業中，為了抑制塊莖失水、發芽、腐爛及病害等采后問題，馬鈴薯塊莖通常在低溫條件下進行貯藏[2]，但低溫會促進馬鈴薯塊莖中的淀粉降解為蔗糖，蔗糖進一步轉運至液泡，在液泡酸性轉化酶的作用下，分解為還原性的葡萄糖和果糖，導致還原性糖積累，這種現象稱為低溫糖化。對于馬鈴薯加工工業而言，低溫糖化是制約原料薯周年供應的重要因素。糖化后的馬鈴薯塊莖在后期高溫油炸過程中易發生美拉德反應[3]，即還原性糖和游離氨基酸發生非酶促反應，產生褐色物質以及有毒的潛在致癌物質丙烯酰胺[4]，不僅使得油炸產品顏色變褐或變黑，口味發苦，也對人體健康造成危害，且貯藏溫度越低，低溫糖化現象越嚴重[5]。低溫糖化嚴重的馬鈴薯中還原性糖含量高，高溫油炸時更易產生有毒物質丙烯酰胺、雜環胺等[6]。在工業生產中，因低溫糖化引起的塊莖淀粉向還原糖的過量轉化，是造成原料薯損失的重要因素[7]。對于馬鈴薯加工工業而言，低溫糖化問題非常重要，需引起廣泛關注。

關于針對低溫糖化過程中淀粉與糖的轉化機理及生物技術育種應用等方面的研究較多，但缺乏對這些相關研究進展的系統性總結和凝練。本文旨在闡明馬鈴薯低溫糖化的危害、發生的機制及影響因素，使人們合理規避馬鈴薯低溫糖化造成的不利影響，為油炸馬鈴薯加工產業的發展提供參考。

1 馬鈴薯的碳水化合物組分對塊莖低溫糖化和油炸加工品質影響

1.1 塊莖淀粉結構對馬鈴薯低溫糖化的影響

1.1.1 直鏈淀粉與支鏈淀粉

馬鈴薯中淀粉含量豐富，淀粉由于結構的差異可分為直鏈淀粉與支鏈淀粉[8]。直鏈淀粉分子量較小，聚合度為300～5 000，支鏈淀粉分子量較大，聚合度為9 000～16 000，一般情況下，支鏈淀粉比直鏈淀粉大幾十倍，在某些特殊情況下會大幾百倍。當直鏈淀粉與支鏈淀粉兩者混合的比例不同時，會導致淀粉的性質不同，進而對馬鈴薯貯藏加工產生不同影響?？芍?，直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例對淀粉的物理化學和功能特性產生決定性作用，對物理范疇修飾和化學范疇修飾的敏感性有一定影響作用[9]。

谷物淀粉中直鏈淀粉含量為15%～25%，馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉含量略低，為10%～20%[10]。馬鈴薯中支鏈淀粉含量較高，在淀粉向糖轉化過程中影響作用較大。支鏈淀粉形成的晶型不穩定，使得酶更容易作用在淀粉顆粒上。在低溫條件下，支鏈淀粉含量高的馬鈴薯淀粉向糖的轉化速度更快[11]。Jansky 等[12]發現，抗低溫糖化馬鈴薯品種的直鏈淀粉含量大于不抗低溫糖化品種。綜合來看，影響淀粉與馬鈴薯轉化的關鍵因素之一為直鏈淀粉與支鏈淀粉的比值，比值越大，越能夠抑制淀粉向糖的轉化，比值越小，越能夠促進淀粉向糖的轉化。在油炸馬鈴薯產業實際生產應用中應選擇直鏈淀粉含量較高的品種，抑制淀粉向糖的轉化，以此獲得優良的油炸加工品質。

1.1.2 淀粉顆粒

大量淀粉分子聚合在一起形成淀粉顆粒，自然光下肉眼觀察淀粉顆粒呈白色，有輕微光澤。不同的物種中淀粉顆粒的形狀不同，有圓形、卵形、不規則形等。馬鈴薯淀粉顆粒形狀為卵圓形，相較于稻米淀粉顆粒、玉米淀粉顆粒等，馬鈴薯淀粉顆粒較大，粒徑為25～100μm。呂文河等[13]發現，淀粉顆粒在塊莖中的分布呈現一定的規律，整體來說，在靠近塊莖皮層部位相對塊莖內層部位淀粉顆粒密度大。淀粉在馬鈴薯塊莖中具有組織特異性，故在研究其性質時要求均勻取樣，兩側、臍部、頂部、髓部均要等量的涵蓋在研究樣本中，同時不應該忽略個體差異，在測量時應選擇大量的樣本。淀粉粒大小對淀粉向糖的轉化也有一定的作用，淀粉在貯藏過程中，小淀粉粒比例減小，大淀粉粒比例增大[14]。小淀粉粒比大淀粉粒降解更快，可能是由于淀粉粒的相對表面積較大，與酶反應的速度更快。

1.2 還原糖含量對塊莖油炸加工品質的影響

還原糖類是馬鈴薯高溫油炸過程中產生丙烯酰胺的重要底物。因此，要加工出優質油炸馬鈴薯產品，必須選擇還原糖含量適宜的馬鈴薯塊莖。一般要求生產中用于油炸的馬鈴薯還原糖含量低于0.4%[15]。但在實際生產中馬鈴薯塊莖的還原糖含量存在幾種不同情況：1）剛采收時與在不利條件貯存后，還原糖含量均低于工業要求值；2）剛采收時還原糖含量可接受，但在不利條件貯存后，還原糖含量增至不可接受水平；3）剛采收時與在不利條件貯存后，還原糖含量均不可接受[16]。要解決馬鈴薯塊莖中還原糖含量過高的問題，可從育種和外源技術處理兩方面入手。針對后兩種情況可進行合理育種，研發出更多更優質的第一類馬鈴薯品種，但育種工作較為復雜，耗費人力物力較多。對于第2 種情況，應使用合理控制技術，使得其在不利條件貯存后還原糖含量仍可接受，以此解決塊莖中還原糖含量較高的問題。Mccann 等[17]使用多元回歸法分析了塊莖油炸加工產品色澤與塊莖成分的關系，結果表明，游離氨基酸（如天冬酰胺）含量和干物質百分比對薯片顏色的變化沒有顯著影響，還原糖（果糖或葡萄糖）含量是影響薯片顏色變化的主要原因；且在分析中同時存在葡萄糖和果糖時，對顏色變化影響的貢獻值不同，一半品種中葡萄糖貢獻值較大，另一半品種中果糖貢獻值較大，而蔗糖濃度對于薯片顏色變化的影響較小。

2 馬鈴薯低溫糖化發生的機理

2.1 淀粉體膜的穩定性影響馬鈴薯低溫糖化

淀粉體膜一般含有半乳糖脂和磷脂。Gupta 等[18]認為，馬鈴薯在發生低溫糖化的過程中淀粉體膜整體結構基本保持完整。但O'Donoghue 等[19]認為，在低溫糖化過程中淀粉體膜結構發生一定變化，即脂膜流動性降低，膜通透性改變。低溫處理下，發現低溫糖化敏感型馬鈴薯淀粉體膜的衰老程度大于不敏感型馬鈴薯塊莖淀粉體膜，說明低溫糖化過程中淀粉向糖的轉化也與淀粉體膜穩定性相關。在遇到低溫時所有生物膜的流動性均會降低，但具體淀粉體膜結構是否出現大的改變，可能與溫度閾值相關。膜結構的破裂或變化會在低于特定溫度閾值時發生，這個閾值因品種而異。每種品種的低溫糖化溫度閾值不同，淀粉體膜結構變化的閾值溫度與低溫糖化閾值溫度之間的差異也因品種而有所不同。未來，可進行大量馬鈴薯品種的低溫糖化閾值溫度和淀粉體膜結構改變閾值溫度測量比較，以確定不同品種間是否存在共性，進而明確淀粉體膜結構的變化對馬鈴薯低溫糖化過程中還原糖累積的影響。通過對淀粉體膜結構改變閾值溫度的研究也可為探索淀粉體膜結構與低溫糖化過程之間的關系提供基礎，進一步揭示低溫糖化的機理和影響因素。

2.2 低溫糖化代謝途徑以及相關酶及其調控蛋白

馬鈴薯塊莖的低溫糖化與塊莖碳水化合物代謝途徑緊密相關。淀粉在淀粉磷酸化酶、葡萄糖磷酸變位酶等作用下轉化為6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G-6-P）。在適宜條件下，G-6-P 也會轉化為淀粉，其中關鍵限速酶為腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（adenosine diphosphoglucose pyrophosphprylase，AGPase）。G-6-P 是多個代謝途徑中的關鍵物質，在細胞質中，經碳水化合物循環，使其轉化為蔗糖，其中關鍵限速酶為尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（udp-glucose pyrophosphorylase，UGPase）。蔗糖經液泡內的酸性轉化酶作用后進一步降解為葡萄糖和果糖，在此過程中位于細胞質中的堿性轉化酶和中性轉化酶對蔗糖也會起到一定的降解作用[20]，但整體作用不大。對低溫貯藏一段時間的馬鈴薯塊莖進行代謝分析顯示，液泡內酸性轉化酶活性是影響還原糖形成的關鍵因素[21]。

對于淀粉與糖的轉化過程有幾個比較關鍵的酶，如淀粉酶、AGPase、UGPase、液泡酸性轉化酶（vacuolar acid invertase，StvacINV1）等。淀粉酶活性升高，會促進淀粉向糖方向的轉化。淀粉酶分為α-淀粉酶和β-淀粉酶，在淀粉向糖的轉化過程中，β-淀粉酶起到主要作用[22]。α-淀粉酶（α-amylase，Amy）的功能主要由Amy23基因控制，β-淀粉酶（β-amylase，BAM）的功能主要由StBAM1和StBAM9基因控制[23]。淀粉酶抑制子（amylase inhibitor，SbAI）能通過抑制低溫條件下淀粉降解從而減緩淀粉向糖方向的轉化，進一步通過酵母雙雜交和雙分子熒光互補實驗證明，SbAI 蛋白與α-淀粉酶StAmy23 及β-淀粉酶StBAM1 和StBAM9 在植物細胞內互作[24]。StAmy23 定位于細胞質，而StBAM1 和StBAM9 分別定位于質體基質和淀粉顆粒[23]。StBAM1具有β-淀粉酶活性，主要通過降解淀粉發揮功能，StBAM9 不具有淀粉酶活性，但能通過與活性淀粉酶StBAM1 互作調控淀粉降解。StAmy23沉默導致糖原含量升高，還原糖含量降低，說明StAmy23 通過降解胞質糖原進行調控。環指蛋白1（ring finger protein 1，SbRFP1）可通過抑制淀粉酶活性和轉化酶活性來減緩塊莖淀粉降解和還原糖的積累，研究發現，其主要通過抑制β-淀粉酶StBAM1 的活性來減緩淀粉向糖方向的轉化，且SbRFP1 具有E3 泛素連接酶活性[25-26]。根據SbRFP1 的泛素連接酶活性可推斷該基因通過該途徑對淀粉與糖轉化過程中的酶活性進行調控，未來可進一步探究SbRFP1 調控的泛素化途徑與淀粉與糖轉化途徑中的關系。

AGPase 活性升高，會促進糖向淀粉方向轉化，其為淀粉再合成的限速酶。馬鈴薯AGPase 為異源四聚體，由2 個小亞基和2 個大亞基組成，AGPase 大亞基只起調節作用，而活性則由小亞基sAGP 控制，通過調控AGPase 的活性可促進還原糖向淀粉方向的轉化[27]。成善漢等[28]研究發現，隨著AGPase 活性降低，塊莖主要貯藏蛋白——馬鈴薯糖蛋白（patatin）含量隨之降低，patatin 是占塊莖總蛋白40% 的糖蛋白，目前來看AGPase 活性與含量是否與patatin 存在關系、存在何種關系仍需進一步研究。AGPase 在低溫條件下活性后期低于常溫，總體趨勢隨低溫貯藏的時間增加而活性降低[21]，在研究淀粉與糖的轉化過程中該規律可提供一定的參考。Shi 等[29]發現，馬鈴薯CBF/DREB-III 轉錄因子亞家族基因StTINY3，該基因能正向調控低溫糖化抗性，StTINY3能夠正調控AGPase的表達而提高AGPase 活性，同時激活轉化酶抑制子（invertase inhibitor，StInvInh2）的表達以抑制液泡酸性轉化酶活性，從而抑制低溫糖化過程的進行。

UGPase 活性升高，也會促進淀粉向糖方向轉化。該酶催化淀粉合成的前體物質1-磷酸-葡萄糖合成尿苷二磷酸葡萄糖，從而促進蔗糖的再合成。有研究對馬鈴薯進行長時間低溫貯藏，結果顯示在貯藏期間塊莖中的蔗糖含量與UGPase 活性的相關性極強，說明在低溫糖化過程中UGPase 對蔗糖合成過程有顯著作用[30]。

低溫糖化過程中，蔗糖的合成發生在細胞質中，UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化葡萄糖-1-磷酸生成UDP-葡萄糖，是蔗糖合成的速率限制步驟。研究發現，通過RNA 干擾抑制編碼馬鈴薯UGPase 的StUGPase基因，能夠明顯降低低溫貯藏后馬鈴薯塊莖中的還原糖含量，提高油炸加工品質。該研究揭示了StUGPase通過調控低溫糖化過程中的蔗糖再合成從而影響還原性糖的累積以及馬鈴薯加工質量[31]。蔗糖的分解主要在液泡中進行，蔗糖如何進入液泡這一過程一直未得到解釋。研究表明，低溫糖化過程中蔗糖由細胞質轉運至液泡是由液泡膜糖轉運蛋白（tonoplast sugar transporter，TST）StTST1 介導的[32]，通過抑制StTST1的表達，不僅能抑制低溫貯藏后塊莖還原性糖的累積，還能促進冷藏塊莖中的淀粉合成并抑制淀粉的降解。由此可見，由StTST1 介導的蔗糖向液泡的轉運過程是低溫糖化過程的關鍵因子之一。

酸性轉化酶是直接催化蔗糖轉化為還原糖的關鍵酶，其活性升高會促進淀粉向糖方向的轉化。有研究比較不同溫度下、不同轉化酶的活性，發現在低溫4 ℃條件下酸性、堿性轉化酶活性上升均極顯著，12 ℃與20 ℃條件下酶活性差異不大；對不同轉化酶進行比較，發現酸性轉化酶活性明顯高于堿性轉化酶，說明酸性轉化酶在低溫貯藏塊莖中是主要的轉化酶，該酶對低溫條件較為敏感。對于調控酸性轉化酶的基因也有大量研究，將馬鈴薯糖蛋白啟動子驅動的煙草酸性轉化酶抑制子基因全長cDNA 導入鄂馬鈴薯3 號植株，貯藏后發現酸性液泡轉化酶活性明顯降低，說明該基因能夠抑制該酶的活性[15]。有研究發現，ERF-VII 轉錄因子花瓣化相關2.3（relative to apetala 2.3，StRAP2.3）[33]，它可以直接調節StInvInh2基因的表達正向調控馬鈴薯低溫糖化抗性，這是由于StRAP2.3與StInvInh2啟動子區域的ACCGAC 順式元件結合后激活轉錄，StInvInh2 是馬鈴薯內源液泡酸性轉化酶StvacINV1 的抑制子，通過限制液泡轉化酶活性來抑制低溫糖化過程。此外Lin 等[34]研究發現，液泡酸性轉化酶StvacINV1 和其抑制子StInvInh2 能與植物的能量感應器復合體蔗糖非發酵1 相關蛋白激酶1（sucrose nonfermenting-1-related protein kinase 1，StSnRK1）的α 和β 亞基形成轉化酶活性的精細調控復合體。StSnRK1β 能封阻抑制子StInvInh2 對轉化酶的抑制作用，而磷酸化的StSnRK1α 能拮抗StSnRK1β 的封阻，重新實現對轉化酶活性的抑制，從而通過StSnRK1α的磷酸化實現對轉化酶活性的精細調控。雖然大多數研究表明在淀粉與糖的轉化過程中酸性轉化酶起到較大的作用，但最近也有研究表明堿性及中性轉化酶（neutral invertase，StNI）的作用[20]，黃褐色伯班克品種塊莖中StNI5轉錄豐度高，還原糖含量高，推測塊莖對低溫糖化的敏感性可能是由于NI 對細胞質中蔗糖的分解。在另一夏波蒂品種塊莖中StNI4和StNI6轉錄豐度較高，也表明蔗糖降解需要不同的NI 亞型。對于酸性轉化酶和堿性/中性轉化酶在馬鈴薯淀粉與糖轉化過程中發揮的作用有許多觀點，目前普遍認可酸性轉化酶在過程中起到主要作用，堿性/中性轉化酶在還原糖調節和過程中也起到一定的作用，但其具體如何進行調節還需要進一步研究確認。影響馬鈴薯淀粉與糖轉化的酶和調節因子如圖1 所示。

圖1 影響馬鈴薯淀粉與糖轉化的酶和調節因子Fig.1 Enzymes and regulatory factors affecting the conversion of starch to sugar in potatoes

由圖1 可知，6-磷酸葡萄糖在淀粉合成限速酶AGPase 的作用下最終形成淀粉，其中轉錄因子StTINY3和StRAP2.3 及激酶StPKIN1 能激活其表達；在淀粉降解過程中，在StGWD1 和StBAM1 的協同作用下淀粉被降解為麥芽糖，麥芽糖在Amy23 的作用下生成葡萄糖和雜多糖，隨后合成蔗糖；蔗糖由StTST1 轉運至液泡中，進一步被StvacINV1 分解為葡萄糖和果糖，而StInvInh2 能抑制轉化酶的活性，同時該抑制作用又受到StSnRK1 復合體的調控[20，23，26-27，29，32-33，35-41]。

2.3 G-6-P 代謝對低溫糖化的影響

G-6-P 廣泛存在于動植物體和微生物中，參與多種代謝途徑。在糖酵解中，葡萄糖被己糖激酶催化生成G-6-P，隨后通過磷酸葡萄糖異構酶催化形成6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate，F-6-P）。在磷酸戊糖途徑中，G-6-P 為第一個反應底物，脫氫生成6-磷酸葡糖酸內酯。低溫抑制了糖酵解，導致磷酸己糖積累而轉化為蔗糖，糖酵解過程若變慢，淀粉降解后蔗糖積累，在液泡轉化酶作用下就會形成還原糖積累[15，42]?？梢?，G-6-P 是連接了糖酵解、磷酸戊糖途徑以及低溫糖化的一個關鍵中間代謝產物。

3 影響馬鈴薯低溫糖化過程中淀粉與糖轉化的因素

3.1 品種與基因型

不同品種間以及相同品種不同生長環境下均存在著一定的淀粉與糖轉化的差異。將抗低溫糖化馬鈴薯品種和低溫糖化敏感的馬鈴薯品種塊莖分別貯藏于20 ℃和4 ℃，在20 ℃貯藏時，未發生糖化，在4 ℃貯藏時，低溫糖化敏感塊莖的還原糖含量在5～30 d 內迅速上升到較高水平，從鮮重3.5 mg/g 上升到20.7 mg/g，抗低溫糖化塊莖的還原糖含量只有輕微增加，最大還原糖含量僅為3.4 mg/g?？梢?，不同品種或基因型在馬鈴薯淀粉與糖轉化過程中影響作用較大[43]。

3.2 栽培條件與時間

馬鈴薯栽培條件、生長環境、收獲期和塊莖的成熟度影響淀粉與糖的轉化過程。在生長環境中的土壤酸堿度也對淀粉與糖的轉化過程有影響[44]，生長環境偏酸性，會加速淀粉的分解，推測酸性環境下酸性轉化酶的活性會升高，利于將淀粉轉化為糖。馬鈴薯收獲期以及塊莖成熟度均會造成淀粉含量或形態結構的不同，進而影響整個淀粉糖的轉化過程[45]。

3.3 貯藏條件

3.3.1 溫度

溫度對淀粉與糖的轉化影響十分明顯，馬鈴薯塊莖尤其對低溫較為敏感，在低溫條件下極大促進了淀粉向還原糖方向的轉化。以不同貯藏溫度條件下的兩種馬鈴薯為材料，分析表明在4 ℃貯藏條件下，腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和蔗糖合成酶活性與塊莖還原糖含量呈顯著負相關，酸性轉化酶和堿性轉化酶活性與塊莖還原糖的積累呈顯著正相關，由此可見，溫度通過改變上述幾種酶活性來影響淀粉與糖轉化的過程[46]。此外，溫度越低時，馬鈴薯塊莖淀粉向糖的轉化速度越快[21]。

3.3.2 外源物質

乙烯和脫落酸均會促進馬鈴薯中的淀粉向糖轉化，其促進淀粉降解酶活性，抑制淀粉合成酶活性，而對酸性轉化酶活性無影響[47]。赤霉素也會促進淀粉向糖的轉化，施用后使還原糖含量大幅增加384.4%，可溶糖增加35.3%，蔗糖增加20.8%，淀粉酶活性升高159%，處理后在低溫、常溫環境下，酸性液泡轉化酶活性發生顯著提高[9]。植物激素對馬鈴薯低溫糖化的影響研究較多，但是激素信號對低溫糖化的調控機理尚不清楚，今后仍需探索。

S-香芹酮是一種天然存在的化合物，其通過上調顆粒結合淀粉合成酶，會使淀粉合成速率加快，蔗糖分解速率減慢，最終抑制淀粉向糖方向的轉化。UV-C 處理也能顯著延緩馬鈴薯塊莖中還原糖的積累，其通過降低蔗糖合成速率，抑制蔗糖進一步分解，最終減緩了馬鈴薯淀粉向糖的快速轉化[48]。對于新型糖化抑制劑的開發也是馬鈴薯的重要研究方向。

3.3.3 氣體條件

低氧條件下能夠減緩淀粉向糖的轉化，其作用在很大程度上是酸性轉化酶活性降低的結果，說明低氧條件對酸性轉化酶有一定的酶活抑制效果[49]，進而對淀粉與糖的轉化過程產生影響。另有研究發現，乙烯結合1-甲基環丙烯氣調處理可有效減緩馬鈴薯淀粉向糖的過度轉化現象，且在塊莖出現萌芽時進行乙烯處理效果最佳[50]。目前主要通過物理、化學、生物方法對低溫糖化進行抑制，不同處理方法對果蔬低溫糖化的影響如表1 所示。

表1 不同處理方法對果蔬低溫糖化的影響Table 1 Effects of different treatment methods on cold-induced sweeting of fruits and vegetables

4 展望

本文對馬鈴薯低溫糖化的機理、代謝途徑以及影響因素進行歸納總結。關于馬鈴薯的低溫糖化過程的研究較多，但是仍存在很多科學問題需要解決。比如許多小分子信號物質在馬鈴薯低溫糖化過程中的作用機理尚不明確；在不影響生長發育的前提下，根據遺傳轉化等手段可以調控低溫糖化過程中的關鍵基因，能夠改善低溫貯藏的馬鈴薯加工特性，但對于其特性改變是否引起其它重要營養物質成分及含量變化尚未見報道；對于馬鈴薯低溫糖化現象深究，是塊莖低溫脅迫的一種反應機制，推測采用適當外源處理技術提高馬鈴薯對低溫脅迫的抗性，可改善低溫糖化現象，但新型馬鈴薯低溫糖化抑制劑的開發尚未有深入研究，高效馬鈴薯低溫糖化控制技術尚待研發。