果蔬采后酶促褐變的機制及控制技術(shù)研究進展

閔婷　謝君　鄭夢林　易陽　王麗梅　王宏勛

摘要：果蔬因其富含維生素、有機酸，無機鹽以及植物纖維等營養(yǎng)物質(zhì)，越來越受消費者青睞。然而果蔬在采后運輸，貯藏和加工過程中極易發(fā)生褐變，不僅影響產(chǎn)品的外觀、風味、營養(yǎng)，而且還大大降低貯藏加工性能，因此褐變一直是果蔬采后研究的熱點。本文從果蔬褐變的原因、酶促褐變的機制、果蔬褐變控制技術(shù)3個方面綜述了果蔬采后酶促褐變研究進展。

關(guān)鍵詞：果蔬；褐變；研究進展；酶；保鮮；控制技術(shù)

中圖分類號：TS255.3 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0273—03

許多新鮮果蔬在加工、物流及銷售過程中造成的損傷，易使果蔬原有色澤發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為褐變。目前，普遍認為引起果蔬褐變表現(xiàn)在兩方面：酶促褐變和非酶促褐變。酶促褐變是組織中的酚類物質(zhì)在酶的作用下氧化成醌類，醌類聚合形成褐色物質(zhì)從而導致組織變色；非酶促褐變是指由各種非酶原因引起的化學反應而造成的果肉或果皮的褐變。果蔬產(chǎn)品的褐變，不僅影響其外觀，而且嚴重影響其風味和營養(yǎng)價值，已經(jīng)成為制約果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。

1果蔬褐變的原因

果蔬褐變從本質(zhì)上可分為兩大類，即非酶促褐變和酶促褐變。非酶促褐變是由各種非酶原因引起化學反應導致的褐變，包括焦糖化反應、美拉德反應、維生素c氧化分解、多元酚氧化縮合反應等。酶促褐變是果蔬組織體內(nèi)的酚類物質(zhì)在酶的作用下氧化成醌類，醌類再聚合形成褐色物質(zhì)，從而導致組織變色。眾多研究表明果蔬褐變以酶促褐變?yōu)橹鳌?/p>

2果蔬酶促褐變的機制

酶促褐變機制一直是科學工作者研究的熱點，曾先后提出乙醛乙醇毒害學說、氧自由基假說、維生素C保護假說、酚-酚酶區(qū)域分布等學說，其中酚-酚酶區(qū)域分布學說最具說服力。在植物組織細胞中，質(zhì)膜形成天然的保護屏障，能保證膜內(nèi)外物質(zhì)交換順利進行，酚類物質(zhì)通常分布在組織細胞液泡內(nèi)，而酚酶主要存在于各種質(zhì)體或細胞質(zhì)內(nèi)。在正常情況下，酚酶和底物酚類物質(zhì)不接觸，因而不易發(fā)生褐變；但當一些果蔬制品在加工或貯藏過程中，由于切分、擠壓和包裝等工藝使組織細胞破碎，膜屏障被破壞，酚類物質(zhì)與酚酶接觸，在活性氧的參與下被氧化成醌，醌類化合物再經(jīng)過脫水、聚合反應形成黑褐色物質(zhì)引起褐變反應。因此，酚酶、底物和氧是產(chǎn)生酶促褐變的3個重要條件。

2.1酚酶

目前報道與酶促褐變有關(guān)的酶主要包括：苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化物酶（POD）和多酚氧化酶（PPO）。其中導致果蔬制品發(fā)生酶促褐變的主要酶類是多酚氧化酶。

苯丙氨酸解氨酶是苯丙烷類物質(zhì)代謝途徑中重要的酶之一，催化三一苯丙氨酸解氨生成反式肉桂酸，再經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)變形成各種酚、木質(zhì)素、花青素、生物堿等，形成的酚為褐變反應提供底物。Chen等研究發(fā)現(xiàn)香蕉在切割后MaPAL2基因表達量上升，PAL酶活性升高，進而總酚含量增加。Loaiza-Velarde等研究發(fā)現(xiàn)鮮切芹菜褐變與PAL活性呈現(xiàn)正相關(guān)。龐坤等研究發(fā)現(xiàn)鮮切蘋果中酚類物質(zhì)的含量和PAL活性變化趨勢一致。許傳俊等研究發(fā)現(xiàn)蝴蝶蘭葉片外植體褐變過程中PAL基因的表達變化與其褐變進程相一致。閆紅波等在鴨梨中克隆到2個PAL基因：PbPAL1和PbPAL2，機械傷誘導2個基因表達進而引起組織褐變。李正國等研究發(fā)現(xiàn)奉節(jié)臍橙PAL2基因表達與果皮褐變有著密切相關(guān)性。

過氧化物酶是廣泛存在于植物中的鐵卟啉金屬有機催化劑，POD在H₂O₂存在的情況下，能將酚類物質(zhì)和類黃酮氧化聚合而形成褐色物質(zhì)引起褐變。蔣益虹研究發(fā)現(xiàn)百合在貯藏過程中POD活性與褐變度呈正相關(guān)，且POD活性變化是引起百合褐變的主要因素。劉野等研究發(fā)現(xiàn)西瓜汁的褐變度與POD活性呈正相關(guān)。

多酚氧化酶是植物體內(nèi)普遍存在的一種含銅的氧化酶，負責催化酚類底物氧化，屬于氧化還原酶類；是引起鮮切果蔬酶促褐變的主要酶類。多酚氧化酶被Keilin和Mann于1938年從蘑菇中首次分離得到并命名為polyphenol oxi-dase（PPO）之后，逐漸成為酶促褐變的研究熱點，主要表現(xiàn)在植物組織中PPO的酶學特性和褐變機制。隨著分子生物學技術(shù)的飛速發(fā)展，PPO基因在馬鈴薯、蘋果、香蕉、梨、甘薯、蓮藕、石榴等中相繼被克隆。

2.2底物

褐變底物主要是酚類物質(zhì)，果蔬中含有豐富的酚類物質(zhì)，酚類物質(zhì)在果蔬生長發(fā)育和成熟過程中合成，并且機械傷等逆境脅迫能誘導其合成。在正常情況下因為細胞膜系統(tǒng)將酚類物質(zhì)和褐變酶分布在細胞的不同部位，一旦膜系統(tǒng)遭到破壞，酚和酶接觸，在酶的催化下生成醌，再進一步聚合形式褐色物質(zhì)。

不同果蔬中參與酶促褐變的底物不一樣，郁志芳等初步確定兒茶酚是鮮切蓮藕的主要褐變底物。郁志芳等還鑒定出引起鮮切山藥酶促褐變的主要底物是綠原酸。杜傳來等鑒定出鮮切慈菇酶促褐變的主要底物為愈創(chuàng)木酚。

2.3氧氣

氧是果蔬酶促褐變的必要條件。正常情況下，外界的氧氣不能直接作用于酚類物質(zhì)發(fā)生酶促褐變。這是因為酚類物質(zhì)分布于液泡中，褐變相關(guān)酶PPO位于質(zhì)體中，PPO與底物不能相互接觸。在果蔬貯存、加工過程中，由于外界因素擦傷、割切、失水、細胞損傷等使果蔬的膜系統(tǒng)破壞，打破了酚類與酶類的區(qū)域化分布，導致褐變發(fā)生。林啟訓等研究發(fā)現(xiàn)要減少某一溫度下干燥過程中蘑菇的褐變度，關(guān)鍵要控制干燥過程中氣體的氧氣含量；米熱班古·木太力甫等研究發(fā)現(xiàn)隔離氧氣能較好地控制蘋果汁的褐變。

3果蔬褐變控制技術(shù)

3.1化學方法

目前，化學方法是控制鮮切果蔬褐變最廣泛的方法。使用較多的褐變抑制劑主要有檸檬酸、維生素C、焦磷酸鈉、ED-TA、氯化鈣、4-己基間苯二酚、谷胱甘肽等。一般實際生產(chǎn)中化學抑制劑的復合處理護色效果往往比單獨使用要好。胡明等研究發(fā)現(xiàn)采用0.3%三-半胱氨酸+0.01%水楊酸+1.2%檸檬酸復合處理比單一使用1.0%檸檬酸、0.01%水楊酸、0.3%L-半胱氨酸處理對鮮切梨褐變抑制效果更佳。丁捷等研制馬鈴薯切片最佳復合防褐劑配方組合為0.005%曲酸+0.045%異抗壞血酸鈉+0.045%半胱氨酸+0.01%CaCl₂+0.299 2%EDTA-2Na。張芳等研制的鮮切蘋果復合護色液最佳配方（1.00%檸檬酸+0.80%氯化鈉+0.16%二胺四乙酸二鈉+0.50%D-異抗壞血酸鈉），相比于單獨處理，該護色液浸泡鮮切蘋果10 min的護色效果最佳。

3.2物理方法

低溫貯藏過程中，PPO、POD等酶活性受抑制，從而減慢褐變的發(fā)生，貨架期延長。王靜等研究發(fā)現(xiàn)1℃冷藏下PPO和POD活性被抑制，進一步延緩鮮切牛蒡的褐變。楊霞等研究發(fā)現(xiàn)鮮切萵筍在2℃和8℃的低溫下貯藏，PPO活性降低，褐變明顯受到抑制。王志華等研究發(fā)現(xiàn)碭山酥梨貯藏在0℃和1.5℃下果心褐變指數(shù)較低。

熱處理在鮮切果蔬上應用較廣泛。熱處理包括熱水處理、熱蒸汽處理、熱空氣處理等。項麗霞研究表明45℃熱空氣處理抑制了蓮藕表皮PPO和POD活性，延緩了蓮藕表皮褐變。楊志娟等研究發(fā)現(xiàn)通過先熱處理鈍化褐變酶后添加食品添加劑相結(jié)合的方法可降低香蕉醬褐變度，提高香蕉醬品質(zhì)。馮巖巖等研究發(fā)現(xiàn)切后50℃6 min、55℃3 min和切前50℃10 min 3種不同熱激處理均較好地抑制了貯藏期間鮮切牛蒡的褐變。

包裝技術(shù)的應用對抑制果蔬褐變效果良好。因保鮮期長、無污染等優(yōu)點，氣調(diào)包裝在果蔬貯藏過程中得到了廣泛應用。姜愛麗等研究發(fā)現(xiàn)5%O₂+5%CO₂氣調(diào)貯藏可抑制鮮切富士蘋果腐爛，降低呼吸速率，有效減弱褐變程度。趙迎麗等研究發(fā)現(xiàn)適宜的氣調(diào)貯藏參數(shù)（5%C02，3%～5%O₂）可抑制石榴果皮多酚氧化酶活性的增加，并減少酚類物質(zhì)的氧化，有效地減輕石榴褐變的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，與氣調(diào)包裝相比純氧條件可保護細胞膜完整性，改善厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇及乙醛的堆積，抑制褐變。100%O₂氣調(diào)處理鮮切蓮藕可明顯抑制PPO的活性，維持維生素C的含量，減緩褐變和保持新鮮程度，延長其貨架期。也有研究表明，高氧可以抑制鮮切梨、鮮切馬鈴薯的色澤變化。

3.3其他方法

目前，越來越多的天然保鮮劑開始用于果蔬采后保鮮。王展華等研究發(fā)現(xiàn)洋蔥提取物對鮮切馬鈴薯具有較好的防褐變效果。一定濃度的柑橘皮精油對鮮切馬鈴薯的褐變抑制效果優(yōu)于檸檬酸、CaCl₂和Na₂SO₃。生姜提取液能顯著降低鮮切紅富士蘋果的失重率和褐變度，有效抑制PPO活性及丙二醛（MDA）的積累，減少可滴定酸的損失，維持產(chǎn)品的硬度，較好地保持了鮮切紅富士蘋果的品質(zhì)。

蛋白酶可有效抑制果蔬褐變，木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶和菠蘿蛋白酶已經(jīng)被證實抑制酶促褐變效果明顯。

乙醇在果蔬保鮮中亦用于褐變的抑制。龔吉軍等研究發(fā)現(xiàn)乙醇處理可抑制PPO和POD的活性，從而抑制褐變；徐莉等研究發(fā)現(xiàn)乙醇熏蒸處理可延遲鮮切菊芋表面褐變，使產(chǎn)品在貯藏過程中保持優(yōu)良品質(zhì)。

另外，通過果蔬基因改良，利用反義RNA來控制PPO的表達，從而選育抗褐變品種。在馬鈴薯中轉(zhuǎn)入番茄PPO的正義和反義基因，可延緩其褐變。

4展望

果蔬酶促褐變問題一直是農(nóng)產(chǎn)品研究的熱點之一，主要包括酶促褐變機制和褐變控制技術(shù)探索。其中酶促褐變機制研究主要集中在生理生化方面。而褐變控制技術(shù)主要集中在物理、化學和生物方法，相對于傳統(tǒng)的物理和化學方法，基因工程技術(shù)用于果蔬褐變控制將成為趨勢。而果蔬褐變分子機制研究的匱乏限制了基因工程技術(shù)在果蔬褐變控制中的應用。因此果蔬褐變分子機制以及基于褐變分子機制的基因工程技術(shù)在果蔬褐變控制中的應用是今后將要關(guān)注的課題。