褐變抑制劑對果蔬多酚氧化酶的影響

劉文靜　張映霞　羅立新　張建良　張銳　郭眾仲

摘 要：果蔬貯藏過程中，褐變問題嚴重影響其經濟價值及營養價值，由多酚氧化酶引起的酶促褐變備受關注，尋找合適的抑制方法是國內外研究的熱點。一些化學抑制劑對于酶促褐變具有良好的抑制效果，本文綜述了果蔬褐變的機理，抗壞血酸、半胱氨酸、檸檬酸抑制劑的作用原理及具體應用，旨在為解決由酶促褐變引起的果蔬生產加工問題提供參考，促進果蔬品質的提升。

關鍵詞：褐變；抑制劑；多酚氧化酶

Effect of Browning Inhibitors on Polyphenol Oxidase in Fruits and Vegetables

LIU Wenjing1，2， ZHANG Yingxia1，2， LUO Lixin3， ZHANG Jianliang3， ZHANG Rui1，2， GUO Zhongzhong1，2*

（1.Key Laboratory of Conservation and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin， Xinjiang Production and Construction Corps， Alar 843300， China; 2.National and Local Joint Engineering Laboratory of High Efficiency and High Quality Cultivation and Deep Processing Technology of Characteristic Fruit Trees in Southern Xinjiang， Alar 843300， China; 3.College of Horticulture and Forestry， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： During the storage of fruits and vegetables， the browning problem seriously affects their economic value and nutritional value. Enzymatic browning caused by polyphenol oxidase has attracted much attention. Finding suitable inhibition methods is a hot research topic at home and abroad. Some chemical inhibitors have good inhibitory effects on enzymatic browning. This paper reviews the mechanism of browning of fruits and vegetables， the action principle and specific application of ascorbic acid， cysteine and citric acid inhibitors， aiming to provide reference for solving the production and processing of fruits and vegetables caused by enzymatic browning and promote the quality of fruits and vegetables.

Keywords： browning; inhibitor; polyphenol oxidase

在果蔬生產貯藏過程中，酶促褐變會對果蔬的色澤、感官、營養品質造成較大影響，不僅降低了其經濟價值和使用價值，還對農戶造成了很大的經濟損失[1]。褐變是果實成熟老化、生理衰退、果實品質劣變的特征之一，可根據是否有酶的參與分為酶促褐變和非酶促褐變。

參與酶促褐變的主要酶類為多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，PPO），目前國內外針對抑制多酚氧化酶活性采取了一系列措施，這些措施多為體外抑制，如脫氧、熱處理、化學抑制等。目前，使用物理法或化學法抑制PPO活性是較為常見的處理方式。物理法是通過熱處理來滅活PPO，是食品加工過程中較為簡單、高效的方式[2]。化學法是通過褐變抑制劑抑制由PPO導致的褐變，近年來化學抑制劑被大量學者研究并使用，在抑制酶促褐變方面取得了良好的效果。其中，抗壞血酸、半胱氨酸、檸檬酸等是表現較好的抑制劑。本文綜述了化學抑制對PPO的影響。

1 酶促褐變和非酶促褐變的概念

酶促褐變是指在有氧條件下，酚酶催化酚類物質形成具有高度反應活性的鄰苯醌及其聚合物的反應過程[1]。褐色物質聚合導致果實組織褐變，酶促褐變是果實褐變的主要原因。前人針對酶促褐變的研究機理提出乙醛乙醇毒害學說、抗壞血酸保護假說、氧自由基假說以及酚-酚酶區域化分布學說等各種理論學說，其中被大眾接受的是酚-酚酶區域化分布學說[3-4]。該學說是指植物在不受傷害的正常情況下，酚類物質和酶類物質呈區域性分布，酚類物質主要存在于液泡當中，酶類物質主要存儲在細胞質當中，部分存在于細胞膜和細胞壁上。當植物受到外部環境影響時，植物體內酚和酶的區域分布平衡會被破壞，酶類物質會迅速增加促使酚類化合物被氧化成醌類物質，醌類物質聚合形成褐色物質，使果實發生褐變[5]。

非酶促褐變是指褐變過程中沒有酶的參與，食品在加工、貯藏過程中由于表面接觸空氣，其中酚類等物質在非酶促條件下被氧化而發生的顯著顏色變化、趨向加深的現象[6]。

2 酶促褐變的發生條件

酶促褐變的發生需要3個必要條件：酶活性、酚類物質、氧氣[7]，只有這3個因素共同存在、緊密結合，才會發生酶促褐變。多酚氧化酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶是影響果蔬酶促褐變的主要酶類，多酚氧化酶是最易發生酶促褐變的酶類[8]。在果實受到外部脅迫時，果實內的活性氧會大量積累，膜系統遭到破壞，PPO會由結合態轉變為游離態，游離在細胞質當中，起到催化作用，導致酶促反應的發生。

酚類物質是碳水化合物代謝衍生的產物，在植物體內種類多樣、分布廣泛、含量豐富，在褐變過程中作為底物被氧化成醌類物質[5]。據文獻記載，與褐變相關的酚類物質有100多種，共分為4大類，分別為肉桂酸衍生物、類黃酮化合物、單寧和多巴胺[9]。不同果蔬中參與褐變的酚類物質的種類不同。

褐變需要氧氣的參與，但只有活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）才能直接參與酚類物質的氧化過程[10]。ROS是一種高活性超氧陰離子，在植物體中可以通過多種代謝途徑產生[10]。活性氧在正常情況下處于平衡狀態，一旦果蔬受到外界脅迫或機械損傷，平衡狀態被打破，活性氧會迅速累積，引起細胞內的活性氧代謝失調。ROS的大量累積會造成細胞膜脂的過氧化，加速褐變的發生。

3 多酚氧化酶的催化機制

PPO是一類能夠催化酚類物質氧化為醌類物質的酶。根據底物類型可分為酪氨酸酶、酚酶、兒茶酚氧化酶、兒茶酚酶、鄰-苯二酚氧化酶以及單酚氧化酶等[2]。PPO首先由核基因編碼成前體蛋白，然后通過N-末端轉運肽轉運到質體，并通過C-末端結構域水解后加工成為有活性的成熟肽。在有氧環境中，兒茶酚氧化酶的催化活性較高，一旦食物在加工貯藏過程中受損，膜結構遭到破壞，就會產生酶促褐變。兒茶酚可催化單酚羥基形成二酚，二酚進一步氧化形成醌類化合物，醌類化合物聚合形成黑色素[2]。PPO在植物體中廣泛分布，由核基因編碼，多基因控制，且在細胞質中合成，是位于質體膜上的一種酶[11]。PPO的Cu結合區是該酶的主要功能區，其他部分則對酶高級結構的形成和維持起作用。與多數酶類似，PPO通常以酶原形式存在，并無催化活性，其活性的產生依賴于酶高級結構的變化[7]。在酶促褐變中，PPO主要催化內源性酚類物質，在有氧的條件下催化單羥基酚氧化羥基化生成鄰位二羥基酚，再催化鄰位酚脫水成為醌類物質。醌類物質具有很高的活性，會進一步聚合或與氨基酸、蛋白質等物質發生氧化聚合反映，生成分子量更高的黑色素或褐色素[12]。

3.1 抗壞血酸對多酚氧化酶活性的影響

抗壞血酸可以作為螯合劑抑制酶促褐變的發生，還可作為還原劑將即將形成的醌還原為原底物（兒茶酚）。抗壞血酸對酶促褐變的抑制效果與其濃度有直接關系，隨著抗壞血酸濃度增加，PPO活性逐漸降低。崔明月等[13]對抗壞血酸在黃金杏的使用中發現，抗壞血酸濃度在40 mmol·L-1時對酶促褐變的抑制效果達到最強，對PPO的抑制更為敏感，可抑制黃金杏中70.41%的酶活。湯鳳霞等[14]對不同濃度抗壞血酸抑制芒果中PPO活性的試驗中發現，當抗壞血酸濃度為4 mmol·L-1時，PPO活力降至原來的一半，濃度增加到5 mmol·L-1時，PPO活力會降低至22%。研究表明，低濃度時抗壞血酸可作為競爭性抑制劑降低PPO活性，高濃度時抗壞血酸可直接減少黑色素或褐色素的形成[15]。

抗壞血酸不僅可以作為單一抗褐變劑，還可作為復合抑制劑使用。?ZO?LU等[16]在對比了單一抗褐變劑和復合抗褐變劑后發現，由0.49 mol·L-1抗壞血酸、0.42 mol·L-1半胱氨酸、0.05 mol·L-1肉桂酸組成的復合抑制劑能更好地抑制蘋果汁的褐變。抗壞血酸除了可以作為抗褐變劑外，還可以作為食品中補充維生素C的優質途徑，具有很高的食用安全性和營養價值。

3.2 L-半胱氨酸對多酚氧化酶活性的影響

目前學術界對于L-半胱氨酸的抑制機制仍存在一定爭議。部分學者認為L-半胱氨酸是通過形成半胱氨酸加合物來捕獲鄰醌，苯酚在半胱氨酸加合物中被完全降解但不形成顏色，巰基有助于清除自由基，因為巰基存在時，半胱氨酸可以作為自由基清除劑。其中比較主流的觀點認為，底物酚被氧化生成醌后不直接與其他醌類、氨基酸、蛋白質等結合成有色物質，而是直接與L-半胱氨酸結合形成競爭性抑制劑無色硫氫化合物，阻止了進一步的褐變反應。孔維寶等[17]在L-半胱氨酸抑制多酚氧化酶的研究中表明，L-半胱氨酸直接與醌結合生成無色的硫氫化合物。

研究表明，L-半胱氨酸的抑制效果會隨著濃度的增加而增強，但抑制效果不會隨處理時間的延長而增強[18]。崔明月等[13]在L-半胱氨酸抑制黃金杏褐變的研究中發現，10 mmol·L-1的L-半胱氨酸可抑制54.79%的PPO活性，推測其抑制機理可能與抗壞血酸有相似之處，即它們可以作為還原劑與醌類物質結合形成無色化合物，減少有色物質形成。ALI等[18]認為，L-半胱氨酸的作用效果與其濃度高低有關，在較高濃度下（≥1.0%），L-半胱氨酸可與醌類物質結合形成無色產物，而在較低濃度下，L-半胱氨酸則作為競爭性抑制劑。

3.3 檸檬酸對多酚氧化酶活性的影響

大多數果蔬中PPO的最適pH值為弱酸性或中性，檸檬酸類有機酸主要通過降低pH值抑制PPO的活性[7]。李濟權[19]研究表明，檸檬酸有效調節了荔枝的pH值，在pH值較低的酸性環境中，PPO失活較快，從而防止酶促褐變的產生。隨著檸檬酸濃度的升高，pH值逐漸下降，達到一定濃度后還可以進一步抑制反應，其原理是檸檬酸對PPO活性中心的銅離子有較強的抑制效果，活性中心受到破壞，PPO活性受到抑制。程立君等[20]研究表明檸檬酸在0.05 mol·L-1的濃度下對酶活性有較好的抑制效果，抑制率高達62.03%。在果蔬生產加工過程中，檸檬酸除了可以作為PPO的抑制劑，還有良好的固色作用，可以起到很好的美觀效果。張勝來等[21]在對蒲菜貯藏期間的護色實驗中發現，添加含有檸檬酸的復合護色劑后，食物顏色保持時間延長。

4 結語

國內外對褐變抑制劑進行了分類，對表現較好的抑制劑進行了深入研究。有些抑制劑不僅可以抑制褐變，還可以作為營養補充劑，如抗壞血酸，它對醌類物質具有還原作用，可防止醌類物質聚合生成有色物質，在抑制褐變的同時還有固色、補充維生素C等作用。因此，尋找安全、無害同時具有營養價值的褐變抑制劑具有十分重要的意義。目前，國外相關研究發現，生姜、辣椒、蜂蜜等天然提取物中有抑制多酚氧化酶的成分，天然提取物有更高的安全性和營養價值，目前國內對此研究較少，可作為今后深入研究的方向。有機酸類物質主要通過降低反應體系的pH值，使其遠離PPO的最適pH值，來實現對PPO活性的抑制，如檸檬酸等。L-半胱氨酸則可直接與醌類物質結合形成競爭性抑制劑無色硫氫化合物，阻止進一步褐變反應的發生。化學褐變抑制劑適用范圍較廣泛，發展較為成熟，應觀察不同褐變抑制劑在不同果蔬中的優缺點，為果蔬實際生產貯藏提供參考依據。

目前，許多化學褐變抑制劑對PPO的抑制效果都在生產實踐中得到了驗證，使用化學抗褐變劑的果蔬越來越多，但還有許多具有抗褐變效果的化學抑制劑未經開發使用，還需繼續擴展。在不同的褐變底物和使用濃度下，抗褐變劑的效果不盡相同，開發新型化學抗褐變劑和尋找更多褐變底物是科學家們研究的重點。化學褐變抑制劑是目前公認的抑制酶促褐變效果最佳的方式之一，其被證實能有效抑制PPO活性的增長，應在實際生產實踐中推廣使用。今后應對化學抑制劑展開更深入的研究，為抑制PPO引起的酶促褐變提供參考。

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基金項目：塔大校長基金創新研究團隊項目（TDZKCX202101）；南疆園藝研究中心科研條件建設（TDZKKY202204）。

作者簡介：劉文靜（1999—），女，河南許昌人，碩士。研究方向：果樹栽培與育種。

通信作者：郭眾仲（1991—），男，新疆伊犁人，博士。研究方向：果樹分子育種。E-mail：742560026@qq.com。