不同品種菊芋總酚含量、PPO活性、POD活性及其與褐變的關(guān)系

鞏慧玲 李善家 李志忠

（蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）俗稱洋姜、鬼子姜，原產(chǎn)于北美洲，是菊科向日葵屬的多年生草本植物，能形成地下塊莖的栽培種，染色體數(shù)2n=102。由于菊芋具有耐旱、耐寒、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、繁殖性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在我國(guó)南北各地均有栽培。菊芋塊莖營(yíng)養(yǎng)豐富，富含菊糖等果糖多聚物、葡萄糖、多種氨基酸和礦物質(zhì)元素，不僅可以鮮食、腌制、榨汁及直接加工為菊芋干、果脯和果醬等，而且經(jīng)過(guò)現(xiàn)代技術(shù)分離可得到菊芋粉、低聚果糖和高果糖漿，國(guó)際上已公認(rèn)其具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用，開發(fā)利用前景非常廣闊（王鳳 等，2008；劉丹梅 等，2009）。然而，菊芋在加工過(guò)程中極易發(fā)生褐變，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的商品價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值（李璟琦，2008）。

近幾十年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)植物的褐變進(jìn)行了深入廣泛的研究，普遍認(rèn)為植物褐變的主要原因是氧化酶類（主要包括多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶，即polyphenol oxidase和peroxidase，簡(jiǎn)稱PPO和POD）作用于天然底物酚類物質(zhì)所引起的（沈金玉 等，2005；李璟琦，2008；Chisari et al.，2008）。在正常發(fā)育的植物組織中，底物、氧、PPO同時(shí)存在并不發(fā)生褐化，因?yàn)樵谡＝M織細(xì)胞內(nèi)多酚類物質(zhì)分布在液泡中，酶分布在各種質(zhì)體和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，這種區(qū)域性分布使底物與多酚類物質(zhì)不能接觸，因而避免了正常組織中酶促褐變的發(fā)生，更主要的是由于酚類物質(zhì)在正常的植物組織中作為呼吸傳遞體參與了呼吸代謝作用，酚與醌之間的氧化還原呈動(dòng)態(tài)平衡；而當(dāng)植物組織細(xì)胞受到破壞后（衰老、加工過(guò)程中），正常的呼吸鏈被打斷，氧氣的侵入造成酚類物質(zhì)在氧化酶的作用下迅速氧化成鄰醌，轉(zhuǎn)而又通過(guò)快速的非酶聚合作用形成褐色素或黑色素（Mayer，2006）。李璟琦（2008）研究了菊芋塊莖不同部位的褐變強(qiáng)度及PPO活性，發(fā)現(xiàn)菊芋塊莖中褐變強(qiáng)度與PPO活性呈正相關(guān)；劉樹文等（1998）研究了菊芋PPO的一些酶學(xué)特性，但不同品種間PPO、POD、總酚與褐變的研究鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)選用5個(gè)菊芋品種，研究不同品種PPO活性、POD活性、總酚含量與褐變強(qiáng)度的關(guān)系，以期為菊芋食品加工中選擇適宜的菊芋品種、防止褐變提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用5個(gè)菊芋品種，其中青海的青芋2號(hào)、北京菊芋7號(hào)和甘肅定西品種為3個(gè)北方品種，南芋1號(hào)和江蘇地方品種為2個(gè)南方品種。5個(gè)品種分別收集自原產(chǎn)地，于2008年11月種植于甘肅省榆中縣夏官營(yíng)鎮(zhèn)蘭州大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每小區(qū)30株。翌年開春后（3月底），噴灌澆水，整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)不再進(jìn)行灌水，拔節(jié)期中耕除草1次。9月中旬～10月初植株開花，11月初莖稈開始干枯后收獲塊莖，小區(qū)塊莖混合貯于4 ℃冷庫(kù)備用。

1.2 方法

1.2.1 總酚含量測(cè)定 隨機(jī)選取已貯藏20 d的菊芋塊莖3個(gè)，用打孔器均勻打取12份圓柱狀塊莖，去皮、切成小片后混勻，準(zhǔn)確稱取0.5 g菊芋鮮樣，參考安佰義和趙飛（2005）的方法測(cè)定總酚含量。以鄰苯二酚作標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算樣品中總酚的毫克數(shù)。

1.2.2 PPO、POD活性和褐變強(qiáng)度的測(cè)定 稱取待測(cè)樣品2 g（取樣方法同1.2.1），加入6 mL預(yù)冷的磷酸緩沖液（0.05 mol·L-1，pH 7.0），冰浴研磨成勻漿，4 ℃、10000×g離心20 min，上清液即為粗酶液，用于PPO、POD活性和褐變強(qiáng)度的測(cè)定。

參考蔣益虹（2003）的方法，以鄰苯二酚溶液為底物，采用分光光度法測(cè)定PPO活性；以愈創(chuàng)木酚和 H2O2溶液為底物，采用分光光度法測(cè)定 POD活性。兩種酶的活性均以每分鐘相應(yīng)波長(zhǎng)下吸光度變化0.01規(guī)定為一個(gè)酶活力單位（U）。

褐變強(qiáng)度的測(cè)定參考Cheng和Crisosto（1995）的方法略有改動(dòng)，將粗酶液稀釋3倍后于25℃水浴中保溫15 min，采用美國(guó)瓦利安公司生產(chǎn)的Varian Cary 50型紫外/可見分光光度計(jì)，在420 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度A，結(jié)果以A420表示褐變強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種菊芋總酚含量的比較

酚類物質(zhì)是植物組織酶促褐變的主要底物。如圖1所示，不同品種間總酚含量有顯著差異，南芋 1號(hào)的總酚含量最小，為 666 μg·g-1（FW）；江蘇地方品種、青芋 2號(hào)和甘肅定西品種 3個(gè)品種間的總酚含量無(wú)顯著差異，均高于南芋1號(hào)22 %左右。北京菊芋7號(hào)的總酚含量最大，為1554 μg·g-1（FW），比其他品種高88 %～133 %。北京菊芋7號(hào)呈棒狀，表皮紫色，皮厚，而其他4個(gè)品種呈不規(guī)則瘤形，表皮淡黃色至淡黃褐色不等，皮薄。由此表明，菊芋次生代謝物質(zhì)多酚的產(chǎn)生量可能與其形態(tài)特性有一定的聯(lián)系。

2.2 不同品種菊芋PPO活性的比較

PPO通常被認(rèn)為是引起果蔬產(chǎn)品采后和加工中褐變最重要的酶類。不同菊芋品種間PPO活性差異顯著，3個(gè)北方品種的PPO活性均顯著大于2個(gè)南方品種（圖 2），其中北方品種青芋2號(hào)PPO活性最大，為8.6 U·g-1（FW），其次是甘肅定西品種和北京菊芋7號(hào)，二者之間差異不顯著；而2個(gè)南方品種PPO活性最小，二者之間差異不顯著，均是4.8 U·g-1（FW），比青芋2號(hào)低44 %。

圖1 不同品種菊芋的總酚含量

圖2 不同品種菊芋的PPO活性

2.3 不同品種菊芋POD活性的比較

POD也是引起酶促褐變的一個(gè)主要酶類（Chisari et al.，2008）。如圖3所示，不同菊芋品種間 POD活性有較大差異，與 PPO活性類似，也表現(xiàn)為北方品種顯著高于南方品種，其中青芋2號(hào)和甘肅定西品種POD活性均為10.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7號(hào)高46 %；南芋1號(hào)和江蘇地方品種POD活性分別是6.1 U·g-1（FW）和5.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7號(hào)低22 %。

2.4 不同品種菊芋褐變強(qiáng)度的比較

如圖4所示，不同菊芋品種間褐變強(qiáng)度的差異達(dá)顯著水平，同PPO、POD活性類似，也表現(xiàn)為北方品種的褐變強(qiáng)度顯著高于南方品種，其中北方品種北京菊芋7號(hào)和青芋2號(hào)的褐變強(qiáng)度較大，二者差異不顯著，其次是另一北方品種甘肅定西品種，褐變強(qiáng)度為 0.23；2個(gè)南方品種的褐變強(qiáng)度差異不顯著，均比甘肅定西品種低23 %左右。

圖3 不同品種菊芋的POD活性

圖4 不同品種菊芋的褐變強(qiáng)度

2.5 不同品種菊芋褐變的相關(guān)性及主成分分析

本試驗(yàn)采用的5個(gè)菊芋品種中，北方品種的總酚含量、PPO活性、POD活性和褐變強(qiáng)度均大于南方品種，相關(guān)分析表明，5個(gè)品種間總酚含量、PPO活性、POD活性與褐變強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)r分別是0.722、0.790和0.537，進(jìn)一步顯著分析表明，這種相關(guān)性均不顯著。但去除唯一一個(gè)外形呈棒狀、表皮紫色的品種北京菊芋7號(hào)，對(duì)其他4個(gè)外形呈不規(guī)則瘤形、表皮淡黃色至淡黃褐色的品種（青芋2號(hào)、甘肅定西品種、南芋1號(hào)和江蘇地方品種）進(jìn)行相關(guān)分析表明，PPO活性與褐變強(qiáng)度之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.982，而POD活性、總酚含量與褐變強(qiáng)度之間相關(guān)性不顯著。

對(duì)不同菊芋品種PPO活性、POD活性和總酚含量進(jìn)行主成分分析，由表1可以看出，前 2個(gè)主成分特征值的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到98.532 %，因此提取的 2個(gè)主成分可以概括菊芋褐變的信息。在第1主成分中，PPO、POD活性貢獻(xiàn)值均較大，在第2主成分中，總酚含量的貢獻(xiàn)值最大（表 2）。由此表明，PPO活性、POD活性和總酚含量這3個(gè)變量共同影響菊芋的褐變。

表1 不同菊芋品種褐變的主成分分析

表2 不同菊芋品種褐變的主成分矩陣

3 結(jié)論與討論

褐變是植物組織中普遍存在的一種生理現(xiàn)象，通常認(rèn)為是酚類物質(zhì)的酶促氧化所致（Tom á s-Barbe rá n & Esp í n，2001；沈金玉 等，2005）。絲瓜、百合、萵苣和石榴等許多果蔬的褐變強(qiáng)度與PPO、POD活性和酚類化合物含量的相互關(guān)系已有較多報(bào)道（Tomás-Barberán & Esp í n，2001；蔣益虹，2003；Degl’Innocenti et al.，2005；Zhang & Zhang，2008；黃樹蘋 等，2009），對(duì)菊芋褐變的研究?jī)H見到PPO活性的相關(guān)研究。本試驗(yàn)中，對(duì)褐變相關(guān)的3個(gè)因素即PPO活性、POD活性和總酚含量的主成分分析表明，PPO活性、POD活性和總酚含量這3個(gè)因素共同影響菊芋的褐變，說(shuō)明菊芋的褐變是由氧化酶和酚類底物共同決定的。

本試驗(yàn)表明，不同菊芋品種間PPO活性、POD活性、總酚含量和褐變強(qiáng)度差異顯著，各指標(biāo)均是北方品種大于南方品種，但相關(guān)分析表明，引起褐變的氧化酶（PPO和POD）活性及底物（總酚）與褐變強(qiáng)度之間均無(wú)相關(guān)性，而去除唯一一個(gè)外形呈棒狀的品種，也是總酚含量最大的品種北京菊芋7號(hào)后，其他品種的PPO活性與褐變強(qiáng)度之間呈顯著正相關(guān)。分析其原因：雖然酶促褐變反應(yīng)是由氧化酶和酚類底物共同決定的，但不同品種的氧化酶活性和酚類底物的量（特別是酶的最適底物的量）均不同，這兩個(gè)因素中起主導(dǎo)作用的因素在不同品種中可能也是不同的，如在北京菊芋7號(hào)中，影響褐變的主導(dǎo)因素可能是酚類底物的量，而在其他品種中可能是PPO活性，加上本試驗(yàn)選用的菊芋品種數(shù)較少，從而影響了品種間PPO活性、POD活性、總酚含量和褐變強(qiáng)度的相關(guān)顯著性分析。Amiot等（1995）研究發(fā)現(xiàn)，梨對(duì)褐變的敏感程度與品種有關(guān)，對(duì)有些品種而言，總酚含量越高就越容易發(fā)生褐變；畢陽(yáng)等（2002）對(duì)梨果皮的褐變研究中發(fā)現(xiàn)蘋果梨、鴨梨和冬果梨總酚含量與褐變強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)較大，而各個(gè)品種PPO活性與褐變強(qiáng)度之間的相關(guān)性很低。此外，苯丙氨酸解氨酶也參與酚類的代謝轉(zhuǎn)化，膜脂的過(guò)氧化作用也與褐化密切相關(guān)，這幾方面因素對(duì)菊芋褐變的影響有待于進(jìn)一步研究。

較多的研究表明，多酚、PPO和POD除了可引起植物組織褐變以外，植物在遭受逆境脅迫特別是受低溫脅迫或病蟲害侵染時(shí)，多酚含量、PPO和POD活性有不同程度的升高，因而這些物質(zhì)可以作為植物抗寒性和抗病性的指標(biāo)之一（冷平 等，2001；蔡傳杰 等，2003；江萍和孫向東，2004）。本試驗(yàn)中，3個(gè)北方菊芋品種的多酚含量、PPO和POD活性均大于南方品種，這可能預(yù)示北方品種可能比南方品種具有更強(qiáng)的抗逆性。

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