食品中酶的微波鈍化技術(shù)研究進展

胡國洲，胡鵬，陳光靜，王輝，闞建全

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏重點實驗室，重慶，400715)3(農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室(重慶)，重慶，400715)

食品中含有大量的酶，有些酶會催化食品內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生不利的反應(yīng)，例如多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)、過氧化物酶(peroxidase，POD)等。迄今為止，傳統(tǒng)熱處理鈍化酶技術(shù)已成為一種使用最廣泛的鈍化酶方式之一［1］。但是劇烈的熱處理會導(dǎo)致食品中物質(zhì)發(fā)生物理或者化學(xué)變化，這就會損害食品的感官特性或改變?nèi)梭w對食品中的生物活性物質(zhì)的生物利用率［2－3］。因此，如何在生產(chǎn)中利用酶的特性，尋找一種最少處理方式(minimal processing)，既可以使食品在處理之后保持其新鮮的特性，又可以使食品具有改進的功能顯得尤為重要。微波作為一種新型的物理加工方式，具有無化學(xué)殘留、安全性高等優(yōu)點，近年來已成為果蔬保鮮、糧油貯藏等方面的研究熱點［4］。

1 食品中酶的種類與作用

食品中含有大量的內(nèi)源性酶，酶對食品的質(zhì)量具有正反兩方面的影響。在食品的加工、運輸、儲藏過程中應(yīng)合理利用酶的性質(zhì)，使酶對食品品質(zhì)產(chǎn)生有利的影響顯得十分關(guān)鍵。以下列舉幾種食品中常見的酶及其作用。例如，PPO和POD普遍存在于各種蔬菜和水果的器官和組織中，是引起組織酶促褐變，導(dǎo)致水果組織褐變，使蔬菜產(chǎn)生異味，降低食品品質(zhì)的主要原因［5］。POD被認為是食品中熱穩(wěn)定性最高的酶，常被用作熱燙效果或消毒等有效性的指標酶［6］。在油料植物的種子中，脂肪酶能夠?qū)е录Z油產(chǎn)品的酸敗，導(dǎo)致糧油產(chǎn)品的感官和功能特性的降低，而在干酪的生產(chǎn)中脂肪酶催化的適度水解會產(chǎn)生一種良好的風(fēng)味。果膠甲酯酶(pectin methylesterase，PME)普遍存在于植物和微生物體內(nèi)，與植物發(fā)育和果實的成熟有很大關(guān)系［7］。PME催化果膠水解會破壞和分離果汁中的果膠物質(zhì)，水果中的果膠酶也會導(dǎo)致水果的過度軟化，使產(chǎn)品的感官品質(zhì)降低，但是在果汁加工過程中適當?shù)拿杆庾饔脮黾訅褐漠a(chǎn)量，防止絮結(jié)，改善濃縮過程。

2 食品中酶鈍化的方法

2.1 傳統(tǒng)熱處理酶鈍化技術(shù)

目前，在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)熱處理酶鈍化技術(shù)已經(jīng)廣泛用于果汁加工、脫水處理和罐裝食品加工中［1］。在傳統(tǒng)熱處理方式中，能量是通過對流、傳導(dǎo)和輻射方式從物料表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，能量的傳遞呈梯度分布，這會導(dǎo)致物料的受熱不均，處理時間延長，能耗較大［8］。傳統(tǒng)酶鈍化處理主要包括高溫短時處理漂燙(60～100℃)、巴氏消毒處理(冷殺菌法)、沸水和蒸汽漂燙等［9］，其中高溫?zé)崞某杀鞠鄬^低，是一種最常見的熱處理鈍化酶方式。傳統(tǒng)熱處理酶鈍化技術(shù)處理都比較徹底，但耗時長、能耗大，而且高溫處理大大破壞食品原有的風(fēng)味及營養(yǎng)素，降低了食品的營養(yǎng)和經(jīng)濟價值［10］。

2.2 非熱處理酶鈍化技術(shù)

非熱加工技術(shù)包括高壓脈沖電場、脈沖磁場、超高壓、脈沖強光、超聲波、高能射線、膜分離等技術(shù)等，已經(jīng)成為了食品加工中新的研究熱點。近年來，高壓脈沖電場(pulsed electric fields，PEF)鈍化酶技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種食品工業(yè)中極具潛力和前景的非熱處理方式。目前，PEF處理技術(shù)已經(jīng)從實驗室研究階段發(fā)展為商業(yè)化試驗階段。由于PEF處理不需要直接接觸食品，因此可進行大規(guī)模的連續(xù)性生產(chǎn)，并且能有效地鈍化食品中的內(nèi)源性酶類［11］。

2.3 新型熱處理酶鈍化技術(shù)

新型熱處理技術(shù)包括電阻加熱、介質(zhì)加熱法(電介質(zhì)加熱法、微波加熱、高頻加熱)，這些加熱技術(shù)通常與傳統(tǒng)加熱處理方式結(jié)合使用。新型熱處理方式之間最大的不同是熱能在食品中的傳遞方式，例如，電阻加熱主要是利用食品物料自身電阻在電流作用下產(chǎn)熱升溫，該加熱方式是一種方便、快捷的加熱方式，比其它電熱技術(shù)對食品的加熱更均衡［12］。Yildiz等［13］研究顯示;與傳統(tǒng)熱處理相比，采用電阻性加熱方式處理的石榴汁中總酚含量和質(zhì)量指數(shù)并沒有顯著差異。關(guān)于電阻加熱鈍化酶技術(shù)的效果還有待進一步研究和探索。

微波加熱法是介質(zhì)加熱法中使用最為廣泛，其原理主要是利用電磁波穿透物料使分子振動產(chǎn)熱。微波鈍化酶技術(shù)具有多方面的優(yōu)點。首先，微波鈍化酶技術(shù)比傳統(tǒng)加熱方式的熱效率高，而且縮短了處理時間，不會破壞食品的品質(zhì)。其次，與傳統(tǒng)加熱設(shè)備相比，微波加熱設(shè)備占據(jù)空間較小，操作費用較低［14］。最后，在有效鈍化酶的基礎(chǔ)上，微波加熱能夠避免產(chǎn)品表面溫度過高，降低所需加熱溫度，所以更加節(jié)能［15］。微波鈍化酶技術(shù)不僅能有效地鈍化食品中酶，而且在一定條件下對食品的質(zhì)地、色澤、風(fēng)味、營養(yǎng)價值、微生物穩(wěn)定性、復(fù)水性等都具有正面影響。目前，關(guān)于食品中酶的微波鈍化技術(shù)報道較多，并且在工業(yè)化應(yīng)用中取得了良好的處理效果和經(jīng)濟效益［16］。

3 食品中酶的微波鈍化技術(shù)的原理與影響因素

3.1 微波鈍化酶技術(shù)的原理

在過去20年間，微波爐成為廚房中必不可少的加熱設(shè)備，主要原因是微波處理節(jié)能、省時［17］。微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，目前大多數(shù)商業(yè)微波設(shè)備的工作頻率為2 450 MHz。微波能量的傳遞是通過電磁場直接使物料分子的相互作用，而不是通過由表至內(nèi)的擴散作用，這就使微波處理物料時可使目標物料的加熱一致［8］。微波作為一種新穎的綠色、清潔的加熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其中也包括食品加工過程。

微波處理作為一種新興的鈍酶技術(shù)，在國內(nèi)外已有相關(guān)研究［8，16］，其作用機理主要是基于微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)是指微波作用于物料，使物料表里同時吸收微波能，溫度升高后使酶分子發(fā)生不可逆變性，導(dǎo)致失活，達到鈍化酶的目的。非熱效應(yīng)主要是與熱效應(yīng)相比而言，指在微波電磁場的作用下物料中酶的空間結(jié)構(gòu)被干擾和破壞，致使酶的分子結(jié)構(gòu)中氫鍵松弛、斷裂，使酶的親和力降低，最終導(dǎo)致酶活力下降［8］。

3.2 微波鈍化酶技術(shù)的影響因素

3.2.1 微波操作參數(shù)對酶活力的影響

在微波處理過程中，酶活力的影響因素主要與微波處理操作參數(shù)有關(guān)，如微波功率、微波頻率、處理時間等。大部分研究顯示酶的活力隨著微波功率和微波處理時間的增加而減少。例如，苦瓜中的POD在功率為160 W時其活性幾乎未下降，隨著微波功率的增加，POD的活性迅速降低，在微波功率為480 W處理后，POD活力殘留僅為12.0%;微波功率增加到800W時，POD已完全失活［18］。毛豆仁中的POD在600 W條件下，其活性隨著微波處理時間的增加逐漸降低，在90 s時POD殘留活力為1.2%［19］。Brewer等［20］研究蔬菜在不同微波功率水平(30%、55%、70%、100%)和不同處理時間(0、1、2、3、4 min)下的效果，結(jié)果顯示任意功率處理1 min可使POD活性降低，高功率(70%，100%)可大大增加滅活率。

3.2.2 微波鈍酶對不同酶的影響

微波處理酶的失活率與酶的種類也有關(guān)系。酶的耐熱性與穩(wěn)定性不同，在微波處理條件下的穩(wěn)定性也不同。Latorre等［21］發(fā)現(xiàn)紅甜菜在微波功率為200 W處理5 min后，其PPO和POD都被滅活90%(D值)以上，而且此過程中POD對微波處理有更強的抗性。Ceni等［22］發(fā)現(xiàn)使用一定功率微波處理馬黛茶30 s就可以使茶葉中的PPO完全滅活，而同功率處理120 s只能使其中的POD滅活60%。其中的原因可能與酶的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同酶的活性部位和空間結(jié)構(gòu)都不同，從而使得在相同操作條件和介質(zhì)條件下酶的失活程度也不一樣。Matsui等［4］研究微波處理椰子汁中PPO和POD動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示兩者有不同的D值和z值(PPO:D92.20℃=52 s，z=17.6℃;POD:D92.92℃=16 s，z=11.5 ℃)。

3.2.3 其他因素對微波鈍酶效果的影響

食品中的水分對微波鈍化酶處理的效果也有一定影響。極性水分子可作為微波傳遞的最好介質(zhì)，易吸收熱量使物料迅速升溫。微波處理鈍化毛豆仁中POD時發(fā)現(xiàn)，隨著料水比的增加，POD酶活力也隨之降低［19］。Qian等［23］發(fā)現(xiàn)在微波加熱鈍化酶過程中，水含量是抑制裸燕麥中脂肪酶活的關(guān)鍵因素，當含水量為13%～25%的裸燕麥經(jīng)微波處理25 s后，脂肪酶活性隨含水量增加而降低。

食品中的某些化學(xué)成分也會影響微波鈍化酶效果。例如，Matsui等［24］使用微波處理模擬椰汁中的POD和PPO，結(jié)果顯示模擬椰汁中的糖類對微波鈍化POD的影響明顯大于PPO(P＜0.05);酶介質(zhì)中的礦物質(zhì)也會顯著影響POD和PPO的穩(wěn)定性;微波加熱處理與鹽類的聯(lián)合作用會使模擬椰汁中POD和PPO完全鈍化。

食品的外觀形狀也會影響酶的鈍化效果。例如，微波處理香蕉時發(fā)現(xiàn)，香蕉片的表層溫度略低于里層溫度，形成的溫度梯度由內(nèi)向外，香蕉片內(nèi)層的POD鈍化效果較快，這種微波處理的熱效應(yīng)具有尖角集中性被稱為棱角效應(yīng)［25］。Zheng 等［26］在使用微波-沸水處理蘆筍的過程中發(fā)現(xiàn)，蘆筍中的POD的滅活率從蘆筍尖部至尾部逐漸增加，其中蘆筍尖的POD滅活的D值為520 s，而蘆筍尾部POD的D值為1 500 s。此外，微波干燥處理糧食時，物料的厚度也會影響微波處理酶的失活效果。

4 食品中酶的微波鈍化技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在糧油食品上的應(yīng)用

糧油制品是一類大宗性食品，一般都經(jīng)過加工處理之后儲藏。在傳統(tǒng)加熱處理中，食品內(nèi)部的各種酶類難以完全鈍化，從而導(dǎo)致糧油食品在儲藏過程中品質(zhì)下降。微波具有極強的穿透性，能將有效抑制糧油制品表面和內(nèi)部的各種酶，而使其保鮮期增加數(shù)倍。目前，微波處理糧油食品的應(yīng)用較多，例如，大豆、燕麥、米糠、面粉、菜籽等運用微波處理鈍化酶都取得較好效果。Kermasha等［27］研究使用傳統(tǒng)加熱方式與微波控制對商業(yè)大豆中脂肪氧合酶(lipoxygenase，LOX)的影響，結(jié)果顯示微波處理鈍化酶的速度更快，而且大豆LOX滅活率符合一級反應(yīng)動力學(xué)，他們把微波更高的滅活率歸于可能存在的微波非熱效應(yīng)。Chang等［28］運用微波處理糙米中的脂肪酶，糙米在微波處理后儲藏過程中的穩(wěn)定性增強，還發(fā)現(xiàn)微波功率、初始水含量、處理時間是酶滅活的關(guān)鍵因素;其中在最大微波功率時處理時間為80 s，糙米含水量為14.6%時可使脂肪酶的滅活達到最大。Rose等［29］比較了干熱處理、蒸汽處理和1000 W微波處理對全麥面粉中脂肪酶活性的影響，結(jié)果顯示以上條件下處理25 min，可使其中的脂肪酶分別下降74%、93%和96%。Qian等［23］也發(fā)現(xiàn)水蒸氣含量是影響微波加熱抑制裸燕麥中脂肪酶活力的關(guān)鍵因素，當裸燕麥含水量為11.1%，微波加熱45 s，可使裸燕麥中脂肪酶活力降低98～99%。吳本剛等［30］使用工業(yè)化連續(xù)微波技術(shù)處理米糠，得到的最佳參數(shù):處理厚度0.9 cm，處理時間4 min;在此工藝條件下，米糠每小時處理量為36 kg，通過后期儲藏檢測發(fā)現(xiàn)，微波處理可抑制米糠中脂肪酶和LOX活性，有效降低米糠的酸價和過氧化值，提高其儲藏性能。Owusuansah等［31］使用微波處理鈍化油菜籽中的黑芥子酶(myrosinase)，結(jié)果顯示微波功率與處理時間對酶的鈍化有顯著影響(P＜0.05)，而完全鈍化則取決于油菜籽的水含量。

4.2 在果蔬加工上應(yīng)用

果蔬品在采摘、運輸和加工過程中，由于果蔬內(nèi)源性的酶的作用，果蔬品會很快失去營養(yǎng)價值和市場價值。采用傳統(tǒng)熱處理酶鈍化技術(shù)會使果蔬品的其風(fēng)味和口感變差。利用微波處理既可以在短時間內(nèi)有效地酶鈍化，并且保持了果蔬的感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值。嚴啟梅等［32］使用微波處理鈍化杏鮑菇中POD，最適宜的鈍化條件為微波功率570 W，微波時間59 s，與沸水和蒸汽燙漂兩種傳統(tǒng)酶鈍化方式效果進行比較，微波處理的杏鮑菇游離氨基酸含量損失少，感官品質(zhì)佳。Latorre［21］研究紅甜菜中的POD時顯示，微波功率為100、150、200 W處理5 min可使紅甜菜中的POD活力逐漸減少，其中200 W可使POD滅活90%;當使用450 W和90℃微波處理時，得到POD滅火率-時間的模型符合半對數(shù)線性模型(R2≧0.84，α:0.05)，其中 POD 在450 W 的 D90℃=7 s，z值為39℃。

微波也可能用于果蔬中PPO的鈍化，使用微波在不同工藝條件下對蘋果、香蕉片加工，對PPO的鈍化程度取決于水果種類及加熱條件。Palma-Orozco等［33］使用微波處理蘋果時發(fā)現(xiàn)，其中最佳的微波處理強度為0.51 J/g或者937 W/165s，該條件可使PPO有效鈍化，而且?guī)缀醪粫淖児獾奈⒂^結(jié)構(gòu)、風(fēng)味和色澤。池建偉等［25］利用400 W的微波處理等質(zhì)量不同厚度香蕉片，PPO完全鈍化的時間為45 s，而且同功率微波條件下等質(zhì)量不同厚度香蕉片PPO的鈍化速度、效果相同。恒定功率條件下，上述兩種產(chǎn)品PPO活力降低與時間幾乎成線性關(guān)系，表明微波對PPO鈍化具有良好效果。

4.3 在液態(tài)食品上的應(yīng)用

微波處理鈍化液態(tài)食品中的酶可以增強其貨架期內(nèi)的穩(wěn)定性，并改善其感官特性。目前，大部分加熱處理會使液態(tài)食品的熱接觸面過熱暴露在過熱環(huán)境中，導(dǎo)致食品的風(fēng)味降低和營養(yǎng)物質(zhì)降解。微波鈍化酶技術(shù)根據(jù)不同原料使用不同工藝，可使食品中鈍化酶的效果達到最佳。微波鈍化酶技術(shù)已應(yīng)用牛奶加工、果汁加工、蔬菜汁等液態(tài)食品。Clare等［34］研究表明微波處理可使脫脂牛奶中的纖溶酶完全滅活，脫脂牛奶中巰基氧化酶活性在微波處理后雖有殘留，但在后期冷藏過程中逐漸降低;而且與高溫瞬時殺菌(UHT)牛奶相比，微波處理后的牛奶風(fēng)味和色澤更好。Tajchakavit等［35］研究了微波處理和傳統(tǒng)熱處理對橙汁中PME的D值(微波處理，D60℃=7.37 s;熱處理D60℃=154 s)，微波處理對PME鈍化明顯比熱處理快。Cinquanta等［36］研究微波鈍化橙汁中PME，結(jié)果顯示微波鈍化PME的z值為22.1℃，VC含量比經(jīng)過巴氏消毒處理的橙汁高。Cendres等［37］創(chuàng)新性地使用微波輔助加熱提取水果(洋李，杏子，葡萄)中果汁，結(jié)果顯示果汁中內(nèi)源性PPO在提取過程被鈍化，提取果汁顏色明亮，較好地保持水果原有風(fēng)味。周小理等［38］比較了熱水法、蒸汽法、微波法對菠菜汁護色處理，結(jié)果顯示微波法處理的菠菜汁中葉綠素的含量最高，而且處理時間較短。

4.4 其他方面的應(yīng)用

微波鈍化酶技術(shù)在綠茶加工中報道較多，研究顯示微波處理技術(shù)能夠有效地鈍化茶葉中的酶，與此同時還可以較好地保護其中的VC［39］，黃酮類物質(zhì)的流失［40］，還可以較好保持其風(fēng)味。同時微波處理花粉［41］、蜂蜜［42］，在一定條件下可以有效保護其中的營養(yǎng)成分，這些都是傳統(tǒng)加熱方式所無法比擬的。

5 食品中酶的微波鈍化技術(shù)的展望

微波處理對食品中一些酶的作用與傳統(tǒng)熱處理相比有著明顯的優(yōu)勢。但是，就目前應(yīng)用狀況而言，微波鈍化酶技術(shù)還存在一些問題需要解決。首先，微波鈍化酶技術(shù)中有一個重要的問題是非熱效應(yīng)的機理，還有非熱效應(yīng)對酶和其它物質(zhì)的影響機理。如果將微波中的非熱效應(yīng)機理清楚研究，這對微波鈍化酶技術(shù)的推廣以及微波協(xié)同其他技術(shù)鈍化酶技術(shù)的推廣具有重要的推動作用。再次，由于食品中含有多種酶系，酶在食品中的兩面性作用，在加工過程中保留有益酶，鈍化有害酶。因此，深入了解微波鈍化酶的機理以及酶鈍化動力學(xué)，采用最佳鈍化酶的操作方式顯得尤為關(guān)鍵。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對微波技術(shù)認識的不斷加深，酶的微波鈍化技術(shù)已經(jīng)正逐漸成熟完善。目前，大部分果蔬和糧油食品都是要經(jīng)過加工儲藏之后才能擺上消費者的餐桌，其中酶鈍化處理是很重要的處理程序，而果蔬和糧油食品的主要鈍化酶的方式是傳統(tǒng)加熱方式法。微波鈍化酶技術(shù)和傳統(tǒng)熱處理技術(shù)相比具有不可比擬的優(yōu)勢，因此微波鈍化酶技術(shù)在果蔬和糧油食品的加工儲藏中的應(yīng)用成為微波鈍化酶技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。此外，在果汁、奶制品、蔬菜汁以及茶葉加工中微波鈍化酶技術(shù)的應(yīng)用也呈現(xiàn)了新的發(fā)展勢頭。同時，微波鈍化酶技術(shù)與傳統(tǒng)熱處理技術(shù)和非熱處理技術(shù)的合理結(jié)合將顯著改善樣品在處理過程中的品質(zhì)，其在食品中酶的鈍化處理應(yīng)用將會大大提高食品中酶的鈍化效率。

微波熱處理食品中的酶具有高效、清潔、快捷等獨特優(yōu)勢，微波鈍化酶技術(shù)將會在食品工業(yè)領(lǐng)域擁有更加廣闊的前景。

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