超聲處理鈍化鮮切蘋果多酚氧化酶動力學研究

楊明冠， 李 坤， 朱傳合

（山東農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

超聲處理鈍化鮮切蘋果多酚氧化酶動力學研究

楊明冠， 李 坤， 朱傳合*

（山東農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東泰安 271018）

研究了超聲處理對鮮切蘋果多酚氧化酶的鈍化效果，并采用一級動力學分析了超聲功率（240～600 W）、溫度（30～50℃）對鮮切蘋果多酚氧化酶的鈍化動力學影響。結果表明，鮮切蘋果多酚氧化酶的最適溫度是30℃，隨著熱處理時間的延長酶活逐漸下降。超聲功率、時間、溫度都能顯著影響鈍化多酚氧化酶的效果，隨著超聲功率的增加、時間的延長以及溫度的升高，超聲處理對鮮切蘋果多酚氧化酶的鈍化效應越大。蘋果多酚氧化酶的鈍化符合一級反應動力學模型，隨著功率和溫度的升高，k值上升，D值下降。超聲處理降低了多酚氧化酶的熱敏感性。

超聲處理；鮮切蘋果；多酚氧化酶；鈍化

鮮切蘋果（fresh-cut apple）指新鮮蘋果經分級、清洗、去皮、切分、保鮮以及包裝等處理，供消費者即食或餐飲業(yè)使用的一種新式蘋果加工產品［1］。鮮切蘋果因其方便、營養(yǎng)、衛(wèi)生，滿足現(xiàn)代快節(jié)奏的生活需求等特點，深受廣大消費者的喜愛［2］。

鮮切蘋果在加工過程中由于切割導致細胞破裂使得酚類物質與酚酶接觸，極易發(fā)生酶促褐變，從而嚴重影響鮮切蘋果的感官品質以及營養(yǎng)價值［3］。近年來很多學者研究報道了抑制鮮切果蔬酶促褐變的方法。傳統(tǒng)的方法有熱處理、亞硫酸鹽處理等［4-5］，但是熱處理的產品感官及營養(yǎng)價值普遍降低，且易被微生物污染。亞硫酸鹽等化學處理方法會使產品中有化學殘留，可能會降低食品食用的安全性。靜高壓、高密度二氧化碳法作為新興的方法，因其較窄的適用范圍、較高的費用等因素導致其無法廣泛應用［6-7］。多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）是一種含有輔因子Cu2+的酶，在酶促褐變過程中起主要作用，而超聲處理作為一種新興的非熱技術手段在鈍化酶的方面有著廣泛應用［8-9］。有研究報道超聲處理可以使三磷酸腺苷酶、過氧化氫酶活性下降［10-11］，超聲處理還可以抑制鮮切蘋果的酶促褐變，目前采用超聲處理對蘋果PPO的鈍化動力學方面的研究還未見報道。

本實驗以蘋果為試材，研究影響超聲鈍化鮮切蘋果PPO的因素，并且分析了超聲處理對鮮切蘋果PPO的鈍化動力學，旨在為超聲處理技術在鮮切蘋果加工業(yè)中對酶促褐變的抑制提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果購于泰安市水果批發(fā)市場，清洗、切塊后貯藏在4℃的冷庫中。鄰苯二酚、PVPP、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉均為分析純。

JA2002型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；TGL-18C-C型高速臺式冷凍離心機，上海安亭公司；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；KQ-600DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；DZKW-C型數(shù)顯恒溫水浴鍋，黃驊市卸甲綜合電器廠；UV-2102PC型紫外可見分光光度計，上海尤尼柯有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鮮切蘋果PPO粗酶液的制備

在4℃冰箱中備用的鮮切蘋果，取50 g果肉，加入預冷的pH值為5.2的磷酸鹽緩沖液75 mL（料液比為1.5 mL/g），并加入1 g PVPP（2%）用高速組織搗碎機勻漿，然后用4層紗布過濾，將濾液轉入離心管中，4℃、7000 r/min離心30 min，取上清液即得鮮切蘋果PPO的粗酶液。

1.2.2 超聲處理方法

30 ℃條件下，固定超聲波頻率40 kHz，超聲功率梯度240，300，360，420，480，540，600 W，處理蘋果PPO酶液60 min；固定超聲波頻率40 kHz，功率600 W，超聲處理酶液15，30，45，60，75，90 min，均以不做處理為對照研究其相對殘留酶活力。固定超聲頻率40 kHz，50℃條件下，功率分別為240，360，480，600 W；功率600 W，超聲波介質溫度分別為30，40，50℃，均處理90 min，并每15 min測定其相對殘留酶活力。

1.2.3 PPO酶活測定方法

采用紫外分光光度法測定PPO酶活力，具體參照Kumar等［12］的方法，略做修改。反應體系包括2.0 mL、pH值為5.2的磷酸鹽緩沖液，1.0 mL、0.2 mol/L的鄰苯二酚以及0.2 mL酶液，所加試劑均在30℃溫育15 min。加酶液后即刻計時，每20 s記錄A420值，連續(xù)記錄3 min，以不加酶液為對照，重復測定3次。酶活以單位毫升酶液1 min內A420值每增加0.001為一個活力單位。結果以相對殘留酶活力表示，見式（1）。

1.2.4 酶失活動力學模型

一級動力學模型常用于酶失活動力學分析，見式（2）［13］。

式（2）、（3）中，A為處理后的酶活力，U；A0為處理前的酶活力，U；t為處理時間，min；k為失活速率，min-1；D為指數(shù)遞減時間，min，即在指定的條件下，酶活性降低90%所需的時間。

式（4）中，ZT為D值對溫度的敏感性；T1、T2為D1和D2對應的溫度，℃。

溫度對酶鈍化反應的影響用Arrhenius公式分析，見式（5）。

式（5）中，活化能（Ea，kJ/mol）為溫度對反應常數(shù)k的影響；T2、T1分別對應k1和k2的絕對溫度；RT為常數(shù)，8.31 J/（mol·K）。

2 結果與分析

2.1 超聲功率對鮮切蘋果PPO活性的影響

30 ℃條件下，設置超聲頻率40 kHz，功率240，300，360，420，480，540，600 W，時間60 min，以不做超聲處理為對照測定PPO的殘留酶活，研究不同超聲功率對PPO酶活的影響，結果如圖1。

圖1 超聲處理功率對鮮切蘋果PPO酶活性的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment power on activity of fresh-cut apple PPO

由圖1可知，實驗過程中對照組PPO的酶活很穩(wěn)定，基本維持不變，而超聲處理可以顯著鈍化PPO酶活性，并且隨著超聲處理功率的增大酶活迅速降低。在240 W處理后PPO殘留酶活為91.55%，而經過600 W超聲處理后PPO殘留酶活為57.36%。這與文獻報道的隨著超聲功率的增加三磷酸腺苷酶、過氧化氫酶活性下降的結論相符合［10-11］。酶活性的高低取決于酶分子構象的合理程度，高強度的超聲處理會產生瞬態(tài)空化作用，產生高溫、高壓、高能量密度沖擊波、微射流等極端的物理作用［14］，而酶分子在強大的剪切力、沖擊波的作用下，分子結構被破壞，從而表現(xiàn)出酶活下降［15］。

2.2 超聲時間對鮮切蘋果PPO活性的影響

30 ℃條件下，設置超聲頻率40 kHz，功率600 W，時間為15，30，45，60，75，90 min，以不作超聲處理為對照測定PPO的殘留酶活，研究不同超聲處理時間對PPO酶活的影響，結果如圖2。

圖2 超聲處理時間對鮮切蘋果PPO酶活性的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on activity of fresh-cut apple PPO

由圖2可知，實驗過程中對照組PPO酶活基本維持不變，隨著超聲處理時間的延長，PPO酶活呈現(xiàn)出下降的趨勢。600 W超聲處理15 min后PPO酶活降幅較小，酶活殘留91.03%，而超聲處理90 min后PPO酶活降幅較大，酶活殘留為49.99%。一定時間范圍內，隨著超聲處理時間的延長PPO酶活迅速下降，此后繼續(xù)延長超聲時間酶活降速變緩，這說明超聲處理一定時間以后，繼續(xù)延長超聲處理時間對鮮切蘋果PPO酶活的影響較小。

2.3 溫度對鮮切蘋果PPO鈍化動力學的影響

鮮切蘋果PPO在不經超聲處理條件下，設置不同溫度條件（30，40，50℃）保溫90 min，每隔15 min測定PPO的酶活殘留，研究不同溫度熱處理對PPO酶活的影響，結果見表1。

表1 鮮切蘋果PPO酶經溫熱處理后的相對殘留酶活力Tab.1 Relative residual activity of from fresh-cut apple PPO after mild thermal treatment%

由表1可知，鮮切蘋果PPO最適宜溫度（30℃）條件下在保溫過程中酶活有輕微下降，在其他溫度處理下，隨著保溫時間的延長，蘋果PPO酶活性有明顯的下降。將表1中的數(shù)據(jù)帶入式（2）至式（5），估算出鮮切蘋果PPO在30，40，50℃處理下的D值，分別為4 640.54，438.83，237.89 min，并且可以推算出其ZT值為15.50℃，Ea值為121.73 kJ/mol。

2.4 超聲功率對鮮切蘋果PPO鈍化動力學的影響

在50℃條件下，設置超聲功率梯度（240，360，480，600 W）處理蘋果PPO酶液90 min，每隔15 min測定酶活性，其鈍化動力學如圖3。

圖3 鮮切蘋果PPO的超聲功率鈍化動力學Fig.3 Ultrasonic power induced inactivation kinetics of fresh-cut apple PPO

由圖3可知，50℃條件下，240～600 W，0～90 min的處理條件內，超聲功率鈍化鮮切蘋果PPO的反應能較好地擬合一級動力學模型（0.94＜R2＜0.99），將數(shù)據(jù)代入公式計算出了一級動力學模型的參數(shù)，結果見表2。

表2 超聲功率鈍化鮮切蘋果PPO的一級動力學參數(shù)Tab.2 Kinetic parameters of ultrasonic power induced inactivation of fresh-cut apple PPO

由表2可知，在鈍化鮮切蘋果PPO反應符合一級動力學模型的條件內，PPO酶的鈍化反應速率k隨著處理功率的增加而增大，相應的D值逐漸下降，說明功率的增加有利于加快PPO的失活。表1結果可知，50℃條件下D值為237.89 min，結合表2表明較低功率超聲處理PPO的過程中，對PPO的失活速率常數(shù)k起主要作用的是溫度，而高功率超聲處理PPO的過程中，對PPO的失活速率常數(shù)k起主要作用的是超聲功率。

2.5 超聲溫度對鮮切蘋果PPO鈍化動力學的影響

在超聲功率600 W條件下，設置超聲介質溫度梯度為30，40，50℃，處理鮮切蘋果PPO酶液90 min，每隔15 min測定酶活性，其鈍化動力學如圖4。

圖4 鮮切蘋果PPO的超聲溫度鈍化動力學Fig.4 Ultrasonic temperature induced inactivation kinetics of fresh-cut apple PPO

由圖4可知，600 W條件下，30～50℃，0～90 min時，超聲功率鈍化鮮切蘋果PPO的反應能很好地擬合一級動力學模型（0.97＜R2＜0.99），將數(shù)據(jù)代入式（2）、式（3），計算出一級動力學模型的參數(shù)，結果見表3。

表3 超聲溫度鈍化鮮切蘋果PPO的一級動力學參數(shù)Tab.3 Kinetic parameters of ultrasonic temperature induced inactivation of fresh-cut apple PPO

由表3可知，在鈍化鮮切蘋果PPO反應符合一級動力學模型的條件內，PPO酶的鈍化反應速率k隨著處理溫度的升高而增大，相應的D值逐漸下降，說明溫度的升高加速了PPO的失活。由表1結果可知，30，40，50℃處理下的D值分別為4 640.54，438.83，237.89 min。表3結果顯示，600 W功率超聲處理PPO大大提高了其失活速率常數(shù)k使得D值大幅度降低。這表明30～50℃、600 W條件下鈍化蘋果PPO的過程中，對PPO的失活速率常數(shù)k起主要作用的是超聲功率。

將表3中的數(shù)據(jù)代入式（4）、式（5），估算出不同溫度下超聲（600 W）處理鮮切蘋果PPO的ZT和Ea值。估算出Ea值為14.43 kJ/mol，通常認為，在同樣的處理條件下，Ea值越高表示反應對溫度的依賴性越大［16］，表明超聲處理鈍化蘋果PPO的過程對溫度的依賴性降低。估算出其ZT值為151.51℃。ZT值是表征酶對溫度鈍化敏感性的指標，這說明超聲處理能顯著降低鮮切蘋果PPO的熱敏感性。

3 結 論

1）超聲處理對鮮切蘋果PPO有顯著的鈍化作用。隨著超聲功率的增大、時間的延長，鈍化效應越明顯，30℃、600 W超聲處理90 min后鮮切蘋果PPO酶活殘留僅為49.99%。

2）鮮切蘋果PPO最適溫度是30℃，在不同處理溫度下隨著處理時間的延長，酶活有一定程度的下降。鮮切蘋果PPO在30，40，50℃條件下D值分別為4 640.54，438.83，237.89 min，并估算出ZT值為15.50℃，Ea值為121.73 kJ/mol。

3）一級反應動力學能較好地分析超聲處理對鮮切蘋果PPO的鈍化反應。超聲功率、溫度可以顯著影響鈍化效果，隨著功率和溫度的升高k值上升，D值下降。240～600 W超聲條件下D值分別為188.68，136.99，111.98，96.25 min，30，40，50℃條件下D值分別為126.58，119.05，93.46 min，并估算出其ZT值為151.51℃，Ea值為14.43 kJ/mol，可見超聲處理降低了鮮切蘋果PPO的熱敏感性。

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Inactivation Kinetics of Polyphenol Oxidase of Fresh-cut Apple by Ultrasonic Treatment

YANG Mingguan， LI Kun， ZHU Chuanhe*
（College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China）

The effects of ultrasonic treatment on inactivation of polyphenol oxidase（PPO）activity of fresh-cut apple were investigated，and inactivation kinetics of PPO was analyzed by using a first-order reaction kinetic under the following experimental conditions：ultrasonic power（240-600 W）and ultrasonic temperature（30-50℃）.The results indicated that the optimal temperature of PPO of fresh-cut apple was 30℃，and enzyme activity gradually decreased with the increasing heat treatment time.The inactivation of PPO could be significantly affected by the ultrasound of power，processing temperature，and processing time.With the increasing ultrasonic power，temperature and prolonged ultrasonic processing time，the inactivation of PPO became more significant.The inactivation of PPO was fitted well to the first-order reaction kinetic model under the experimental conditions.The k value raised and the D value decreased with the increasing ultrasonic power and processing temperature.Ultrasonic treatment reduced the thermal sensitivity of PPO.

ultrasonic treatment；fresh-cut apple；polyphenol oxidase；inactivation

葉紅波）

TS255.3

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.02.006

2095-6002（2015）02-0029-05

楊明冠，李坤，朱傳合.超聲處理鈍化鮮切蘋果多酚氧化酶動力學研究［J］.食品科學技術學報，2015，33（2）：29-33.

YANG Mingguan，LI Kun，ZHU Chuanhe.Inactivation kinetics of polyphenol oxidase of fresh-cut apple by ultrasonic treatment［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（2）：29-33.

2014-07-24

山東省自然科學基金資助項目（ZR2012CM038）；國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAK17B05）。

楊明冠，男，碩士研究生，研究方向為果蔬加工；

*朱傳合，男，副教授，博士，主要從事果蔬加工方面的研究。

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