蘋果汁褐變控制技術(shù)研究進展

梁亞男，葉發(fā)銀，雷琳，趙國華,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400175)

褐變(browning)是食品加工過程中常發(fā)生的重要變化之一，根據(jù)其機制可分為酶促褐變與非酶褐變。前者常通過多酚氧化酶、過氧化物酶、抗壞血酸氧化酶等對食品中多酚和抗壞血酸氧化而導致，后者主要包括Maillard反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)等[1]。褐變與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系因產(chǎn)品不同而異，如焙烤食品需要發(fā)生一定程度的褐變，而褐變對果汁、果醬等產(chǎn)品的消費者接受性有不利的影響[2]。蘋果汁是蘋果的主要加工產(chǎn)品之一。據(jù)FAO統(tǒng)計，2014年全球蘋果產(chǎn)量約為8 463萬t,中國是世界蘋果生產(chǎn)大國，其種植面積與產(chǎn)量均居世界第一。事實表明褐變是影響蘋果汁品質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此褐變的研究對蘋果汁質(zhì)量保障具有重要意義。研究表明，蘋果汁褐變包括酶促褐變與非酶褐變，且發(fā)生的階段不同[3]。也有大量關(guān)于蘋果汁褐變控制的研究，且取得了很好的進展。本文在查閱近10年有關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對蘋果汁褐變的機理和控制的方法技術(shù)進行文獻綜述。

1　蘋果汁褐變機理

按照發(fā)生機制，蘋果汁的褐變分為酶促褐變和非酶褐變，其中酶促褐變是主要機制[4]。酶促褐變主要發(fā)生在蘋果汁生產(chǎn)的前端工序，如破碎、榨汁、過濾等階段，而非酶褐變主要發(fā)生在殺菌、濃縮及后期貯藏過程中[3]。

1.1　酶促褐變

雖然多酚氧化酶(EC 1.14.18.1，EC 1.10.3.1)[4-6]、過氧化物酶和抗壞血酸氧化酶都可能催化食品酶促褐變反應(yīng)，但目前研究一致認為蘋果汁的酶促褐變主要是由多酚氧化酶催化所致。多酚底物、氧氣以及多酚氧化酶是該酶促褐變的3要素[7]。多酚氧化酶誘導的酶促褐變的機制主要包括3步[8]：(1)一元酚鄰位羥基化形成鄰二酚；(2)鄰二酚氧化成鄰苯二醌；(3)醌類自身聚合或與食品其他成分(氨基酸、蛋白質(zhì)等)聚合形成黑色素[9-10]。蘋果多酚氧化酶是一種含銅金屬蛋白，其催化特性與來源有很大關(guān)系[8](表1)。由表1可見蘋果中PPO的適宜催化溫度和催化pH值分別為28～45 ℃和4.0～6.6。蘋果汁中發(fā)生酶促褐變的多酚底物主要包括綠原酸、兒茶素和表兒茶素[11]。圖1為3種酚類物質(zhì)酶促褐變反應(yīng)式。3種物質(zhì)在不同品種中含量不同，綠原酸含量為1.39～281.66 μg/g，兒茶素含量為4.65～31.00 μg/g，表兒茶素含量為18.86～413.94 μg/g[12]。研究發(fā)現(xiàn)，體系pH值、VC含量、總酚含量、單寧含量、多酚氧化酶活性是影響蘋果汁酶促褐變的主要因素，其影響力強弱順序為pH>PPO酶活性>單寧含量>VC含量>總酚含量。其中蘋果汁pH值、PPO活性與褐變呈正相關(guān)，而VC含量、總酚含量和單寧含量與褐變呈負相關(guān)[7]。

圖1　蘋果中酚類物質(zhì)的酶促褐變反應(yīng)式Fig.1　Enzymatic browning reaction equations of phenolicin apple

1.2　非酶褐變

非酶褐變包括美拉德(Maillard)反應(yīng)、酚類物質(zhì)氧化變色、焦糖化褐變和抗壞血酸氧化褐變等幾種類型[20]。其中，發(fā)生在α-氨基酸和還原糖之間的Maillard反應(yīng)是蘋果汁非酶褐變的核心機制[21]，其反應(yīng)強度主要受到以下因素影響：加熱溫度、加熱時間、水分含量、還原糖含量、氨基酸含量、貯藏溫度和貯藏時間等。其中，加熱溫度、加熱時間、還原糖含量、氨基酸含量、貯藏溫度和貯藏時間與褐變呈正相關(guān)，而水分含量與褐變的關(guān)系較為復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)水分含量越高，褐變越劇烈，但過高的水分含量會稀釋反應(yīng)物，使反應(yīng)速率下降[22]。還原糖和氨基酸是美拉德反應(yīng)的2個主要反應(yīng)物，在一定條件下，兩者的濃度越高越容易發(fā)生非酶促褐變。蘋果中主要的可溶性糖有果糖、蔗糖、葡萄糖和山梨醇，在蘋果中占總糖含量為:44%～53%，19%～44%，6%～26%和3%～10%[23]，其中葡萄糖是參與美拉德反應(yīng)的主要還原糖；含量較高的氨基酸有天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酸、和異亮氨酸等，其含量分別為19～85，5～15，2～10和1～8 μg/g[24]。

表1　不同品種蘋果PPO的最適催化條件及熱穩(wěn)定性Table 1　Optimum catalytic conditions and thermal stability of PPO in different varieties of apple

2　蘋果汁褐變控制技術(shù)

由于蘋果汁的褐變主要是酶促褐變，因此，目前開發(fā)的有關(guān)褐變控制技術(shù)也基本是抑制酶促褐變反應(yīng)。按操作方式機制的不同褐變控制技術(shù)可主要分為物理控制、化學控制和生物控制3種類型。

2.1　蘋果汁褐變的物理控制技術(shù)

所有蘋果汁褐變物理控制技術(shù)的基本原理是利用不同的物理手段使多酚酶促氧化關(guān)鍵要素(多酚氧化酶、多酚和氧氣)缺失從而達到抑制褐變的目的。常見的物理控制手段包括鈍化催化褐變反應(yīng)的多酚氧化酶、脫除多酚氧化酶的底物、降低蘋果汁中的氧氣以及脫除已經(jīng)形成的深色物質(zhì)等[39]。表2列舉了蘋果汁生產(chǎn)過程中控制褐變的物理技術(shù)。

表2中所列舉的物理控制從作用機制上可分為3大類：鈍化多酚氧化酶、控制生產(chǎn)過程中氧氣含量及吸附蘋果汁中褐色物質(zhì)和多酚。其中熱處理是用于穩(wěn)定食品的最廣泛的方法，具有破壞微生物和滅活酶的能力，VALDERRAMA等[40]在75 ℃處理10 min后獲得蘋果PPO的完全失活。在55 ℃下60 min，渾濁蘋果汁中PPO活性的最大降低為27.9%[41]。但熱處理會導致熱敏營養(yǎng)物的破壞，維生素，風味，顏色，質(zhì)地，碳水化合物和其他水溶性成分的損失[2]。因此，非熱處理技術(shù)控制褐變對果汁工業(yè)的發(fā)展有重要作用。近年來，超聲處理、脈沖處理、高壓二氧化碳處理、超高壓處理等非熱處理技術(shù)正逐步發(fā)展。超聲結(jié)合熱處理可以顯著降低蘋果中PPO的活性[25]，但超聲會引起新鮮蘋果汁中總酚、黃酮和綠原酸的含量降低，同時降低了蘋果汁的抗氧化活性[27]這與ABID[42]等的研究結(jié)果相符。

表2　蘋果汁褐變物理控制技術(shù)Table 2　Physical technology to control apple juice browning

注：DT-value：鈍化90%的PPO活性所需時間；NEBI:褐變指數(shù)；BI/BI0：給定存儲時間的褐變指數(shù)與初始褐變指數(shù)的比值；RA：PPO剩余活性；BD：褐變程度值；L*：亮度；HPP：高壓處理；HTST：超高溫瞬時滅菌；PEF：脈沖電場；PES：聚醚砜；PVP：聚乙烯吡咯烷酮。

除了單獨使用各項抗褐變技術(shù)，將各個技術(shù)結(jié)合起來或許更能提高處理效果。例如表2中提到的脈沖光結(jié)合超聲波，PE/PVP特制膜結(jié)合超濾，電滲析結(jié)合雙極膜結(jié)合溫熱處理。物理控制技術(shù)是常用的褐變抑制技術(shù)，它具有見效快、無污染的優(yōu)點，但能耗較高、部分技術(shù)對儀器設(shè)備的要求較高。

2.2　蘋果汁褐變的化學控制技術(shù)

當今果汁市場的發(fā)展趨勢限制了合成添加劑的使用，開發(fā)天然無害的褐變抑制劑成為工業(yè)發(fā)展和消費者的共同需求，表3列出一些褐變抑制劑或者天然產(chǎn)物提取物。

根據(jù)控制褐變的原理，可將酶促褐變抑制劑分為還原劑、抗氧化劑、螯合物、絡(luò)合物和酶抑制劑[4]。還原劑能和體系中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而清除氧氣，組織蘋果汁中酚類物質(zhì)被氧化；酶抑制劑能抑制多酚氧化酶的活性；絡(luò)合物和螯合物通過和多酚氧化酶的Cu2+結(jié)合使多酚氧化酶失去催化能力； 抗氧化劑可以清除引起果蔬褐變和衰老的活性氧自由基，抑制過氧化。亞硫酸鹽是傳統(tǒng)的褐變抑制劑。但因其易引起患有呼吸道疾病的個體出現(xiàn)過敏反應(yīng)而被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)禁用[54]。因此抑制褐變的亞硫酸鹽替代品對飲料工業(yè)的發(fā)展有重要意義。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多天然產(chǎn)物表現(xiàn)出令人滿意的抑制褐變活性。如表3中列舉的各類褐變抑制劑。除亞硫酸鹽替代品之外，還有其他天然化合物已被證實對蘋果汁的褐變有抑制效果。如表3中所示的洋蔥、蜂蜜、橙皮和麥麩等都對蘋果汁或其他蘋果制品的褐變有抑制效果。

化學技術(shù)抑制蘋果汁褐變主要是利用添加劑的作用。這種技術(shù)的優(yōu)點是見效快、成本低、能耗低且種類豐富，其缺點是這些添加劑可能對蘋果汁顏色和風味產(chǎn)生影響。若是改變了原有的產(chǎn)品特性則應(yīng)慎重使用。之后的研究可探究出這些天然產(chǎn)物抑制褐變的功能成分，將功能成分提取出來制成一種天然的食品添加劑應(yīng)用于食品工業(yè)中。

表3　抑制蘋果汁褐變的化學添加劑Table 3　Chemical additives that inhibit browning of apple juice

注：RA：PPO剩余活性；L*：蘋果汁的亮度值；IC50(g/L)：達到PPO抑制程度半數(shù)最大值所需的抑制劑濃度；OD420：蘋果汁在420 nm處吸光度；Kc：麥芽糖基-β-環(huán)糊精與蘋果汁中酚類物質(zhì)的絡(luò)合常數(shù)。

2.3　蘋果汁褐變的生物控制技術(shù)

除物理控制技術(shù)及化學控制技術(shù)控制蘋果汁褐變之外，生物控制技術(shù)因控制效果好、不會對蘋果汁本身的特性造成影響而逐漸成為研究熱點。目前抑制蘋果汁褐變的生物技術(shù)有蛋白酶的抑制作用、基因工程技術(shù)和乳酸菌代謝產(chǎn)物等。PARPINELLO等[9]研究了商業(yè)葡萄糖氧化酶-過氧化氫酶系統(tǒng)(GOX)在蘋果泥保存期間對氧的去除和褐變控制效果。結(jié)果顯示，GOX能將蘋果泥中的溶解氧含量降低至低水平(去除99%氧)，并且顯示出控制非酶促褐變的能力。除在加工過程中脫除蘋果中溶解氧和酶底物之外，選用不易發(fā)生酶促褐變的蘋果品種作為加工原料是一種很好的防止蘋果制品發(fā)生酶促褐變的方法。一些研究計劃試圖利用常規(guī)育種和基因工程的方法培育出低酶促褐變的蘋果栽培品種[55]。例如反義RNA和基因沉默技術(shù)，已被研究作為開發(fā)具有抗褐變性質(zhì)的新基因型的手段。SuperMac，SJCA16和EdenTM是開發(fā)的蘋果基因型中的一部分。具有抗褐變性質(zhì)的新蘋果基因型有利于市場對增值產(chǎn)品開發(fā)的需求不斷增長，同時通過減少使用抗褐變化學處理劑而使加工成本最小化。谷云等[56]從豌豆發(fā)酵液中篩選到5株可以抑制蓮藕褐變的乳酸菌。乳酸菌代謝產(chǎn)生的酸、醇、酮、過氧化氫等物質(zhì)有較強的抗氧化性和絡(luò)合金屬離子的能力，能在一定程度上抑制褐變。

2.4　褐變控制技術(shù)在蘋果汁加工各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用情況

縱覽蘋果汁的生產(chǎn)工藝(圖2)，其在不同工藝環(huán)節(jié)上褐變的主要類型也不盡相同。章金英[57]認為在破碎和壓榨過程中主要為酶促褐變，而在巴氏殺菌過程和后續(xù)的貯藏過程主要為非酶褐變(美拉德反應(yīng))。上述各類方法抑制褐變的機制其在蘋果汁不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的適用性各不一樣，有些方法甚至只能用于特定的環(huán)節(jié)。圖2給出了這些方法在蘋果汁加工特定工藝的應(yīng)用情況。上述論述的是單一方法對蘋果汁褐變的控制效果，在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)具體的產(chǎn)品要求和生產(chǎn)條件靈活選擇褐變控制技術(shù)，可使用單一技術(shù)控制褐變或者將多種技術(shù)結(jié)合來抑制蘋果汁褐變。

圖2　褐變控制技術(shù)在蘋果汁生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況Fig.2　The application of browning control technology in apple juice production

4　結(jié)語

近年來，對于蘋果汁褐變抑制的研究取得了巨大的成就。生產(chǎn)技術(shù)的改進、天然褐變抑制劑的開發(fā)和各類褐變抑制技術(shù)的組合使用都為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。就對蘋果汁褐變接下來的研究來看以下幾個方面亟待加強：(1)對蘋果汁非酶促褐變的機理的研究相對匱乏，包括發(fā)生非酶褐變的化學成分，條件等方面；(2)褐變抑制劑的安全性及對蘋果汁風味營養(yǎng)的影響需要進一步探索；(3)脫除原料中褐變底物方面的研究幾乎是空白的，這是有效控制加工過程中褐變程度的技術(shù)之一。

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