棕色化反應(yīng)的理論與實(shí)踐

（甘肅省煙草公司隴南市公司，隴南 746000）

棕色化是指植物體由本色變?yōu)樽厣蛏詈稚倪^(guò)程。在自然界造成植物體棕色或深褐色的因素較多，有棕色化反應(yīng)、高溫碳化、焦糖化以及高濕條件下微生物參與的腐敗反應(yīng)等。一般所說(shuō)的棕色化是指棕色化反應(yīng)。長(zhǎng)期以來(lái)許多學(xué)者對(duì)棕色化反應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并將成果應(yīng)用到實(shí)踐中，為豐富人類(lèi)物質(zhì)生活做出了積極的貢獻(xiàn)。特別是在煙草的加工儲(chǔ)藏、茶葉制作、果蔬的加工儲(chǔ)藏、食品加工等方面具有重要作用。但由于棕色化反應(yīng)的復(fù)雜性，人類(lèi)對(duì)棕色化反應(yīng)的認(rèn)識(shí)還不全面，因此探尋棕色化反應(yīng)機(jī)理，尋找棕色化反應(yīng)發(fā)生的核心要素對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)棕色化反應(yīng)規(guī)律，人為定向調(diào)控棕色化反應(yīng)，造福人類(lèi)具有積極的意義。

1 棕色化反應(yīng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

棕色化反應(yīng)包括酶促棕色化反應(yīng)和非酶棕色化反應(yīng)兩類(lèi)。酶促棕色化反應(yīng)必須在多酚氧化酶（PPO）的催化作用下才能進(jìn)行。而酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對(duì)底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA，若酶分子變性或亞基解聚均可導(dǎo)致酶活性喪失。非酶棕色化反應(yīng)又稱(chēng)美拉德反應(yīng)，不需要酶的參與就可發(fā)生。

在果蔬加工儲(chǔ)藏過(guò)程中，農(nóng)產(chǎn)品的酶促褐變不僅影響產(chǎn)品外觀、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)和加工性能，尤其對(duì)肉色較淺且容易碰傷的水果和蔬菜影響更為嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失更大［1，2］。同時(shí)酶促褐變也是新鮮蔬菜如萵苣、土豆和果汁顏色變化，營(yíng)養(yǎng)和口感變劣的主要原因［3］。在煙葉的烘烤過(guò)程中酶促褐變不但造成煙葉掛灰、蒸片、黑糟，還使葉片破碎度加大、燃燒力減弱、香氣減少、雜氣增加，外在質(zhì)量與內(nèi)在品質(zhì)下降。在綠茶制作中酶促褐變以及儲(chǔ)藏中的美拉德反應(yīng)都會(huì)造成維生素C、茶多酚、咖啡堿、葉綠素含量下降，色澤、湯色、香氣質(zhì)變差。棕色化反應(yīng)也有有利的一面。紅茶是全發(fā)酵茶，PPO可以催化氧化兒茶素類(lèi)物質(zhì)形成茶黃素類(lèi)色素，茶黃素類(lèi)色素對(duì)紅茶色、香、味等品質(zhì)的形成具有關(guān)鍵作用。在制作速溶紅茶時(shí)，PPO可增加可溶性物質(zhì)的含量，提高制作率，減輕紅茶的苦澀味，提高速溶紅茶的風(fēng)味品質(zhì)［4，5］。普洱茶和煙葉在儲(chǔ)藏陳化過(guò)程中的美拉德反應(yīng)能夠減少雜氣，使香氣更濃郁［6］。食品加工中的美拉德反應(yīng)可以使烤制出的面包、烤肉等食品色香味俱佳，使蘋(píng)果酒、椰棗、葡萄干更香甜［7］。

1.1 酶促棕色化反應(yīng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在果蔬儲(chǔ)藏加工、茶葉制作、煙草加工等方面酶促棕色化反應(yīng)普遍發(fā)生。普遍認(rèn)為：酶促棕色化反應(yīng)主要是指綠色植物果實(shí)、塊莖、葉片細(xì)胞中含有多酚類(lèi)物質(zhì)，在細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)完整時(shí)多酚類(lèi)物質(zhì)、PPO、氧氣各處于一定的區(qū)隔，不容易接觸，很少發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)，而且在細(xì)胞處于生命活動(dòng)較旺盛狀態(tài)時(shí)，多酚類(lèi)物質(zhì)既進(jìn)行氧化作用又進(jìn)行還原作用，氧化還原反應(yīng)能夠保持平衡［8］。在煙葉烘烤中，當(dāng)由變黃階段轉(zhuǎn)入定色階段，葉組織逐漸死亡，細(xì)胞結(jié)構(gòu)開(kāi)始自溶和解體，細(xì)胞膜透性增大，使多酚類(lèi)物質(zhì)、氧氣可以自由進(jìn)出細(xì)胞組織，PPO、多酚類(lèi)物質(zhì)、氧氣很容易接觸，多酚類(lèi)物質(zhì)只能被氧化，很少被還原，使多酚類(lèi)物質(zhì)被迅速氧化成醌類(lèi)，醌聚合與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生黑色素沉淀。由于多酚類(lèi)物質(zhì)是構(gòu)成果蔬、煙葉、綠茶中香吃味的重要物質(zhì)，多酚類(lèi)物質(zhì)的含量與其品質(zhì)和芳香吃味是一致的，因而酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生會(huì)造成果蔬、煙葉、綠茶等經(jīng)濟(jì)作物質(zhì)量的下降。Johnson等人研究發(fā)現(xiàn)［9］，一旦煙葉顏色完全變褐，多酚類(lèi)物質(zhì)含量就會(huì)減少85%，煙葉的芳香吃味因此而變差，雜氣加重。在烤煙烘烤過(guò)程中煙葉酶促棕色化反應(yīng)往往發(fā)生于變黃時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或定色太晚的情況下，此時(shí)除具有良好的氧化條件外，也與糖分消耗過(guò)度，使葡萄糖提供氫將醌還原的能力降低有關(guān)，導(dǎo)致醌類(lèi)物質(zhì)積累、顏色變深。在晾曬煙調(diào)制過(guò)程中由于溫度較低，煙葉變黃變褐的時(shí)間較晚，一般在10～20 d，但其步驟是相同的，在變黃前一般不發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)。

1.1.1 影響酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生的內(nèi)部因素

影響酶促棕色化反應(yīng)的內(nèi)在因子有：植物細(xì)胞組織內(nèi)的多酚含量、細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)損壞程度、細(xì)胞組織的含水量、PPO活性。

（1）植物細(xì)胞組織內(nèi)多酚含量及變化。植物多酚廣泛分布于蔬菜、水果、豆類(lèi)、谷物類(lèi)、煙草、茶等植物中，以蘋(píng)果、香蕉、馬鈴薯、茄子、蓮藕、咖啡、煙草、茶葉中含量較高。據(jù)王巖等［10］研究，花牛蘋(píng)果果皮及果肉中多酚含量分別為11.31、1.63 mg/g，成熟蘋(píng)果中的多酚主要為綠原酸、兒茶素以及原花青素等。據(jù)趙霖等［11］研究，江西婺源縣3月份采摘的綠茶中多酚含量達(dá)228.22 mg/g。Johnson等［9］研究表明，煙葉中多酚類(lèi)物質(zhì)含量一般在1.8%～5.2%，煙葉中的多酚主要為咖啡酸、綠原酸、蕓香苷等。在不同生長(zhǎng)期多酚含量也發(fā)生著變化，柿果實(shí)在花后35～50 d達(dá)到最高水平［12］，隨后逐漸降低，煙葉葉片隨著葉齡的增加而增加，在葉齡70 d時(shí)達(dá)到峰值［13］。

（2）細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)損壞程度。在細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)完整的情況下，蘋(píng)果、馬鈴薯、煙草、茶葉等并不發(fā)生棕色化反應(yīng)，但在細(xì)胞組織死亡時(shí)，如蘋(píng)果、馬鈴薯切片，以及當(dāng)煙葉變黃后如溫度超過(guò)45℃，細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，細(xì)胞膜的選擇透性逐漸喪失，膜透性增大，將導(dǎo)致：一是原生質(zhì)大量外滲；二是氧自由進(jìn)入細(xì)胞組織；三是細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)與酶混雜在一起，從而導(dǎo)致酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生［14］。

（3）細(xì)胞組織含水量。細(xì)胞組織內(nèi)水分狀況決定著酶促棕色化反應(yīng)強(qiáng)弱，是酶促棕色化反應(yīng)能否發(fā)生的必要條件。一般認(rèn)為［15，16］，煙葉變黃末期，煙葉含水量大于原來(lái)含水量的50%，就為酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)，含水量小于原來(lái)含水量的50%，酶促棕色化反應(yīng)就很難發(fā)生。對(duì)于馬鈴薯、蘋(píng)果等含水量較多的塊莖和果實(shí)，干燥環(huán)境較濕潤(rùn)環(huán)境其酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生的強(qiáng)度較弱。

（4）PPO活性。PPO是一類(lèi)普遍存在于植物葉片、組織中，由核基因編碼，能與銅相結(jié)合的金屬蛋白酶［17］。PPO能催化鄰苯酚與氧結(jié)合生成鄰苯醌，一般植物幼嫩部分含量高。溫度是影響PPO活性的重要因素。溫度對(duì)PPO的活性主要產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：在適宜溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，PPO活性上升，但當(dāng)超過(guò)最適溫度后，隨著溫度的上升，PPO活性下降，同時(shí)伴隨著PPO濃度下降。即溫度對(duì)PPO活性和濃度具有雙重影響。孫榮［18］測(cè)定了鮮切蘋(píng)果在0、4、20、25℃儲(chǔ)藏條件下PPO活性，結(jié)果表明在20℃和25℃儲(chǔ)藏條件下PPO活性最高，在4℃儲(chǔ)藏條件下PPO活性最低。宋金隆等［19］對(duì)蘋(píng)果、鮮茶葉及馬鈴薯的對(duì)比研究表明：蘋(píng)果、鮮茶葉及馬鈴薯PPO的最適溫度分別為25、30、30℃。戴亞等［20］研究發(fā)現(xiàn)，PPO在20～50℃范圍內(nèi)保持著較高的活力，并且其活性均在40℃左右最高，在40℃以下PPO是相當(dāng)穩(wěn)定的，但當(dāng)溫度超過(guò)55℃時(shí)，易迅速鈍化失去活性。雷東鋒等［21］研究認(rèn)為，35℃時(shí)煙草PPO活性最高。韓富根等［22］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度在55℃以上時(shí)，PPO活性就會(huì)迅速下降，當(dāng)溫度超過(guò)75℃，5～7 s可使PPO鈍化?？傊疁囟炔煌?，PPO活性強(qiáng)弱不同，果蔬中PPO的最適溫度為常溫，但在煙葉烘烤中認(rèn)為PPO在溫度45～50℃，相對(duì)濕度60%以上時(shí)被活化，在溫度55℃，相對(duì)濕度60%以下時(shí)受到抑制。

1.1.2 影響酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生的外部因素

在正常情況下綠色植物果實(shí)、塊莖、葉片等很少發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)。當(dāng)儲(chǔ)藏時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或切開(kāi)，以及煙葉、綠茶等在烘烤炒制過(guò)程中技術(shù)操作不當(dāng)時(shí)，將會(huì)誘導(dǎo)酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生。在25℃下，蘋(píng)果、馬鈴薯、茄子等切開(kāi)后30 min即發(fā)生棕色化變褐。有研究發(fā)現(xiàn)，在烘烤環(huán)境溫度低于44℃時(shí)煙葉變褐速度極為緩慢，當(dāng)升高到57℃時(shí)，僅6 min棕色化反應(yīng)過(guò)程就可全部完成［9］。綠茶在炒制中首先要?dú)⑶?，要求殺青時(shí)葉溫達(dá)到80℃以上，目的是將PPO高溫鈍化，防止炒制過(guò)程中的變褐，而普洱茶殺青時(shí)葉溫不超過(guò)65℃，只是鈍化了部分活性酶，接下來(lái)的揉捻、曬青過(guò)程會(huì)發(fā)生酶促氧化和發(fā)酵反應(yīng)［23］。誘導(dǎo)植物細(xì)胞組織酶促棕色化反應(yīng)的外部因素有兩個(gè)：一是環(huán)境溫度，二是環(huán)境相對(duì)濕度。兩者結(jié)合影響植物細(xì)胞組織含水量和PPO活性，從而促進(jìn)或制約酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生。一般認(rèn)為；當(dāng)煙葉變黃后，如溫度超過(guò)44℃、相對(duì)濕度60%以上、煙葉失水量少于50%三個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)將導(dǎo)致酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生［16］。

1.1.3 對(duì)酶促棕色化反應(yīng)的調(diào)控

調(diào)控酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生主要有六個(gè)途徑。一是調(diào)控多酚類(lèi)物質(zhì)的含量。通過(guò)品種選育、合理的農(nóng)業(yè)栽培措施等，可以降低多酚類(lèi)物質(zhì)的含量。二是降低PPO的活性。如溫度調(diào)控，果蔬儲(chǔ)藏過(guò)程中的溫度設(shè)定在4℃、綠茶炒制中的高溫殺青使PPO鈍化，以及高壓、輻射和超聲處理等破壞酶促反應(yīng)賴(lài)以發(fā)生的生理生化環(huán)境，從而降低PPO活性。三是酸處理。韓富根［22］通過(guò)試驗(yàn)表明，酶促褐變最適宜的pH范圍在4～7之間，降低或提高介質(zhì)中的pH，可以控制PPO的活性，抑制其催化作用。四是酶抑制劑。李尼杭等研究指出，煙葉烤前用抑制劑處理能使多酚含量達(dá)到人們所要求的范圍。五是驅(qū)氧，造成缺氧環(huán)境。在果蔬的儲(chǔ)藏運(yùn)輸中充入二氧化碳可以抑制酶促褐變；在煙葉烘烤中降低房?jī)?nèi)氧氣濃度可有效減少棕色化反應(yīng)的發(fā)生。Watkins等［24］研究指出，煙葉烘烤過(guò)程中，當(dāng)氧氣濃度在0.01%時(shí)，酶促褐變基本上不會(huì)發(fā)生；當(dāng)氧氣濃度高于0.5%時(shí)，隨著氧氣濃度的增加，煙葉褐變程度逐漸加重。六是減少與金屬物接觸（鐵、銅）。鐵、銅等是PPO激活劑，能促進(jìn)褐變主要是因?yàn)殍F和銅能夠和酚類(lèi)化合物反應(yīng)形成褐色物質(zhì)，還能催化還原酮類(lèi)的氧化，這是用鐵刀切的蘋(píng)果、茄子易變褐的原因。在煙葉烘烤上普遍認(rèn)可的調(diào)控酶促棕色化反應(yīng)的方法是；煙葉基本變黃后，在溫度45℃以前，失水超過(guò)50%，進(jìn)入定色階段后，緩慢升溫，加快排濕，達(dá)到煙葉小卷筒，定色階段保持60%以下的相對(duì)濕度可以防止煙葉氧化變褐［14］。

1.2 美拉德化反應(yīng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

美拉德反應(yīng)是指氨基酸與糖類(lèi)之間的縮合反應(yīng)。它不需要酶的參與就可發(fā)生，是面包、煙葉、茶葉香氣成分形成的重要過(guò)程。在煙葉陳化過(guò)程中，美拉德反應(yīng)形成的阿馬杜里化合物占干重的2%～3%，一般認(rèn)為這些產(chǎn)物可以賦予煙葉特有的香氣。普遍認(rèn)為美拉德反應(yīng)是氨基酸與還原糖的羰基縮合，形成氨基糖經(jīng)阿馬杜里和海茵氏重排得到中間物，產(chǎn)生糖醛類(lèi)和還原酮類(lèi)或脫氧還原醛類(lèi)，并經(jīng)環(huán)化或裂解成各種香氣物質(zhì)。影響美拉德反應(yīng)的因素：一是pH值，pH值在7～11之間有利于美拉德反應(yīng)的發(fā)生；二是溫度，溫度越高反應(yīng)越快，低于80℃時(shí)反應(yīng)不明顯，當(dāng)高于100℃時(shí)反應(yīng)加快；三是糖，隨著糖濃度的增加反應(yīng)速度加快；四是金屬離子，二價(jià)鐵離子和二價(jià)銅離子存在的情況下，褐變速度加快；五是水分，水分在10%～15%時(shí)最易發(fā)生褐變；六是氧氣，氧氣充分時(shí)易發(fā)生褐變。美拉德反應(yīng)在生產(chǎn)生活中非常普遍。人類(lèi)利用美拉德反應(yīng)實(shí)例很多，如烤面包、烤肉、熏魚(yú)、紅酒釀制等，在紅燒肉制作過(guò)程中肉中的還原糖和氨基酸、肽、蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)形成風(fēng)味物質(zhì)，生成具有肉香味的化合物，色香味俱佳。在烤煙的復(fù)烤、晾曬煙的晾制、發(fā)酵及陳化、卷煙的烘焙、卷煙的燃吸以及普洱茶儲(chǔ)藏陳化中美拉德反應(yīng)能夠減少雜氣，使香氣更濃郁。

2 棕色化反應(yīng)認(rèn)識(shí)上存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，人們對(duì)棕色化反應(yīng)機(jī)理取得了一定認(rèn)識(shí)，但仍然不夠深入，特別是對(duì)酶促棕色化反應(yīng)的認(rèn)識(shí)存在許多問(wèn)題。一是對(duì)PPO活性溫度認(rèn)識(shí)有差距。如蘋(píng)果在25℃條件下PPO活性最高，在4℃儲(chǔ)藏條件下PPO活性最低，鮮茶葉、馬鈴薯PPO最適溫度為30℃。在煙草上，戴亞等［20］認(rèn)為40℃左右PPO活性最高，而雷東鋒等［21］等認(rèn)為35℃時(shí)PPO活性最高，但在此溫度范圍內(nèi)一般并不發(fā)生棕色化反應(yīng)。韓富根等［22］認(rèn)為，當(dāng)溫度在55℃以上時(shí)，PPO就會(huì)迅速鈍化失去活性。而有人認(rèn)為，當(dāng)溫度升高到57℃時(shí)，僅6 min棕色化反應(yīng)過(guò)程就可全部完成［9］。經(jīng)典教科書(shū)中認(rèn)為煙葉烘烤中PPO在溫度45～50℃時(shí)被活化。但在葉片受傷以及晾曬煙晾制過(guò)程中，常溫下也發(fā)生褐變。二是對(duì)酶的氧化性研究較多，而忽視了酶的還原性［25］。三是細(xì)胞組織的死亡溫度。傳統(tǒng)認(rèn)為植物細(xì)胞組織致死環(huán)境溫度為50～52℃，超過(guò)此溫度，細(xì)胞趨于死亡，但生長(zhǎng)的植物超過(guò)此溫度時(shí)細(xì)胞組織并不死亡。在煙葉烘烤上操作不當(dāng)時(shí)，在50～52℃前褐變已經(jīng)發(fā)生［25］。四是忽視了能量代謝的作用。酶促棕色化是一個(gè)可逆過(guò)程，還原反應(yīng)需要吸收能量，能量變化與酚還原成醌的相關(guān)性如何？五是在酶促棕色化反應(yīng)的調(diào)控上，很多方法實(shí)施難度大、成本高、甚至造成新的傷害。六是對(duì)發(fā)生煙草酶促棕色化反應(yīng)的條件以烤房?jī)?nèi)溫度、相對(duì)濕度等外部條件為主，沒(méi)有揭示出煙草酶促棕色化反應(yīng)的核心要素。七是酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生條件的結(jié)論具有片面性，不同研究結(jié)論之間關(guān)聯(lián)性不高，甚至相互矛盾。如在煙草上認(rèn)為44℃以下不發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)等。八是對(duì)PPO的認(rèn)識(shí)不全面。認(rèn)為PPO的作用是催化酶促棕色化反應(yīng)，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到PPO首先是呼吸酶，其在細(xì)胞組織呼吸中的作用。九是對(duì)PPO同工酶的種類(lèi)及不同時(shí)期、不同條件下的協(xié)同作用研究少。十是當(dāng)多酚含量達(dá)到峰值后多酚類(lèi)物質(zhì)的降解機(jī)理研究較少。十一是我國(guó)經(jīng)典教科書(shū)中棕色化反應(yīng)化學(xué)式［8］不正確，鄰苯醌的苯環(huán)上碳原子和氧原子共價(jià)鍵不符合基本科學(xué)原理（圖1）。

圖1 經(jīng)典教科書(shū)中酶促棕色化反應(yīng)化學(xué)式

3 棕色化反應(yīng)理論的再認(rèn)識(shí)

植物多酚是多羥基酚類(lèi)化合物的總稱(chēng)，其廣泛分布于蔬菜、水果、谷物、煙草、茶等植物中。它在植物體的葉、木、皮、殼和果肉中均有一定含量［26］。人類(lèi)最早認(rèn)識(shí)多酚是由于其能與蛋白質(zhì)結(jié)合或與消化道內(nèi)的酶結(jié)合降低蛋白質(zhì)的消化性，影響營(yíng)養(yǎng)成分的吸收，引起便秘等消化不良癥狀，以及造成果蔬褐變變質(zhì)等不利因素。隨著研究的不斷深入，人類(lèi)認(rèn)識(shí)到多酚是植物體內(nèi)的重要代謝產(chǎn)物，具有抗氧化、抗衰老、抗紫外線、保濕等作用，對(duì)多種細(xì)菌、真菌、酵母菌都有明顯的抑制作用，對(duì)增強(qiáng)植物抗性具有積極的作用［27］。在綠色植物生長(zhǎng)過(guò)程中如遇病蟲(chóng)害侵染、惡劣環(huán)境、機(jī)械損傷等不利因素時(shí)植物通過(guò)棕色化反應(yīng)造成局部壞死，以惡化病蟲(chóng)害侵染環(huán)境，在受傷部位形成保護(hù)層。在種子成熟前核桃、蘋(píng)果、柿子、梨等果實(shí)的外皮含有大量的酚類(lèi)使果實(shí)吃起來(lái)苦澀難咽，確保了種子成熟，而在果實(shí)成熟后酚類(lèi)降解或轉(zhuǎn)化成為香氣物質(zhì)，使果實(shí)香甜、色澤艷麗，以吸引動(dòng)物將種子擴(kuò)散、生命得到延續(xù)［28］。而美拉德反應(yīng)會(huì)賦予食品誘人的色澤及特殊的風(fēng)味，給人類(lèi)帶來(lái)視覺(jué)、味覺(jué)及嗅覺(jué)的享受。一般在果蔬儲(chǔ)藏運(yùn)輸中發(fā)生的棕色化反應(yīng)為酶促棕色化反應(yīng)，食品加工中發(fā)生的棕色化反應(yīng)為美拉德反應(yīng)，而煙草的加工儲(chǔ)藏、茶葉制作儲(chǔ)藏中既有酶促棕色化反應(yīng)，又有美拉德反應(yīng)。

3.1 棕色化反應(yīng)機(jī)理探究

雖然在發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)植物組織細(xì)胞內(nèi)都含有多酚類(lèi)物質(zhì)、PPO、氧氣，但植物生長(zhǎng)及衰老過(guò)程中一般并不發(fā)生棕色化反應(yīng)，這主要是由PPO的性質(zhì)和多酚類(lèi)物質(zhì)、PPO、氧氣所處位置決定的。首先，PPO是一種呼吸氧化酶，與細(xì)胞色素氧化酶、黃酶等共同參與細(xì)胞組織的呼吸作用。PPO對(duì)氧的親和力較弱，其在高氧條件下效率較高。因而PPO在生長(zhǎng)過(guò)程也參加呼吸氧化反應(yīng)，只是強(qiáng)度弱，是多酚物質(zhì)在組織體內(nèi)降解的途徑之一，也是多酚物質(zhì)含量在達(dá)到峰值后其含量下降但沒(méi)有變褐的原因。而且PPO不具有還原性、不可能將鄰苯醌還原成鄰苯酚。其次，在生長(zhǎng)和衰老過(guò)程中細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)完整，多酚類(lèi)物質(zhì)、PPO、氧氣各處于一定的區(qū)隔，不容易接觸。三者相互接觸是酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵。只有細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)解體才能讓三者相互接觸。細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)解體的途徑有兩種：一是細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的損傷，如植物組織受病蟲(chóng)害侵染、機(jī)械損傷、凍害或高溫傷害；二是細(xì)胞組織衰老后的程序性死亡。在自然界由于組織結(jié)構(gòu)的損傷而發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)的現(xiàn)象很多，如赤星病病斑、斑須蝽刺吸口器造成的黑斑、馬鈴薯切塊后變褐、葉片傷口變褐、果蔬受凍害后變褐、葉片凍害后形成的水煮葉、葉片高溫傷害形成的蒸片等。當(dāng)細(xì)胞組織衰老后細(xì)胞組織的抗逆力下降，如細(xì)胞組織溫度升高，細(xì)胞膜及類(lèi)囊體膜上的蛋白質(zhì)變性失活，或隨著細(xì)胞組織的程序化死亡，膜透性增大，膜的選擇透性逐漸喪失，組織結(jié)構(gòu)解體，酶促棕色化反應(yīng)隨之發(fā)生。在衰老死亡方面，馬鈴薯、香蕉由于存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引發(fā)褐變。在烤煙烘烤中葉片變黃后，濕煙葉組織溫度超過(guò)38℃［25］（變黃后濕煙葉組織細(xì)胞致死溫度為38℃），如葉片失水率不超過(guò)50%，會(huì)導(dǎo)致酶促棕色化反應(yīng)發(fā)生。但在烤煙、晾曬煙變黃后，如葉片失水率不超過(guò)50%，即使?jié)駸熑~組織溫度不超過(guò)38℃，但隨著細(xì)胞組織的程序化死亡也伴隨細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的解體，葉片變褐。因此細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的解體是發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)的充要條件（圖2）。

圖2 酶促棕色化反應(yīng)化學(xué)式

美拉德反應(yīng)是氨基酸與糖的縮合反應(yīng)，在自然界普遍發(fā)生，如烤煙的復(fù)烤、陳化、晾曬煙的晾制以及普洱茶儲(chǔ)藏陳化、食品的烤制都是美拉德反應(yīng)。高溫高濕能加快美拉德反應(yīng)的發(fā)生，如烤制面包、烤肉時(shí)發(fā)生美拉德反應(yīng)只需幾十分鐘，在煙葉的復(fù)烤、煙絲烘焙中需采用高溫高濕，而卷煙吸燃過(guò)程的美拉德反應(yīng)則用微秒計(jì)算。晾曬煙變黃后在凋萎過(guò)程中發(fā)生輕微的變褐現(xiàn)象，其主要變褐發(fā)生在煙葉凋萎后，在凋萎過(guò)程中發(fā)生的變褐主要是酶促棕色化反應(yīng)，而在凋萎后發(fā)生的變褐主要是美拉德反應(yīng)，由于晾曬過(guò)程中溫度較低反應(yīng)慢，所以晾曬過(guò)程比烘烤過(guò)程更耗時(shí)。對(duì)于煙葉的自然陳化，低溫干燥的西北地區(qū)比溫濕度高的江南地區(qū)要慢。普洱茶老葉帶梗需陳化更長(zhǎng)時(shí)間。

3.2 棕色化反應(yīng)的調(diào)控

在生產(chǎn)生活中要阻止酶促棕色化反應(yīng)就必須防止細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的解體。首先要減少細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的損傷，如及時(shí)防治植物生長(zhǎng)過(guò)程中病蟲(chóng)害的發(fā)生、減少人畜對(duì)植物的機(jī)械損傷、防止早春和晚秋的凍害、減少果蔬加工儲(chǔ)藏運(yùn)輸中的破損及溫度過(guò)低造成的凍害。在煙葉、綠茶的采摘調(diào)制過(guò)程中減少機(jī)械損傷、在堆放過(guò)程中避免高溫、烤房?jī)?nèi)裝煙要均勻避免局部過(guò)密出現(xiàn)高溫等。其次要降低細(xì)胞組織衰老死亡的速度，如在低溫（4℃）或低氧條件下儲(chǔ)藏運(yùn)輸果蔬，可降低其代謝水平，延緩衰老死亡的速度，并在其衰老死亡前將果蔬出庫(kù)銷(xiāo)售。對(duì)于需長(zhǎng)期儲(chǔ)藏的荔枝等多汁水果就必須將溫度降到0℃以下并配合200 kPa左右的氣壓，如果在常壓下儲(chǔ)藏溫度低于0℃，隨著體內(nèi)水結(jié)冰體積增大會(huì)破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，只有在高壓下體積不變并形成均勻的冰晶，才不會(huì)損傷細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的解體不可避免時(shí)，可以通過(guò)改變環(huán)境阻止酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生。如切塊的蘋(píng)果、馬鈴薯可以放置在水中（隔氧）或用水漂洗（多酚、PPO溶入水中）可以降低酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生。在煙葉烘烤中當(dāng)煙葉變黃后快速失水讓煙葉達(dá)到充分凋萎，在主脈發(fā)軟（失水30%）前組織溫度不超過(guò)37℃，在定色期煙葉小卷筒（失水50%）前煙葉組織溫度不超過(guò)38℃，就是要在煙葉衰老變黃后細(xì)胞組織解體前通過(guò)失水的方式將原生質(zhì)變?yōu)槟z，PPO失去活性，同時(shí)終止細(xì)胞組織的程序化死亡，否則就可能發(fā)生酶促棕色化反應(yīng)，煙葉變褐，質(zhì)量下降。在綠茶的制作中通過(guò)高溫殺青在細(xì)胞組織解體前鈍化PPO活性，以阻止炒制過(guò)程中酶促棕色化反應(yīng)，如高溫殺青不徹底，炒制出的綠茶顏色就會(huì)發(fā)暗，品質(zhì)下降。在美拉德反應(yīng)方面，人類(lèi)通過(guò)高溫或高濕加快美拉德反應(yīng)的速度，如烤肉、烤饃等，而且通過(guò)在紅燒肉中加糖、在面包表面抹一層蛋液等方式增加美拉德反應(yīng)的強(qiáng)度，使制作出的食品色香味俱佳，在晾曬煙晾制過(guò)程中通過(guò)增加濕度來(lái)增加晾曬煙的香氣與色度。將綠茶存放在溫濕度低的冷藏柜中以阻止美拉德反應(yīng)，綠茶品質(zhì)會(huì)得到有效的保存，而普洱茶放在干燥、無(wú)光、通風(fēng)處即可。

4 展望

由于棕色化反應(yīng)的復(fù)雜性，棕色化反應(yīng)機(jī)理以及反應(yīng)過(guò)程的中間產(chǎn)物等許多問(wèn)題尚不清楚。如植物在衰老過(guò)程中多酚的降解產(chǎn)物等。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的進(jìn)步，必將對(duì)棕色化反應(yīng)分子生物學(xué)的發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)。而且通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝組學(xué)研究，將會(huì)對(duì)棕色化反應(yīng)分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深入，最終揭開(kāi)棕色化反應(yīng)的神秘面紗。