抑制馬鈴薯酶促褐變的新途徑

王海艷 王立春 田國奎 婁樹寶 李鳳云 潘陽 郝智勇 王聰

摘 要：馬鈴薯在加工過程中時(shí)常會發(fā)生褐變現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其制品風(fēng)味、外觀及營養(yǎng)。抑制馬鈴薯褐變的方法很多，有物理方法、化學(xué)方法和基因工程方法。該文從綠色環(huán)保、無污染角度出發(fā)，對抑制馬鈴薯褐變的化學(xué)方法和褐變相關(guān)基因的調(diào)控進(jìn)行了闡述，以期為后續(xù)馬鈴薯抗褐變研究提供參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;酶促褐變;基因表達(dá);天然褐變劑;可食性涂膜

中圖分類號 TS255.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）13-0031-03

Abstract： Browning often occurs in potato processing， which seriously affects the flavor， appearance and nutrition of potato products. There are many methods to inhibit potato browning， including physical methods， chemical methods and genetic engineering methods. In this paper， the chemical methods and genetic engineering methods to inhibit potato browning were reviewed from the perspective of environmental protection and pollution-free. It is expected that this study can provide guidance for the future research on potato browning resistance.

Key words： Potato; Enzymatic browning; Gene expression; Natural browning inhibitor; Edible coating

馬鈴薯加工過程中的褐變現(xiàn)象對加工產(chǎn)品的品質(zhì)、外觀及營養(yǎng)會產(chǎn)生影響[1]，會降低消費(fèi)者的接受度，減少加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。對于抑制馬鈴薯塊莖的褐變研究報(bào)道較多[2-4]，一是可以通過物理方法實(shí)現(xiàn)，如改變溫度、調(diào)節(jié)pH、隔絕氧氣等;二是可以通過化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，如添加褐變抑制劑、使用天然提取物或可食性涂膜;三是利用生物方法控制馬鈴薯塊莖褐變，從基因工程的角度出發(fā)，利用基因進(jìn)行抗褐變的育種或控制相關(guān)基因的表達(dá)，從而達(dá)到抗褐變的目的。隨著人們越來越注重食品安全與營養(yǎng)，傳統(tǒng)的抗褐變方法已不再適用，因此研究者正積極探索既高效又安全且有益健康的抗褐變新途徑。

1 化學(xué)方法

1.1 天然提取物 隨著消費(fèi)者對食品安全問題的關(guān)注度越來越高，天然防褐變劑因其安全環(huán)保的性能在市場上越來越受到青睞，逐漸取代了化學(xué)合成的防褐變劑。食品中含有許多生理活性成分，如多糖、多肽、活性酶等[1]，對抑制馬鈴薯褐變有一定作用。蔡曉寧等[5]研究表明，20℃條件下，0.075g/L的丁香處理液效果最好，可以減緩褐變進(jìn)程;而在4℃條件下，0.025g/L的丁香提取液效果最好。徐麗珊等[6]研究認(rèn)為一年蓬提取物（EAE）和濕地松松針提取物（PEE）配比為1∶2時(shí)可以抑制鮮切馬鈴薯褐變。趙冬晗[7]研究認(rèn)為高濃度的生姜醇提物（1g/mL）和生姜水提物可以抑制酪氨酸酶活性，從而抑制馬鈴薯褐變。劉輝[8]研究表明苦蕎莖葉磷酸鹽提取物對馬鈴薯多酚氧化酶的抑制效果最好，其次是乙醇提取物和水提取物。Rizzo等[9]研究表明，在（4±2）℃下，體積分?jǐn)?shù)0.5%的迷迭香精油可以使鮮切馬鈴薯貨架期延長至11d。Liu等[10]研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的鱈魚肽可以抑制馬鈴薯PPO、POD和PAL活性，減少酚類物質(zhì)的積累，貨架期可以維持至8d。

目前，天然提取物的提取和純化技術(shù)還不成熟[11]，提取時(shí)間長，且提取純度低，阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用。因此，積極研制高效、便捷且環(huán)保的提取技術(shù)，保證提取物純度，優(yōu)化抑制褐變效果，擴(kuò)大鮮切馬鈴薯行業(yè)中天然提取物的應(yīng)用規(guī)模十分必要。王春幸等[12]研究認(rèn)為天然保鮮劑的傳統(tǒng)提取技術(shù)復(fù)雜，投入成本較高，且提取物有強(qiáng)烈氣味，僅有單一作用效果，與食物成分會發(fā)生反應(yīng)，限制了這些提取物的應(yīng)用。因此，為了更好地發(fā)揮保鮮劑的作用，可以采用生物工程技術(shù)進(jìn)行制備，將不同類型保鮮劑復(fù)配使用。

1.2 涂膜 涂膜可以使果蔬表面的氣孔和皮孔阻塞，使果蔬內(nèi)部具有和外界不同的環(huán)境，一方面可以減弱果蔬的呼吸作用，減少營養(yǎng)物質(zhì)消耗;另一方面可以防止病菌入侵，避免腐爛變質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生[13]?？墒承酝磕さ脑蠟樘烊豢墒承晕镔|(zhì)，無毒可以食用。目前用于馬鈴薯的可食性涂膜主要有殼聚糖、大豆蛋白、液體石蠟、植物油等。王允祥等[14]研究認(rèn)為0.25%維生素C、0.6%檸檬酸、0.15%氯化鈣可以使馬鈴薯褐變度降低，對馬鈴薯的保鮮效果最好。俞穎強(qiáng)[15]認(rèn)為1.5%海藻酸鈉+0.6%羧甲基纖維素+0.4%氯化鈣是最佳的涂膜劑組合，抑制馬鈴薯褐變的效果最好。陳海光等[16]用不同濃度殼聚糖溶液涂膜處理切片馬鈴薯，發(fā)現(xiàn)0.5%、1.0%、1.5%這3種濃度均可抑制馬鈴薯塊莖褐變，降低PPO活性，且濃度越高，抑制作用越好。林順順等[17]研究表明大豆分離蛋白復(fù)合涂膜可以抑制鮮切馬鈴薯的褐變，減少病菌侵入，還能有效防止馬鈴薯水分散失，降低營養(yǎng)物質(zhì)損失，使其保持良好的感官品質(zhì)。目前，可食性涂膜技術(shù)應(yīng)用范圍還不是很廣泛。

2 褐變相關(guān)基因的調(diào)控

2.1 抗褐變育種 以往馬鈴薯育種目標(biāo)為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗，現(xiàn)在育種目標(biāo)又增加了新內(nèi)容，即減少酶促褐化，因此進(jìn)行抗褐變基因的挖掘很有必要，可以為后續(xù)精細(xì)定位和候選基因克隆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加快馬鈴薯抗褐化品種選育進(jìn)程，提升加工產(chǎn)品品質(zhì)。胡軍[18]利用抗褐變強(qiáng)的“Agria”與易褐變“中薯11號”構(gòu)建了分離群體，并對父母本及后代分離群體株系230份的塊莖褐變分級進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)1號、10號染色體上存在褐變的候選區(qū)段。其中，預(yù)測1號染色體候選2MB區(qū)段包含64個(gè)編碼基因，未預(yù)測到編碼多酚氧化酶基因，說明該區(qū)段存在影響塊莖褐變性狀的新基因或位點(diǎn)。劉士揚(yáng)等[19]以易褐變的“克新4號”和不易褐變的“克新13號”為試驗(yàn)材料，獲得了5個(gè)差異較大的基因Stbr1、Stbr2、Stbr3、Stbr4、Stbr5，觀察其原核表達(dá)產(chǎn)物對褐變的影響。結(jié)果顯示，Stbr2、Stbr3、Stbr4這3個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物可以抑制褐變的發(fā)生，說明褐變是由多基因所控制。黃樹蘋等[20]研究認(rèn)為絲瓜果肉褐變程度主要受2對主基因控制，以遺傳效應(yīng)為主，同時(shí)受環(huán)境影響較大，因此可在早期世代選擇低褐變材料，同時(shí)選擇低褐變的親本材料，通過雜交、回交轉(zhuǎn)移主基因，選育出低褐變的絲瓜品種。

2.2 改變PPO基因的表達(dá) 多酚氧化酶（PPO）是酶促褐變過程中黑色素合成途徑中的關(guān)鍵酶。從基因角度出發(fā)，可以對PPO基因進(jìn)行基因編輯、基因敲除、基因沉默等手段，控制其表達(dá)，抑制馬鈴薯塊莖發(fā)生褐變。通過基因手段可以使作物發(fā)生定向改變，產(chǎn)生出穩(wěn)定的可遺傳的性狀，培育出抗褐變的馬鈴薯新品種[21]。較多植物的PPO都是由核基因編碼，受多基因控制，表現(xiàn)出多基因的家族性。在植物生長發(fā)育或逆境過程中，不同的PPO成員表達(dá)圖譜不盡相同[22]。馬鈴薯的PPO也是由多基因控制其表達(dá)，其家族成員主要有POTP1（Gen Bank ID：M95196）、POTP2（M95197）、POT32（U22921）、POT33（U22922）和POT72（U22923）[23]，它們都沒有內(nèi)含子結(jié)構(gòu)。時(shí)空性是馬鈴薯PPO基因表達(dá)的主要特點(diǎn)，在馬鈴薯葉片和花中主要是POTP1和POTP2基因表達(dá)，在塊莖中主要是POT32和POT33表達(dá)，在塊莖發(fā)育的整個(gè)階段占主體地位的基因是POT32，在根中表達(dá)的主要是POT72基因[23]。陳明俊[24]通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對馬鈴薯PPO基因POT32和POT33進(jìn)行了敲除載體構(gòu)建，最終經(jīng)對PCR擴(kuò)增產(chǎn)物測序驗(yàn)證獲得了2棵突變植株，突變株P(guān)PO活性、總酚含量、褐變強(qiáng)度都有不同程度降低。劉敏敏等[25]研究認(rèn)為半胱氨酸蛋白酶抑制子基因StCYS1能提高PPO酶活性，但卻對馬鈴薯漿液褐變起到抑制作用，這是由于它可以減少褐變底物游離酪氨酸含量，同時(shí)還可增加脯氨酸含量，提升馬鈴薯塊莖的抗氧化能力。王清等[26]研究表明轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖的褐化程度較對照明顯降低，反義PPO基因有效抑制了塊莖PPO活性，并降低了塊莖酚物質(zhì)含量。Coetzer等[27]利用正義和反義RNA技術(shù)成功抑制了馬鈴薯中PPO基因表達(dá)，使PPO活性降低，控制了褐變?；蚬こ谭ㄖ饕≧NA的抑制和轉(zhuǎn)基因抑制等。有研究表明，通過轉(zhuǎn)基因方法，將順式、反式或雙鏈RNA轉(zhuǎn)入植物中，抑制PPO基因表達(dá)，進(jìn)而減少褐變發(fā)生[28]。池明[29]使用amiRNA技術(shù)將轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中StuPPO1、StuPPO2、StuPPO3和StuPPO4基因同時(shí)抑制，更好地抑制了PPO酶活性，降低酶促褐變，產(chǎn)生不褐變的馬鈴薯塊莖表型。此外，研究結(jié)果表明抑制單個(gè)或多個(gè)PPO基因表達(dá)并未引起其他PPO基因的過量表達(dá)。

3 展望

馬鈴薯加工過程中的酶促褐變現(xiàn)象是一直存在的問題。隨著人們健康意識的提升和加工業(yè)的迅速發(fā)展，化學(xué)褐變抑制劑帶來的化學(xué)殘留問題越來越受到重視。天然的防褐變劑以及涂膜處理可以有效抑制鮮切馬鈴薯的褐變，但是護(hù)色液直接與鮮切馬鈴薯接觸，可能會影響產(chǎn)品的風(fēng)味[30]，增加污染風(fēng)險(xiǎn)，因此限制其應(yīng)用。改善酶促褐變最好的解決途徑就是培育抗褐變品種，通過PPO基因修飾來獲得抗褐變品種，其品種特性及生長發(fā)育狀況并不會發(fā)生顯著變化，說明這種方法有效且可行[31]。目前利用分子生物技術(shù)來進(jìn)行遺傳改良是快速獲得抗褐變品種的主要途徑，能大幅提高加工企業(yè)的加工效率及質(zhì)量，降低損失，具有廣闊的發(fā)展前景。

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（責(zé)編：徐世紅）