綠豆芽防褐變技術(shù)的研究進(jìn)展

閆星羽，陳存坤，薛文通*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心（天津），天津 300384）

豆類種子在一定條件下浸水發(fā)芽形成豆芽，也稱豆芽苗、芽菜等。豆芽具有良好的抗氧化能力，口感多汁清脆，深受廣大消費(fèi)者的喜愛。研究表明，綠豆種子發(fā)芽后其活性物質(zhì)如酚類和黃酮類化合物的含量顯著提高[1]。多酚類化合物具有良好的清除體內(nèi)自由基、抗氧化以及抗癌等特性[2]，因此提高豆類發(fā)芽過程中多酚類化合物的含量，成為豆類科研領(lǐng)域中的一項(xiàng)熱門研究。提高綠豆芽中總酚的含量的確會(huì)增加綠豆芽的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和可食用價(jià)值，但是這些研究同樣也會(huì)帶來一些問題。例如，綠豆芽具有高含水量、低組織強(qiáng)度等特點(diǎn)，在貯藏過程中容易出現(xiàn)微生物污染、褐變以及失水皺縮等不良反應(yīng)，因此本文將對(duì)褐變的機(jī)理、褐變對(duì)綠豆芽的影響以及綠豆芽防褐變技術(shù)的研究現(xiàn)狀等進(jìn)行分析和闡述，以期對(duì)綠豆芽防褐變技術(shù)的相關(guān)研究提供一定的理論參考。

1 綠豆芽概述

1.1 綠豆芽的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值

綠豆是一種富含淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、鉀、鈣、鋅、鐵、鎂、硒等多種營(yíng)養(yǎng)素和黃酮類化合物的豆科植物[3]。綠豆具有生長(zhǎng)周期短，適應(yīng)能力強(qiáng)，播種次數(shù)多，抗逆性好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)有幾千年的栽培史，具有清熱解毒，消暑利尿的功效[4]分。此外國(guó)內(nèi)外許多研究發(fā)現(xiàn)，綠豆還具有抗腫瘤、保護(hù)肝臟、降血脂、降血糖以及抗氧化[5-6]的功能特性，而且這些功能特性都與綠豆中的多酚類化合物相關(guān)。

綠豆芽是綠豆在適宜條件下萌發(fā)而成的幼嫩芽苗菜，可食用部分主要是下胚軸。綠豆發(fā)芽后不僅外觀會(huì)發(fā)生變化，其內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)成分也會(huì)發(fā)生變化。綠豆發(fā)芽期間組織內(nèi)的蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)會(huì)降解形成氨基酸和多糖等易于吸收的小分子物質(zhì)，同時(shí)多酚類化合物含量增多，并釋放許多原綠豆中沒有的新物質(zhì)，如維生素C[7]等。萌芽后的綠豆顯然比沒有萌芽的綠豆更具營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，產(chǎn)生許多次生代謝產(chǎn)物[8]，功能性成分如多肽、酚類、左旋多巴、γ-氨基丁酸等的含量上升，長(zhǎng)期食用綠豆芽具有清熱除濕、防止冠心病、保護(hù)血管及皮膚、增強(qiáng)免疫力等功效[7-9]。此外，這些在萌芽過程中新產(chǎn)生、新合成的物質(zhì)往往都具有更為顯著的生物活性，因此不僅在食品領(lǐng)域中廣受歡迎，而且在醫(yī)學(xué)、制藥、化妝品等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。綠豆發(fā)芽前后5 d的主要營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比見表1[10]。

表1 綠豆發(fā)芽前后營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比Table 1 Comparison of nutritional components of mung bean before and after germination

1.2 綠豆芽的研究進(jìn)展

隨著人們生活水平提高和對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康食品的追求，綠豆芽及其加工產(chǎn)物因具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值受到消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。綠豆在浸水萌芽的過程中原有的胰蛋白抑制素、植酸、單寧等有害成分在酶的作用下被除去，更多的鈣、磷、鐵等礦物質(zhì)被釋放出來[1，11]，酚類化合物、維生素和纖維素類化合物含量顯著升高[5]，使得綠豆芽具有更高的生物價(jià)值。目前已有多位學(xué)者對(duì)綠豆芽萌芽過程中產(chǎn)生的微量元素或者生物活性物質(zhì)的富集進(jìn)行研究，以增強(qiáng)綠豆芽的保健功能和利用價(jià)值。

CEVALLOS-CASALS等[12]對(duì)綠豆、蠶豆等13種可食種子在萌芽過程中多酚化合物含量及活性的變化進(jìn)行分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)芽后13種種子的活性物質(zhì)及抗氧化活性均有提高。EBERT等[13]比較了多種改良品種的成熟綠豆谷物和其綠豆芽中的植物營(yíng)養(yǎng)素水平，結(jié)果表明，與成熟綠豆谷物相比，發(fā)芽綠豆中維生素C的含量提高了2.7倍，異黃酮的含量和抗氧化性也有明顯提升。AMITRANO等[14]在不同光照和濕度下培養(yǎng)綠豆芽，通過分析其抗氧化性、可溶性糖和淀粉含量，發(fā)現(xiàn)相對(duì)低的濕度和光照下會(huì)改善綠豆芽的水分傳輸并提升抗氧化性。Alkaltham等[15]研究了發(fā)芽和加熱對(duì)綠豆的生物活性、酚類化合物和礦物質(zhì)含量的影響，結(jié)果表明，熱處理是改變綠豆芽中酚類含量的主要原因，短期微波加熱處理的綠豆發(fā)芽后酚類化合物的含量會(huì)明顯增加，抗氧化性活性較好，烘焙處理則會(huì)導(dǎo)致發(fā)芽綠豆中總黃酮含量和抗氧化性活性顯著降低。Zhou等[16]在綠豆發(fā)芽的過程中添加外源亞精胺和二環(huán)己胺，增加了綠豆芽中總酚和抗壞血酸的含量，增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)，改善能量代謝，提高了綠豆芽的功能性。AMPOFO等[17]利用超聲波輔助誘導(dǎo)豆類種子發(fā)芽，結(jié)果表明，超聲波輔助誘導(dǎo)發(fā)芽會(huì)增加豆芽?jī)?nèi)部酚類物質(zhì)含量和抗氧化能力，可以作為一種綠色的方法來生產(chǎn)富含酚類的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)豆芽。孟君等[18]以黃豆、綠豆為原料，通過單因素和正交試驗(yàn)考察黃豆和綠豆發(fā)芽過程中的富硒能力，試驗(yàn)表明，黃豆和綠豆在發(fā)芽過程中對(duì)不同濃度的硒元素都有一定的富集作用，且綠豆芽的富硒能力強(qiáng)于黃豆芽。史鈾等[19]以豆芽為載體，通過豆類發(fā)芽的過程使無機(jī)鐵、鋅轉(zhuǎn)換為有機(jī)鐵、鋅。在發(fā)芽之前通過控制培養(yǎng)基添加劑的方式形成高鐵和高鋅豆芽，使豆芽成為一種更容易被人們接受的鐵源和鋅源，為鋅、鐵微量元素缺乏癥的治療與預(yù)防提供新的治療手段。

2 綠豆芽褐變研究進(jìn)展

2.1 褐變概述

2.1.1 褐變機(jī)理

褐變現(xiàn)象從本質(zhì)上可分為酶促褐變和非酶促褐變兩種。酶促褐變是指在酶的作用下發(fā)生的褐變作用，主要發(fā)生在水果、蔬菜等新鮮植物性食物中。其發(fā)生機(jī)制是多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）在有氧條件下把酚類化合物氧化生成醌，醌類物質(zhì)進(jìn)一步聚合形成難溶的黑褐色高分子聚合物[20]，機(jī)理見圖1[21]。此外，根據(jù)酶促褐變發(fā)生所需要的時(shí)間，又可以把酶促褐變分成立即型和延遲型[21]。立即型酶促褐變既是指如蘋果制成蘋果汁后會(huì)立刻生成褐色的現(xiàn)象，或者切碎的蘋果在空氣中放置數(shù)分鐘內(nèi)發(fā)生的褐變。與此相反，延遲型酶促褐變就是指需要幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)的褐變，比如生菜、豆芽等的褐變。

圖1 酶促褐變的發(fā)生機(jī)理Fig.1 Mechanism of enzymatic browning

非酶促褐變是指由于非酶作用引起的褐變，大多發(fā)生在食品的熱加工及長(zhǎng)期貯存過程中。非酶促褐變主要有3種類型，即羰氨反應(yīng)褐變、焦糖化褐變和抗壞血酸氧化褐變。羰氨反應(yīng)褐變又稱美拉德反應(yīng)，是指蛋白質(zhì)、氨基酸的氨基與游離羰醛基反應(yīng)，最終形成類黑素的過程；焦糖化褐變是指加熱情況下沒有氨基存在時(shí)糖發(fā)生的焦糖化反應(yīng)；抗壞血酸氧化褐變是抗壞血酸自身氧化引起的褐變，酚類物質(zhì)在一些條件下發(fā)生的自動(dòng)氧化變色過程[22]。

2.1.2 褐變發(fā)生條件

從酶促褐變的機(jī)理中可看出酶促褐變必須具有3個(gè)條件，即有氧環(huán)境、PPO的作用以及存在酚類底物[23]。正常植物細(xì)胞中的酚類物質(zhì)存在于細(xì)胞液泡中，PPO存在于類囊體內(nèi)腔（包括葉綠體、有色體等）中，二者相互分離，如圖2所示，所以完整的植物細(xì)胞不會(huì)發(fā)生酶促褐變[24-25]。只有當(dāng)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到損壞，酶原被氧氣激活并與底物大面積接觸時(shí)，才會(huì)引起褐變反應(yīng)而且是立即型酶促褐變反應(yīng)[21]。

圖2 植物細(xì)胞中PPO與多酚物質(zhì)的分布以及褐變反應(yīng)的原因Fig.2 The distribution of PPO and polyphenols in plant cells and the cause of browning reaction

非酶促褐變的褐變因子有總酚、抗壞血酸、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、游離還原糖以及氨基酸等，果蔬貯運(yùn)、加工過程中的光照、氧環(huán)境、溫度、濕度、包裝容器以及不同的處理方式，都會(huì)對(duì)果蔬的非酶褐變產(chǎn)生不同程度的影響[26-27]。研究表明，新鮮果蔬貯藏前期的非酶促褐變主要是抗壞血酸氧化分解造成的，貯藏中后期，當(dāng)抗壞血酸被大量消耗后，多酚物質(zhì)的自氧化就會(huì)占據(jù)非酶褐變主要地位，同時(shí)美拉德反應(yīng)緩慢進(jìn)行，焦糖化反應(yīng)對(duì)果蔬非酶促褐變沒有顯著影響[28]。

2.2 綠豆芽褐變機(jī)理

采后的綠豆芽依舊是有一定生命活動(dòng)的有機(jī)體，其組織內(nèi)部仍會(huì)進(jìn)行一系列的生理代謝活動(dòng)，比如呼吸作用[29]。此外，綠豆芽褐變、變質(zhì)、腐爛等現(xiàn)象都與豆芽的貯藏溫度有關(guān)[30]，隨著貯藏溫度升高，綠豆芽的呼吸速率不斷增大。采后貯藏期間呼吸作用增強(qiáng)，會(huì)加速綠豆芽中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，促進(jìn)老化和變色。同時(shí)，綠豆芽褐變也與許多酶的活性密切相關(guān)，比如多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）以及過氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等。此外，綠豆芽褐變還與綠豆芽中多酚、抗壞血酸（ascorbicacid，AA）以及過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）含量有很大關(guān)系[22]。研究表明綠豆芽在儲(chǔ)藏過程中SOD的含量會(huì)降低，褐變（hard black，HB）發(fā)生率與AA、總抗氧化劑活性（total antioxidant activity，TAA）、總酚（total phenols，TP）、總黃酮（total flavonoids，TF）以及SOD之間呈負(fù)相關(guān)[31]。同時(shí)POD和PPO含量會(huì)升高，褐變發(fā)生率與PPO、POD以及CAT活性之間呈正相關(guān)。

2.3 褐變對(duì)綠豆芽的影響

綠豆芽含水量高達(dá)95%[32]，質(zhì)地清脆，組織嬌嫩，不耐貯藏，在采后保鮮、貯運(yùn)、銷售過程中，極易因溫度影響出現(xiàn)老化褐變、失水皺縮以及微生物污染產(chǎn)生黏腐、變味等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)影響綠豆芽的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，其中最易產(chǎn)生感官價(jià)值損失且最常見的生理生化反應(yīng)就是褐變[33]。果蔬褐變主要是由多酚類物質(zhì)通過氧化聚合反應(yīng)引發(fā)的，是食品顏色隨時(shí)間逐漸變?yōu)楹稚蛏詈稚囊粋€(gè)過程。綠豆芽褐變主要是因?yàn)榻M織內(nèi)部發(fā)生了酶促褐變和抗壞血酸氧化反應(yīng)[34]，這些反應(yīng)是綠豆芽貯藏期間最不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象，不僅會(huì)影響綠豆芽的外觀給消費(fèi)者帶來不良的視覺感受，還會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，導(dǎo)致綠豆芽品質(zhì)下降，一旦誤食很可能會(huì)影響誤食者的身體健康，引起一系列的食品安全問題[32，35]。

3 防褐變技術(shù)的研究進(jìn)展

褐變會(huì)對(duì)新鮮果蔬產(chǎn)生品質(zhì)下降，貯藏期縮短等不良影響，如果沒有良好的解決方法則會(huì)加速食品的變質(zhì)和腐爛，防止褐變的方法本質(zhì)上就是抑制褐變的發(fā)生條件。

3.1 酶促褐變的抑制方法

酶促褐變的速率取決于PPO的活性[36]，目前防止酶促褐變的研究方法比較完善，可以通過控制PPO的活性抑制酶促褐變的產(chǎn)生[37]。常用的方法可分為物理方法和化學(xué)方法，物理方法包括熱處理法[38]、高壓處理法[39]、電場(chǎng)處理法[33]、輻照法[40]、隔絕氧氣法[35]和低溫保藏法[41]等，化學(xué)方法有無機(jī)鹽法[42]、酸化劑法[43]、抗氧化劑法[42]、螯合劑法[44]和天然提取物法[45]等。熱水漂燙、微波處理或二者的結(jié)合、壓力處理、脈沖電場(chǎng)處理或者輻照處理都可以迅速降低果蔬中多酚氧化酶的活性，從而降低褐變指數(shù)，減少抗氧化劑損失，達(dá)到較好的酶促褐變抑制效果。隔絕氧氣和低溫保藏限制了酶促褐變的反應(yīng)條件和反應(yīng)速率，能達(dá)到延長(zhǎng)貯藏時(shí)間、減緩褐變速率的目的。其次，偏重亞硫酸鈉、硫酸銨鹽、SO2、L-半胱氨酸、抗壞血酸、檸檬酸以及 Ca2+、Mg2+等金屬離子都是多酚氧化酶活性的抑制劑；低pH值環(huán)境下酚類氧化的速率會(huì)明顯降低，天然含羧酸類的物質(zhì)對(duì)酶也有抑制效應(yīng)，使用這些化學(xué)試劑處理也可以有效減緩酶促褐變的發(fā)生。

3.2 非酶促褐變的抑制方法

非酶促褐變比酶促褐變更難控制，而且作用范圍比酶促褐變更加廣泛。非酶促褐變不僅可以和酶促褐變一同作用，甚至在酶鈍化失活后，依舊可以保持較高的反應(yīng)活性[46]。果蔬中含有豐富的多酚物質(zhì)和抗壞血酸，由抗壞血酸氧化和多酚引起的非酶促褐變是影響果蔬品質(zhì)的重要因素[27，47]，雖然非酶促褐變的研究沒有酶促褐變成熟完善，但依然有許多相關(guān)的報(bào)道?？傮w來說，果蔬非酶促褐變的抑制方法與酶促褐變相似，也可以分成物理方法和化學(xué)方法，常用的物理方法有低溫貯藏法[28]、避光干燥保存法[48]和蒸汽預(yù)處理法[49]等；化學(xué)方法有螯合劑法、抗氧化劑法和抑制劑法[46-47，50]等。此外，多項(xiàng)研究表明酸化劑法可以有效抑制PPO引起的酶促褐變，但是Pham等[51]發(fā)現(xiàn)pH值過低，即在pH1.5左右時(shí)，反而會(huì)顯著提高抗壞血酸的降解率，提高5-羥甲基糠醛的形成速率，顯著增加非酶促褐變強(qiáng)度，因此果蔬及其果蔬制品長(zhǎng)時(shí)間保存時(shí)，不宜使用酸化劑法。

4 綠豆芽防褐變技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著人們對(duì)食品安全的重視，綠豆芽的貯藏保鮮技術(shù)也越來越受大家關(guān)注，目前綠豆芽貯藏技術(shù)的研究重點(diǎn)大多還停留在延長(zhǎng)豆芽的貯藏時(shí)間上，采用合理的保鮮技術(shù)和條件，豆芽可以保鮮1周～2周[32]，常用的保鮮技術(shù)有：預(yù)冷處理、全程微生物控制、全程冷鏈管理、改良包裝方式、清洗瀝干以及控制貯藏溫度和濕度等。這些技術(shù)基本都可以延緩綠豆芽的腐爛和變質(zhì)，但對(duì)于綠豆芽的褐變情況卻沒有深入研究，現(xiàn)在防止綠豆芽褐變的研究體系尚不完善，下面將對(duì)一些國(guó)內(nèi)外防豆芽褐變的相關(guān)報(bào)導(dǎo)進(jìn)行闡述見表2。

表2 豆芽防褐變技術(shù)的闡述Table 2 Explaination of bean sprouts anti-browning technology

續(xù)表2 豆芽防褐變技術(shù)的闡述Continue table 2 Explaination of bean sprouts anti-browning technology

5 結(jié)論和展望

綠豆芽褐變主要包括綠豆芽體內(nèi)含有的多酚類物質(zhì)和PPO引起的酶促褐變和部分多酚類物質(zhì)和抗壞血酸導(dǎo)致的非酶促褐變，褐變的影響因素復(fù)雜，貯藏溫度、濕度、光照強(qiáng)度、時(shí)間、氣調(diào)比例、采后的預(yù)處理、運(yùn)輸方式、加工方法以及包裝的方式等均能影響褐變，任意一種因素的不良改變都會(huì)對(duì)綠豆芽的褐變情況造成不一樣的影響。在實(shí)際生產(chǎn)銷售過程中不可能對(duì)這些因素達(dá)到完全控制，所以研究出最佳的豆芽防褐變處理技術(shù)對(duì)整個(gè)綠豆芽生產(chǎn)及加工都具有重要的意義和研究?jī)r(jià)值。采用化學(xué)抑制劑防止褐變的方法固然有效，但是會(huì)產(chǎn)生大量化學(xué)殘留物，干擾因素多，實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)中難以控制和操作。物理防褐變的方法相比化學(xué)方法而言成本更低、沒有多余殘留物，綠色環(huán)保、更易于控制操作。但目前綠豆芽的防褐變技術(shù)沒有更深入或更加系統(tǒng)的研究，綠豆芽的物理防褐變技術(shù)具有很大的研究空間，值得進(jìn)一步深入探索。本文詳細(xì)地介紹了綠豆芽褐變的原因、機(jī)理、影響因素，總結(jié)了相關(guān)的方法和技術(shù)，為之后的深入研究提供思路和理論依據(jù)。