超聲波處理鮮切馬鈴薯片對多酚氧化酶活性的影響

王 寧，張艷艷，張春燕，王艾麗，閆陸飛，李東東

（榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 榆林 719000）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）又稱土豆、洋芋，是我國重要的糧食作物之一，有著“地下蘋果”的美名[1-2]。馬鈴薯含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，膳食纖維含量較高，還有多種生物活性物質(zhì)和人體所需的必需氨基酸[3]。鮮切馬鈴薯因其新鮮、衛(wèi)生、方便、適用性廣等特點(diǎn)十分符合現(xiàn)代快節(jié)奏的生活需求，因此發(fā)展前景廣闊。但鮮切馬鈴薯在加工過程中受到機(jī)械碰撞后細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的完整性遭到了破壞，從而使多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，PPO）與酚類物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成醌，醌類物質(zhì)進(jìn)一步聚合氧化生成黑褐色物質(zhì)[4]。褐變對鮮切馬鈴薯的感官品質(zhì)、食用價(jià)值造成嚴(yán)重影響。因此，提高鮮切馬鈴薯的品質(zhì)，延緩氧化褐變是其加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中急需解決的一個難題[5-6]。

目前，國內(nèi)外對于馬鈴薯的褐變問題主要采取物理、化學(xué)、生物學(xué)等方法處理從而達(dá)到延緩效果[7]。超聲波技術(shù)是指頻率范圍為1.6×104～1.6×109Hz，高頻率的機(jī)械振動在介質(zhì)中形成巨大剪切力和高溫的聲波，從而使物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能等發(fā)生物理或者化學(xué)變化[8]。超聲波技術(shù)是一種非熱加工技術(shù)，短時間的處理能較好地保持鮮切果蔬原有的營養(yǎng)成分和食用品質(zhì)[9-11]。超聲波技術(shù)在果蔬保鮮方面的應(yīng)用主要是激化或鈍化某些酶、殺滅微生物等[12]。大量研究表明超聲波技術(shù)通過對介質(zhì)的空化作用、機(jī)械作用可導(dǎo)致酶發(fā)生鈍化。楊明冠[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著超聲波功率的增大、超聲波時間的延長，酶活性逐漸降低。FAN 等[14]研究表明，超聲處理鮮切萵苣10 min， 12 d 內(nèi)處理組PPO 活性較對照組顯著降低。陳晨等[15]研究表明UV-C 處理能有效延緩鮮切梨的褐變。QIAO 等[16]研究表明，超聲處理鮮切馬鈴薯5 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出PPO 活性明顯低于未處 理組。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

夏波蒂馬鈴薯，取自榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院；鄰苯二酚、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉，購自榆林市天豐昌醫(yī)教科技有限公司，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TU-1900 紫外分光光度計(jì)，山西盛安泰科技有限公司；FS-1200N 超聲波處理器，山西盛安泰科技有限公司；高速冷凍離心機(jī)，山西盛安泰科技有限公司；萬分之一天平，瑞士梅特勒-托利多；電冰箱，海爾集團(tuán)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鮮切流程

馬鈴薯→清洗→切分→消毒→超聲波處理→擦干→包裝→低溫貯藏。

1.3.2 操作步驟

①清洗。馬鈴薯用自來水沖洗，去除一些造成污染的物質(zhì)灰塵、表面污物以及殺蟲劑殘留；配制濃度為500 μL·L-1NaClO 溶液浸泡消毒5 min。②去皮切分。用消毒后的鋒利刀具縱向分割，切成3 mm厚的馬鈴薯片。③消毒。將切分好的馬鈴薯片放入濃度為200 μL·L-1NaClO 溶液中消毒5 min。

1.3.3 超聲波處理

消毒后的馬鈴薯切片浸泡在裝有500 mL 蒸餾水的燒杯中，燒杯外層用冰浴處理，將變幅桿探頭調(diào)節(jié)至液面下2 cm 處，在此條件下進(jìn)行超聲，用紗布將處理后的馬鈴薯片表面的水分輕輕拭干，每袋裝入3片大小、厚度均勻的原料，每組做3 個平行，放入 4 ℃冰柜冷藏待測。

1.3.4 PPO 的測定

參照范凱[17]的方法并稍作修改。

1.3.5 單因素試驗(yàn)

（1）超聲功率的篩選。精密稱取馬鈴薯，固定超聲時間10 min，超聲溫度20 ℃，超聲功率設(shè)為120 W、240 W、420 W 和600 W。按PPO 活性測定公式，計(jì)算鮮切馬鈴薯片PPO 的活性。

（2）超聲時間的篩選。精密稱取馬鈴薯，固定超聲功率240 W，超聲溫度20 ℃，超聲時間設(shè)為 5 min、10 min、20 min和30 min。按PPO活性測定公式，計(jì)算鮮切馬鈴薯片PPO 的活性。

（3）超聲溫度的篩選。精密稱取馬鈴薯，固定超聲功率240 W，超聲時間10 min，超聲溫度設(shè)為0 ℃、10 ℃、15 ℃和30 ℃。按PPO 活性測定公式，計(jì)算鮮切馬鈴薯片PPO 的活性。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

參考單因素試驗(yàn)的結(jié)果，將超聲功率、超聲時間、超聲溫度定為自變量，馬鈴薯PPO 活性值定為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)3 因素3 水平的實(shí)驗(yàn)，如表1 所示。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲功率對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

如圖1 所示，當(dāng)超聲時間和溫度是固定值時，超聲功率對鮮切馬鈴薯片PPO 活性有顯著的影響。在超聲功率為0 ～600 W 時，PPO 活性先逐漸下降后出現(xiàn)上升，在超聲功率為420 W 時，PPO 活性最小，為141.53 U·g-1，較未處理組顯著降低了22.21%（P＜0.05）。在超聲處理過程中，隨著功率的增大，鮮切馬鈴薯PPO 活性會降低是由于超聲波的空化效應(yīng)，由微氣泡的形成與坍縮而產(chǎn)生的空化可釋放大量的能量從而對酶起到鈍化作用[18]，氣泡收縮及崩潰瞬間呈現(xiàn)出局部的高溫和高壓，可導(dǎo)致酶失去活性[19]?？栈?yīng)會破壞酶蛋白的空間構(gòu)象，使蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、生物活性喪失[20]。羅佳麗[21]研究發(fā)現(xiàn)，120 W、4 min 的超聲處理最大程度的降低鮮切紫薯的PPO 活性。

圖1 超聲功率對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

2.1.2 超聲時間對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

如圖2 所示，當(dāng)超聲功率和溫度是固定值時，超聲時間對鮮切馬鈴薯片PPO 活性有顯著的影響。當(dāng)超聲處理時間延長至20 min，酶活性最小，為144.71 U·g-1。與未處理組相比（179.75 U·g-1），酶活性降低了19.49%（P＜0.05）。王文宗等[22]研究表明，超聲處理可以在一定程度上使PPO 的分子構(gòu)象發(fā)生改變，而酶的活性出現(xiàn)先下降后上升的趨勢可能是由于PPO 在組織中以兩種形式存在，分別是膜狀PPO 和游離PPO，超聲會增強(qiáng)馬鈴薯細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致更多的膜狀PPO 脫離[23]。

圖2 超聲時間對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

2.1.3 超聲溫度對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

如圖3 所示，當(dāng)超聲功率和時間一定時，隨著溫度的升高PPO 活性先呈下降趨勢，在10 ℃達(dá)到最低，這可能是由于隨著溫度的升高，分子的熱運(yùn)動加劇破壞了PPO 的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其活性降低[24]。當(dāng)溫度超過10 ℃，PPO 活性又出現(xiàn)逐步上升 趨勢。

圖3 超聲溫度對鮮切馬鈴薯片PPO 活性的影響

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表2 所示。對表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到A、B、C3 個因變量與響應(yīng)值PPO 活性的回歸模型Y=333.58-0.66A-5.26B+0.72C+0.003AB-0.002AC-0.005BC+0.000 7A2+0.10B2+0.03C2。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

回歸模型進(jìn)行方差分析的結(jié)果見表3。由表3 可知，在此模型中A、B、C、AB、A2和B2項(xiàng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響極顯著（P＜0.01），BC交互項(xiàng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著（P＞0.05），剔除不顯著項(xiàng)后二次回歸方程為Y=333.58-0.66A-5.26B+0.72C+0.003AB-0.002AC+0.000 7A2+0.10B2+0.03C2。

由表3 可知，回歸模型的P＜0.01 說明顯著性較高，能較好地模擬出真實(shí)曲面。失擬項(xiàng)P=0.103 1，F(xiàn)=4.1，二者均大于0.05，差異不顯著，說明模擬性較好。R2=0.996 4、調(diào)整后的R2Adj=0.991 8，二者差異小于0.2，說明該模型擬合度較好。變異系數(shù)為1.22%＜10%，精密度為51.01 ＞4，表明該模型有較高的精密度。由F值可知，對馬鈴薯PPO 活性影響程度大小的因素依次是超聲功率＞超聲時間＞超聲溫度。

表3 回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)

響應(yīng)曲面的曲面坡度及等高線的偏離程度可直觀地反映各因素間的交互作用強(qiáng)弱[25]。響應(yīng)面坡度陡峭程度、等高線橢圓形狀均能反映出超聲功率、超聲時間、超聲溫度這3 個因素互相作用的強(qiáng)弱。曲面傾斜度越大，則該因素對響應(yīng)值的影響越顯著。由圖4 ～圖6 可知，超聲功率與超聲時間的交互作用對馬鈴薯PPO 活性的影響程度最大，超聲功率與超聲溫度的影響次之，超聲時間與超聲溫度對PPO活性的影響最小，各因素的交互作用對PPO 活性影響的顯著性為AB＞AC＞BC。

圖4 等高線圖和響應(yīng)曲面圖

圖6 等高線圖和響應(yīng)曲面圖

通過響應(yīng)面軟件的分析優(yōu)化出抑制PPO 活性的最佳處理?xiàng)l件為超聲功率429.05 W，超聲處理時間19.77 min，超聲處理溫度10.48 ℃。在此條件下，馬鈴薯PPO 活性為136.49 U·g-1。根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整最佳處理?xiàng)l件為超聲功率420 W，超聲時間 20 min，超聲溫度10 ℃。在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到PPO 活性為139.32 U·g-1，與理論值相近，說明此模型與實(shí)際基本實(shí)現(xiàn)吻合，進(jìn)一步說明該方法是可行且可靠的。

圖5 等高線圖和響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)，探究了不同因素對鮮切馬鈴薯PPO 活性的影響，得出最佳處理?xiàng)l件為超聲功率420 W，超聲時間20 min，超聲溫度10 ℃。在此條件下，鮮切馬鈴薯的PPO 活性為139.32 U·g-1，與理論值136.49 U·g-1相近，說明該模型準(zhǔn)確度較高。研究結(jié)果表明超聲處理可以顯著延緩馬鈴薯的氧化褐變，因此研究結(jié)果可為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。但超聲可以延緩馬鈴薯氧化褐變的機(jī)理尚不明確，這也是今后繼續(xù)研究的一個方向。