果蔬汁防褐變的研究進(jìn)展

馬 爍，趙 華

（天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市工業(yè)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市微生物代謝與發(fā)酵過程控制技術(shù)工程中心，天津 300457）

伴隨著人們安全和健康意識的提高，食品工業(yè)對生產(chǎn)更健康、更優(yōu)質(zhì)、更天然食品的興趣與日俱增。各個(gè)消費(fèi)群體對果蔬的半加工產(chǎn)品的要求也越來越高，不僅要求其方便食用，還要求果蔬新鮮、品質(zhì)高、營養(yǎng)豐富。近幾年，果蔬半加工品業(yè)在迅猛發(fā)展的同時(shí)，也面臨著水分流失、褐變產(chǎn)生、營養(yǎng)消耗等問題[1]。在這些問題中，褐變問題是生產(chǎn)中最棘手的問題，降低了商品本身的價(jià)值和消費(fèi)者的購買欲望，同時(shí)也制約了果蔬半加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

褐變是指食品的顏色隨著時(shí)間的延長逐漸變?yōu)楹稚蛏詈稚默F(xiàn)象，而顏色是影響外觀的最重要的屬性之一，果蔬顏色的任何變化都會影響消費(fèi)者對產(chǎn)品的可接受性，對水果、蔬菜等食品會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。當(dāng)前，果蔬中能夠檢測出2 種褐變形式，根據(jù)其機(jī)理的不同，可分為酶促褐變和非酶促褐變2 種，由于果蔬中的多酚含量較高，機(jī)體保持了動態(tài)平衡，其組織一旦受到低溫等生物脅迫或機(jī)械損傷，就會引起氧大量侵入機(jī)體，破壞動態(tài)平衡，單酚類物質(zhì)被羥基化為鄰二酚，然后被多酚氧化酶（又叫茶酚酶） 氧化為醌類，再通過自身聚合或與氨基酸等結(jié)合最終產(chǎn)生黑色素，而直接影響果蔬營養(yǎng)價(jià)值，由此可得出酶促褐變主要受酚類物質(zhì)、酚酶和氧氣3 個(gè)因素的影響[3]。非酶褐變反應(yīng)包括抗壞血酸降解、脂質(zhì)過氧化和焦糖化、還原糖與含有游離氨基的化合物（如氨基酸、肽和蛋白質(zhì)） 縮合引發(fā)的反應(yīng)。這種反應(yīng)也被稱為美拉德反應(yīng)，它會使果蔬的外觀、口感等方面產(chǎn)生不良影響。水果和蔬菜的組成成分非常復(fù)雜，大部分的反應(yīng)都是以復(fù)合而非單獨(dú)的形式進(jìn)行。選用適當(dāng)?shù)目购肿兎椒?，可有效地改善果蔬褐變度，避免營養(yǎng)損失[4]。當(dāng)前的研究表明，果蔬半加工業(yè)在我國還有很大的發(fā)展空間，用合理、健康的方法控制果蔬等食品的褐變是當(dāng)前亟待解決的問題。

1 影響褐變的因素

與此相關(guān)的酶包括多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，簡稱PPO）、過氧化酶（Peroxidase，簡稱POD） 等，其中多酚氧化酶的活性對控制酶促褐變有至關(guān)重要的影響，因此影響酶活性的因素，如溫度、pH 值、內(nèi)源酚類化合物的類型等，都可直接或間接性地影響褐變反應(yīng)的發(fā)生[5]。多酚氧化酶催化2 種反應(yīng)：第一種是單酚羥基化為雙酚，反應(yīng)相對緩慢，產(chǎn)物無色；第二種是雙酚氧化為奎寧，反應(yīng)迅速，產(chǎn)生有色產(chǎn)物。參與這些反應(yīng)的底物位于細(xì)胞胞液中，而酶位于細(xì)胞質(zhì)中；這些反應(yīng)只有在混合和有氧的情況下才能發(fā)生。因此，所有現(xiàn)象（切割、沖擊、硬度損失） 都會導(dǎo)致褐變反應(yīng)的開始，從而導(dǎo)致風(fēng)味的損失或變化。

美拉德反應(yīng)指的是還原糖與氨基酸在一定條件下相互作用最終生成類黑精色素；還原糖不僅可以參與美拉德反應(yīng)還能夠參與焦糖化反應(yīng)，是在加熱條件下糖類物質(zhì)脫水以及熱分解的反應(yīng)，即焦糖化褐變；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)生的自動氧化變色過程[6]。美拉德反應(yīng)是果蔬加工過程中最重要的反應(yīng)之一，極大地影響基本食品質(zhì)量屬性，其發(fā)生條件取決于溫度、pH 值，以及還原糖的濃度和類型、氨基酸的濃度和類型、化合物或抑制劑、水含量產(chǎn)品特性、化學(xué)成分等條件。

1.1 影響酶促褐變的因素

1.1.1 溫度

多酚氧化酶是含銅酶的一種，屬于氧化還原酶，它的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在果蔬和其他植物組織中普遍存在，控制多酚氧化酶活性能對酶促褐變反應(yīng)的發(fā)生有很大的抑制作用[7]。而影響其活性的重要因素之一是溫度。果蔬種類不同其酶活性的最適溫度和失活溫度也不盡相同，相關(guān)試驗(yàn)表明，白葡萄PPO 活性最適溫度為20 ℃，而碭山酥梨的PPO 活性最適溫度為40 ℃。白葡萄PPO 活性在80 ℃很快消失，碭山酥梨的PPO 活性在70 ℃活性減弱甚至消失，而香蕉中的PPO 在100 ℃才失活[8]。在果蔬防酶促褐變研究中，蒸汽熱燙是優(yōu)選使用的方法，因?yàn)榕c水熱燙相比，它簡單并且能夠保存水溶性維生素和礦物質(zhì)。

1.1.2 pH 值

pH 值是影響酶促褐變的一個(gè)重要因素。據(jù)研究表明果蔬中PPO 的最適pH 值一般在6~7，多酚氧化酶的活性隨著pH 值的降低而逐漸下降，當(dāng)pH 值小于3 時(shí)，酚酶無明顯活性，是因?yàn)樵趶?qiáng)酸條件下，能夠?qū)е旅傅鞍字械你~離子被解離，從而使多酚氧化酶失活。相比堿性環(huán)境，多酚氧化酶在酸性條件下的活性更低。對于山藥在pH 值5.6 時(shí)PPO 的活力最強(qiáng)，pH 值達(dá)到7.2 時(shí)其活性近乎為0[9]。不同品種的果汁的PPO 最適活性可能會有所不同，香水梨和皇冠梨PPO 活性的最適pH 值分別為5 和6，在其他條件保持不變的情況下，香水梨更容易發(fā)生酶促褐變[10]。因此，通過調(diào)節(jié)pH 值能有效抑制PPO的活力。

1.1.3 氧氣

氧氣是發(fā)生酶促褐變的重要條件之一，但是只有活性氧（ROS） 才能直接參與酚類氧化反應(yīng)，ROS氧化能力很強(qiáng)，一旦果蔬受到機(jī)械等損傷，ROS 的動態(tài)平衡就會遭受破壞，造成其大量積累，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化，最終加速果蔬酶促褐變[11]。但是在果蔬貯藏過程中，如果完全去除氧氣很容易造成水果和蔬菜二氧化碳中毒，所以貯藏過程中經(jīng)常會采用氣調(diào)貯藏法，榨汁生產(chǎn)是用真空脫氣法[12]。在貯藏環(huán)境中減少氧氣大都采用氣調(diào)法，按比例增加二氧化碳、氮?dú)獾?，以此來替換空氣，從而消除或降低氧氣參與酶促反應(yīng)。

1.2 影響非酶褐變的因素

1.2.1 金屬離子

金屬離子能夠催化氧與酚類物質(zhì)結(jié)合，促進(jìn)酚類物質(zhì)的氧化。表明金屬離子可加快褐變反應(yīng)速率，如鐵離子、鈉離子、鋰離子等[13]。相對一種金屬而言，多種金屬彼此有協(xié)同作用更能加快非酶褐變的發(fā)生[14]。在研究金屬離子對蘋果汁非酶褐變反應(yīng)的影響中，證明了鐵離子和銅離子都能加快非酶褐變反應(yīng)速率，并且得出Fe3+比Fe2+褐變效果更顯著[15]。其原因包括2 個(gè)方面研究：一是由于氧氣不能直接與酚類結(jié)合，二價(jià)鐵離子能有與氧氣結(jié)合，產(chǎn)生的過氧化氫自由基，導(dǎo)致過氧化氫的生成，從而產(chǎn)生褐變；二是酚類物質(zhì)與三價(jià)鐵離子能夠發(fā)生螯合，而被氧化成醌類物質(zhì)，三價(jià)鐵被還原成二價(jià)鐵離子，從而使得該反應(yīng)得到循環(huán)。

1.2.2 pH 值

pH 值是果蔬發(fā)生非酶褐變的重要因素之一， 在研究黃烷醇化學(xué)氧化與褐變關(guān)系中，Dong X 等人[16]通過模擬酚類物質(zhì)氧化體系，采用不同的因素測定對酚類的影響程度，最終pH 值占據(jù)首位，由此可得，pH 值是多酚氧化反應(yīng)中一個(gè)重要因素。根據(jù)大量試驗(yàn)得出酚類氧化速率和pH 值息息相關(guān)，且二者呈正相關(guān)，在做蓮藕中酚類物質(zhì)的氧化模擬試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在堿性條件下更容易導(dǎo)致酚類物質(zhì)氧化[17]。所以，得出酚類化合物的氧化在堿性條件下更易發(fā)生。

1.2.3 糖類

因果蔬非酶褐變以美拉德反應(yīng)為主，而該反應(yīng)分為3 個(gè)階段，首先是還原糖（主要是葡萄糖） 與氨基酸發(fā)生縮合反應(yīng)，反應(yīng)可分為2 種情況，一種是形成Amadori 重排產(chǎn)物，另一種生成的是Heyns 重排產(chǎn)物，前者是由于該體系中有醛糖，與氨基酸反應(yīng)生成N -羰基化合物，然后重排形成的，后者是因?yàn)轶w系有酮糖。還原糖的種類及結(jié)構(gòu)都會對美拉德反應(yīng)產(chǎn)生不同的影響[18]。通過試驗(yàn)得出，五碳糖比六碳糖更容易發(fā)生美拉德反應(yīng)，單糖比雙糖更容易發(fā)生美拉德反應(yīng)，如核糖相比葡萄糖或果糖發(fā)生美拉德反應(yīng)速度更快， 而葡萄糖比乳糖反應(yīng)速度更快[19]。而添加淀粉不僅可改善產(chǎn)品的質(zhì)地、顏色，增加總可溶性固形物含量，保護(hù)果肉顏色，使其經(jīng)受美拉德反應(yīng)或焦糖化反應(yīng)。

2 抑制褐變的方法

褐變不但會引起氨基酸等營養(yǎng)嚴(yán)重?fù)p失，甚至?xí)a(chǎn)生致癌物質(zhì)，所以研究有效抑制褐變的方法迫在眉睫。抑制褐變的方法可以根據(jù)褐變反應(yīng)機(jī)理加以解決，因此從酶促褐變和非酶褐變兩大類進(jìn)行探討。

2.1 抑制酶促褐變

酶促褐變抑制方法可分為物理法和化學(xué)法。

2.1.1 物理方法

抑制酶促褐變物理方法包括：①驅(qū)氧或隔絕空氣，可用N2和CO2等惰性氣體來代替空氣，通過真空處理法、氣調(diào)包裝、涂膜處理或是食物上涂上食用涂層等方法來避免與氧氣的接觸等方法[20]；②控制溫度，溫度過高或過低都能使酶的活性降低，但是溫度過高會使蛋白質(zhì)變性，因此在加工或貯藏時(shí)采用低溫環(huán)境[21]；③輻照，使用紫外線60Co 和γ 射線照射都是抑制酶促褐變的潛在技術(shù)；④中等強(qiáng)度的微波處理，在果蔬干燥加工中，采用該方法能鈍化酶的活性，從而有效抑制酶促褐變的發(fā)生[22]；⑤蒸汽熱燙，該方法的預(yù)處理在烘箱中干燥，可降低氧化酶活性[23]。

2.1.2 化學(xué)方法

抗氧化劑、螯合劑、天然萃取物酸化或還原等酶促褐變的化學(xué)方法，有亞硫酸、谷胱甘肽、抗壞血酸等。

（1） 抗氧化劑。抗氧化劑有抗壞血酸、谷胱甘肽、赤霉酸、N -乙酰半胱氨酸（NAC） 等?？寡趸瘎┘催€原劑，可參與氧氣的反應(yīng)，也可與中間物反應(yīng)，使體系中的醌及其衍生物還原為無色的酚，從而中斷反應(yīng)抑制黑色素生成，最終抑制褐變反應(yīng)。在果蔬防褐變中最普遍使用的一種抗氧化劑是抗壞血酸。有研究表明，抗壞血酸不能直接與PPO 酶進(jìn)行反應(yīng)，但可通過減少氧化底物，即抗壞血酸氧化為脫氫抗壞血酸，酶促生成的鄰醌還原為其前體雙酚，作為PPO 的競爭抑制劑來抑制褐變的發(fā)生[24]。據(jù)研究報(bào)道，褪黑素作為一種抗氧化劑，能保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，防止DNA 損傷，通過清除自由基，增強(qiáng)抗氧化性，增強(qiáng)抗氧化性和減少脂質(zhì)過氧化來降低過氧化物水平，可抑制酚類化合物的氧化。

（2） 螯合劑。螯合劑能夠與多酚氧化酶中的Cu2+形成絡(luò)合物或與其底物反應(yīng)，從而中斷反應(yīng)的進(jìn)行[25]。許多羧酸都具有良好的抗褐變性，在果蔬防褐變中常用的螯合劑有檸檬酸、草酸、蘋果酸等。以果蔬中常見的12 種羧酸為例，分別浸泡蘋果片3 min，然后監(jiān)測3 h 后蘋果片褐變效果的試驗(yàn)，最終得出對蘋果片防褐變性最好的3 種羧酸分別為酒石酸、丙二酸、草酸，其次是檸檬酸、蘋果酸等[26]。由于檸檬酸安全性高、極易溶于水等優(yōu)點(diǎn)，即使其抗褐變活性并非很強(qiáng)，但依然廣泛應(yīng)用于果蔬防褐變產(chǎn)業(yè)中[27]。據(jù)研究表明，乳鐵蛋白作為一種金屬螯合蛋白，具有抗菌性，且對脂質(zhì)氫過氧化物的形成具有抗氧化作用，從而影響果蔬脂質(zhì)氧化和褐變。

（3） 天然防褐變劑。由于人們越來越注重飲食安全的問題，相對以往不健康、高成本的合成添加劑，更傾向于選擇更健康、低成本的天然防褐變劑。通過對食品可持續(xù)發(fā)展的研究，發(fā)現(xiàn)可從農(nóng)業(yè)食品的副產(chǎn)品中提取PPO 抑制劑，以替代合成添加劑[28]。根據(jù)試驗(yàn)得出洋蔥能夠抑制蘋果汁褐變，在新鮮的蘋果汁中加入洋蔥，不僅蘋果汁自由基清除能力得到提高，可溶性固形物、總酚類化合物含量也有所增加，更重要的是褐變程度明顯得到改善[29]。菠蘿汁同樣可作為防褐變劑，采用電荷分離法對菠蘿汁進(jìn)行分餾，最終得到的分餾組分對蘋果粗提取物的酶促褐變的抑制率至少達(dá)到26%。

2.2 抑制非酶褐變

研究表明，果蔬非酶褐變以美拉德反應(yīng)為主，雖然美拉德反應(yīng)能夠賦予食品特殊風(fēng)味，但是褐變會使果蔬因顏色的改變而使其質(zhì)量下降。因此，抑制非酶褐變的目的是有效地控制美拉德反應(yīng)。

2.2.1 物理方法

果蔬貯藏過程中，非酶褐變普遍發(fā)生，反應(yīng)速度受到溫度的直接影響。Mirard 反應(yīng)中，產(chǎn)生一種羥基糠醛，可與氨基酸發(fā)生聚合、縮合反應(yīng)，最終生成類黑色素。溫度對梨汁非酶褐變度的影響較大，溫度高于30 ℃時(shí)，隨反應(yīng)速率的增加，5 -羥甲基糠醛含量越高，低于10 ℃時(shí)反應(yīng)速率顯著降低，褐變程度明顯改善[30]。氧氣和光照強(qiáng)度也會影響非酶褐變的發(fā)生。對容易發(fā)生褐變的水果、蔬菜，應(yīng)避光貯存，減少氧氣接觸，避免接觸金屬器皿，探討不同光照條件對石榴汁褐變的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)光照對其影響最大[31-32]。同時(shí)，由于包裝材料的不同，導(dǎo)致果汁發(fā)生了不同程度的褐變，在對比研究中發(fā)現(xiàn)，鋁箔袋包裝可避免紫外線、隔離氧氣，從而證明鋁箔袋對非酶褐變有良好的抑制作用。

2.2.2 化學(xué)方法

美拉德反應(yīng)、抗壞血酸反應(yīng)等非酶褐變程度均與pH 值大小有關(guān)， pH 值的不同會對非酶褐變反應(yīng)產(chǎn)物的降解有著不同程度的影響，其中pH 值在8.0~9.0 時(shí)，褐變最為嚴(yán)重，在pH 值小于3.0 時(shí)，褐變程度較輕。在研究pH 值對果蔬非酶褐變的影響中，試驗(yàn)得出在pH 值較低情況下，可抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生，在分別對比pH 值為2.0，3.0 和4.0 對果汁非酶褐變的研究中，發(fā)現(xiàn)pH 值為2.0 的抑制效果最佳[37]。由于果汁在加工貯存中發(fā)生的非酶褐變是以美拉德反應(yīng)為主，氨基酸是參與美拉德反應(yīng)的重要物質(zhì)，有試驗(yàn)證明若將果蔬中氨基酸除去，非酶褐變速率明顯降低，但從其營養(yǎng)角度方面考慮，該方法有一定弊端[33]。但通過大量試驗(yàn)得出，L -半胱氨酸等氨基酸能夠抑制非酶褐變反應(yīng)[15]。添加亞硫酸鹽，可抑制果蔬褐變。

3 結(jié)語

造成果蔬褐變原因很多，從酶促褐變和非酶褐變進(jìn)行分析，并對影響這2 種褐變的因素及抑制褐變的方法進(jìn)行了介紹。在果蔬發(fā)生褐變過程中這些反應(yīng)并非單獨(dú)進(jìn)行，而是以復(fù)合形式參與。近年來，國內(nèi)外對果蔬酶促褐變的研究居多，通過研究與酶促反應(yīng)有關(guān)的酶來抑制褐變的發(fā)生，主要有3 個(gè)方面：第一，降低或抑制酶活性；第二，降低底物含量，即降低酚類物質(zhì)；最后是提高抗氧化酶的性能。對非酶褐變的抑制主要來自于美拉德等反應(yīng)機(jī)制。當(dāng)前，國內(nèi)外抑制酶褐變的主要方法是利用化學(xué)方法——添加抗氧化劑，但未來食品行業(yè)向更安全、更環(huán)保、更健康的方向出發(fā)，因此將采用更有效的方法，物理方法不僅成本低，而且安全，天然防褐變劑相對合成添加劑而言更健康。所以，將物理或其他方法結(jié)合起來，對于果蔬防褐變技術(shù)有較大的應(yīng)用價(jià)值。