褐變抑制劑對(duì)果蔬多酚氧化酶的影響

劉文靜　張映霞　羅立新　張建良　張銳　郭眾仲

摘 要：果蔬貯藏過程中，褐變問題嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，由多酚氧化酶引起的酶促褐變備受關(guān)注，尋找合適的抑制方法是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。一些化學(xué)抑制劑對(duì)于酶促褐變具有良好的抑制效果，本文綜述了果蔬褐變的機(jī)理，抗壞血酸、半胱氨酸、檸檬酸抑制劑的作用原理及具體應(yīng)用，旨在為解決由酶促褐變引起的果蔬生產(chǎn)加工問題提供參考，促進(jìn)果蔬品質(zhì)的提升。

關(guān)鍵詞：褐變；抑制劑；多酚氧化酶

Effect of Browning Inhibitors on Polyphenol Oxidase in Fruits and Vegetables

LIU Wenjing1，2， ZHANG Yingxia1，2， LUO Lixin3， ZHANG Jianliang3， ZHANG Rui1，2， GUO Zhongzhong1，2*

（1.Key Laboratory of Conservation and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin， Xinjiang Production and Construction Corps， Alar 843300， China; 2.National and Local Joint Engineering Laboratory of High Efficiency and High Quality Cultivation and Deep Processing Technology of Characteristic Fruit Trees in Southern Xinjiang， Alar 843300， China; 3.College of Horticulture and Forestry， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract： During the storage of fruits and vegetables， the browning problem seriously affects their economic value and nutritional value. Enzymatic browning caused by polyphenol oxidase has attracted much attention. Finding suitable inhibition methods is a hot research topic at home and abroad. Some chemical inhibitors have good inhibitory effects on enzymatic browning. This paper reviews the mechanism of browning of fruits and vegetables， the action principle and specific application of ascorbic acid， cysteine and citric acid inhibitors， aiming to provide reference for solving the production and processing of fruits and vegetables caused by enzymatic browning and promote the quality of fruits and vegetables.

Keywords： browning; inhibitor; polyphenol oxidase

在果蔬生產(chǎn)貯藏過程中，酶促褐變會(huì)對(duì)果蔬的色澤、感官、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)造成較大影響，不僅降低了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值，還對(duì)農(nóng)戶造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。褐變是果實(shí)成熟老化、生理衰退、果實(shí)品質(zhì)劣變的特征之一，可根據(jù)是否有酶的參與分為酶促褐變和非酶促褐變。

參與酶促褐變的主要酶類為多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，PPO），目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)抑制多酚氧化酶活性采取了一系列措施，這些措施多為體外抑制，如脫氧、熱處理、化學(xué)抑制等。目前，使用物理法或化學(xué)法抑制PPO活性是較為常見的處理方式。物理法是通過熱處理來滅活PPO，是食品加工過程中較為簡(jiǎn)單、高效的方式[2]?；瘜W(xué)法是通過褐變抑制劑抑制由PPO導(dǎo)致的褐變，近年來化學(xué)抑制劑被大量學(xué)者研究并使用，在抑制酶促褐變方面取得了良好的效果。其中，抗壞血酸、半胱氨酸、檸檬酸等是表現(xiàn)較好的抑制劑。本文綜述了化學(xué)抑制對(duì)PPO的影響。

1 酶促褐變和非酶促褐變的概念

酶促褐變是指在有氧條件下，酚酶催化酚類物質(zhì)形成具有高度反應(yīng)活性的鄰苯醌及其聚合物的反應(yīng)過程[1]。褐色物質(zhì)聚合導(dǎo)致果實(shí)組織褐變，酶促褐變是果實(shí)褐變的主要原因。前人針對(duì)酶促褐變的研究機(jī)理提出乙醛乙醇毒害學(xué)說、抗壞血酸保護(hù)假說、氧自由基假說以及酚-酚酶區(qū)域化分布學(xué)說等各種理論學(xué)說，其中被大眾接受的是酚-酚酶區(qū)域化分布學(xué)說[3-4]。該學(xué)說是指植物在不受傷害的正常情況下，酚類物質(zhì)和酶類物質(zhì)呈區(qū)域性分布，酚類物質(zhì)主要存在于液泡當(dāng)中，酶類物質(zhì)主要存儲(chǔ)在細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中，部分存在于細(xì)胞膜和細(xì)胞壁上。當(dāng)植物受到外部環(huán)境影響時(shí)，植物體內(nèi)酚和酶的區(qū)域分布平衡會(huì)被破壞，酶類物質(zhì)會(huì)迅速增加促使酚類化合物被氧化成醌類物質(zhì)，醌類物質(zhì)聚合形成褐色物質(zhì)，使果實(shí)發(fā)生褐變[5]。

非酶促褐變是指褐變過程中沒有酶的參與，食品在加工、貯藏過程中由于表面接觸空氣，其中酚類等物質(zhì)在非酶促條件下被氧化而發(fā)生的顯著顏色變化、趨向加深的現(xiàn)象[6]。

2 酶促褐變的發(fā)生條件

酶促褐變的發(fā)生需要3個(gè)必要條件：酶活性、酚類物質(zhì)、氧氣[7]，只有這3個(gè)因素共同存在、緊密結(jié)合，才會(huì)發(fā)生酶促褐變。多酚氧化酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶是影響果蔬酶促褐變的主要酶類，多酚氧化酶是最易發(fā)生酶促褐變的酶類[8]。在果實(shí)受到外部脅迫時(shí)，果實(shí)內(nèi)的活性氧會(huì)大量積累，膜系統(tǒng)遭到破壞，PPO會(huì)由結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，游離在細(xì)胞質(zhì)當(dāng)中，起到催化作用，導(dǎo)致酶促反應(yīng)的發(fā)生。

酚類物質(zhì)是碳水化合物代謝衍生的產(chǎn)物，在植物體內(nèi)種類多樣、分布廣泛、含量豐富，在褐變過程中作為底物被氧化成醌類物質(zhì)[5]。據(jù)文獻(xiàn)記載，與褐變相關(guān)的酚類物質(zhì)有100多種，共分為4大類，分別為肉桂酸衍生物、類黃酮化合物、單寧和多巴胺[9]。不同果蔬中參與褐變的酚類物質(zhì)的種類不同。

褐變需要氧氣的參與，但只有活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）才能直接參與酚類物質(zhì)的氧化過程[10]。ROS是一種高活性超氧陰離子，在植物體中可以通過多種代謝途徑產(chǎn)生[10]?；钚匝踉谡Ｇ闆r下處于平衡狀態(tài)，一旦果蔬受到外界脅迫或機(jī)械損傷，平衡狀態(tài)被打破，活性氧會(huì)迅速累積，引起細(xì)胞內(nèi)的活性氧代謝失調(diào)。ROS的大量累積會(huì)造成細(xì)胞膜脂的過氧化，加速褐變的發(fā)生。

3 多酚氧化酶的催化機(jī)制

PPO是一類能夠催化酚類物質(zhì)氧化為醌類物質(zhì)的酶。根據(jù)底物類型可分為酪氨酸酶、酚酶、兒茶酚氧化酶、兒茶酚酶、鄰-苯二酚氧化酶以及單酚氧化酶等[2]。PPO首先由核基因編碼成前體蛋白，然后通過N-末端轉(zhuǎn)運(yùn)肽轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)體，并通過C-末端結(jié)構(gòu)域水解后加工成為有活性的成熟肽。在有氧環(huán)境中，兒茶酚氧化酶的催化活性較高，一旦食物在加工貯藏過程中受損，膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，就會(huì)產(chǎn)生酶促褐變。兒茶酚可催化單酚羥基形成二酚，二酚進(jìn)一步氧化形成醌類化合物，醌類化合物聚合形成黑色素[2]。PPO在植物體中廣泛分布，由核基因編碼，多基因控制，且在細(xì)胞質(zhì)中合成，是位于質(zhì)體膜上的一種酶[11]。PPO的Cu結(jié)合區(qū)是該酶的主要功能區(qū)，其他部分則對(duì)酶高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成和維持起作用。與多數(shù)酶類似，PPO通常以酶原形式存在，并無催化活性，其活性的產(chǎn)生依賴于酶高級(jí)結(jié)構(gòu)的變化[7]。在酶促褐變中，PPO主要催化內(nèi)源性酚類物質(zhì)，在有氧的條件下催化單羥基酚氧化羥基化生成鄰位二羥基酚，再催化鄰位酚脫水成為醌類物質(zhì)。醌類物質(zhì)具有很高的活性，會(huì)進(jìn)一步聚合或與氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)發(fā)生氧化聚合反映，生成分子量更高的黑色素或褐色素[12]。

3.1 抗壞血酸對(duì)多酚氧化酶活性的影響

抗壞血酸可以作為螯合劑抑制酶促褐變的發(fā)生，還可作為還原劑將即將形成的醌還原為原底物（兒茶酚）?？箟难釋?duì)酶促褐變的抑制效果與其濃度有直接關(guān)系，隨著抗壞血酸濃度增加，PPO活性逐漸降低。崔明月等[13]對(duì)抗壞血酸在黃金杏的使用中發(fā)現(xiàn)，抗壞血酸濃度在40 mmol·L-1時(shí)對(duì)酶促褐變的抑制效果達(dá)到最強(qiáng)，對(duì)PPO的抑制更為敏感，可抑制黃金杏中70.41%的酶活。湯鳳霞等[14]對(duì)不同濃度抗壞血酸抑制芒果中PPO活性的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抗壞血酸濃度為4 mmol·L-1時(shí)，PPO活力降至原來的一半，濃度增加到5 mmol·L-1時(shí)，PPO活力會(huì)降低至22%。研究表明，低濃度時(shí)抗壞血酸可作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑降低PPO活性，高濃度時(shí)抗壞血酸可直接減少黑色素或褐色素的形成[15]。

抗壞血酸不僅可以作為單一抗褐變劑，還可作為復(fù)合抑制劑使用。?ZO?LU等[16]在對(duì)比了單一抗褐變劑和復(fù)合抗褐變劑后發(fā)現(xiàn)，由0.49 mol·L-1抗壞血酸、0.42 mol·L-1半胱氨酸、0.05 mol·L-1肉桂酸組成的復(fù)合抑制劑能更好地抑制蘋果汁的褐變。抗壞血酸除了可以作為抗褐變劑外，還可以作為食品中補(bǔ)充維生素C的優(yōu)質(zhì)途徑，具有很高的食用安全性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

3.2 L-半胱氨酸對(duì)多酚氧化酶活性的影響

目前學(xué)術(shù)界對(duì)于L-半胱氨酸的抑制機(jī)制仍存在一定爭(zhēng)議。部分學(xué)者認(rèn)為L(zhǎng)-半胱氨酸是通過形成半胱氨酸加合物來捕獲鄰醌，苯酚在半胱氨酸加合物中被完全降解但不形成顏色，巰基有助于清除自由基，因?yàn)閹€基存在時(shí)，半胱氨酸可以作為自由基清除劑。其中比較主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，底物酚被氧化生成醌后不直接與其他醌類、氨基酸、蛋白質(zhì)等結(jié)合成有色物質(zhì)，而是直接與L-半胱氨酸結(jié)合形成競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑無色硫氫化合物，阻止了進(jìn)一步的褐變反應(yīng)?？拙S寶等[17]在L-半胱氨酸抑制多酚氧化酶的研究中表明，L-半胱氨酸直接與醌結(jié)合生成無色的硫氫化合物。

研究表明，L-半胱氨酸的抑制效果會(huì)隨著濃度的增加而增強(qiáng)，但抑制效果不會(huì)隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)[18]。崔明月等[13]在L-半胱氨酸抑制黃金杏褐變的研究中發(fā)現(xiàn)，10 mmol·L-1的L-半胱氨酸可抑制54.79%的PPO活性，推測(cè)其抑制機(jī)理可能與抗壞血酸有相似之處，即它們可以作為還原劑與醌類物質(zhì)結(jié)合形成無色化合物，減少有色物質(zhì)形成。ALI等[18]認(rèn)為，L-半胱氨酸的作用效果與其濃度高低有關(guān)，在較高濃度下（≥1.0%），L-半胱氨酸可與醌類物質(zhì)結(jié)合形成無色產(chǎn)物，而在較低濃度下，L-半胱氨酸則作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。

3.3 檸檬酸對(duì)多酚氧化酶活性的影響

大多數(shù)果蔬中PPO的最適pH值為弱酸性或中性，檸檬酸類有機(jī)酸主要通過降低pH值抑制PPO的活性[7]。李濟(jì)權(quán)[19]研究表明，檸檬酸有效調(diào)節(jié)了荔枝的pH值，在pH值較低的酸性環(huán)境中，PPO失活較快，從而防止酶促褐變的產(chǎn)生。隨著檸檬酸濃度的升高，pH值逐漸下降，達(dá)到一定濃度后還可以進(jìn)一步抑制反應(yīng)，其原理是檸檬酸對(duì)PPO活性中心的銅離子有較強(qiáng)的抑制效果，活性中心受到破壞，PPO活性受到抑制。程立君等[20]研究表明檸檬酸在0.05 mol·L-1的濃度下對(duì)酶活性有較好的抑制效果，抑制率高達(dá)62.03%。在果蔬生產(chǎn)加工過程中，檸檬酸除了可以作為PPO的抑制劑，還有良好的固色作用，可以起到很好的美觀效果。張勝來等[21]在對(duì)蒲菜貯藏期間的護(hù)色實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加含有檸檬酸的復(fù)合護(hù)色劑后，食物顏色保持時(shí)間延長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外對(duì)褐變抑制劑進(jìn)行了分類，對(duì)表現(xiàn)較好的抑制劑進(jìn)行了深入研究。有些抑制劑不僅可以抑制褐變，還可以作為營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，如抗壞血酸，它對(duì)醌類物質(zhì)具有還原作用，可防止醌類物質(zhì)聚合生成有色物質(zhì)，在抑制褐變的同時(shí)還有固色、補(bǔ)充維生素C等作用。因此，尋找安全、無害同時(shí)具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的褐變抑制劑具有十分重要的意義。目前，國(guó)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，生姜、辣椒、蜂蜜等天然提取物中有抑制多酚氧化酶的成分，天然提取物有更高的安全性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較少，可作為今后深入研究的方向。有機(jī)酸類物質(zhì)主要通過降低反應(yīng)體系的pH值，使其遠(yuǎn)離PPO的最適pH值，來實(shí)現(xiàn)對(duì)PPO活性的抑制，如檸檬酸等。L-半胱氨酸則可直接與醌類物質(zhì)結(jié)合形成競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑無色硫氫化合物，阻止進(jìn)一步褐變反應(yīng)的發(fā)生?；瘜W(xué)褐變抑制劑適用范圍較廣泛，發(fā)展較為成熟，應(yīng)觀察不同褐變抑制劑在不同果蔬中的優(yōu)缺點(diǎn)，為果蔬實(shí)際生產(chǎn)貯藏提供參考依據(jù)。

目前，許多化學(xué)褐變抑制劑對(duì)PPO的抑制效果都在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，使用化學(xué)抗褐變劑的果蔬越來越多，但還有許多具有抗褐變效果的化學(xué)抑制劑未經(jīng)開發(fā)使用，還需繼續(xù)擴(kuò)展。在不同的褐變底物和使用濃度下，抗褐變劑的效果不盡相同，開發(fā)新型化學(xué)抗褐變劑和尋找更多褐變底物是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。化學(xué)褐變抑制劑是目前公認(rèn)的抑制酶促褐變效果最佳的方式之一，其被證實(shí)能有效抑制PPO活性的增長(zhǎng)，應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中推廣使用。今后應(yīng)對(duì)化學(xué)抑制劑展開更深入的研究，為抑制PPO引起的酶促褐變提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]閔婷，謝君，鄭夢(mèng)林，等.果蔬采后酶促褐變的機(jī)制及控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（1）：

273-276.

[2]熊志強(qiáng).多種光譜學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)對(duì)接模擬研究多酚類物質(zhì)對(duì)多酚氧化酶的抑制機(jī)理[D].南昌：南昌大學(xué)，2016.

[3]SAQUET A A，STREIF J，BANGERTH F.Changes in ATP， ADP and pyridine nucleotide levels related to the incidence of physiological disorders in ‘Conferencepears and ‘Jonagoldapples during controlled atmosphere storage[J].The Journal of Horticultural Science and Biotechnolo-gy，2000，75（2）：243-249.

[4]齊笑笑.果蔬采后酶促褐變機(jī)理及控制方法研究進(jìn)展[J].北方園藝，2017（11）：190-194.

[5]孫蕾，王太明，喬勇進(jìn)，等.果實(shí)褐變機(jī)理及研究進(jìn)展[J].經(jīng)濟(jì)林研究，2002（2）：92-94.

[6]汪東風(fēng)，孫麗平，張莉.非酶褐變反應(yīng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2006（10）：9-19.

[7]白宇皓，李超，楊志國(guó)，等.梨多酚氧化酶特性與酶促褐變抑制研究進(jìn)展[J].食品科技，2022，47（2）：75-81.

[8]孫鵬程.阿克蘇地區(qū)‘溫185核桃種仁種皮褐化原因調(diào)查與分析[D].阿拉爾：塔里木大學(xué)，2022.

[9]邱棟梁.果實(shí)褐變研究進(jìn)展[J].福建果樹，1997（2）：35-38.

[10]黃彭，丁捷，胡曉敏，等.鮮切果蔬物理防褐保鮮的研究進(jìn)展[J].園藝學(xué)報(bào)，2021，48（6）：1217-1232.

[11]王麗，王萬(wàn)興，李小波，等.植物中多酚氧化酶的研究進(jìn)展[EB/OL].（2017-06-18）[2023-11-12].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=F5NaIWgMQ1DXuJVtih-dGSGn4mItRGPFaOIT6W5nR8B_1MlTEFBWjM-mJQyQkjsnm3tZ-zRH5P2BEjNiynSr0ZDl3g2lFxoAoOWcpQ1Zidb82bwp3TxQbyrD2svY0pq6w9bHXoRetRYLWlsGIEWeaw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS.

[12]YEE W L ，WAI C W.Inhibitory effect of chemical and natural anti-browning agents on polyphenol oxidase from ginger

（Zingiber of ficinale Roscoe）[J].Journal of Food Science and

Technology，2018，55（8）：3001-3007.

[13]崔明月，曲亞男，蔣麗娜，等.抑制劑對(duì)杏多酚氧化酶抑制作用[J].食品工業(yè)，2019，40（6）：225-229.

[14]湯鳳霞，魏好程，曹禹.芒果多酚氧化酶的特性及抑制研究[J].食品科學(xué)，2006（12）：156-160.

[15]THOMAS B.Journal of horticultural science & biotechnology centenary volume[J].The Journal of Horticultural Science and Biotechnology，2019，94（1）：1.

[16]?ZO?LU H， BAYINDIRLI A.Inhibition of enzymic browning in cloudy apple juice with selected antibrowning agents[J].Food control，2002，13（4/5）：213-221.

[17]孔維寶，陸健，趙海鋒，等.L-半胱氨酸抑制多酚氧化酶的機(jī)制研究[J].食品科學(xué)，2007（11）：66-70.

[18]ALI H M，EL-GIZAWY A M，EL-BASSIOUNY R E I，et al.Browning inhibition mechanisms by cysteine，ascorbic acid and citric acid， and identifying PPO-catechol-cysteine reaction products[J].Journal of Food Science and Technolo-gy，2015，52（6）：3651-3659.

[19]李濟(jì)權(quán).荔枝保鮮過程中多酚氧化酶活性的抑制研究[J].廣西民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（4）：29-33.

[20]程立君，王世敏，李周，等.西南冷涼高地鮮切馬鈴薯抗褐變研究[J].保鮮與加工，2021，21（10）：8-14.

[21]張勝來，郁志芳.熱燙蒲菜貯藏期間褐變抑制劑的篩選[J].食品工業(yè)，2013，34（4）：32-35.

基金項(xiàng)目：塔大校長(zhǎng)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（TDZKCX202101）；南疆園藝研究中心科研條件建設(shè)（TDZKKY202204）。

作者簡(jiǎn)介：劉文靜（1999—），女，河南許昌人，碩士。研究方向：果樹栽培與育種。

通信作者：郭眾仲（1991—），男，新疆伊犁人，博士。研究方向：果樹分子育種。E-mail：742560026@qq.com。