酶促褐变

青岛农业大学

果蔬加工新进展课程论文

酶促褐变在果蔬加工中的研究进展Research Advances of Enzymatic Browning During the Processing of Fruits and Vegetables

姓名：董立君

学号：200707109

专业：农产品加工及贮藏工程

中国·青岛

2008年1月

酶促褐变在果蔬加工中的研究进展

董立君200707109

(青岛农业大学266109)

摘要：介绍了酶促褐变的机理和发生酶促褐变的物质条件，综述了在果蔬加工中控制酶促褐变的方法。

关键词：酶促褐变；机理；物质条件；控制方法

Abstract: This paper introduces the principles and the physical conditions of enzymatic browning, then reviews control methods of enzymatic browning during the processing of fruits and vegetables. Key words: enzymatic browning; principles; physical conditions; control methods

果蔬褐变是果蔬成熟老化生理衰退的特征之一。由于发展快，造成果蔬品质变化，贮藏期缩短，成为贮藏保鲜的主要障碍，也成为果蔬采后研究的热点。Smock 等人在苹果的贮藏研究中发现有八类生理失调反应，包括冻害、冷害、组织衰老、缺钙、高二氧化碳、低氧、机械伤等均能引起果实褐变，由此可见造成果实褐变的原因是多方面的。果蔬的褐变从本质上可分为两大类，即非酶褐变和酶促褐变。其中酶促褐变是组织中的酚类物质在酶的作用下氧化成醌类，醌类聚合形成褐色物质从而导致组织变色。果蔬褐变以酶促褐变为主，一直是采后生理研究的重点。一、酶促褐变的机理

在果蔬加工过程中，完整细胞中酚类化合物和醌类化合物之间的动态平衡被破坏，由于空气中氧的侵入和原果蔬中多酚氧化酶的催化作用，多酚类物质被氧化成邻醌，然后，在酚羟基酶作用下进行二次羟基化作用，生成三羟基化合物，邻醌具有较强的氧化能力，可将三羟基化合物氧化成羟基醌，羟基醌进一步聚合由红色变为褐色，最后变成黑褐色的黑色素物质[1]。

1.1酚、酶的区域分布假说

质膜是活细胞与环境之间的界面和屏障，能有效保证膜内外物质交换有效的进行。在正常发育的植物组织中，由于多酚类物质分布在细胞液泡内，而PPO分布在各种质体或细胞质内，因此即使它们与氧同时存在也不会发生褐变。一旦细胞壁和细胞膜的完整性被破坏，酶与PPO接触，在氧的参与下使酚类物质氧化成醌，进行一系列的脱水、聚合反应，最后形成黑褐色物质，从而引起褐变[2]。

1.2自由基伤害假说

自由基袭击生物大分子和膜脂，会导致膜脂过氧化加剧，膜系统结构和功能的破坏，膜透性增大，进而导致代谢障碍和膜系统的破坏和解体。正常情况下，由于机体内存在防御系统，故自由基代谢保持平衡。但在干旱、高盐分、SO2、O3、低温或水分亏缺时，由于自由基产生过多，此时活性氧的产生和清除平衡体系被打破，会导致植物细胞受到伤害，从而引起褐变的发生。

1.3 保护酶系统假说

通常情况下，植物组织中有较高的还原势，正常的氧化还原代谢平衡使氧化形成的醌类物质通过还原氧化或转化而未聚和。保护酶系统包括两类物质:一是氧化酶系统，主要有超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶`（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)等，它们可以清除自由基、活性氧，以防止其对细胞膜的攻击，防止膜脂过氧化；二是抗氧化酶系统，主要有谷胱甘肽还原酶（GSH）、抗坏血酸（ASA）、维生素E（VE），类胡萝卜素(Car)、细胞色素f（Cytf）、氢醌和含硒化合物等，它们能清除自由基和活性氧，也可以作为抗氧化剂，对酚类物质的氧化起抑制作用。在逆境下，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CA T）三者作用失调，导致H2O2积累，从而引起褐变的发生[3]。

二、酶促褐变的物质条件

2.1酚类物质

植物体内的酚类物质种类多，分布广，含量丰富。该物质主要是由碳水化合物代谢衍生出来的产物。虽然酚类物质种类繁多，但除了类黄酮以外，多数酚类物质的生物合成均来自共同的前体物质苯丙氨酸，其它部分由乙酞-CO A经聚酮酐途径产生。酚类物质作为酶促褐变的底物有很多报道，在苹果、梨、桃、葡萄、草毒、香蕉、荔枝、枣、杏、蘑菇、树毒等果实中研究证实。如谭兴杰等(1987)对荔枝果皮褐变的研究表明，褐变的主要底物是酚类物质类黄酮和花色素酐，氧化成酮后，通过自身聚合或与其它含-NH2或-SH化合物聚合浓缩而生成褐色的产物。胡晓丹等(1999)研究发现酚类物质在莲藕的不同生长部位和组织部位分布很不均匀，在不同的贮藏条件下，总酚含量与褐变度有很好的负相关性。鸭梨黑心病是其贮藏过程中经常发生的一种生理性病害，严重影响品质和贮藏期，该病研究表明也是一种酶促褐变，氧化底物主要是绿原酸，在鸭梨果实内这种物质含量高，而日多酚氧化酶的活

性高，因此鸭梨的黑皮病容易发生。

2.2与褐变有关的酶类

与酶促褐变密切相关的酶类主要是多酚氧化酶(PPO)，它是一种含铜离子的膜蛋白酶，大多存在于细胞中，有的也存在于细胞膜和细胞壁上。PPO所能引起的反应常会使果肉褐变，产生异味，井造成营养成分损失等。多酚氧化酶能够催化两类不同的反应：一类是一元酚羟基化，生成相应的邻一二羟基化合物；第二类是邻二酚氧化，生成邻苯醌。两类反应均是需氧反应。鞠志国等在研究莱阳梨果肉褐变时发现褐变底物绿原酸是PPO的最适底物；吴耕西等在鸭梨上也得出相同的结论；李明启等提出荔枝果皮中多酚氧化酶的存在是褐变的主要原因；谭兴杰等还从荔枝果皮中分离出了PPO的底物，从而进一步证明PPO在果皮褐变中的作用。

2.3氧的存在

氧气是生物生命活动的主要参加物质，也是生命活动不可缺少的。正常的果实是完整的有机体，具有天然氧的屏障系统，植物组织通过表皮、气孔、皮孔、细胞间隙等气体交换系统完成植物生命过程的氧气需要，多余的氧气被排斥在组织以外，使组织与氧隔绝，组织不褐变。氧气浓度一定时，二氧化碳浓度与果肉褐变呈正相关，说明高二氧化碳可以加重果肉组织的伤害；但相同二氧化碳浓度下，果实褐变氧气浓度影响不大，这又说明植物组织具有很好的保护系统，避免高氧对组织的伤害，空气中的氧气不能直接与酚类物质在PPO的作用下发生褐变，代谢中的活性氧才是酶促褐变的主要需氧条件。

三、酶促褐变控制

酶促褐变发生必须同时具有多酚类物质、多酚氧化酶和氧气存在，控制其中一项内容就可防止酶促褐变发生。影响酶促褐变的主要因素包括温度、pH值、氧以及抑制剂。酶促褐变抑制规则按如下所小：（1）抑制或降低多酚氧化酶活性；（2）去除或隔离底物；( 3)去除氧；(4)除掉反应中间产物。目前，关于酶促褐变抑制的研究很多，但实际应用的却很少。

3.1温度

热处理可有效地抑制多酚氧化酶活性，随着温度的升高酶活性降低，这是由于高温造成蛋白质变性而引起的。因此，加热是最彻底的抑制酶促褐变的方法，目前已被广泛应用，烫漂和巴氏杀菌处理均属于此类方法，其处理的关键是要在最短时

间内达到钝化酶的目的。否则，易因加热过度而影响产品质量，使产品具有蒸煮味；相反，如果热处理不彻底，破坏了细胞结构，不但未钝化酶类，反而会增加酶与底物接触机会进而促进酶褐变。一般来说，在75~ 95℃之间热处理5 ~7分钟，可使大部分酶失活[4]。但是有些水果（如香蕉、苹果、梨等）中多酚氧化酶热稳定性较高，加工时酶活性不易失活。梨、苹果果实组织中多酚氧化酶在沸水中需45min才能失活[5]。香蕉一般在90 ~100℃热水中处理10分钟酶的活性才能完全丧失[6]。百合在加工贮藏过程中，褐变的控制以热烫的影响最为显著，其次是调节pH值，再次是加抗氧化剂（异VC钠）[7]。

3.2 pH值

钱和(2002)研究表明，多酚氧化酶活性在pH4.5以上条件下开始增强，pH值5 ~7时逐渐达到最高，低于2.5时几乎完全失活。香蕉中多酚氧化酶对pH值很敏感，在pH值5.8 ~6.0时活力最高[8]，但是，苹果中多酚氧化酶耐酸性很强，在pH值3.0条件下仍可保持最高活力的40%。通过使用酸化剂降低pH值抑制酶促褐变已得到广泛的应用，酸化剂有葡萄糖酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸等，其中最常用的是柠檬酸。

0.2%柠檬酸处理可使蚕豆保鲜期达5周[9]。不同酸化剂抑制效果不同，张学杰等（1999）认为，高浓度苹果酸对马铃薯丝护色效果比柠檬酸好。酸化剂往往与其他抑制剂混合使用，因为单一的通过调pH值抑制酶促褐变不能取得理想的效果。A Mohammad试验证明，柠檬酸、抗坏血酸与三梨酸钾混合剂对香蕉乳褐变具有更好的抑制效果。王清章（1997）将0.05% 的NaHSO3和0.2%的柠檬酸混合使用对抑制莲藕褐变非常有效。JS Tronc(1998)采用复极性离子膜电渗析法调节苹果汁pH值至

2.0时能有效地抑制褐变，但对苹果浊汁的化学组成和感官品质影响极小。

3.3氧气

氧是酶促褐变不可缺少的条件，除去氧或降低环境中氧含量可有效地抑制酶促褐变的发生。除去或减少体系中氧气含量常用的机械方法是真空脱气法。另外，较为可行的脱氧方法还有酶法脱氧，例如，在产品中加入适量葡萄糖氧化酶或过氧化氢酶，不但可以去除或减少产品中的氧气，达到抑制褐变的目的，而且还能防止好气菌的生长繁殖，同时由于产生过氧化氢，还能起到杀菌作用[10]。Gunnes（1997)采用气调包装保鲜马铃薯（3% O2和9% CO2）也能够很好地控制褐变。Gomy JR试验表明，氧分压在0.25 kPa以内可抑制莴苣和桃切片的褐变。然而，低氧或超低氧条件下极易引起果蔬无氧呼吸，产生异味，尤其在温度控制不当时更易发生。相反，

高氧包装保鲜能够抑制莴苣、马铃薯和苹果的褐变，而且100 kPa高氧处理比1 kPa 低氧处理对抑制Spartan苹果切片褐变更为有效，且无异味产生[11]。

3.4抑制剂(抗坏血酸)

抗坏血酸具有还原性，它将醌类物质及其衍生物还原成酚类物质，还可降低体系pH值，并通过自身氧化来减少体系的含氧量。P G James(2002)用2%抗坏血酸、1%乳酸钙和0.5%半胱氨酸混合（pH值7.0)浸泡梨片，可有效地延长保鲜期，抑制褐变。异抗坏血酸是L-抗坏血酸同分异构体，具有相同的抗氧化特性。高愿军等(1997)认为，用0.8% ~1.0% D-异抗坏血酸钠浸渍梨片具有较好的护色效果，而且抗坏血酸价格是异抗坏血酸的5倍，从节省成本角度考虑，异抗坏血酸优于抗坏血酸。半胱氨酸是一种安全试剂，控制褐变效果好，作为焦亚硫酸钠替代品极有潜力[12]。增顺德等（2006）在鲜切马铃薯丝褐变抑制剂筛选试验中发现，当抗坏血酸加入量达到0.4~0.6 g/L时，马铃薯PPO活性受到显著抑制，加入量达1.0时儿乎可完全抑制PPO 活性，1.0×10-3g/mL时L-Cys结合1.5×10-3g/mL抗坏血酸可有效地延长马铃薯丝货架期。

四、展望

目前人们对酶促褐变机理有了更深入的认识，PPO已得到纯化，其相关的生物学特性也有大量研究，并且找到了多种控制鲜切果蔬褐变的措施。但酶促褐变的机理尚末完全明确，褐变控制措施的效果并不十分理想。由于鲜切果蔬是活的有机体，其褐变的发生与材料的生理状态有不可分割的联系。因此，揭示褐变深层次的调控机制，将会极大地丰富褐变理论，同时对探索褐变的有效控制技术具有良好的指导意义。

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