溫雪珊，時(shí) 月，鄭煜焱，王瑞琪，，馬 越，趙曉燕，4，張 超

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工和食品營(yíng)養(yǎng)研究所，北京 100097；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161；3.果蔬農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜產(chǎn)后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）屬于茄科茄屬多年生草本植物，是世界上四大糧食作物之一，與人們的生活息息相關(guān)[1-3]。馬鈴薯在去皮和切割等加工過(guò)程中，會(huì)與空氣接觸，發(fā)生由酶催化的褐變反應(yīng)，該反應(yīng)主要由多酚氧化酶及其底物酚類(lèi)物質(zhì)的存在引起。馬鈴薯發(fā)生褐變后，其色澤、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等特性均會(huì)產(chǎn)生變化，并且酶促褐變產(chǎn)生的黑色素或黑色素聚合體不溶于水，不利于人體消化吸收，降低產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，甚至有可能影響食品的安全性[4]。研究人員采用低溫處理、高溫處理和涂膜處理等方式，延緩馬鈴薯的酶促褐變，并從多個(gè)方面揭示褐變形成的機(jī)制。但是，針對(duì)多酚氧化酶引起的酶促褐變防控技術(shù)及其機(jī)制綜述性總結(jié)鮮有報(bào)道。

因此，介紹多酚氧化酶的主要特點(diǎn)，著重綜述了馬鈴薯中多酚氧化酶引起酶促褐變的防控技術(shù)，并從影響酶促褐變的3個(gè)主要方面闡釋抑制褐變的機(jī)制，為研究馬鈴薯酶促褐變控制技術(shù)的研究者提供技術(shù)支撐和參考。

1 多酚氧化酶

1.1 多酚氧化酶的功能和分類(lèi)

多酚氧化酶又稱(chēng)兒茶酚氧化酶、酪氨酸酶、苯酚酶、甲酚酶、鄰苯二酚氧化還原酶，是六大類(lèi)酶中的氧化還原酶。該酶主要參與生物氧化過(guò)程，廣泛分布于植物、動(dòng)物和真菌等細(xì)胞內(nèi)，位于質(zhì)體膜上，是由核基因編碼、多基因控制的一種末端氧化酶[5-6]。

多酚氧化酶可分為3類(lèi)：?jiǎn)畏友趸福ɡ野彼崦窽yrosinase，EC.1.14.18.1）、雙酚氧化酶（兒茶酚氧化酶Catechol oxidse，EC.1.10.3.2）和漆酶（Laccase，EC.1.10.3.1）。在這3類(lèi)多酚氧化酶中，兒茶酚酶主要分布在植物中，微生物中的多酚氧化酶主要包括漆酶和單酚氧化酶[7]。馬鈴薯中引起酶促褐變的多酚氧化酶包括單酚氧化酶和雙酚氧化酶[8-9]。

1.2 多酚氧化酶的分子結(jié)構(gòu)

多酚氧化酶是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中翻譯后形成67～70 kDa的前體蛋白，然后由轉(zhuǎn)運(yùn)肽運(yùn)送到質(zhì)體，并且在蛋白酶的作用下加工成為成熟肽，分子量為50～60 kDa。多酚氧化酶蛋白主要由轉(zhuǎn)運(yùn)肽和2個(gè)保守的富含His的銅離子活性中心（CuA和CuB）3個(gè)部分組成（圖1）[10]。CuA和CuB 2個(gè)結(jié)合域是多酚氧化酶蛋白活性所必需的，且每個(gè)銅離子活性中心分別有3個(gè)組氨酸氨基。盡管這2個(gè)結(jié)合域在不同的植物中高度保守，相比之下CuB較CuA具有更高的變異性，而這種變異可能反映了不同多酚氧化酶對(duì)底物的選擇性。

多酚氧化酶蛋白結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 多酚氧化酶蛋白結(jié)構(gòu)

1.3 多酚氧化酶的作用機(jī)理

在果蔬正常呼吸作用中，酶促褐變的關(guān)鍵酶不會(huì)催化酚類(lèi)物質(zhì)、多酚類(lèi)物質(zhì)或醌類(lèi)物質(zhì)。因此，正常的植物組織細(xì)胞即使具備酚類(lèi)物質(zhì)、氧氣、多酚氧化酶3個(gè)條件也不會(huì)發(fā)生酶促褐變。但是，當(dāng)植物組織細(xì)胞一旦受到去皮、切分等外界損傷性應(yīng)激，并接觸到空氣中的氧氣時(shí)，多酚氧化酶的作用被激活，當(dāng)酶促褐變的3個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，果蔬將發(fā)生酶促褐變反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程多以2-氨基-3-對(duì)羥苯基丙酸為底物，在多酚氧化酶和氧氣配合下，催化2-氨基-3-(4-羥基苯基)丙酸轉(zhuǎn)化為2-氨基-3(3,4-二羥基苯基)丙酸，并進(jìn)一步催化羥基轉(zhuǎn)化為醌基形成2-氨基-3(3,4-二醌苯基)丙酸。該組分一方面可以自身發(fā)生脫水縮合反應(yīng)形成2-羧基-2,3-二氫-5,6-二羥基吲哚（A），該組分即為黑色素，而該組分化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，其羥基易發(fā)生氧化反應(yīng)，羧基易發(fā)生脫羧反應(yīng)。在氧氣和羥基存在的環(huán)境中，易發(fā)生脫羧反應(yīng)形成為5,6-二羥基吲哚（B）、5-羥基,6-醌吲哚（C）、5-醌,6-羥基吲哚（D）和5,6-二醌吲哚（E），而且A、B、C和D組分之間還存在相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，B、C和D組分均為黑色素；在氧氣和氫離子存在的環(huán)境中，易發(fā)生氧化反應(yīng)形成2-羧酸,5-羥基,6-醌吲哚（F）、2-羧酸,5-醌,6-羥基吲哚（G）和羧酸,5.6-醌吲哚（H），而且A、F、G和H組分之間還存在相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，F(xiàn)、G和H組分均為黑色素；2-氨基-3(3,4-二醌苯基)丙酸另一方面可能與半胱氨酸的硫基發(fā)生縮合反應(yīng)，醌基還原為羥基形成2-氨基-3(3-S-2-氨基丙酸,4,5-二羥基苯基)丙酸，然后苯環(huán)上的氨基與羥基發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，形成苯并噻嗪基丙氨酸（I），該組分為黑色素。最終A、B、C、D、E、F、G、H和I組分中的一種或若干種黑色素形成混合黑色素，產(chǎn)生褐變現(xiàn)象[11]。

多酚氧化酶引起酶促褐變形成機(jī)理見(jiàn)圖2。

圖2 多酚氧化酶引起酶促褐變形成機(jī)理

1.4 多酚氧化酶的生理功能

馬鈴薯中多酚氧化酶的功能主要與其抗應(yīng)激能力有關(guān)。研究表明，在馬鈴薯接受外界應(yīng)激時(shí)，多酚氧化酶的活性及其mRNA表達(dá)量均增加、多酚氧化酶轉(zhuǎn)錄子集中在受傷部位等，這些研究都提示多酚氧化酶與抗應(yīng)激有關(guān)[12]；同時(shí)，多酚氧化酶還可以通過(guò)醌共價(jià)調(diào)節(jié)親核氨基酸形成抗?fàn)I養(yǎng)機(jī)制，抵御昆蟲(chóng)和病原體[13]。還有研究顯示，多酚氧化酶可以作為一種氧化還原酶還在光合作用中發(fā)揮作用[14]。

2 多酚氧化酶酶促褐變的防控技術(shù)

2.1 低溫處理

低溫處理主要是將果蔬原料在較低溫度下貯藏的一種處理，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可控、效果顯著等特點(diǎn)，是防控酶促褐變應(yīng)用最廣泛的果蔬保鮮方式。低溫處理不僅可以降低多酚氧化酶活性[15]，還可以通過(guò)抑制微生物活動(dòng)降低其腐爛發(fā)病率，保持其應(yīng)有品質(zhì)，幾乎成為所有果蔬貯藏保鮮的首選方式。研究顯示，經(jīng)低溫處理后的馬鈴薯在低溫處理（2～4℃）條件下，可以延長(zhǎng)貨架期3 d[16]；而在低溫（15℃）聯(lián)合防褐變劑處理?xiàng)l件下，在貯藏期第6天后多酚氧化酶活性和顏色變化值最小[17]。劉戰(zhàn)麗等人[18]研究發(fā)現(xiàn)低溫處理（2℃）顯著性降低多酚氧化酶活性35%，有效延緩馬鈴薯褐變。鞏玉芬[19]研究發(fā)現(xiàn)低溫處理（0℃）使馬鈴薯的貨架期達(dá)到9 d。

2.2 高溫處理

高溫處理主要是將果蔬原料在較高的溫度環(huán)境中放置的一種處理，具有安全、高效等特點(diǎn)，也在果蔬保鮮上得到廣泛應(yīng)用，在抑制多酚氧化酶引起的褐變方面具有明顯的效果。姚桂枝[20]研究發(fā)現(xiàn)高溫處理（45℃熱水處理5 min）降低馬鈴薯褐變度34%。張迎娟等人[21]研究發(fā)現(xiàn)高溫處理（60℃熱水處理1 min）降低了多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性，提高了L*值，減輕了褐變，貨架期可達(dá)6 d。侯志強(qiáng)[22]研究發(fā)現(xiàn)高溫處理（45℃熱空氣處理6 h）的馬鈴薯在第12天未出現(xiàn)褐變現(xiàn)象。

2.3 氣調(diào)包裝處理

氣調(diào)包裝處理主要是改變果蔬包裝內(nèi)氣體組分比例的一種處理，具有抑制多酚氧化酶和苯丙氨酸酶活性，降低果蔬褐變度，延長(zhǎng)商品貨架期等功能，已廣泛應(yīng)用于果蔬的保鮮貯藏[23]。研究顯示，氣調(diào)包裝處理（12% CO2+3% O2+85% N2）抑制鮮切馬鈴薯多酚氧化酶活性，降低褐變，在貯藏16 d依然具有商品性[24]。趙欣等人[25]研究發(fā)現(xiàn)，氣調(diào)包裝處理（40% CO2+50% O2+10% N2）降低鮮切馬鈴薯片中多酚氧化酶活性78%；采用氣調(diào)包裝處理（51% CO2+15% O2+34% N2）可以降低多酚氧化酶活性53%[26]。

2.4 真空處理

真空處理主要包括真空包裝和真空浸漬處理2種技術(shù)。真空包裝處理可以阻隔環(huán)境中的氧氣，從而降低果蔬褐變，因此廣泛應(yīng)用于果蔬品質(zhì)維持領(lǐng)域。徐冬穎等人[27]采用真空包裝處理（聚乙烯袋包裝）4 d后，鮮切馬鈴薯的褐變度降低33%。張敏歡等人[28]研究發(fā)現(xiàn)，真空包裝聯(lián)合靜電場(chǎng)處理顯著性抑制鮮切馬鈴薯酶促褐變現(xiàn)象。蔣元元等人[29]研究發(fā)現(xiàn)，真空包裝處理（0.05 MPa和0.1 MPa）未對(duì)鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性產(chǎn)生顯著性影響，也不能抑制其褐變現(xiàn)象。真空浸漬處理促進(jìn)某些組分滲透入果蔬，從而影響多酚氧化酶的活性。張琪等人[30]研究?jī)?yōu)化真空浸漬曲酸的技術(shù)條件，有效抑制鮮切馬鈴薯多酚氧化酶活性（412 U/mL）。

2.5 高壓處理

高壓處理具有影響蛋白酶高級(jí)結(jié)構(gòu)，鈍化多酚氧化酶活性等作用，近年來(lái)在果蔬保鮮中被廣泛應(yīng)用[31-32]。韓文娥[33]發(fā)現(xiàn)高壓處理（500 MPa、10 min）降低鮮切馬鈴薯絲中多酚氧化酶活性和褐變度，保質(zhì)期延長(zhǎng)至10 d。姜莉等人[34]研究發(fā)現(xiàn)，高壓處理鈍化馬鈴薯多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶活性的最佳技術(shù)條件是在400 MPa處理40 min，環(huán)境的pH值為8.0。索慧敏等人[35]采用高壓聯(lián)合處理（300 MPa處理10 min+1.0%氯化鈣）提高馬鈴薯硬度。陳水科等人[36]研究發(fā)現(xiàn)，高壓處理抑制多酚氧化酶活性，降低褐變，并且高壓處理壓力值越大鈍化效果越好。

2.6 超聲波處理

超聲波處理通過(guò)空化作用抑制馬鈴薯的褐變，其機(jī)制一般認(rèn)為超聲波的空化作用產(chǎn)生自由基，自由基實(shí)現(xiàn)滅酶的作用效果；也有研究人員認(rèn)為空化作用使蛋白質(zhì)氨基酸之間的化學(xué)鍵斷裂，從而抑制馬鈴薯褐變。張琪[37]研究，發(fā)現(xiàn)超聲波處理分別降低鄂薯3號(hào)（超聲功率720 W，超聲時(shí)間20 min，溫度20℃）和隴薯5號(hào)（超聲功率540 W，超聲時(shí)間15 min，溫度20℃）多酚氧化酶活性15%和12.74%；楊明冠等人[38]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理（功率為600 W處理90 min）降低鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活力至54.21%。王寧馨等人[39]的研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理（25℃下超聲功率300 W處理8 min）降低鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性24.13%。

2.7 涂膜處理

涂膜處理常采用噴涂或浸漬方式使包材覆蓋在果蔬表面，控制果蔬與外界的氣體交換，從而達(dá)到延長(zhǎng)果蔬的貨架期。杜傳來(lái)等人[40]研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉涂膜處理優(yōu)于卡拉膠膜和殼聚糖涂膜處理，并且降低鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性。王娟慧等人[41]研究發(fā)現(xiàn)，涂膜處理（0℃，1%的殼聚糖）抑制鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性，抑制褐變，其貨架期達(dá)到6 d。林順順等人[42]和王允祥等人[43]優(yōu)化最佳可食性涂膜處理配方分別為大豆分離蛋白0.2 g/kg，殼聚糖0.15 g/kg，褐藻酸鈉0.1 g/kg，以及2.5 g/L維C+6 g/L檸檬酸+1.5 g/L氯化鈣，這2個(gè)配方可以降低鮮切馬鈴薯褐變程度。也有研究人員用納米二氧化鈦[44]、不同pH值的羧甲基纖維素鈉[45]和百里香精油[46]等涂膜技術(shù)處理鮮切馬鈴薯，均取得不錯(cuò)的效果。

2.8 酸化劑處理

酸化劑處理通過(guò)改變體系的pH值，從而影響多酚氧化酶的活性。多酚氧化酶的最適pH值為4.0～7.5，通過(guò)使用酸化劑使其偏離最適pH值，抑制多酚氧化酶活性。額日赫木等人[47]研究發(fā)現(xiàn)，使用酸化劑處理（1%檸檬酸聯(lián)合超聲功率360 W超聲時(shí)間7.5 min）可以降低鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性。許彬等人[48]研究發(fā)現(xiàn)，酸化劑處理（如檸檬酸與氯化鈉、抗壞血酸和L-半胱氨酸）可以降低鮮切馬鈴薯的褐變度。趙明等人[49]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)5種酸化劑處理抑制馬鈴薯褐變度的能力依次為草酸＞亞硫酸鈉＞乙酸＞檸檬酸＞酒石酸＞沒(méi)食子酸。王偉等人[50]研究發(fā)現(xiàn)，酸化劑處理（50 mmol/L亞硫酸氫鈉）第6天鮮切馬鈴薯片的褐變指數(shù)為0.6，并對(duì)多酚氧化酶活性抑制作用不可逆。

2.9 基因工程處理

利用基因工程處理可以抑制多酚氧化酶的表達(dá)，培育出不易褐變的馬鈴薯品種。王清等人[51]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因品系GD-9-qc-1中馬鈴薯的多酚氧化酶活性表達(dá)不明顯，多酚氧化酶活性比對(duì)照組降低26.01%～48.65%，褐變度降低40.45%～46.78%。陳亞蘭[52]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因品系GD-9-qc-44的褐變強(qiáng)度最低僅為3.01，多酚氧化酶活性為4.3 U/g。陳明俊[53]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯突變體POT32-2和POT32-5中多酚氧化酶活性分別降低20.77%和14.88%。

2.10 氨基酸和酶處理

氨基酸可以螯合多酚氧化酶上的銅離子，從而抑制多酚氧化酶活性。例如，半胱氨酸可以和醌類(lèi)物質(zhì)結(jié)合生成穩(wěn)定的無(wú)色化合物，從而抑制褐變[54]。Ali H M等人[55]研究發(fā)現(xiàn)甘氨酸（＞100 mmol/L）、纈氨酸（＞1.0 mol/L）和苯丙氨酸（＞1.0 mol/L）促進(jìn)鮮切馬鈴薯褐變，而低濃度則會(huì)抑制褐變。

部分植物的活性成分，如蛋白酶和小分子多肽等，也具有抑制多酚氧化酶活性的功能。趙小芳[56]研究發(fā)現(xiàn)不同酶抑制鮮切馬鈴薯褐變的效果不同（0.4%木瓜蛋白酶＞0.3%菠蘿蛋白酶＞0.4%海洋魚(yú)低聚肽＞0.5%海洋魚(yú)蛋白肽），通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)得到5%無(wú)水檸檬酸+0.3%木瓜蛋白酶+0.4%菠蘿蛋白酶組合處理鮮切馬鈴薯褐變度為0.332%，同時(shí)也抑制多酚氧化酶活性。

馬鈴薯酶促褐變防控技術(shù)及其效果見(jiàn)表1。

表1 馬鈴薯酶促褐變防控技術(shù)及其效果

3 防控機(jī)制

由多酚氧化酶引起的酶促褐變，至少需要以下3個(gè)必要：氧氣、底物和多酚氧化酶。從現(xiàn)有的多酚氧化酶活性控制的技術(shù)來(lái)看，化學(xué)抑制主要采用含銅試劑和酸化劑等；物理方法主要采用低溫、高壓和超聲波等方法。此外，為了更加有效地控制多酚氧化酶活性，人們還從植物中尋找到一些具有抑制多酚氧化酶活性的天然物質(zhì)（如果仁糖[57]、皂角苷和三萜系配糖等[58]）。這些天然物質(zhì)可以抑制多酚氧化酶活性，還避免了化學(xué)試劑所引起的污染。

3.1 控制氧氣

控制氧氣的方法有氣調(diào)包裝處理、真空處理和可食性涂膜處理。通過(guò)控制不同氣體比例降低氧氣濃度，從而抑制馬鈴薯的酶促褐變現(xiàn)象，延長(zhǎng)商品貨架期；通過(guò)真空包裝隔絕外界氧氣可以有效降低馬鈴薯酶促褐變；可食性涂膜通過(guò)控制呼吸作用，阻礙氧與酶的接觸，有利于產(chǎn)品的保鮮和貨架期的延長(zhǎng)。

3.2 控制底物

多酚氧化酶在氧氣的參與下催化酚類(lèi)物質(zhì)生成醌，醌聚合變成了黑色素化合物。酚類(lèi)化合物化學(xué)性質(zhì)十分活躍，在馬鈴薯實(shí)際加工和實(shí)驗(yàn)中控制酶促褐變?nèi)サ孜锏姆椒赡苄詷O小，現(xiàn)實(shí)的方法主要從原料的選擇、酶活性和氧氣的控制等方面入手。

3.3 控制酶

控制酶的方法有高溫處理、低溫處理和酸化劑處理等技術(shù)。多酚氧化酶是一種以銅離子為輔基的金屬蛋白，高溫易使蛋白質(zhì)變性，適當(dāng)?shù)母邷乜梢遭g化多酚氧化酶活性甚至使其失活，從而控制馬鈴薯酶促褐變，適當(dāng)?shù)蜏乜梢杂行Ы档投喾友趸富钚裕瑥亩种岂R鈴薯褐變。但需要注意雖然馬鈴薯的多酚氧化酶活性隨著溫度降低而受到抑制，但過(guò)低溫度也會(huì)引起馬鈴薯冷害或凍害情況，因此溫度不可一味降低。

4 結(jié)語(yǔ)

馬鈴薯發(fā)生酶促褐變被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，綜述低溫處理、高溫處理和氣調(diào)包裝處理等技術(shù)在馬鈴薯多酚氧化酶酶促褐變防控的效果，分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并討論各種方法抑制多酚氧化酶引起褐變的機(jī)制，為未來(lái)研究者提供技術(shù)的參考，以促進(jìn)解決馬鈴薯酶促褐變問(wèn)題。