不同品種菊芋總酚含量、PPO活性、POD活性及其與褐變的關系

鞏慧玲 李善家 李志忠

（蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）俗稱洋姜、鬼子姜，原產于北美洲，是菊科向日葵屬的多年生草本植物，能形成地下塊莖的栽培種，染色體數2n=102。由于菊芋具有耐旱、耐寒、耐鹽堿、抗風沙、繁殖性強、適應性廣等特點，在我國南北各地均有栽培。菊芋塊莖營養豐富，富含菊糖等果糖多聚物、葡萄糖、多種氨基酸和礦物質元素，不僅可以鮮食、腌制、榨汁及直接加工為菊芋干、果脯和果醬等，而且經過現代技術分離可得到菊芋粉、低聚果糖和高果糖漿，國際上已公認其具有較高的營養價值和保健作用，開發利用前景非常廣闊（王鳳 等，2008；劉丹梅 等，2009）。然而，菊芋在加工過程中極易發生褐變，嚴重影響了產品的商品價值和經濟價值（李璟琦，2008）。

近幾十年來，許多學者對植物的褐變進行了深入廣泛的研究，普遍認為植物褐變的主要原因是氧化酶類（主要包括多酚氧化酶和過氧化物酶，即polyphenol oxidase和peroxidase，簡稱PPO和POD）作用于天然底物酚類物質所引起的（沈金玉 等，2005；李璟琦，2008；Chisari et al.，2008）。在正常發育的植物組織中，底物、氧、PPO同時存在并不發生褐化，因為在正常組織細胞內多酚類物質分布在液泡中，酶分布在各種質體和細胞質內，這種區域性分布使底物與多酚類物質不能接觸，因而避免了正常組織中酶促褐變的發生，更主要的是由于酚類物質在正常的植物組織中作為呼吸傳遞體參與了呼吸代謝作用，酚與醌之間的氧化還原呈動態平衡；而當植物組織細胞受到破壞后（衰老、加工過程中），正常的呼吸鏈被打斷，氧氣的侵入造成酚類物質在氧化酶的作用下迅速氧化成鄰醌，轉而又通過快速的非酶聚合作用形成褐色素或黑色素（Mayer，2006）。李璟琦（2008）研究了菊芋塊莖不同部位的褐變強度及PPO活性，發現菊芋塊莖中褐變強度與PPO活性呈正相關；劉樹文等（1998）研究了菊芋PPO的一些酶學特性，但不同品種間PPO、POD、總酚與褐變的研究鮮見報道。因此，本試驗選用5個菊芋品種，研究不同品種PPO活性、POD活性、總酚含量與褐變強度的關系，以期為菊芋食品加工中選擇適宜的菊芋品種、防止褐變提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用5個菊芋品種，其中青海的青芋2號、北京菊芋7號和甘肅定西品種為3個北方品種，南芋1號和江蘇地方品種為2個南方品種。5個品種分別收集自原產地，于2008年11月種植于甘肅省榆中縣夏官營鎮蘭州大學試驗田內，采用隨機區組設計，3次重復，每小區30株。翌年開春后（3月底），噴灌澆水，整個生長期內不再進行灌水，拔節期中耕除草1次。9月中旬～10月初植株開花，11月初莖稈開始干枯后收獲塊莖，小區塊莖混合貯于4 ℃冷庫備用。

1.2 方法

1.2.1 總酚含量測定 隨機選取已貯藏20 d的菊芋塊莖3個，用打孔器均勻打取12份圓柱狀塊莖，去皮、切成小片后混勻，準確稱取0.5 g菊芋鮮樣，參考安佰義和趙飛（2005）的方法測定總酚含量。以鄰苯二酚作標準曲線，計算樣品中總酚的毫克數。

1.2.2 PPO、POD活性和褐變強度的測定 稱取待測樣品2 g（取樣方法同1.2.1），加入6 mL預冷的磷酸緩沖液（0.05 mol·L-1，pH 7.0），冰浴研磨成勻漿，4 ℃、10000×g離心20 min，上清液即為粗酶液，用于PPO、POD活性和褐變強度的測定。

參考蔣益虹（2003）的方法，以鄰苯二酚溶液為底物，采用分光光度法測定PPO活性；以愈創木酚和 H2O2溶液為底物，采用分光光度法測定 POD活性。兩種酶的活性均以每分鐘相應波長下吸光度變化0.01規定為一個酶活力單位（U）。

褐變強度的測定參考Cheng和Crisosto（1995）的方法略有改動，將粗酶液稀釋3倍后于25℃水浴中保溫15 min，采用美國瓦利安公司生產的Varian Cary 50型紫外/可見分光光度計，在420 nm波長下測定其吸光度A，結果以A420表示褐變強度。

2 結果與分析

2.1 不同品種菊芋總酚含量的比較

酚類物質是植物組織酶促褐變的主要底物。如圖1所示，不同品種間總酚含量有顯著差異，南芋 1號的總酚含量最小，為 666 μg·g-1（FW）；江蘇地方品種、青芋 2號和甘肅定西品種 3個品種間的總酚含量無顯著差異，均高于南芋1號22 %左右。北京菊芋7號的總酚含量最大，為1554 μg·g-1（FW），比其他品種高88 %～133 %。北京菊芋7號呈棒狀，表皮紫色，皮厚，而其他4個品種呈不規則瘤形，表皮淡黃色至淡黃褐色不等，皮薄。由此表明，菊芋次生代謝物質多酚的產生量可能與其形態特性有一定的聯系。

2.2 不同品種菊芋PPO活性的比較

PPO通常被認為是引起果蔬產品采后和加工中褐變最重要的酶類。不同菊芋品種間PPO活性差異顯著，3個北方品種的PPO活性均顯著大于2個南方品種（圖 2），其中北方品種青芋2號PPO活性最大，為8.6 U·g-1（FW），其次是甘肅定西品種和北京菊芋7號，二者之間差異不顯著；而2個南方品種PPO活性最小，二者之間差異不顯著，均是4.8 U·g-1（FW），比青芋2號低44 %。

圖1 不同品種菊芋的總酚含量

圖2 不同品種菊芋的PPO活性

2.3 不同品種菊芋POD活性的比較

POD也是引起酶促褐變的一個主要酶類（Chisari et al.，2008）。如圖3所示，不同菊芋品種間 POD活性有較大差異，與 PPO活性類似，也表現為北方品種顯著高于南方品種，其中青芋2號和甘肅定西品種POD活性均為10.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7號高46 %；南芋1號和江蘇地方品種POD活性分別是6.1 U·g-1（FW）和5.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7號低22 %。

2.4 不同品種菊芋褐變強度的比較

如圖4所示，不同菊芋品種間褐變強度的差異達顯著水平，同PPO、POD活性類似，也表現為北方品種的褐變強度顯著高于南方品種，其中北方品種北京菊芋7號和青芋2號的褐變強度較大，二者差異不顯著，其次是另一北方品種甘肅定西品種，褐變強度為 0.23；2個南方品種的褐變強度差異不顯著，均比甘肅定西品種低23 %左右。

圖3 不同品種菊芋的POD活性

圖4 不同品種菊芋的褐變強度

2.5 不同品種菊芋褐變的相關性及主成分分析

本試驗采用的5個菊芋品種中，北方品種的總酚含量、PPO活性、POD活性和褐變強度均大于南方品種，相關分析表明，5個品種間總酚含量、PPO活性、POD活性與褐變強度的相關系數r分別是0.722、0.790和0.537，進一步顯著分析表明，這種相關性均不顯著。但去除唯一一個外形呈棒狀、表皮紫色的品種北京菊芋7號，對其他4個外形呈不規則瘤形、表皮淡黃色至淡黃褐色的品種（青芋2號、甘肅定西品種、南芋1號和江蘇地方品種）進行相關分析表明，PPO活性與褐變強度之間呈顯著正相關，相關系數r為0.982，而POD活性、總酚含量與褐變強度之間相關性不顯著。

對不同菊芋品種PPO活性、POD活性和總酚含量進行主成分分析，由表1可以看出，前 2個主成分特征值的累積貢獻率已達到98.532 %，因此提取的 2個主成分可以概括菊芋褐變的信息。在第1主成分中，PPO、POD活性貢獻值均較大，在第2主成分中，總酚含量的貢獻值最大（表 2）。由此表明，PPO活性、POD活性和總酚含量這3個變量共同影響菊芋的褐變。

表1 不同菊芋品種褐變的主成分分析

表2 不同菊芋品種褐變的主成分矩陣

3 結論與討論

褐變是植物組織中普遍存在的一種生理現象，通常認為是酚類物質的酶促氧化所致（Tom á s-Barbe rá n & Esp í n，2001；沈金玉 等，2005）。絲瓜、百合、萵苣和石榴等許多果蔬的褐變強度與PPO、POD活性和酚類化合物含量的相互關系已有較多報道（Tomás-Barberán & Esp í n，2001；蔣益虹，2003；Degl’Innocenti et al.，2005；Zhang & Zhang，2008；黃樹蘋 等，2009），對菊芋褐變的研究僅見到PPO活性的相關研究。本試驗中，對褐變相關的3個因素即PPO活性、POD活性和總酚含量的主成分分析表明，PPO活性、POD活性和總酚含量這3個因素共同影響菊芋的褐變，說明菊芋的褐變是由氧化酶和酚類底物共同決定的。

本試驗表明，不同菊芋品種間PPO活性、POD活性、總酚含量和褐變強度差異顯著，各指標均是北方品種大于南方品種，但相關分析表明，引起褐變的氧化酶（PPO和POD）活性及底物（總酚）與褐變強度之間均無相關性，而去除唯一一個外形呈棒狀的品種，也是總酚含量最大的品種北京菊芋7號后，其他品種的PPO活性與褐變強度之間呈顯著正相關。分析其原因：雖然酶促褐變反應是由氧化酶和酚類底物共同決定的，但不同品種的氧化酶活性和酚類底物的量（特別是酶的最適底物的量）均不同，這兩個因素中起主導作用的因素在不同品種中可能也是不同的，如在北京菊芋7號中，影響褐變的主導因素可能是酚類底物的量，而在其他品種中可能是PPO活性，加上本試驗選用的菊芋品種數較少，從而影響了品種間PPO活性、POD活性、總酚含量和褐變強度的相關顯著性分析。Amiot等（1995）研究發現，梨對褐變的敏感程度與品種有關，對有些品種而言，總酚含量越高就越容易發生褐變；畢陽等（2002）對梨果皮的褐變研究中發現蘋果梨、鴨梨和冬果梨總酚含量與褐變強度的相關系數較大，而各個品種PPO活性與褐變強度之間的相關性很低。此外，苯丙氨酸解氨酶也參與酚類的代謝轉化，膜脂的過氧化作用也與褐化密切相關，這幾方面因素對菊芋褐變的影響有待于進一步研究。

較多的研究表明，多酚、PPO和POD除了可引起植物組織褐變以外，植物在遭受逆境脅迫特別是受低溫脅迫或病蟲害侵染時，多酚含量、PPO和POD活性有不同程度的升高，因而這些物質可以作為植物抗寒性和抗病性的指標之一（冷平 等，2001；蔡傳杰 等，2003；江萍和孫向東，2004）。本試驗中，3個北方菊芋品種的多酚含量、PPO和POD活性均大于南方品種，這可能預示北方品種可能比南方品種具有更強的抗逆性。

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