大氣壓冷等離子體影響食品酶研究進展

劉勝男，馬云芳，張嶸，范劉敏，相啟森*

1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450001）；2. 食品生產與安全河南省協同創新中心（鄭州 450001）

酶是一類特殊的具有催化活性的蛋白質，廣泛存在于各種食品原料中。內源酶是影響食品質量的重要因素之一，其在食品加工貯藏過程中引發的生物化學反應直接影響食品的營養、質構及感官性質[1]。例如，麥胚等存在的脂肪酶（LA）、脂肪氧化酶（LOX）能夠水解脂肪生成游離脂肪酸并引發酶促氧化，從而造成食品酸敗[2]；廣泛存在于果蔬原料中的多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（POD）等則會催化果蔬制品發生酶促褐變，并對其營養及感官品質造成不良影響[3]。

在食品加工貯藏過程中采取措施控制內源酶活力對于有效保持食品營養價值及感官品質具有重要的意義。雖然普遍采用的熱處理法能夠有效達到滅酶、鈍酶效果，但同時也會破壞食品中熱敏性成分并對風味、質構、色澤等造成不良影響。近年來超高壓、脈沖電場、超聲波、大氣壓冷等離子體、輻照等非熱技術在食品加工中的應用受到廣泛關注[4-6]。大氣壓冷等離子體（ACP）是一種新型非熱加工技術，在食品殺菌保鮮、內源酶失活等領域具有廣闊應用前景[7-9]。因此，該文綜述了近年來國內外在ACP處理影響食品內源酶方面的研究進展，探討ACP作用機制，并對今后研究內容進行討論和展望，以期為ACP技術在食品加工中的應用提供參考依據。

1 大氣壓冷等離子體

1.1 等離子體概述

等離子體（Plasma）是一種宏觀呈電中性的電離氣體，由電子、正負離子、自由基、基態或激發態分子和電磁輻射量子（光子）等組成[10]。根據離子和電子的熱力學平衡狀態，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體，其中低溫等離子體又可分為熱等離子體和冷等離子體。大氣壓冷等離子體（ACP）是指在大氣壓（常壓）條件下產生的冷等離子體[11-12]。因其具有能夠在常壓條件下產生、溫度接近室溫、活性組分含量豐富等優點，ACP在各領域均有實際應用[13-14]。

1.2 ACP產生方法

ACP主要通過電磁場激發氣體產生。常用放電方式主要包括介質阻擋放電（DBD）、輝光放電、微波放電（MD）、電暈放電、滑動電弧放電、大氣壓等離子體射流（APPJ）等[7,13-14]。

2 大氣壓冷等離子體對食品酶活性的影響

近年來，ACP在食品工業中的潛在應用受到廣泛關注，應用領域包括食品表面及包裝材料殺菌、食品組分改性、真菌毒素等有毒物質降解等[13-14]。作為一種新型非熱加工技術，ACP對果汁、鮮切果蔬等滅酶、鈍酶效果被大量研究證實；與傳統熱處理工藝相比，ACP處理能夠較好地保持食品營養成分和感官特性[8-9]。

2.1 ACP對食品酶活性的影響

如表1所示，DBD等離子體、輝光放電等離子體等均能夠有效失活模擬體系中乳酸脫氫酶、辣根過氧化物酶和溶菌酶等活力并造成其二級結構等性質發生顯著變化[15-19]。

表1 ACP對模擬體系中酶活力的影響

ACP對食品體系酶活力的影響見表2。各種ACP處理均能夠有效失活果蔬汁、鮮切果蔬、谷物等中多酚氧化酶、果膠甲酯酶（PME）、過氧化物酶等食品內源酶[21-25]。如Tappi等[20]發現，DBD等離子體能有效失活鮮切蘋果片中多酚氧化酶，并顯著抑制儲藏過程中發生的酶促褐變，但未對其質構特性造成顯著影響。Xu等[21]研究發現，經DBD等離子體處理120 s后，鮮榨橙汁中果膠甲酯酶活力顯著降低，同時未對可溶性固形物含量、色澤等造成顯著影響。ACP處理會造成食品內源酶失活，但Lee等[25]發現，經DBD等離子體處理5～20 min后，糙米中α-淀粉酶活力顯著升高（p＜0.05）；推測其原因可能是DBD等離子體處理使糙米表面出現裂隙，導致α-淀粉酶活力檢測結果升高。

表2 ACP對食品體系中酶活力的影響

2.2 ACP失活酶的影響因素

ACP對食品酶的失活作用受多種因素影響，主要包括ACP產生設備相關參數（設備類型、放電電壓或功率、放電氣體類型及流速、處理時間等）、酶及食品原料本身的性質等。ACP對酶的失活作用一般隨等離子體放電電壓[21,23]、功率[24]升高和處理時間延長而增強[20,23]。Chutia等[26]發現，DBD等離子體對椰汁POD和PPO的失活作用隨放電電壓的升高而增強，同時發現PPO比POD對DBD等離子體處理更敏感。Kang等[27]研究不同氣體（N2、O2、Ar、He和空氣）對微波放電等離子體失活馬鈴薯PPO提取物的影響，發現使用空氣時PPO失活效果最好。該研究同時發現馬鈴薯切片的大小也顯著影響微波放電等離子體對PPO失活效果。馬鈴薯切片表面積體積比分別為7.1（3.2 cm×0.8 cm×0.5 cm）和9.0（0.8 cm×0.8 cm×0.5 cm）時，900 W處理40 min后，馬鈴薯切片中PPO活力分別降低27.6%和41%[27]。

2.3 ACP失活食品酶的動力學模型

研究ACP失活食品酶的動力學規律對于優化ACP處理工藝參數等具有重要指導意義。Pankaj等[28]和Chutia等[26]研究表明，與一級動力學模型和Logistic模型相比，Weibull模型可以更好擬合DBD等離子體誘導番茄POD和椰汁POD、PPO失活。而Segat等[29]發現，與一級動力學模型和Logistic模型相比，Weibull模型能更好地擬合DBD等離子體誘導的堿性磷酸酶失活規律。

3 ACP對食品酶的作用機理

ACP對酶的失活作用與氣體放電過程中產生高能電子、帶電粒子、自由基等活性物質、紫外線及其他射線等有關[30-31]。氣體放電過程中產生大量活性物質，如臭氧（O3）、過氧化氫（H2O2）、單態氧（1O2）、超氧陰離子（O2-）、羥自由基（·OH）、一氧化氮自由基（·NO）等[32-33]。

3.1 ACP對氨基酸殘基的修飾

ACP所含有活性化學物質能與酶的氨基酸殘基發生一系列化學反應，如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸的苯環發生羥基化和硝基化修飾；組氨酸和脯氨酸發生酰胺化修飾和開環反應等[34-35]。氨基酸殘基的化學修飾能顯著改變酶及其活性位點疏水性、分子間作用力等，造成酶的失活。Lackmann等[36]發現在DBD等離子體失活牛胰腺核糖核酸酶A（RNase A）過程中，RNase A所含有甲硫氨酸、半光氨酸、組氨酸等殘基被氧化修飾；其中，Met79和Met13被氧化形成甲硫氨酸亞砜，還原劑二甲硫醚處理能部分恢復DBD等離子體所造成RNase A失活；半光氨酸被氧化后不能再形成二硫鍵。結果表明，DBD等離子體可能通過氧化修飾甲硫氨酸、半光氨酸等氨基酸殘基而失活RNase A。

3.2 ACP對酶空間結構的影響

除直接修飾氨基酸殘基以外，ACP也對酶的空間結構造成影響。如圓二色光譜（CD）檢測結果表明，DBD等離子體處理能造成LDH和RNase A二級結構中α-螺旋和β-折疊含量顯著降低[18,34]；動態光散射（DLS）檢測結果表明，DBD等離子體處理造成LDH發生聚集，這也可能是LDH失活原因之一[18]。

3.3 ACP對酶活性位點的影響

研究證實，ACP處理可能破壞酶與底物結合的活性位點或酶的輔基，導致酶的活性發生變化。溶菌酶含有3個酪氨酸殘基和6個色氨酸殘基，其中Trp62和Trp108接近底物結合位點。Choi等[37]發現，經ACP處理后，溶菌酶Trp內源熒光強度顯著降低，這可能與色氨酸殘基修飾或其周圍環境極性變化有關；X射線晶體檢測結果證實Trp62、Asp101及Trp108的位置均發生變化。血紅素（正鐵原卟啉）是辣根過氧化物酶體（HRP）輔基，在維持其天然構象方面有重要作用。研究結果表明，輝光放電等離子體中含有過氧化氫（H2O2）、羥自由基（·OH）等活性物質及紫外線能降解血紅素，從而導致HRP失活[17]。

4 結語與展望

大量研究表明，ACP能有效失活PPO、POD等多種食品內源酶。與傳統熱處理相比，ACP處理能有效保持食品營養價值和感官品質。在今后研究中，應加強基礎理論研究系統闡明ACP影響食品內源酶作用機制及動力學模型并優化ACP處理工藝參數，為其工業利用提供理論依據；此外，關于ACP影響食品內源酶的研究主要集中于應用基礎研究方面，其產業化應用研究是今后研究的重要內容之一。