綠豆芽防褐變技術的研究進展

閆星羽，陳存坤，薛文通*

（1.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083；2.國家農產品保鮮工程技術研究中心（天津），天津 300384）

豆類種子在一定條件下浸水發芽形成豆芽，也稱豆芽苗、芽菜等。豆芽具有良好的抗氧化能力，口感多汁清脆，深受廣大消費者的喜愛。研究表明，綠豆種子發芽后其活性物質如酚類和黃酮類化合物的含量顯著提高[1]。多酚類化合物具有良好的清除體內自由基、抗氧化以及抗癌等特性[2]，因此提高豆類發芽過程中多酚類化合物的含量，成為豆類科研領域中的一項熱門研究。提高綠豆芽中總酚的含量的確會增加綠豆芽的營養價值和可食用價值，但是這些研究同樣也會帶來一些問題。例如，綠豆芽具有高含水量、低組織強度等特點，在貯藏過程中容易出現微生物污染、褐變以及失水皺縮等不良反應，因此本文將對褐變的機理、褐變對綠豆芽的影響以及綠豆芽防褐變技術的研究現狀等進行分析和闡述，以期對綠豆芽防褐變技術的相關研究提供一定的理論參考。

1 綠豆芽概述

1.1 綠豆芽的營養價值

綠豆是一種富含淀粉、纖維素、蛋白質、鉀、鈣、鋅、鐵、鎂、硒等多種營養素和黃酮類化合物的豆科植物[3]。綠豆具有生長周期短，適應能力強，播種次數多，抗逆性好等優點，在我國有幾千年的栽培史，具有清熱解毒，消暑利尿的功效[4]分。此外國內外許多研究發現，綠豆還具有抗腫瘤、保護肝臟、降血脂、降血糖以及抗氧化[5-6]的功能特性，而且這些功能特性都與綠豆中的多酚類化合物相關。

綠豆芽是綠豆在適宜條件下萌發而成的幼嫩芽苗菜，可食用部分主要是下胚軸。綠豆發芽后不僅外觀會發生變化，其內部營養成分也會發生變化。綠豆發芽期間組織內的蛋白質、淀粉等大分子物質會降解形成氨基酸和多糖等易于吸收的小分子物質，同時多酚類化合物含量增多，并釋放許多原綠豆中沒有的新物質，如維生素C[7]等。萌芽后的綠豆顯然比沒有萌芽的綠豆更具營養價值，產生許多次生代謝產物[8]，功能性成分如多肽、酚類、左旋多巴、γ-氨基丁酸等的含量上升，長期食用綠豆芽具有清熱除濕、防止冠心病、保護血管及皮膚、增強免疫力等功效[7-9]。此外，這些在萌芽過程中新產生、新合成的物質往往都具有更為顯著的生物活性，因此不僅在食品領域中廣受歡迎，而且在醫學、制藥、化妝品等領域也有廣泛的應用。綠豆發芽前后5 d的主要營養成分對比見表1[10]。

表1 綠豆發芽前后營養成分對比Table 1 Comparison of nutritional components of mung bean before and after germination

1.2 綠豆芽的研究進展

隨著人們生活水平提高和對營養健康食品的追求，綠豆芽及其加工產物因具有豐富的營養價值受到消費者的廣泛關注。綠豆在浸水萌芽的過程中原有的胰蛋白抑制素、植酸、單寧等有害成分在酶的作用下被除去，更多的鈣、磷、鐵等礦物質被釋放出來[1，11]，酚類化合物、維生素和纖維素類化合物含量顯著升高[5]，使得綠豆芽具有更高的生物價值。目前已有多位學者對綠豆芽萌芽過程中產生的微量元素或者生物活性物質的富集進行研究，以增強綠豆芽的保健功能和利用價值。

CEVALLOS-CASALS等[12]對綠豆、蠶豆等13種可食種子在萌芽過程中多酚化合物含量及活性的變化進行分析研究，結果發現發芽后13種種子的活性物質及抗氧化活性均有提高。EBERT等[13]比較了多種改良品種的成熟綠豆谷物和其綠豆芽中的植物營養素水平，結果表明，與成熟綠豆谷物相比，發芽綠豆中維生素C的含量提高了2.7倍，異黃酮的含量和抗氧化性也有明顯提升。AMITRANO等[14]在不同光照和濕度下培養綠豆芽，通過分析其抗氧化性、可溶性糖和淀粉含量，發現相對低的濕度和光照下會改善綠豆芽的水分傳輸并提升抗氧化性。Alkaltham等[15]研究了發芽和加熱對綠豆的生物活性、酚類化合物和礦物質含量的影響，結果表明，熱處理是改變綠豆芽中酚類含量的主要原因，短期微波加熱處理的綠豆發芽后酚類化合物的含量會明顯增加，抗氧化性活性較好，烘焙處理則會導致發芽綠豆中總黃酮含量和抗氧化性活性顯著降低。Zhou等[16]在綠豆發芽的過程中添加外源亞精胺和二環己胺，增加了綠豆芽中總酚和抗壞血酸的含量，增強抗氧化系統，改善能量代謝，提高了綠豆芽的功能性。AMPOFO等[17]利用超聲波輔助誘導豆類種子發芽，結果表明，超聲波輔助誘導發芽會增加豆芽內部酚類物質含量和抗氧化能力，可以作為一種綠色的方法來生產富含酚類的有機營養豆芽。孟君等[18]以黃豆、綠豆為原料，通過單因素和正交試驗考察黃豆和綠豆發芽過程中的富硒能力，試驗表明，黃豆和綠豆在發芽過程中對不同濃度的硒元素都有一定的富集作用，且綠豆芽的富硒能力強于黃豆芽。史鈾等[19]以豆芽為載體，通過豆類發芽的過程使無機鐵、鋅轉換為有機鐵、鋅。在發芽之前通過控制培養基添加劑的方式形成高鐵和高鋅豆芽，使豆芽成為一種更容易被人們接受的鐵源和鋅源，為鋅、鐵微量元素缺乏癥的治療與預防提供新的治療手段。

2 綠豆芽褐變研究進展

2.1 褐變概述

2.1.1 褐變機理

褐變現象從本質上可分為酶促褐變和非酶促褐變兩種。酶促褐變是指在酶的作用下發生的褐變作用，主要發生在水果、蔬菜等新鮮植物性食物中。其發生機制是多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）在有氧條件下把酚類化合物氧化生成醌，醌類物質進一步聚合形成難溶的黑褐色高分子聚合物[20]，機理見圖1[21]。此外，根據酶促褐變發生所需要的時間，又可以把酶促褐變分成立即型和延遲型[21]。立即型酶促褐變既是指如蘋果制成蘋果汁后會立刻生成褐色的現象，或者切碎的蘋果在空氣中放置數分鐘內發生的褐變。與此相反，延遲型酶促褐變就是指需要幾天甚至更長時間才會出現的褐變，比如生菜、豆芽等的褐變。

圖1 酶促褐變的發生機理Fig.1 Mechanism of enzymatic browning

非酶促褐變是指由于非酶作用引起的褐變，大多發生在食品的熱加工及長期貯存過程中。非酶促褐變主要有3種類型，即羰氨反應褐變、焦糖化褐變和抗壞血酸氧化褐變。羰氨反應褐變又稱美拉德反應，是指蛋白質、氨基酸的氨基與游離羰醛基反應，最終形成類黑素的過程；焦糖化褐變是指加熱情況下沒有氨基存在時糖發生的焦糖化反應；抗壞血酸氧化褐變是抗壞血酸自身氧化引起的褐變，酚類物質在一些條件下發生的自動氧化變色過程[22]。

2.1.2 褐變發生條件

從酶促褐變的機理中可看出酶促褐變必須具有3個條件，即有氧環境、PPO的作用以及存在酚類底物[23]。正常植物細胞中的酚類物質存在于細胞液泡中，PPO存在于類囊體內腔（包括葉綠體、有色體等）中，二者相互分離，如圖2所示，所以完整的植物細胞不會發生酶促褐變[24-25]。只有當細胞膜結構受到損壞，酶原被氧氣激活并與底物大面積接觸時，才會引起褐變反應而且是立即型酶促褐變反應[21]。

圖2 植物細胞中PPO與多酚物質的分布以及褐變反應的原因Fig.2 The distribution of PPO and polyphenols in plant cells and the cause of browning reaction

非酶促褐變的褐變因子有總酚、抗壞血酸、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF）、游離還原糖以及氨基酸等，果蔬貯運、加工過程中的光照、氧環境、溫度、濕度、包裝容器以及不同的處理方式，都會對果蔬的非酶褐變產生不同程度的影響[26-27]。研究表明，新鮮果蔬貯藏前期的非酶促褐變主要是抗壞血酸氧化分解造成的，貯藏中后期，當抗壞血酸被大量消耗后，多酚物質的自氧化就會占據非酶褐變主要地位，同時美拉德反應緩慢進行，焦糖化反應對果蔬非酶促褐變沒有顯著影響[28]。

2.2 綠豆芽褐變機理

采后的綠豆芽依舊是有一定生命活動的有機體，其組織內部仍會進行一系列的生理代謝活動，比如呼吸作用[29]。此外，綠豆芽褐變、變質、腐爛等現象都與豆芽的貯藏溫度有關[30]，隨著貯藏溫度升高，綠豆芽的呼吸速率不斷增大。采后貯藏期間呼吸作用增強，會加速綠豆芽中營養物質的消耗，促進老化和變色。同時，綠豆芽褐變也與許多酶的活性密切相關，比如多酚氧化酶（PPO）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）以及過氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等。此外，綠豆芽褐變還與綠豆芽中多酚、抗壞血酸（ascorbicacid，AA）以及過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）含量有很大關系[22]。研究表明綠豆芽在儲藏過程中SOD的含量會降低，褐變（hard black，HB）發生率與AA、總抗氧化劑活性（total antioxidant activity，TAA）、總酚（total phenols，TP）、總黃酮（total flavonoids，TF）以及SOD之間呈負相關[31]。同時POD和PPO含量會升高，褐變發生率與PPO、POD以及CAT活性之間呈正相關。

2.3 褐變對綠豆芽的影響

綠豆芽含水量高達95%[32]，質地清脆，組織嬌嫩，不耐貯藏，在采后保鮮、貯運、銷售過程中，極易因溫度影響出現老化褐變、失水皺縮以及微生物污染產生黏腐、變味等現象，這些現象會影響綠豆芽的營養價值，帶來嚴重的經濟損失，其中最易產生感官價值損失且最常見的生理生化反應就是褐變[33]。果蔬褐變主要是由多酚類物質通過氧化聚合反應引發的，是食品顏色隨時間逐漸變為褐色或深褐色的一個過程。綠豆芽褐變主要是因為組織內部發生了酶促褐變和抗壞血酸氧化反應[34]，這些反應是綠豆芽貯藏期間最不希望出現的現象，不僅會影響綠豆芽的外觀給消費者帶來不良的視覺感受，還會產生有毒物質，導致綠豆芽品質下降，一旦誤食很可能會影響誤食者的身體健康，引起一系列的食品安全問題[32，35]。

3 防褐變技術的研究進展

褐變會對新鮮果蔬產生品質下降，貯藏期縮短等不良影響，如果沒有良好的解決方法則會加速食品的變質和腐爛，防止褐變的方法本質上就是抑制褐變的發生條件。

3.1 酶促褐變的抑制方法

酶促褐變的速率取決于PPO的活性[36]，目前防止酶促褐變的研究方法比較完善，可以通過控制PPO的活性抑制酶促褐變的產生[37]。常用的方法可分為物理方法和化學方法，物理方法包括熱處理法[38]、高壓處理法[39]、電場處理法[33]、輻照法[40]、隔絕氧氣法[35]和低溫保藏法[41]等，化學方法有無機鹽法[42]、酸化劑法[43]、抗氧化劑法[42]、螯合劑法[44]和天然提取物法[45]等。熱水漂燙、微波處理或二者的結合、壓力處理、脈沖電場處理或者輻照處理都可以迅速降低果蔬中多酚氧化酶的活性，從而降低褐變指數，減少抗氧化劑損失，達到較好的酶促褐變抑制效果。隔絕氧氣和低溫保藏限制了酶促褐變的反應條件和反應速率，能達到延長貯藏時間、減緩褐變速率的目的。其次，偏重亞硫酸鈉、硫酸銨鹽、SO2、L-半胱氨酸、抗壞血酸、檸檬酸以及 Ca2+、Mg2+等金屬離子都是多酚氧化酶活性的抑制劑；低pH值環境下酚類氧化的速率會明顯降低，天然含羧酸類的物質對酶也有抑制效應，使用這些化學試劑處理也可以有效減緩酶促褐變的發生。

3.2 非酶促褐變的抑制方法

非酶促褐變比酶促褐變更難控制，而且作用范圍比酶促褐變更加廣泛。非酶促褐變不僅可以和酶促褐變一同作用，甚至在酶鈍化失活后，依舊可以保持較高的反應活性[46]。果蔬中含有豐富的多酚物質和抗壞血酸，由抗壞血酸氧化和多酚引起的非酶促褐變是影響果蔬品質的重要因素[27，47]，雖然非酶促褐變的研究沒有酶促褐變成熟完善，但依然有許多相關的報道。總體來說，果蔬非酶促褐變的抑制方法與酶促褐變相似，也可以分成物理方法和化學方法，常用的物理方法有低溫貯藏法[28]、避光干燥保存法[48]和蒸汽預處理法[49]等；化學方法有螯合劑法、抗氧化劑法和抑制劑法[46-47，50]等。此外，多項研究表明酸化劑法可以有效抑制PPO引起的酶促褐變，但是Pham等[51]發現pH值過低，即在pH1.5左右時，反而會顯著提高抗壞血酸的降解率，提高5-羥甲基糠醛的形成速率，顯著增加非酶促褐變強度，因此果蔬及其果蔬制品長時間保存時，不宜使用酸化劑法。

4 綠豆芽防褐變技術的研究進展

隨著人們對食品安全的重視，綠豆芽的貯藏保鮮技術也越來越受大家關注，目前綠豆芽貯藏技術的研究重點大多還停留在延長豆芽的貯藏時間上，采用合理的保鮮技術和條件，豆芽可以保鮮1周～2周[32]，常用的保鮮技術有：預冷處理、全程微生物控制、全程冷鏈管理、改良包裝方式、清洗瀝干以及控制貯藏溫度和濕度等。這些技術基本都可以延緩綠豆芽的腐爛和變質，但對于綠豆芽的褐變情況卻沒有深入研究，現在防止綠豆芽褐變的研究體系尚不完善，下面將對一些國內外防豆芽褐變的相關報導進行闡述見表2。

表2 豆芽防褐變技術的闡述Table 2 Explaination of bean sprouts anti-browning technology

續表2 豆芽防褐變技術的闡述Continue table 2 Explaination of bean sprouts anti-browning technology

5 結論和展望

綠豆芽褐變主要包括綠豆芽體內含有的多酚類物質和PPO引起的酶促褐變和部分多酚類物質和抗壞血酸導致的非酶促褐變，褐變的影響因素復雜，貯藏溫度、濕度、光照強度、時間、氣調比例、采后的預處理、運輸方式、加工方法以及包裝的方式等均能影響褐變，任意一種因素的不良改變都會對綠豆芽的褐變情況造成不一樣的影響。在實際生產銷售過程中不可能對這些因素達到完全控制，所以研究出最佳的豆芽防褐變處理技術對整個綠豆芽生產及加工都具有重要的意義和研究價值。采用化學抑制劑防止褐變的方法固然有效，但是會產生大量化學殘留物，干擾因素多，實際大規模生產中難以控制和操作。物理防褐變的方法相比化學方法而言成本更低、沒有多余殘留物，綠色環保、更易于控制操作。但目前綠豆芽的防褐變技術沒有更深入或更加系統的研究，綠豆芽的物理防褐變技術具有很大的研究空間，值得進一步深入探索。本文詳細地介紹了綠豆芽褐變的原因、機理、影響因素，總結了相關的方法和技術，為之后的深入研究提供思路和理論依據。