非熱加工技術失活果蔬多酚氧化酶研究進展

董閃閃，范劉敏，李云菲，相啟森*

鄭州輕工業大學食品與生物工程學院（鄭州 450001）

酶促褐變是果蔬加工和貯藏過程中遇到的主要問題之一，對色澤、口感、風味和營養價值造成不良影響，并嚴重影響消費者對產品的接受程度，造成巨大經濟損失[1-2]。多酚氧化酶（Polyphenol oxidases，PPOs）是引起果蔬加工過程中發生褐變的主要酶類。目前，主要采用物理方法和化學方法抑制酶促褐變。物理方法通常是采用熱加工技術使多酚氧化酶等相關酶變性失活，從而有效抑制酶促褐變，但極易破壞果蔬中熱敏性物質并造成營養和感官品質的下降。此外過度熱處理也會通過加速酚類底物的自動氧化反應，從而引起非酶褐變[1,3]?；瘜W方法通常是加入一些抗褐變劑，如二氧化硫、亞硫酸鹽、曲酸、檸檬酸等。但上述化學抑制劑過量使用，會對人體健康造成一定危害[4]。如何在有效保持營養和感官品質的前提下控制酶促褐變反應，是果蔬加工過程中亟待解決的關鍵問題之一。

隨著消費者對食品安全、營養及感官品質要求的提高，非熱加工技術在食品加工領域的應用受到廣泛關注[5]。研究證實，超高壓、超聲波、冷等離子體、微波、高壓二氧化碳等食品非熱加工技術都具有失活多酚氧化酶的作用，能夠達到果蔬保鮮的目的。綜述了近年來新型非熱加工技術失活多酚氧化酶的研究進展，并對上述技術存在問題及今后研究方向進行探討和展望，以期為果蔬酶促褐變控制研究提供理論參考。

1 多酚氧化酶性質

參與果蔬酶促褐變的酶主要包括多酚氧化酶（PPOs）、過氧化物酶（Peroxidases，PODs）和苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonia lyases，PALs），其中PPOs被認為是導致酶促褐變反應的主要酶類[6-7]。PPOs是廣泛存在于動物、植物和微生物中的一類含銅離子的蛋白酶。依據底物和作用機制的不同，PPOs可分為三類：第一類是甲酚酶（Cresolases，E.C.1.14.18.1），即存在于動物中的酪氨酸酶（Tyrosinases），能催化單酚氧化成鄰酚（單酚氧化酶活性）和鄰酚氧化成鄰醌（兒茶酚氧化酶活性）；第二類是兒茶酚氧化酶（Catechol oxidases，E.C.1.10.3.1），能催化鄰酚氧化成鄰醌；第三類是漆酶（Laccases，E.C.1.10.3.2），能催化鄰位酚和對位酚氧化成對應的醌類物質[8-9]。上述反應生成的半醌類和醌類物質能夠與氨基酸、蛋白質和多酚等發生親核反應并形成褐色聚合物，從而導致褐變的發生（圖1）。

圖1 多酚氧化酶參與的酶促褐變反應

2 非熱加工技術失活多酚氧化酶的研究進展

2.1 超高壓技術

超高壓技術是指將100~1 000 MPa的靜態液體壓力施加于液態或固態食品、生物制品等物料并保持一定時間，從而達到殺菌、鈍酶及改善物料結構和特性的目的，對食品的感官品質和營養價值產生較小影響[10-11]。大量研究證實，超高壓處理對果蔬中PPOs有顯著的失活作用（表1）。

如表1所示，超高壓處理對果蔬產品中PPOs具有較好的失活效果。Zhang等[13]研究發現，超高壓處理76 s時，木瓜中PPOs活性下降66%。同時，Keenan等[14]研究發現，超高壓處理不但能顯著降低混合果漿中PPOs活性，而且對果漿中的總花青素、酚類物質和色澤均無顯著影響。此外，超高壓處理與溫熱協同能夠更有效地失活PPOs。Sulaiman A等[15]研究發現，經超高壓室溫下處理15 min后，草莓果漿中PPOs活性降低81%，而在62 ℃下處理相同時間時草莓果漿中PPOs活性降低98%，失活效果更為顯著。另外，有研究發現，超高壓處理對PPOs存在激活現象。Terefe等[16]研究發現，在400~600 MPa，60 ℃以上處理時藍莓PPOs活性顯著降低，而在60 ℃以下進行超高壓處理時藍莓PPOs則會被激活；Engmann等[12]也得出類似研究結果。因此，應根據待處理樣品不同性質，優化超高壓處理工藝參數，避免激活現象發生。綜上所述，超高壓處理對果蔬中的PPOs有顯著的失活效果，并且能夠很好地保持果蔬原有品質；但與其他加工技術協同處理失活效果會更好。

表1 超高壓技術在失活果蔬中多酚氧化酶的應用研究

2.2 冷等離子體技術

冷等離子技術是近幾年興起的食品加工新技術，具有處理時間短、溫度低、無污染等優點，在食品加工等領域展現出廣闊的應用前景[17]。國內外研究表明，冷等離子體處理能夠有效失活PPOs并抑制果蔬褐變，達到保鮮和延長貨架期的目的（表2）。

如表2所示，冷等離子體處理能夠顯著降低果蔬中PPOs的活性，失活效果隨處理時間延長和處理電壓的升高而增強。Illera等[19]研究發現，經輝光放電冷等離子處理5 min后，鮮榨蘋果汁中PPOs活性降低84%，同時可以有效保持鮮榨蘋果汁的原有品質并延長貯藏時間。Surowsky等[20]發現，介質阻擋放電等離子體處理能夠有效失活椰汁中的PPOs。此外，在鮮切馬鈴薯[21]和鮮切蘋果[18,22]中也發現類似試驗結果。Hou等[23]研究發現，冷等離子體處理顯著提高了鮮榨藍莓汁中多酚類物質含量并能較好地保持藍莓汁的原有色澤。綜上所述，冷等離子體處理不僅能夠有效失活PPOs活性，并且能夠改善果蔬的品質。

表2 冷等離子體在失活果蔬多酚氧化酶領域中的應用

2.3 超聲波技術

超聲波是一種頻率介于2×104~1×109Hz之間的機械波，通過振動可以改變物質的組織結構、狀態及功能[24]。超聲波被廣泛用于食品加工業，主要用于食品加工中各個操作單元，如殺菌、鈍酶、果汁脫氣、風味成分萃取等[25]。Sulaiman等[26]研究發現，超聲處理對梨、蘋果和草莓果漿中PPOs具有顯著的失活作用，失活規律遵循一級動力學模型。Cao等[27]研究發現，隨著超聲強度和處理時間增加，楊梅汁中PPOs的失活率顯著升高，在處理強度為90和181 W/cm2時，處理10 min后，PPOs活性分別降低至53.23%和12.84%；在處理強度為271和362 W/cm2時，處理8 min后，PPOs活性僅殘留4.22%和0.08%。此外，超聲波與其他技術聯合使用可以顯著增強鈍酶效果。Zhou等[28]研究發現，不同濃度（10，20和30 mmol/L）蘋果酸和超聲（25 kHz，55.48 W/cm2）單獨處理均不能顯著失活來源于雙孢蘑菇中的PPOs；超聲聯合不同濃度的蘋果酸（10~30 mmol/L）處理30 min后，PPOs活性分別降低32.3%，55.8%和69.8%；處理60 min后，PPOs的相對活性分別降低53.9%，86.2%和92.4%。另外，Zhang等[29]研究發現，超聲波預處理黃花菜可使其PPOs活性顯著降低；與熱預處理相比，超聲波預處理可以改善黃花菜色澤，并且有利于降低營養成分的損失。綜上所述，超聲波技術能夠有效失活果蔬中的PPOs并能夠較好保持果蔬原有品質，與其他技術聯合使用能達到更好的鈍酶效果。

2.4 紫外輻射技術

紫外線（UV）是一種波長位于可見光和X射線之間的電磁波，按其波長不同可以分為長波紫外線（UVA，320~400 nm）、中波紫外線（UVB，280~320 nm）和短波紫外線（UVC，200~280 nm）[30]。其中，UV-C在食品中的應用較為廣泛，已成功用于空氣、食品表面和飲用水等的消毒殺菌[31]。近年來，紫外線照射用于失活果蔬中的多酚氧化酶成為研究熱點。Aguilar等[32]研究發現，用紫外-可見光照射不同品種的桃汁，在45 ℃下照射60 min，3種桃汁中的PPOs均幾乎完全失活。同樣地，Augusto等[33]研究發現，UV處理15 min后椰汁中PPOs活性降低了92%，UV處理30 min后椰汁中PPOs活性則降低了98%。Akgun等[34]研究表明，紫外發光二極管處理能夠有效降低蘋果汁中PPOs的活性，在280~365 nm和280~405 nm發射波長下，處理40 min后，PPOs失活率分別為67.42%和65.62%。此外，Muller等[35]研究發現，鮮榨蘋果汁和葡萄汁中的PPOs活性隨UV-C處理強度的增加而顯著降低，經UV-C（100.48 kJ/L）照射后，鮮榨蘋果汁和葡萄汁中的PPOs活性分別降低84.2%和39.1%，且蘋果汁和葡萄汁的理化性質無顯著變化。綜上所述，紫外線照射具有較好的失活果蔬中多酚氧化酶的效果，是熱處理良好的替代方法。

2.5 高壓二氧化碳技術

高壓二氧化碳技術是壓力與二氧化碳相結合的技術，也稱為致密相二氧化碳或超臨界二氧化碳技術。高壓二氧化碳能夠有效地失活微生物和酶，并較好地保持食品的營養、感官和質構特性[29]。Benito-román等[36]研究表明，高壓二氧化碳處理能夠有效失活鮮榨梨汁中PPOs。經高壓二氧化碳處理后的梨汁中PPOs殘存活性為19%，其鈍酶效果顯著高于相同溫度的熱處理，且在4 ℃條件下貯藏56 d后，PPOs的活性仍能得到較好的抑制。Manzocco等[37]研究發現，鮮榨蘋果汁中PPOs的失活率隨著二氧化碳壓力和溫度升高而增加。在最強處理條件下（18 MPa、45 ℃），鮮榨蘋果汁中PPOs活性降低80%，并且在4 ℃條件下儲藏后，感官品質無顯著變化。此外，廖紅梅等[38]研究發現，高壓二氧化碳處理能夠有效抑制鮮榨梨汁在貯藏期間的酶促褐變，并能保持其色澤和貯藏品質的穩定性。綜上所述，高壓二氧化碳技術不僅能夠失活果蔬中PPOs，還能有效地保持果蔬的原有品質，在果蔬食品加工貯藏保鮮領域具有廣闊應用前景。

3 多酚氧化酶失活機理研究

國內外學者研究發現，導致多酚氧化酶活性喪失的主要原因是其內部結構發生變化，尤其是蛋白質的二級和三級結構的變化[39]。Zhou等[28]通過圓二色光譜法分析發現，超聲聯合蘋果酸處理來源于雙孢蘑菇中的PPOs后，其負橢圓度增加，表明有序結構減少，二級結構改變，進一步分析發現，其中α-螺旋含量降低，同時β-折疊的含量增加，而β-轉角和無規則卷曲的含量沒有發生明顯變化；通過熒光光譜分析，進一步觀察到PPOs的最大峰值波長發生紅移，表明其三級結構發生改變。同樣地，Surowsky等[20]研究發現冷等離子體可以在短時間（76 s）內失活來源于雙孢蘑菇中的PPOs，圓二色光譜結果表明，未處理組PPOs結構中α-螺旋和b-折疊含量分別為36.9%和17.8%，經冷等離子體處理后，PPOs結構中α-螺旋含量降至17.8%，而β-折疊含量升高到29.4%；熒光光譜分析結果表明，最大吸收波長發生明顯紅移。以上結果表明，冷等離子體可能是通過破壞PPOs二級結構和三級結構而造成其失活。此外，Murtaza等[40]研究發現，經高壓二氧化碳（55 ℃，25 MPa）處理的來源于雙孢蘑菇中的PPOs，其α-螺旋含量顯著降低，而β-折疊、β-轉角和無規卷曲含量增加，說明其二級結構遭到破壞，通過熒光光譜分析進一步發現，酶的三級結構遭到破壞，從而導致酶失活。綜上所述，非熱食品加工技術失活PPOs的機理主要是通過破壞蛋白質的二級和三級結構，從而使蛋白質發生變性，導致酶失活。

4 討論與展望

熱處理是食品加工過程中鈍酶的主要方法，雖然具有良好效果，但對食品中的熱敏成分和營養物質造成不良影響。近年來，超高壓、冷等離子體、超聲波、高壓二氧化碳等非熱技術在食品鈍酶領域的應用受到廣泛關注。非熱加工技術普遍存在裝備處理量小、自動化程度低等問題，多局限于實驗室研究階段，還未大規模地用于工業化生產。因此，裝備的研發將是今后重要的研究方向之一。此外，非熱加工技術處理對食品安全性的影響也有待進一步研究。