馬鈴薯中多酚氧化酶酶促褐變及防控技術機制研究進展

溫雪珊，時 月，鄭煜焱，王瑞琪，，馬 越，趙曉燕，4，張 超

（1.北京市農林科學院農產品加工和食品營養研究所，北京 100097；2.沈陽農業大學 食品學院，遼寧 沈陽 110161；3.果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室，北京 100097；4.農業農村部蔬菜產后處理重點實驗室，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[1-3]。馬鈴薯在去皮和切割等加工過程中，會與空氣接觸，發生由酶催化的褐變反應，該反應主要由多酚氧化酶及其底物酚類物質的存在引起。馬鈴薯發生褐變后，其色澤、風味、質構等特性均會產生變化，并且酶促褐變產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，降低產品的營養價值，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，并從多個方面揭示褐變形成的機制。但是，針對多酚氧化酶引起的酶促褐變防控技術及其機制綜述性總結鮮有報道。

因此，介紹多酚氧化酶的主要特點，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，并從影響酶促褐變的3個主要方面闡釋抑制褐變的機制，為研究馬鈴薯酶促褐變控制技術的研究者提供技術支撐和參考。

1 多酚氧化酶

1.1 多酚氧化酶的功能和分類

多酚氧化酶又稱兒茶酚氧化酶、酪氨酸酶、苯酚酶、甲酚酶、鄰苯二酚氧化還原酶，是六大類酶中的氧化還原酶。該酶主要參與生物氧化過程，廣泛分布于植物、動物和真菌等細胞內，位于質體膜上，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：單酚氧化酶（酪氨酸酶Tyrosinase，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構

多酚氧化酶是由核基因編碼，在細胞質中翻譯后形成67～70 kDa的前體蛋白，然后由轉運肽運送到質體，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運肽和2個保守的富含His的銅離子活性中心（CuA和CuB）3個部分組成（圖1）[10]。CuA和CuB 2個結合域是多酚氧化酶蛋白活性所必需的，且每個銅離子活性中心分別有3個組氨酸氨基。盡管這2個結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底物的選擇性。

多酚氧化酶蛋白結構見圖1。

圖1 多酚氧化酶蛋白結構

1.3 多酚氧化酶的作用機理

在果蔬正常呼吸作用中，酶促褐變的關鍵酶不會催化酚類物質、多酚類物質或醌類物質。因此，正常的植物組織細胞即使具備酚類物質、氧氣、多酚氧化酶3個條件也不會發生酶促褐變。但是，當植物組織細胞一旦受到去皮、切分等外界損傷性應激，并接觸到空氣中的氧氣時，多酚氧化酶的作用被激活，當酶促褐變的3個條件同時滿足時，果蔬將發生酶促褐變反應。反應過程多以2-氨基-3-對羥苯基丙酸為底物，在多酚氧化酶和氧氣配合下，催化2-氨基-3-(4-羥基苯基)丙酸轉化為2-氨基-3(3,4-二羥基苯基)丙酸，并進一步催化羥基轉化為醌基形成2-氨基-3(3,4-二醌苯基)丙酸。該組分一方面可以自身發生脫水縮合反應形成2-羧基-2,3-二氫-5,6-二羥基吲哚（A），該組分即為黑色素，而該組分化學性質不穩定，其羥基易發生氧化反應，羧基易發生脫羧反應。在氧氣和羥基存在的環境中，易發生脫羧反應形成為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化的化學反應，B、C和D組分均為黑色素；在氧氣和氫離子存在的環境中，易發生氧化反應形成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化的化學反應，F、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生縮合反應，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，然后苯環上的氨基與羥基發生脫水縮合反應，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，產生褐變現象[11]。

多酚氧化酶引起酶促褐變形成機理見圖2。

圖2 多酚氧化酶引起酶促褐變形成機理

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激能力有關。研究表明，在馬鈴薯接受外界應激時，多酚氧化酶的活性及其mRNA表達量均增加、多酚氧化酶轉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激有關[12]；同時，多酚氧化酶還可以通過醌共價調節親核氨基酸形成抗營養機制，抵御昆蟲和病原體[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揮作用[14]。

2 多酚氧化酶酶促褐變的防控技術

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，具有設備簡單、可控、效果顯著等特點，是防控酶促褐變應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]，還可以通過抑制微生物活動降低其腐爛發病率，保持其應有品質，幾乎成為所有果蔬貯藏保鮮的首選方式。研究顯示，經低溫處理后的馬鈴薯在低溫處理（2～4℃）條件下，可以延長貨架期3 d[16]；而在低溫（15℃）聯合防褐變劑處理條件下，在貯藏期第6天后多酚氧化酶活性和顏色變化值最小[17]。劉戰麗等人[18]研究發現低溫處理（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]研究發現低溫處理（0℃）使馬鈴薯的貨架期達到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境中放置的一種處理，具有安全、高效等特點，也在果蔬保鮮上得到廣泛應用，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]研究發現高溫處理（45℃熱水處理5 min）降低馬鈴薯褐變度34%。張迎娟等人[21]研究發現高溫處理（60℃熱水處理1 min）降低了多酚氧化酶和過氧化物酶活性，提高了L*值，減輕了褐變，貨架期可達6 d。侯志強[22]研究發現高溫處理（45℃熱空氣處理6 h）的馬鈴薯在第12天未出現褐變現象。

2.3 氣調包裝處理

氣調包裝處理主要是改變果蔬包裝內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，延長商品貨架期等功能，已廣泛應用于果蔬的保鮮貯藏[23]。研究顯示，氣調包裝處理（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]研究發現，氣調包裝處理（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。真空包裝處理可以阻隔環境中的氧氣，從而降低果蔬褐變，因此廣泛應用于果蔬品質維持領域。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]研究發現，真空包裝聯合靜電場處理顯著性抑制鮮切馬鈴薯酶促褐變現象。蔣元元等人[29]研究發現，真空包裝處理（0.05 MPa和0.1 MPa）未對鮮切馬鈴薯中多酚氧化酶活性產生顯著性影響，也不能抑制其褐變現象。真空浸漬處理促進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]研究優化真空浸漬曲酸的技術條件，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結構，鈍化多酚氧化酶活性等作用，近年來在果蔬保鮮中被廣泛應用[31-32]。韓文娥[33]發現高壓處理（500 MPa、10 min）降低鮮切馬鈴薯絲中多酚氧化酶活性和褐變度，保質期延長至10 d。姜莉等人[34]研究發現，高壓處理鈍化馬鈴薯多酚氧化酶和過氧化物酶活性的最佳技術條件是在400 MPa處理40 min，環境的pH值為8.0。索慧敏等人[35]采用高壓聯合處理（300 MPa處理10 min+1.0%氯化鈣）提高馬鈴薯硬度。陳水科等人[36]研究發現，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

超聲波處理通過空化作用抑制馬鈴薯的褐變，其機制一般認為超聲波的空化作用產生自由基，自由基實現滅酶的作用效果；也有研究人員認為空化作用使蛋白質氨基酸之間的化學鍵斷裂，從而抑制馬鈴薯褐變。張琪[37]研究，發現超聲波處理分別降低鄂薯3號（超聲功率720 W，超聲時間20 min，溫度20℃）和隴薯5號（超聲功率540 W，超聲時間15 min，溫度20℃）多酚氧化酶活性15%和12.74%；楊明冠等人[38]研究發現超聲波處理（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]的研究發現超聲波處理（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，從而達到延長果蔬的貨架期。杜傳來等人[40]研究發現，海藻酸鈉涂膜處理優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]研究發現，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，其貨架期達到6 d。林順順等人[42]和王允祥等人[43]優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]等涂膜技術處理鮮切馬鈴薯，均取得不錯的效果。

2.8 酸化劑處理

酸化劑處理通過改變體系的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]研究發現，使用酸化劑處理（1%檸檬酸聯合超聲功率360 W超聲時間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]研究發現，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]研究發現，對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＞沒食子酸。王偉等人[50]研究發現，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為0.6，并對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，培育出不易褐變的馬鈴薯品種。王清等人[51]研究發現轉基因品系GD-9-qc-1中馬鈴薯的多酚氧化酶活性表達不明顯，多酚氧化酶活性比對照組降低26.01%～48.65%，褐變度降低40.45%～46.78%。陳亞蘭[52]研究發現轉基因品系GD-9-qc-44的褐變強度最低僅為3.01，多酚氧化酶活性為4.3 U/g。陳明俊[53]研究發現馬鈴薯突變體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物質結合生成穩定的無色化合物，從而抑制褐變[54]。Ali H M等人[55]研究發現甘氨酸（＞100 mmol/L）、纈氨酸（＞1.0 mol/L）和苯丙氨酸（＞1.0 mol/L）促進鮮切馬鈴薯褐變，而低濃度則會抑制褐變。

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]研究發現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%海洋魚低聚肽＞0.5%海洋魚蛋白肽），通過響應面設計得到5%無水檸檬酸+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%，同時也抑制多酚氧化酶活性。

馬鈴薯酶促褐變防控技術及其效果見表1。

表1 馬鈴薯酶促褐變防控技術及其效果

3 防控機制

由多酚氧化酶引起的酶促褐變，至少需要以下3個必要：氧氣、底物和多酚氧化酶。從現有的多酚氧化酶活性控制的技術來看，化學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（如果仁糖[57]、皂角苷和三萜系配糖等[58]）。這些天然物質可以抑制多酚氧化酶活性，還避免了化學試劑所引起的污染。

3.1 控制氧氣

控制氧氣的方法有氣調包裝處理、真空處理和可食性涂膜處理。通過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象，延長商品貨架期；通過真空包裝隔絕外界氧氣可以有效降低馬鈴薯酶促褐變；可食性涂膜通過控制呼吸作用，阻礙氧與酶的接觸，有利于產品的保鮮和貨架期的延長。

3.2 控制底物

多酚氧化酶在氧氣的參與下催化酚類物質生成醌，醌聚合變成了黑色素化合物。酚類化合物化學性質十分活躍，在馬鈴薯實際加工和實驗中控制酶促褐變去底物的方法可能性極小，現實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。多酚氧化酶是一種以銅離子為輔基的金屬蛋白，高溫易使蛋白質變性，適當的高溫可以鈍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，適當低溫可以有效降低多酚氧化酶活性，從而抑制馬鈴薯褐變。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，但過低溫度也會引起馬鈴薯冷害或凍害情況，因此溫度不可一味降低。

4 結語

馬鈴薯發生酶促褐變被認為是一個復雜的生物學過程，綜述低溫處理、高溫處理和氣調包裝處理等技術在馬鈴薯多酚氧化酶酶促褐變防控的效果，分析各種方法的優缺點，并討論各種方法抑制多酚氧化酶引起褐變的機制，為未來研究者提供技術的參考，以促進解決馬鈴薯酶促褐變問題。