鮮切馬鈴薯褐變控制技術研究進展

楊昕臻，李梅，吳小華

鮮切馬鈴薯褐變控制技術研究進展

楊昕臻1，李梅2,3，吳小華2,3

（1.甘肅省農業科學院，蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院農產品貯藏加工研究所，蘭州 730070； 3.甘肅省果蔬貯藏加工技術創新中心，蘭州 730070）

通過綜述鮮切馬鈴薯褐變機制及不同保鮮方法對鮮切馬鈴薯品質的影響，為我國鮮切馬鈴薯品質提升和產業發展提供參考和思路。對鮮切馬鈴薯褐變發生機理及國內外鮮切馬鈴薯品質控制技術的研究進展進行歸納總結，其中主要包括低溫、回溫、熱處理、氣調、超高壓、臭氧和低溫等離子體殺菌等物理保鮮技術，氯化鈉、酸處理、氨基酸、3–巰基–2–丁醇和茉莉酸甲酯等化學保鮮技術，以及天然提取物、基因工程等生物保鮮技術。明確了不同保鮮技術對鮮切馬鈴薯褐變控制的效果。鮮切馬鈴薯易發生褐變，新技術和傳統技術的結合有助于提高鮮切馬鈴薯的品質，將為今后鮮切馬鈴薯品質控制提供參考和依據。

鮮切馬鈴薯；褐變；物理保鮮；化學保鮮；生物保鮮

馬鈴薯被認為是全球第四大重要的糧食作物，僅次于小麥、玉米和水稻，幾乎每天有超過10億人食用。馬鈴薯塊莖中含有大量的淀粉、維生素、礦物質、蛋白質和氨基酸等營養成分[1-2]。隨著人民生活水平的提高及我國預制菜技術的發展，對鮮切馬鈴薯的需求和質量要求也在提升。鮮切馬鈴薯不僅可以保留馬鈴薯原有的營養和功能成分，同時具備方便快捷和健康衛生等優勢，具有非常廣闊的應用和市場前景。然而，馬鈴薯經鮮切處理后極易褐變，嚴重降低了馬鈴薯的品質，縮短了其產品的貨架期，影響消費者的接受度[3]。因此，闡明鮮切馬鈴薯的褐變機制及其褐變抑制技術尤為重要，這不僅有利于提升馬鈴薯在貯運和流通過程中的穩定性和安全性，還能夠降低成本、減少損失，對馬鈴薯的加工利用意義重大。本文通過對鮮切馬鈴薯褐變機制及國內外現有品質控制技術進行全面綜述，以期為鮮切馬鈴薯的貯運保鮮技術提供思路，從而為我國馬鈴薯產業持續健康發展和促進鄉村振興提供參考。

1 鮮切馬鈴薯褐變機制

鮮切馬鈴薯褐變主要是酶促反應的結果。酶促褐變主要是由于酚類化合物在氧化酶催化作用下轉化為醌類物質引發（圖1），在發生傷口或衰老等應激反應時，多酚氧化酶和過氧化物酶與多酚底物反應，誘導色素形成，開始出現褐變[4]。與大多數水果中觀察到的褐變相反，鮮切馬鈴薯褐變的完成需要較長時間，一般在傷口愈合后4 d重新合成苯丙氨酸氨裂解酶，并出現酚類化合物的積累[5]。目前，對控制鮮切馬鈴薯塊莖褐變的大多數策略主要集中在對多酚氧化酶（PPO）的調控上[6]。同時，由于不同馬鈴薯品種的遺傳特性各不相同，所以不同品種的褐變特性也不同[7]。

2 鮮切馬鈴薯褐變控制技術

馬鈴薯鮮切褐變主要由酶促褐變引起，而酶促褐變發生的3個必要條件分別為酶類（PPO）、褐變底物（酚類物質）和氧氣。目前，研究抑制酶促褐變的方法主要從3個方向開展：降低O2濃度，抑制PPO活性，降低多酚物質含量。根據酶促褐變發生的途徑，可通過物理保鮮、化學保鮮和生物保鮮等方法分別進行抑制，生產中則多根據實際情況采用多種方法復合進行防控。

2.1 物理保鮮技術

物理保鮮技術是通過運用一些物理方法延緩果蔬采后品質下降的一種重要手段，目前應用于鮮切馬鈴薯褐變抑制的物理保鮮方法有以下幾種，具體見表1。

2.1.1 低溫保鮮

低溫保鮮處理可以有效地減少果蔬貯藏過程中水分流失、抑制果蔬的呼吸強度和微生物的增殖等，從而較好地起到保鮮作用。在鮮切過程中，由于切割引起的傷害會增強馬鈴薯的呼吸強度，誘導和增加與褐變相關酶的活性，加劇鮮切馬鈴薯褐變，導致馬鈴薯品質下降。通過不同溫度（0、4、7、10、18 ℃）對鮮切馬鈴薯的保鮮效果研究發現，隨著貯藏溫度的升高，鮮切馬鈴薯相關的各品質指標變化幅度增大，且到貯藏后期溫度較高條件下的樣品變質速率更快，貯藏期縮短。鮮切馬鈴薯貯藏在4 ℃時，可以有效地保持其感官和營養品質，同時能夠顯著抑制酶促褐變反應、減少微生物繁殖與丙二醛（MDA）的積累[8-9]。

2.1.2 鮮切前回溫處理技術

馬鈴薯在經過低溫貯藏后進行鮮切加工的過程中，表面更容易發生褐變現象，尤其是褐變現象會隨貯藏時間的延長而加重。研究發現短時回溫（25 ℃）能夠顯著降低PPO和酚類物質含量，從而明顯降低鮮切馬鈴薯褐變現象，有效延長貨架期[10]。同時，在短時回溫處理過程中鮮切馬鈴薯的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性和抗氧化能力顯著升高，而丙二醛含量顯著降低。這對保護細胞膜的完整性和減少細胞內部酶與底物接觸起重要作用[11]。

圖1 鮮切馬鈴薯褐變機制

表1 鮮切馬鈴薯的物理保鮮技術

Tab.1 Physical preservation technology of fresh-cut potato

2.1.3 熱處理技術

通過熱處理可以延緩果蔬衰老、抑制微生物生長，是一種更加安全、有效的保鮮技術。鮮切馬鈴薯經55 ℃熱水處理10 min或60 ℃熱水處理1 min，可以有效地保護細胞膜的完整性，保持其營養成分，降低PPO和POD活性，抑制馬鈴薯褐變進程[12]。但當熱處理溫度過高或時間過長時會導致馬鈴薯熱損傷[13]。

2.1.4 氣調保鮮

氣調保鮮可以控制果蔬的呼吸速率、老化和成熟度，從而延長貯存期。通過加壓氬氣和氮氣處理，并與氣調保鮮相結合后對鮮切馬鈴薯的影響研究發現，氬氣和氮氣在合適的壓力下能夠形成水合物，能夠延緩水分和抗壞血酸的損失、提升馬鈴薯的色澤品質和質地、抑制MDA含量、降低呼吸速率和膜脂過氧化、顯著較少微生物數量，從而使鮮切馬鈴薯的新鮮度能保持12 d[14]。體積分數為80%的氧氣預處理亦可延緩PPO的增加和MDA含量的積累，保持細胞完整性，具有顯著的抗褐變作用[15]。

2.1.5 超高壓技術

超高壓技術是一種新型的非熱加工技術，可以很好地保持食品中原有組分甚至提高其食用價值。超高壓處理的鮮切馬鈴薯色澤品質較好，但其質構發生改變，硬度顯著下降[16]。為了解決馬鈴薯質地軟化的問題，通過與氯化鈣聯合處理能夠抑制纖維素降解，提髙細胞抗性，從而改善馬鈴薯質地[17]。但是由于超高壓設備要求高，在鮮切馬鈴薯商品化處理中的應用仍需進一步提升。

2.1.6 臭氧處理

臭氧具有無污染、無殘留、易分解等特性，廣泛應用于果蔬貯運過程中。鮮切馬鈴薯經1.61 mg/L的臭氧水處理，能夠顯著抑制POD和PPO的活性，并有效延緩與褐變相關的抗壞血酸酶的活性，消除過氧化氫和酚類物質[18]。

2.1.7 低溫等離子體技術

低溫等離子體技術是通過熱、電壓或電磁場形式引起食品周圍介質產生電離、激發和解離反應，形成的各種活性物質起到殺菌作用。低溫等離子體技術能夠降低鮮切馬鈴薯中PPO和POD活性，有效地保持了細胞的完整性和干物質含量，同時可以清除病原微生物，排除和分解乙烯等有害氣體，提升鮮切馬鈴薯品質[19-20]。

2.1.8 短波紫外線保鮮

短波紫外線照射能夠有效地阻礙微生物細胞復制的正常進行，起到抑制微生物生長或者殺菌的作用。經過短波紫外線處理的鮮切馬鈴薯中微生物數量顯著降低，并對保持馬鈴薯的氣味和硬度產生了積極影響。在低溫條件下可保持馬鈴薯良好的品質和感官特性長達15 d[21-22]。

2.2 化學保鮮技術

化學保鮮技術大多通過外源化學物質浸泡、噴灑或熏蒸達到保鮮效果。化學物質主要包括生長抑制劑、防腐劑和保鮮劑等（表2）。

2.2.1 氯化鈉

氯化鈉通過改變氨基酸含量來誘導完整植物的抗褐變反應，可以抑制多種鮮切農產品的褐變。研究表明，馬鈴薯中游離酪氨酸是PPO催化的主要底物[23]。NaCl處理能夠有效抑制鮮切馬鈴薯褐變，這主要是由于NaCl處理可以使PPO（蛋白質）變性，從而顯著降低PPO活性，增加鮮切馬鈴薯的內在Pro等游離氨基酸的含量，進而有效減少了與醌類結合生成褐色物質。這為防止鮮切馬鈴薯褐變提供了新途徑[24]。

2.2.2 醋酸和乳酸

將馬鈴薯片預浸泡在醋酸或乳酸中可以防止馬鈴薯細胞壁結構在煮沸過程中的降解，這主要是由于經酸處理后，酸能夠滲透到馬鈴薯細胞中，從而抑制了聚半乳糖醛酸酶活性并延緩了馬鈴薯細胞壁結構的降解[25]。同時，酸在馬鈴薯細胞中的滲透促進了果膠的原位凝膠化，從而將馬鈴薯細胞緊密相連，提升了馬鈴薯的硬度，防止了細胞液泡中的組織外滲到細胞質中與酶類發生反應，以防止褐變發生[26]。

2.2.3 氨基酸

氨基酸是重要的滲透調節物質之一，可以與醌類物質結合或作為螯合劑形成無色加合物，從而減少褐變。研究表明，氨基酸可以參與調節鮮切馬鈴薯的褐變，其中異亮氨酸、纈氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、精氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、蛋氨酸、丙氨酸和亮氨酸等10種氨基酸可通過抑制多酚氧化酶的活性調節褐變中間體的形成，從而抑制鮮切馬鈴薯的褐變，而酪氨酸、絲氨酸和賴氨酸則對褐變有促進作用[27-29]。

表2 鮮切馬鈴薯的化學保鮮技術

Tab.2 Chemical preservation technology of fresh-cut potato

2.2.4 3–巰基–2–丁醇

3–巰基–2–丁醇是一種新型、安全、有效的抗褐變劑，其抑制作用接近亞硫酸氫鈉。3–巰基–2–丁醇是多酚氧化酶的競爭性抑制劑。鮮切馬鈴薯經3–巰基–2–丁醇處理后其多酚氧化酶相關基因（POT32和POT33）的表達水平降低，酶促褐變底物酪氨酸的濃度顯著提升。由此推斷，3–巰基–2–丁醇可以通過抑制多酚氧化酶的活性來減少酪氨酸的消耗，從而提升鮮切馬鈴薯的貯藏品質[30]。

2.2.5 茉莉酸甲酯

茉莉酸甲酯是一種誘導劑，可以激活次級代謝物的合成，在植物防御反應中起重要作用，用于果蔬保鮮能夠延長果蔬貯藏期，保持營養品質[31]。用茉莉酸甲酯處理的鮮切馬鈴薯在室溫貯藏144 h時發生酶促褐變，其總酚和類黃酮的消耗減少，多酚氧化酶、POD和H2O2保持較高的活性。與對照組相比，茉莉酸甲酯亦誘導了鮮切馬鈴薯的苯丙氨酸氨化酶、肉桂酸–4–羥化酶和4–香豆酸–CoA連接酶活性的增加。但是，茉莉酸甲酯處理的馬鈴薯對保持維生素C含量效果不顯著[32]。

2.2.6 可食性涂膜保鮮技術

可食性涂膜保鮮技術以多糖、蛋白質為基材，通過添加具有功能性成分的保鮮材料，形成具有保鮮功能的涂膜進行果蔬保鮮，以有助于保持或改善其顏色、質地、機械完整性、揮發性風味和減少微生物生長[33]。通過分析4種可食用水膠體涂層（羧甲基纖維素、殼聚糖、果膠和阿拉伯樹膠）與天然橄欖葉提取物和抗壞血酸鈉富集涂層對鮮切馬鈴薯貯藏過程中的顏色、pH值和水分含量的影響，發現羧甲基纖維素和阿拉伯樹膠與橄欖葉提取物和抗壞血酸鈉復合能夠較好地保持鮮切馬鈴薯的顏色、pH值和水分[34]。大量研究表明，殼聚糖復合涂膜液對能夠維持鮮切馬鈴薯較低的呼吸速率，較高的POD、SOD活性，延緩了MDA的積累，抑制了PPO活性，褐變抑制效果明顯[35-37]。

2.3 生物保鮮技術

生物保鮮技術通常指利用拮抗菌與病原菌間形成競爭、寄生或誘導作用的關系進行保鮮。例如一些拮抗菌產生的次級代謝產物亦可起到保鮮作用；利用天然提取物或人工合成的仿生保鮮劑保鮮；利用基因工程、酶工程等技術保鮮[38]。生物保鮮具有貯藏空間小、易控制、成本低、污染少等優勢。

2.3.1 天然提取物保鮮

天然多酚廣泛用于果蔬保鮮[39]。沙棘提取物富含兒茶素、沒食子酸、木麻黃素和異鼠李糖素等生物活性化合物，是沙棘葉提取物的主要成分。研究表明，沙棘葉提取物通過降低POD和苯丙氨酸氨裂解酶的活性，提高馬鈴薯的抗氧化能力，抑制鮮切馬鈴薯的褐變。沙棘葉提取物競爭性地抑制多酚氧化酶，IC50值為0.7 mg/mL。分子對接表明沒食子酸穩定地結合在多酚氧化酶的活性位點上，而異鼠李苷對多酚氧化酶的親和力較低[40]。研究發現，綠原酸通過疏水相互作用與多酚氧化酶結合，改變了PPO的氫鍵網絡，導致二級結構的重新排列[41]。基于對PPO活性的抑制作用，天然多酚物質保鮮可能成為一種新型的鮮切馬鈴薯保鮮劑。

生物活性肽作為一種安全、營養和低成本的抗氧化劑和抗菌劑，可有效地抑制果蔬褐變。研究發現鱈魚肽對鮮切馬鈴薯貯藏過程中PPO、POD活性、苯丙氨酸氨裂解酶具有抑制作用，可以延緩總酚和MDA含量的增加，有效地阻斷酶促褐變[42]。

2.3.2 基因工程

利用基因工程技術增加或減少與酶促褐變有關基因的表達，培育出不易褐變的馬鈴薯品種[43-44]。通過反義PPO基因改造，可以降低馬鈴薯塊莖中PPO和酚類物質含量，以減輕馬鈴薯褐變。利用人工miRNA（amiRNA）技術抑制馬鈴薯中參與PPO基因（Stu PPO1、Stu PPO2、Stu PPO3 和 Stu PPO4）的表達，可以降低馬鈴薯的褐變現象[45]。

2.4 綜合保鮮技術

盡管物理、化學和生物保鮮方法已在鮮切馬鈴薯保鮮中得到廣泛應用，但是探求多種保鮮技術聯合處理會取得更好的效果[46]。利用超聲聯合苦苣菜提取物或馬齒莧提取物處理鮮切馬鈴薯，在較低提取物濃度時即可有效地控制PPO、POD、苯丙氨酸氨裂解酶、脂氧合酶的活性和可溶性醌類物質含量，而且有效降低了對細胞膜的損傷，保持了細胞膜的完整性和通透性，提高了鮮切馬鈴薯的抗氧化能力[47-48]。使用低頻超聲結合抗壞血酸處理能夠有效地抑制PPO活性，保持較高的維生素C的含量，同時限制質膜過氧化和溶質遷移來保持膜的完整性，從而提升鮮切馬鈴薯的貯藏品質[49]。將ε–聚賴氨酸/殼聚糖（ε–PL/CS）復合涂層和加壓氬氣結合氣調包裝協同處理，能夠顯著減少鮮切馬鈴薯中微生物數量，延緩水分和抗壞血酸的損失，保持較好的顏色和質構，并抑制PPO和POD活性，減少MDA含量[50]。

3 結語

鮮切馬鈴薯具有食用方便、品質新鮮、營養衛生等特點，但在加工過程中存在褐變、失水、腐爛等諸多問題，尤其在切割后極易發生褐變，使貨架期縮短，嚴重影響了鮮切馬鈴薯的品質質量和商品價值，經濟損失嚴重。因此，本文對抑制馬鈴薯褐變的物理及化學抑制技術進行了闡述，從而為今后實現鮮切馬鈴薯產業化奠定基礎。總體來說，化學抑制法時效性強、抑制效果明顯，但其操作煩瑣，成本較高，并且化學物質的使用可能會帶來藥物殘留，對人體有害。物理抑制法具有安全、無藥物殘留的特點，能有效抑制切割后褐變的發生。近年來，超聲波、超高壓和等離子體等非熱技術已逐漸應用于果蔬保鮮領域，而在鮮切果蔬中，非熱技術能夠更好地保持鮮切果蔬的營養品質和功能成分。但要從生產上切實解決鮮切馬鈴薯褐變問題，上述方法均很難滿足產業化需求。隨著現代生物技術的飛速發展，組學技術已在果蔬保鮮領域有著較廣泛的應用。通過轉錄組、蛋白質組和代謝組相結合，有助于篩選出與馬鈴薯褐變相關的差異表達分子、蛋白質和代謝物，對鮮切馬鈴薯的品質控制極具指導意義，進一步為我國鮮切馬鈴薯品質提升和產業發展提供參考和思路。

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Research Progress on Browning Control Technology of Fresh-cut Potatoes

YANG Xin-zhen1, LI Mei2,3, WU Xiao-Hua2,3

(1. Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China; 2. Agricultural Product Storage and Processing Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Innovation Center of Fruit and Vegetable Storage and Processing, Lanzhou 730070, China)

The work aims to review the browning mechanism of fresh-cut potatoes and the effects of different preservation methods on the quality of fresh-cut potatoes, so as to provide reference for quality improvement and industrial development of fresh-cut potatoes in China. The browning mechanism of fresh-cut potatoes and the research progress on quality control technologies of fresh-cut potatoes at home and abroad were reviewed, which mainly included physical preservation technologies such as low temperature, short-term warming, heat treatment, modified atmosphere preservation, ultra-high pressure, ozone and low-temperature plasma, chemical preservation technologies such as sodium chloride, acid treatment, amino acids, 3-mercapto-2-butanol and methyl jasmonate, and biological preservation technologies such as natural extracts and genetic engineering. The effects of different fresh-keeping techniques on browning control of fresh cut potatoes are clarified. Fresh-cut potatoes are prone to browning. The combination of new technologies and traditional technologies will help improve the quality of fresh-cut potatoes. It will provide a reference and basis for quality control of fresh-cut potatoes in the future.

fresh-cut potato; browning; physical preservation; chemical preservation; biological preservation

TS255.3

A

1001-3563(2023)13-0112-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.014

2022?10?26

公益性行業（農業）科研專項（201503001–7）

楊昕臻（1984—），男，本科，助理研究員，主要研究方向為馬鈴薯育種與栽培。

吳小華（1984—），女，碩士，副研究員，主要研究方向為農產品貯藏與加工。

責任編輯：曾鈺嬋