果蔬汁防褐變的研究進展

馬 爍，趙 華

（天津科技大學生物工程學院，工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津市工業微生物重點實驗室，天津市微生物代謝與發酵過程控制技術工程中心，天津 300457）

伴隨著人們安全和健康意識的提高，食品工業對生產更健康、更優質、更天然食品的興趣與日俱增。各個消費群體對果蔬的半加工產品的要求也越來越高，不僅要求其方便食用，還要求果蔬新鮮、品質高、營養豐富。近幾年，果蔬半加工品業在迅猛發展的同時，也面臨著水分流失、褐變產生、營養消耗等問題[1]。在這些問題中，褐變問題是生產中最棘手的問題，降低了商品本身的價值和消費者的購買欲望，同時也制約了果蔬半加工產業的發展[2]。

褐變是指食品的顏色隨著時間的延長逐漸變為褐色或深褐色的現象，而顏色是影響外觀的最重要的屬性之一，果蔬顏色的任何變化都會影響消費者對產品的可接受性，對水果、蔬菜等食品會產生一定的負面影響。當前，果蔬中能夠檢測出2 種褐變形式，根據其機理的不同，可分為酶促褐變和非酶促褐變2 種，由于果蔬中的多酚含量較高，機體保持了動態平衡，其組織一旦受到低溫等生物脅迫或機械損傷，就會引起氧大量侵入機體，破壞動態平衡，單酚類物質被羥基化為鄰二酚，然后被多酚氧化酶（又叫茶酚酶） 氧化為醌類，再通過自身聚合或與氨基酸等結合最終產生黑色素，而直接影響果蔬營養價值，由此可得出酶促褐變主要受酚類物質、酚酶和氧氣3 個因素的影響[3]。非酶褐變反應包括抗壞血酸降解、脂質過氧化和焦糖化、還原糖與含有游離氨基的化合物（如氨基酸、肽和蛋白質） 縮合引發的反應。這種反應也被稱為美拉德反應，它會使果蔬的外觀、口感等方面產生不良影響。水果和蔬菜的組成成分非常復雜，大部分的反應都是以復合而非單獨的形式進行。選用適當的抗褐變方法，可有效地改善果蔬褐變度，避免營養損失[4]。當前的研究表明，果蔬半加工業在我國還有很大的發展空間，用合理、健康的方法控制果蔬等食品的褐變是當前亟待解決的問題。

1 影響褐變的因素

與此相關的酶包括多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，簡稱PPO）、過氧化酶（Peroxidase，簡稱POD） 等，其中多酚氧化酶的活性對控制酶促褐變有至關重要的影響，因此影響酶活性的因素，如溫度、pH 值、內源酚類化合物的類型等，都可直接或間接性地影響褐變反應的發生[5]。多酚氧化酶催化2 種反應：第一種是單酚羥基化為雙酚，反應相對緩慢，產物無色；第二種是雙酚氧化為奎寧，反應迅速，產生有色產物。參與這些反應的底物位于細胞胞液中，而酶位于細胞質中；這些反應只有在混合和有氧的情況下才能發生。因此，所有現象（切割、沖擊、硬度損失） 都會導致褐變反應的開始，從而導致風味的損失或變化。

美拉德反應指的是還原糖與氨基酸在一定條件下相互作用最終生成類黑精色素；還原糖不僅可以參與美拉德反應還能夠參與焦糖化反應，是在加熱條件下糖類物質脫水以及熱分解的反應，即焦糖化褐變；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[6]。美拉德反應是果蔬加工過程中最重要的反應之一，極大地影響基本食品質量屬性，其發生條件取決于溫度、pH 值，以及還原糖的濃度和類型、氨基酸的濃度和類型、化合物或抑制劑、水含量產品特性、化學成分等條件。

1.1 影響酶促褐變的因素

1.1.1 溫度

多酚氧化酶是含銅酶的一種，屬于氧化還原酶，它的本質是蛋白質，在果蔬和其他植物組織中普遍存在，控制多酚氧化酶活性能對酶促褐變反應的發生有很大的抑制作用[7]。而影響其活性的重要因素之一是溫度。果蔬種類不同其酶活性的最適溫度和失活溫度也不盡相同，相關試驗表明，白葡萄PPO 活性最適溫度為20 ℃，而碭山酥梨的PPO 活性最適溫度為40 ℃。白葡萄PPO 活性在80 ℃很快消失，碭山酥梨的PPO 活性在70 ℃活性減弱甚至消失，而香蕉中的PPO 在100 ℃才失活[8]。在果蔬防酶促褐變研究中，蒸汽熱燙是優選使用的方法，因為與水熱燙相比，它簡單并且能夠保存水溶性維生素和礦物質。

1.1.2 pH 值

pH 值是影響酶促褐變的一個重要因素。據研究表明果蔬中PPO 的最適pH 值一般在6~7，多酚氧化酶的活性隨著pH 值的降低而逐漸下降，當pH 值小于3 時，酚酶無明顯活性，是因為在強酸條件下，能夠導致酶蛋白中的銅離子被解離，從而使多酚氧化酶失活。相比堿性環境，多酚氧化酶在酸性條件下的活性更低。對于山藥在pH 值5.6 時PPO 的活力最強，pH 值達到7.2 時其活性近乎為0[9]。不同品種的果汁的PPO 最適活性可能會有所不同，香水梨和皇冠梨PPO 活性的最適pH 值分別為5 和6，在其他條件保持不變的情況下，香水梨更容易發生酶促褐變[10]。因此，通過調節pH 值能有效抑制PPO的活力。

1.1.3 氧氣

氧氣是發生酶促褐變的重要條件之一，但是只有活性氧（ROS） 才能直接參與酚類氧化反應，ROS氧化能力很強，一旦果蔬受到機械等損傷，ROS 的動態平衡就會遭受破壞，造成其大量積累，從而導致細胞膜脂過氧化，最終加速果蔬酶促褐變[11]。但是在果蔬貯藏過程中，如果完全去除氧氣很容易造成水果和蔬菜二氧化碳中毒，所以貯藏過程中經常會采用氣調貯藏法，榨汁生產是用真空脫氣法[12]。在貯藏環境中減少氧氣大都采用氣調法，按比例增加二氧化碳、氮氣等，以此來替換空氣，從而消除或降低氧氣參與酶促反應。

1.2 影響非酶褐變的因素

1.2.1 金屬離子

金屬離子能夠催化氧與酚類物質結合，促進酚類物質的氧化。表明金屬離子可加快褐變反應速率，如鐵離子、鈉離子、鋰離子等[13]。相對一種金屬而言，多種金屬彼此有協同作用更能加快非酶褐變的發生[14]。在研究金屬離子對蘋果汁非酶褐變反應的影響中，證明了鐵離子和銅離子都能加快非酶褐變反應速率，并且得出Fe3+比Fe2+褐變效果更顯著[15]。其原因包括2 個方面研究：一是由于氧氣不能直接與酚類結合，二價鐵離子能有與氧氣結合，產生的過氧化氫自由基，導致過氧化氫的生成，從而產生褐變；二是酚類物質與三價鐵離子能夠發生螯合，而被氧化成醌類物質，三價鐵被還原成二價鐵離子，從而使得該反應得到循環。

1.2.2 pH 值

pH 值是果蔬發生非酶褐變的重要因素之一， 在研究黃烷醇化學氧化與褐變關系中，Dong X 等人[16]通過模擬酚類物質氧化體系，采用不同的因素測定對酚類的影響程度，最終pH 值占據首位，由此可得，pH 值是多酚氧化反應中一個重要因素。根據大量試驗得出酚類氧化速率和pH 值息息相關，且二者呈正相關，在做蓮藕中酚類物質的氧化模擬試驗中，發現在堿性條件下更容易導致酚類物質氧化[17]。所以，得出酚類化合物的氧化在堿性條件下更易發生。

1.2.3 糖類

因果蔬非酶褐變以美拉德反應為主，而該反應分為3 個階段，首先是還原糖（主要是葡萄糖） 與氨基酸發生縮合反應，反應可分為2 種情況，一種是形成Amadori 重排產物，另一種生成的是Heyns 重排產物，前者是由于該體系中有醛糖，與氨基酸反應生成N -羰基化合物，然后重排形成的，后者是因為體系有酮糖。還原糖的種類及結構都會對美拉德反應產生不同的影響[18]。通過試驗得出，五碳糖比六碳糖更容易發生美拉德反應，單糖比雙糖更容易發生美拉德反應，如核糖相比葡萄糖或果糖發生美拉德反應速度更快， 而葡萄糖比乳糖反應速度更快[19]。而添加淀粉不僅可改善產品的質地、顏色，增加總可溶性固形物含量，保護果肉顏色，使其經受美拉德反應或焦糖化反應。

2 抑制褐變的方法

褐變不但會引起氨基酸等營養嚴重損失，甚至會產生致癌物質，所以研究有效抑制褐變的方法迫在眉睫。抑制褐變的方法可以根據褐變反應機理加以解決，因此從酶促褐變和非酶褐變兩大類進行探討。

2.1 抑制酶促褐變

酶促褐變抑制方法可分為物理法和化學法。

2.1.1 物理方法

抑制酶促褐變物理方法包括：①驅氧或隔絕空氣，可用N2和CO2等惰性氣體來代替空氣，通過真空處理法、氣調包裝、涂膜處理或是食物上涂上食用涂層等方法來避免與氧氣的接觸等方法[20]；②控制溫度，溫度過高或過低都能使酶的活性降低，但是溫度過高會使蛋白質變性，因此在加工或貯藏時采用低溫環境[21]；③輻照，使用紫外線60Co 和γ 射線照射都是抑制酶促褐變的潛在技術；④中等強度的微波處理，在果蔬干燥加工中，采用該方法能鈍化酶的活性，從而有效抑制酶促褐變的發生[22]；⑤蒸汽熱燙，該方法的預處理在烘箱中干燥，可降低氧化酶活性[23]。

2.1.2 化學方法

抗氧化劑、螯合劑、天然萃取物酸化或還原等酶促褐變的化學方法，有亞硫酸、谷胱甘肽、抗壞血酸等。

（1） 抗氧化劑。抗氧化劑有抗壞血酸、谷胱甘肽、赤霉酸、N -乙酰半胱氨酸（NAC） 等。抗氧化劑即還原劑，可參與氧氣的反應，也可與中間物反應，使體系中的醌及其衍生物還原為無色的酚，從而中斷反應抑制黑色素生成，最終抑制褐變反應。在果蔬防褐變中最普遍使用的一種抗氧化劑是抗壞血酸。有研究表明，抗壞血酸不能直接與PPO 酶進行反應，但可通過減少氧化底物，即抗壞血酸氧化為脫氫抗壞血酸，酶促生成的鄰醌還原為其前體雙酚，作為PPO 的競爭抑制劑來抑制褐變的發生[24]。據研究報道，褪黑素作為一種抗氧化劑，能保護細胞結構，防止DNA 損傷，通過清除自由基，增強抗氧化性，增強抗氧化性和減少脂質過氧化來降低過氧化物水平，可抑制酚類化合物的氧化。

（2） 螯合劑。螯合劑能夠與多酚氧化酶中的Cu2+形成絡合物或與其底物反應，從而中斷反應的進行[25]。許多羧酸都具有良好的抗褐變性，在果蔬防褐變中常用的螯合劑有檸檬酸、草酸、蘋果酸等。以果蔬中常見的12 種羧酸為例，分別浸泡蘋果片3 min，然后監測3 h 后蘋果片褐變效果的試驗，最終得出對蘋果片防褐變性最好的3 種羧酸分別為酒石酸、丙二酸、草酸，其次是檸檬酸、蘋果酸等[26]。由于檸檬酸安全性高、極易溶于水等優點，即使其抗褐變活性并非很強，但依然廣泛應用于果蔬防褐變產業中[27]。據研究表明，乳鐵蛋白作為一種金屬螯合蛋白，具有抗菌性，且對脂質氫過氧化物的形成具有抗氧化作用，從而影響果蔬脂質氧化和褐變。

（3） 天然防褐變劑。由于人們越來越注重飲食安全的問題，相對以往不健康、高成本的合成添加劑，更傾向于選擇更健康、低成本的天然防褐變劑。通過對食品可持續發展的研究，發現可從農業食品的副產品中提取PPO 抑制劑，以替代合成添加劑[28]。根據試驗得出洋蔥能夠抑制蘋果汁褐變，在新鮮的蘋果汁中加入洋蔥，不僅蘋果汁自由基清除能力得到提高，可溶性固形物、總酚類化合物含量也有所增加，更重要的是褐變程度明顯得到改善[29]。菠蘿汁同樣可作為防褐變劑，采用電荷分離法對菠蘿汁進行分餾，最終得到的分餾組分對蘋果粗提取物的酶促褐變的抑制率至少達到26%。

2.2 抑制非酶褐變

研究表明，果蔬非酶褐變以美拉德反應為主，雖然美拉德反應能夠賦予食品特殊風味，但是褐變會使果蔬因顏色的改變而使其質量下降。因此，抑制非酶褐變的目的是有效地控制美拉德反應。

2.2.1 物理方法

果蔬貯藏過程中，非酶褐變普遍發生，反應速度受到溫度的直接影響。Mirard 反應中，產生一種羥基糠醛，可與氨基酸發生聚合、縮合反應，最終生成類黑色素。溫度對梨汁非酶褐變度的影響較大，溫度高于30 ℃時，隨反應速率的增加，5 -羥甲基糠醛含量越高，低于10 ℃時反應速率顯著降低，褐變程度明顯改善[30]。氧氣和光照強度也會影響非酶褐變的發生。對容易發生褐變的水果、蔬菜，應避光貯存，減少氧氣接觸，避免接觸金屬器皿，探討不同光照條件對石榴汁褐變的影響時，發現光照對其影響最大[31-32]。同時，由于包裝材料的不同，導致果汁發生了不同程度的褐變，在對比研究中發現，鋁箔袋包裝可避免紫外線、隔離氧氣，從而證明鋁箔袋對非酶褐變有良好的抑制作用。

2.2.2 化學方法

美拉德反應、抗壞血酸反應等非酶褐變程度均與pH 值大小有關， pH 值的不同會對非酶褐變反應產物的降解有著不同程度的影響，其中pH 值在8.0~9.0 時，褐變最為嚴重，在pH 值小于3.0 時，褐變程度較輕。在研究pH 值對果蔬非酶褐變的影響中，試驗得出在pH 值較低情況下，可抑制美拉德反應的發生，在分別對比pH 值為2.0，3.0 和4.0 對果汁非酶褐變的研究中，發現pH 值為2.0 的抑制效果最佳[37]。由于果汁在加工貯存中發生的非酶褐變是以美拉德反應為主，氨基酸是參與美拉德反應的重要物質，有試驗證明若將果蔬中氨基酸除去，非酶褐變速率明顯降低，但從其營養角度方面考慮，該方法有一定弊端[33]。但通過大量試驗得出，L -半胱氨酸等氨基酸能夠抑制非酶褐變反應[15]。添加亞硫酸鹽，可抑制果蔬褐變。

3 結語

造成果蔬褐變原因很多，從酶促褐變和非酶褐變進行分析，并對影響這2 種褐變的因素及抑制褐變的方法進行了介紹。在果蔬發生褐變過程中這些反應并非單獨進行，而是以復合形式參與。近年來，國內外對果蔬酶促褐變的研究居多，通過研究與酶促反應有關的酶來抑制褐變的發生，主要有3 個方面：第一，降低或抑制酶活性；第二，降低底物含量，即降低酚類物質；最后是提高抗氧化酶的性能。對非酶褐變的抑制主要來自于美拉德等反應機制。當前，國內外抑制酶褐變的主要方法是利用化學方法——添加抗氧化劑，但未來食品行業向更安全、更環保、更健康的方向出發，因此將采用更有效的方法，物理方法不僅成本低，而且安全，天然防褐變劑相對合成添加劑而言更健康。所以，將物理或其他方法結合起來，對于果蔬防褐變技術有較大的應用價值。