臭氧對食品加工中多酚影響的研究進展

武正芳，馬意龍，2，金 諾，2，胡 飛，2，章建國，2， 魏兆軍，2

（1.合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽合肥 230601；2.北方民族大學生物科學與工程學院，寧夏銀川 750021）

0 引言

“臭氧氧化”是一項新興的綠色技術，利用了三原子形式的氧——臭氧。臭氧（O3）是一種天然存在的高活性氣體分子，可通過放電、紫外線輻射單獨產生，或與氮氧化物結合產生[1]，與其他化學品不同，臭氧分解為氧氣不會留下有毒殘留[2]。因此，自2003 年以來，食品和藥物管理局（FDA）已批準其在食品中的使用，前提是其殘留溶解臭氧濃度低于允許限值0.4 mg/L 瓶裝水。

食用富含生物活性成分的食品，可降低心血管疾病、癌癥、糖尿病和年齡相關功能異常的風險[3]。水果、蔬菜及谷物中均含有廣泛的酚類成分，包括類胡蘿卜素、生育酚、植物甾醇和有機硫化合物等。這些生物活性化合物在人類中表現出顯著的健康促進活性[4]，因此在食品加工儲存期間保存這些生物活性化合物至關重要。

臭氧對食品中多酚化合物的影響由2 種不同的理論闡述。第一種理論即“氧化應激理論”，由于細胞結構的部分解體，臭氧分子促進酚類化合物的產生。這種修飾也可以提高萃取效率，并有助于釋放一些結合在細胞壁中的酚類化合物[5]。第二種理論認為酚類化合物的變化可能歸因于臭氧誘導的酶活性變化。一般來說，發現激活預先存在的酶可誘導酚類化合物的快速積累[6]。臭氧處理食品中苯酚的最終濃度取決于這2 種機制之間的平衡。特別是在水果中，由于同一水果或不同水果的不同品種之間防御系統的差異，酚類化合物的濃度可能對臭氧處理產生不同的反應[7]。

目前，研究主要側重于臭氧處理對各種食品商品質量和安全方面的影響。然而，主要關注臭氧處理對各種食品多酚影響的綜述較少。旨在了解臭氧氧化對水果和蔬菜、水果飲料和谷物等選定類別食品中生物活性成分的影響。

1 臭氧處理機理

1.1 臭氧反應機制

臭氧與食物之間的反應機制涉及3 種主要途徑：直接氧化、間接氧化和臭氧分解。臭氧的直接氧化是氧原子作用的結果，屬于一級反應，具有高氧化還原電位；臭氧的間接氧化反應導致臭氧分子自動分解為自由基，與食品中存在的有機/無機化合物發生反應[8]；臭氧分解是一種有機氧化還原反應，其中臭氧用于裂解烯烴、炔烴和偶氮化合物（具有功能性二氮烯基的化合物）的不飽和鍵，臭氧氧化過程總是基于直接和間接反應機制的影響[9]。當溶液中OH 自由基的數量增加時，稱為高級氧化過程（AOP），在AOP 過程中，OH 自由基在氧化過程中起著重要作用。這些自由基是分子或原子，極易反應，且半衰期短，這導致OH 自由基非選擇性地立即與溶解的化合物反應。臭氧在反應期間可作為1,3-偶極子、親電劑和親核劑，具體取決于其結構。

臭氧通過主要途徑與食物基質作用的機理見圖1。

圖1 臭氧通過主要途徑與食物基質作用的機理

1.2 臭氧對食物中多酚成分的作用機制

臭氧作為一種非生物激發子，能夠通過多種信號轉導刺激植物組織中的特定防御機制，包括鈣、乙烯、水楊酸、茉莉酸和NO[10]。氨基酸、碳水化合物和脂類初級代謝的變化，以及次級代謝化合物（如酚酸、類黃酮、花青素和單寧）的合成都是這些反應的一部分，這些化合物對人體健康有一定的益處。

作為一種應激物質，臭氧能夠激活保護植物和水果組織免受氧化應激相關損傷的防御機制。多酚氧化酶（PPO）是一種關鍵酶，又稱為酪氨酸酶或多酚酶，主要存在于果皮中，參與水果收獲后加工及處理中的酶氧化，而過氧化物酶（POD）活性主要存在于種子中[11-12]。多酚氧化酶能夠將酚類化合物氧化成醌，隨后（非酶催化）聚合成黑色素，導致酶促褐變，氧化褐變過程通常會通過改變食品的顏色、風味、營養品質和保質期從而降低食品品質。此外，當與多酚氧化酶共存時，過氧化物酶可能加速酚類化合物的分解，導致非酶氧化。水果臭氧氧化是抑制PPO 活性同時增加POD 活性的良好替代方法，能夠引起酚類和類黃酮含量增加。

苯丙氨酸解氨酶（PAL）、二苯乙烯合成酶（STS）和黃酮醇合成酶（FLS）等酶的活性增加會導致多酚積累增加，即黃酮、單寧、非黃酮、萜烯、含氮化合物等[13]。這些化合物在很大程度上來源于3 種生物合成途徑：苯丙烷、類異戊二烯和生物堿途徑。這些途徑產生的植物化學物質不僅包括具有廣譜抗生素活性的化合物，還包括能夠有效清除臭氧誘導的活性氧的強大抗氧化劑。在苯丙酸生物合成途徑中，苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）和酪氨酸氨裂合酶（TAL）在酚類化合物的生產中起著重要作用，如類黃酮、香豆素、水解單寧、花青素、木脂素和木脂素等。由于臭氧誘導的氧化應激增加，這能夠導致酚類化合物產量增加[14]；另一方面，高劑量臭氧氧化可能導致酚含量顯著下降。水果中的酚類化合物可能與氧自由基發生反應，如過氧化氫、羥基和超氧物并增加抗氧化劑代謝物向果皮的轉移。這種現象可防止DNA、脂質和蛋白質等化合物受損，進而導致苯酚濃度降低[15]。

2 臭氧處理對新鮮和加工食品中多酚的影響及案例研究

2.1 水果和蔬菜

新鮮水果和蔬菜是多酚的主要來源，有助于形成顏色、風味、苦味、澀味和氧化穩定性。水果中的多酚有利于氧化、炎癥、血小板活化和血管功能。食物基質和其他生物與臭氧的相互作用能夠減少水果中活性氧（ROS）的產生，保護其免受生理紊亂和植物貯藏疾病的影響[16]。臭氧處理可以不同程度地提高次生代謝物的含量，如總酚、抗壞血酸、β-胡蘿卜素、番茄紅素和花青素等含量。

Alothman M 等人[17]將蜂蜜菠蘿、香蕉和番石榴暴露于在不同暴露時間的8 mg/L 臭氧氣體中，并確認臭氧氧化釋放了大量酚類化合物，其原因可能是由于臭氧導致酶的作用增強，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）。臭氧處理誘導了PAL 的激活，PAL 是負責酚類化合物生物合成的關鍵調節酶。Piechowiak T 等人[18]研究了臭氧富集貯藏對黑灌木藍莓貯藏期間質量的影響。研究發現，臭氧處理后，藍莓的防御機制被激活，以抵抗氧化應激，這可能是由于蛋白質的氧化修飾。貯藏21 d 后，臭氧處理水果的抗氧化酶活性（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶）高于未處理水果。

臭氧濃度過高可能會對水果造成傷害并縮短其采后壽命。于晉澤等人[19]對不同濃度臭氧對羊肚菌的保鮮作用進行研究，發現貯藏前用5 μg/mL 臭氧進行熏蒸，可以有效減緩羊肚菌貯藏期間的質量損失，減弱其呼吸強度，降低其可溶性固形物含量的上升速度，維持較高水平的多酚含量，降低多酚氧化酶活性，保持較高的過氧化物酶活性。然而在臭氧含量達到10 μg/mL，其效果反而會有所下降。

2.2 水果飲料

果汁被認為是新鮮水果和蔬菜的替代品，相較于大多數水果無季節限制。加工新鮮水果和蔬菜以生產果汁、冰沙或強化飲料是促進健康生活方式和克服全球疾病負擔的一種流行方式[20]。熱處理是一種處理果汁的常見加工技術，能夠抑制微生物并防止酶降解。但其功能和感官品質會受到顯著影響[21]。在水果飲料加工中，單獨或與其他熱障礙和非熱障礙結合進行臭氧處理，是一種保存果汁的良好加工選擇。

變黑是果汁加工過程中的一個常見問題，這一過程又稱酶促褐變，其原因主要由于酚類化合物中羥基的氧化引起的PPO 活性引起。酶促褐變是在氧氣充足的條件下內源性多酚氧化酶（PPO）將酚類底物氧化成醌，這些醌類物質進一步反應形成色素類化合物。酶促褐變不僅對產品的色澤產生不良影響，還會影響風味和營養價值[22]。Almeida D L F 等人[23]研究了臭氧處理對含有益生元低聚糖的橙汁品質影響，臭氧處理成功地保持了酚含量和抗氧化劑，可有效控制果汁中的褐變。這與羰基與氨基酸縮合（美拉德反應）或糖與氨基酸反應產生的PPO 酶活性有關。臭氧應用的時間也是決定果汁質量的一個重要因素。在Diao E 等人[24]的研究中發現，在4.8%臭氧濃度下處理蘋果汁10 min 后，咖啡酸、綠原酸、總酚和肉桂酸含量分別下降17.88 mg/L，224.15 mg/L，317 mg GAE/100 mL 和129.75 mg/L；處理15 min后，總酚類化合物減少了50%以上。與上述結果相反，在最近的研究發現[25]，臭氧處理2 min 和5 min后，蘋果汁的總多酚含量從237.08 mg/L 增加到258.48 mg/L和256.90 mg/L。隨著臭氧處理時間的延長，蘋果汁中沒食子酸、綠原酸和兒茶素的含量沒有顯著增加。因此，為了更好地保留質量參數，臭氧處理時間限制在2～5 min。

2.3 發芽種子和谷物

萌發是一個復雜的生理過程，從干燥種子吸收水分開始，到胚胎發育成熟出現自由基時結束。種子的發芽能力是評估谷物質量的指標。在此過程中，許多內源酶被觸發和釋放，從而導致種子儲備材料或新細胞成分的降解或生成，對物理生化屬性產生重大影響。研究證明[26]，發芽種子及谷物含有高水平的酚類化合物，如類黃酮和花青素，而單寧和植酸等抗營養成分的含量減少。谷物中總酚含量下降的原因可能是由于發芽過程中一些多酚從谷物滲透到外部水介質，或者是由于多酚氧化酶和酯酶等前酶的作用導致多酚的氧化和分解。臭氧氧化處理誘導氧化應激和防御機制的潛力，因此可防止萌發種子中酚類化合物的降解[27]。

Malaiyandi M 等人[28]將豇豆幼苗暴露于不同濃度的臭氧下15 min，并且發現酚類化合物增加。這種行為可能是由中間產物合成芳香族氨基酸引起的，中間產物是酚類化合物積累的底物。Sarooei S J 等人[29]研究結果顯示，當暴露時間超過4 h，隨著臭氧濃度的升高和酚類物質的大量降解，酚類化合物的抗氧化能力沒有顯著降低，這種行為歸因于臭氧的自動分解，導致產生各種自由基物種，如氫過氧基（HO2-）、羥基（OH-）和超氧化物（O2-）自由基。張政[30]研究了對花生紅衣中多酚類物質的影響，研究表明，臭氧處理后，花生紅衣多酚抗氧化能力明顯下降，但能顯著增加在花生油花生紅衣多酚的協同抗氧化能力。其原因可能是由于經適當的臭氧處理，花生紅衣多酚提取物被氧化后提高了在中油的溶解性，雖然氧化作用使其還原能力降低，但是油溶性的增加使得花生紅衣多酚提取物能更好地在油溶液環境中發揮其協同作用。

不同劑量的臭氧可能會影響種子發芽，臭氧在有限的劑量下是一種發芽促進劑，高劑量則會造成不良影響。研究顯示，在播種前15～25 d，用質量濃度0.02～0.04 mg/L 臭氧進行處理，玉米種子的發芽能力提高到80%，而初始發芽率只有65%，這是可能是由于種子的內能被激活[31]。高質量濃度臭氧會導致玉米細胞的破壞，會降低發芽能力。Savi G D 等人[32]發現，當小麥經受質量濃度60 mg/L 臭氧180 min 后，發芽能力下降了12.5%。在120 min 的暴露中，沒有發現對發芽的顯著影響，而增加暴露時間到180 min 時，種子的發芽能力就會下降，這揭示了臭氧劑量和暴露時間對種子使用的限制。

3 結語

合理應用臭氧技術，是用于保存固體食品（新鮮蔬菜和水果及發芽種子）和液體食品（水果和蔬菜汁）中多酚成分的重要手段。食物基質與臭氧的相互作用可加速食品中的抗氧化防御系統，并防止人類和植物的退化性疾病。值得注意的是，由于臭氧分子自動分解產生的自由基與選定的組分或其衍生物之間的直接反應，臭氧暴露可能對酚類化合物有害。因此，有必要對加工條件，如臭氧劑量、水分含量、暴露時間等因素進行標準化，以最大限度地提高食品的營養和微生物安全性。