鲜切马铃薯复合褐变抑制剂组合的筛选

丁 捷，刘书香，张雪军，秦 文,,*，李正国

(1.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014；2.重庆大学生物工程学院，重庆 400030)

鲜切马铃薯复合褐变抑制剂组合的筛选

丁 捷1，刘书香1，张雪军1，秦 文1,2,*，李正国2

(1.四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014；2.重庆大学生物工程学院，重庆 400030)

利用二次旋转组合设计筛选能取代亚硫酸盐的鲜切马铃薯复合褐变抑制剂组合，分析其对鲜切马铃薯贮藏期间PPO活性和褐变度的影响。结果表明，马铃薯切片最佳复合防褐剂配方组合为0.005%曲酸＋0.045%异抗坏血酸钠＋0.045%半胱氨酸(L-Cys)＋0.01% CaCl2＋0.2992% EDTA-2Na。该褐变抑制剂能够显著抑制鲜切马铃薯贮藏期间PPO活性，整个贮藏期间推迟PPO活性高峰时间6d以上；对鲜切马铃薯组织的褐变有明显延缓作用，处理组感官效果明显优于亚硝酸盐处理组和蒸馏水对照组，可以替代亚硫酸盐作为防褐剂用于鲜切马铃薯的生产和流通环节。

鲜切马铃薯；复合防褐剂；多酚氧化酶

鲜切蔬菜(fresh-cut vegetables)又称最少加工蔬菜(minimally processed vegetables)，它指经过原料选择、清洗、分选、切分、包装等工艺加工的鲜活农产品，可食率接近1 0 0%，具有新鲜、安全、方便的特点。马铃薯以其优质的蛋白质，丰富的维生素和微量元素深受消费者欢迎。然而鲜切马铃薯在加工和贮藏过程中极易发生酶促褐变，失去原有自然色泽，不仅影响食用和营养价值，也严重降低了其商业价值。长期以来，人们对其褐变的控制方法以二氧化硫制剂为主。但二氧化硫具有毒性，污染环境，其残留物对人体健康不利，且会使产品褪色，造成颜色失真，使人们产生消费反感。寻找一种简单有效、绿色健康的防褐保鲜方法对鲜切马铃薯的贮运和销售具有重要的意义和推广价值[1-3]。

迄今为止，国内外对马铃薯防褐的研究报道很多，包括曲酸[4]、异抗坏血酸钠[5]、半胱氨酸[6]、柠檬酸、乙二胺四乙酸二钠、氯化钙[7]、4-己基间苯二酚[8-12]等在内等多种化学物质的护色效果已得到证实。但采用维生素类、氨基酸类、钙制剂等可作为营养强化剂的物质作为反应基质，复配溶液来抑制褐变的研究报道很少。本研究采用曲酸、异抗坏血酸钠、半胱氨酸(L-Cys)、氯化钙、EDTA-2Na进行复合配方，测定它们对马铃薯PPO活性的抑制作用，从而找到最佳的质量分数组合；以期找到能替代亚硫酸盐的高效安全的化学褐变抑制剂组合，从而延缓鲜切马铃薯贮藏加工中褐变的发生，延长其货架寿命。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

挑选新鲜、大小均匀、无病害和机械损伤马铃薯；家庭用保鲜袋(40cm×28cm)。pH5.6柠檬酸-磷酸氢二钠、0.2mol/L邻苯二酚(儿茶酚)；曲酸、异抗坏血酸钠、L-半胱氨酸、氯化钙、EDTA-2Na等(均为分析纯)。

1.2 仪器与设备

UV-2102PCS紫外分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司；CENTRIFUCE BR4i冰冻高速离心机 法国Thermo Electron Industries公司；SC-80C全自动色差仪北京康光仪器有限公司；电子天平、常用玻璃仪器、打浆机等。

1.3 方法

1.3.1 原料褐变抑制处理方法

马铃薯经清洗去皮、切片(3～4cm)后，分别置于不同褐变抑制剂溶液中浸泡15min，取出、沥干附着表面的水分，包装后置于4℃贮藏。

1.3.2 多酚氧化酶的提取及活力测定

参考赵光远、张学义等[8-9]的方法，每分钟改变0.01单位OD值的酶量为1个酶活力单位(U)。

1.3.3 褐变度(browning degree，BD)的测定

采用全自动色差仪测定L值。L值的范围为0～100，L=0表示黑色，L=100表示白色，L值越大，表示亮度越高、褐变越轻，L值越小，表示褐变越严重。

1.3.4 鲜切马铃薯复合褐变抑制剂组合的筛选

表1 五因素二次回归正交旋转组合设计试验因素水平与编码表Table 1 Coded factors and their coded levels in quadratic regression orthogonal rotational composite design

根据对PPO活性的抑制效果，选取曲酸、异抗坏血酸钠、L-Cys、氯化钙、EDTA-2Na 5个因素，采用二次正交旋转组合设计，因素水平编码为-2、-1、0、1、2。因素的取值采用线性变换，目标函数为多酚氧化酶活力，具体值见表1。参照乔方等[8]的方法并按下述方法进行：将各个处理分别配制成50mL溶液，测定时吸取各处理液0.5mL(最终质量分数达表1所确定的水平)，再吸取pH4.4醋酸缓冲液2.5mL，加入2.0mL质量分数0.02%儿茶酚底物，再加入0.1mL酶液后迅速摇匀，每隔30s测OD值，计算酶活力。

1.3.5 试验获得的最佳褐变抑制剂组合效果比较

分别以筛选获得的最佳褐变剂组合、0.01mol/L NaHSO3和蒸馏水处理鲜切马铃薯浸泡15min，取出、沥干附着表面的水分，包装后置于4℃贮藏。于第0、3、6、9、12、15天分别测定各处理样品的PPO活性和褐变度，比较所筛选试验获得的最佳褐变抑制剂组合抑制褐变的效果。

1.3.6 数据处理

试验各处理均重复3次，求其平均值和标准差，对所获数据建立回归方程并进行相关分析及通径分析，处理过程由DPS 7.55数据处理系统完成。

2 结果与分析

2.1 鲜切马铃薯最佳褐变抑制剂组合的筛选

2.1.1 马铃薯多酚氧化酶活力与不同组合间关系模型的建立

用不同质量分数曲酸、异抗坏血酸钠、L-Cys、氯化钙、EDTA-2Na进行正交试验获得的抑制褐变效果见表2。用表2数据可模拟出马铃薯多酚氧化酶活力与参试因素间的二次回归模型：

由表3方差分析可知，F1=2.63478＜F0.05(6,9)=3.37，说明模型无失拟性因素存在；F2=115.02852＞F0.01(20,15)= 3.36，在P＜0.01影响极显著，说明该模型能较好地拟合马铃薯多酚氧化酶活力与参试因素之间的关系。

表3表明：在单因素项中，b2的F=6.0699＞F0.05(1,15)，在0.05水平上有显著差异，说明在5种多酚氧化酶抑制剂中，异抗坏血酸钠对多酚氧化酶的活力有显著的抑制效果；其他因素的F值均小于F0.1(1,15)=3.07，故对褐变抑制效果的贡献不明显。在交互项中，b3b4差异极显著(P＜0.01)，说明；L-Cys与CaCl2间的交互作用对多酚氧化酶活力有极显著的抑制作用；b1b2和b2b3在0.05水平上有差异，说明曲酸与异抗坏血酸钠间、异抗坏血酸钠与L-半胱氨酸间交互作用对多酚氧化酶的活性有较大影响；而b3b5、b4b5在0.1水平上有差异，说明L-Cys与EDTA-2Na、氯化钙与EDTA-2Na的交互作用对多酚氧化酶的活力影响也较大。

表2 五因素二次回归正交旋转组合设计结构矩阵及试验结果Table 2 Scheme and results of quadratic regression orthogonal rotational composite design

因此在α=0.10的显著水平，剔除不显著项，可得到多酚氧化酶活性与各因素间的最优回归方程：

2.1.2 影响鲜切马铃薯PPO酶活力的通径分析

由表4可见，对抑制PPO酶活力起负向作用的组分为：L-Cys(-11.007)、EDTA-2Na(-6.934)、CaCl2(-5.131)；起正向作用的为：异抗坏血酸钠(1.357)。在各组分中，L-Cys对PPO酶活力的直接通径系数最大(P(y,x3)=-11.007)，其为负值，即对酶活有负向抑制作用。尽管L-Cys通过曲酸和异抗坏血酸钠对PPO活性起到一定正向作用，但由于L-Cys对酶活力的负向作用较大，并且通过与CaCl2、EDTA-2Na的相互作用进一步加强了对酶活力负向作用。因此，L-Cys对鲜切马铃薯PPO酶活力的最终综合效应表现为负向。因此，适度提高L-Cys的含量可有效降低鲜切马铃薯PPO酶活力。

表3 回归模型方差分析表Table 3 Variance analysis of regression equation

尽管EDTA-2Na在所有负向因素中直接通径系数处于第二位(P(y,x5)=-6.934)，但由于EDTA-2Na又通过曲酸、异抗坏血酸钠等因素对PPO酶活力起到正向作用，削弱了负向作用效果。因而，适度降低EDTA-2Na的含量也是抑制鲜切马铃薯PPO酶活的重要措施。

CaCl2对鲜切马铃薯PPO酶活力的直接通径系数为负值，对酶活力起负向抑制作用，仅次于EDTA-2Na的第3负向指标，并且CaCl2还通过EDTA-2Na进一步加强对酶活力的负向抑制作用；另一方面，CaCl2又通过曲酸、异抗坏血酸钠、L-Cys等对酶活力起到较大的正向作用，明显削弱了负向作用效果。因此选择低水平质量分数的CaCl2含量对抑制鲜切马铃薯PPO酶活力具有重要意义。

异抗坏血酸钠对PPO酶活力的直接通径系数较小，为正值(P(y,x2)=1.357)，对酶活力起正向促进作用。但是异抗坏血酸钠可通过曲酸、L-Cys、CaCl2和EDTA-2Na对酶活力起间接的负向作用，并且由于作用较大，最终综合效应表现为负向抑制作用。因此，增加异抗坏血酸钠的含量有利于降低鲜切马铃薯PPO酶活力。

在本实验设计质量分数范围内，曲酸对PPO酶活力的直接作用可忽略，但是曲酸可通过L-Cys、CaCl2和EDTA-2Na等加强与酶活力负向作用，由于作用较大，最终使曲酸对酶活力起抑制作用。故较高的曲酸有利于复合褐变抑制剂对鲜切马铃薯PPO酶活性的抑制作用。

因此通过多项式及互作项逐步线性回归分析，对最优回归方程进行预测可知，在置信水平(α=0.1)条件，曲酸、异抗坏血酸钠、半胱氨酸(L-Cys)、EDTA-2Na分别在质量分数0.005%、0.045%、0.045%、0.01%、0.2992%时，配方溶液可取得对马铃薯PPO活性最佳的抑制效果。

表4 复合褐变抑制剂成分间与马铃薯PPO活性的通径分析结果Table 4 Pathway analysis between compound inhibitor and PPO activity

2.2 最佳褐变抑制组合处理对鲜切马铃薯PPO活性和褐变度的影响

2.2.1 最佳褐变抑制剂组合处理对鲜切马铃薯贮藏期间多酚氧化酶活性的影响

试验获得的最佳褐变抑制剂组合处理对鲜切马铃薯贮藏期间多酚氧化酶活性的影响见图1，所有处理的PPO活性在贮藏期间均呈现先上升后下降的趋势。试验获得最佳褐变抑制剂组合、0.01mol/L NaHSO3处理的鲜切马铃薯在整个贮藏期间PPO活性明显低于蒸馏水对照组，表明试验获得的最优褐变抑制剂组合和0.01mol/L NaHSO3对抑制鲜切马铃薯PPO活性有显著效果。第0天时，最优组合和0.01mol/L NaHSO3处理的PPO活性分别是蒸馏水对照的42.7%和61.55%，且随时间的延长其抑制效果更加明显；第6天二者的PPO活性分别为蒸馏水对照的14.8%和46.34%；整个贮藏期间，两者分别推迟PPO活性高峰时间为6d和3d。比较最优组合和0.01mol/L NaHSO3对鲜切马铃薯PPO活性的抑制作用发现，前者抑制酶活效果优于后者，表明试验获得的褐变抑制剂组合是高效的，完全可以替代亚硫酸盐用于鲜切马铃薯褐变发生地控制。

图1 不同防褐处理对马铃薯PPO活性的影响Fig.1 Effects of different browning inhibitors on PPO activity in fresh-cut potatoes

2.2.2 最佳褐变抑制剂组合处理对鲜切马铃薯贮藏期间褐变度的影响

图2 不同防褐处理对马铃薯褐变度的影响Fig.2 Effects of different browning inhibitors on browning degree of fresh-cut potatoes

由图2可知，贮藏期间各处理的褐变度L值随时间的延长而减小。其中蒸馏水对照前6d的褐变非常迅速，有非常明显的褐变现象发生，与其PPO活性高峰到达时间一致；第6天时L值即达到63.44，远远超过试验获得的最佳褐变抑制剂组合和0.01mol/L NaHSO3处理后第12天的L值；此后蒸馏水对照的L值的减少趋于平缓。试验获得的最佳褐变抑制剂组合和0.01mol/L NaHSO3处理的鲜切马铃薯在整个贮藏期间下降趋势较慢；第0天时二者处理后的鲜切马铃薯L值明显高于蒸馏水对照，这个可能是因为二者的褐变抑制效果不仅仅是抑制了PPO的活性，同时还与有机色素结合，从而产生漂白效果；结束贮藏时二者的褐变度分别为66.27和61.94，感官效果明显优于蒸馏水对照。图2还显示，试验获得的最佳褐变抑制剂组合处理的抑制褐变效果明显优于0.01mol/L NaHSO3处理，这与最佳褐变抑制剂组合处理的PPO活性远低于NaHSO3处理相吻合。

3 结论与讨论

鲜切果蔬褐变的化学抑制除了亚硫酸钠盐以外，主要有EDTA-2Na、L-Cys、4-己基间苯二酚(4-Hr)、CaCl2和天然植物提取物等[13-19]，但单独处理的效果均不理想。试验根据以上各化学物质的褐变抑制效果，选用了曲酸、异抗坏血酸钠、半胱氨酸(L-Cys)、氯化钙和EDTA-2Na 5种护色剂进二次正交旋转组合试验，筛选试验获得的最佳褐变抑制剂组合为0.005%曲酸＋0.045%异抗坏血酸钠＋0.045%半胱氨酸(L-Cys)＋0.01% CaCl2＋0.2992% EDTA-2Na。曲酸、异抗坏血酸钠和EDTA-2Na既作为醌的还原剂，又作为酶分子中铜离子的螯合剂，通过—OH与多酚氧化酶的辅基Cu离子螯合，并能被多酚氧化酶直接氧化起到竞争性抑制剂的作用；曲酸还可通过对氧自由基的去除干扰多酚氧化酶酶促反应对氧的吸收，同时抑制多种细菌的生长。L-Cys作为一种还原剂，既能消耗蔬菜组织中的氧，又可与酶促褐变底物反应生成的醌类化合物进行加成，使其不再进一步形成黑色素。氯化钙可降低氧在组织中的溶解度，使蔬菜的脆度和硬度增加，其褐变抑制效果在实践中得到证实，而且安全廉价，对降低褐变成本抑制剂的使用成本具有重要的意义。五种化学褐变抑制剂的综合应用克服了单一抑制剂的缺点，降低了使用的质量分数，且提高了抑制褐变的效果。

该配方对其鲜切马铃薯进行浸泡处理，并结合PE膜及低温贮藏，能够有效地抑制鲜切马铃薯多酚氧化酶的活性，且抑制效果优于0.01mol/L NaHSO3处理效果，从而延缓了褐变的发生，使鲜切马铃薯货架期达到1周以上，而未经处理的货架期仅为3 d左右。此外，褐变抑制组合中各成分安全可靠，符合食品卫生质量要求，可作为亚硫酸盐的替代物在生产实践中应用。

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Screening of Compound Browning Inhibitors for Fresh-cut Potatoes

DING Jie1，LIU Shu-xiang1，ZHANG Xue-jun1，QIN Wen1,2,*，LI Zheng-guo2
(1. College of Food Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China；2. College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

The screening of compound browning inhibitors for fresh-cut potatoes was explored by quadratic rotation composite design. The effect of screened compound browning inhibitor on polyphenol oxidase (PPO) activity and browning degree of freshcut potatoes during storage period was also analyzed. The results indicated that the optimal formula of compound inhibitor for controlling the browning of fresh-cut potatoes based on orthogonal design was 0.005% kojic acid, 0.045% isoascorbic acid, 0.045% L-Cys, 0.01% CaCl2and 0.2992% EDTA-2Na. This compound inhibitor could obviously inhibit PPO activity, delay PPO activity peak for more than 6 days, and attenuate the browning degree of fresh-cut potatoes. The sensory quality of fresh-cut potatoes treated with this compound inhibitor was much better than that of fresh-cut potatoes treated with NaHSO3 and distilled water control group. Therefore, this screened browning inhibitor for fresh-cut potatoes is highly effective and has the potential to be an alternative to NaHSO3as a browning inhibitor and be used for the manufacturing and circulation of potatoes.

fresh-cut potatoes；compound browning inhibitor；polyphenol oxidase (PPO)

TS201.2；TS201.6

A

1002-6630(2011)06-0288-05

2010-06-15

四川省科技厅国际合作项目(2009HH0030)

丁捷(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：dingjiedream@163.com

*通信作者：秦文(1967—)，女，教授，博士，研究方向为食品加工及品质控制。E-mail：qinwen1967@yahoo.com.cn