三种果蔬褐变机制及其防止初探

魏金凤,张亚娴，王学标，田苗新，张赛赛，康文

1. 河南大学 民生学院，河南 开封 475004； 2. 河南大学 中药研究所，河南 开封 475004； 3. 开封市保健食品功效成分研究重点实验室，河南 开封 475004

三种果蔬褐变机制及其防止初探

1. 河南大学 民生学院，河南 开封 475004； 2. 河南大学 中药研究所，河南 开封 475004； 3. 开封市保健食品功效成分研究重点实验室，河南 开封 475004

〔目的〕 探讨果蔬酶促褐变的最佳条件及主要影响因素。〔方法〕 以新鲜莲藕、马铃薯为研究对象，分析多酚氧化酶的活性大小。〔结果〕 以邻苯二酚作为底物时，最适温度为 35 ℃、pH值为7.0、底物浓度0.09 mol/L 及最佳抑制剂组合为亚硫酸钠(Na2SO3)浓度0.10% 、EDTA 浓度0.25%、柠檬酸浓度0.20% 、抗坏血酸(Vc)浓度0.20% 。以梨汁为研究对象，探究其在加工和贮存过程中褐变度的变化及影响梨汁非酶褐变的主要因素。〔结论〕结果表明，影响其非酶褐变的主要因素有：金属离子(Mg2+、Fe3+、Cu2+、Sn2+)、pH值、贮藏温度等。此外，吸附剂的使用也可起到一定的抑制作用。

酶促褐变；非酶促褐变；抑制；影响因素

褐变是食品加工、贮藏过程中普遍存在的一种变色现象，尤其是当新鲜果蔬发生机械性损伤(如切割、虫咬、削皮、压伤等)及处于异常的环境下(如过冷、过热等)时，会发生氧化产物的积累，从而造成变色。通常，褐变按其机制分为酶促褐变和非酶促褐变。酶促褐变是指在酚酶的催化下，酚类物质被氧化为醌及其聚合物的反应过程。植物体内的酚类物质种类多、含量丰富，在无损伤细胞中作为呼吸传递物质，若细胞组织遭到破坏，氧气会大量侵入，从而打破酚-醌之间的动态平衡，发生醌的积累。醌还可进一步聚合成黑色物质，导致果蔬发生褐变。在果汁的加工过程中，只要热烫彻底，即可抑制酶促褐变对果汁色泽的影响。然而，非酶褐变产生的深色物质影响果汁的色泽、风味和营养价值，且反应复杂。影响梨汁非酶褐变的主要机制是美拉德反应[1]。

常用的控制酶促褐变的方法主要有：①使用抑制剂、高温热烫等方法使酚酶活性下降；②隔离氧气；③通过改变温度、pH值等改变酚酶的作用条件；④使用SO2、抗坏血酸等抗氧化剂。非酶褐变反应的影响因素很多，主要有pH值、温度、氧气、金属离子等，通过改变这些条件可有效控制非酶褐变的发生。

新鲜果蔬在加工和贮藏过程中，很容易腐烂变质。深入研究新鲜果蔬褐变相关的生理生化机制，从理论上认识组织褐变，找到影响褐变的因素和抑制褐变的有效方法，对解决新鲜果蔬产品加工、贮藏过程中的褐变问题，具有重要的理论和现实意义。多数果蔬的褐变都是以酶促褐变为主，但果蔬汁的加工也难免受到非酶褐变的影响。探究果蔬褐变的机理及其影响因素，以期更有效地防止褐变的发生，对于延长食品的货架期具有现实意义。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

材料：新鲜马铃薯，莲藕，梨(2～4 ℃保存)。

试剂：邻苯二酚，亚硫酸钠(Na2SO3)，柠檬酸，抗坏血酸(Vc)，EDTA，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，氯化铁，硫酸铜，氯化锡，氯化镁。

1.2 仪器与设备

紫外分光光度计，离心机，恒温水浴锅，榨汁机，pHS-3C型精密pH计，电子分析天平。

1.3 酶促褐变及防止研究方法

1.3.1 制备PPO粗酶液(多酚氧化酶) 将新鲜马铃薯、莲藕洗净、晾干，去除果皮。准确称取样品各10 g，切碎后放入盛有25 mL磷酸盐缓冲液(pH=7.0)的研钵中，研磨2 min；3 000 r/min离心10 min；取上清液，即为粗酶液。

1.3.2 测定PPO酶活性 各取0.5 mL粗酶液，分别加入1.0 mL浓度为0.1 mol/L的邻苯二酚溶液、1.0 mL pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液；混匀后于420 nm波长下测定吸光度。

1.3.3 pH值对PPO酶活性的影响 配置不同pH值(5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0)的磷酸盐缓冲液；各取2 mL，加入粗酶液1.0 mL；混匀后于420 nm波长下测定吸光度。

1.3.4 温度对PPO酶活性的影响 各取7支试管，均加入1.0 mL pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液和1.0 mL 0.1 mol/L的邻苯二酚溶液；混匀后，分别在20～50 ℃ (每个间隔 5 ℃)下保温 10 min；然后，各加入1.0 mL PPO粗酶液，于420 nm波长下测定吸光度。

1.3.5 底物浓度对PPO 酶活性的影响 分别配置浓度为0.01 mol /L、0.02 mol /L、0.03 mol /L、0.04 mol /L、0.05 mol /L、0.06 mol /L、0.07 mol /L、0.08 mol /L、0.09 mol /L、0.10 mol /L 的邻苯二酚溶液，作为底物，于420 nm波长下测定吸光度。

1.3.6 复合抑制剂对PPO酶活性的影响 取样品3 g，加入相同质量体积的9种复合抑制剂(EDTA、柠檬酸、抗坏血酸、亚硫酸钠组合，见表1)；浸泡30 min后，按照测PPO活性的步骤测定吸光度。

抑制效果=(1-吸光度)×100%[2]。

表1 复合抑制剂组合(质量分数/%)

1.4 非酶褐变的影响因素及其控制方法

1.4.1 试验方法 新鲜成熟的梨清洗去皮、去核，榨汁后进行灭酶、过滤，然后添加影响非酶褐变的物质进行杀菌贮藏；定期在420 nm波长下测定其吸光度。

1.4.2 多酚氧化酶的钝化 将榨好的梨汁置于85 ℃水浴锅中，保持3 min。

1.4.3 褐变度的测定 在420 nm波长下测定样品吸光度值。

1.4.4 不同条件对非酶褐变反应的影响 ①吸附剂：50 mL梨汁中加入活性炭(5 g/100 mL)，50 ℃下保温1 h；每20 min搅拌一次，静置10 min，过滤、包装、杀菌(93℃左右，1 min)，于40 ℃下贮藏。测定吸光度，1次/d，共5 d。

②pH值：加入柠檬酸调节pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5；包装杀菌后，40 ℃下贮藏。测定吸光度值，1次/d，共5 d。

③金属离子：30 mL梨汁中分别加入100 μg/mL的金属离子Cu2+、Mg2+、Sn2+、Fe3+，包装杀菌后40 ℃下贮藏。测定吸光度，1次/d，共5 d。

④贮藏温度: 30 mL梨汁(自然pH值)分别放置于4 ℃、25 ℃(室温)、40℃条件下贮藏。测定吸光度，1次/d，共5 d。

2 结果与分析

2.1 酶促褐变反应影响因素的探究

2.1.1 PPO活性的测定 由表2可知，马铃薯的PPO活性高于莲藕，说明相同条件下，马铃薯比连藕更易发生褐变。

表2 样品吸光度的测定结果

2.1.2 不同温度对样品PPO活性的影响 如图1所示，样品中PPO活性呈先上升后下降的趋势，在35 ℃时达到最大。温度过高或过低，PPO活性均较低。温度过高易使蛋白质变性，降低果蔬的营养价值；温度过低抑制蛋白质活性；温度为35 ℃时，酶活性达到最大，褐变度最高。因此，可采用低温贮藏抑制酶促褐变。

图1 不同温度下样品PPO活性的变化

2.1.3 不同pH值对样品PPO活性的影响 由图2可知：pH=7.0时，两样品PPO的活性最大，即其最适pH值为7.0；pH<5.5或pH>8.0时，PPO活性明显下降。强碱条件下，多酚氧化酶(酚酶的系统名称是邻二酚，以Cu2+为辅基，必须以氧为受氢体)(PPO)中的铜会解离生成 Cu(OH)2，从而使酶活性降低。在pH<5.5的酸性条件下，PPO中的Cu2+被解离出来，酶失活[2]。因此，调节pH值可有效抑制PPO活性大小。

图2 不同pH值下样品PPO活性的变化

2.1.4 底物浓度对样品PPO活性的影响 如图3所示，酶促褐变反应速率随底物浓度(以邻苯二酚为底物)的增加而增大，直至底物浓度增加到0.09 mol/L时，酶促反应速率趋于平稳。由此得出，样品PPO活性在最适反应底物(以邻苯二酚为底物)浓度时，其褐变度也最大。

图3 不同物低浓度下样品PPO活性的变化

2.1.5 复合抑制剂对样品PPO活性的影响 如表3所示，抑制酶促褐变的最佳组合为表1中的4号组合，即质量分数为0.10%的亚硫酸钠(Na2SO3)、质量分数为0.20%的EDTA 、质量分数为0.20%的柠檬酸、质量分数为0.20%的抗坏血酸(Vc)。相对于马铃薯，抑制剂对于莲藕的抑制效果更佳。所以在果蔬贮藏期间，可使用一定浓度的抑制剂延长褐变时间。

2.2 非酶促褐变反应影响因素的探究

2.2.1 吸附剂的使用 采用去除与未去除色素、杂质的梨汁进行对比分析，二者杀菌后40℃下贮藏，褐变程度随时间的变化结果如图4。可看出，添加活性炭的梨汁的褐变度小于未添加活性炭的梨汁。含有色素及杂质的梨汁，随时间延长，褐变度增幅较大。由此知，色素及杂质的存在是导致梨汁非酶褐变的因素之一。

表3 复合抑制剂实验效果

图4 吸附剂对梨汁非酶褐变的影响

2.2.2 添加金属离子 在梨汁中添加金属离子Cu2+、Mg2+、Sn2+、Fe3+，于40 ℃条件下存放一周。每天测定一次褐变度，比较未添加金属离子的梨汁与添加金属离子的梨汁的褐变度随时间的变化，结果见图5。从图5可知，不同的金属离子对梨汁的非酶褐变的影响有所不同：Sn2+抑制非酶褐变反应，Mg2+对非酶褐变反应几乎无影响，而Cu2+、Fe3+可促进非酶褐变的发生。所以，选择性添加金属离子可有效抑制非酶褐变。

图5 金属离子对梨汁非酶褐变的影响

2.2.3 pH值 采用柠檬酸调节酸度后的梨汁(pH=3.0，3.5，4.0，4.5)与未调节酸度的进行比较，结果见图6。由图6可知, 未调节pH值的样品的褐变度大于添加柠檬酸调节后的梨汁，且褐变度与pH值呈正相关。因此，可通过降低梨汁的pH值控制非酶褐变的程度。

图6 pH值对梨汁非酶褐变的影响

2.2.4 贮藏温度 分别将自然pH值的梨汁放置于4℃、25℃(室温)、40℃条件下贮藏。比较不同贮藏温度下梨汁的褐变度，结果见图7。表明，贮藏温度越高，梨汁的褐变度增加越快。由此可见，低温贮藏有益于抑制梨汁的非酶褐变。

图7 贮藏温度对梨汁非酶褐变的影响

3 讨论

3.1 果蔬酶促褐变的研究

本试验以新鲜莲藕、马铃薯为研究对象，酶促褐变最适温度35 ℃、pH值7.0，最适底物浓度(以邻苯二酚作为底物)0.09 mol/L等。这些结果与方兰兰等人[2-7]的研究基本一致，但复合抑制剂抑制效果有些许差异，这可能与试验条件、材料品种、季节等有关。

3.2 梨汁非酶促褐变的研究

梨汁非酶褐变的影响因素中，本课题针对温度、pH值、金属离子的研究结果与黄卉等人[8-9]的结果大致相同。因活性炭具有芳香环式结构，有较大的比表面积，表面自由能相对较高，能有效吸附杂质、色素等，故本试验使用活性炭去除梨汁中的色素和杂质。后续试验中将对活性炭吸附高温钝化的酚酶、色素的方法以消除非酶褐变的影响进行研究，同时考察不同添加量对于去除效果的影响。

4 结论

4.1 控制果蔬酶促褐变的主要措施

酶促反应是引起果蔬褐变的主要原因。可从以下方面控制酶促褐变：低温贮藏；改变pH值；添加一定量的抑制剂。

4.2 控制梨汁非酶褐变的主要措施

由试验得到影响梨汁非酶褐变的影响因素可知，控制梨汁非酶褐变方法：去除梨汁中的色素和杂质；降低梨汁的pH值；添加适当的金属离子和降低贮藏温度等方法来控制非酶褐变。但综合梨汁的感官评定, 梨汁的pH值控制在3.5～4.0可增加其口感。果汁加工过程中应尽量避免与含有Fe3+、Cu2+的容器接触。

[1] 周亚平. 苹果浓缩汁非酶褐变影响因素的研究[J]. 莱阳农学院，2006(1):32-33.

[2] 方兰兰,黄泽元,王宏勋. 鲜切莲藕的酶促褐变及贮藏中褐变生理的研究[J]. 武汉工业学院学报，2011(12):1-5.

[3] 李敏. 鲜切马铃薯保鲜研究[D]. 兰州：甘肃农业大学，2005:17-18.

[4] 侯志强. 鲜切马铃薯褐变控制技术及机理研究[D]. 济南：山东农业大学，2013:3-9.

[5] 王向阳,姜丽佳,王忠英. 莲藕的酶促褐变及其贮藏中褐变的控制[J]. 农业工程学报，2009(4):1-4.

[6] 孙芝杨,钱建亚. 果蔬酶促褐变机理及酶促褐变抑制研究进展[J]. 中国食物与营养，2007(3):1-3.

[7] 李慧芸. 油枣非酶褐变影响因素及其控制技术的研究[D]. 西安：陕西师范大学，2005:9-16.

[8] 黄卉,赵力超,游曼洁. 影响荔枝汁非酶褐变的因素及其控制方法[J]. 食品科技，2006(9):1-3.

[9] 杨毅,谢慧明,王海翔,等. 砀山酥梨浓缩汁生产中的褐变类型研究[J]. 食品研究与开发，2007(3):1-2.

[责任编辑 李麦产]

A Study on the Mechanism and Prevention of Browning of Three Fruits and Vegetables

1. Minsheng College, Henan University, Kaifeng 475004, China; 2. Institute of Chinese Materia Medica, Henan University, Kaifeng 475004, China; 3. Kaifeng Key Laboratory of Functional Components in Health Food, Kaifeng 475004, China

〔Objective〕 By analyzing the activity of polyphenol oxidase in fresh lotus root and potato, we investigated the most appropriate conditions and the main influence factors of enzymatic browning of fruit.〔Methods〕In this experiment, fresh lotus root, potato, ripe pear were used as material for exploring the different mechanisms of fruits browning.〔Results〕Catechol was used as a substrate of and was treated with 35 ℃, pH 7.0, substrate concentration 0.09 mol/L inhibitor and the best combination of sodium sulfite (Na2SO3) concentration of 0.10%, EDTA concentration of 0.25%, lemon acid concentration of 0.20%, ascorbic acid (Vc) concentration of 0.20%. Pear juice was also used as another research object forexploring the main influencing factors of enzymatic browning and non-enzymatic browning during processing and storage.〔Conclusion〕 The results showed that the main influencing factors of the non-enzymatic browning of pear are composed of metal ions (Mg2+, Fe3+, Cu2+, Sn2+), pH, storage temperature, etc. In addition, the adsorbent may also play a certain role on non-enzymatic browning.

enzymatic browning; non-enzymatic browning; inhibition; influence factors

1672-7606(2016)04-0240-04

2016-10-23

2016年度河南省高校科技创新团队，药食两用资源研究开发(16IRTSTHN019)；河南省科技厅基础前沿计划(142300410123, 152300410064)；开封市创新人才项目(1509010)；河南大学民生学院教育教学改革研究项目(MSJG2015007，MSJG2015040)；河南大学民生学院2016年度大学生创新创业训练计划项目(MSJG2016042)。

魏金凤(1975-)，女，副教授，博士，从事药用植物活性成分研究工作。

康文艺(1971-)，男，黑龙江人，教授，从事天然产物化学研究工作。

R917

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