大气压冷等离子体影响食品酶研究进展

刘胜男，马云芳，张嵘，范刘敏，相启森*

1. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450001）；2. 食品生产与安全河南省协同创新中心（郑州 450001）

酶是一类特殊的具有催化活性的蛋白质，广泛存在于各种食品原料中。内源酶是影响食品质量的重要因素之一，其在食品加工贮藏过程中引发的生物化学反应直接影响食品的营养、质构及感官性质[1]。例如，麦胚等存在的脂肪酶（LA）、脂肪氧化酶（LOX）能够水解脂肪生成游离脂肪酸并引发酶促氧化，从而造成食品酸败[2]；广泛存在于果蔬原料中的多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）等则会催化果蔬制品发生酶促褐变，并对其营养及感官品质造成不良影响[3]。

在食品加工贮藏过程中采取措施控制内源酶活力对于有效保持食品营养价值及感官品质具有重要的意义。虽然普遍采用的热处理法能够有效达到灭酶、钝酶效果，但同时也会破坏食品中热敏性成分并对风味、质构、色泽等造成不良影响。近年来超高压、脉冲电场、超声波、大气压冷等离子体、辐照等非热技术在食品加工中的应用受到广泛关注[4-6]。大气压冷等离子体（ACP）是一种新型非热加工技术，在食品杀菌保鲜、内源酶失活等领域具有广阔应用前景[7-9]。因此，该文综述了近年来国内外在ACP处理影响食品内源酶方面的研究进展，探讨ACP作用机制，并对今后研究内容进行讨论和展望，以期为ACP技术在食品加工中的应用提供参考依据。

1 大气压冷等离子体

1.1 等离子体概述

等离子体（Plasma）是一种宏观呈电中性的电离气体，由电子、正负离子、自由基、基态或激发态分子和电磁辐射量子（光子）等组成[10]。根据离子和电子的热力学平衡状态，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。大气压冷等离子体（ACP）是指在大气压（常压）条件下产生的冷等离子体[11-12]。因其具有能够在常压条件下产生、温度接近室温、活性组分含量丰富等优点，ACP在各领域均有实际应用[13-14]。

1.2 ACP产生方法

ACP主要通过电磁场激发气体产生。常用放电方式主要包括介质阻挡放电（DBD）、辉光放电、微波放电（MD）、电晕放电、滑动电弧放电、大气压等离子体射流（APPJ）等[7,13-14]。

2 大气压冷等离子体对食品酶活性的影响

近年来，ACP在食品工业中的潜在应用受到广泛关注，应用领域包括食品表面及包装材料杀菌、食品组分改性、真菌毒素等有毒物质降解等[13-14]。作为一种新型非热加工技术，ACP对果汁、鲜切果蔬等灭酶、钝酶效果被大量研究证实；与传统热处理工艺相比，ACP处理能够较好地保持食品营养成分和感官特性[8-9]。

2.1 ACP对食品酶活性的影响

如表1所示，DBD等离子体、辉光放电等离子体等均能够有效失活模拟体系中乳酸脱氢酶、辣根过氧化物酶和溶菌酶等活力并造成其二级结构等性质发生显著变化[15-19]。

表1 ACP对模拟体系中酶活力的影响

ACP对食品体系酶活力的影响见表2。各种ACP处理均能够有效失活果蔬汁、鲜切果蔬、谷物等中多酚氧化酶、果胶甲酯酶（PME）、过氧化物酶等食品内源酶[21-25]。如Tappi等[20]发现，DBD等离子体能有效失活鲜切苹果片中多酚氧化酶，并显著抑制储藏过程中发生的酶促褐变，但未对其质构特性造成显著影响。Xu等[21]研究发现，经DBD等离子体处理120 s后，鲜榨橙汁中果胶甲酯酶活力显著降低，同时未对可溶性固形物含量、色泽等造成显著影响。ACP处理会造成食品内源酶失活，但Lee等[25]发现，经DBD等离子体处理5～20 min后，糙米中α-淀粉酶活力显著升高（p＜0.05）；推测其原因可能是DBD等离子体处理使糙米表面出现裂隙，导致α-淀粉酶活力检测结果升高。

表2 ACP对食品体系中酶活力的影响

2.2 ACP失活酶的影响因素

ACP对食品酶的失活作用受多种因素影响，主要包括ACP产生设备相关参数（设备类型、放电电压或功率、放电气体类型及流速、处理时间等）、酶及食品原料本身的性质等。ACP对酶的失活作用一般随等离子体放电电压[21,23]、功率[24]升高和处理时间延长而增强[20,23]。Chutia等[26]发现，DBD等离子体对椰汁POD和PPO的失活作用随放电电压的升高而增强，同时发现PPO比POD对DBD等离子体处理更敏感。Kang等[27]研究不同气体（N2、O2、Ar、He和空气）对微波放电等离子体失活马铃薯PPO提取物的影响，发现使用空气时PPO失活效果最好。该研究同时发现马铃薯切片的大小也显著影响微波放电等离子体对PPO失活效果。马铃薯切片表面积体积比分别为7.1（3.2 cm×0.8 cm×0.5 cm）和9.0（0.8 cm×0.8 cm×0.5 cm）时，900 W处理40 min后，马铃薯切片中PPO活力分别降低27.6%和41%[27]。

2.3 ACP失活食品酶的动力学模型

研究ACP失活食品酶的动力学规律对于优化ACP处理工艺参数等具有重要指导意义。Pankaj等[28]和Chutia等[26]研究表明，与一级动力学模型和Logistic模型相比，Weibull模型可以更好拟合DBD等离子体诱导番茄POD和椰汁POD、PPO失活。而Segat等[29]发现，与一级动力学模型和Logistic模型相比，Weibull模型能更好地拟合DBD等离子体诱导的碱性磷酸酶失活规律。

3 ACP对食品酶的作用机理

ACP对酶的失活作用与气体放电过程中产生高能电子、带电粒子、自由基等活性物质、紫外线及其他射线等有关[30-31]。气体放电过程中产生大量活性物质，如臭氧（O3）、过氧化氢（H2O2）、单态氧（1O2）、超氧阴离子（O2-）、羟自由基（·OH）、一氧化氮自由基（·NO）等[32-33]。

3.1 ACP对氨基酸残基的修饰

ACP所含有活性化学物质能与酶的氨基酸残基发生一系列化学反应，如酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸的苯环发生羟基化和硝基化修饰；组氨酸和脯氨酸发生酰胺化修饰和开环反应等[34-35]。氨基酸残基的化学修饰能显著改变酶及其活性位点疏水性、分子间作用力等，造成酶的失活。Lackmann等[36]发现在DBD等离子体失活牛胰腺核糖核酸酶A（RNase A）过程中，RNase A所含有甲硫氨酸、半光氨酸、组氨酸等残基被氧化修饰；其中，Met79和Met13被氧化形成甲硫氨酸亚砜，还原剂二甲硫醚处理能部分恢复DBD等离子体所造成RNase A失活；半光氨酸被氧化后不能再形成二硫键。结果表明，DBD等离子体可能通过氧化修饰甲硫氨酸、半光氨酸等氨基酸残基而失活RNase A。

3.2 ACP对酶空间结构的影响

除直接修饰氨基酸残基以外，ACP也对酶的空间结构造成影响。如圆二色光谱（CD）检测结果表明，DBD等离子体处理能造成LDH和RNase A二级结构中α-螺旋和β-折叠含量显著降低[18,34]；动态光散射（DLS）检测结果表明，DBD等离子体处理造成LDH发生聚集，这也可能是LDH失活原因之一[18]。

3.3 ACP对酶活性位点的影响

研究证实，ACP处理可能破坏酶与底物结合的活性位点或酶的辅基，导致酶的活性发生变化。溶菌酶含有3个酪氨酸残基和6个色氨酸残基，其中Trp62和Trp108接近底物结合位点。Choi等[37]发现，经ACP处理后，溶菌酶Trp内源荧光强度显著降低，这可能与色氨酸残基修饰或其周围环境极性变化有关；X射线晶体检测结果证实Trp62、Asp101及Trp108的位置均发生变化。血红素（正铁原卟啉）是辣根过氧化物酶体（HRP）辅基，在维持其天然构象方面有重要作用。研究结果表明，辉光放电等离子体中含有过氧化氢（H2O2）、羟自由基（·OH）等活性物质及紫外线能降解血红素，从而导致HRP失活[17]。

4 结语与展望

大量研究表明，ACP能有效失活PPO、POD等多种食品内源酶。与传统热处理相比，ACP处理能有效保持食品营养价值和感官品质。在今后研究中，应加强基础理论研究系统阐明ACP影响食品内源酶作用机制及动力学模型并优化ACP处理工艺参数，为其工业利用提供理论依据；此外，关于ACP影响食品内源酶的研究主要集中于应用基础研究方面，其产业化应用研究是今后研究的重要内容之一。