菊芋泡菜贮藏期间非酶褐变的研究

王卫东，孙月娥，李 超，杨冬梅，庄 平

(1. 徐州工程学院食品(生物)工程学院，江苏 徐州 221008；2. 江苏省食品生物加工工程技术研究中心，江苏 徐州 221008；3. 徐州市金地杰农业发展有限公司，江苏 徐州 221116)

菊芋泡菜贮藏期间非酶褐变的研究

王卫东1,2，孙月娥1，李 超1，杨冬梅1，庄 平3

(1. 徐州工程学院食品(生物)工程学院，江苏 徐州 221008；2. 江苏省食品生物加工工程技术研究中心，江苏 徐州 221008；3. 徐州市金地杰农业发展有限公司，江苏 徐州 221116)

研究不同包装材料和加工用水对菊芋泡菜褐变的影响，并对其贮藏期间部分理化指标的变化进行测定，初步揭示菊芋泡菜在贮藏期间发生褐变的机制。结果表明，菊芋泡菜贮藏期间发生的褐变主要是多酚的氧化聚合以及美拉德反应导致的非酶褐变，而低浓度的金属铁离子并不会导致褐变的发生。在菊芋泡菜中添加不同的抗褐变剂(异抗坏血酸钠、柠檬酸亚锡二钠和EDTA)，可以减少菊芋泡菜在贮藏期间的褐变。加速贮藏实验表明，柠檬酸亚锡二钠是菊芋泡菜贮藏期间良好的抗褐变抑制剂。

菊芋；非酶褐变；多酚；美拉德反应

褐变是食品加工和贮藏过程中常见的一种变色现象，根据其发生的机制，可分为酶促褐变和非酶褐变。经过杀菌或者足够强度热处理的食品，其中的多酚氧化酶(PPO)已经失活，因此其贮藏期间产生褐变的原因主要是非酶褐变。美拉德反应是非酶褐变中研究最多的反应，一般采用控制食品水分含量、降低温度、控制pH值、减少美拉德反应底物的含量来防止和减缓美拉德反应的发生。此外，多酚的变化也是导致食品非酶褐变的一个重要原因。目前研究认为多酚与金属离子之间的反应、多酚的氧化聚合都会导致食品的褐变。由于多酚的氧化和聚合过程非常复杂，产物结构多样，因此对多酚导致食品褐变的机制和防止方法研究较少。

菊芋(Helianthus tuberosus L.)别名洋姜、洋菜、鬼子姜，属菊科向日葵属多年生草本植物，在我国的华北、华东、华南、华中等地均有分布。菊芋块茎富含菊糖，质地白细脆嫩，无异味，可生食、炒食、煮食或切片油炸等。最常见的食用方法是把菊芋腌渍加工成泡菜。在菊芋泡菜的贮藏过程中，经常有褐变现象产生，导致产品发黑，严重影响其感观和营养品质。本实验通过贮藏实验探讨菊芋泡菜贮藏期间的非酶褐变机理，旨在为防止其在货架期内发生褐变提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菊芋泡菜半成品由徐州市金地杰农业发展有限公司提供，用切片机切成3mm的薄片后贮存于4℃备用；铝箔袋(BOPP/AL/PE)、复合塑料袋(BOPP/PE)、铝塑袋 徐州市金地杰农业发展有限公司。

5-羟甲基糠醛(HMF) Sigma公司；柠檬酸亚锡二钠(食品级) 博野县邦恩食品辅料有限公司；铁标准溶液 北京纳克分析仪器有限公司；纯净水 娃哈哈集团；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TU-1810型紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；TGL-20M高速台式冷冻离心机 长沙湘仪离心机有限公司；WSC-S测色色差计 上海精密科学仪器有限公司；隔水式恒温培养箱 上海恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菊芋泡菜加工工艺流程

新鲜菊芋→清洗→腌渍发酵→挑选→切片→脱盐→配合→真空包装→巴氏杀菌→冷却

1.3.2 过氧化物酶(POD)定性实验[1]

包装好的菊芋泡菜在90℃水浴中杀菌18min，立即流水冷却至室温。将热处理后的菊芋片切断，取0.1%愈创木酚-酒精溶液滴在横断面上，稍等片刻，再将0.3% H2O2溶液滴在横断面上，观察其颜色变化。若横断面在1～2min内呈现红褐色，说明过氧化物酶没有失活；若横断面无颜色变化，则说明过氧化物酶已经失活。

1.3.3 包装材料对褐变的影响

将发酵后的菊芋泡菜脱盐后分别用铝箔袋(BOPP/ AL/PE)、复合塑料袋(BOPP/PE)、铝塑袋包装，每袋100g，杀菌后置于37℃恒温培养箱中贮藏。

1.3.4 模拟加工水体系的建立

采用石墨炉原子分光光度法[2]测定去离子水、纯净水、自来水和井水的铁含量。

配制质量浓度分别为2.5、5、7.5、10、12.5ng/mL的铁标准溶液，各吸取1mL，测定吸光度，以铁质量浓度(C)为横坐标、吸光度(A)为纵坐标制作标准曲线，得回归方程：A=0.0153C＋0.0265，相关系数R2=0.9992。

为了证明是否由于水中的铁导致菊芋泡菜褐变，采用不同来源的水对菊芋进行脱盐处理。分别称取硫酸铁、氯化亚铁0.02g溶于纯净水中，定容到100mL，配制铁含量相当于井水的脱盐用水。以井水、自来水、去离子水以及上述的配制水浸泡菊芋泡菜以脱盐(菊芋泡菜与水的质量比为1:2)，每天测定菊芋泡菜的褐变，连续测定3d。

1.3.5 菊芋泡菜褐变度的测定

用全自动测色色差仪通过反射法测定菊芋泡菜的色泽。仪器的标准白板L*=93.53，a*=－0.82，b*=0.10。用L*值表示褐变度，L*值越小，说明褐变程度越大。

1.3.6 菊芋泡菜的抗褐变处理

菊芋泡菜浸泡脱盐，加入不同质量浓度的抗褐变剂(表1)，搅拌均匀后真空包装，杀菌冷却，置于37℃恒温培养箱中贮藏，定期测定产品的色泽和其他理化指标。

表1 抗褐变剂及其质量浓度Table1 Anti-browning agents and their application concentrations

1.3.7 菊芋泡菜其他理化指标的测定

还原糖：采用3,5-二硝基水杨酸法[3]；总酚：采用Folin-Ciocalteau法[4]；5-羟甲基糠醛：参照Cohen等[5]的方法。

2 结果与分析

2.1 杀菌条件对POD活力的影响

本研究采用的杀菌参数为工业化生产中采用的杀菌条件。结果表明在此杀菌条件下POD已经失活。由于多酚氧化酶(PPO)的热稳定性低于POD，因此本研究采用的杀菌条件可以使PPO完全失活，在菊芋泡菜贮藏期间产生的褐变现象为非酶褐变。

2.2 包装材料对菊芋泡菜褐变的影响

图1 37℃贮藏1个月后的菊芋泡菜Fig.1 Imaging of pickled Jerusalem artichoke with aluminum-plastic package and compound plastic package stored at 37 ℃ for one month

由图1可见，贮存1个月后不同包装的菊芋泡菜的褐变度有显著的区别。铝塑包装的菊芋泡菜仍然保持原来的色泽，而复合塑料包装后的菊芋泡菜褐变严重。图2中是用铝箔袋包装后贮藏1个月后的菊芋泡菜。实验所用铝箔袋是立体袋，底部是透明的复合塑料，袋身为铝箔和塑料复合材料。图2(a)为铝箔袋底部及其中的菊芋泡菜，很明显底部的泡菜发生了严重的褐变。而从铝箔袋袋身的正面观察，只是在靠近包装袋底部的菊芋泡菜发生了明显的褐变，而靠近袋子内部的菊芋泡菜基本保持原有的颜色。

图2 铝箔包装后在37℃贮存1个月的菊芋泡菜Fig.2 Imaging of pickled Jerusalem artichoke with aluminum foil package stored at 37 ℃ for one month

这3种包装材料不同之处是透氧性、透光性和透湿性不同，铝箔和铝塑材料的气密性和遮光性均好于复合塑料包装材料。由于氧气可以参与食品中的许多化学反应，引起多种成分的氧化，如多酚类物质的氧化、脂肪的氧化和VC的氧化[6]。而铝塑和铝箔包装的透氧性低于塑料复合包装，因此可以减缓氧参与的化学反应，使得菊芋泡菜的褐变程度较小。

2.3 菊芋泡菜中总酚的含量

图3 菊芋泡菜贮藏期间总酚含量的变化Fig.3 Change in the content of total polyphenols in pickled Jerusalem artichoke during storage

由图3可见，在贮藏期间菊芋泡菜中总酚含量呈现下降趋势。由于菊芋泡菜在加工过程中经历了杀菌，导致PPO失活，酶促褐变在贮藏期间不会出现，因此多酚的减少不是由于酶促褐变引起的。酚类化合物的化学性质相当活泼，很容易氧化形成醌，而醌具有强烈的亲电子性，极易与亲核基团反应，从而促进其他分子氧化及其自身快速聚合[7]。结合2.2节中所述包装材料对菊芋褐变的影响，很可能是多酚类物质发生的氧化聚合导致菊芋泡菜的褐变。

2.4 脱盐用水对褐变的影响

图4 菊芋泡菜贮藏期间HMF含量的变化Fig.4 Effect of salt-removed water on the content of HMF in pickled Jerusalem artichoke during storage

表2 不同水样中的铁含量Table2 Content of iron in different water samples

由图4可知，采用纯净水和去离子水浸泡后的菊芋泡菜L*值升高，表明没有发生褐变，而采用自来水处理的菊芋泡菜3d后L*值显著降低，表明发生了明显的褐变。

分别测定不同水样中的铁含量，结果如表2所示。由表2可见，纯净水和去离子水中都不含铁离子，自来水中铁离子含量最高。采用不含铁离子的纯净水配制浓度相当于自来水的铁离子溶液浸泡菊芋。由图4可见，无论是3价或2价铁离子都不会导致菊芋浸泡后L*值显著降低，即不会发生褐变。

虽然水中的金属离子特别是铁离子与食品中的多酚类物质可以发生络合反应，导致食品褐变[8]。但是加工用水中微量的铁离子并不会导致菊芋泡菜的褐变。水中其他的化学成分或者金属离子可能是导致褐变的原因，特别是自来水中残留的氯，作为氧化剂可能氧化菊芋中的多酚导致其发生褐变，如果进一步确证需要更深入的实验和研究。

2.5 菊芋泡菜中羟甲基糠醛(HMF)含量的变化

图5 菊芋泡菜贮藏期间HMF含量的变化Fig.5 Change in the content of HMF in pickled Jerusalem artichoke during storage

Maillard是十分复杂的羰胺反应，而HMF是反应重要的中间产物，不仅是体系形成色素沉积的潜在条件，也是Maillard反应和非酶褐变的重要指示因子[9]。图5是菊芋泡菜贮藏期间HMF含量随时间的变化。由图可见，菊芋泡菜在贮藏期间HMF的含量呈现上升的趋势，表明在贮藏期间发生了美拉德反应。由于HMF是反应的中间产物，因此它存在一个积累的过程，在前21d上升速度比较慢，而后上升速度加快。

2.6 菊芋泡菜中还原糖含量的变化

美拉德反应是还原糖与游离氨基之间的反应，因此如果菊芋在贮藏期间发生了美拉德反应，则必然伴随着还原糖含量的减少。由图6可见，还原糖含量并没有随时间的增加而减少，该结果难以解释菊芋泡菜的非酶褐变与Maillard反应的相关性。由于菊芋中含有大量的菊糖，可能在贮藏期间发生了降解，导致还原糖的含量没有发生明显的变化。Babsky等[10]在研究中发现，果汁储藏期间还原糖变化十分复杂，一方面还原糖因与游离氨基发生Maillard反应而减少，另一方面果汁中的一些双糖因受热而发生酸水解，导致葡萄糖、果糖等还原糖含量增加。因此，还原糖含量的变化不能明确反映菊芋泡菜贮藏过程中Maillard反应的程度。

图6 菊芋泡菜贮藏期间还原糖含量的变化Fig.6 Change of reducing sugar in pickled Jerusalem artichoke during storage

2.7 褐变抑制剂对菊芋泡菜褐变的影响

由表3可见，褐变抑制效果为柠檬酸亚锡二钠＞异抗坏血酸钠＞EDTA，并且抑制剂质量浓度越大抑制褐变效果越好。贮藏43d后，对照菊芋泡菜的L*值由57.91降到了46.69，由于L*值越小表明褐变程度越大，因此对照菊芋泡菜的褐变程度比较大。与对照相比，添加了异抗坏血酸钠、柠檬酸亚锡二钠的菊芋泡菜L*值变化较小，表明褐变程度较小，而EDTA只有在高质量浓度(0.025g/100mL)时才表现出抑制作用。

表3 加入褐变抑制剂后菊芋泡菜贮藏期间的L*值变化Table3 Effects of anti-browning agents on the L* value of pickled Jerusalem artichoke during storage

3 结 论

不同包装材料对菊芋泡菜褐变的影响不同，贮藏1个月后，采用铝箔和铝塑包装的泡菜没有发生明显的褐变。加工用水中微量的铁离子不会导致菊芋的褐变，有可能是其他的化学成分，特别是其中的氧化成分如残留氯引起的褐变。菊芋泡菜贮藏期间的褐变主要是非酶褐变，是由美拉德反应和多酚的氧化聚合引起的。采用阻气性较好的铝塑或者铝箔包装材料，或者添加异抗坏血酸钠、柠檬酸亚锡二钠可以防止菊芋泡菜贮藏期间发生非酶褐变，较好的保持其色泽。

[1]宋贤聚, 张慜, 许智慧. 芦笋复合汁的加工工艺和配方的优化[J]. 食品与生物技术学报, 2007, 26(1): 37-42.

[2]任雪峰, 吴冬青, 王永生, 等. FAAS法测定苦杏仁和甜杏仁中的13种金属元素[J]. 光谱实验室, 2009, 26(2): 403-406.

[3]大连轻工学院, 华南理工大学, 天津轻工业学院, 等. 食品分析[M].北京: 中国轻工业出版社, 2001.

[4]DUGH C S, AMERINE M A. Methods for analysis of musts and wines [M]. 2ed ed. New York: John Wiley & Sons Inc, 1988: 203-205.

[5]COHEN E, BIRK Y, MANNHEIM C H, et al. A rapid method to monitor quality of apple juice during thermal processing[J]. LWT-Food Sci Technol, 1998, 31: 612-616.

[6]叶梅. 植物组织褐变的研究进展[J]. 重庆工商大学学报, 2005, 22(14): 326-381.

[7]王素雅, 王璋. 香蕉汁储藏过程中非酶褐变的研究[J]. 食品科学, 2005, 26(12): 81-85.

[8]叶兴乾. 果品蔬菜加工工艺学[M]. 2版. 北京: 中国农业出版社, 2002: 5-7.

[9]LEE H S, NAGY S. Relationship of sugar degradation to detrimental changes in citrus in citrus juice quality[J]. Food Technol, 1988, 42: 91-97.

[10]BABSKY N E, TORIBIO J L, LOZANO J E. Influence of storage on composition of clarified apple juice concentrate[J]. J Food Sci, 1986, 51 (2): 564-567.

Non-enzymatic Browning of Pickled Jerusalem Artichoke during Storage

WANG Wei-dong1,2，SUN Yue-e1，LI Chao1，YANG Dong-mei1，ZHUANG Ping3
(1. College of Food(Biology) Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221008, China；2. Jiangsu Engineering Research Center for Food Biology Processing, Xuzhou 221008, China；3. Xuzhou Excellent Land Agriculture Development Co. Ltd., Xuzhou 221116, China)

The effects of package materials and water used in preparation processing on the browning of pickled Jerusalem artichoke during storage were explored and physiochemical properties of pickled Jerusalem artichoke during storage were determined to explore the browning mechanisms. Results indicated that the browning of pickled Jerusalem artichoke during storage was non-enzymatic browning, which was mainly due to oxidative polymerization of polyphenols and Maillard reaction. The metal ions at the low concentration level did not result in browning. The browning of pickled Jerusalem artichoke exhibited a declined trend at the condition of adding anti-browning agents such as sodium erythorbate, disodium stannous citrate and EDTA. Moreover, disodium stannous citrate was the best anti-browning agent for pickled Jerusalem artichoke during storage with accelerated browning experiments.

Jerusalem artichoke；non-enzymatic browning；polyphenol；Maillard reaction

TS255.53

A

1002-6630(2010)20-0477-04

2010-06-19

徐州市农业科技创新计划项目(XJ2010105)；徐州市铜山县2009年科技计划项目

王卫东(1971—)，男，讲师，博士，研究方向为食品资源开发与利用。E-mail：wwd.123@163.com