微波处理钝化紫薯中POD/PPO酶的研究

王顺民,李 勇,张 宁

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)



微波处理钝化紫薯中POD/PPO酶的研究

王顺民,李 勇,张 宁

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

摘要:研究微波对紫薯中过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性的影响．采用Box-Behnken响应面法建立关于微波功率、微波时间和紫薯厚度因素与POD和PPO酶抑制率的二次多项数学回归模型,获得微波处理的最佳条件．实验结果表明,微波处理最佳工艺条件为微波功率300 W、微波时间30 s和紫薯片厚度0．2 cm．在最佳条件下微波处理后,POD酶和PPO酶的酶活性抑制率分别达到98．92%和96．25%,微波处理可有效降低和钝化紫薯POD和PPO酶的活性,POD酶和PPO酶抑制率随着微波功率和时间的增加而显著降低．

关 键 词:紫薯;微波;过氧化物酶;多酚氧化酶;活性

紫薯类产品加工过程中发生褐变现象是其重要问题之一[1]．紫薯的褐变主要是由酶促褐变引起的,即由多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)在氧参与下催化酚类物质形成醌及其聚合物的结果．传统酶钝化处理主要包括高温短时漂烫处理、巴氏消毒处理、沸水和蒸汽漂烫等[2]．但紫薯含有丰富的水溶性营养成分,常规烫漂处理其损失较大．微波处理是一种新兴的钝酶技术[3],其钝酶的分子机制已有较深入的研究[4]．已有研究报道微波的非热效应会导致蛋白质构象发生变化[5],使耐热性极强的酶失去活性[6]．胡国洲[7]等研究表明微波处理可使葡萄糖异构酶的相对酶活力降低90．78%～95．69%．近年微波钝酶开始应用于食品加工行业,如香蕉[2]、毛豆仁[8]、杏鲍菇[9]和马铃薯[10]等．卓成龙[8]等研究了微波处理对毛豆仁POD酶活变化,结果表明微波功率650 W、料水比2∶1(g/m L)条件下处理80 s,POD酶彻底被钝化,且与传统热水烫漂相比,VC损失率下降14．02%,叶绿素损失率下降11．43%．杏鲍菇经570 W微波处理59 s的钝化处理,其游离氨基酸含量损失少,感官品质佳[9]．刘威[10]等研究表明,微波灭酶技术既能降低马铃薯片多酚氧化酶的活性,又能保持良好的感官品质．张立彦[2]等研究了微波对香蕉中PPO酶作用,结果表明微波功率密度为4 W/g、5 min处理可使香蕉中PPO酶活力降至5%以下．Xu[11]和胡[12]报道小麦胚芽经微波稳定化处理后脂肪酶活性下降到原始小麦胚芽的14．01%和8．7%．但关于微波技术应用紫薯钝酶处理还未见报道．利用微波技术对紫薯片进行处理,研究微波对紫薯中POD和PPO酶活性的影响,以期为今后应用于紫薯产品开发提供理论依据．

1 材料与方法

1．1 实验材料与设备

新鲜紫薯(Solanum tuberdsm),购自当地市场;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、邻苯二酚、过氧化氢、石英砂、无水乙醇、愈创木酚均为AR级,均购于国药集团化学试剂有限公司．

电子天平(JY1002,上海精密科学仪器有限公司);冷冻离心机(TGL-16A,长沙平凡仪器仪表有限公司);可见分光光度计(L3S,上海仪电分析仪器有限公司);真空微波干燥箱(JHFWB-1．0S,南京金海丰微波科技有限公司)．

1．2 实验方法

(1)工艺路线．紫薯→清洗、去皮→切片→预处理(烫漂、微波处理)→研磨、浸提→指标测定．

(2)实验方法．

①热烫处理．新鲜紫薯切片(5 cm×2 cm×0．8 cm厚度)后称取300 g,分别在50℃、70℃和90℃恒温水浴条件下处理90 s．同时设未经任何处理的新鲜紫薯为对照组实验(ck)．

②微波处理对POD和PPO酶的影响．将新鲜紫薯切片后,置于微波炉专用盒(10 cm×8 cm×5 cm厚度),料层厚度为物料铺满一层,每次处理样品(50±0．5)g,然后放入微波炉内进行微波处理,处理结束立刻放入冷却水中冷却5 min,以备后续试验使用．

微波功率对POD和PPO酶的影响:将新鲜紫薯切成5 cm×2 cm薄片(长×宽),厚度为0．4 cm,分别在微波功率为100 W、200 W、300 W下处理90 s,冷却．测定POD和PPO的酶活性,计算酶活抑制率．

微波处理时间对POD和PPO酶的影响:将新鲜紫薯切成5 cm×2 cm薄片(长×宽),厚度为0．4 cm,在微波功率为200 W下分别处理30 s、60 s、90 s、120 s、150 s,冷却．测定POD和PPO的酶活性,计算酶活抑制率．

切片厚度对POD和PPO酶的影响:将新鲜紫薯切成5 cm×2 cm薄片(长×宽),厚度分别为0．2 cm、0．4 cm、0．6 cm、0．8 cm和1．0 cm,在微波功率为200 W下处理90 s,冷却．测定POD和PPO的酶活性,计算酶活抑制率．

③响应面试验设计．根据Box-Behnken设计原理,在单因素试验基础上,以微波时间、微波功率、紫薯厚度3个因素的大小为自变量,并以X1、X2和X3表示,每一个自变量的低、中、高水平分别以－1、0、1进行编码,以酶活抑制率为响应值(Y)．利用Design-Expert 8．05软件进行响应面分析．响应面试验因素水平设计如表1所示．

表1 响应面试验设计因素水平表

1．3 测定指标与方法

POD和PPO酶的酶活提取及测定,分别参考姜莉[13]等和刘威[10]等的方法．

抑制率计算公式＝(未处理样品的酶活－处理后样品的酶活)/未处理样品×100%

2 结果与分析

2．1 热烫处理对紫薯中POD和PPO酶抑制率的影响

不同热烫温度下POD和PPO酶抑制率的变化如图1所示．从图1可以看出,不同的热烫温度对POD酶和PPO酶的抑制率有不同的影响,抑制率随着热烫温度的增加而增大,当温度为90℃时,POD酶和PPO酶抑制率分别达85．9%和92．5%．

2．2 微波处理单因素试验

(1)微波功率对POD和PPO酶抑制率的影响．不同微波功率下POD和PPO酶抑制率的变化如图2所示．从图2可以看出,不同的微波功率对POD和PPO酶的抑制率有不同的影响,随着微波功率的增加,抑制率也在不断地增大,当微波功率为300 W时,POD和PPO酶的抑制率分别达到97．98%和100%．

图1 不同热烫温度下POD和PPO酶抑制率的变化

图2 不同微波功率下POD和PPO酶抑制率的变化

(2)微波处理时间对POD和PPO酶抑制率的影响．不同微波处理时间下POD和PPO酶抑制率的变化如图3所示．从图3可以看出,不同的微波时间对POD酶的抑制率有不同的影响,随着时间的延长,抑制率也在不断地增大,当微波功率200 W、处理150 s时,抑制率达到97．94%．通过图3还可以看出,不同的微波时间对PPO酶的抑制率有不同的影响,随着时间的延长,抑制率也在不断地增大,当微波功率200 W、处理120 s时,抑制率达到100%．

(3)薯片厚度对POD和PPO酶抑制率的影响．薯片厚度下POD和PPO酶抑制率的变化如图4所示．从图4可以看出,不同薯片厚度对POD酶的抑制率有不同的影响,随着薯片厚度的增加,抑制率也不断地减小．但在0．2～0．4 cm及0．4～1．0 cm之间,紫薯片厚度对POD酶的抑制率影响均差异不显著,因为厚度增加,微波穿透作用降低．在一定的微波穿透距离内,微波加热具有均匀性,紫薯组织里外同时受热,灭酶效果也近似相同[2]．薯片厚度对PPO酶的抑制率的影响也随着薯片厚度的增加不断地减小,在200 W、30 s的处理条件下,薯片厚度为0．2 cm,抑制率最高,达到51．26%．

图3 不同微波处理时间下POD和PPO酶抑制率的变化

图4 薯片厚度下POD和PPO酶抑制率的变化

2．3 响应面试验结果分析

采用响应面优化法对紫薯微波钝化工艺进行过程优化,以X1、X2和X3为自变量,以POD酶抑制率为响应值Y(因微波功率300 W时,PPO酶的抑制率已经达100%,故响应面实验中不予考虑)．响应面试验方案及结果如表2所示,共14个试验点,其中4、14为零点,其余点均为析因点,析因点为自变量取值在X1、X2、X3所构成的三维顶点;零点为区域的中心点,用以估计试验误差．

表2 响应面结果及分析

利用Design-Expert 8．05软件对表2的试验数据进行多元回归拟合,得到POD酶抑制率对微波功率(X1)、微波时间(X2)、物料厚度(X3)的二次多元回归模型为:

方差分析表如表3所示．由表3可以看出该模型显著,模型的一次项微波时间极其显著,微波功率、物料厚度显著,二次项微波功率和时间显著．模型复相关系数R2＝0．872 2,说明相关性较好,可用此模型对微波处理钝化紫薯POD酶的研究进行分析和预测．通过Design-Expert 8．05软件中Box-Behnken响应面方法对实验的最优值进行软件的优化预测,结果分析表明,用微波钝化酶的最佳条件为微波功率300 W、时间90 s和物料厚度0．23 cm,在此条件下过氧化物酶的抑制率达到100%．考虑实际情况,校正工艺参数为微波功率300 W、微波时间90s和物料厚度0．2 cm,在此条件下进行3次验证实验,抑制率的平均值达到98．92%,说明预测值与实际值之间有较好的拟合性,进一步验证了回归模型的可靠性．

表3 方差分析表

表4 验证试验表

在其他因素条件固定不变的情况下,考察交互项对抑制率的影响,对模型进行降维分析．经Design-Expert 8．05软件中Box-Behnken试验方法分析,所得的响应面图如图5～图7所示．由图5、图6可知, POD酶的抑制率随微波功率增加和时间延长而增加,且具有交互作用．根据Design-Expert 8．08软件对微波钝酶工艺参数进行回归方程拟合,并优化得出微波钝化POD酶的最佳工艺为微波功率300 W、微波时间90 s和物料厚度0．2 cm．在响应面实验的基础上,进行随机对比验证试验,判断最佳工艺的可靠性,结果如表4所示．由表4可以看出,响应面优化的最佳工艺能够很好地对紫薯中POD和PPO酶进行钝化处理,从而抑制其酶活．

图5 微波时间与功率交互时抑制率响应面图

图6 微波功率与厚度交互时抑制率响应面图

图7 微波时间与厚度交互时抑制率响应面图

3 结论

紫薯微波处理的最佳工艺条件为微波功率300 W、微波时间30 s和紫薯片厚度0．2 cm．在最佳条件下经微波处理后,紫薯片中POD酶和PPO酶的酶活性抑制率分别达到98．92%和96．25%．微波处理能够有效钝化紫薯中POD和PPO酶酶活,显著提高对紫薯中POD和PPO酶的酶活抑制率．微波钝化工艺简单、耗时短,紫薯中花色苷保留率较高．

参考文献:

[1] 冯卫敏,罗佳丽,蒋和体．响应面优化鲜切紫薯褐变控制条件[J]．食品工业科技,2014,35(22):268-272．

[2] 张立彦,芮汉明,刘锋．香蕉中多酚氧化酶的灭酶条件研究[J]．食品与发酵工业,2010,36(2):105-108．

[3] 胡国洲,胡鹏,陈光静,等．食品中酶的微波钝化技术研究进展[J]．食品与发酵工业,2013,39(3):141-146．

[4] L M Ruiz-ojeda,F J Penas．Comparison study of conventional hot-water and microwave blanching on quality of green beans[J]．Innovative Food Science& Emerging Technologies,2013(20):191-197．

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[6] M Porcelli,G Cacciapuoti,S Fusco．Non-thermal effets of microwaves on proteins:thermophilic enzymes as model system[J]．FEBS Letters,1997,402(2/3):102-106．

[7] 胡国洲,张甫生,胡鹏,等．微波处理对葡萄糖异构酶性质的影响[J]．食品科学,2014,35(3):134-138．

[8] 卓成龙,宋江峰,李大婧,等．微波处理对毛豆仁POD酶活的影响[J]．食品科学,2010,31(14):289-293．

[9] 严启梅,牛丽影,唐明霞,等．微波烫漂对杏鲍菇POD酶活的影响[J]．食品科学,2012,33(4):247-251．

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[11]B Xu,S L Zhou,W J Miao,et al．Study on the stabilization effect of continuous microwave on wheat germ[J]．Journal of Food Engineering,2013,117(1):1-7．

[12]胡小泓,肖琼星．微波处理对小麦胚芽稳定性及组成成分的影响[J]．中国油脂,2007,32(12):32-34．

[13]姜莉,林长彬,张明兰,等．超高压对马铃薯多酚氧化酶和过氧化物酶的钝化研究[J]．食品工业,2013(1):141-143．

Effects of microwave treatment on the POD and PPO activity of purple potato

WANG Shun-min,LI Yong,ZHANG Ning
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:The effects of microwave treatment on the POD and PPO activity of purple potato were investigated．In order to obtain optimal microwave treatment conditions for blanching purple potato,Box-Behnken response surface methodology was used to construct a quadratic regression model describing the effects of factors(microwave power and treatment time and purple potato thickness)on the residual activity of POD and PPO in purple potato．The results show that the optimum technological parameters were microwave power of 300 W and treatment time of 30s and purple potato thickness of 0．2 cm．The inhibition rates of POD and PPO at the optimum technological parameters condition were 98．92%and 96．25%,respectively．Microwave treatment can effectively deactivate the activity of potato POD and PPO．The inhibition rate of POD and PPO in purple potato increased with the microwave power and processing time．

Key words:purple potato;microwave;POD;PPO;activity

中图分类号:TS201

文献标识码:A

收稿日期:2015-10-27

基金项目:芜湖科技局科技惠农重点计划基金资助项目(2014 HM24)

作者简介:王顺民(1975-),男,宁夏青铜峡人,副教授,博士．