板栗褐变控制方法研究现状

郭玉曦，陈雪峰,2*，龚频

1(陕西科技大学 食品与生物工程学院，陕西 西安，710021)2(陕西农产品加工技术研究院，陕西 西安，710021)

板栗属于壳斗科，中国是最大的板栗生产国之一，板栗在我国的栽培历史大约有两千年之久[1]，根据世界粮农组织的统计，2018年我国板栗的种植面积有340 597公顷，板栗产量约为1 965 351 t，位居世界第一。板栗中含有丰富的蛋白质、淀粉、功能性多糖、粗纤维、氨基酸、矿物质等，同时还含有大量的天然多酚和类黄酮成分，这些活性成分具有很高的食用和药用价值，对多种疾病预防起着重要作用，如预防心血管疾病、糖尿病[2]、抗肿瘤、改善免疫反应等[3]，同时板栗中异麦芽低聚糖常作为乳酸杆菌的有效促生长因子，对维持人体肠道的微生态平衡有重要的作用[4]。此外，板栗的外果皮中也含有很高的生物活性多糖、色素和酚类物质，具有预防炎症，促进表皮伤口愈合的功能[5]，板栗外壳中的原花青素也可以诱导HepG2细胞自噬和凋亡[6]。

然而板栗在贮藏和加工过程中，很容易发生褐变、霉变[7-9]，此外，在低相对湿度和室温下贮存时，由于快速失水，板栗很容易变干，发生钙化[10]，导致风味降低、质量减轻，从而造成巨大的经济损失。为此，国内外学者针对板栗贮藏和加工过程中的褐变问题采用了诸多食品保鲜技术并进行相关的研究。本文综述了国内外近十年关于板栗褐变机理和控制褐变方法的相关研究，并提出相应的建议及展望，旨在为板栗的深入研究提供理论依据。

1 板栗褐变的发生机理

1.1 板栗的酶促褐变

板栗在贮藏和加工过程中果仁很容易发生酶促褐变[1,7-9,11-12]，相关酶-酚类物质的区域性分布遭到破坏，酚类物质立即被多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)和过氧化物酶(peroxidase，POD)催化氧化为蒽酮化合物，在有氧条件下，醌类物质迅速聚合为深色物质，在这一过程中，酚类物质、酶和氧气是发生酶促褐变的必要条件[9,13-14]。板栗酶促褐变对其营养，风味和色泽带来不良影响，从而造成果农和相关企业的巨大损失。

1.1.1 酚类物质

板栗中酚类化合物的含量较高，在进行加工后，会发生明显的褐变现象，但是目前国内外对于板栗酶促褐变底物的研究相对较少。陶月良等[11]对于板栗种子的酶促褐变底物进行了相关研究，认为单宁是板栗酶促褐变过程的底物，且板栗种子不同部位的单宁含量也存在显著差异。但是国内外对于板栗完全成熟后的酶促褐变底物的相关研究很少，GONG等[12]对板栗中PPO和POD进行提取纯化，并对2种酶进行完整的酶动力学的研究，分析其米氏常数(Km)和最大反应速度(Vmax)，研究表明板栗PPO的最适底物是邻苯二酚(Km=92 mmol/L；Vmax=1.53 ΔOD/min)，其次是4-甲基邻苯二酚和没食子酸；板栗POD的最适底物是2-羟基苯酚(Km=9 mmol/L;Vmax=0.237 3 ΔOD/min)。

1.1.2 相关酶类

多酚氧化酶(PPO：EC 1.14.18.1)和过氧化物酶(POD：EC 1.11.1.7)在板栗中广泛分布。多酚氧化酶是一种细胞内邻二酚氧化酶，现有研究表明PPO活性的变化是引起板栗酶促褐变的主要原因。这种含铜的氧化还原酶催化多酚底物氧化成醌，然后通过非酶反应聚合成棕褐色物质，这一过程不仅造成颜色改变和抗氧化物质的降解，而且由于醌与其他化合物(如氨基酸、蛋白质、酚和糖类物质)的缩合而导致营养物质的损失[13-14]。

酪氨酸酶也是一种含铜的多酚氧化酶，是黑色素合成代谢中的限速酶，因此黑色素的含量的减少往往可以通过抑制酪氨酸酶的活性来实现[13]。TANG等[13]对板栗仁中多糖进行提取得到UEP-1，通过对酪氨酸酶抑制率及酶动力学测定，研究发现板栗多糖UEP-1是酪氨酸酶的一种竞争性抑制剂，可以推断板栗在贮藏过程中本身就存在一定的褐变自卫作用。

POD作为另一种氧化还原酶，参与了植物的几种代谢的过程，例如植物生长素的分解代谢、细胞壁的木质化、活性氧代谢[14-15]等，研究表明，在板栗贮藏和加工过程中POD催化板栗中的酚类物质发生褐变，之后经过脱水、聚合反应，最后形成黑褐色物质并在反应部位聚集发生板栗的褐变[12-14]。

1.2 板栗的非酶促褐变

1.2.1 Maillard反应

美拉德反应是一种典型的非酶促褐变反应，因食品的热处理和贮存过程中结合带有游离氨基和羰基的化合物而产生[16]。美拉德反应产生的各种反应产物可能会通过降低蛋白质的消化率，产生一些有害的化合物从而降低食品的营养价值。通常美拉德反应包括3个阶段：早期、中期和最后阶段，在美拉德反应的最后阶段，还原酮、裂变产物和Strecker降解产物的醛醇缩醛和醛胺可缩合从而形成棕色的含氮聚合物，以及黑色物质高分子质量类黑精[17]。美拉德反应使食物具有独特的香气，风味和特殊的适口性[16]。LI等[18]研究了不同烹饪方法(煮、烤、炸)对板栗果仁中主要营养成分和挥发物含量的影响，结果表明新鲜栗子中的主要芳香成分是醛和酯，而由于美拉德反应以及糖、氨基酸和脂质的降解、在煮熟的栗子中形成了酮、糠醛和呋喃。

同时，由于板栗中含有较高的抗坏血酸含量，在板栗贮藏和加工过程中，抗坏血酸经过一系列的氧化、脱水、脱羧反应最终形成糖醛，作为美拉德反应的中间产物参与反应，从而加剧板栗褐变[19]。

1.2.2 酚类物质的非酶褐变

酚类物质的非酶褐变是指酚类物质的氧化及后续产生的氧化聚合反应。董翠[19]研究表明，在加热、Fe3+存在的条件下，板栗中的酚类物质会发生自动氧化，从而使得板栗仁发生褐变。同时由于板栗(尤其是板栗涩皮)中含有较高的单宁物质(20.80 %)，而在板栗仁中很低，当板栗加热糊化后，涩皮中部分可溶性单宁可能会渗入到板栗的果仁中，除此之外，当介质中有Fe3+的存在时，板栗中的单宁物质会氧化成深褐色，从而导致板栗褐变[19]。

2 板栗褐变的控制方法

2.1 物理方法

2.1.1 气调处理

气调保鲜是指在一定密闭的贮藏环境中，根据不同果蔬的贮藏特性，通过改变贮存环境中气体组成的比例，为果蔬贮藏保鲜提供一个最佳的贮藏环境，从而抑制引起果蔬腐败变质的生理生化代谢过程及腐败微生物的生长繁殖，同时，气调处理通过调节采后果蔬褐变相关酶(PPO、POD)及苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia lyase，PAL)的活性，并调控果蔬呼吸及相关代谢途径中间产物及酶活性(丙酮酸脱氢酶、琥珀脱氢酶、细胞色素C氧化酶)、能量物质(NADH、NADPH、ATP、ADP、AMP)的含量，抑制果蔬的褐变，进而延长货架期。目前国内外对于板栗气调包装的研究相对较少(表1)，CECCHINI等[20]采用15.20 kPa CO2+3.04 kPa O2对板栗进行气调处理，发现可以保持板栗贮藏过程中较好的色泽品质，同时减少由于机械采摘产生的裂纹所引起的板栗腐烂。杜玉宽等[21]研究发现2%～5% O2+2%～4% CO2组合也可以维持板栗贮藏过程中的良好色泽，但对于板栗气调处理过程中褐变相关酶的变化，以及调控果蔬呼吸及相关代谢途径中间产物及酶活性、能量物质的含量没有相关的研究报道，果蔬气调保鲜技术目前在我国已经实现较为成熟的商业化、产业化应用，但是在板栗保鲜及褐变控制的应用却很少，可能是由于板栗本身对于气调气体的敏感性较弱，同时板栗在贮藏过程中呼吸速率较慢，而气调气体及相关设备的使用成本较高，应用的性价比较低[33]。

表1 物理方法在板栗褐变控制中的应用Table 1 Application of physical methods in controlling the browning of chestnut kernel

臭氧(O3)是一种强氧化剂，具有GRAS(公认安全)状态，目前在食品行业中主要作为消毒剂和抗菌剂而广泛应用，食品贮藏过程中的虫害及霉菌毒素也可以通过臭氧处理得到有效地消除，该处理的优点在于过量的臭氧会自动分解产生氧气，而在食品中不会留下任何残留[34]。李艳[22]研究发现，利用小于150 μg/L臭氧处理可显著抑制板栗POD活性的降低，150 μg/L臭氧可以保持板栗良好的色泽品质。为了进一步研究抑制板栗的褐变，李艳[22]采用臭氧及减压的联合技术对板栗进行处理，结果表明先采用200 μg/L臭氧处理，去除臭氧后，抽真空至40.5 kPa可以保持板栗贮藏过程良好的色泽。除此之外李亚娜等[23]利用真空包装+吸氧剂的组合处理，也可以保持板栗壳、仁的色泽，延缓褐变。

2.1.2 辐射处理

γ射线辐照处理目前已广泛的应用于农产品的采后保鲜处理，γ射线辐照处理的目的主要是延迟果蔬的成熟、杀灭果蔬致病菌进而延长货架期。国外关于伽马射线辐照处理在板栗中的应用研究较为成熟，KWON等[25]研究表明，采用10 kGy/h γ射线辐射时板栗的色度指标(L*、a*、b*值)发生显著的变化，保持良好的色泽品质，ANTONIO等[24]的研究也得出类似的结论，低剂量的γ射线辐照对贮藏期内板栗色泽的影响很小，但是高剂量的γ射线辐射对操作安全带来更大的隐患，同时对辐射设备的要求及使用成本更高。ANTONIO等[35]系统地综述了γ射线处理对板栗贮藏品质，生理特性，营养价值和抗氧化能力的影响，对比所有辐射剂量和储存时间的研究报道，虽然低剂量的γ射线辐照处理对于板栗褐变的防止效果并不明显，但是与未辐照的板栗相比，低剂量辐射处理可以保护板栗中生育酚和酚醛类抗氧化剂，并保持较高的抗氧化活性，显著延长板栗的贮藏期。

此外，板栗的霉变和褐变常常是由于真菌感染造成的，尤其是青霉菌，而射频(radio frequency，RF)处理作为一种高效、环保的物理加热方法应用于农产品采后杀菌，HOU等[27]选用6 kW，27 MHz的自动化振荡射频系统与热风加热辅助的处理对板栗中的真菌进行热灭活，结果表明，热风加热辅助处理能够显著抑制贮藏期内板栗青霉菌的生长，处理前后对板栗的质量不产生影响。但是由于自动化的射频设备成本高昂，因此并不太适用于板栗产业化的应用。

微波技术已经在食品加工领域得到了广泛的应用，例如干燥、加热、烹饪工艺，巴氏杀菌以及食品保鲜技术[36]。微波通常是指电磁波，其频率在300 MHz～300 GHz，通常微波频率越低，穿透性越好，一般为了权衡使用的效率和成本，家用微波频率通常为2.45 GHz，工业微波频率通常为915 MHz[36]。微波技术在板栗保鲜上的应用研究也较多。张淑媛[28]运用低功率微波对板栗进行处理，研究结果表明195 W微波处理有效抑制和延缓板栗中VC的降解以及贮藏期间的呼吸作用，并有效减少板栗的腐烂。也有学者在板栗贮藏过程中采用分阶段的方式进行低功率微波的二次处理，张淑媛[28]研究表明，在板栗贮藏第90天时，运用195 W的低功率微波进行二次处理可以有效降低板栗的呼吸作用，保持板栗良好色泽。同时，微波处理还会影响板栗多酚氧化酶和过氧化物酶的活性，何芮等[30]运用微波功率密度8 W/g处理板栗仁100 s，板栗仁的PPO、POD基本失活。此外，为了进一步抑制板栗的褐变，也有学者采用联合技术而非单一的微波处理，张淑媛[28]运用不同功率的微波处理与不同浓度的1-MCP和ClO2进行正交试验，结果表明，195 W低功率微波处理3 min+0.3 μg/L 1-MCP熏制+ 150 mg/L ClO2涂膜浸泡的组合处理贮藏效果最好，能够保持板栗良好的色泽。

2.1.3 超高压技术

高压及超高压加工是目前一种较为新颖的食品加工及贮藏技术，而热处理目前正经历工业发展的过渡时期，高压及超高压加工有可能逐渐替代热加工处理[37]。在食品工业中，高压处理通常是指在真空条件下对产品进行不连续地高压处理，以避免处理后发生二次污染，因此对产品的包装有很高的要求，需要能够承受高达600 MPa及以上的压力，通常将待处理的产品放入水平的圆柱形加压釜中(目前商业化的设备可以容纳50～525 L)，随后，在容器中装满水，利用高压泵进行加压，在4～20 ℃保持压力1～5 min[38]。国内外对板栗采取高压/超高压加工及贮藏技术的研究相对较少。郭豪宁等[31-32]研究超高压对真空包装峰甘板栗货架期的影响，研究表明经过超高压处理，峰甘板栗中酯类、醇类物质的种类及含量呈现下降趋势，而酮、酸类物质含量有所增加，300 MPa处理5 min能够有效地抑制峰甘板栗贮藏过程褐变的发生且能够产生良好的风味物质，但目前还没有关于超高压/高压处理对贮藏期板栗褐变相关酶的影响。

2.2 化学方法

基于化学的方法来控制采后果蔬的酶促褐变主要有2种不同的方式[39]：(1)作为还原剂，加入褐变抑制剂；(2)去皮后将果蔬浸泡在含有合成添加剂的涂膜液中。用作板栗PPO的抑制剂可根据其使用目的和作用机理分为以下四类[39]：(1)作为还原剂通过将邻醌还原为无色的二元酚来间接抑制PPO的还原剂，例如含硫化合物和半胱氨酸[40]；(2)通过将pH降低至PPO的最适pH以下，从而作为非特异性酶灭活剂的酸化剂,如柠檬酸[41-42]，抗坏血酸[41-43]，水杨酸[44]，植酸[45]；(3)使用络合剂，例如环糊精的疏水核心可以与包括酚类底物在内的多个分子形成复合物，从而防止其氧化为醌，从而防止形成棕褐色物质导致褐变；(4)使用螯合剂，通过将铜离子捕获在酶的活性位点中而使PPO失活，如EDTA和草酸。这些合成添加剂可以混合在一起，或者与热处理结合使用以达到协同抑制PPO活性的目的。

2.2.1 褐变抑制剂

国内外关于板栗褐变抑制剂的使用研究较多(表2)，因其成本相对较低，褐变抑制效果好，也是目前工业化使用的一种趋势。一些酸类如植酸、柠檬酸、水杨酸等可以通过降低体系的pH及螯合Cu2+等抑制PPO活性，从而抑制板栗的褐变。LI等[45]研究表明植酸可显著抑制板栗PPO和POD的活性，从而抑制板栗的褐变，同时，通过酶动力学的研究表明植酸是PPO和POD良好的竞争性抑制剂。ZHOU等[44]研究表明0.3 g/L水杨酸是PPO的竞争性抑制剂，显著抑制板栗PPO的活性，从而抑制板栗的褐变。柠檬酸，抗坏血酸，L-半胱氨酸、EDTA-2Na，亚硫酸钠等，这些常用的褐变抑制剂及其组合也广泛的应用于板栗的护色[41-42]，除此之外，耿建暖等[46]利用蜂蜜(槐花蜜和葵花蜜)对板栗的褐变进行抑制，结果表明蜂蜜板栗PPO有一定的抑制作用，同时赋予板栗特有的蜂蜜香味，但当蜂蜜浓度大于2.0%则无明显抑制效果。

表2 化学方法在板栗褐变控制中的应用Table 2 Application of chemical methods in controlling of chestnut kernel

2.2.2 可食用涂膜

食用涂膜通常是指利用可食用的涂膜包衣，通过浸涂或喷涂的方式涂在果蔬的表面，从而使得与外部环境之间形成的一种屏障，理想状态下可食用涂层可以部分阻止水分的流动并改变果蔬内外的气体交换，从而减少果蔬表面水分的流失，这不仅可以延缓果蔬的呼吸作用，同时抑制致病真菌的生长，从而延长货架期。研究表明，可食用涂层的应用能够显著降低多酚氧化酶和过氧化物酶的活性，从而达到抑制果蔬褐变的目的，目前已广泛应用于果蔬褐变的防治[50]。

国内外关于可食用涂膜在板栗褐变中的应用研究较多，目前最常用的板栗可食用涂膜是多糖类涂膜剂，如壳聚糖、壳聚糖与其他抑菌剂等的联用。FERNANDES等[7]分别对比了海藻酸盐溶液、壳聚糖溶液、乳清蛋白分离物混合液涂膜处理对板栗褐变的影响，结果表明所有处理的板栗其色度a*，b*值均呈现下降的趋势，海藻酸盐涂层处理的板栗的L*值呈现上升趋势。王大红等[47]采用0.2 g/kg纳他霉素+0.5 g/kg山梨酸钾+1%普鲁兰多糖的复合涂膜剂对豫罗红板栗进行喷洒涂膜处理，研究结果表明纳他霉素复合涂膜剂能够抑制板栗PPO、POD、PAL的活性，减低霉变率，从而减少板栗的褐变。兰霜等[48]利用壳聚糖复合涂膜组合对板栗进行涂膜保鲜处理，结果表明1.5%壳聚糖+2.0%茶多酚+0.2%海藻酸钠的复合涂膜组合可以抑制板栗的褐变。此外也有学者使用纳米涂膜液对板栗进行涂膜处理，初丽君[49]研究发现百里香酚壳聚糖纳米级涂膜保鲜剂能够保持板栗较好的组织状态及栗壳色泽，但是对于贮藏期间褐变相关酶的变化并没有报道。

3 展望

随着近几年对板栗褐变机理的进一步研究，如今对板栗酶促褐变过程中的褐变底物、相关酶活及非酶促褐变的机理已经有较为系统的理论解释，但是对于板栗褐变相关酶动力学及褐变途径的分子学研究还相对较少，板栗贮藏过程中褐变与呼吸、能量代谢的关系，板栗褐变相关酶调控基因的表达还没有明确解释，因此，深入研究板栗的褐变发生机理是有必要的。

目前，随着科学技术的快速发展及对板栗褐变控制的深入研究，物理、化学处理能够通过钝化/消灭褐变相关酶，控制微生物生长繁殖等来抑制板栗的褐变。如今，可食用涂膜及褐变抑制剂已得到广泛的应用，也将成为未来产业化的一种发展趋势，但是人们越来越重视方便、快捷、健康的产品，对化学防褐变方法的安全性提出质疑。同时除了气调、低温、热灭活等传统物理法外，超高压、电子束、热频、微波等新型设备的应用对仪器生产和操作成本的要求更高，这也对产业化提出了新的挑战。因此，未来应加强以下研究以推进板栗褐变防治的产业化应用：(1)探索和开发天然提取物、蛋白类涂膜剂、纳米涂膜液等更加安全的褐变抑制剂、可食用涂膜剂；(2)进一步研究可食用涂膜和褐变抑制剂等化学方法联用时的作用机制及影响因素；(3)协同联合使用物理、化学方法对板栗褐变进行控制，优化使用条件，研究其相互作用机制，实现物理化学方法优势的协同互补；(4)尝试用基因工程的方法对板栗的褐变进行生物学防治。