非热加工技术失活果蔬多酚氧化酶研究进展

董闪闪，范刘敏，李云菲，相启森*

郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450001）

酶促褐变是果蔬加工和贮藏过程中遇到的主要问题之一，对色泽、口感、风味和营养价值造成不良影响，并严重影响消费者对产品的接受程度，造成巨大经济损失[1-2]。多酚氧化酶（Polyphenol oxidases，PPOs）是引起果蔬加工过程中发生褐变的主要酶类。目前，主要采用物理方法和化学方法抑制酶促褐变。物理方法通常是采用热加工技术使多酚氧化酶等相关酶变性失活，从而有效抑制酶促褐变，但极易破坏果蔬中热敏性物质并造成营养和感官品质的下降。此外过度热处理也会通过加速酚类底物的自动氧化反应，从而引起非酶褐变[1,3]。化学方法通常是加入一些抗褐变剂，如二氧化硫、亚硫酸盐、曲酸、柠檬酸等。但上述化学抑制剂过量使用，会对人体健康造成一定危害[4]。如何在有效保持营养和感官品质的前提下控制酶促褐变反应，是果蔬加工过程中亟待解决的关键问题之一。

随着消费者对食品安全、营养及感官品质要求的提高，非热加工技术在食品加工领域的应用受到广泛关注[5]。研究证实，超高压、超声波、冷等离子体、微波、高压二氧化碳等食品非热加工技术都具有失活多酚氧化酶的作用，能够达到果蔬保鲜的目的。综述了近年来新型非热加工技术失活多酚氧化酶的研究进展，并对上述技术存在问题及今后研究方向进行探讨和展望，以期为果蔬酶促褐变控制研究提供理论参考。

1 多酚氧化酶性质

参与果蔬酶促褐变的酶主要包括多酚氧化酶（PPOs）、过氧化物酶（Peroxidases，PODs）和苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonia lyases，PALs），其中PPOs被认为是导致酶促褐变反应的主要酶类[6-7]。PPOs是广泛存在于动物、植物和微生物中的一类含铜离子的蛋白酶。依据底物和作用机制的不同，PPOs可分为三类：第一类是甲酚酶（Cresolases，E.C.1.14.18.1），即存在于动物中的酪氨酸酶（Tyrosinases），能催化单酚氧化成邻酚（单酚氧化酶活性）和邻酚氧化成邻醌（儿茶酚氧化酶活性）；第二类是儿茶酚氧化酶（Catechol oxidases，E.C.1.10.3.1），能催化邻酚氧化成邻醌；第三类是漆酶（Laccases，E.C.1.10.3.2），能催化邻位酚和对位酚氧化成对应的醌类物质[8-9]。上述反应生成的半醌类和醌类物质能够与氨基酸、蛋白质和多酚等发生亲核反应并形成褐色聚合物，从而导致褐变的发生（图1）。

图1 多酚氧化酶参与的酶促褐变反应

2 非热加工技术失活多酚氧化酶的研究进展

2.1 超高压技术

超高压技术是指将100~1 000 MPa的静态液体压力施加于液态或固态食品、生物制品等物料并保持一定时间，从而达到杀菌、钝酶及改善物料结构和特性的目的，对食品的感官品质和营养价值产生较小影响[10-11]。大量研究证实，超高压处理对果蔬中PPOs有显著的失活作用（表1）。

如表1所示，超高压处理对果蔬产品中PPOs具有较好的失活效果。Zhang等[13]研究发现，超高压处理76 s时，木瓜中PPOs活性下降66%。同时，Keenan等[14]研究发现，超高压处理不但能显著降低混合果浆中PPOs活性，而且对果浆中的总花青素、酚类物质和色泽均无显著影响。此外，超高压处理与温热协同能够更有效地失活PPOs。Sulaiman A等[15]研究发现，经超高压室温下处理15 min后，草莓果浆中PPOs活性降低81%，而在62 ℃下处理相同时间时草莓果浆中PPOs活性降低98%，失活效果更为显著。另外，有研究发现，超高压处理对PPOs存在激活现象。Terefe等[16]研究发现，在400~600 MPa，60 ℃以上处理时蓝莓PPOs活性显著降低，而在60 ℃以下进行超高压处理时蓝莓PPOs则会被激活；Engmann等[12]也得出类似研究结果。因此，应根据待处理样品不同性质，优化超高压处理工艺参数，避免激活现象发生。综上所述，超高压处理对果蔬中的PPOs有显著的失活效果，并且能够很好地保持果蔬原有品质；但与其他加工技术协同处理失活效果会更好。

表1 超高压技术在失活果蔬中多酚氧化酶的应用研究

2.2 冷等离子体技术

冷等离子技术是近几年兴起的食品加工新技术，具有处理时间短、温度低、无污染等优点，在食品加工等领域展现出广阔的应用前景[17]。国内外研究表明，冷等离子体处理能够有效失活PPOs并抑制果蔬褐变，达到保鲜和延长货架期的目的（表2）。

如表2所示，冷等离子体处理能够显著降低果蔬中PPOs的活性，失活效果随处理时间延长和处理电压的升高而增强。Illera等[19]研究发现，经辉光放电冷等离子处理5 min后，鲜榨苹果汁中PPOs活性降低84%，同时可以有效保持鲜榨苹果汁的原有品质并延长贮藏时间。Surowsky等[20]发现，介质阻挡放电等离子体处理能够有效失活椰汁中的PPOs。此外，在鲜切马铃薯[21]和鲜切苹果[18,22]中也发现类似试验结果。Hou等[23]研究发现，冷等离子体处理显著提高了鲜榨蓝莓汁中多酚类物质含量并能较好地保持蓝莓汁的原有色泽。综上所述，冷等离子体处理不仅能够有效失活PPOs活性，并且能够改善果蔬的品质。

表2 冷等离子体在失活果蔬多酚氧化酶领域中的应用

2.3 超声波技术

超声波是一种频率介于2×104~1×109Hz之间的机械波，通过振动可以改变物质的组织结构、状态及功能[24]。超声波被广泛用于食品加工业，主要用于食品加工中各个操作单元，如杀菌、钝酶、果汁脱气、风味成分萃取等[25]。Sulaiman等[26]研究发现，超声处理对梨、苹果和草莓果浆中PPOs具有显著的失活作用，失活规律遵循一级动力学模型。Cao等[27]研究发现，随着超声强度和处理时间增加，杨梅汁中PPOs的失活率显著升高，在处理强度为90和181 W/cm2时，处理10 min后，PPOs活性分别降低至53.23%和12.84%；在处理强度为271和362 W/cm2时，处理8 min后，PPOs活性仅残留4.22%和0.08%。此外，超声波与其他技术联合使用可以显著增强钝酶效果。Zhou等[28]研究发现，不同浓度（10，20和30 mmol/L）苹果酸和超声（25 kHz，55.48 W/cm2）单独处理均不能显著失活来源于双孢蘑菇中的PPOs；超声联合不同浓度的苹果酸（10~30 mmol/L）处理30 min后，PPOs活性分别降低32.3%，55.8%和69.8%；处理60 min后，PPOs的相对活性分别降低53.9%，86.2%和92.4%。另外，Zhang等[29]研究发现，超声波预处理黄花菜可使其PPOs活性显著降低；与热预处理相比，超声波预处理可以改善黄花菜色泽，并且有利于降低营养成分的损失。综上所述，超声波技术能够有效失活果蔬中的PPOs并能够较好保持果蔬原有品质，与其他技术联合使用能达到更好的钝酶效果。

2.4 紫外辐射技术

紫外线（UV）是一种波长位于可见光和X射线之间的电磁波，按其波长不同可以分为长波紫外线（UVA，320~400 nm）、中波紫外线（UVB，280~320 nm）和短波紫外线（UVC，200~280 nm）[30]。其中，UV-C在食品中的应用较为广泛，已成功用于空气、食品表面和饮用水等的消毒杀菌[31]。近年来，紫外线照射用于失活果蔬中的多酚氧化酶成为研究热点。Aguilar等[32]研究发现，用紫外-可见光照射不同品种的桃汁，在45 ℃下照射60 min，3种桃汁中的PPOs均几乎完全失活。同样地，Augusto等[33]研究发现，UV处理15 min后椰汁中PPOs活性降低了92%，UV处理30 min后椰汁中PPOs活性则降低了98%。Akgun等[34]研究表明，紫外发光二极管处理能够有效降低苹果汁中PPOs的活性，在280~365 nm和280~405 nm发射波长下，处理40 min后，PPOs失活率分别为67.42%和65.62%。此外，Muller等[35]研究发现，鲜榨苹果汁和葡萄汁中的PPOs活性随UV-C处理强度的增加而显著降低，经UV-C（100.48 kJ/L）照射后，鲜榨苹果汁和葡萄汁中的PPOs活性分别降低84.2%和39.1%，且苹果汁和葡萄汁的理化性质无显著变化。综上所述，紫外线照射具有较好的失活果蔬中多酚氧化酶的效果，是热处理良好的替代方法。

2.5 高压二氧化碳技术

高压二氧化碳技术是压力与二氧化碳相结合的技术，也称为致密相二氧化碳或超临界二氧化碳技术。高压二氧化碳能够有效地失活微生物和酶，并较好地保持食品的营养、感官和质构特性[29]。Benito-román等[36]研究表明，高压二氧化碳处理能够有效失活鲜榨梨汁中PPOs。经高压二氧化碳处理后的梨汁中PPOs残存活性为19%，其钝酶效果显著高于相同温度的热处理，且在4 ℃条件下贮藏56 d后，PPOs的活性仍能得到较好的抑制。Manzocco等[37]研究发现，鲜榨苹果汁中PPOs的失活率随着二氧化碳压力和温度升高而增加。在最强处理条件下（18 MPa、45 ℃），鲜榨苹果汁中PPOs活性降低80%，并且在4 ℃条件下储藏后，感官品质无显著变化。此外，廖红梅等[38]研究发现，高压二氧化碳处理能够有效抑制鲜榨梨汁在贮藏期间的酶促褐变，并能保持其色泽和贮藏品质的稳定性。综上所述，高压二氧化碳技术不仅能够失活果蔬中PPOs，还能有效地保持果蔬的原有品质，在果蔬食品加工贮藏保鲜领域具有广阔应用前景。

3 多酚氧化酶失活机理研究

国内外学者研究发现，导致多酚氧化酶活性丧失的主要原因是其内部结构发生变化，尤其是蛋白质的二级和三级结构的变化[39]。Zhou等[28]通过圆二色光谱法分析发现，超声联合苹果酸处理来源于双孢蘑菇中的PPOs后，其负椭圆度增加，表明有序结构减少，二级结构改变，进一步分析发现，其中α-螺旋含量降低，同时β-折叠的含量增加，而β-转角和无规则卷曲的含量没有发生明显变化；通过荧光光谱分析，进一步观察到PPOs的最大峰值波长发生红移，表明其三级结构发生改变。同样地，Surowsky等[20]研究发现冷等离子体可以在短时间（76 s）内失活来源于双孢蘑菇中的PPOs，圆二色光谱结果表明，未处理组PPOs结构中α-螺旋和b-折叠含量分别为36.9%和17.8%，经冷等离子体处理后，PPOs结构中α-螺旋含量降至17.8%，而β-折叠含量升高到29.4%；荧光光谱分析结果表明，最大吸收波长发生明显红移。以上结果表明，冷等离子体可能是通过破坏PPOs二级结构和三级结构而造成其失活。此外，Murtaza等[40]研究发现，经高压二氧化碳（55 ℃，25 MPa）处理的来源于双孢蘑菇中的PPOs，其α-螺旋含量显著降低，而β-折叠、β-转角和无规卷曲含量增加，说明其二级结构遭到破坏，通过荧光光谱分析进一步发现，酶的三级结构遭到破坏，从而导致酶失活。综上所述，非热食品加工技术失活PPOs的机理主要是通过破坏蛋白质的二级和三级结构，从而使蛋白质发生变性，导致酶失活。

4 讨论与展望

热处理是食品加工过程中钝酶的主要方法，虽然具有良好效果，但对食品中的热敏成分和营养物质造成不良影响。近年来，超高压、冷等离子体、超声波、高压二氧化碳等非热技术在食品钝酶领域的应用受到广泛关注。非热加工技术普遍存在装备处理量小、自动化程度低等问题，多局限于实验室研究阶段，还未大规模地用于工业化生产。因此，装备的研发将是今后重要的研究方向之一。此外，非热加工技术处理对食品安全性的影响也有待进一步研究。