果蔬汁防褐变的研究进展

马 烁，赵 华

（天津科技大学生物工程学院，工业发酵微生物教育部重点实验室，天津市工业微生物重点实验室，天津市微生物代谢与发酵过程控制技术工程中心，天津 300457）

伴随着人们安全和健康意识的提高，食品工业对生产更健康、更优质、更天然食品的兴趣与日俱增。各个消费群体对果蔬的半加工产品的要求也越来越高，不仅要求其方便食用，还要求果蔬新鲜、品质高、营养丰富。近几年，果蔬半加工品业在迅猛发展的同时，也面临着水分流失、褐变产生、营养消耗等问题[1]。在这些问题中，褐变问题是生产中最棘手的问题，降低了商品本身的价值和消费者的购买欲望，同时也制约了果蔬半加工产业的发展[2]。

褐变是指食品的颜色随着时间的延长逐渐变为褐色或深褐色的现象，而颜色是影响外观的最重要的属性之一，果蔬颜色的任何变化都会影响消费者对产品的可接受性，对水果、蔬菜等食品会产生一定的负面影响。当前，果蔬中能够检测出2 种褐变形式，根据其机理的不同，可分为酶促褐变和非酶促褐变2 种，由于果蔬中的多酚含量较高，机体保持了动态平衡，其组织一旦受到低温等生物胁迫或机械损伤，就会引起氧大量侵入机体，破坏动态平衡，单酚类物质被羟基化为邻二酚，然后被多酚氧化酶（又叫茶酚酶） 氧化为醌类，再通过自身聚合或与氨基酸等结合最终产生黑色素，而直接影响果蔬营养价值，由此可得出酶促褐变主要受酚类物质、酚酶和氧气3 个因素的影响[3]。非酶褐变反应包括抗坏血酸降解、脂质过氧化和焦糖化、还原糖与含有游离氨基的化合物（如氨基酸、肽和蛋白质） 缩合引发的反应。这种反应也被称为美拉德反应，它会使果蔬的外观、口感等方面产生不良影响。水果和蔬菜的组成成分非常复杂，大部分的反应都是以复合而非单独的形式进行。选用适当的抗褐变方法，可有效地改善果蔬褐变度，避免营养损失[4]。当前的研究表明，果蔬半加工业在我国还有很大的发展空间，用合理、健康的方法控制果蔬等食品的褐变是当前亟待解决的问题。

1 影响褐变的因素

与此相关的酶包括多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，简称PPO）、过氧化酶（Peroxidase，简称POD） 等，其中多酚氧化酶的活性对控制酶促褐变有至关重要的影响，因此影响酶活性的因素，如温度、pH 值、内源酚类化合物的类型等，都可直接或间接性地影响褐变反应的发生[5]。多酚氧化酶催化2 种反应：第一种是单酚羟基化为双酚，反应相对缓慢，产物无色；第二种是双酚氧化为奎宁，反应迅速，产生有色产物。参与这些反应的底物位于细胞胞液中，而酶位于细胞质中；这些反应只有在混合和有氧的情况下才能发生。因此，所有现象（切割、冲击、硬度损失） 都会导致褐变反应的开始，从而导致风味的损失或变化。

美拉德反应指的是还原糖与氨基酸在一定条件下相互作用最终生成类黑精色素；还原糖不仅可以参与美拉德反应还能够参与焦糖化反应，是在加热条件下糖类物质脱水以及热分解的反应，即焦糖化褐变；抗坏血酸氧化褐变是抗坏血酸自身氧化引起的褐变，酚类物质在一些条件下发生的自动氧化变色过程[6]。美拉德反应是果蔬加工过程中最重要的反应之一，极大地影响基本食品质量属性，其发生条件取决于温度、pH 值，以及还原糖的浓度和类型、氨基酸的浓度和类型、化合物或抑制剂、水含量产品特性、化学成分等条件。

1.1 影响酶促褐变的因素

1.1.1 温度

多酚氧化酶是含铜酶的一种，属于氧化还原酶，它的本质是蛋白质，在果蔬和其他植物组织中普遍存在，控制多酚氧化酶活性能对酶促褐变反应的发生有很大的抑制作用[7]。而影响其活性的重要因素之一是温度。果蔬种类不同其酶活性的最适温度和失活温度也不尽相同，相关试验表明，白葡萄PPO 活性最适温度为20 ℃，而砀山酥梨的PPO 活性最适温度为40 ℃。白葡萄PPO 活性在80 ℃很快消失，砀山酥梨的PPO 活性在70 ℃活性减弱甚至消失，而香蕉中的PPO 在100 ℃才失活[8]。在果蔬防酶促褐变研究中，蒸汽热烫是优选使用的方法，因为与水热烫相比，它简单并且能够保存水溶性维生素和矿物质。

1.1.2 pH 值

pH 值是影响酶促褐变的一个重要因素。据研究表明果蔬中PPO 的最适pH 值一般在6~7，多酚氧化酶的活性随着pH 值的降低而逐渐下降，当pH 值小于3 时，酚酶无明显活性，是因为在强酸条件下，能够导致酶蛋白中的铜离子被解离，从而使多酚氧化酶失活。相比碱性环境，多酚氧化酶在酸性条件下的活性更低。对于山药在pH 值5.6 时PPO 的活力最强，pH 值达到7.2 时其活性近乎为0[9]。不同品种的果汁的PPO 最适活性可能会有所不同，香水梨和皇冠梨PPO 活性的最适pH 值分别为5 和6，在其他条件保持不变的情况下，香水梨更容易发生酶促褐变[10]。因此，通过调节pH 值能有效抑制PPO的活力。

1.1.3 氧气

氧气是发生酶促褐变的重要条件之一，但是只有活性氧（ROS） 才能直接参与酚类氧化反应，ROS氧化能力很强，一旦果蔬受到机械等损伤，ROS 的动态平衡就会遭受破坏，造成其大量积累，从而导致细胞膜脂过氧化，最终加速果蔬酶促褐变[11]。但是在果蔬贮藏过程中，如果完全去除氧气很容易造成水果和蔬菜二氧化碳中毒，所以贮藏过程中经常会采用气调贮藏法，榨汁生产是用真空脱气法[12]。在贮藏环境中减少氧气大都采用气调法，按比例增加二氧化碳、氮气等，以此来替换空气，从而消除或降低氧气参与酶促反应。

1.2 影响非酶褐变的因素

1.2.1 金属离子

金属离子能够催化氧与酚类物质结合，促进酚类物质的氧化。表明金属离子可加快褐变反应速率，如铁离子、钠离子、锂离子等[13]。相对一种金属而言，多种金属彼此有协同作用更能加快非酶褐变的发生[14]。在研究金属离子对苹果汁非酶褐变反应的影响中，证明了铁离子和铜离子都能加快非酶褐变反应速率，并且得出Fe3+比Fe2+褐变效果更显著[15]。其原因包括2 个方面研究：一是由于氧气不能直接与酚类结合，二价铁离子能有与氧气结合，产生的过氧化氢自由基，导致过氧化氢的生成，从而产生褐变；二是酚类物质与三价铁离子能够发生螯合，而被氧化成醌类物质，三价铁被还原成二价铁离子，从而使得该反应得到循环。

1.2.2 pH 值

pH 值是果蔬发生非酶褐变的重要因素之一， 在研究黄烷醇化学氧化与褐变关系中，Dong X 等人[16]通过模拟酚类物质氧化体系，采用不同的因素测定对酚类的影响程度，最终pH 值占据首位，由此可得，pH 值是多酚氧化反应中一个重要因素。根据大量试验得出酚类氧化速率和pH 值息息相关，且二者呈正相关，在做莲藕中酚类物质的氧化模拟试验中，发现在碱性条件下更容易导致酚类物质氧化[17]。所以，得出酚类化合物的氧化在碱性条件下更易发生。

1.2.3 糖类

因果蔬非酶褐变以美拉德反应为主，而该反应分为3 个阶段，首先是还原糖（主要是葡萄糖） 与氨基酸发生缩合反应，反应可分为2 种情况，一种是形成Amadori 重排产物，另一种生成的是Heyns 重排产物，前者是由于该体系中有醛糖，与氨基酸反应生成N -羰基化合物，然后重排形成的，后者是因为体系有酮糖。还原糖的种类及结构都会对美拉德反应产生不同的影响[18]。通过试验得出，五碳糖比六碳糖更容易发生美拉德反应，单糖比双糖更容易发生美拉德反应，如核糖相比葡萄糖或果糖发生美拉德反应速度更快， 而葡萄糖比乳糖反应速度更快[19]。而添加淀粉不仅可改善产品的质地、颜色，增加总可溶性固形物含量，保护果肉颜色，使其经受美拉德反应或焦糖化反应。

2 抑制褐变的方法

褐变不但会引起氨基酸等营养严重损失，甚至会产生致癌物质，所以研究有效抑制褐变的方法迫在眉睫。抑制褐变的方法可以根据褐变反应机理加以解决，因此从酶促褐变和非酶褐变两大类进行探讨。

2.1 抑制酶促褐变

酶促褐变抑制方法可分为物理法和化学法。

2.1.1 物理方法

抑制酶促褐变物理方法包括：①驱氧或隔绝空气，可用N2和CO2等惰性气体来代替空气，通过真空处理法、气调包装、涂膜处理或是食物上涂上食用涂层等方法来避免与氧气的接触等方法[20]；②控制温度，温度过高或过低都能使酶的活性降低，但是温度过高会使蛋白质变性，因此在加工或贮藏时采用低温环境[21]；③辐照，使用紫外线60Co 和γ 射线照射都是抑制酶促褐变的潜在技术；④中等强度的微波处理，在果蔬干燥加工中，采用该方法能钝化酶的活性，从而有效抑制酶促褐变的发生[22]；⑤蒸汽热烫，该方法的预处理在烘箱中干燥，可降低氧化酶活性[23]。

2.1.2 化学方法

抗氧化剂、螯合剂、天然萃取物酸化或还原等酶促褐变的化学方法，有亚硫酸、谷胱甘肽、抗坏血酸等。

（1） 抗氧化剂。抗氧化剂有抗坏血酸、谷胱甘肽、赤霉酸、N -乙酰半胱氨酸（NAC） 等。抗氧化剂即还原剂，可参与氧气的反应，也可与中间物反应，使体系中的醌及其衍生物还原为无色的酚，从而中断反应抑制黑色素生成，最终抑制褐变反应。在果蔬防褐变中最普遍使用的一种抗氧化剂是抗坏血酸。有研究表明，抗坏血酸不能直接与PPO 酶进行反应，但可通过减少氧化底物，即抗坏血酸氧化为脱氢抗坏血酸，酶促生成的邻醌还原为其前体双酚，作为PPO 的竞争抑制剂来抑制褐变的发生[24]。据研究报道，褪黑素作为一种抗氧化剂，能保护细胞结构，防止DNA 损伤，通过清除自由基，增强抗氧化性，增强抗氧化性和减少脂质过氧化来降低过氧化物水平，可抑制酚类化合物的氧化。

（2） 螯合剂。螯合剂能够与多酚氧化酶中的Cu2+形成络合物或与其底物反应，从而中断反应的进行[25]。许多羧酸都具有良好的抗褐变性，在果蔬防褐变中常用的螯合剂有柠檬酸、草酸、苹果酸等。以果蔬中常见的12 种羧酸为例，分别浸泡苹果片3 min，然后监测3 h 后苹果片褐变效果的试验，最终得出对苹果片防褐变性最好的3 种羧酸分别为酒石酸、丙二酸、草酸，其次是柠檬酸、苹果酸等[26]。由于柠檬酸安全性高、极易溶于水等优点，即使其抗褐变活性并非很强，但依然广泛应用于果蔬防褐变产业中[27]。据研究表明，乳铁蛋白作为一种金属螯合蛋白，具有抗菌性，且对脂质氢过氧化物的形成具有抗氧化作用，从而影响果蔬脂质氧化和褐变。

（3） 天然防褐变剂。由于人们越来越注重饮食安全的问题，相对以往不健康、高成本的合成添加剂，更倾向于选择更健康、低成本的天然防褐变剂。通过对食品可持续发展的研究，发现可从农业食品的副产品中提取PPO 抑制剂，以替代合成添加剂[28]。根据试验得出洋葱能够抑制苹果汁褐变，在新鲜的苹果汁中加入洋葱，不仅苹果汁自由基清除能力得到提高，可溶性固形物、总酚类化合物含量也有所增加，更重要的是褐变程度明显得到改善[29]。菠萝汁同样可作为防褐变剂，采用电荷分离法对菠萝汁进行分馏，最终得到的分馏组分对苹果粗提取物的酶促褐变的抑制率至少达到26%。

2.2 抑制非酶褐变

研究表明，果蔬非酶褐变以美拉德反应为主，虽然美拉德反应能够赋予食品特殊风味，但是褐变会使果蔬因颜色的改变而使其质量下降。因此，抑制非酶褐变的目的是有效地控制美拉德反应。

2.2.1 物理方法

果蔬贮藏过程中，非酶褐变普遍发生，反应速度受到温度的直接影响。Mirard 反应中，产生一种羟基糠醛，可与氨基酸发生聚合、缩合反应，最终生成类黑色素。温度对梨汁非酶褐变度的影响较大，温度高于30 ℃时，随反应速率的增加，5 -羟甲基糠醛含量越高，低于10 ℃时反应速率显著降低，褐变程度明显改善[30]。氧气和光照强度也会影响非酶褐变的发生。对容易发生褐变的水果、蔬菜，应避光贮存，减少氧气接触，避免接触金属器皿，探讨不同光照条件对石榴汁褐变的影响时，发现光照对其影响最大[31-32]。同时，由于包装材料的不同，导致果汁发生了不同程度的褐变，在对比研究中发现，铝箔袋包装可避免紫外线、隔离氧气，从而证明铝箔袋对非酶褐变有良好的抑制作用。

2.2.2 化学方法

美拉德反应、抗坏血酸反应等非酶褐变程度均与pH 值大小有关， pH 值的不同会对非酶褐变反应产物的降解有着不同程度的影响，其中pH 值在8.0~9.0 时，褐变最为严重，在pH 值小于3.0 时，褐变程度较轻。在研究pH 值对果蔬非酶褐变的影响中，试验得出在pH 值较低情况下，可抑制美拉德反应的发生，在分别对比pH 值为2.0，3.0 和4.0 对果汁非酶褐变的研究中，发现pH 值为2.0 的抑制效果最佳[37]。由于果汁在加工贮存中发生的非酶褐变是以美拉德反应为主，氨基酸是参与美拉德反应的重要物质，有试验证明若将果蔬中氨基酸除去，非酶褐变速率明显降低，但从其营养角度方面考虑，该方法有一定弊端[33]。但通过大量试验得出，L -半胱氨酸等氨基酸能够抑制非酶褐变反应[15]。添加亚硫酸盐，可抑制果蔬褐变。

3 结语

造成果蔬褐变原因很多，从酶促褐变和非酶褐变进行分析，并对影响这2 种褐变的因素及抑制褐变的方法进行了介绍。在果蔬发生褐变过程中这些反应并非单独进行，而是以复合形式参与。近年来，国内外对果蔬酶促褐变的研究居多，通过研究与酶促反应有关的酶来抑制褐变的发生，主要有3 个方面：第一，降低或抑制酶活性；第二，降低底物含量，即降低酚类物质；最后是提高抗氧化酶的性能。对非酶褐变的抑制主要来自于美拉德等反应机制。当前，国内外抑制酶褐变的主要方法是利用化学方法——添加抗氧化剂，但未来食品行业向更安全、更环保、更健康的方向出发，因此将采用更有效的方法，物理方法不仅成本低，而且安全，天然防褐变剂相对合成添加剂而言更健康。所以，将物理或其他方法结合起来，对于果蔬防褐变技术有较大的应用价值。