淺談食品中多酚氧化酶與酶促褐變的控制講述

1、淺談食品中多酚氧化酶與酶促褐變的控制摘要：多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase, PPO）是一類廣泛分布于植物體中，由核基因編碼，能與銅相結合的一種金屬蛋白酶。植物多酚氧化酶是許多果蔬等農產品酶促褐變的主要原因，對農產品食品品質有重要影響。本文概述了多酚氧化酶的分布、分子結構及活性誘導特點， PPO與酶促褐變的關系及對食品的影響，介紹了食品工業(yè)生產中酶促褐變的抑制方法，并展望了今后PPO及酶促褐變的研究方向，以對食品中PPO及在酶促褐變中的應用作淺析。關鍵詞：食品 ；多酚氧化酶；酶促褐變；控制1 前言多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase, PPO) 是植物體內普遍存在的

2、一類銅結合酶。它早在1895 年就被發(fā)現(xiàn)，直至1937 年才被分離得到。隨著研究的深入，將其分為單酚單氧化酶（酪氨酸酶(tyrosinase) ,EC. 1. 14. 18. 1）、雙酚氧化酶（兒茶酚氧化酶(catechol oxidase) , EC. 1. 10. 3. 2）、漆酶（laccase , EC. 1.10. 3. 1）1,2?，F(xiàn)在所說的多酚氧化酶一般是指兒茶酚氧化酶和漆酶的統(tǒng)稱。食品在貯藏加工過程中，經(jīng)常會發(fā)生褐變現(xiàn)象，其中以酶引起的褐變作用非常迅速，酶促褐變需要和氧接觸，由酶催化，故稱之為酶促褐變。這是由于水果、蔬菜等新鮮植物食物在采摘后，組織中仍在進行活躍的代謝活動。在正

3、常情況下，完整的果蔬組織中氧化還原反應是偶聯(lián)進行的，但當發(fā)生機械性的損傷（如削皮、切開、壓傷、蟲咬、磨漿等）及處于異常的環(huán)境條件下（如受凍、受熱）時，便會影響氧化還原作用的平衡，發(fā)生氧化產物的積累，造成變色。大多數(shù)情況下，酶促褐變是一種不希望出現(xiàn)于食物中的變化，如香蕉、蘋果、梨、馬鈴薯等園藝產品均很容易在削皮切開后褐變，不僅有損于感觀，且影響產品的運銷，還可使產品的營養(yǎng)價值降低。另一方面，適當?shù)暮肿冇质切纬扇绮枞~、可可豆、某些干果等食品良好風味與色澤所不可缺少的。而PPO屬于酚酶，能催化酚類物質形成醌及其聚合物，被認為是酶促褐變的主要原因。故對食品中PPO進行相關研究，尋找能抑制或控制食品酶促

4、褐變的方法，在食品工業(yè)中有著重要的意義。2 PPO概述2.1 分布PPO 廣泛存在于植物體的各種器官或組織中。研究表明，有活性的PPO定位于正常細胞的質體中。葉綠體的PPO存在于類囊體上，其它類型質體的PPO存在于各種囊泡上3。同一植株內，不同成熟度、不同部位的PPO酶活性也有差異，一般幼嫩部分含量較多, 成熟部分含量較少4。姜紅波等5對茶樹菇不同部位的粗酶液活性測定表明，菌柄下酶活性最??；菌蓋與菌褶處酶活性較大。此外，PPO相當穩(wěn)定，甚至在土壤中已腐爛的植物殘渣上都可檢測到PPO的活性。2.2 分子結構PPO 通常先以無活性的前體形式存在。前體一般由N-端導肽、中間高度保守的Cu結合區(qū)和C-

5、端疏水區(qū)3部分組成。PPO的Cu結合區(qū)是該酶的主要功能區(qū)，其他部分則對酶的構象、高級結構的形成和維持起作用。N-端導肽是葉綠體蛋白的典型特征，它能指導PPO蛋白質前體進入類囊體膜，保守性很低。中間高度保守的Cu結合區(qū)富含His殘基，每個Cu與3個His 殘基以配位鍵相連，形成了有特定三維結構的活性部位6。而PPO的C-端是疏水性的。有文獻報道葡萄漿果PPO前體加工過程中常切掉一個16.2 kD無活性的C-端7。2.3 活性的誘導通常PPO是以非活性的前體態(tài)存在于類囊體中，而它的酚底物在液泡中，這種空間隔離只有被打破引起亞細胞區(qū)域化改變時，PPO才表現(xiàn)出酶活性。許多生物、非生物因素都可誘導PPO

6、 活性，例如：機械損傷、細菌真菌感染、信號分子（如系統(tǒng)素、茉莉酸甲酯、水楊酸、乙烯、cAM P）處理等。3 PPO與酶促褐變3.1 酶促褐變機理 酶促褐變是酚酶催化酚類物質形成醌及其聚合物的反應過程。植物組織在含有酚類物質，在完整的細胞中作為呼吸傳遞物質，在酚-醌之間保持著動態(tài)平衡，當細胞組織破壞以后，氧就大量侵入，造成醌的形成和其還原反應之間的不平衡，于是發(fā)生了醌的積累，醌再進一步氧化聚合，就形成了褐色色素，稱為黑色素或類黑精。PPO能催化單元酚和二元酚等多元酚到聯(lián)苯酚的羥基化，以及羥基酚到醌的脫氫反應。醌在植物體內自身聚合，或與細胞內的蛋白質反應,產生黑色或褐色的沉積物,被認為是植物體酶促

7、褐變的主要原因8。3.2 酶促褐變對食品影響3.2.1 抵抗病原菌對植物而言，PPO在抵抗微生物和病毒性侵染方面發(fā)揮著作用。植物對病原菌的防御系統(tǒng)大致可分為三道防線。第一道防線是一些結構上的因素如細胞壁等； 第二道防線是感染或受傷位點被局部激活來阻止病原菌的擴散。一旦病原菌攻破這兩道防線，宿主感染位點及其周圍的細胞局部死亡（過敏反應），使病原菌被限制在原侵染部位不能擴散。過敏反應通常伴隨著系統(tǒng)獲得性抗性（免疫性）的增加；免疫性就是植物防御的最后一道防線。免疫性是通過誘導一些防御相關蛋白的形成或活性增加來獲得的，PPO 就是其中很重要的一種。即PPO在經(jīng)歷次級聚合反應中形成的醌產生黑色的不溶性聚

8、合物,這些聚合物充滿了植物組織，起著阻止感染蔓延的屏障作用，從而保證果蔬等農產品食品的固有品質。 3.2.2 良好感官品質的形成PPO 對食品和飲料生產也會產生重大影響，它不僅影響食品和飲料的色澤,也影響其品質，特別是在制作綠茶、紅茶、烤煙和水果類飲料的過程中更為突出9,10 。茶葉中所有化學成分中，兒茶素與多酚氧化酶尤為重要，除綠茶、黃茶外，各種茶葉的加工都是基于兒茶素在多酚氧化酶催化下的氧化作用，即所謂的“發(fā)酵”過程。據(jù)文獻，PPO引起的一系列次生反應是烏龍茶制造過程中特有的化學變化，是烏龍茶加工中重要的氧化還原酶類，PPO活性通過影響做青方法從而對成茶的滋味和香氣形成起著重要作用11。在

9、啤酒生產過程中，由于多酚物質會影響啤酒的外觀穩(wěn)定性中的非生物穩(wěn)定性和風味穩(wěn)定性，故PPO與啤酒風味陳化也緊密相關12。3.2.3 不良感官品質的形成多酚氧化酶是引起果蔬酶促褐變的主要酶類，PPO催化果蔬原料中的內源性多酚物質氧化生成黑色素，嚴重影響制品的營養(yǎng)，風味及外觀品質。 如蘋果由于富含酚類物質而VC 含量相對較低，所以在有高活力的多酚氧化酶（PPO）的催化作用下，蘋果制品在加工中很易發(fā)生酶促褐變。在混濁蘋果汁的制備過程中，有70%以上的褐變發(fā)生在破碎過程中13。酶促褐變降低了蘋果的營養(yǎng)價值，改變了其風味14。4 食品生產中酶促褐變的抑制PPO對于果蔬保鮮和采后加工具有重要意義，為避免褐變

10、造成的食品品質下降，加工過程中PPO酶的鈍化處理一直是研究的熱點由于PPO抑制在防止水果和蔬菜褐變方面的重要作用，抑制PPO的活性或消除酶促反應的發(fā)生條件能較好地保持鮮果的色澤、風味及營養(yǎng)。酶促褐變的發(fā)生需要三個條件：底物（多酚類物質）、氧介質、PPO15。實際操作中從食品中除去PPO的底物（多酚類物質）不僅困難，而且不現(xiàn)實。因此比較有效的是抑制PPO活性，其次是防止與氧接觸。4.1 溫度調控瞬時高溫可使包括PPO在內的酶鈍化，熱處理是生產中常用鈍酶方法之一，通常以PPO作為熱燙指示劑，常以蒸汽或熱水為濕媒介，通過熱燙或漂燙工藝用于壓榨果汁的預處理16，提高產品中功能成分含量，改善速凍食品的感

11、官品質和風味，不過在工業(yè)中漂燙的最佳終點判斷至關重要。不同的果蔬品種，具體處理參數(shù)不同，適度的處理時間內亦可提高出汁率，時間過長則會導致營養(yǎng)成分流失17。此外，冰溫保藏也可以抑制PPO 酶活，減少總酚含量的下降趨勢，對果蔬的保鮮有著明顯的作用。冰溫保藏，是將食品貯藏在0以下至各自的凍結點的范圍內的保鮮方式，繼冷藏和氣調之后，成為第三代保鮮技術。冰溫貯藏作為一種新型的物理保鮮方法，研究表明18其對蓮藕保質期比冷藏要長，并且冰溫貯藏后的果實以低溫冷鏈方式出庫后其PPO在貨架期內始終處于較低水平19，對于延長鮮食果蔬的貨架壽命收效顯著。4.2 酸度調控大多PPO最適pH值在6.07.4范圍，在pH值

12、降至4.0以下，PPO幾乎完全失去活性。因此利用調酸降低pH值的方法抑制果蔬褐變，是果蔬加工中常用的方法?？刹捎眉尤脒m量的pH調節(jié)劑如檸檬酸、蘋果酸、醋酸等降低pH值，抑制褐變發(fā)生率，多為兩種或兩種以上復合使用，且符合食用級標準。有報道稱抗壞血酸、檸檬酸、檸檬汁和橘子汁對皇家嘎拉蘋果PPO有很好的抑制作用，達極顯著水平20。尤其是檸檬汁和橘子汁在嘎拉蘋果加工中的應用是天然的、安全無害，為利用酸度來調控天然果蔬制品的PPO活性以抑制酶促褐變提供了一定參考依據(jù)。 檸檬酸是使用最廣泛的的食用酸，對酚酶有降低pH值和螯合酚酶的Cu輔基的作用，但作為褐變抑制劑來說，單獨使用檸檬酸的效果不大，通常需要與抗

13、壞血酸或亞硫酸聯(lián)用。蘋果酸是蘋果汁中主要有機酸，在蘋果汁中對酚酶的抑制作用要比檸檬酸強得多。喬勇進等21研究表明pH對貯藏梨汁褐變影響較大，隨著pH降低，梨汁褐變度越大。抗壞血酸是比檸檬酸和蘋果酸更加有效的酚酶抑制劑，即使?jié)舛葮O大也無異味，對金屬無腐蝕作用，且作為一種維生素，其營養(yǎng)價值也是盡人皆知的。Vc不僅可降低環(huán)境pH值，它與異Vc鈉既能抑制PPO本身的催化作用，同時又能還PPO形成的產物醌為酚，并且還能消耗反應體系中的氧。在實際生產中較為理想的抑制劑是Vc，這是由于Vc 是水果中的成分，安全性高，因此在工業(yè)生產中可以廣泛地應用。4.3 二氧化硫及亞硫酸鹽二氧化硫及亞硫酸鹽對果蔬的酶促褐變

14、的抑制效果很好，而且持續(xù)時間長。它們既可以直接作用于酶本身，降低對單酚和二酚類的催化反應活性，又可與反應中生成的醌類物質結合形成無色物質。同時，亞硫酸還有漂白和抑制微生物生長的作用22。雖然二氧化硫和亞硫酸鹽對果蔬中的褐變有高效的抑制作用，但是亞硫酸鹽用于食品中會對人的健康產生影響，已經(jīng)被限制使用，所以人們都致力于研究亞硫酸鹽的替代品。4.4 L-半胱氨酸L-半胱氨酸（L-Cys）是一種強效抑制劑，其抑制褐變的機制歸納起來為：一是醌類物質能與半胱氨酸形成無色的復合物，阻止了醌類物質聚合而不能形成的色素物質；二是半胱氨酸可通過與PPO活性位點的銅離子不可逆結合而抑制酶活性，或者替代PPO活性位點

15、的組氨酸殘基；三是半胱氨酸并非阻止PPO氧化酚類，而是阻止酚類的聚合23。但是L-Cys會產生令人不愉快的氣味，破壞產品風味，所以近年來致力于研究L-Cys與其他抑制劑聯(lián)合使用的效果。周向軍等人24以鄰苯二酚為底物,在413nm處測定黑美人馬鈴薯多酚氧化酶(PPO)的活性，發(fā)現(xiàn)L-Cys對PPO酶促褐變的抑制作用強于抗壞血酸。4.5 曲酸曲酸及其衍生物對酪氨酸酶（或稱多酚氧化酶PPO）有強烈抑制作用，20g/mL濃度的曲酸就可抑制不同來源的酪氨酸酶的70%80%的活力。另外曲酸具有抗氧化性，它的酚羥基可以被還原；它還可與Fe、Cu、Mn等金屬離子發(fā)生螯合反應。劉波25發(fā)現(xiàn)曲酸在蘋果汁褐變中的抑

16、制率可以達到70%80%。4.6 4-乙基間苯二酚（4-HR）4-己基間苯二酚（4-HR）是一種新型抗氧化劑，是酪氨酸酶的有效抑制劑，其化學穩(wěn)定性相當好，安全性高，對酚酶抑制力強，已被推薦用于防治果蔬產品的酶促褐變，具有良好的應用前景。謝紹萍等報道，當4-HR添加量0.1%時，對香蕉漿液的護色有較好的效果26。4-己基間苯二酚也被證實能夠有效地抑制蘑菇、鮮切梨、馬鈴薯的酶促褐變。5 展望目前對影響酶促褐變的各因素對褐變抑制效果的研究相對較多，褐變機理也比較復雜，目前尚未完全弄清。關鍵問題集中在對PPO及其底物的研究以及農作物采后貯藏環(huán)境對酶促褐變的影響。酶促褐變與果實衰老有密切關系，而PPO合

17、成基因的表達可能與衰老有關。隨著生物技術的發(fā)展，對PPO 的深入研究有望從分子水平上搞清酶促褐變的機理，為控制酶促褐變提供新方法。如選育出PPO酶活性相對較低的品種、改變控制PPO的基因而改變PPO的活性等都將是酶促褐變抑的方向之一.。此外，對褐變抑制劑等因素對果蔬等天熱或加工食品的味、質地、組織、異味等感官指標影響的研究也將會越來越多。參考文獻1 賀立紅, 賓金華. 高等植物中的多酚氧化酶J. 植物生理學通訊, 2001, 37(4): 340-3452 許傳俊, 李玲. 植物多酚氧化酶研究進展J. 生命科學研究, 2002, 6(1): 45553 謝春艷, 賓金華, 陳兆平. 多酚氧化酶

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