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文檔簡介
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(jié)合的一種金屬蛋白酶。植物多酚氧化酶是許多果蔬等農(nóng)產(chǎn)品酶促褐變的主要原因,對農(nóng)產(chǎn)品食品品質(zhì)有重要影響。本文概述了多酚氧化酶的分布、分子結(jié)構(gòu)及活性誘導(dǎo)特點(diǎn), PPO與酶促褐變的關(guān)系及對食品的影響,介紹了食品工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用作淺析。關(guān)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(nèi)普遍存在的
2、一類銅結(jié)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(jìn)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(yīng)是偶聯(lián)進(jìn)行的,但當(dāng)發(fā)生機(jī)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(chǎn)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(chǎn)品均很容易在削皮切開后褐變,不僅有損于感觀,且影響產(chǎn)品的運(yùn)銷,還可使產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值降低。另一方面,適當(dāng)?shù)暮肿冇质切纬扇绮枞~、可可豆、某些干果等食品良好風(fēng)味與色澤所不可缺少的。而PPO屬于酚酶,能催化酚類物質(zhì)形成醌及其聚合物,被認(rèn)為是酶促褐變的主要原因。故對食品中PPO進(jìn)行相關(guān)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(xì)胞的質(zhì)體中。葉綠體的PPO存在于類囊體上,其它類型質(zhì)體的PPO存在于各種囊泡上3。同一植株內(nèi),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(dāng)穩(wěn)定,甚至在土壤中已腐爛的植物殘?jiān)隙伎蓹z測到PPO的活性。2.2 分子結(jié)構(gòu)PPO 通常先以無活性的前體形式存在。前體一般由N-端導(dǎo)肽、中間高度保守的Cu結(jié)合區(qū)和C-
5、端疏水區(qū)3部分組成。PPO的Cu結(jié)合區(qū)是該酶的主要功能區(qū),其他部分則對酶的構(gòu)象、高級結(jié)構(gòu)的形成和維持起作用。N-端導(dǎo)肽是葉綠體蛋白的典型特征,它能指導(dǎo)PPO蛋白質(zhì)前體進(jìn)入類囊體膜,保守性很低。中間高度保守的Cu結(jié)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(jié)構(gòu)的活性部位6。而PPO的C-端是疏水性的。有文獻(xiàn)報(bào)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(dǎo)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(xì)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(dǎo)PPO
6、 活性,例如:機(jī)械損傷、細(xì)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(jī)理 酶促褐變是酚酶催化酚類物質(zhì)形成醌及其聚合物的反應(yīng)過程。植物組織在含有酚類物質(zhì),在完整的細(xì)胞中作為呼吸傳遞物質(zhì),在酚-醌之間保持著動態(tài)平衡,當(dāng)細(xì)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(yīng)之間的不平衡,于是發(fā)生了醌的積累,醌再進(jìn)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(yīng)。醌在植物體內(nèi)自身聚合,或與細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生黑色或褐色的沉積物,被認(rèn)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(jié)構(gòu)上的因素如細(xì)胞壁等; 第二道防線是感染或受傷位點(diǎn)被局部激活來阻止病原菌的擴(kuò)散。一旦病原菌攻破這兩道防線,宿主感染位點(diǎn)及其周圍的細(xì)胞局部死亡(過敏反應(yīng)),使病原菌被限制在原侵染部位不能擴(kuò)散。過敏反應(yīng)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(dǎo)一些防御相關(guān)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(yīng)中形成的醌產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品食品的固有品質(zhì)。 3.2.2 良好感官品質(zhì)的形成PPO 對食品和飲料生產(chǎn)也會產(chǎn)生重大影響,它不僅影響食品和飲料的色澤,也影響其品質(zhì),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(xué)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(xiàn),PPO引起的一系列次生反應(yīng)是烏龍茶制造過程中特有的化學(xué)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(chǎn)過程中,由于多酚物質(zhì)會影響啤酒的外觀穩(wěn)定性中的非生物穩(wěn)定性和風(fēng)味穩(wěn)定性,故PPO與啤酒風(fēng)味陳化也緊密相關(guān)12。3.2.3 不良感官品質(zhì)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(nèi)源性多酚物質(zhì)氧化生成黑色素,嚴(yán)重影響制品的營養(yǎng),風(fēng)味及外觀品質(zhì)。 如蘋果由于富含酚類物質(zhì)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(jià)值,改變了其風(fēng)味14。4 食品生產(chǎn)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(zhì)下降,加工過程中PPO酶的鈍化處理一直是研究的熱點(diǎn)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(yīng)的發(fā)生條件能較好地保持鮮果的色澤、風(fēng)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(zhì))、氧介質(zhì)、PPO15。實(shí)際操作中從食品中除去PPO的底物(多酚類物質(zhì))不僅困難,而且不現(xiàn)實(shí)。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(diào)控瞬時高溫可使包括PPO在內(nèi)的酶鈍化,熱處理是生產(chǎn)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(yù)處理16,提高產(chǎn)品中功能成分含量,改善速凍食品的感
11、官品質(zhì)和風(fēng)味,不過在工業(yè)中漂燙的最佳終點(diǎn)判斷至關(guān)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(nèi)亦可提高出汁率,時間過長則會導(dǎo)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(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)的保鮮方式,繼冷藏和氣調(diào)之后,成為第三代保鮮技術(shù)。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(zhì)期比冷藏要長,并且冰溫貯藏后的果實(shí)以低溫冷鏈方式出庫后其PPO在貨架期內(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)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(fù)合使用,且符合食用級標(biāo)準(zhǔn)。有報(bào)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(dá)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(yīng)用是天然的、安全無害,為利用酸度來調(diào)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(dú)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(jī)酸,在蘋果汁中對酚酶的抑制作用要比檸檬酸強(qiáng)得多。喬勇進(jìn)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??箟难崾潜葯幟仕岷吞O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(jià)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(chǎn)物醌為酚,并且還能消耗反應(yīng)體系中的氧。在實(shí)際生產(chǎn)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(chǎn)中可以廣泛地應(yīng)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(yīng)活性,又可與反應(yīng)中生成的醌類物質(zhì)結(jié)合形成無色物質(zhì)。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(chǎn)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(qiáng)效抑制劑,其抑制褐變的機(jī)制歸納起來為:一是醌類物質(zhì)能與半胱氨酸形成無色的復(fù)合物,阻止了醌類物質(zhì)聚合而不能形成的色素物質(zhì);二是半胱氨酸可通過與PPO活性位點(diǎn)的銅離子不可逆結(jié)合而抑制酶活性,或者替代PPO活性位點(diǎn)
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(chǎn)生令人不愉快的氣味,破壞產(chǎn)品風(fēng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)。劉波25發(fā)現(xiàn)曲酸在蘋果汁褐變中的抑
16、制率可以達(dá)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(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)好,安全性高,對酚酶抑制力強(qiáng),已被推薦用于防治果蔬產(chǎn)品的酶促褐變,具有良好的應(yīng)用前景。謝紹萍等報(bào)道,當(dāng)4-HR添加量0.1%時,對香蕉漿液的護(hù)色有較好的效果26。4-己基間苯二酚也被證實(shí)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(jī)理也比較復(fù)雜,目前尚未完全弄清。關(guān)鍵問題集中在對PPO及其底物的研究以及農(nóng)作物采后貯藏環(huán)境對酶促褐變的影響。酶促褐變與果實(shí)衰老有密切關(guān)系,而PPO合
17、成基因的表達(dá)可能與衰老有關(guān)。隨著生物技術(shù)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(jī)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(zhì)地、組織、異味等感官指標(biāo)影響的研究也將會越來越多。參考文獻(xiàn)1 賀立紅, 賓金華. 高等植物中的多酚氧化酶J. 植物生理學(xué)通訊, 2001, 37(4): 340-3452 許傳俊, 李玲. 植物多酚氧化酶研究進(jìn)展J. 生命科學(xué)研究, 2002, 6(1): 45553 謝春艷, 賓金華, 陳兆平. 多酚氧化酶
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