食品褐變機(jī)理與控制

1、酶褐變酶褐變是指多酚類物質(zhì)在多酚氧化酶(E.C1.14.18.1 )的作用下氧化，而呈現(xiàn)褐色。1反應(yīng)條件多酚類物質(zhì)：鄰苯二酚(兒茶酚)、綠原酸、咖啡酸、沒食子酸等；多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)；氧氣。2反應(yīng)原理0H0HR酪氨酸R0H工4-二羥基苯丙氨酸R05, 6-二釀基哼1% 2-竣酸反應(yīng)過程為：鄰苯二酚類物質(zhì)(PPO+O2) T鄰苯醌類化合物多巴(dopa:L-B-(3、 4-dihydroxy-phenine)-alanine) ( PPO+O2)多巴醌(dopaquininone) ( PPO+O2)復(fù)雜聚合 物一黑素(melanin)。3控制方法3.1加熱

2、鈍化酶活性7595C、57S的加熱處理，可使大部分酶活性喪失。加熱溫度過高，加熱時間過長，可 抑制酶褐變，但會影響食品品質(zhì)；加熱不足，不能抑制酶褐變。3.2驅(qū)氧通過費(fèi)水燙漂、抽真空(93kPa, 515min )、高濃度抗壞血酸溶液浸泡、氣調(diào)包裝設(shè)計等均 可達(dá)到驅(qū)除食品內(nèi)氧氣的目的，從而抑制酶褐變的發(fā)生。控制氧氣含量用抽空處理技術(shù)或添加去氧劑等方法：用2%食鹽+0.2%檸檬酸+0.06%偏重亞硫酸鈉溶液作抽空液，在 500mmHg的真空度抽空510min,可取得良好的護(hù)色效果。3.3螯合酶促作用的金屬離子金屬(鐵、銅、錫、鋁等)離子是多酚氧化酶的激活劑。Fe+3、Fe+2、Cu+2能促進(jìn)褐變主

3、要是因為鐵和銅不僅能和酚類化合物反應(yīng)形成褐色物質(zhì)，而且能催化還原酮類的氧化。檸檬酸對Cu2+有螯合作用。EDTANa 2是一種金屬離子螯合劑，可阻止金屬離子對褐變反應(yīng)的促進(jìn)作用，但其作用作用 對象有關(guān)，有的效果則不明顯。3.4 調(diào) pHPPO酶最適pH=67,隨著pH的下降，多酚氧化酶的活性直線下降，特別是 pH在3.0以 下時，高酸性環(huán)境會使酶蛋白上的銅離子解離下來，導(dǎo)致PPO逐漸失活，酶活性趨于最低。加有機(jī)酸(檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸)調(diào)pHW 45可降低酶活性，減少偶聯(lián)褐變。3.5酶活抑制劑3.5.1 二氧化硫、亞硫酸鹽二氧化硫、亞硫酸鹽等在酸性(pH=6)的條件下對PPO酶活性有抑制作

4、用，兼有漂白、殺菌 性能，可阻止黑色素的形成。亞硫酸鹽可能有致癌用，可能會導(dǎo)致某些消費(fèi)者嘔吐、下痢、 過敏克、急性哮喘、失神等不良反應(yīng)，也會加速罐壁蝕，破壞維生素，產(chǎn)生不愉快的嗅感和 惡臭味，食品中殘留量如果超過0.01 X 10-5即可感知，因此在使用時必須注意用量”我國有關(guān)食品法規(guī)規(guī)定殘留量不得超過10mg/kg。處理條件：游離 SO2量為0.7mg/kg，但對人體有害，被限制使用。3.5.2 鈣鈣溶液濃度越大，對多酚類物質(zhì)氧化的抑制作用越強(qiáng)，可抑制游離態(tài)（FPPO多酚氧化酶的活性。抑制作用有兩個解釋，一是鈣與氨基酸結(jié)合成為不溶性化合物，因此鈣鹽有協(xié)同SO2控制褐變的作用,二是Ca與PPO

5、中的Cu2+的競爭。常壓6%CaC2溶液浸泡15min。減壓6%CaC2溶液浸泡2min。3.5.3 KH-1KH-1能鰲合銅離子，阻隔氧氣吸附單寧，調(diào)節(jié)pH和水分，從而起到抑制 PPO活性的目的。3.5.4 抗壞血酸抗壞血酸也可用于防止酶促褐變，它不但能降低體系pH,而且具有還原劑的作用，可將體系中的醌類及其衍生物還原成酚， 并通過自身氧化來減少體系的含氧量。 但是， 如果體系內(nèi) 含氧量過高或添加的抗壞血酸過少,會使抗壞血酸完全氧化并與氨基酸反應(yīng)導(dǎo)致非酶褐變。同時, 抗壞血酸氧化產(chǎn)物中的二酮古羅糖酸是腐蝕促進(jìn)劑, 能加速馬口鐵溶錫, 使內(nèi)容物發(fā) 苦。3.5.5 曲酸曲酸的結(jié)構(gòu)與酚類化合物相似

6、, 具有絡(luò)和金屬離子的作用, 可以絡(luò)合多酚氧化酶活性必需的 銅離子； 此外, 曲酸具有去除氧自由基的作用, 因而能夠干擾多酚氧化酶對氧的吸收； 最后, 曲酸能將黑色素的底物醌類化合物還原為聯(lián)醌而防止黑色素的形成。3.5.6 植酸植酸是從植物原料中提取的無毒的維生素 B組的一種肌醇六磷酸酯，具有比較獨特的分子結(jié) 構(gòu)，尤其是所含的六個磷酸基，具有很強(qiáng)的鰲合能力，能在很寬的pH范圍內(nèi)很穩(wěn)定。它可以鰲合PPO中的銅輔基，并具有很強(qiáng)的抗氧化能力。3.5.7 殼聚糖殼聚糖可以抑制 PAL PPO POD活性。3.5.8 4- 己基間苯二酚（ 4HR）白色粉末，抗氧化色素穩(wěn)定劑、護(hù)色劑，一般使用量550mg

7、/kg，低于0.03%時無苦味，高于 0.05%的水溶液有明顯苦味,該種防酶褐變劑食品安全性高,是二氧化硫和亞硫酸鹽的替 代品。3.5.9 其他除抗壞血酸、 曲酸和植酸外, 其它亞硫酸鹽替代品包括硫氫化物, 如谷胱甘肽、 含硫氨基酸, 如半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸等各種絡(luò)合劑,如聚磷酸鹽、偏磷酸鹽等,多酚氧化酶抑制劑 等。3.6 基質(zhì)絡(luò)合改變多酚類物質(zhì)的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，可使之難于接受PPO酶的催化作用，抑制酶褐變。通過該法處理對食品的風(fēng)味、色澤、組織狀態(tài)等幾乎無影響。S-蛋氨酸可做甲基供體，將多酚類物質(zhì)甲基化。 硼酸、鋁化物、鋅化物對多酚類物質(zhì)都有較強(qiáng)的基質(zhì)絡(luò)合能力。3.7基因工程反義RNA技術(shù)反義R

8、NA封閉mRNA翻譯出PPO的過程，使食品農(nóng)作物不產(chǎn)生 PPO3.8 去除多酚類物質(zhì)去除多酚類物質(zhì)以防止非酶褐變的措施在實操作中并不適用。一方面是因為去除多酚類物質(zhì)常用方法是活性炭吸附法, 這種方法的缺點在于性炭的非專一性, 即活性炭在吸附多酚類物 質(zhì)的時,還將吸附體系中的其它活性成分,從而影響產(chǎn)品的內(nèi)在品質(zhì)；一方面,不同用途的 食品對多酚類物質(zhì)的含要求不同,例如,用于清理腸胃!消除便泌的制就必須含有一定量多酚類物質(zhì)，否則就沒有上述效。非酶褐變非酶褐變反應(yīng)的機(jī)制一般可分成4種類型：焦糖化反應(yīng)、美拉德反應(yīng)、抗壞血酸氧化分解、多元酚氧化縮合反應(yīng)。非酶褐變諸歷程有共同的中間產(chǎn)物，Hodge(1953

9、)將已知諸歷程的聯(lián)系圖解。HMF及癡廂 的 SchiffW-R NHj -M111酸N-果測按(12甲詳式 !醛亞胺T.-I"I®嵯芨無N喪合邊有R IH 或無R-NH?醉亞胺|®製解產(chǎn)物 »二乙Kt等醋亞胺卜即幻塑黒色鼎(含N髯會物杓|如圖3雷氏(印肚貝日褐套辰應(yīng)歷程綜合圖Q M aDlard反應(yīng); A madod分了 £撐;紬的脫水作用;4酗的製解；rircrko降胖fl用；戊醉曜縮令惟用：X戦聚合fl用1非酶褐變影響因素一般而言，反應(yīng)溫度越高，時間越長，反應(yīng)物濃度越高，則非酶褐變反應(yīng)越嚴(yán)重，且反應(yīng)速度也越快。并與食品貯存溫度、時間、濃度和

10、美拉德反應(yīng)的反應(yīng)速率呈正相關(guān)。最大褐變反應(yīng)的 Aw隨食品的種類不同而有差異。Aw增加，會稀釋反應(yīng)物濃度，降低化學(xué)反應(yīng)速率；而 Aw下降，也會因粘度增加而降低反應(yīng)速率。一般而言，酸堿值越高，非酶褐變反應(yīng)越嚴(yán)重。金屬離子對褐變反應(yīng)速率影響大小為Li>Na>K>=Cs，其中LiCI對褐變反應(yīng)速率有促進(jìn)作用，其他堿金屬陽離子則有抑制褐變反應(yīng)的效果。2非酶褐變反應(yīng)2.1焦糖化反應(yīng)焦糖化反應(yīng)是指糖類經(jīng)直接加熱所產(chǎn)生的脫水及熱分解反應(yīng)。反應(yīng)條件：高溫、堿性及高糖濃度。在酸性條件下，由于加熱作用使得糖分解形成furfural及HMF ,它們與氨基化合物能繼續(xù)反應(yīng)，并參與美拉德反應(yīng)后階段的縮合

11、反應(yīng)形成類黑精色素，furfural及HMF含量高低與食品風(fēng)味改變有顯著的相關(guān)性，所以也可將其作為非酶褐變的指標(biāo)。2.2美拉德反應(yīng)Maillard反應(yīng)是還原糖類與氨基化合物如游離氨基酸、肽和蛋白質(zhì)上的氨基發(fā)生羰氨基反應(yīng)，經(jīng)過一系列重排、脫水、縮合及聚合反應(yīng)生成黑褐色物質(zhì)的過程。溫度對Maillard反應(yīng)速度影響顯著，較高溫度和較長時間的殺菌均可加速還原糖與自由氨基化合物間的反應(yīng)。pH對Maillard反應(yīng)影響顯著，羰氨反應(yīng)一般來說在pH67的條件下最易進(jìn)行，當(dāng)pH低于6.0時反應(yīng)速度迅速降低，因此，降低pH能有效抑制非酶褐變。美拉德反應(yīng)是還原糖類與氨基化合物，如游離氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、胺等化合

12、物，先進(jìn)行反應(yīng)形成糖胺，經(jīng)過 Amadori或Heyns轉(zhuǎn)位形成 Amadori（或Hey ns）中間產(chǎn)物，此類化合物在 不同pH值及溫度條件下，以3種路徑進(jìn)行反應(yīng)，在酸性下進(jìn)行1,2-烯醇化反應(yīng)，形成furural 及HMF;在堿性條件下進(jìn)行2,3-烯醇化反應(yīng)形成還原酮及脫氫還原酮，其中后者會與氨基化合物反應(yīng)形成 strecker醛類，或繼續(xù)裂解產(chǎn)生carbonyls及dicarbonyls化合物；高溫下，Amadori（heyns）進(jìn)行裂解產(chǎn)生 carbonyls及dicarbonyls化合物，這些中間階段產(chǎn)物會繼續(xù)與 氨基化合物進(jìn)行反應(yīng)形成類黑精色素。15糖+氨基嵐舍物-T氮甲*嵐阿瑪塞

13、里分子排布阿瑪多卑童排產(chǎn)物H厝3"伏飯-奧蘇糖化舍物亞胺盛|化合物I亞胺筍I化會物還原閘類一化合物福色色 廉2.3抗壞血酸氧化分解抗壞血酸是食品中主要營養(yǎng)成分之一，因其兼具酸性及還原性，故極易氧化分解，可與游離氨基酸反應(yīng)，生成紅色素及黃色素。其氧化可有2種途徑：有氧及無氧分解，有氧反應(yīng)形成脫氫抗壞血酸，再脫水形成DKG（2,3-diketogulomicacid,2,3-二酮古洛糖酸）后，脫羧產(chǎn)生xylosone（酮木糖），最終產(chǎn)生還原酮，還原酮會參與美拉德反應(yīng)的中間及最終階段，此時抗 壞血酸主要是受食品中的溶氧及上部氣體的影響，分解反應(yīng)相當(dāng)迅速。無氧分解其主要產(chǎn)物為furfural

14、，當(dāng)氧氣完全消耗或低至某一濃度時便開始進(jìn)行無氧分解。食品在貯存過程中， 抗壞血酸含量的降低主要是因為進(jìn)行無氧分解所致。氨基酸首先以 R基團(tuán)而非a-氨基與維生素分子反應(yīng)，加速褐變。R基團(tuán)有氨基或芳香環(huán)的氨基酸與維生素 C反應(yīng)速度最快，惰性 R基團(tuán)的氨基酸與維生素C反應(yīng)極慢，半光氨酸對維生素C變化及色變有抑制作用。維生素C與氨基酸褐變的有色物的光吸收在340400nm區(qū)域，主要來自于維生素C分子部分，色氨酸的吲哚環(huán)有助色作用。維生素 C的氧化褐變也受體系酸堿度的影響，當(dāng)體系的pH為4.0時，維生素C氧化褐變速率最快，當(dāng)體系的pH為2.0時，維生素C氧化褐變反應(yīng)緩慢而不明顯。HiA)41M&

15、* H忡用籍HCHCHfCOHP 0H rO'-QM/MiG *->-*零.建徑圖2抗壞血釀的降解反應(yīng)圖2.4多元酚氧化縮合反應(yīng)多元酚屬于酚類化合物，化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)活潑，很易氧化成為quinone（苯醌），而苯醌是非常強(qiáng)烈的親電子基團(tuán)， 極易與親核基進(jìn)行許多不同的反應(yīng)。在食品中，多元酚可能與蛋白質(zhì)結(jié)合而使含量下降，或進(jìn)行多元酚本身氧化縮合反應(yīng)或與食品中其他化合物進(jìn)行共呈色作用， 食品中其他的成分也可能直接或間接地受到多元酚氧化的影響。3控制方法3.1盡量避免與金屬器具接觸由于金屬離子Li+1、Fe+3、Cu+2等能促進(jìn)非酶褐變，因此應(yīng)盡量避免果汁與金屬器具接觸，以降低非酶褐變的發(fā)生，但可以用不銹鋼器具來代替銅鐵等金屬器具。3.2硫處理由于羰基可與亞硫酸根生成加成產(chǎn)物，此加成產(chǎn)物與R-NH2反應(yīng)的生成物不能進(jìn)一步生成薛夫堿，因此可以用SO2和亞硫酸鹽來抑制美拉德反應(yīng)的發(fā)生。 雖然二氧化硫和亞硫酸鹽是 高效的褐變抑制劑，但對人體健康有害，近年來被限制使用。如今有研究者已找到了一些亞 硫酸鹽的替代品，如：硫氫化物 （谷胱甘肽等）、含硫氨基酸（半胱氨酸等）、各種絡(luò)合劑等， 但各類替代品只能替代亞硫酸鹽的一項或兩項功能，因此常需要配