酶促褐变及其应用，有效控制和防止酶促褐变

一、酶促褐变的定义

褐变作用可按其发生机制分为酶促褐变（生化褐变）及非酶褐变两大类。酶促褐变是在有氧的条件下，酚酶催化酚类物质形成醌及其聚合物的反应过程。

酶促褐变发生在水果、蔬菜等新鲜植物性食物中。水果和蔬菜在采摘后，组织中仍在进行活跃的代谢活动。在正常情况下，完整的果蔬组织中氧化还原反应是偶联进行的，但当发生机械性的损伤（如削皮、切开、压伤、虫咬、磨浆等）及处于异常的环境条件下（如受冻、受热等）时，便会影响氧化还原作用的平衡，发生氧化产物的积累，造成变色。这类变色作用非常迅速，并需要和氧接触和由酶所催化。

在大多数情况下，酶促褐变是一种不希望出现于食物中的变化，例如，香蕉、苹果、梨、茄子、马铃薯等都很容易在削皮切开后褐变，应尽可能避免。由于酚酶的作用，酶促褐变不仅有损于果蔬的感观品质，影响产品运销，还会导致风味和品质下降，特别是在热带鲜果中，其导致的直接经济损失达50%。但像茶叶、可可豆等食品，适当的褐变则是形成良好的风味与色泽所必需的。

二、食品中酶促褐变的机理

植物组织中含有酚类物质，在完整的细胞中作为呼吸传递物质，在酚—醌之间保持着动态平衡，当细胞组织破坏以后，氧就大量侵入，造成醌的形成和其还原反应之间的不平衡，于是发生了醌的积累，醌再进一步氧化聚合，就形成了褐色色素，称为黑色素或类黑精。

酚酶的系统名称是邻二酚：氧—氧化还原酶（EC 1.10.3.1）。它以Cu为辅基，须以氧为受氢体，为一种末端氧化酶。酚酶可以用一元酚或二元酚作为底物。有些人认为该酚酶是兼能作用于一元酚及二元酚的一种酶；但有的人则认为该酚酶是两种酚酶的复合体，一种是酚羟化酶，又称甲酚酶，另一种是多元酚氧化酶，又叫儿茶酚酶。酚酶的最适pH接近7，比较耐热，依来源不同，在100℃下钝化此酶需2～8 min。

现以马铃薯切开后的褐变为例来说明酚酶的作用（图8-8）。酚酶作用的底物是马铃薯中最丰富的酚类化合物酪氨酸。

图8-8　酶促褐变的机理

这也是动物皮肤、毛发中黑色素形成的机制。

在水果中，儿茶酚是分布非常广泛的酚类，在儿茶酚酶的作用下，较容易氧化成醌（图8-9）。

图8-9　儿茶酚转变成醌的过程

醌的形成是需要氧气和酶催化的，但醌一旦形成以后，进一步形成羟醌的反应则是非酶促的自动反应；羟醌进行聚合，依聚合程度增大而由红色变褐色，最后成褐黑色的黑色素物质。

水果蔬菜中的酚酶底物以邻二酚类及一元酚类最丰富。一般说来，酚酶对邻羟基酚型结构的作用快于一元酚；对位二酚也可被利用，但间位二酚则不能作为底物，甚至还对酚酶有抑制作用。但邻二酚的取代衍生物也不能为酚酶所催化，例如愈疮木酚及阿魏酸。绿原酸是许多水果特别是桃、苹果等褐变的关键物质。马铃薯褐变的主要底物是酪氨酸。在香蕉中，主要的褐变底物也是一种含氮的酚类衍生物，即3，4-二羟基苯乙胺。

氨基酸及类似的含氮化合物与邻二酚作用可产生颜色很深的复合物，其机理大概是酚先经酶促氧化成为相应的醌，然后醌和氨基发生非酶的缩合反应。白洋葱、大蒜、韭葱的加工中常有粉红色泽的物质形成，其原因就如上述。

可作为酚酶底物的还有其他一些结构比较复杂的酚类衍生物，例如，花青素、黄酮类、鞣质等，它们都具有邻二酚型或一元酚型的结构。

在红茶发酵时，新鲜茶叶中多酚氧化酶的活性增大，催化儿茶素形成茶黄素和茶红素等有色物质，它们是构成红茶色泽的主要成分。红茶加工是多酚氧化酶在食品加工中发生酶促褐变的有利应用。

三、食品中酶促褐变的控制

食品加工过程中发生的酶促褐变，少数是我们期望的，如红茶加工、可可加工、某些果干（葡萄干、梅干）的加工等。但是大多数酶促褐变会对食品特别是新鲜果蔬的色泽造成不良影响，必须加以控制。

酶促褐变的发生需要3个条件，即适当的酚类底物、酚氧化酶和氧，三者缺一不可。在控制酶促褐变的实践中，除去底物的途径可能性极小，曾经有人设想过使酚类底物改变结构，例如将邻二酚改变为其取代衍生物，但迄今未取得实用上的成功。因此，实践中控制酶促褐变的方法主要从控制酚酶和氧两方面入手，主要途径有：钝化酚酶的活性（热烫、抑制剂等）；改变酚酶作用的条件（pH、水分活度等）；隔绝氧气的接触；使用抗氧化剂（抗坏血酸、SO2等）。

常用的控制酶促褐变的方法主要有以下几种。

1.热处理法

在适当的温度和时间条件下加热新鲜果蔬，使酚酶及其他相关的酶都失活，是最广泛使用的控制酶促褐变的方法。加热处理的关键是在最短时间内达到钝化酶的要求，否则，过度加热会影响食品原有质量；相反，如果热处理不彻底，热烫虽破坏了细胞结构，但未钝化酶，反而会加强酶和底物的接触而促进褐变。像白洋葱、韭葱如果热烫不足，变粉红色的程度比未热烫的还要厉害。

虽然不同来源的多酚氧化酶对热的敏感程度不同，但研究发现在70～95℃加热7 s左右可使大部分多酚氧化酶失去活性。(www.xing528.com)

水煮和蒸汽处理仍是目前使用最广泛的热烫方法。微波能的应用为热力钝化酶活性提供了新的有力手段，可使组织内外一致迅速受热，对质地和风味的保持极为有利，是热处理法抑制酶促褐变的较理想方法。

2.调节pH

利用酸的作用控制酶促褐变也是广泛使用的方法，常用的酸有柠檬酸、苹果酸、磷酸以及抗坏血酸等。一般来说，它们的作用是降低pH以控制酚酶的活力，因为酚酶的最适pH在6～7，pH低于3.0时酚酶已无活性。

柠檬酸是使用最广泛的食用酸，对酚酶有降低pH和螯合酚酶的Cu辅基的作用，但作为褐变抑制剂来说，单独使用柠檬酸的效果不大，常需与抗坏血酸或亚硫酸联用。对于碱法去皮的水果，这类酸还有中和残碱的作用。

苹果酸是苹果汁中的主要有机酸，在苹果汁中对酚酶的抑制作用要比柠檬酸强得多。

抗坏血酸是更加有效的酚酶抑制剂，即使浓度极大也无异味，对金属无腐蚀作用，而且作为一种维生素，其营养价值也是尽人皆知的。有人认为抗坏血酸能使酚酶本身失活。抗坏血酸在果汁中的抗褐变作用还可能是作为抗坏血酸氧化酶的底物，在酶的催化下把溶解在果汁中的氧消耗掉了。据报道，在每千克水果制品中，加入660 mg抗坏血酸，即可有效控制褐变并减少苹果罐头顶隙中的含氧量。

3.二氧化硫及亚硫酸盐处理

二氧化硫及常用的亚硫酸盐如亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、连二亚硫酸钠即低亚硫酸钠等都是广泛使用于食品工业中的酚酶抑制剂，在蘑菇、马铃薯、桃、苹果等加工中已应用。

用直接燃烧硫黄的方法产生SO2气体处理水果蔬菜，SO2渗入组织较快，但应用亚硫酸盐溶液的优点是使用方便。不管采取什么形式，只有游离的SO2才能起作用。SO2及亚硫酸盐溶液在微偏酸性（pH为6左右）的条件下对酚酶抑制的效果最好。

在实验条件下，10mg/kg的SO2就几乎可完全抑制酚酶，但在实践中因有挥发损失和与其他物质（如醛类）反应等原因，实际使用量要大一些，常达300～600mg/kg。SO2对酶促褐变的控制机制现在尚无定论，有的学者认为是抑制了酶活性，有人则认为是由于SO2把醌还原为了酚，还有人认为是SO2和醌加合而防止了醌的聚合作用。很可能这3种机制都是存在的。

二氧化硫法的优点是使用方便、效力可靠、成本低、有利于维生素C的保存，残存的SO2可用抽真空、炊煮或使用H2O2等方法除去。缺点是使食品失去原有色泽而被漂白（花青素被破坏），腐蚀铁罐的内壁，有不愉快的嗅感与味感，残留浓度超过0.064%即可感觉出来，并且破坏维生素B1，还存在安全问题。

4.驱除或隔绝氧气

具体措施有：

①将去皮切开的水果蔬菜浸没在清水、糖水或盐水中。

②浸涂抗坏血酸液，使在表面上生成一层氧化态抗坏血酸隔离层。

③用真空渗入法把糖水或盐水渗入组织内部，驱出空气，果肉组织间隙中具有较多气体的苹果、梨等水果最适宜用此法。

一般在1.028×105Pa真空度下保持5～15 min，突然破除真空，即可将汤汁强行渗入组织内部，从而驱出细胞间隙中的气体。

氯化钠也有一定的防酶促褐变的效果，一般多与柠檬酸和抗坏血酸混合使用。单独使用时，浓度高达20%时才能抑制多酚氧化酶的活性。此外，采取真空或充氮包装等措施也可以有效防止或减缓多酚氧化酶引起的酶促褐变。

5.加酚酶底物的类似物

用酚酶底物的类似物如肉桂酸、对位香豆酸及阿魏酸等酚酸，可以有效地控制苹果汁的酶促褐变。在这3种同系物中，以肉桂酸的效率最高，溶解性好，售价也便宜。当其浓度大于0.5 mmol/L时即可有效控制处于大气中的苹果汁的褐变达7 h之久。由于这3种酸都是水果蔬菜中天然存在的芳香族有机酸，在安全上无多大问题。

6.底物改性

利用甲基转移酶，将邻二羟基化合物进行甲基化，生成甲基取代衍生物，可有效防止褐变。如以S-腺苷蛋氨酸为甲基供体，在甲基转移酶作用下，可将儿茶酚、咖啡酸、绿原酸分别甲基化为愈创木酚、阿魏酸和3-阿魏酰金鸡纳酸。