鮮切荸薺變色機理及控制方法研究進展

滕永欣,孔夢潔,陳 旋,胡婉峰,徐曉云,潘思軼

(華中農業大學食品科學技術學院/環境食品學教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

荸薺(Eleochairistuberosa)也稱馬蹄、菩薺、烏芋、水栗等[1],是我國湖北、廣西、江浙等地區的特產水生蔬菜[2]。鮮切荸薺本身作為蔬菜具有新鮮蔬菜的特點,而且其質脆、甘甜、可生食等品質,使得鮮切荸薺具有類似果品的食用特點,這些優良的特征,使得該產品有廣闊的發展前景[3]。荸薺經鮮切處理后,受到嚴重的機械損傷,由于其自身抗逆生理反應,其呼吸代謝速度更快,酶活性更高而集中表現為鮮切荸薺產品在貨架期間發生變色,品質大大下降,同時由于荸薺生長具有季節性和地域性,嚴重影響了鮮切荸薺產業的發展。因此在運輸和貯藏期間,如何有效地控制鮮切荸薺變色并達到保鮮效果,成為困擾鮮切荸薺產業快速發展的瓶頸以及科研人員的研究熱點。目前,鮮切荸薺的變色控制方法以各類保鮮劑浸泡涂抹法為主流[4],如抗壞血酸[3]、雙氧水[5]、乙醇[6]等抗氧化抑制酶活的保鮮劑,也有熱處理、氣調處理、涂膜處理等其他方法,其中保鮮劑的使用效果較顯著。本文就鮮切荸薺的變色原理及控制方法的研究現狀作一綜述。

1 鮮切荸薺變色機理

1.1 變色相關底物

鮮切果蔬的變色現象主要分為以下幾類:褐變、黃化、白變以及脫綠等[7],研究表明鮮切荸薺的變色以褐變與黃化為主,兩者的關系為,鮮切荸薺通過苯丙烷途徑等首先發生黃化生成黃酮多酚類物質,為褐變提供底物。酶促褐變的重要底物是多酚類化合物,如蘋果褐變的主要底物為綠原酸、兒茶素、表兒茶素和根皮苷等[8],南果梨褐變的主要底物為綠原酸等[9]。在劉洪麗等[10]研究中,采用HPLC方法分離測定出鮮切荸薺在貯藏期間內的多酚類化合物種類及其含量變化,檢測出的多酚類化合物包括兒茶素、沒食子酸、對羥基苯甲酸、綠原酸、蘆丁,且對照組中對羥基苯甲酸、蘆丁、沒食子酸、綠原酸的含量隨著鮮切荸薺貯藏時間延長顯著降低,說明蘆丁、綠原酸、對羥基苯甲酸、沒食子酸可能為鮮切荸薺發生變色的相關底物。

有學者在研究過程中認為鮮切荸薺的變色是以黃化現象為主,而非多酚類物質的酶促褐變。潘永貴等[11]通過掃描發現鮮切荸薺中黃色物質的甲醇提取液，于200～400 nm范圍內表現出三個較為明顯的吸收峰,吸收峰波長與多數黃酮類物質的吸收峰波長相吻合,由此推測出鮮切荸薺變色相關底物主要為黃酮類物質。李長樂等[12]研究表明,隨著貯藏時間延長,鮮切荸薺表面黃化速度大大加快,與此現象相對應,鮮切荸薺表面黃酮類物質含量快速上升。而隨著貯藏末期鮮切荸薺表面出現變色,黃酮類物質呈現輕微下降趨勢。在進一步的深入研究中,潘永貴等[13-14]研究發現鮮切荸薺表面的黃化物質主要為柚皮素、圣草酚等黃酮類物質。

1.2 變色相關酶及其作用機理

1.2.1 黃化物質合成 苯丙氨酸解氨酶(PAL),在植物體中主要有參與植物抗病、抗蟲害、抗逆境等抗性發揮的作用,鮮切荸薺在機械切割受到損傷后自身誘導產生植保素,促使PAL活性增大[15]。根據潘永貴等[11,16]對鮮切荸薺黃化物質分離鑒定表明,鮮切荸薺表層黃化組織的主要成分是柚皮素和圣草酚。該兩種物質能轉化產生槲皮素、楊梅黃酮、芹菜素、木犀草素等物質,均為泛黃物質。黃酮類化合物主要通過次生代謝途徑生成,其中PAL是次生代謝途徑中苯丙烷代謝途徑的主要相關酶,連接苯丙烷類代謝和初級代謝,催化苯丙氨酸生成肉桂酸,進而生成黃酮類物質等次生代謝產物[17]。查爾酮異構酶(CHI)是植物體合成黃酮類物質的關鍵酶之一,是柚皮素和圣草酚直接相關酶。CHI是位于類黃酮代謝途徑第二個限速酶,在植物體內合成查爾酮后,通過CHI的催化,可以進一步轉化生成二氫黃酮類化合物,如柚皮素[13]。類黃酮3′-羥化酶(F3′H)作為生成類黃酮類化合物的核心關鍵酶,位于黃酮生物合成途徑重要的分支上,F3′H酶可催化柚皮素進一步發生反應生成圣草酚[14]。圖1為鮮切荸薺參與黃化的代謝途徑分析。

圖1 鮮切荸薺參與黃化的代謝途徑[13]Fig.1 Fresh-cut Chinese water chestnut involved in yellow metabolic pathway

1.2.2 酶促褐變 酶促褐變是多酚氧化酶(PPO)在氧存在下催化多酚類物質氧化生成醌類物質,醌類物質進一步發生聚合反應,生成褐色色素,從外觀上體現為鮮切表面褐變[18]。PPO與總多酚類化合物是引起褐變的主要原因。根據劉洪麗等[10]研究,采用HPLC方法分離鑒定出鮮切荸薺在貯藏過程中的多酚種類及含量變化,從底物角度探究變色機理。檢測出的PPO酚類底物包括沒食子酸、兒茶素、對羥基苯甲酸、綠原酸、蘆丁,且對照組中對羥基苯甲酸、蘆丁、綠原酸、沒食子酸的含量隨著鮮切荸薺貯藏時間延長顯著降低,說明PPO催化了這些多酚類化合物的氧化,導致褐變。許多研究發現過氧化物酶(POD)也參與多酚類化合物的氧化以及褐色色素的形成,在彭麗桃等[5]研究中,在鮮切荸薺貯藏期內過氧化物酶活性變化劇烈,也是導致鮮切荸薺褐變相關酶之一。

1.3 微生物代謝加速變色

微生物代謝加速變色,潘永貴等[11]研究從鮮切荸薺中分離得到五種微生物,研究表明地霉屬真菌、葡萄球菌屬以及鏈球菌屬細菌會導致鮮切荸薺黃化進程加速,實驗中鮮切荸薺無菌處理組依舊發生黃化,這表明鮮切荸薺黃化的決定性因素并不是微生物的生長,但其在一定程度上加快了組織黃化的發生。潘永貴推測主要是微生物生長代謝某些產物刺激了荸薺次生代謝途徑,從而導致黃化物質的加速生成。胡麗云[19]研究不同種類微生物對荔枝渣中多酚類物質轉化能力的強弱,結果顯示雅致放射毛霉能使荔枝渣中的結合酚下降 11.2%,枯草芽孢桿菌枯草亞可降解 8.46%的結合酚,由此說明微生物能夠影響果蔬酚類物質的含量變化,從而影響變色。目前,微生物與鮮切荸薺變色的相關研究較少,其詳細機理有待進一步研究探討。

2 鮮切荸薺變色控制方法

目前,鮮切荸薺的變色控制方法以各類保鮮劑浸泡涂抹法為主,主要有雙氧水、乙醇、抗壞血酸等抗氧化抑制酶活的保鮮劑;也有熱處理、氣調處理、涂膜處理等其他方法。以下從化學控制方法和物理控制方法兩個方面出發,探討現有的各種鮮切荸薺變色控制方法以及其取得的效果。

2.1 化學控制方法

2.1.1 保鮮劑保鮮技術 保鮮劑浸泡涂抹處理作為果蔬保鮮中的常用手段,主要從抑制變色相關酶活和底物保護兩個角度出發進行保鮮劑的選擇。

其中保鮮劑涉及變色相關酶活的研究例如:彭麗桃等[5]采用雙氧水作為保鮮劑,研究其變色抑制效果,對新采的荸薺鮮切后,用不同濃度的H2O2浸泡處理后儲存于4 ℃,監測酚類物質代謝相關酶活性以及多酚類物質含量變化,研究結果表明H2O2處理可抑制荸薺表面變色,降低PPO,POD和PAL活性,且抑制效果隨H2O2的濃度增加而增強。姜悅等[6]研究不同濃度的乙醇浸泡處理對鮮切荸薺變色及其相關酶活的影響狀況,研究結果發現:在貯藏期間,不同濃度乙醇處理均不同程度地抑制了鮮切荸薺表面色度L*值的下降速度以及b*值和c*值的上升速度,與這一實驗結果相對應的,鮮切荸薺組織內柚皮素和圣草酚含量的增加均隨乙醇濃度增大而減緩。同時,鮮切荸薺內查爾酮異構酶、PAL和類黃酮3′-羥化酶的酶活性變化趨勢均隨乙醇濃度增加而逐漸減緩?？傊?用不同濃度乙醇對控制鮮切荸薺組織黃化均有一定效果。其中,低濃度乙醇處理在短期內作用效果顯著(p<0.05),而高濃度乙醇作用維持時間較長且效果顯著(p<0.05)。蔣躍明等[20]研究檸檬酸對鮮切荸薺PPO酶活性的影響,低濃度檸檬酸刺激PPO酶活性,但在0.1 mol/L或更高濃度時明顯抑制活性。在體外抑制PPO活性的基礎上,將鮮切荸薺浸入0.1 moL/L檸檬酸的溶液中,放入托盤中塑料薄膜,然后在4 ℃保存,評估表面色度變化等指標,結果表明用0.1 mol/L檸檬酸處理顯著延長了保質期,抑制了鮮切荸薺變色和病變。劉洪麗等[10]對比不同保鮮劑的保鮮效果,分別用100 mg/L亞硫酸鈉,1% ascorbic acid(VC)和30%乙醇浸泡處理鮮切荸薺。研究結果表明,經過30%濃度乙醇處理后,鮮切荸薺的呼吸強度、褐變程度、與酶促褐變相關的PAL酶活性的變化趨勢均受到在一定程度的抑制,并且酶促褐變底物多酚類物質的濃度有所降低,效果顯著于另外兩組,說明乙醇是鮮切荸薺的一種良好保鮮劑。

以上研究均是從抑制變色相關酶活性的角度出發,其中彭麗桃采用的雙氧水和蔣躍明采用的檸檬酸能有效抑制酶促褐變的多酚氧化酶活性,而后兩者使用的乙醇則是能有效抑制合成黃化途徑中的相關酶活性,從而達到減緩變色的效果。以下學者的研究中所使用的保鮮劑同樣存在抑制變色的效果,而這些抑制劑主要從氧化還原[21]或相似物質競爭性[22]對底物保護的角度出發。例如:童剛平等[18]采用正交試驗的方法,優選抑制鮮切荸薺變色的最佳抑制劑的組合,對鮮切荸薺變色抑制劑組合進行了篩選,實驗結果顯示,0.2%異抗壞血酸+0.05% N-甲酰-L-半胱氨酸+1.0% 檸檬酸是抑制變色的最佳抑制劑組合,與對照組(蒸餾水)相比,該組合有較為明顯的抑制效果。陸勝民等[23]同樣選擇了多種不同變色抑制劑,測試不同抑制劑處理后鮮切荸薺的各項指標,實驗結果顯示0.3 mmol/L的4-己基間苯二酚變色抑制效果最好,其次是3.0 mmol/L的 N-乙?；?L-半胱氨酸。黃雪松等[3]以減緩鮮切荸薺變色并延長其貨架期為目的,采用L9(34)正交表篩選不同抑制劑,比較葡萄糖酸內酯、檸檬酸和乳酸等食用酸對褐變的影響,研究結果表明:VC是較好的護色劑,葡萄糖酸內酯兼具抑制褐變護色和改善產品風味的作用,鮮切荸薺在2～4 ℃冰箱中可以存放10 d以上。王媛[24]采用相同的方法,對L-半胱氨酸、檸檬酸、VC等進行了篩選,最終研制出最優護色劑0.2% L-cys+0.6% CA+0.6% VC,該處理下的鮮切荸薺可在4 ℃保存12 d。鄧靖等[25]發現與堿式次氯酸鎂共同存放,對鮮切荸薺有良好的護色效果。對于鮮切荸薺的變色控制,綜合采用這些處理手段,可以有效延遲鮮切荸薺變色,并使其具有較長的貨架期。

2.1.2 乙醛熏蒸 乙醛是一種天然的植物代謝次生物,國外許多研究表明通過外源乙醛的處理能夠對果蔬的品質保持有顯著的影響[26-28]。鄧麗莉等[29]以采摘后的荸薺為處理對象,用不同體積分數的乙醛熏蒸處理4 h,然后將處理完畢的荸薺于陰涼干燥通風處放置2 d后鮮切處理,研究結果表明:不同濃度的乙醛熏蒸處理,均能有效延緩鮮切荸薺貯藏期間褐變的發生和色澤的改變,其中0.1%和0.5%濃度的乙醛抑制果實褐變的效果較為明顯。有不少學者將乙醛熏蒸技術應用于其他果蔬進行研究,如朱萍等[30]研究發現鮮切菠蘿采用2.5 mL/kg、30%的乙醛熏蒸5 h,其色澤保持鮮黃有光澤,而未處理組的色澤為淺黃褐色至黃褐色無光澤,經熏蒸后,各項品質明顯優于未經乙醛熏蒸的菠蘿;曾凱芳等[31]研究發現采摘后的草莓果實立即用0.5%的乙醛蒸汽熏蒸1 h，可以增進草莓著色與鮮紅保持。結合國內外的研究結果發現,乙醛熏蒸對鮮切荸薺的護色有顯著效果,同時乙醛作為天然植物次生代謝物,更容易為消費者所接受,具有良好的發展前景。

2.2 物理控制方法

2.2.1 熱處理 熱處理是一種操作便捷、綠色環保的處理方法。彭麗桃等[32]研究鮮切荸薺褐變受到熱處理的抑制情況,將鮮切荸薺浸泡于沸水中30 s,于4 ℃冷藏冰箱中貯存12 d。研究結果表明,沸水熱處理對褐變相關的PPO、PAL、POD酶活性的變化有明顯抑制效果,存在一定抑制鮮切荸薺褐變的作用。田維娜等[33]采取中心復合旋轉試驗設計的研究方法,研究不同溫度的熱處理以及不同時間的熱處理的鮮切荸薺褐變程度的變化情況,探究結果顯示,熱處理溫度以及熱處理時間和不同貯藏時期的交互作用對鮮切荸薺在貯藏期間褐變程度的變化抑制顯著。在熱處理時間為20～22 min,熱處理溫度為52～55 ℃的最優處理條件下,鮮切荸薺可在4 ℃貯藏3 d不發生變色。宋慕波等[34]研究100 ℃熱處理1 min與55 ℃熱處理5 min兩種熱處理對鮮切荸薺褐變的抑制效果,結果表明前者處理效果更佳。較高溫度的熱處理能夠迅速鈍化鮮切荸薺變色的相關酶,從而有效地抑制其變色,但由于溫度升高會引發荸薺品質變化。因此,在如何平衡熱加工鈍化酶活性和鮮切荸薺品質變化是主要的研究問題。

2.2.2 氣調處理 氣調處理是一種物理處理手段,讓鮮切荸薺處于純氮的環境中隔絕氧氣[35],使得酚類底物無法被氧化,例如:尤艷麗等[36]以純氮空間放置為處理手段,研究了純N2處理對鮮切荸薺褐變抑制及品質保持的效果,將鮮切荸薺置于純氮氣空間不同時長后,在4 ℃冷藏冰箱中貯存。在鮮切荸薺貯藏期內,觀測其表面色度的變化,實驗結果表明,在純氮氣空間中處理2 h的樣品組表面褐變顯著減少,保持了風味等品質。許多研究表明氣調處理可以有效地抑制果蔬變色,如朱銳等[37]研究鮮切茭白氣調包裝氣體,結果發現冷藏至第6 d時，CO2氣調包裝鮮切茭白的褐變度顯著低于真空包裝;周翠英等[38]研究了氣調包裝對翠冠梨保鮮的影響,結果表明,7.0% O2和0.5% CO2的氣體組成能使翠冠梨貯藏120 d,貯藏效果表明,氣調包裝能減少翠冠梨的褐變,延長貯藏期;范雨航等[39]研究氣調處理對檸檬貯藏品質的影響,結果發現O2、CO2濃度為5%～7%、6%～9%時品質保鮮效果最佳。針對不同的果蔬,所適用的氣體比例與處理方式均有所不同,目前鮮切荸薺的有效氣調處理研究報道較少,純氮氣空間氣調處理對其變色控制有一定效果。

2.2.3 涂膜處理 涂膜處理技術是一種鮮切果蔬保鮮方法,該方法選取純天然、無毒害原料,如大分子多糖蛋白類、脂類物質等作為被膜劑,采用浸泡、涂抹、噴灑等方法涂于鮮切果蔬表面,形成一層透明的薄被膜[40]。這層被膜對鮮切果蔬起到隔離保護作用,可抑制水分蒸發和氣體交換,同時存在一定抑菌功效。例如:彭勇等[41]采用涂膜處理技術,將海藻酸鈉和殼聚糖兩種被膜劑,涂抹于鮮切荸薺表面,形成薄被膜。在貯藏期內,對鮮切荸薺進行各項生理指標的測定,實驗結果顯示,兩種涂膜處理均起到抑制鮮切荸薺褐變的效果,延緩了類黃酮物質含量的增加,對比兩者效果,海藻酸鈉涂膜處理在抑制鮮切荸薺褐變的效果上略差與殼聚糖。彭麗桃等[42]采用不同濃度的殼聚糖涂膜處理,同樣在貯藏期間檢測各項褐變相關指標,檢測結果表明,殼聚糖涂膜處理對鮮切荸薺的POD、PAL、PPO酶活性有明顯抑制作用,能夠延緩切片的褐變,保持其食用品質,殼聚糖涂膜的濃度在0.5%～2%范圍內,其對鮮切荸薺的褐變抑制效果隨濃度的增加而增強。

3 結論與展望

與傳統果蔬制品相比,鮮切荸薺食用更加便捷、營養可口,即可作為果品生食,亦可與其他食物加工烹飪熟食,因此作為水生蔬菜的鮮切荸薺具有廣闊的發展前景。而鮮切荸薺在貯運過程中易發生變色而引起其食用品質下降的問題，極大程度地制約了鮮切荸薺的發展。根據現有的研究結果可以總結出,鮮切荸薺變色的主要成因是自身通過苯丙烷途徑等合成黃化物質、多酚類化合物酶促褐變以及某些微生物可能加速變色。

目前,鮮切荸薺的主要變色控制方法集中于使用保鮮劑浸泡涂抹,所使用的保鮮劑主要有抑制變色相關酶PPO、POD、PAL等酶活性的雙氧水、乙醇、檸檬酸等。針對保鮮劑的選擇,應從變色相關底物的保護以及抑制變色相關酶活兩個角度出發尋找,同時考慮兩者,致力研究出高效、安全、綠色的保鮮劑。其他領域的控制方法有熱加工、氣調處理、涂膜處理、乙醛熏蒸等,但這方面的研究較少。氣調處理、熱處理加工等其他控制方法具有操作便捷、成本低廉、綠色環保等特點,其應用的前景相當可觀。但這些方法同樣也存在其弊端,如熱處理溫度過高會影響果實品質,過低則無法達到抑制效果等,因此對于以上方法有必要進行深入的研究和大量的試驗來支撐其抑制鮮切荸薺變色的效果以及闡明作用機理。