食品褐变机理与控制

qihang540

食品褐变机理与控制
Qihang540@126.com
※1 酶褐变
酶褐变是指多酚类物质在多酚氧化酶（ E.C1.14.18.1）的作用下氧化，而呈现褐色。
植物组织褐变与细胞内的还原水平和保护酶系统有关。在通常情况下，组织中有较高的还原势，正常的氧化还原代谢平衡使已经氧化的醌类物质通过还原氧化或转化而未聚和。保护酶系统包括两类物质：一是氧化酶系统,，主要有超氧化歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)等，它们可以清除自由基、活性氧，以防止其对细胞膜的攻击，防止膜脂过氧化；二是抗氧化酶系统，主要有谷胱甘肽还原酶(GSH)、抗坏血酸(ASA)、维生素E(VE)、类胡萝卜素(Car)、细胞色素f(Cytf)、氢醌和含硒化合物等,它们不但能清除自由基和活性氧，同时也可以作为抗氧化剂，对酚类物质的氧化起抑制作用。在逆境下，超氧化歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)三者作用失调，导致H2O2积累，从而引起褐变的发生。
1 反应条件
1.1 多酚类物质
酚类物质可以按酚羟基的数目分为一元酚(如苯酚、愈创木酚、酪氨酸等)、二元酚(如儿茶酚、多绿元酸、咖啡酸等)、三元酚(如焦性没食子酸等)及多元酚(如苯酚、愈创木酚、酪氨酸等)等；酚类物质的共同结构特点是都含有带羟基的苯环结构，其苯环可有1个到多个\"苯环上的羟基或其他修饰的数目和位置因种类而异。
一元酚和二元酚中取代基的位置是决定酚类化合物能否被多酚氧化酶作用的一个重要因素。多酚氧化酶只能催化在对位上有一个大于-CH2取代基的一元酚羟基化。它氧化对位取代的3，4-二羟基酚的速度高于2，3-二羟基苯甲酸。
一元酚反应式。

二元酚反应式。

1.2 多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)
植物组织中的多酚氧化酶因品种、部位不同其含量和活性有较大的差异，是一种含铜酶，它的活性与值有关，在不同的值点有不同的活力峰值，具有适宜的温度范围。
在正常发育的植物组织中，底物、氧气、同时存在并不发生褐变，这是因为在正常的组织细胞内由于多酚类物质分布在细胞的液胞内，而则分布在各种质体或细胞质内，这种区域性分布使底物与不能接触。
(1)茶酚氧化酶
儿茶酚氧化酶是一种含铜酶，可以催化两种完全不同的反应：催化一元酚的羟基化，生成相应的二元酚化合物；催化邻苯二酚氧化，生成二醌。儿茶酚氧化酶广泛分布于植物体各部位，在叶绿体、线粒体、过氧化物体和微粒体中都有发现，它很容易被检测到，是最早被研究的几个酶之一。植物体内的儿茶酚酶随植物的生长而不断变化，且受到生长条件的影响。
(2)漆酶
漆酶不仅可以催化对苯二酚或苯酚生成对苯醌或邻苯醌，而且还可以催化其他多种基质
的氧化，如抗坏血酸、对苯二胺等。
在苹果梨中的多酚氧化酶的最适pH值是4.6，最适温度是40℃；亚硫酸氢钠、维生素C、柠檬酸对苹果梨中多酚氧化酶的抑制作用依次减弱，硫酸钠几乎无抑制作用，不同底物和同底物不同浓度影响多酚氧化酶特性。
1.3 氧气
2 反应原理
反应过程为：邻苯二酚类物质（PPO+O2）→邻苯醌类化合物多巴(dopa-B-(3、4-dihydroxy-phenine)-alanine) （PPO+O2）→多巴醌(dopaquininone) （PPO+O2）→复杂聚合物—黑素(melanin)。
3 控制方法
3.1 加热钝化酶活性
多酚氧化酶对热不稳定，采用瞬时高温处理食品原料，使多酚氧化酶及其它的酶类全部失活，其关键是要在最短的时间内使酶钝化，达到控制酶促褐变的目的。一般来说在75～95℃、5～7S的加热处理，可使大部分酶活性丧失。加热温度过高，加热时间过长，可抑制酶褐变，但会影响食品品质；加热不足，不能抑制酶褐变。
3.2 驱氧
通过费水烫漂、抽真空（93kPa，5～15min）、高浓度抗坏血酸溶液浸泡、气调包装设计等均可达到驱除食品内氧气的目的，从而抑制酶褐变的发生。
控制氧气含量用抽空处理技术或添加去氧剂等方法：用2%食盐+0.2%柠檬酸+0.06%偏重亚硫酸钠溶液作抽空液，在500mmHg的真空度抽空5～10min,可取得良好的护色效果。
3.3 螯合酶促作用的金属离子
金属（铁、铜、锡、铝等）离子是多酚氧化酶的激活剂。Fe+3、Fe+2、Cu+2能促进褐变主要是因为铁和铜不仅能和酚类化合物反应形成褐色物质，而且能催化还原酮类的氧化。
柠檬酸对Cu2+有螯合作用。
EDTANa2是一种金属离子螯合剂，可阻止金属离子对褐变反应的促进作用，但其作用作用对象有关，有的效果则不明显。
3.4 调pH
PPO酶最适pH=6～7，随着pH的下降，多酚氧化酶的活性直线下降，特别是pH在3.0以下时，高酸性环境会使酶蛋白上的铜离子解离下来，导致PPO逐渐失活，酶活性趋于最低。加有机酸（柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸）调pH≤4～5可降低酶活性，减少偶联褐变。
3.5 酶活抑制剂
3.5.1 二氧化硫、亚硫酸盐
二氧化硫、亚硫酸盐等在酸性（pH=6）的条件下对PPO酶活性有抑制作用，兼有漂白、杀菌性能，可阻止黑色素的形成。亚硫酸盐可能有致癌用，可能会导致某些消费者呕吐、下痢、过敏克、急性哮喘、失神等不良反应，也会加速罐壁蚀，破坏维生素，产生不愉快的嗅感和恶臭味，食品中残留量如果超过0.01×10-5即可感知，因此在使用时必须注意用量\"我国有关食品法规规定残留量不得超过10mg/kg。
处理条件：游离SO2量为0.7mg/kg，但对人体有害，被限制使用。
3.5.2无机盐处理
使用一些简单的无机盐处理果蔬食品也可达到较好的抑制酶促褐变的效果。例如高浓度的钠盐溶液可使酶蛋白质发生“盐析”，从外渗到细胞质中与酶类接触降低褐变程度。钙而抑制了多酚氧化酶的活性。钠盐具有控制果品组织褐变的作用，其有效浓度范围为10～16g/kg，也可以添加钙离子，使钙离子与细胞壁上的果胶酸作用，形成果胶酸钙增加组织的硬度，从而阻止液泡中的组织外渗到细胞质中与酶类接触降低褐变程度。钙溶液浓度越大，对多酚类物质氧化的抑制作用越强，可抑制游离态（FPPO）多酚氧化酶的活性。抑制作用有两个解释，一是钙与氨基酸结合成为不溶性化合物，因此钙盐有协同SO2控制褐变的作用,二是Ca2+与PPO中的Cu2+的竞争。
常压6%CaCl2溶液浸泡15min。
减压6%CaCl2溶液浸泡2min。
3.5.3 KH-1
KH-1能鳌合铜离子，阻隔氧气吸附单宁，调节pH和水分，从而起到抑制PPO活性的目的。
3.5.4 抗坏血酸
抗坏血酸也可用于防止酶促褐变，它不但能降低体系pH，而且具有还原剂的作用，可将体系中的醌类及其衍生物还原成酚，并通过自身氧化来减少体系的含氧量。但是，如果体系内含氧量过高或添加的抗坏血酸过少，会使抗坏血酸完全氧化并与氨基酸反应导致非酶褐变。同时，抗坏血酸氧化产物中的二酮古罗糖酸是腐蚀促进剂，能加速马口铁溶锡，使内容物发苦。异抗坏血酸开始对霉菌有抑制作用，随着氧化分解，异抗坏血酸抑霉能力逐渐丧失，并且氧化产物成为各种霉菌良好的营养物质。
3.5.5 曲酸
曲酸的结构与酚类化合物相似，具有络和金属离子的作用，可以络合多酚氧化酶活性必需的铜离子；此外，曲酸具有去除氧自由基的作用，因而能够干扰多酚氧化酶对氧的吸收；最后，曲酸能将黑色素的底物醌类化合物还原为联醌而防止黑色素的形成。
3.5.6 植酸
植酸是从植物原料中提取的无毒的维生素B组的一种肌醇六磷酸酯，具有比较独特的分子结构，尤其是所含的六个磷酸基，具有很强的鳌合能力，能在很宽的pH范围内很稳定。它可以鳌合PPO中的铜辅基,并具有很强的抗氧化能力。可促进氧化作用的微量金属离子具有很强的螯合能力，而且金属离子一经被植酸络合，即使在阳光直射等不利条件下，也不能活化氧分子，使氧较难实现对双键的加成反应或形成氢过氧化物，因此植酸具有较强抗氧褐变特性。植酸的强抗氧化特性，能有效地抑制和抵御霉菌的繁殖侵入。
3.5.7 壳聚糖
壳聚糖可以抑制PAL、PPO、POD活性。
3.5.8 4-己基间苯二酚（4HR）
白色粉末，抗氧化色素稳定剂、护色剂，一般使用量5～50mg/kg，低于0.03%时无苦味，高于0.05%的水溶液有明显苦味，该种防酶褐变剂食品安全性高，是二氧化硫和亚硫酸盐的替代品。
3.5.9 其他
除抗坏血酸、曲酸和植酸外，其它亚硫酸盐替代品包括硫氢化物，如谷胱甘肽、含硫氨基酸，如半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸等各种络合剂，如聚磷酸盐、偏磷酸盐等，多酚氧化酶抑制剂等。
3.6 基质络合
改变多酚类物质的基质结构，可使之难于接受PPO酶的催化作用，抑制酶褐变。通过该法处理对食品的风味、色泽、组织状态等几乎无影响。
S-蛋氨酸可做甲基供体，将多酚类物质甲基化。
硼酸、铝化物、锌化物对多酚类物质都有较强的基质络合能力。
3.7基因工程反义RNA技术
反义RNA，封闭mRNA翻译出PPO的过程，使食品农作物不产生PPO。
3.8  去除多酚类物质
去除多酚类物质以防止非酶褐变的措施在实操作中并不适用。一方面是因为去除多酚类物质常用方法是活性炭吸附法，这种方法的缺点在于性炭的非专一性，即活性炭在吸附多酚类物质的时，还将吸附体系中的其它活性成分，从而影响产品的内在品质；一方面，不同用途的食品对多酚类物质的含要求不同，例如，用于清理肠胃!消除便泌的制就必须含有一定量多酚类物质，否则就没有上述效。
3.9 冷藏
酶催化反应速率在很大程度上受到温度的影响，降低温度可以降低该催化反应的反应速率，从而延缓褐变的产生。另一方面，在低温条件下，反应物动能降低，可以有效减缓组织细胞新陈代谢的速率，延迟组织代谢分解，延长事物的保鲜期。
3.10 加压
加压是一种非热处理，如苹果和胡萝卜经处理后，加压至800～900MPa 以上能完全抑制过氧化物酶和多酚氧化酶。结构分析结果证明，加压处理可以使酶分子发生聚合，导致酶的活性降低甚至丧失。
3.11 超滤
通过超滤将大分子的多酚氧化酶除去，留下低分子量的多酚类物质，从而达到抑制褐变的效果。
3.12 电场处理
食物经电场处理后，多酚氧化酶活性得到抑制。电场强度愈高，酶活性抑制的程度就愈高。
3.13 添加酶的底物类似物
所有的芳香类羧酸都是酶的竞争性抑制剂，肉桂酸系列比类似结构的苯甲酸系列对多酚氧化酶有较强的抑制作用。添加肉桂酸、对位香豆酸及阿魏酸等竞争性酚酸使酚酶不能再与其褐变底物结合或即使结合也不能起作用可使酶褐变得到控制。可溶性聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）也是多酚氧化酶的竞争性抑制剂，但这种抑制剂可被离子净化剂所恢复。环庚三烯酚酮也是一种底物类似物，可抑制多酚氧化酶的活性。
3.14酶法
蛋白酶对苹果和土豆来说是有效的褐变抑制剂，这可能是由于蛋白酶使催化酶促褐变的酶系失活所致。分解蛋白质的酶有很多，其中主要有三种植物蛋白酶：无花果蛋白酶（ficin）、木瓜蛋白酶（papain）和菠萝蛋白酶（bromelain）被证实抑制酶促褐变很有效，这三种植物蛋白酶都是具有广泛特异的巯基酶。
※2 非酶褐变
非酶褐变反应的机制一般可分成4种类型：焦糖化反应、美拉德反应、抗坏血酸氧化分解、多元酚氧化缩合反应。
非酶褐变诸历程有共同的中间产物，Hodge(1953)将已知诸历程的联系图解。

1 非酶褐变影响因素
一般而言，反应温度越高，时间越长，反应物浓度越高，则非酶褐变反应越严重，且反应速度也越快。并与食品贮存温度、时间、浓度和美拉德反应的反应速率呈正相关。
最大褐变反应的Aw随食品的种类不同而有差异。Aw增加，会稀释反应物浓度，降低化学反应速率；而Aw下降，也会因粘度增加而降低反应速率。
一般而言，酸碱值越高，非酶褐变反应越严重。
金属离子对褐变反应速率影响大小为Li>Na>K>=Cs，其中LiCl对褐变反应速率有促进作用，其他碱金属阳离子则有抑制褐变反应的效果。
1.1 多酚类物质
多酚类物质的存在是发生非酶褐变的重要因素之一，多酚类物质含量越高，非酶褐变越明显。
1.2 pH
Maillard反应在碱性时最强，随着酸度的增加，反应逐渐减弱。抗坏血酸的氧化褐变也受体系酸碱度的影响，当体系的pH值为4.0时，抗坏血酸氧化褐变速率最快；当体系的pH值为2.0时，抗坏血酸氧化褐变反应缓慢而不明显。至于多酚类物质的氧化褐变及其与金属离子的络合反应也与体系pH有关。因此，从理论可以推断，pH是影响非酶褐变的重要因素之一。
1.3  金属离子
不同金属离子对非酶褐变反应的影响不同，铁、铜、镁均具有促进芦荟制品非酶褐变反应的作用，其影响力由大到小的顺序为：Mg2+>Fe3+>Cu2+；但是Sn2+对非酶褐变反应具有一定的抑制作用，这可能与Sn2+具有还原能力有关。
1.4 包装
具有隔氧防紫外线功能的复合塑料瓶防止非酶褐变效果最好，其次是能阻挡阳光照射的不透明聚乙烯瓶，最后依次是玻璃瓶、透明聚乙烯瓶。由此也可证实，紫外线和氧气均具有促进非酶褐变的作用。
2 非酶褐变反应
2.1焦糖化反应
焦糖化反应是指糖类经直接加热所产生的脱水及热分解反应。反应条件：高温、碱性及高糖浓度。
在酸性条件下，由于加热作用使得糖分解形成furfural及HMF，它们与氨基化合物能继续反应，并参与美拉德反应后阶段的缩合反应形成类黑精色素，furfural及HMF含量高低与食品风味改变有显著的相关性，所以也可将其作为非酶褐变的指标。
2.2美拉德反应
Maillard反应是还原糖类与氨基化合物如游离氨基酸、肽和蛋白质上的氨基发生羰氨基反应，经过一系列重排、脱水、缩合及聚合反应生成黑褐色物质的过程。温度对Maillard反应速度影响显著，较高温度和较长时间的杀菌均可加速还原糖与自由氨基化合物间的反应。pH对Maillard反应影响显著，羰氨反应一般来说在pH6～7的条件下最易进行，当pH低于6.0时反应速度迅速降低，因此，降低pH能有效抑制非酶褐变。
美拉德反应是还原糖类与氨基化合物，如游离氨基酸、肽、蛋白质、胺等化合物，先进行反应形成糖胺，经过Amadori或Heyns转位形成Amadori(或Heyns)中间产物，此类化合物在不同pH值及温度条件下，以3种路径进行反应，在酸性下进行1,2-烯醇化反应，形成furural及HMF；在碱性条件下进行2,3-烯醇化反应形成还原酮及脱氢还原酮，其中后者会与氨基化合物反应形成strecker醛类，或继续裂解产生carbonyls及dicarbonyls化合物；高温下，Amadori(heyns)进行裂解产生carbonyls及dicarbonyls化合物，这些中间阶段产物会继续与氨基化合物进行反应形成类黑精色素。

2.3抗坏血酸氧化分解
抗坏血酸是食品中主要营养成分之一，因其兼具酸性及还原性，故极易氧化分解，可与游离氨基酸反应，生成红色素及黄色素。其氧化可有2种途径：有氧及无氧分解，有氧反应形成脱氢抗坏血酸，再脱水形成DKG(2,3-diketogulomicacid,2,3-二酮古洛糖酸)后，脱羧产生xylosone(酮木糖)，最终产生还原酮，还原酮会参与美拉德反应的中间及最终阶段，此时抗坏血酸主要是受食品中的溶氧及上部气体的影响，分解反应相当迅速。无氧分解其主要产物为furfural，当氧气完全消耗或低至某一浓度时便开始进行无氧分解。食品在贮存过程中，抗坏血酸含量的降低主要是因为进行无氧分解所致。
氨基酸首先以R基团而非α-氨基与维生素分子反应，加速褐变。R基团有氨基或芳香环的氨基酸与维生素C反应速度最快，惰性R基团的氨基酸与维生素C反应极慢，半光氨酸对维生素C变化及色变有抑制作用。维生素C与氨基酸褐变的有色物的光吸收在340~400nm区域，主要来自于维生素C分子部分，色氨酸的吲哚环有助色作用。抗坏血酸褐变程度与pH值有关，在pH<5.0时，氧化生成脱氢抗坏血酸速度较慢，并且反应是可逆的，但在pH2.0～3.0之间，褐变作用与pH值成反比，金属离子也可促进抗坏血酸氧化褐变。

2.4多元酚氧化缩合反应
多元酚属于酚类化合物，化学性质相当活泼，很易氧化成为quinone(苯醌)，而苯醌是非常强烈的亲电子基团，极易与亲核基进行许多不同的反应。在食品中，多元酚可能与蛋白质结合而使含量下降，或进行多元酚本身氧化缩合反应或与食品中其他化合物进行共呈色作用，食品中其他的成分也可能直接或间接地受到多元酚氧化的影响。
3 控制方法
3.1 尽量避免与金属器具接触
由于金属离子Li+1、Fe+3、Cu+2等能促进非酶褐变，因此应尽量避免果汁与金属器具接触，以降低非酶褐变的发生，但可以用不锈钢器具来代替铜铁等金属器具。
3.2 硫处理
由于羰基可与亚硫酸根生成加成产物，此加成产物与R-NH2反应的生成物不能进一步生成薛夫碱，因此可以用SO2和亚硫酸盐来抑制美拉德反应；此外，(亚硫酸根还能与中间产物的羰基结合形成加成化合物(这些加成化合物的褐变活性远低于氨基化合物和还原糖所形成的中间产物(实际等于使后面生成类黑精的反应难以发生。虽然二氧化硫和亚硫酸盐是高效的褐变抑制剂，但对人体健康有害，近年来被限制使用。如今有研究者已找到了一些亚硫酸盐的替代品，如：硫氢化物(谷胱甘肽等)、含硫氨基酸(半胱氨酸等)、各种络合剂等，但各类替代品只能替代亚硫酸盐的一项或两项功能，因此常需要配合使用。
3.3 去除氨基酸
由于氨基酸能促进HMF生成，加快焦糖化反应和美拉德反应，若将氨基酸除去，会明显地降低非酶褐变反应速率。但从营养角度来考虑，去除氨基酸会降低营养价值,并且去除氨基酸过程中可能会破坏其它营养成分，因此去除氨基酸是有一定局限性的。
3.4降低加工或贮藏温度
非酶褐变受温度的影响较大，温度相差10℃，褐变速度可相差3～5倍，如美拉德反应一般在30℃以上发生较快，而在10℃以下存放则能防止褐变。随着贮存温度不断降低，非酶褐变速率不断下降，但下降到某一程度，即使温度再降低，其非酶褐变速率变化不大，另外随着贮藏温度的不断降低，生产成本也在不断增加，因此可以通过实验找出贮藏浓缩汁的最佳温度，既减轻非酶褐变的发生又降低生产成本。
3.5 调pH
在pH>3.0时，非酶褐变反应速度随pH的升高而加快，抗坏血酸亦在pH=3.0左右时较为稳定，接近碱性时则不稳定，易褐变，所以降低果汁的pH是控制褐变的方法之一。低pH有利控制非酶褐变反应，可延长产品货架期，但是，虑到产品的口感和可接受性，调pH时应考虑其综合因素。
3.6选择合适的包装材料
高质量包装材料有助于防止阳光或紫外线、氧气等因素对产品的影响，对芦荟制品，特别是芦荟液态制品而言，应选用具有隔氧、防紫外线功能的包装材料。
部分图解在附件里面，费了一周才写出来的，比较使用，请各位指教！

lqm2000

很好，谢谢分享