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上篇

采后酶促褐變

研究進展

荔枝、龍眼采后酶促褐變反應化學機理研究進展

孫健1,2，李麗1,2，游向榮1,2，李昌寶1,2，李志春1,2，何雪梅1,2

(1廣西農業科學院農產品加工研究所，廣西南寧530007；

2廣西作物遺傳改良重點開放實驗室，廣西南寧530007)

摘要：

荔枝、龍眼采后果皮極易褐變，主要是果皮細胞中多酚氧化酶(PPO)與酚類底物的酶促反應所致。文章系統綜述了荔枝與龍眼果實采后PPO酶促褐變機理、褐變底物種類確定與化學結構鑒定、外界條件對酚類底物性質的影響及貯藏期間底物含量變化規律等方面的研究進展，發現除花色素苷類物質外，有關荔枝、龍眼果皮中其他酚類褐變底物理化性質的研究鮮見報道。今后需進一步研究探討有關酶促褐變底物種類及其化學結構鑒定、外界環境因素如何影響PPO底物性質和酶活性變化、外界環境因素與不同品種褐變過程差異的關系、貯運期間PPO底物含量的變化規律等，為控制荔枝、龍眼果實采后貯運過程中果皮酶促褐變提供理論依據。

關鍵詞：荔枝；龍眼；多酚氧化酶；酚類底物；酶促褐變機理

Chemicalmechanismadvancesofenzymaticbrowningreaction

inpostharvestlycheeandlonganfruits

SUNJian1,2，LILi1,2，YOUXiangrong1,2，LIChangbao1,2，

LIZhichun1,2，HEXuemei1,2

(1InstituteofAgro-foodScience&Technology，GuangxiAcademyofAgriculturalSciences，Nanning

530007，China；2GuangxiCropGeneticImprovementandBiotechnologyLab，Nanning530007，China)

Abstract:

Thepericarptissuesoflychee(LitchichinensisSonn)andlongan(DimocarpuslonganLour)turnsbrowneasilyimmediatelyafterharvesting,whichgreatlyaffectsthestorageandcommercialvaluesoftwofruitsThepostharvestbrowningoflycheeandlonganfruitswasmainlyduetotheenzyme-catalyzedoxidationofpolyphenoloxidase(PPO)andphenolicsubstratesinpericarpcellsBasingoffofrecentrelevantresearches,thispapercomprehensivelyreviewedtheenzymaticbrowningmechanism,composition,andchemicalstructureidentificationofenzymaticbrowningsubstrates，effectsofstorage，andtransportationconditions，onsubstratepropertiesandchangesinsubstratecontentsduringstorageItwasdiscoveredthatexceptforanthocyanin，thepropertiesofotherphenolsbrowningsubstratesinpericarpoflycheeandlonganwereseldomreported；hence，thetypesandchemicalstructureidentificationofenzymaticbrowningsubstrates，effectsofenvironmentalfactorsonchangesinPPOsubstratesandenzymeactivity，relationshipbetweenenvironmentalfactors，differencesinbrowningprocessindifferentvarieties，andchangesinPPOsubstratescontentduringstorageandtransportationstillneedtobefurtherstudiedinordertoprovidebasesforcontrollingpericarpenzymaticbrowningduringstorageandtransportationofpostharvestlycheeandlongan

Keywords:lychee;longan;polyphenoloxidase;phenolicsubstrates;enzymaticbrowningmechanism

0引言

荔枝(LitchichinensisSonn)和龍眼(DimocarpuslonganLour)都屬無患子科非呼吸躍變型水果，原產于我國南方，現種植于亞洲熱帶、亞熱帶地區及南非、澳大利亞、美國等地(Wall，2006)。我國是荔枝、龍眼主要產區，據國家農業部統計，2011年我國荔枝、龍眼種植面積分別為553萬hm2和46萬hm2，產量分別為170萬t和94萬t，約占世界總產量的705%和597%。這兩種水果果肉透明、甘甜、多汁，且具有一定保健功能，因而深受消費者青睞(Wu等，2007)。荔枝、龍眼一般在盛夏高溫季節成熟，采收后果實生理代謝旺盛，極易發生果皮褐變而嚴重影響產品的貯運和商品價值。引起荔枝、龍眼采后果皮褐變的原因很多且復雜，其中以多酚氧化酶(PPO)催化氧化酚類底物導致果皮酶促褐變為主(Sun等，2011a)。本文系統綜述了荔枝與龍眼果實采后PPO酶促褐變機理、褐變底物的種類確定與化學結構鑒定、外界條件對底物性質的影響及貯藏期間底物含量變化規律等方面的研究進展，以期為控制荔枝、龍眼果實采后貯運過程中果皮酶促褐變提供理論依據。

1采后荔枝、龍眼果實PPO酶促褐變機理

荔枝、龍眼果實在盛夏高溫季節采收，采后果皮在常溫下很快發生褐變，其商品質量嚴重下降。荔枝、龍眼果實采后褐變的原因非常復雜，例如果皮失水、膜脂過氧化、病原菌侵染、乙烯產生等因素在果皮褐變過程中均起重要作用(許曉春等，2004；Huang等，2005；常世敏和李海芹，2005；郭紅輝等，2005)。一般認為，荔枝采后果皮褐變主要是組織中酚類物質酶促氧化和花色素苷降解所致(Jiang等，2004；胡位榮等，2005；肖茜等，2011)，此外還與組織中酚類物質及部分類黃酮的酶促氧化有關(許秀淡等，1999；Duan等，2007；Sun等，2011b)。

PPO底物的酶促氧化可使采后荔枝、龍眼果皮很快褐變。關于荔枝、龍眼采后酶促褐變的機理，國內外已有許多研究報道。Akamine(1960)認為荔枝果皮失水能誘導PPO活性，使其催化多酚類物質而生成深色的醌類物質。Li和Yan(1963)研究證實了荔枝果皮內存在PPO，并推測其可能與荔枝果皮的褐變有關。此后，人們對荔枝果皮PPO做了大量研究。譚興杰和周永成(1987)對荔枝果皮PPO進行部分純化，并分離出PPO的天然底物，兩相作用生成褐色產物，直接說明了PPO能氧化酚類物質導致荔枝采后果皮褐變。龍眼果皮的PPO同樣能催化氧化酚類物質形成褐色副產物，進而導致龍眼果實采后褐變。蘇玉潤和楊炳德(1996)報道，果實失水可激活龍眼PPO，加速果皮褐變進程。吳振先等(1999)研究發現，低溫貯藏期間，龍眼PPO活性呈先降低后升高、達到活性高峰后又迅速下降，果皮最終發生褐變，真實反映了龍眼PPO與底物逐漸發生反應而被消耗的過程。也有研究證實，利用SO2抑制PPO活性可減少采后龍眼果皮褐變。可見，果皮褐變與PPO及其底物的酶促反應緊密相關。

PPO、底物和氧是PPO酶促褐變的3個必備條件。通常情況下，發育正常的果實即使同時具備這3個條件，也不一定發生褐變，這與酶、底物(酚類物質)在植物細胞內通過一系列膜系統實現區域化分布、以致底物與酶不能接觸有關。果實采后衰老與不良環境條件能引起膜系統破壞，進而打破這種區域化分布，促使酶和底物相互接觸而引起果實組織褐變。荔枝、龍眼果實采收前，果皮細胞中褐變底物與酶呈區域化分布，酚類褐變底物一般存在于液泡當中，PPO則大多分布在細胞質中；采后貯藏期間，果皮細胞迅速衰老，細胞中的液泡和質體逐漸解體，膜脂質過氧化的增加導致膜流動性降低，透性逐漸增大，使酶和褐變底物的區域化分布喪失，酶與底物接觸，在有氧條件下發生酶促反應而將底物催化氧化為醌，后者再通過自身聚合或與其他含-NH2或-SH的化合物聚合濃縮生成褐色產物，引起果皮褐變(蔣躍明，1991)。

2酚類褐變底物鑒定

植物體內酚類物質含量豐富，主要是由碳水化合物代謝衍生而來，除類黃酮外，多數酚類物質的生物合成均來自共同的前體物——苯丙氨酸，其他部分則由乙酰-CoA經聚酮酐途徑產生(孫蕾等，2002)。果蔬細胞中根據碳骨架不同，酚類物質可分為簡單酚類(氫醌、熊果苷)、苯基羧酸(原兒茶酸、沒食子酸、莽草酸)、苯丙烷衍生物(肉桂酸、木質素、綠原酸)、黃烷衍生物(黃烷酮、黃酮、花色素)等4種(石碧和狄瑩，2002)。目前，已有較多關于酚類物質作為PPO酶促褐變反應底物的研究報道。Yokotsuka等(1991)研究發現，從6個葡萄品種中提取的PPO對( )-兒茶素、(-)-表兒茶素等具有活性，葡萄中除這兩個化合物外，還含有沒食子酸，都是PPO的主要底物；蔣躍明等(1992a，1992b)分析確定了檳榔和椰子的褐變底物主要是綠原酸和多巴胺，其中多巴胺還是香蕉果皮和魔芋褐變的主要底物(Greiffiths，1959；張盛林等，2007)；畢利軍(2000)在研究南果梨褐變時發現PPO的最適底物是綠原酸，與吳耕西等(1992)研究鴨梨褐變的結論一致；王清章等(2004)發現蓮藕中PPO的最適底物為沒食子酸，而郁志芳等(2002)認為兒茶酚是鮮切蓮藕的主要褐變底物；宗亦臣(2004)認為沒食子酸是冬棗果實中PPO的最適底物；乜蘭春等(2004)以5個蘋果品種為試材，研究發現綠原酸、( )-兒茶素和(-)-表兒茶素為PPO的底物，且3個化合物在不同品種中的含量各不相同，這與Rocha和Morais(2001)的研究結論一致；何瑛等(2008)分析鑒定了引起石榴果皮酶促褐變的底物，發現單寧酸是主要PPO底物；此外，單寧酸也是板栗種子和柿子果實的褐變底物(陶月良等，2002；zen等，2004)。表1列舉了不同果蔬組織中主要褐變底物的化學結構。

表1不同果蔬組織中主要褐變底物的化學結構

Tab1Chemicalstructureofbrowningsubstratesindifferentfruitsandvegetables

褐變底物

Substrate化學結構

Chemicalstructure果蔬種類

Fruitandvegetabletype

綠原酸

(C16H18O9)

Chlorogenicacid

梨、蘋果、桃子、檳榔、椰子、馬蹄、山藥、甘薯等

沒食子酸

(C7H6O5)

Gallicacid

蓮藕、冬棗、葡萄等

兒茶酚

(C6H6O2)

Catechol

桃子、蓮藕等

( )-兒茶素

(C15H14O6)

( )-Catechin

蘋果、葡萄等

(-)-表兒茶素

(C15H14O6)

(-)-Epicatechin

蘋果、葡萄等

多巴胺

(C8H11NO2)

Dopamine

檳榔、椰子、香蕉、魔芋等

單寧酸

(C76H52O46)

Tannicacid

石榴、板栗、柿子等

上述可與PPO反應的酚類物質由于具有多羥基結構，又稱植物多酚。目前，國內外采后生物學家對植物多酚的酶促氧化引起組織褐變已達成共識。已有研究發現，3-黃烷醇單體及其聚合物是許多植物組織中PPO的底物，主要包括兒茶素類和原花色素類，具有鄰位二元酚結構，在有氧條件下可被PPO催化氧化為醌，后者聚合則引起組織褐變。Nicolas等(2003)報道，在果蔬內發現的酚類物質中僅有很小一部分是PPO的直接底物，其中( )-兒茶素和(-)-表兒茶素等3-黃烷醇單體是常見的最適底物，其他多酚如原花色素等也可被PPO催化氧化，但反應較弱。Jiménez-Atiénzar等(2004)認為桃中的兒茶素是PPO底物，與表兒茶素互為異構體；Lopez等(2005)也報道，茶葉中的(-)-表兒茶素是PPO底物之一，在紅茶生產過程中二者間的催化氧化反應產生茶黃素等褐變產物。Song等(2007)分析了蘋果加工產品中多酚與褐變的關系，發現蘋果中( )-兒茶素、(-)-表兒茶素、原花色素類等與PPO催化氧化組織褐變緊密相關。

荔枝、龍眼果皮中存在大量酚類物質，且種類較多。荔枝果皮酚類物質主要包括：單寧、沒食子酸、咖啡因、水楊酸、花色素苷及由不同花色素苷降解物形成的2-羥基苯酸等，果皮中酚類物質存在游離酚和結合酚兩種形式(劉海，2006)。宋光泉等(1999)利用氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)的方法分析了荔枝果皮提取物的化學組成，鑒定出22種化合物，但沒有確定何種物質為褐變底物。Zhao等(2006，2007)通過高效液相色譜(HPLC)分離技術結合各種光譜分析技術，鑒定出荔枝果皮提取物中主要黃酮類化合物為兒茶素類和原花色素類物質。Liu等(2007)分離鑒定了荔枝果皮中主要的寡聚原花色素類化合物為A型二聚體及三聚體，均為潛在的酚類褐變底物。就荔枝果皮組織中PPO底物的分離鑒定而言，譚興杰和周永成(1987)從荔枝果皮中提取出6種酚類化合物，其中只有一種對荔枝果皮PPO具有活性，判斷其可能屬于鄰苯二酚一類的化合物。Lee和Wicker(1991)提出，荔枝果皮中花色素苷的變化可能引起褐變，荔枝果皮花色素苷主要包括：矢車菊素-3-蕓香糖苷、矢車菊素-3-葡萄糖苷、錦葵色素-3-葡萄糖苷等。張昭其等(1997)認為荔枝貯藏前期，果皮花色素苷褪色或變色而迅速褐變，后期則是果皮細胞結構被破壞，酚類物質發生酶促褐變，花色苷酶在花色素苷酶促降解中起重要作用。Roux等(1998)認為，由黃烷醇單體——表兒茶素單元聚合形成的二聚體、寡聚體或多聚體可能是荔枝果皮酶促褐變潛在的底物。Zhang等(2000)認為荔枝果皮酶促褐變的主要底物是黃烷醇單體和二聚體類化合物及花色素苷。在本課題組的前期研究中(Sun等，2006，2007)，利用添加PPO抑制劑抗壞血酸的有機溶劑提取荔枝果皮中酚類底物，通過紫外(UV)、核磁共振(NMR)、電噴霧質譜(ESI-MS)、HPLC等光譜分析技術鑒定，發現PPO底物主要為(-)-表兒茶素和原花色素A2，可與荔枝果皮中純化得到的PPO發生酶促反應而引起褐變；此外，荔枝果皮還含有少量的( )-兒茶素和B族原花色素，可能也是PPO底物(孫健等，2011)。表2列舉了成熟荔枝(淮枝)果皮組織中已知的部分酚類化合物和色素(Jiang等，2006)。

表2成熟荔枝(淮枝)果皮組織中的酚類化合物和色素

Tab2Phenoliccompoundsandpigmentsinpericarptissuesofripe“Huaizhi”fruit

酚類化合物

Phenoliccompound相對含量(%)

Relativeamount

沒食子酸Gallicacid04

原花色素B1ProcyanidinB110

( )-兒茶素( )-Catechin16

( )-沒食子兒茶素( )-Gallocatechin11

原花色素B4ProcyanidinB453

原花色素B2ProcyanidinB2114

(-)-表兒茶素(-)-Epicatechin325

(-)-表沒食子兒茶素(-)-Epigallocatechin109

(-)-表兒茶素沒食子酸酯(-)-Epicatechin-3-gallate03

矢車菊素-3-葡萄糖苷Cyanidin-3-glucoside919

錦葵色素-3-葡萄糖苷Malvidin-3-glucoside38

與荔枝相似，龍眼果皮中也含有可與PPO發生酶促褐變反應的潛在底物。Rangkadilok等(2005)從龍眼果皮中鑒定出沒食子酸、鞣花單寧、鞣花酸等多酚類物質，但沒有最終確定PPO的底物。吳振先等(1999)認為游離多酚類物質是龍眼果皮褐變反應的主要底物，花色素苷在褐變反應中的底物作用不明顯。許秀淡等(1999)提出果皮中酚類物質及部分類黃酮可能是褐變底物。本課題組的研究也發現，可引起采后龍眼果皮褐變的PPO直接底物是(-)-表兒茶素，在有氧條件下PPO催化(-)-表兒茶素發生酶促褐變反應(Sun等，2007)。

……