上篇

采后酶促褐变

研究进展

荔枝、龙眼采后酶促褐变反应化学机理研究进展

孙健1,2，李丽1,2，游向荣1,2，李昌宝1,2，李志春1,2，何雪梅1,2

(1广西农业科学院农产品加工研究所，广西南宁530007；

2广西作物遗传改良重点开放实验室，广西南宁530007)

摘要：

荔枝、龙眼采后果皮极易褐变，主要是果皮细胞中多酚氧化酶(PPO)与酚类底物的酶促反应所致。文章系统综述了荔枝与龙眼果实采后PPO酶促褐变机理、褐变底物种类确定与化学结构鉴定、外界条件对酚类底物性质的影响及贮藏期间底物含量变化规律等方面的研究进展，发现除花色素苷类物质外，有关荔枝、龙眼果皮中其他酚类褐变底物理化性质的研究鲜见报道。今后需进一步研究探讨有关酶促褐变底物种类及其化学结构鉴定、外界环境因素如何影响PPO底物性质和酶活性变化、外界环境因素与不同品种褐变过程差异的关系、贮运期间PPO底物含量的变化规律等，为控制荔枝、龙眼果实采后贮运过程中果皮酶促褐变提供理论依据。

关键词：荔枝；龙眼；多酚氧化酶；酚类底物；酶促褐变机理

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)和龙眼(DimocarpuslonganLour)都属无患子科非呼吸跃变型水果，原产于我国南方，现种植于亚洲热带、亚热带地区及南非、澳大利亚、美国等地(Wall，2006)。我国是荔枝、龙眼主要产区，据国家农业部统计，2011年我国荔枝、龙眼种植面积分别为553万hm2和46万hm2，产量分别为170万t和94万t，约占世界总产量的705%和597%。这两种水果果肉透明、甘甜、多汁，且具有一定保健功能，因而深受消费者青睐(Wu等，2007)。荔枝、龙眼一般在盛夏高温季节成熟，采收后果实生理代谢旺盛，极易发生果皮褐变而严重影响产品的贮运和商品价值。引起荔枝、龙眼采后果皮褐变的原因很多且复杂，其中以多酚氧化酶(PPO)催化氧化酚类底物导致果皮酶促褐变为主(Sun等，2011a)。本文系统综述了荔枝与龙眼果实采后PPO酶促褐变机理、褐变底物的种类确定与化学结构鉴定、外界条件对底物性质的影响及贮藏期间底物含量变化规律等方面的研究进展，以期为控制荔枝、龙眼果实采后贮运过程中果皮酶促褐变提供理论依据。

1采后荔枝、龙眼果实PPO酶促褐变机理

荔枝、龙眼果实在盛夏高温季节采收，采后果皮在常温下很快发生褐变，其商品质量严重下降。荔枝、龙眼果实采后褐变的原因非常复杂，例如果皮失水、膜脂过氧化、病原菌侵染、乙烯产生等因素在果皮褐变过程中均起重要作用(许晓春等，2004；Huang等，2005；常世敏和李海芹，2005；郭红辉等，2005)。一般认为，荔枝采后果皮褐变主要是组织中酚类物质酶促氧化和花色素苷降解所致(Jiang等，2004；胡位荣等，2005；肖茜等，2011)，此外还与组织中酚类物质及部分类黄酮的酶促氧化有关(许秀淡等，1999；Duan等，2007；Sun等，2011b)。

PPO底物的酶促氧化可使采后荔枝、龙眼果皮很快褐变。关于荔枝、龙眼采后酶促褐变的机理，国内外已有许多研究报道。Akamine(1960)认为荔枝果皮失水能诱导PPO活性，使其催化多酚类物质而生成深色的醌类物质。Li和Yan(1963)研究证实了荔枝果皮内存在PPO，并推测其可能与荔枝果皮的褐变有关。此后，人们对荔枝果皮PPO做了大量研究。谭兴杰和周永成(1987)对荔枝果皮PPO进行部分纯化，并分离出PPO的天然底物，两相作用生成褐色产物，直接说明了PPO能氧化酚类物质导致荔枝采后果皮褐变。龙眼果皮的PPO同样能催化氧化酚类物质形成褐色副产物，进而导致龙眼果实采后褐变。苏玉润和杨炳德(1996)报道，果实失水可激活龙眼PPO，加速果皮褐变进程。吴振先等(1999)研究发现，低温贮藏期间，龙眼PPO活性呈先降低后升高、达到活性高峰后又迅速下降，果皮最终发生褐变，真实反映了龙眼PPO与底物逐渐发生反应而被消耗的过程。也有研究证实，利用SO2抑制PPO活性可减少采后龙眼果皮褐变。可见，果皮褐变与PPO及其底物的酶促反应紧密相关。

PPO、底物和氧是PPO酶促褐变的3个必备条件。通常情况下，发育正常的果实即使同时具备这3个条件，也不一定发生褐变，这与酶、底物(酚类物质)在植物细胞内通过一系列膜系统实现区域化分布、以致底物与酶不能接触有关。果实采后衰老与不良环境条件能引起膜系统破坏，进而打破这种区域化分布，促使酶和底物相互接触而引起果实组织褐变。荔枝、龙眼果实采收前，果皮细胞中褐变底物与酶呈区域化分布，酚类褐变底物一般存在于液泡当中，PPO则大多分布在细胞质中；采后贮藏期间，果皮细胞迅速衰老，细胞中的液泡和质体逐渐解体，膜脂质过氧化的增加导致膜流动性降低，透性逐渐增大，使酶和褐变底物的区域化分布丧失，酶与底物接触，在有氧条件下发生酶促反应而将底物催化氧化为醌，后者再通过自身聚合或与其他含-NH2或-SH的化合物聚合浓缩生成褐色产物，引起果皮褐变(蒋跃明，1991)。

2酚类褐变底物鉴定

植物体内酚类物质含量丰富，主要是由碳水化合物代谢衍生而来，除类黄酮外，多数酚类物质的生物合成均来自共同的前体物——苯丙氨酸，其他部分则由乙酰-CoA经聚酮酐途径产生(孙蕾等，2002)。果蔬细胞中根据碳骨架不同，酚类物质可分为简单酚类(氢醌、熊果苷)、苯基羧酸(原儿茶酸、没食子酸、莽草酸)、苯丙烷衍生物(肉桂酸、木质素、绿原酸)、黄烷衍生物(黄烷酮、黄酮、花色素)等4种(石碧和狄莹，2002)。目前，已有较多关于酚类物质作为PPO酶促褐变反应底物的研究报道。Yokotsuka等(1991)研究发现，从6个葡萄品种中提取的PPO对( )-儿茶素、(-)-表儿茶素等具有活性，葡萄中除这两个化合物外，还含有没食子酸，都是PPO的主要底物；蒋跃明等(1992a，1992b)分析确定了槟榔和椰子的褐变底物主要是绿原酸和多巴胺，其中多巴胺还是香蕉果皮和魔芋褐变的主要底物(Greiffiths，1959；张盛林等，2007)；毕利军(2000)在研究南果梨褐变时发现PPO的最适底物是绿原酸，与吴耕西等(1992)研究鸭梨褐变的结论一致；王清章等(2004)发现莲藕中PPO的最适底物为没食子酸，而郁志芳等(2002)认为儿茶酚是鲜切莲藕的主要褐变底物；宗亦臣(2004)认为没食子酸是冬枣果实中PPO的最适底物；乜兰春等(2004)以5个苹果品种为试材，研究发现绿原酸、( )-儿茶素和(-)-表儿茶素为PPO的底物，且3个化合物在不同品种中的含量各不相同，这与Rocha和Morais(2001)的研究结论一致；何瑛等(2008)分析鉴定了引起石榴果皮酶促褐变的底物，发现单宁酸是主要PPO底物；此外，单宁酸也是板栗种子和柿子果实的褐变底物(陶月良等，2002；zen等，2004)。表1列举了不同果蔬组织中主要褐变底物的化学结构。

表1不同果蔬组织中主要褐变底物的化学结构

Tab1Chemicalstructureofbrowningsubstratesindifferentfruitsandvegetables

褐变底物

Substrate化学结构

Chemicalstructure果蔬种类

Fruitandvegetabletype

绿原酸

(C16H18O9)

Chlorogenicacid

梨、苹果、桃子、槟榔、椰子、马蹄、山药、甘薯等

没食子酸

(C7H6O5)

Gallicacid

莲藕、冬枣、葡萄等

儿茶酚

(C6H6O2)

Catechol

桃子、莲藕等

( )-儿茶素

(C15H14O6)

( )-Catechin

苹果、葡萄等

(-)-表儿茶素

(C15H14O6)

(-)-Epicatechin

苹果、葡萄等

多巴胺

(C8H11NO2)

Dopamine

槟榔、椰子、香蕉、魔芋等

单宁酸

(C76H52O46)

Tannicacid

石榴、板栗、柿子等

上述可与PPO反应的酚类物质由于具有多羟基结构，又称植物多酚。目前，国内外采后生物学家对植物多酚的酶促氧化引起组织褐变已达成共识。已有研究发现，3-黄烷醇单体及其聚合物是许多植物组织中PPO的底物，主要包括儿茶素类和原花色素类，具有邻位二元酚结构，在有氧条件下可被PPO催化氧化为醌，后者聚合则引起组织褐变。Nicolas等(2003)报道，在果蔬内发现的酚类物质中仅有很小一部分是PPO的直接底物，其中( )-儿茶素和(-)-表儿茶素等3-黄烷醇单体是常见的最适底物，其他多酚如原花色素等也可被PPO催化氧化，但反应较弱。Jiménez-Atiénzar等(2004)认为桃中的儿茶素是PPO底物，与表儿茶素互为异构体；Lopez等(2005)也报道，茶叶中的(-)-表儿茶素是PPO底物之一，在红茶生产过程中二者间的催化氧化反应产生茶黄素等褐变产物。Song等(2007)分析了苹果加工产品中多酚与褐变的关系，发现苹果中( )-儿茶素、(-)-表儿茶素、原花色素类等与PPO催化氧化组织褐变紧密相关。

荔枝、龙眼果皮中存在大量酚类物质，且种类较多。荔枝果皮酚类物质主要包括：单宁、没食子酸、咖啡因、水杨酸、花色素苷及由不同花色素苷降解物形成的2-羟基苯酸等，果皮中酚类物质存在游离酚和结合酚两种形式(刘海，2006)。宋光泉等(1999)利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)的方法分析了荔枝果皮提取物的化学组成，鉴定出22种化合物，但没有确定何种物质为褐变底物。Zhao等(2006，2007)通过高效液相色谱(HPLC)分离技术结合各种光谱分析技术，鉴定出荔枝果皮提取物中主要黄酮类化合物为儿茶素类和原花色素类物质。Liu等(2007)分离鉴定了荔枝果皮中主要的寡聚原花色素类化合物为A型二聚体及三聚体，均为潜在的酚类褐变底物。就荔枝果皮组织中PPO底物的分离鉴定而言，谭兴杰和周永成(1987)从荔枝果皮中提取出6种酚类化合物，其中只有一种对荔枝果皮PPO具有活性，判断其可能属于邻苯二酚一类的化合物。Lee和Wicker(1991)提出，荔枝果皮中花色素苷的变化可能引起褐变，荔枝果皮花色素苷主要包括：矢车菊素-3-芸香糖苷、矢车菊素-3-葡萄糖苷、锦葵色素-3-葡萄糖苷等。张昭其等(1997)认为荔枝贮藏前期，果皮花色素苷褪色或变色而迅速褐变，后期则是果皮细胞结构被破坏，酚类物质发生酶促褐变，花色苷酶在花色素苷酶促降解中起重要作用。Roux等(1998)认为，由黄烷醇单体——表儿茶素单元聚合形成的二聚体、寡聚体或多聚体可能是荔枝果皮酶促褐变潜在的底物。Zhang等(2000)认为荔枝果皮酶促褐变的主要底物是黄烷醇单体和二聚体类化合物及花色素苷。在本课题组的前期研究中(Sun等，2006，2007)，利用添加PPO抑制剂抗坏血酸的有机溶剂提取荔枝果皮中酚类底物，通过紫外(UV)、核磁共振(NMR)、电喷雾质谱(ESI-MS)、HPLC等光谱分析技术鉴定，发现PPO底物主要为(-)-表儿茶素和原花色素A2，可与荔枝果皮中纯化得到的PPO发生酶促反应而引起褐变；此外，荔枝果皮还含有少量的( )-儿茶素和B族原花色素，可能也是PPO底物(孙健等，2011)。表2列举了成熟荔枝(淮枝)果皮组织中已知的部分酚类化合物和色素(Jiang等，2006)。

表2成熟荔枝(淮枝)果皮组织中的酚类化合物和色素

Tab2Phenoliccompoundsandpigmentsinpericarptissuesofripe“Huaizhi”fruit

酚类化合物

Phenoliccompound相对含量(%)

Relativeamount

没食子酸Gallicacid04

原花色素B1ProcyanidinB110

( )-儿茶素( )-Catechin16

( )-没食子儿茶素( )-Gallocatechin11

原花色素B4ProcyanidinB453

原花色素B2ProcyanidinB2114

(-)-表儿茶素(-)-Epicatechin325

(-)-表没食子儿茶素(-)-Epigallocatechin109

(-)-表儿茶素没食子酸酯(-)-Epicatechin-3-gallate03

矢车菊素-3-葡萄糖苷Cyanidin-3-glucoside919

锦葵色素-3-葡萄糖苷Malvidin-3-glucoside38

与荔枝相似，龙眼果皮中也含有可与PPO发生酶促褐变反应的潜在底物。Rangkadilok等(2005)从龙眼果皮中鉴定出没食子酸、鞣花单宁、鞣花酸等多酚类物质，但没有最终确定PPO的底物。吴振先等(1999)认为游离多酚类物质是龙眼果皮褐变反应的主要底物，花色素苷在褐变反应中的底物作用不明显。许秀淡等(1999)提出果皮中酚类物质及部分类黄酮可能是褐变底物。本课题组的研究也发现，可引起采后龙眼果皮褐变的PPO直接底物是(-)-表儿茶素，在有氧条件下PPO催化(-)-表儿茶素发生酶促褐变反应(Sun等，2007)。

……