王順民,李 勇,張 寧

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

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微波處理鈍化紫薯中POD/PPO酶的研究

王順民,李 勇,張 寧

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

摘要:研究微波對(duì)紫薯中過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)活性的影響．采用Box-Behnken響應(yīng)面法建立關(guān)于微波功率、微波時(shí)間和紫薯厚度因素與POD和PPO酶抑制率的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)回歸模型,獲得微波處理的最佳條件．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微波處理最佳工藝條件為微波功率300 W、微波時(shí)間30 s和紫薯片厚度0．2 cm．在最佳條件下微波處理后,POD酶和PPO酶的酶活性抑制率分別達(dá)到98．92%和96．25%,微波處理可有效降低和鈍化紫薯POD和PPO酶的活性,POD酶和PPO酶抑制率隨著微波功率和時(shí)間的增加而顯著降低．

關(guān) 鍵 詞:紫薯;微波;過氧化物酶;多酚氧化酶;活性

紫薯類產(chǎn)品加工過程中發(fā)生褐變現(xiàn)象是其重要問題之一[1]．紫薯的褐變主要是由酶促褐變引起的,即由多酚氧化酶(PPO)和過氧化物酶(POD)在氧參與下催化酚類物質(zhì)形成醌及其聚合物的結(jié)果．傳統(tǒng)酶鈍化處理主要包括高溫短時(shí)漂燙處理、巴氏消毒處理、沸水和蒸汽漂燙等[2]．但紫薯含有豐富的水溶性營(yíng)養(yǎng)成分,常規(guī)燙漂處理其損失較大．微波處理是一種新興的鈍酶技術(shù)[3],其鈍酶的分子機(jī)制已有較深入的研究[4]．已有研究報(bào)道微波的非熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化[5],使耐熱性極強(qiáng)的酶失去活性[6]．胡國(guó)洲[7]等研究表明微波處理可使葡萄糖異構(gòu)酶的相對(duì)酶活力降低90．78%～95．69%．近年微波鈍酶開始應(yīng)用于食品加工行業(yè),如香蕉[2]、毛豆仁[8]、杏鮑菇[9]和馬鈴薯[10]等．卓成龍[8]等研究了微波處理對(duì)毛豆仁POD酶活變化,結(jié)果表明微波功率650 W、料水比2∶1(g/m L)條件下處理80 s,POD酶徹底被鈍化,且與傳統(tǒng)熱水燙漂相比,VC損失率下降14．02%,葉綠素?fù)p失率下降11．43%．杏鮑菇經(jīng)570 W微波處理59 s的鈍化處理,其游離氨基酸含量損失少,感官品質(zhì)佳[9]．劉威[10]等研究表明,微波滅酶技術(shù)既能降低馬鈴薯片多酚氧化酶的活性,又能保持良好的感官品質(zhì)．張立彥[2]等研究了微波對(duì)香蕉中PPO酶作用,結(jié)果表明微波功率密度為4 W/g、5 min處理可使香蕉中PPO酶活力降至5%以下．Xu[11]和胡[12]報(bào)道小麥胚芽經(jīng)微波穩(wěn)定化處理后脂肪酶活性下降到原始小麥胚芽的14．01%和8．7%．但關(guān)于微波技術(shù)應(yīng)用紫薯鈍酶處理還未見報(bào)道．利用微波技術(shù)對(duì)紫薯片進(jìn)行處理,研究微波對(duì)紫薯中POD和PPO酶活性的影響,以期為今后應(yīng)用于紫薯產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

新鮮紫薯(Solanum tuberdsm),購自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng);磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、鄰苯二酚、過氧化氫、石英砂、無水乙醇、愈創(chuàng)木酚均為AR級(jí),均購于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司．

電子天平(JY1002,上海精密科學(xué)儀器有限公司);冷凍離心機(jī)(TGL-16A,長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司);可見分光光度計(jì)(L3S,上海儀電分析儀器有限公司);真空微波干燥箱(JHFWB-1．0S,南京金海豐微波科技有限公司)．

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)工藝路線．紫薯→清洗、去皮→切片→預(yù)處理(燙漂、微波處理)→研磨、浸提→指標(biāo)測(cè)定．

(2)實(shí)驗(yàn)方法．

①熱燙處理．新鮮紫薯切片(5 cm×2 cm×0．8 cm厚度)后稱取300 g,分別在50℃、70℃和90℃恒溫水浴條件下處理90 s．同時(shí)設(shè)未經(jīng)任何處理的新鮮紫薯為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)(ck)．

②微波處理對(duì)POD和PPO酶的影響．將新鮮紫薯切片后,置于微波爐專用盒(10 cm×8 cm×5 cm厚度),料層厚度為物料鋪滿一層,每次處理樣品(50±0．5)g,然后放入微波爐內(nèi)進(jìn)行微波處理,處理結(jié)束立刻放入冷卻水中冷卻5 min,以備后續(xù)試驗(yàn)使用．

微波功率對(duì)POD和PPO酶的影響:將新鮮紫薯切成5 cm×2 cm薄片(長(zhǎng)×寬),厚度為0．4 cm,分別在微波功率為100 W、200 W、300 W下處理90 s,冷卻．測(cè)定POD和PPO的酶活性,計(jì)算酶活抑制率．

微波處理時(shí)間對(duì)POD和PPO酶的影響:將新鮮紫薯切成5 cm×2 cm薄片(長(zhǎng)×寬),厚度為0．4 cm,在微波功率為200 W下分別處理30 s、60 s、90 s、120 s、150 s,冷卻．測(cè)定POD和PPO的酶活性,計(jì)算酶活抑制率．

切片厚度對(duì)POD和PPO酶的影響:將新鮮紫薯切成5 cm×2 cm薄片(長(zhǎng)×寬),厚度分別為0．2 cm、0．4 cm、0．6 cm、0．8 cm和1．0 cm,在微波功率為200 W下處理90 s,冷卻．測(cè)定POD和PPO的酶活性,計(jì)算酶活抑制率．

③響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)．根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上,以微波時(shí)間、微波功率、紫薯厚度3個(gè)因素的大小為自變量,并以X1、X2和X3表示,每一個(gè)自變量的低、中、高水平分別以－1、0、1進(jìn)行編碼,以酶活抑制率為響應(yīng)值(Y)．利用Design-Expert 8．05軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析．響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示．

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

1．3 測(cè)定指標(biāo)與方法

POD和PPO酶的酶活提取及測(cè)定,分別參考姜莉[13]等和劉威[10]等的方法．

抑制率計(jì)算公式＝(未處理樣品的酶活－處理后樣品的酶活)/未處理樣品×100%

2 結(jié)果與分析

2．1 熱燙處理對(duì)紫薯中POD和PPO酶抑制率的影響

不同熱燙溫度下POD和PPO酶抑制率的變化如圖1所示．從圖1可以看出,不同的熱燙溫度對(duì)POD酶和PPO酶的抑制率有不同的影響,抑制率隨著熱燙溫度的增加而增大,當(dāng)溫度為90℃時(shí),POD酶和PPO酶抑制率分別達(dá)85．9%和92．5%．

2．2 微波處理單因素試驗(yàn)

(1)微波功率對(duì)POD和PPO酶抑制率的影響．不同微波功率下POD和PPO酶抑制率的變化如圖2所示．從圖2可以看出,不同的微波功率對(duì)POD和PPO酶的抑制率有不同的影響,隨著微波功率的增加,抑制率也在不斷地增大,當(dāng)微波功率為300 W時(shí),POD和PPO酶的抑制率分別達(dá)到97．98%和100%．

圖1 不同熱燙溫度下POD和PPO酶抑制率的變化

圖2 不同微波功率下POD和PPO酶抑制率的變化

(2)微波處理時(shí)間對(duì)POD和PPO酶抑制率的影響．不同微波處理時(shí)間下POD和PPO酶抑制率的變化如圖3所示．從圖3可以看出,不同的微波時(shí)間對(duì)POD酶的抑制率有不同的影響,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),抑制率也在不斷地增大,當(dāng)微波功率200 W、處理150 s時(shí),抑制率達(dá)到97．94%．通過圖3還可以看出,不同的微波時(shí)間對(duì)PPO酶的抑制率有不同的影響,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),抑制率也在不斷地增大,當(dāng)微波功率200 W、處理120 s時(shí),抑制率達(dá)到100%．

(3)薯片厚度對(duì)POD和PPO酶抑制率的影響．薯片厚度下POD和PPO酶抑制率的變化如圖4所示．從圖4可以看出,不同薯片厚度對(duì)POD酶的抑制率有不同的影響,隨著薯片厚度的增加,抑制率也不斷地減?。?．2～0．4 cm及0．4～1．0 cm之間,紫薯片厚度對(duì)POD酶的抑制率影響均差異不顯著,因?yàn)楹穸仍黾?微波穿透作用降低．在一定的微波穿透距離內(nèi),微波加熱具有均勻性,紫薯組織里外同時(shí)受熱,滅酶效果也近似相同[2]．薯片厚度對(duì)PPO酶的抑制率的影響也隨著薯片厚度的增加不斷地減小,在200 W、30 s的處理?xiàng)l件下,薯片厚度為0．2 cm,抑制率最高,達(dá)到51．26%．

圖3 不同微波處理時(shí)間下POD和PPO酶抑制率的變化

圖4 薯片厚度下POD和PPO酶抑制率的變化

2．3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

采用響應(yīng)面優(yōu)化法對(duì)紫薯微波鈍化工藝進(jìn)行過程優(yōu)化,以X1、X2和X3為自變量,以POD酶抑制率為響應(yīng)值Y(因微波功率300 W時(shí),PPO酶的抑制率已經(jīng)達(dá)100%,故響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)中不予考慮)．響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示,共14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),其中4、14為零點(diǎn),其余點(diǎn)均為析因點(diǎn),析因點(diǎn)為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維頂點(diǎn);零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn),用以估計(jì)試驗(yàn)誤差．

表2 響應(yīng)面結(jié)果及分析

利用Design-Expert 8．05軟件對(duì)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到POD酶抑制率對(duì)微波功率(X1)、微波時(shí)間(X2)、物料厚度(X3)的二次多元回歸模型為:

方差分析表如表3所示．由表3可以看出該模型顯著,模型的一次項(xiàng)微波時(shí)間極其顯著,微波功率、物料厚度顯著,二次項(xiàng)微波功率和時(shí)間顯著．模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R2＝0．872 2,說明相關(guān)性較好,可用此模型對(duì)微波處理鈍化紫薯POD酶的研究進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)．通過Design-Expert 8．05軟件中Box-Behnken響應(yīng)面方法對(duì)實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)值進(jìn)行軟件的優(yōu)化預(yù)測(cè),結(jié)果分析表明,用微波鈍化酶的最佳條件為微波功率300 W、時(shí)間90 s和物料厚度0．23 cm,在此條件下過氧化物酶的抑制率達(dá)到100%．考慮實(shí)際情況,校正工藝參數(shù)為微波功率300 W、微波時(shí)間90s和物料厚度0．2 cm,在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),抑制率的平均值達(dá)到98．92%,說明預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間有較好的擬合性,進(jìn)一步驗(yàn)證了回歸模型的可靠性．

表3 方差分析表

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)表

在其他因素條件固定不變的情況下,考察交互項(xiàng)對(duì)抑制率的影響,對(duì)模型進(jìn)行降維分析．經(jīng)Design-Expert 8．05軟件中Box-Behnken試驗(yàn)方法分析,所得的響應(yīng)面圖如圖5～圖7所示．由圖5、圖6可知, POD酶的抑制率隨微波功率增加和時(shí)間延長(zhǎng)而增加,且具有交互作用．根據(jù)Design-Expert 8．08軟件對(duì)微波鈍酶工藝參數(shù)進(jìn)行回歸方程擬合,并優(yōu)化得出微波鈍化POD酶的最佳工藝為微波功率300 W、微波時(shí)間90 s和物料厚度0．2 cm．在響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行隨機(jī)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn),判斷最佳工藝的可靠性,結(jié)果如表4所示．由表4可以看出,響應(yīng)面優(yōu)化的最佳工藝能夠很好地對(duì)紫薯中POD和PPO酶進(jìn)行鈍化處理,從而抑制其酶活．

圖5 微波時(shí)間與功率交互時(shí)抑制率響應(yīng)面圖

圖6 微波功率與厚度交互時(shí)抑制率響應(yīng)面圖

圖7 微波時(shí)間與厚度交互時(shí)抑制率響應(yīng)面圖

3 結(jié)論

紫薯微波處理的最佳工藝條件為微波功率300 W、微波時(shí)間30 s和紫薯片厚度0．2 cm．在最佳條件下經(jīng)微波處理后,紫薯片中POD酶和PPO酶的酶活性抑制率分別達(dá)到98．92%和96．25%．微波處理能夠有效鈍化紫薯中POD和PPO酶酶活,顯著提高對(duì)紫薯中POD和PPO酶的酶活抑制率．微波鈍化工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短,紫薯中花色苷保留率較高．

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Effects of microwave treatment on the POD and PPO activity of purple potato

WANG Shun-min,LI Yong,ZHANG Ning
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

Abstract:The effects of microwave treatment on the POD and PPO activity of purple potato were investigated．In order to obtain optimal microwave treatment conditions for blanching purple potato,Box-Behnken response surface methodology was used to construct a quadratic regression model describing the effects of factors(microwave power and treatment time and purple potato thickness)on the residual activity of POD and PPO in purple potato．The results show that the optimum technological parameters were microwave power of 300 W and treatment time of 30s and purple potato thickness of 0．2 cm．The inhibition rates of POD and PPO at the optimum technological parameters condition were 98．92%and 96．25%,respectively．Microwave treatment can effectively deactivate the activity of potato POD and PPO．The inhibition rate of POD and PPO in purple potato increased with the microwave power and processing time．

Key words:purple potato;microwave;POD;PPO;activity

中圖分類號(hào):TS201

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:2015-10-27

基金項(xiàng)目:蕪湖科技局科技惠農(nóng)重點(diǎn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2014 HM24)

作者簡(jiǎn)介:王順民(1975-),男,寧夏青銅峽人,副教授,博士．