武正芳，馬意龍，2，金 諾，2，胡 飛，2，章建國，2， 魏兆軍，2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，安徽合肥 230601；2.北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

0 引言

“臭氧氧化”是一項(xiàng)新興的綠色技術(shù)，利用了三原子形式的氧——臭氧。臭氧（O3）是一種天然存在的高活性氣體分子，可通過放電、紫外線輻射單獨(dú)產(chǎn)生，或與氮氧化物結(jié)合產(chǎn)生[1]，與其他化學(xué)品不同，臭氧分解為氧氣不會(huì)留下有毒殘留[2]。因此，自2003 年以來，食品和藥物管理局（FDA）已批準(zhǔn)其在食品中的使用，前提是其殘留溶解臭氧濃度低于允許限值0.4 mg/L 瓶裝水。

食用富含生物活性成分的食品，可降低心血管疾病、癌癥、糖尿病和年齡相關(guān)功能異常的風(fēng)險(xiǎn)[3]。水果、蔬菜及谷物中均含有廣泛的酚類成分，包括類胡蘿卜素、生育酚、植物甾醇和有機(jī)硫化合物等。這些生物活性化合物在人類中表現(xiàn)出顯著的健康促進(jìn)活性[4]，因此在食品加工儲(chǔ)存期間保存這些生物活性化合物至關(guān)重要。

臭氧對(duì)食品中多酚化合物的影響由2 種不同的理論闡述。第一種理論即“氧化應(yīng)激理論”，由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的部分解體，臭氧分子促進(jìn)酚類化合物的產(chǎn)生。這種修飾也可以提高萃取效率，并有助于釋放一些結(jié)合在細(xì)胞壁中的酚類化合物[5]。第二種理論認(rèn)為酚類化合物的變化可能歸因于臭氧誘導(dǎo)的酶活性變化。一般來說，發(fā)現(xiàn)激活預(yù)先存在的酶可誘導(dǎo)酚類化合物的快速積累[6]。臭氧處理食品中苯酚的最終濃度取決于這2 種機(jī)制之間的平衡。特別是在水果中，由于同一水果或不同水果的不同品種之間防御系統(tǒng)的差異，酚類化合物的濃度可能對(duì)臭氧處理產(chǎn)生不同的反應(yīng)[7]。

目前，研究主要側(cè)重于臭氧處理對(duì)各種食品商品質(zhì)量和安全方面的影響。然而，主要關(guān)注臭氧處理對(duì)各種食品多酚影響的綜述較少。旨在了解臭氧氧化對(duì)水果和蔬菜、水果飲料和谷物等選定類別食品中生物活性成分的影響。

1 臭氧處理機(jī)理

1.1 臭氧反應(yīng)機(jī)制

臭氧與食物之間的反應(yīng)機(jī)制涉及3 種主要途徑：直接氧化、間接氧化和臭氧分解。臭氧的直接氧化是氧原子作用的結(jié)果，屬于一級(jí)反應(yīng)，具有高氧化還原電位；臭氧的間接氧化反應(yīng)導(dǎo)致臭氧分子自動(dòng)分解為自由基，與食品中存在的有機(jī)/無機(jī)化合物發(fā)生反應(yīng)[8]；臭氧分解是一種有機(jī)氧化還原反應(yīng)，其中臭氧用于裂解烯烴、炔烴和偶氮化合物（具有功能性二氮烯基的化合物）的不飽和鍵，臭氧氧化過程總是基于直接和間接反應(yīng)機(jī)制的影響[9]。當(dāng)溶液中OH 自由基的數(shù)量增加時(shí)，稱為高級(jí)氧化過程（AOP），在AOP 過程中，OH 自由基在氧化過程中起著重要作用。這些自由基是分子或原子，極易反應(yīng)，且半衰期短，這導(dǎo)致OH 自由基非選擇性地立即與溶解的化合物反應(yīng)。臭氧在反應(yīng)期間可作為1,3-偶極子、親電劑和親核劑，具體取決于其結(jié)構(gòu)。

臭氧通過主要途徑與食物基質(zhì)作用的機(jī)理見圖1。

圖1 臭氧通過主要途徑與食物基質(zhì)作用的機(jī)理

1.2 臭氧對(duì)食物中多酚成分的作用機(jī)制

臭氧作為一種非生物激發(fā)子，能夠通過多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)刺激植物組織中的特定防御機(jī)制，包括鈣、乙烯、水楊酸、茉莉酸和NO[10]。氨基酸、碳水化合物和脂類初級(jí)代謝的變化，以及次級(jí)代謝化合物（如酚酸、類黃酮、花青素和單寧）的合成都是這些反應(yīng)的一部分，這些化合物對(duì)人體健康有一定的益處。

作為一種應(yīng)激物質(zhì)，臭氧能夠激活保護(hù)植物和水果組織免受氧化應(yīng)激相關(guān)損傷的防御機(jī)制。多酚氧化酶（PPO）是一種關(guān)鍵酶，又稱為酪氨酸酶或多酚酶，主要存在于果皮中，參與水果收獲后加工及處理中的酶氧化，而過氧化物酶（POD）活性主要存在于種子中[11-12]。多酚氧化酶能夠?qū)⒎宇惢衔镅趸甚S后（非酶催化）聚合成黑色素，導(dǎo)致酶促褐變，氧化褐變過程通常會(huì)通過改變食品的顏色、風(fēng)味、營養(yǎng)品質(zhì)和保質(zhì)期從而降低食品品質(zhì)。此外，當(dāng)與多酚氧化酶共存時(shí)，過氧化物酶可能加速酚類化合物的分解，導(dǎo)致非酶氧化。水果臭氧氧化是抑制PPO 活性同時(shí)增加POD 活性的良好替代方法，能夠引起酚類和類黃酮含量增加。

苯丙氨酸解氨酶（PAL）、二苯乙烯合成酶（STS）和黃酮醇合成酶（FLS）等酶的活性增加會(huì)導(dǎo)致多酚積累增加，即黃酮、單寧、非黃酮、萜烯、含氮化合物等[13]。這些化合物在很大程度上來源于3 種生物合成途徑：苯丙烷、類異戊二烯和生物堿途徑。這些途徑產(chǎn)生的植物化學(xué)物質(zhì)不僅包括具有廣譜抗生素活性的化合物，還包括能夠有效清除臭氧誘導(dǎo)的活性氧的強(qiáng)大抗氧化劑。在苯丙酸生物合成途徑中，苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）和酪氨酸氨裂合酶（TAL）在酚類化合物的生產(chǎn)中起著重要作用，如類黃酮、香豆素、水解單寧、花青素、木脂素和木脂素等。由于臭氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激增加，這能夠?qū)е路宇惢衔锂a(chǎn)量增加[14]；另一方面，高劑量臭氧氧化可能導(dǎo)致酚含量顯著下降。水果中的酚類化合物可能與氧自由基發(fā)生反應(yīng)，如過氧化氫、羥基和超氧物并增加抗氧化劑代謝物向果皮的轉(zhuǎn)移。這種現(xiàn)象可防止DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等化合物受損，進(jìn)而導(dǎo)致苯酚濃度降低[15]。

2 臭氧處理對(duì)新鮮和加工食品中多酚的影響及案例研究

2.1 水果和蔬菜

新鮮水果和蔬菜是多酚的主要來源，有助于形成顏色、風(fēng)味、苦味、澀味和氧化穩(wěn)定性。水果中的多酚有利于氧化、炎癥、血小板活化和血管功能。食物基質(zhì)和其他生物與臭氧的相互作用能夠減少水果中活性氧（ROS）的產(chǎn)生，保護(hù)其免受生理紊亂和植物貯藏疾病的影響[16]。臭氧處理可以不同程度地提高次生代謝物的含量，如總酚、抗壞血酸、β-胡蘿卜素、番茄紅素和花青素等含量。

Alothman M 等人[17]將蜂蜜菠蘿、香蕉和番石榴暴露于在不同暴露時(shí)間的8 mg/L 臭氧氣體中，并確認(rèn)臭氧氧化釋放了大量酚類化合物，其原因可能是由于臭氧導(dǎo)致酶的作用增強(qiáng)，如苯丙氨酸解氨酶（PAL）。臭氧處理誘導(dǎo)了PAL 的激活，PAL 是負(fù)責(zé)酚類化合物生物合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶。Piechowiak T 等人[18]研究了臭氧富集貯藏對(duì)黑灌木藍(lán)莓貯藏期間質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧處理后，藍(lán)莓的防御機(jī)制被激活，以抵抗氧化應(yīng)激，這可能是由于蛋白質(zhì)的氧化修飾。貯藏21 d 后，臭氧處理水果的抗氧化酶活性（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和苯丙氨酸解氨酶）高于未處理水果。

臭氧濃度過高可能會(huì)對(duì)水果造成傷害并縮短其采后壽命。于晉澤等人[19]對(duì)不同濃度臭氧對(duì)羊肚菌的保鮮作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)貯藏前用5 μg/mL 臭氧進(jìn)行熏蒸，可以有效減緩羊肚菌貯藏期間的質(zhì)量損失，減弱其呼吸強(qiáng)度，降低其可溶性固形物含量的上升速度，維持較高水平的多酚含量，降低多酚氧化酶活性，保持較高的過氧化物酶活性。然而在臭氧含量達(dá)到10 μg/mL，其效果反而會(huì)有所下降。

2.2 水果飲料

果汁被認(rèn)為是新鮮水果和蔬菜的替代品，相較于大多數(shù)水果無季節(jié)限制。加工新鮮水果和蔬菜以生產(chǎn)果汁、冰沙或強(qiáng)化飲料是促進(jìn)健康生活方式和克服全球疾病負(fù)擔(dān)的一種流行方式[20]。熱處理是一種處理果汁的常見加工技術(shù)，能夠抑制微生物并防止酶降解。但其功能和感官品質(zhì)會(huì)受到顯著影響[21]。在水果飲料加工中，單獨(dú)或與其他熱障礙和非熱障礙結(jié)合進(jìn)行臭氧處理，是一種保存果汁的良好加工選擇。

變黑是果汁加工過程中的一個(gè)常見問題，這一過程又稱酶促褐變，其原因主要由于酚類化合物中羥基的氧化引起的PPO 活性引起。酶促褐變是在氧氣充足的條件下內(nèi)源性多酚氧化酶（PPO）將酚類底物氧化成醌，這些醌類物質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)形成色素類化合物。酶促褐變不僅對(duì)產(chǎn)品的色澤產(chǎn)生不良影響，還會(huì)影響風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值[22]。Almeida D L F 等人[23]研究了臭氧處理對(duì)含有益生元低聚糖的橙汁品質(zhì)影響，臭氧處理成功地保持了酚含量和抗氧化劑，可有效控制果汁中的褐變。這與羰基與氨基酸縮合（美拉德反應(yīng)）或糖與氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生的PPO 酶活性有關(guān)。臭氧應(yīng)用的時(shí)間也是決定果汁質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在Diao E 等人[24]的研究中發(fā)現(xiàn)，在4.8%臭氧濃度下處理蘋果汁10 min 后，咖啡酸、綠原酸、總酚和肉桂酸含量分別下降17.88 mg/L，224.15 mg/L，317 mg GAE/100 mL 和129.75 mg/L；處理15 min后，總酚類化合物減少了50%以上。與上述結(jié)果相反，在最近的研究發(fā)現(xiàn)[25]，臭氧處理2 min 和5 min后，蘋果汁的總多酚含量從237.08 mg/L 增加到258.48 mg/L和256.90 mg/L。隨著臭氧處理時(shí)間的延長，蘋果汁中沒食子酸、綠原酸和兒茶素的含量沒有顯著增加。因此，為了更好地保留質(zhì)量參數(shù)，臭氧處理時(shí)間限制在2～5 min。

2.3 發(fā)芽種子和谷物

萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，從干燥種子吸收水分開始，到胚胎發(fā)育成熟出現(xiàn)自由基時(shí)結(jié)束。種子的發(fā)芽能力是評(píng)估谷物質(zhì)量的指標(biāo)。在此過程中，許多內(nèi)源酶被觸發(fā)和釋放，從而導(dǎo)致種子儲(chǔ)備材料或新細(xì)胞成分的降解或生成，對(duì)物理生化屬性產(chǎn)生重大影響。研究證明[26]，發(fā)芽種子及谷物含有高水平的酚類化合物，如類黃酮和花青素，而單寧和植酸等抗?fàn)I養(yǎng)成分的含量減少。谷物中總酚含量下降的原因可能是由于發(fā)芽過程中一些多酚從谷物滲透到外部水介質(zhì)，或者是由于多酚氧化酶和酯酶等前酶的作用導(dǎo)致多酚的氧化和分解。臭氧氧化處理誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和防御機(jī)制的潛力，因此可防止萌發(fā)種子中酚類化合物的降解[27]。

Malaiyandi M 等人[28]將豇豆幼苗暴露于不同濃度的臭氧下15 min，并且發(fā)現(xiàn)酚類化合物增加。這種行為可能是由中間產(chǎn)物合成芳香族氨基酸引起的，中間產(chǎn)物是酚類化合物積累的底物。Sarooei S J 等人[29]研究結(jié)果顯示，當(dāng)暴露時(shí)間超過4 h，隨著臭氧濃度的升高和酚類物質(zhì)的大量降解，酚類化合物的抗氧化能力沒有顯著降低，這種行為歸因于臭氧的自動(dòng)分解，導(dǎo)致產(chǎn)生各種自由基物種，如氫過氧基（HO2-）、羥基（OH-）和超氧化物（O2-）自由基。張政[30]研究了對(duì)花生紅衣中多酚類物質(zhì)的影響，研究表明，臭氧處理后，花生紅衣多酚抗氧化能力明顯下降，但能顯著增加在花生油花生紅衣多酚的協(xié)同抗氧化能力。其原因可能是由于經(jīng)適當(dāng)?shù)某粞跆幚恚ㄉt衣多酚提取物被氧化后提高了在中油的溶解性，雖然氧化作用使其還原能力降低，但是油溶性的增加使得花生紅衣多酚提取物能更好地在油溶液環(huán)境中發(fā)揮其協(xié)同作用。

不同劑量的臭氧可能會(huì)影響種子發(fā)芽，臭氧在有限的劑量下是一種發(fā)芽促進(jìn)劑，高劑量則會(huì)造成不良影響。研究顯示，在播種前15～25 d，用質(zhì)量濃度0.02～0.04 mg/L 臭氧進(jìn)行處理，玉米種子的發(fā)芽能力提高到80%，而初始發(fā)芽率只有65%，這是可能是由于種子的內(nèi)能被激活[31]。高質(zhì)量濃度臭氧會(huì)導(dǎo)致玉米細(xì)胞的破壞，會(huì)降低發(fā)芽能力。Savi G D 等人[32]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小麥經(jīng)受質(zhì)量濃度60 mg/L 臭氧180 min 后，發(fā)芽能力下降了12.5%。在120 min 的暴露中，沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)發(fā)芽的顯著影響，而增加暴露時(shí)間到180 min 時(shí)，種子的發(fā)芽能力就會(huì)下降，這揭示了臭氧劑量和暴露時(shí)間對(duì)種子使用的限制。

3 結(jié)語

合理應(yīng)用臭氧技術(shù)，是用于保存固體食品（新鮮蔬菜和水果及發(fā)芽種子）和液體食品（水果和蔬菜汁）中多酚成分的重要手段。食物基質(zhì)與臭氧的相互作用可加速食品中的抗氧化防御系統(tǒng)，并防止人類和植物的退化性疾病。值得注意的是，由于臭氧分子自動(dòng)分解產(chǎn)生的自由基與選定的組分或其衍生物之間的直接反應(yīng)，臭氧暴露可能對(duì)酚類化合物有害。因此，有必要對(duì)加工條件，如臭氧劑量、水分含量、暴露時(shí)間等因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以最大限度地提高食品的營養(yǎng)和微生物安全性。