山药(Dioscorea opposita Thunb)是薯蓣科(Dioscoreaceae)薯蓣属(Dioscorea)的多年生缠绕藤本植物,为《中华人民共和国药典》中规定的药食同源药材。山药块茎中含有淀粉、纤维素、多糖、蛋白质、氨基酸、薯蓣皂苷、尿囊素、山药碱、胆碱、麦角甾醇、油菜甾醇、多巴胺、黄酮类、多酚类等多种营养成分和功能性成分,具有滋补脾胃、增强免疫力、延缓衰老等重要药理作用[1-2],是中医药重要药物来源和养生保健食品,其独特的功效和风味深受广大消费者喜爱。
山药广泛分布于多个国家和地区,在中国的东北、中部、东南、西南等地均有种植。随着经济社会的快速发展和栽培技术的提高,国内山药种植面积日益扩大,产量逐年增加,鲜销已不能满足产能需求。鲜山药因含水量较高,自然条件下贮藏期较短,特别是在清明节之后,随着气温日渐升高,山药更易发芽或腐烂变质而引发大量损失。因此,发展山药加工业,增加山药产品种类和扩大市场消费面已成为共识。然而,山药加工中的去皮、切分、破碎等过程会破坏细胞组织,使多酚等成分暴露于空气中,在氧化酶和过氧化酶的作用下氧化为醌类而发生酶褐变,或者在热处理过程中发生美拉德反应或焦糖化反应而引起非酶褐变[3-4],进而影响加工产品的颜色、外观、营养、风味和商品价值[1],甚至可能因某些褐变产物有潜在毒性而使加工品品质严重下降[5]。一直以来,褐变都是山药贮运加工的主要障碍[6],每年造成的损失占山药总损失量的50%以上[7]。为防止山药褐变,目前常采用的方法主要有三类:a)预煮、高压、微波、射线照射、气调包装等物理方法;b)使用氯化钠、氯化钙、柠檬酸、醋酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸、谷胱甘肽等药剂浸泡的化学方法;c)利用柠檬、洋葱、八角茴香、牛至等植物提取物包覆的生物方法。这些方法对山药褐变均能起一定的抑制作用,但仍存在诸如营养成分易流失、药剂残留、成本较高、实施困难等不足。
为尽可能地减轻山药褐变,提高山药加工产品的外观、品质和产量,本文拟在弄清山药褐变原因的基础上,系统总结山药加工中的褐变防控技术,分析其中存在的问题,为山药加工中褐变防控技术的进一步发展提供理论基础和实践参考。
1 山药加工中褐变产生的原因
酶促褐变与非酶促褐变是山药褐变的主要原因,均与山药所含成分和加工技术有关。了解褐变的原因,有助于选择适当技术来进行防控。
1.1 山药加工中的酶促褐变
酶促褐变是指在有氧化酶和过氧化酶的作用下,多酚类物质与空气中的氧气接触而产生的褐变[8]。它的发生条件有3个:酚类物质、氧化酶和过氧化酶、氧气。
1.1.1 山药中的酶促褐变底物
酚类物质是酶促褐变的底物。多酚虽然不是山药块茎中的主要成分,但却以黄酮类、酚类和酚酸类等多种形式存在于山药块茎中[1]。儿茶素和原花青素二聚体是山药中的主要酚类成分,它们和多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)的亲和力较高,在经氧化、缩合成醌后使山药发生褐变[9]。因此,儿茶酚胺、花青素-3-葡萄糖苷、(+)儿茶酚和原花青素低聚物等都易引起山药褐变[10],它们含量的高低与褐变程度呈正相关[8,11]。
多酚类物质的成分及含量因山药种类与块茎部位而异。紫山药(D.alata)中富含花青素和类黄酮等酚类化合物,包括阿魏酸、辛酸、香草酸、咖啡酸、对香豆酸、脱水槲皮素和山萘酚等,而黄山药(D.bulbifera)中含有的酚类物质主要是儿茶素、二氢菲和杨梅素等[1,12]。山药块茎头部和中部的总酚含量高于尾部,皮中总黄酮和酚类含量高于肉中,因而块茎头部褐变程度高于中部和尾部,皮比肉的褐变程度更高[6,13]。此外,薯蓣属植物对生态环境敏感,地理位置、生态环境、栽培条件等都会影响山药中酚类物质的种类和含量,从而对山药块茎的褐变程度产生影响[1]。
1.1.2 山药中的氧化酶与过氧化酶
PPO与过氧化物酶(peroxidase,POD)是酶促褐变的主要酶类。PPO是一种常见的天然多酚氧化还原酶,有游离态和结合态2种,其中只有游离态有催化活性。PPO与儿茶酚有很高的亲和力,反应的最适pH值为6.0,最适温度为35 ℃,在较高温度下的热稳定性较差[14]。POD作用的底物有上百种,能催化氧化酚类和黄酮类。在H2O2存在下,POD可氧化分解抗坏血酸和谷胱甘肽,破坏细胞膜脂而引起褐变[3,15]。
山药在切割后的快速变色与多酚类化合物在PPO或POD作用下的强烈氧化和聚合密切相关[3, 16-17]。褐变中起主要作用的是PPO还是POD,可能因山药品种或种类而异。白山药(D.rotundata)中,GRAHAM-ACQUAAH等[6]和CHILAKA等[18]发现POD与褐变指数(browning index,BI)的相关性高于PPO,而PENG等[9]却发现白山药褐变主要由PPO引起,推测这种差异可能由白山药品种不同引起;在紫山药、甘薯(D.esculenta)、黄薯蓣(D.cayenensis)、白山药和麦克隆山药(D.dumentorum)这5种薯蓣属植物中,前3种的BI与PPO活性有86%的高度相关,而后2种的BI则与PPO活性分别只有9%和40%相关,褐变在PPO活性降低之后才大量发生[19]。此外,PPO或POD活性还与块茎部位有关,如白山药2个品种的POD活性均是在块茎头部高于中部和尾部,而PPO活性在3个部位中则无明显分布规律[6]。
除PPO和POD外,植物组织中还存在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)等与酶促褐变相关的其他酶类。PAL是苯丙氨酸代谢途径中的重要酶类,催化L-苯丙氨酸脱氨生成反式肉桂酸,然后经由肉桂酸4-羟化酶催化转化成各种酚类物质,是酚类物质合成的关键酶,在活性较高时能促进木质素和总酚的生成,可加速褐变的产生[3,11, 17]。CAT、SOD和APX是保护细胞膜的关键酶,可以清除自由基、活性氧等物质,防止细胞膜受到损害。其中,CAT是一种内源性过氧化氢清除酶,活性下降会加大褐变程度;SOD能歧化细胞内的超氧化物并及时清除过多的活性氧而抑制褐变;APX是活性氧代谢中的重要抗氧化酶,能催化抗坏血酸的氧化还原和清除过氧化氢,活性升高时能降低超氧阴离子产生速率、减轻脂质过氧化作用而抑制褐变[15,20]。
1.1.3 氧气
表皮、气孔、皮孔和细胞间隙是植物组织获取生命过程所需氧气的气体交换系统。山药加工过程中的去皮、切分、破碎等会对气体交换系统造成损伤,使氧气进入细胞和组织的机率增大,提高褐变发生的可能性[21]。
1.2 山药加工中的非酶促褐变
非酶促褐变主要由山药中多糖与蛋白质的聚合与络合,以及它们与金属之间发生的反应引起[8],包括美拉德反应(Maillard reaction,MR)、焦糖化反应(caramelization,又名卡拉蜜尔效应)、抗坏血酸自身氧化褐变等。在有些种类山药的褐变中,非酶促褐变可能占主导地位[19]。
1.2.1 美拉德反应
美拉德反应又称羰氨缩合反应,是醛、酮、还原糖等羰基化合物与氨基酸、蛋白质、胺、肽等氨基化合物通过缩合、重排、裂解、氧化修饰后,最终生成棕色至黑色的大分子物质类黑素。该反应会加深色泽、减少多酚等营养成分、生成晚期糖基化产物和丙烯酰胺等有毒物质,也会让产品呈现不同香气和风味[2]。糖和蛋白质等羰基和氨基化合物的含量和种类影响非酶褐变发生的程度和速度[7]。通常情况下,糖和氨基酸的含量越高,非酶褐变发生机率越大,且非酶褐变速率的大小在氨基酸中为赖氨酸>苏氨酸>甘氨酸>丝氨酸>丙氨酸>半胱氨酸,在糖中则为木糖>果糖>半乳糖>乳果糖>葡萄糖>蔗糖[22]。此外,反应相的pH值、温度、时间、水活性、金属离子等也会影响非酶褐变。一般而言,pH值、温度和时间的值越高,水活性的值越低,则非酶褐变生成产物的种类越多且含量越高[22-23]。金属离子中的Fe2+、Fe3+、Cu2+、Li2+等会促进非酶褐变,而Sn2+、Ca2+、K+则会抑制非酶褐变[7]。
1.2.2 焦糖化反应
山药中的糖类除与氨基化合物发生美拉德反应外,还会因温度升高而发生焦糖化反应。无氨基化合物存在情况下,当温度升至140～170 ℃以上,糖苷键会脱水或分解,生成许多中间物质,包括带有香气但有一定潜在毒性的5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)等呋喃类化合物,以及类黑素等,从而引起褐变[5]。山药的焦糖化反应与糖含量及加工温度间高度正相关,预煮、化学抑制剂等浸泡处理会显著减少山药中可溶性固形物含量,因而显著降低山药在高温油炸后的非酶褐变程度[23]。
2 山药加工中的褐变防控
山药加工过程中,常采用抑制酶活性、减少原料与氧气的接触等物理、化学和生物的方法来防控褐变。此外,为防止非酶褐变,还应避免使用金属器具[7]。
2.1 山药褐变的物理防控
2.1.1 温度调节
低温能通过降低酶活性来抑制鲜切山药的酶褐变。温度对引起脂质过氧化的硫代巴比妥酸反应物质和酚类化合物的水平起物理调节作用,并刺激SOD、CAT和APX等参与细胞保护的酶,以及PPO和POD等参与酚类化合物氧化酶的活性,而降低温度能减弱这些酶活性[3]。另外,山药的呼吸作用和相关酶活性在温度较低时也会受到抑制,新陈代谢速率变缓,细胞膜脂过氧化损伤减少,从而减缓褐变[24]。
热处理(预煮)是预防山药酶褐变的常见预处理方式,主要起钝化PPO或POD的作用[9]。PPO和POD对预煮温度和时间的敏感性差异较大,它们的热稳定性可能因山药种类或品种而异。黄薯蓣和白山药中PPO热稳定性低于POD,PPO活性在65 ℃下预煮20 min后显著降低,但POD活性却是在之后的40 ℃干燥处理5 d后才显著降低[10];而紫山药中则是PPO热稳定性高于POD,在60或65 ℃下预煮20 min后PPO活性显著下降50%,但POD活性却几乎降至零[8]。此外,预煮的温度和时间对山药褐变程度有显著影响。ABANO等[25]比较了白山药在70～90 ℃下预煮1～5 min的BI,发现70 ℃下预煮5 min的防褐变效果(BI=0.029)显著优于90 ℃下预煮1 min(BI=0.127)。在选择预煮温度和时间时,除了考虑褐变防控效果外,还需避免原料的热敏性及水溶性营养成分损失过多,一般应选择较高温度下进行较短时间的预煮处理[26]。值得注意的是,预煮只起钝化酶的作用,当预煮不再进行后,POD可能会重新激活,从而引起加工后的山药再度褐变[8]。
2.1.2 高压处理
高压是一种抑制PPO活性的非热技术,能有效防止酶促褐变,并避免热处理易导致的营养物质流失和感官特性变差的缺点[5]。近年来,动态高压微流化技术被认为是一种新兴的、有前途的流体食品连续生产技术,增加压力能抑制黑色素自由基的产生,进而抑制非酶褐变。与对照相比,经160 MPa、4次循环的动态高压微流化技术处理后,山药汁的非酶褐变率显著下降64.7%,而且其细腻程度和稳定性都更高[27]。
2.1.3 隔绝氧气
隔绝氧气或除氧被认为是防止山药酶促褐变的有效措施[9]。真空是比较常见的氧气隔绝方式,在防止褐变的同时还能更好地保留山药的颜色和营养[28]。但真空干燥成本较高,且易使物料内外水分达到平衡而导致中后期干燥速率降低。相比之下,脉冲真空干燥能最大限度地提高能源效率,明显提高干燥速率和干品质量。XIE等[29]采用脉冲比为5∶2和10∶2的脉冲真空干燥,能显著提高山药干燥速率,避免因干燥时间长而造成褐变,还能解决真空干燥的高成本问题,最大限度地提高能源效率。
低O2高CO2的气调包装可通过减少O2、降低酚类化合物含量来抑制山药褐变[11]。GAO等[16]发现,在25%乙醇和1%抗坏血酸联合处理后,再以气调包装的方式来防止氧气渗入,能够抑制微生物生长并延缓山药褐变,其效果明显好于仅用乙醇和抗坏血酸的混合处理,且比真空包装延长2～3倍的贮藏时间。此外,一般聚合物在热稳定性、韧性、保湿性、透气性和抗菌性方面存在不足,而近年来兴起的纳米复合材料能改善上述性能,加强气调包装抑制褐变的效果。如LUO等[30]发现纳米CaCO3基低密度聚乙烯(nano-CaCO3-based low density polyethylene,nano-CaCO3-LDPE)气调包装能维持鲜切山药的整体视觉质量、可滴定酸和抗坏血酸含量,而且鲜切山药的BI、总酚和丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量显著低于低密度聚乙烯气调包装,表明nano-CaCO3-LDPE包装是一种能抑制鲜切山药褐变并保持其品质的有效方法。
可食性涂膜能调控物料内外水分和O2,减少水溶性成分的流失,近年来被广泛用于果蔬褐变的防控。能用作可食性涂膜的材料较多,常用的是多糖类、蛋白质类、类脂类及它们的复合物。多数情况下,可食性涂膜常与护色剂联合使用以增强褐变防控效果。如HUANG等[31]用海藻酸钠制成可食用涂膜,既能阻止β-环糊精-牛至精油微胶囊的气体交换、水分损失和精油蒸发,还能防止O2和水蒸气进入,减缓并抑制呼吸代谢和花青素氧化,从而防止紫山药鲜切片的褐变并延长保质期;ZHANG等[32]用黄原胶包覆羟丙基-β-环糊精-八角茴香精油形成可食用涂层,既利用了八角茴香精油的抗氧化和杀菌作用,也阻止了O2进入和水分交换,显著降低PPO活性,防止了山药褐变;而GUAN等[33]用海藻酸钠包被羟丙基-β-环糊精-八角茴香精油,同样显著抑制山药褐变。
2.1.4 辐照处理
短波紫外线(ultraviolet radiation c,UV-C)辐照是一种非热技术,具有设备价格低廉、易于应用、无需添加化学药品、无有毒副产物产生、对环境友好等优点,常用作消毒杀菌,还用作鲜切果蔬的氧化褐变防控。UV-C处理剂量和时间显著影响山药的褐变防控效果。TEOH等[34]发现13.68 kJ/m2 UV-C显著提高PAL活性,而6.84 kJ/m2 UV-C结合0.1% CaCl2浸渍处理则不仅显著降低PPO、POD和PAL活性及BI,还能保持较高的山药总酚含量,褐变防控效果显著优于13.68 kJ/m2 UV-C处理;ZHAO等[35]用0、4、8、12、24 kJ/m2 UV-C处理鲜切山药后发现,8 kJ/m2 UV-C显著抑制PPO和POD活性及细菌总数,显著增加PAL基因表达、PAL活性、呼吸速率和总酚含量,显著降低可溶性醌积累量和BI,有效抑制了山药鲜切片的褐变,同时保持了山药的可溶性固形物含量和硬度。不同于TEOH等[34]发现的UV-C结合CaCl2浸渍防褐变效果好于UV-C单独处理的是,ZHAO等[35]发现UV-C单独处理也能显著抑制山药褐变。
2.2 山药褐变的化学防控
以低浓度、无毒、高活性的化学抑制剂浸泡或熏蒸是抑制果蔬褐变的有效方法。常用的抑制剂有亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、NaCl、CaCl2、植酸、柠檬酸、乙醇、乙酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸、谷胱甘肽等还原剂、酶抑制剂、酸化剂和螯合剂[1,7,9]。它们通过抑制PPO或POD的活性,或与酶竞争性地结合酚类底物,使酚类底物结构发生改变而防止酶促褐变。苏艳丽等[7]发现,柠檬酸、L-半胱氨酸、抗坏血酸、CaCl2、β-环糊精、EDTA、偏亚硫酸氢钠、茉莉酸甲酯、4-己基间苯二酚等对PPO活性有较强抑制作用。但也有研究发现[9],抗坏血酸抑制PPO活性的效应相对较差,对POD活性却有较强抑制作用。此外,有的抑制剂如200 mL/L乙醇熏蒸能通过显著抑制PAL活性,并延缓总酚积累来抑制褐变[11],而SO2或亚硫酸氢钠则主要通过与醌生成无色加成产物来抑制褐变[36],电解氧化水则以氯化合物的形式通过降低PPO、POD和PAL活性来抑制紫山药褐变[14]。
化学抑制剂的种类、浓度及处理时间等显著影响山药褐变抑制效果,且有些抑制剂之间还存在协同效应。在使用0.25%、0.5%和1%的抗坏血酸、柠檬酸、乙酸和焦亚硫酸钠处理山药片1 h或2 h后,KRISHNAN等[37]发现0.25%柠檬酸处理1 h后的护色效果最好,而抗坏血酸处理组最差。0.1%乙酸或0.1%马来酸(顺丁烯二酸)处理山药鲜切片能显著抑制褐变和腐烂现象,延长在4 ℃时的贮藏期,其效果显著优于柠檬酸和抗坏血酸[38]。GAO等[16]以25%乙醇和1%抗坏血酸并辅以气调或真空包装处理鲜切山药片,发现单一处理的防褐变效果显著低于联合处理,25%乙醇联合1%抗坏血酸处理后再以气调包装的样品抗褐变能力显著强于任何单一处理。
有的化学抑制剂不仅能抑制褐变,还能保持山药较高的抗氧化活性。RATNANINGSIH等[12]以自来水、0.2%亚硫酸钠和0.1%抗坏血酸分别浸泡紫山药20 min进行预处理,发现与其他处理相比,0.2%亚硫酸氢钠浸泡不仅显著降低紫山药的BI,还显著提高紫山药中总花青素、酚类和类黄酮含量,明显提高山药的抗氧化活性。值得注意的是,使用化学抑制剂时除根据原料种类及状态来确定护色剂的种类和浓度外,还需配以适宜的条件才能达到较好的褐变抑制效果。如PPO的最适pH值为4.5～8.0,当pH<3.0时,强酸性条件会使酶蛋白中的铜离子解离,导致酶活性降到最低,产生不可逆转的失活,因此应用抑制PPO活性的化学抑制剂时,需辅以适宜的pH值来防止褐变[36]。
2.3 利用植物提取物防控山药褐变
某些生物提取物具有安全、低毒、抗氧化和抗微生物活性,可显著抑制PPO或POD活性而用于褐变防治与食品保鲜,被认为是人工食品添加剂的适宜替代品[17]。目前已发现[7,39],食用大黄、蜂胶、洋葱、桑枝、柠檬、杜仲叶、银杏叶、葡萄叶、萝卜、松针等提取物对PPO活性有一定的抑制作用,且其抑制效果随提取物浓度增大而增加。将这些提取物按比例混合,或者与其他护色剂搭配使用时,效果可能更佳。如银杏叶提取物1.5 mL+杜仲叶提取物0.5 mL+葡萄叶提取物1.5 mL+维生素C 0.006%对梨PPO活性的抑制率可达95%,显著高于它们各自单独使用的效果[7]。此外,有些植物如大豆、橡胶等种子中含有的脂氧化酶能降解山药中的多酚,使多酚含量减少而抑制褐变,且经提纯后的脂氧化酶浓度越高、处理时间越长,则山药中多酚含量降低得越多,对山药褐变的抑制效果越佳[40-41]。
天然植物精油普遍具有抗菌特性和抗氧化特性,但由于具有挥发性而难以保存,加上水溶性和物理化学稳定性差,使其应用受到一定的限制。环糊精及其衍生物能提高精油和其他挥发性化合物的水溶性、热稳定性、光稳定性和贮存性,并掩盖部分精油的难闻气味[32],用其包合植物精油后再经可食用涂膜包覆,则不仅能利用精油的抗菌特性和抗氧化特性,还能增加其均匀性和稳定性,使精油以受控的方式释放,进而防止山药褐变并延长山药保质期。牛至精油[31]和八角茴香精油[32-33]在用β-环糊精包合制成微胶囊后,再与海藻酸钠或黄原胶等可食用涂膜相结合,均能显著降低山药鲜切片的PPO活性和BI,而且山药DPPH自由基清除率、抗氧化活性还显著增加。此外,BAI等[17]采用低毒且应用广泛的食品乳化剂山梨糖醇单油酸酯(span 80)和聚乙二醇山梨糖醇单油酯(tween 80)与丁香酚一起制成丁香酚乳剂,能显著提高丁香酚的水溶性和稳定性,且显著降低山药鲜切片的PPO、POD、PAL和脂肪氧化酶(lipoxygenase,LOX)活性,以及总酚、活性氧、过氧化氢和MDA含量,显著提高CAT活性、DPPH自由基、ABTS阳离子自由基的清除能力和铁还原抗氧化能力,即经乳化后的丁香酚可通过增强山药抗氧化能力,减少活性氧诱导的膜脂代谢,降低酚类物质的合成、积累与氧化,最终抑制褐变,且抑制效果随丁香酚浓度增加而增大。
3 山药加工中褐变防控的不足与建议
目前国内外对山药褐变产生的原因及防控研究已取得较大进展,有些方法已转化应用到山药加工生产中,为山药褐变防控提供了技术保障。然而,山药加工中必然存在的去皮、切分、破碎等过程,难以避免酚类等褐变底物与氧化酶、过氧化物酶、氧气的接触而引发褐变。为尽量降低山药褐变,减轻加工损失并提高山药加工品品质,仍有许多问题亟待研究和解决。
3.1 加强山药褐变机理研究
褐变底物及相关酶活性是果蔬褐变的主要影响因素。褐变底物的种类和含量、PPO和POD等酶的活性不仅在山药不同种类和品种间存在差异[7],还与加工条件密切相关。如RINALDO等[42]用高效液相色谱串联紫外可见光及质谱技术测定山药多酚谱后发现,品种的褐变程度与PPO底物及PPO活性密切相关:与高度易褐变品种“INRA15”相比,中度易褐变品种“Kabusah”中含有的能抑制PPO活性的原花青素含量明显高4.4倍,且不含PPO底物儿茶素;薛扬等[26]发现超声通过机械效应和空化效应使山药内部结构疏松,减少物料对水分的束缚力而缩短干燥时间进而降低褐变。进一步研究中,可运用质谱等技术测定山药的多酚种类和含量,结合山药褐变程度探索并细化多酚种类、结构、数量与褐变相关性,找到与褐变密切相关的褐变底物种类、结构和数量,并制定相应措施控制它们发生褐变;还可探索物理、化学和生物等方法在降低山药褐变中的条件和机理,进而改良山药褐变防控方法。
3.2 选育无褐变或低褐变山药品种
选育出无褐变或低褐变的山药品种,可以从根源上解决山药褐变问题。氧化褐变是决定山药品质特征的一个重要指标[43],与品种及所处的地理位置、生态环境、栽培条件等密切相关[1, 44]。ADEJUMOBI等[45]在刚果(金)的6个山药品种共191份材料中发现,氧化褐变基因型与表现型的变异系数均在40%以上,说明抗氧化褐变品种的选择潜力较大,据此他们选出了块茎褐变率较低的紫山药品种。进一步的全基因组关联分析发现,紫山药的氧化褐变与5号染色体上的2个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标记“Chr5_118279”和“Chr5_125093”显著关联[43],或与1号、2号、6号和18号染色体上的4个SNP密切相关,说明氧化褐变由几个基因组区域控制,并受到基因型-环境互作的影响[46]。LEBOT等[47]在多个地理来源(尼日利亚、越南、巴布亚新几内亚和瓦努阿图)的388个紫山药品种和162个精选杂交种中选出多个低褐变品种,并且发现总皂苷和儿茶素含量与氧化速度、BI相关,建议选择低褐变品种时,可根据皂苷和儿茶素含量较低来确定。上述研究表明,选育出低或无氧化褐变的山药品种潜力较大且存在可能,并且酚类物质种类与含量应是主要选育指标。未来可加强此方面研究,以选育出适宜加工的低褐变或无褐变山药品种,进而减少加工过程中的褐变防控环节,既能节省成本,又能提升山药加工产品品质。
3.3 防止营养成分的流失
预煮和浸泡是常用且有效的褐变防控方式,但易导致营养物质流失和感官特性变差[23,27]。山药原料中的糖、氨基酸、有机酸等水溶性成分易溶于溶液,可溶性固形物含量显著减少[23]。抗坏血酸、柠檬酸、乙酸和亚硫酸钠等化学抑制剂在降低山药BI的同时,也将山药中的淀粉、还原糖、氨基酸、酚等营养成分流失在浸泡液中[37]。如鲜山药在70 ℃热水中烫漂5 min,再90 ℃热风干燥后,虽然BI显著降低,但山药中抗坏血酸含量却显著降低87.8%[25]。因此,需探寻能减少营养成分流失的方法,在降低BI的同时,保持住山药中的营养成分和感官特性。
防止营养成分流失的关键在于勿将山药块茎置于水或其他溶液中,熏蒸或可食用膜包被等能避免山药块茎浸泡于溶液中而发生营养成分流失现象。如乙醇熏蒸在抑制鲜切山药褐变的同时,减少了有机酸、碳水化合物、矿物质、蛋白质和脂肪等总可溶性固形物的损失,保持住了山药的品质[11];柠檬酸+海藻酸钠+环糊精-牛至精油微胶囊混合制备的可食用包衣膜在有效抑制褐变的同时,紫山药中可溶性固形物总量、抗坏血酸和花青素含量均得以保持[31]。此外,高压、脉冲电场、超声波和高压均质等非热技术通过空化、剪切应力、湍流和撞击等作用,不仅能使微生物失活,降低BI,还能保持原料最初的颜色、味道和香气[27];冷冻干燥在避免了阳光曝晒和烘箱干燥易导致山药褐变缺点的同时,能最大限度地减少可溶性固形物的损失,保存住挥发性化合物[48]。值得注意的是,在防止营养成分流失的同时,还需考虑所用方法防控褐变的有效性、所用药剂的安全性和无残留,以及低成本等问题。
3.4 适宜的加工工艺
适宜的加工工艺有助于降低褐变程度。如干制是山药加工中的常用手段,通常有日光曝晒、烘箱烘干和冷冻干燥等方式。SETYAWAN等[48]发现,冷冻干燥法比烘箱干燥法、风干干燥法和喷雾干燥法更能防止山药褐变。即使是同样的烘箱干燥方式,干燥温度不同对干燥速度和褐变程度都有显著影响。如50 ℃、60 ℃和70 ℃三种干燥温度下,以50 ℃的护色效果最佳,适于山药干燥[44]。XIE等[29]提出用脉冲真空干燥既能加快干燥速度,又能降低真空干燥成本,显著提高干燥效率的同时还抑制了山药褐变。薛扬等[26]发现超声可强化干燥能力,通过缩短干燥时间而减少样品与氧气接触时间,同时抑制酶的作用而降低山药在干燥中的褐变。
鲜切山药加工中,PPO、POD、SOD、CAT、APX等酶活性,以及酚类含量等在损伤组织附近比较远的组织中更高,也更易暴露在空气中而引发氧化褐变。MORAIS等[20]运用表面磨蚀技术将去皮山药的表面去除约5 mm,留下一层备用薄壁细胞,制成细小的“城堡”形状后,发现其比常见的圆形、块状等鲜切山药更能保持低水平的酚类物质、PPO、POD、SOD、CAT和APX酶活性,更抗褐变,且保质期更长。
预处理虽然能抑制褐变,但由于多数情况下酶的活性只是被钝化,加工过程中若方法不当,可能会重新激活酶活性,再度引起褐变[8]。因此,今后还需加强山药加工工艺中的褐变控制研究,以尽量减少褐变,提高山药加工品质。
4 结论
褐变一直是山药贮运加工的主要障碍,严重降低山药加工品品质和产量。酶促褐变与非酶促褐变是山药加工中褐变产生的主要原因,而山药中酚类物质的种类和含量,PPO、POD、SOD、CAT和APX活性,原料与氧气接触程度等直接影响酶促褐变速率与程度;羰基化合物和氨基化合物的种类与含量、加工温度和时间、金属种类等与山药非酶褐变速度与程度密切相关。目前常采用3种方法来防控山药褐变:a)低温、预煮、高压、隔绝氧气、辐照等物理方法;b)以低浓度、无毒、高活性的化学抑制剂浸泡或熏蒸的化学方法;c)利用安全、低毒、抗氧化、抗微生物的生物提取物包覆的生物方法。
今后需加强山药褐变机理、选育无褐变或低褐变山药品种、防止营养成分流失和选择适宜加工工艺等方面研究,以尽量降低山药褐变,减轻加工损失并提高山药加工产品的品质和产量。
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