超声波处理鲜切马铃薯片对多酚氧化酶活性的影响

王 宁，张艳艳，张春燕，王艾丽，闫陆飞，李东东

（榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000）

马铃薯（Solanum tuberosumL.）又称土豆、洋芋，是我国重要的粮食作物之一，有着“地下苹果”的美名[1-2]。马铃薯含有丰富的营养物质，膳食纤维含量较高，还有多种生物活性物质和人体所需的必需氨基酸[3]。鲜切马铃薯因其新鲜、卫生、方便、适用性广等特点十分符合现代快节奏的生活需求，因此发展前景广阔。但鲜切马铃薯在加工过程中受到机械碰撞后细胞壁和细胞膜的完整性遭到了破坏，从而使多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，PPO）与酚类物质发生氧化反应生成醌，醌类物质进一步聚合氧化生成黑褐色物质[4]。褐变对鲜切马铃薯的感官品质、食用价值造成严重影响。因此，提高鲜切马铃薯的品质，延缓氧化褐变是其加工产业发展中急需解决的一个难题[5-6]。

目前，国内外对于马铃薯的褐变问题主要采取物理、化学、生物学等方法处理从而达到延缓效果[7]。超声波技术是指频率范围为1.6×104～1.6×109Hz，高频率的机械振动在介质中形成巨大剪切力和高温的声波，从而使物质的结构和功能等发生物理或者化学变化[8]。超声波技术是一种非热加工技术，短时间的处理能较好地保持鲜切果蔬原有的营养成分和食用品质[9-11]。超声波技术在果蔬保鲜方面的应用主要是激化或钝化某些酶、杀灭微生物等[12]。大量研究表明超声波技术通过对介质的空化作用、机械作用可导致酶发生钝化。杨明冠[13]研究发现随着超声波功率的增大、超声波时间的延长，酶活性逐渐降低。FAN 等[14]研究表明，超声处理鲜切莴苣10 min， 12 d 内处理组PPO 活性较对照组显著降低。陈晨等[15]研究表明UV-C 处理能有效延缓鲜切梨的褐变。QIAO 等[16]研究表明，超声处理鲜切马铃薯5 min，实验结果得出PPO 活性明显低于未处 理组。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

夏波蒂马铃薯，取自榆林市农业科学研究院；邻苯二酚、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠，购自榆林市天丰昌医教科技有限公司，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TU-1900 紫外分光光度计，山西盛安泰科技有限公司；FS-1200N 超声波处理器，山西盛安泰科技有限公司；高速冷冻离心机，山西盛安泰科技有限公司；万分之一天平，瑞士梅特勒-托利多；电冰箱，海尔集团。

1.3 试验方法

1.3.1 鲜切流程

马铃薯→清洗→切分→消毒→超声波处理→擦干→包装→低温贮藏。

1.3.2 操作步骤

①清洗。马铃薯用自来水冲洗，去除一些造成污染的物质灰尘、表面污物以及杀虫剂残留；配制浓度为500 μL·L-1NaClO 溶液浸泡消毒5 min。②去皮切分。用消毒后的锋利刀具纵向分割，切成3 mm厚的马铃薯片。③消毒。将切分好的马铃薯片放入浓度为200 μL·L-1NaClO 溶液中消毒5 min。

1.3.3 超声波处理

消毒后的马铃薯切片浸泡在装有500 mL 蒸馏水的烧杯中，烧杯外层用冰浴处理，将变幅杆探头调节至液面下2 cm 处，在此条件下进行超声，用纱布将处理后的马铃薯片表面的水分轻轻拭干，每袋装入3片大小、厚度均匀的原料，每组做3 个平行，放入 4 ℃冰柜冷藏待测。

1.3.4 PPO 的测定

参照范凯[17]的方法并稍作修改。

1.3.5 单因素试验

（1）超声功率的筛选。精密称取马铃薯，固定超声时间10 min，超声温度20 ℃，超声功率设为120 W、240 W、420 W 和600 W。按PPO 活性测定公式，计算鲜切马铃薯片PPO 的活性。

（2）超声时间的筛选。精密称取马铃薯，固定超声功率240 W，超声温度20 ℃，超声时间设为 5 min、10 min、20 min和30 min。按PPO活性测定公式，计算鲜切马铃薯片PPO 的活性。

（3）超声温度的筛选。精密称取马铃薯，固定超声功率240 W，超声时间10 min，超声温度设为0 ℃、10 ℃、15 ℃和30 ℃。按PPO 活性测定公式，计算鲜切马铃薯片PPO 的活性。

1.3.6 响应面优化设计

参考单因素试验的结果，将超声功率、超声时间、超声温度定为自变量，马铃薯PPO 活性值定为响应值，根据中心组合设计原理，设计3 因素3 水平的实验，如表1 所示。

表1 响应面实验因素与水平设计

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 超声功率对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

如图1 所示，当超声时间和温度是固定值时，超声功率对鲜切马铃薯片PPO 活性有显著的影响。在超声功率为0 ～600 W 时，PPO 活性先逐渐下降后出现上升，在超声功率为420 W 时，PPO 活性最小，为141.53 U·g-1，较未处理组显著降低了22.21%（P＜0.05）。在超声处理过程中，随着功率的增大，鲜切马铃薯PPO 活性会降低是由于超声波的空化效应，由微气泡的形成与坍缩而产生的空化可释放大量的能量从而对酶起到钝化作用[18]，气泡收缩及崩溃瞬间呈现出局部的高温和高压，可导致酶失去活性[19]。空化效应会破坏酶蛋白的空间构象，使蛋白结构发生变化、生物活性丧失[20]。罗佳丽[21]研究发现，120 W、4 min 的超声处理最大程度的降低鲜切紫薯的PPO 活性。

图1 超声功率对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

2.1.2 超声时间对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

如图2 所示，当超声功率和温度是固定值时，超声时间对鲜切马铃薯片PPO 活性有显著的影响。当超声处理时间延长至20 min，酶活性最小，为144.71 U·g-1。与未处理组相比（179.75 U·g-1），酶活性降低了19.49%（P＜0.05）。王文宗等[22]研究表明，超声处理可以在一定程度上使PPO 的分子构象发生改变，而酶的活性出现先下降后上升的趋势可能是由于PPO 在组织中以两种形式存在，分别是膜状PPO 和游离PPO，超声会增强马铃薯细胞膜的通透性，导致更多的膜状PPO 脱离[23]。

图2 超声时间对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

2.1.3 超声温度对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

如图3 所示，当超声功率和时间一定时，随着温度的升高PPO 活性先呈下降趋势，在10 ℃达到最低，这可能是由于随着温度的升高，分子的热运动加剧破坏了PPO 的三维结构，导致其活性降低[24]。当温度超过10 ℃，PPO 活性又出现逐步上升 趋势。

图3 超声温度对鲜切马铃薯片PPO 活性的影响

2.2 响应面实验结果与分析

响应面实验设计结果如表2 所示。对表2 实验数据进行多元回归拟合，得到A、B、C3 个因变量与响应值PPO 活性的回归模型Y=333.58-0.66A-5.26B+0.72C+0.003AB-0.002AC-0.005BC+0.000 7A²+0.10B²+0.03C²。

表2 响应面实验设计方案及结果

回归模型进行方差分析的结果见表3。由表3 可知，在此模型中A、B、C、AB、A²和B²项对试验结果的影响极显著（P＜0.01），BC交互项对试验结果的影响不显著（P＞0.05），剔除不显著项后二次回归方程为Y=333.58-0.66A-5.26B+0.72C+0.003AB-0.002AC+0.000 7A²+0.10B²+0.03C²。

由表3 可知，回归模型的P＜0.01 说明显著性较高，能较好地模拟出真实曲面。失拟项P=0.103 1，F=4.1，二者均大于0.05，差异不显著，说明模拟性较好。R²=0.996 4、调整后的R²Adj=0.991 8，二者差异小于0.2，说明该模型拟合度较好。变异系数为1.22%＜10%，精密度为51.01 ＞4，表明该模型有较高的精密度。由F值可知，对马铃薯PPO 活性影响程度大小的因素依次是超声功率＞超声时间＞超声温度。

表3 回归方程系数及显著性检验

响应曲面的曲面坡度及等高线的偏离程度可直观地反映各因素间的交互作用强弱[25]。响应面坡度陡峭程度、等高线椭圆形状均能反映出超声功率、超声时间、超声温度这3 个因素互相作用的强弱。曲面倾斜度越大，则该因素对响应值的影响越显著。由图4 ～图6 可知，超声功率与超声时间的交互作用对马铃薯PPO 活性的影响程度最大，超声功率与超声温度的影响次之，超声时间与超声温度对PPO活性的影响最小，各因素的交互作用对PPO 活性影响的显著性为AB＞AC＞BC。

图4 等高线图和响应曲面图

图6 等高线图和响应曲面图

通过响应面软件的分析优化出抑制PPO 活性的最佳处理条件为超声功率429.05 W，超声处理时间19.77 min，超声处理温度10.48 ℃。在此条件下，马铃薯PPO 活性为136.49 U·g-1。根据实际情况，调整最佳处理条件为超声功率420 W，超声时间 20 min，超声温度10 ℃。在此条件下进行试验，得到PPO 活性为139.32 U·g-1，与理论值相近，说明此模型与实际基本实现吻合，进一步说明该方法是可行且可靠的。

图5 等高线图和响应曲面图

3 结论

通过单因素试验和响应面试验，探究了不同因素对鲜切马铃薯PPO 活性的影响，得出最佳处理条件为超声功率420 W，超声时间20 min，超声温度10 ℃。在此条件下，鲜切马铃薯的PPO 活性为139.32 U·g-1，与理论值136.49 U·g-1相近，说明该模型准确度较高。研究结果表明超声处理可以显著延缓马铃薯的氧化褐变，因此研究结果可为实际生产提供一定的理论基础和技术支持。但超声可以延缓马铃薯氧化褐变的机理尚不明确，这也是今后继续研究的一个方向。