超聲波滅酶機(jī)制及其在食品加工中的應(yīng)用

程新峰，蔣凱麗，朱玉鋼，杭 華，張 慜（.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽蕪湖400；.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫4）

超聲波滅酶機(jī)制及其在食品加工中的應(yīng)用

程新峰1，蔣凱麗1，朱玉鋼1，杭 華1，張 慜2
（1.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽蕪湖241002；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122）

超聲波是一項(xiàng)新型食品加工技術(shù)，已被廣泛用于食品加工中各個(gè)操作單元，如殺菌、滅酶、果汁脫氣等。本文首先概括了超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的機(jī)理，隨后分析了影響超聲波滅酶效果的因素，最后介紹了超聲場(chǎng)下酶失活動(dòng)力學(xué)模型及該技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出其中存在的問題，以期望為超聲波滅酶技術(shù)在食品加工中的開發(fā)與利用提供理論支持。

超聲波，空化效應(yīng)，動(dòng)力學(xué)模型，機(jī)理，內(nèi)源酶

酶是一類特殊的具有催化活性的蛋白質(zhì)。作為生物催化劑，酶與化學(xué)催化劑相比，具有催化效率高、底物專一性強(qiáng)、易失活、可調(diào)控等特點(diǎn)。在食品加工貯藏過程中酶催化的生物化學(xué)變化會(huì)產(chǎn)生兩類不同的結(jié)果：加快食品變質(zhì)速度，如多酚氧化酶（PPO）能加快酚類物質(zhì)氧化，促使鮮切果蔬褐變發(fā)生；提高食品質(zhì)量，如脂肪氧合酶（LOX）能漂白小麥粉。滅菌、鈍酶是食品加工業(yè)重要的操作單元，其作用效果的好壞與食品品質(zhì)直接相關(guān)。雖然傳統(tǒng)熱處理能有效達(dá)到滅菌、鈍酶的效果，但同時(shí)也會(huì)破壞食品的營(yíng)養(yǎng)成分和天然特性，尤其對(duì)溫度敏感性成分。因此，為了最大程度地保持食品原有的感官特性和營(yíng)養(yǎng)成分，滿足消費(fèi)者的生活需求，如何應(yīng)用新型加工技術(shù)，鈍化酶的催化活力，殺滅微生物，已引起了人們的普遍關(guān)注，成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

超聲波是一種頻率介于2×104～1×109Hz之間的機(jī)械波，通過振動(dòng)它可以改變物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及功能。超聲波已被廣泛用于食品加工業(yè)中，依據(jù)其頻率范圍，其應(yīng)用主要分為兩類（如圖1所示）：一是MHz級(jí)高頻低能診斷型超聲波，主要用于食品無(wú)損檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)價(jià)和過程控制；二是低頻高能超聲波，主要用于食品加工中各個(gè)操作單元，如殺菌、鈍酶、果汁脫氣、風(fēng)味成分萃取等［1］。近年來(lái)，超聲波作為一種非熱加工方式對(duì)果汁［2-4］、乳制品［5］的滅菌、鈍酶效果已被學(xué)者廣泛報(bào)道，而且相比熱處理，超聲處理還能較好地保持食品的營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性［6-7］。本文

將從超聲鈍化食品內(nèi)源酶的內(nèi)在機(jī)制、影響超聲波鈍酶效果因素、超聲場(chǎng)下食品內(nèi)源酶失活動(dòng)力學(xué)以及超聲波鈍化食品內(nèi)源酶在食品加工中的應(yīng)用等方面對(duì)超聲波滅酶技術(shù)的研究概況進(jìn)行分析。

圖1 聲波的頻率范圍Fig.1 Frequency ranges of sound waves

1 超聲鈍化食品內(nèi)源酶的內(nèi)在機(jī)制

對(duì)于大多數(shù)小分子物質(zhì)而言，超聲波的能量尚難以造成共價(jià)鍵斷裂；而針對(duì)生物大分子如蛋白質(zhì)，超聲波的各種效應(yīng)（空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、自由基效應(yīng)等）則可以造成分子間次級(jí)鍵斷裂，從而致使它們的空間構(gòu)象發(fā)生改變。酶是一類生物活性分子，其活性高低主要取決于酶分子構(gòu)象的合理程度。當(dāng)超聲波作用于酶分子時(shí)，釋放的能量可導(dǎo)致酶分子的空間構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響酶的催化活性。一般認(rèn)為超聲波影響酶活性有以下三種機(jī)制（見圖2）。

圖2 超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的機(jī)制Fig.2 The mechanisms of ultrasonic inactivation of food endogenous enzymes

1.1 超聲波空化效應(yīng)的作用

超聲波作用下空化氣泡的形成增加了水氣間的界面面積，擾亂了酶分子周圍環(huán)境（如氫鍵和疏水作用），從而導(dǎo)致酶分子空間構(gòu)象改變。Ma等發(fā)現(xiàn)采用功率為80 W的超聲波處理堿性蛋白酶4 min后，酶的活性相比對(duì)照增加了5.8%。熒光光譜和圓二色分析顯示超聲處理后堿性蛋白酶表面的色氨酸數(shù)量略微有所增加，酶二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如α-螺旋增加了5.2%，無(wú)規(guī)則卷曲減少了13.6%［8］。黃惠華等研究了超聲處理對(duì)大豆胰蛋白酶抑制劑KSTI和BBTI的影響，發(fā)現(xiàn)65%振幅超聲處理20 min后，KSTI抑制活性下降55%，BBTI的抑制活性基本上不變。圓二色分析顯示，KSTI的β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲含量分別從16.25% 和61.4%下降至10.8%和54%，而β-折疊的含量則從22.5%增加至35.2%，同時(shí)約71.5%的二硫鍵轉(zhuǎn)化為巰基。而BBTI的二級(jí)結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)穩(wěn)定，超聲處理20 min后，其組成結(jié)構(gòu)β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲基本不變，但有5.29%的二硫鍵轉(zhuǎn)化為巰基［9］。

1.2 超聲波化學(xué)效應(yīng)的作用

超聲處理產(chǎn)生的自由基也會(huì)造成酶活性變化。超聲波處理過程中，空化氣泡破裂瞬間會(huì)產(chǎn)生局部的高溫（高達(dá)5000 K）、高壓（50 MPa），致使水分子裂解形成氫氧根離子和氫離子［10］，它們與酶蛋白中部分氨基酸殘基作用，從而影響酶的穩(wěn)定性和催化活力。生物大分子作為自由基的陷阱，氫氧根所帶自由電子易被二硫鍵中胱氨酸殘基的硫原子淹沒，致使二硫鍵斷裂；而氫離子與胱氨酸殘基外露的硫原子作用，形成末端巰基基團(tuán)（RSH），從而使大分子的空間構(gòu)象產(chǎn)生變化。Barteri等研究了超聲處理對(duì)延胡索酸酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波作用產(chǎn)生的氫氧根離子加快了半胱氨酸殘基氧化，形成了二硫鍵，從而導(dǎo)致酶聚集而失活［11］。另外，Tian等研究了自由基清除劑的添加對(duì)超聲波鈍酶效果的影響，結(jié)果表明添加甘露醇能減弱超聲波對(duì)胰蛋白酶的鈍化效果，這也間接地反映了自由基參與酶的失活過程［10］。

1.3 超聲波機(jī)械效應(yīng)的作用

穩(wěn)定空化氣泡在液體介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)在周圍產(chǎn)生微射流和剪切力［12］，它們也會(huì)破壞維持酶蛋白空間構(gòu)象的氫鍵、范德華力等次級(jí)鍵，從而導(dǎo)致酶分子二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)改變，生物活性喪失。Bracey等發(fā)現(xiàn)隨超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，枯草蛋白酶活性逐漸降低。電鏡圖片顯示超聲處理30 min后，酶分子由片狀變?yōu)樾”P狀和桿狀，酶分子的平均直徑也由51.19 μm下降到1.93 μm［13］。Tian等采用HPLC-ESI-MS對(duì)超聲（300 W，10 min）處理后的胰蛋白酶碎片進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)樣品至少含有l(wèi)0種碎片，這說明經(jīng)超聲處理后，胰蛋白酶分子結(jié)構(gòu)遭到了破壞，從而影響了酶的活性［10］。雖然超聲處理影響酶活性的因素可以歸結(jié)為超聲波的空化效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及機(jī)械效應(yīng)，但食品加工過程涉及的酶多種多樣，它們的空間構(gòu)象、分子大小均存在差異，因此它們?cè)诔晥?chǎng)下的失活機(jī)制也會(huì)有所不同。此外，超聲處理是否對(duì)酶蛋白活性部位、輔助因子等造成影響，也有待于進(jìn)一步研究。

2 影響超聲波滅酶效果的因素

超聲場(chǎng)下食品內(nèi)源酶的失活程度主要取決于超聲波作用參數(shù)（如超聲波頻率、超聲波強(qiáng)度、處理時(shí)間等）、介質(zhì)特性和環(huán)境條件（溫度和壓力）。此外，超聲波滅酶效果的好壞還與超聲波發(fā)生器的類型和作用模式密切相關(guān)。下面將對(duì)這些影響因素進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 超聲波作用參數(shù)

超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的效果與參數(shù)的選擇密

切相關(guān)。影響超聲波作用效果的參數(shù)包括超聲波頻率、超聲波強(qiáng)度、振幅大小、超聲發(fā)生器類型以及超聲波作用模式（或占空比）。超聲波頻率是影響空化效應(yīng)強(qiáng)弱的重要因素，因?yàn)樗鼪Q定了介質(zhì)中空化氣泡的大小。一般而言，低頻超聲波下產(chǎn)生的空化氣泡尺寸較大，破裂時(shí)釋放的能量較多；相反，超聲波頻率越高，空化效應(yīng)則越弱，甚至無(wú)法發(fā)生，但產(chǎn)生的自由基數(shù)量較多。De Gennaro等比較研究了不同超聲波頻率（20、40、60 kHz）對(duì)辣根過氧化物酶（POD）鈍化效果的影響，作者發(fā)現(xiàn)在相同超聲強(qiáng)度下，隨超聲波頻率降低，POD失活速率逐漸升高，其中頻率為20 kHz時(shí)POD失活速率達(dá)到了最大值［14］。相反，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH）在高頻下（880 kHz，1 W/cm2）的失活速率卻高于低頻下（27 kHz，60 W/cm2）的失活速率［15］。超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的效果不僅與超聲波頻率有關(guān)，而且與超聲波強(qiáng)度或變幅桿振幅大小有關(guān)。Lopez等研究發(fā)現(xiàn)在不同壓力和溫度條件下，隨著超聲波變幅桿振幅的增加，香菇PPO、辣根POD和大豆LOX失活速率呈指數(shù)增加［16］。Ercan和Soysal考察了不同超聲功率對(duì)番茄過氧化物酶（POD）活性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著功率的增加，POD失活速率逐漸上升，其中50%超聲最大功率需要處理150 s才能使POD完全失活，而75%超聲最大功率僅需90 s［17］。De Gennaro等在超聲場(chǎng)下對(duì)辣根POD進(jìn)行鈍化處理也得到了類似的結(jié)果［14］，但作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲波功率高達(dá)一定程度時(shí)，如繼續(xù)增加反而會(huì)降低超聲波對(duì)POD的鈍化效果，因?yàn)楦邚?qiáng)度超聲波易在超聲波探頭周圍形成密集的空化云阻礙了能量的傳播。此外，超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的效果還與超聲波作用模式及超聲波發(fā)生器的類型有關(guān)，但這方面的研究相對(duì)較少。Gamboa-Santos等探討了超聲波處理替代傳統(tǒng)熱力滅酶的可行性，作者發(fā)現(xiàn)60℃下采用探頭式超聲波處理10 min（USP60-10）與60℃熱水處理40 min （C60-40）對(duì)胡蘿卜POD和PME鈍化效果相似，而采用超聲波清洗器處理（USB）對(duì)POD和PME的滅活效果較差［18］。

2.2 介質(zhì)特性

超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的效果還與酶分子所處介質(zhì)特性有關(guān)，首先，處理介質(zhì)中碳水化合物、多酚類物質(zhì)等組分的含量是影響超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的重要因素。一般而言，酶在緩沖溶液中比在實(shí)際食品中容易鈍化，因?yàn)槭称分衅渌M分的存在對(duì)酶具有保護(hù)作用。Lopez和Burgos研究了添加不同食品組分對(duì)超聲波鈍化脂肪氧合酶（LOX）的影響，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)中添加葡萄糖、蔗糖和甘油能提高大豆LOX的穩(wěn)定性，但加入KCl對(duì)LOX的穩(wěn)定性影響不大［19］。Vercet等發(fā)現(xiàn)在檸檬酸緩沖溶液中加入與橙汁中等量的抗壞血酸、蔗糖、葡萄糖和果糖可以使PME耐熱性提高3倍［20］。Tarun等研究了添加黃酮類物質(zhì)對(duì)超聲場(chǎng)下大豆脲酶失活效果的影響，作者發(fā)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)（如黃芪甙、柚皮苷、橙皮苷、槲皮黃酮、山奈酚等）的添加顯著降低了超聲波（2.64 MHz，1.0 W/cm2）對(duì)脲酶的鈍化效果，其中黃芪甙對(duì)脲酶保護(hù)效果最好［21］。然而，Jiang等卻發(fā)現(xiàn)1%抗壞血酸浸泡結(jié)合超聲處理能顯著抑制鮮切蘋果貯藏期間多酚氧化酶（PPO）的活性［22］。其次，在不同pH下超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的效果也有所不同。Thakur和Nelson研究超聲處理對(duì)大豆粉懸浮液中LOX活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸浮液pH大于5時(shí)，20 kHz超聲處理3 h對(duì)LOX活性影響不大，但pH在4.0～5.0時(shí)，相同的超聲處理可以使LOX活性降低70%～85%［23］。

2.3 環(huán)境溫度和壓力

通常溫度升高對(duì)超聲波鈍化食品內(nèi)源酶具有兩方面的影響：溫度上升提高了水分蒸汽壓，降低了介質(zhì)的黏度，有利于超聲波空化氣泡形成；溫度上升會(huì)導(dǎo)致空化氣泡破裂瞬間產(chǎn)生的沖擊力下降［24］。Vercet等考察了聲壓熱（MTS）處理下不同溫度（30～140℃）、壓力（200、500 kPa）和超聲波振幅（20～145 μm）對(duì)液體食品中自由基產(chǎn)生速率的影響，發(fā)現(xiàn)在30～140℃間，隨著溫度的上升，超聲場(chǎng)下（20 kHz，117 μm）介質(zhì)中氫氧根產(chǎn)生速率逐漸下降［25］。Cheng等研究不同溫度（55～75℃）下超聲處理（25 kHz，0.43 W/mL）對(duì)香菇PPO失活速率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，PPO失活的D值也由57.8 min降為0.88 min［24］。此外，超聲波和熱聯(lián)合處理（即聲熱處理）對(duì)酶的鈍化效果并非兩者簡(jiǎn)單的疊加，其作用效果要強(qiáng)于兩者之和，即它們之間存在協(xié)同效應(yīng)。Terefe等研究番茄汁中果膠甲酯酶（PME）的失活動(dòng)力學(xué)時(shí)證實(shí)了協(xié)同效應(yīng)的存在，作者發(fā)現(xiàn)聲熱處理（60℃，振幅65 μm）下PME失活速率是單獨(dú)熱或超聲處理酶失活速率之和的3倍多，但這種協(xié)同效應(yīng)隨溫度上升而降低［26］。Raviyan等報(bào)道，與熱處理（61℃）相比，聲熱處理（20 kHz，20 μm，61℃）使番茄汁PME失活速率最大提升了374倍［12］。類似地，Wu等也發(fā)現(xiàn)聲熱處理（24 kHz，60～65℃）加快了番茄汁PME的失活速率，其中60、65、70℃下聲熱處理PME失活的D值分別為41.8、11.7和4.3 min，而單獨(dú)熱處理為90.1、23.5和3.5 min［27］。

壓力是影響超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的另一重要因素。一般而言，增大壓力可提高超聲波空化氣泡破裂瞬間釋放的能量，促使自由基產(chǎn)生，因?yàn)樗档土怂终羝麎海?5］。然而，隨壓力上升，超聲波空化效應(yīng)不會(huì)一直增加，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，如果繼續(xù)增加反而會(huì)提高形成空化氣泡的閾值，不利于空化效應(yīng)的發(fā)生。Vercet等研究不同壓力下，聲壓熱（20 kHz，117 μm）處理對(duì)氫氧根產(chǎn)生速率的影響，發(fā)現(xiàn)在70℃下，隨著壓力上升，介質(zhì)中氫氧根產(chǎn)生速率逐漸提高，但當(dāng)壓力達(dá)到200 kPa后，如壓力繼續(xù)上升則對(duì)氫氧根產(chǎn)生速率影響不大；在130℃下，壓力從300 kPa上升到600 kPa對(duì)氫氧根產(chǎn)生速率無(wú)明顯影響［25］。類似地，Lopez等研究也發(fā)現(xiàn)，在1.5～5 kg/cm2范圍內(nèi)，隨壓力上升酶失活的D值變化不明顯，但當(dāng)壓力上升到6～7 kg/cm2時(shí)LOX失活的D值下降了三倍［16］。此外，Burgos及其研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)辣根POD、番茄PG、臍橙PME、大豆LOX失活動(dòng)力學(xué)研究過程也證實(shí)，在適宜的壓力條件下，采用聲壓熱（MTS）處理能顯著增強(qiáng)酶的鈍化效果［19-20，28-29］。

3 超聲場(chǎng)下食品內(nèi)源酶失活動(dòng)力學(xué)

超聲場(chǎng)下食品內(nèi)源酶活性變化受到多種因素的影響，因此，優(yōu)化超聲波處理?xiàng)l件，建立酶失活動(dòng)力學(xué)模型，有利于對(duì)食品滅酶操作單元進(jìn)行更好地控制和管理。根據(jù)已有研究報(bào)道，超聲場(chǎng)下酶失活動(dòng)力學(xué)方程主要包括一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（first order kinetics）、兩段式動(dòng)力學(xué)模型（two phase kinetics）、部分轉(zhuǎn)化模型（fraction conversion kinetics）等（見表1）。Terefe等發(fā)現(xiàn)單獨(dú)采用60～75℃熱水處理，番茄汁只有熱敏性聚半乳糖醛酸酶（PG2）失活，符合部分轉(zhuǎn)化模型；但在相同溫度下進(jìn)行超聲處理（20 kHz，振幅65 μm）能使PG1和PG2同時(shí)失活，遵循兩段式動(dòng)力學(xué)模型，作者認(rèn)為這可能是由于超聲波和熱的協(xié)同效應(yīng)促使了耐熱PG1失活。此外，在50～75℃內(nèi)進(jìn)行超聲處理，番茄汁中果膠甲酯酶（PME）失活遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，并且作者證實(shí)超聲波與熱對(duì)PME的鈍化具有協(xié)同效應(yīng)［26］。Cruz等對(duì)豆瓣菜過氧化物酶（POD）的失活動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)82.5～92.5℃下POD失活遵循兩段式動(dòng)力學(xué)方程，因?yàn)镻OD粗提物中存在熱敏性和熱穩(wěn)定性兩種組分，且它們的失活速率（k1和k2）對(duì)溫度的依賴關(guān)系符合阿倫尼烏斯方程；但作者發(fā)現(xiàn)在相同溫度（82.5～92.5℃）下輔以超聲波處理POD失活規(guī)律卻符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，可能是因?yàn)槌曁幚砀淖兞薖OD的空間構(gòu)象，加快了酶的失活［30］。Tiwari等發(fā)現(xiàn)超聲場(chǎng)下（0.42～1.05 W/mL）橙汁中果膠甲酯酶（PME）失活也符合部分轉(zhuǎn)化模型［4］。

4 超聲鈍化食品內(nèi)源酶在食品加工中的應(yīng)用

4.1 在果蔬食品中的應(yīng)用

多酚氧化酶（PPO）是一類含有銅離子的氧化酶，在動(dòng)植物中廣泛存在。PPO與果蔬褐變相關(guān)，通常狀態(tài)下PPO與細(xì)胞器內(nèi)膜結(jié)合，活性較低，而當(dāng)組織遭受破壞時(shí)PPO會(huì)被激活，致使果蔬內(nèi)源性多酚物質(zhì)氧化成醌類物質(zhì)，經(jīng)聚合形成黑色素，引起果蔬褐變發(fā)生［31］。PPO遇熱不穩(wěn)定，通常在70～90℃下暴露幾秒就能使它失活。Cheng等比較研究了熱和聲熱處理（TS）對(duì)香菇PPO失活動(dòng)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)在55～ 75℃下，聲熱處理相比單獨(dú)熱處理對(duì)PPO的鈍化效果明顯，其中60和70℃下PPO失活的D值分別下降了1.3和3倍［24］。然而，Cheng等卻發(fā)現(xiàn)超聲波和二氧化碳聯(lián)合處理提高了番石榴汁中PPO的活性，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中超聲波清洗器內(nèi)超聲密度較小，無(wú)法使細(xì)胞破裂，只是改變了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)容物釋放，增加酶與底物的接觸機(jī)會(huì)［32］。

過氧化物酶（POD）在果蔬中普遍存在，它與果蔬褐變和異味產(chǎn)生密切相關(guān)。POD是一種熱穩(wěn)定性酶，含有鐵離子，常作為果蔬漂燙是否完全的指示酶［33］。研究表明，聲熱處理能加快POD失活，減少漂燙時(shí)間。Cruz等發(fā)現(xiàn)在40～80℃下，超聲處理可以提高豆瓣菜中POD的活性；而在82.5～92.5℃下，超聲處理卻顯著提高了POD的失活速率，因?yàn)槌曁幚砀淖兞薖OD的空間構(gòu)象，導(dǎo)致了中心亞鐵離子與酶蛋白分離，活性喪失［30］。Ercan和Soysal研究了不同超聲功率對(duì)番茄POD活性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率升高，POD失活速率加快。此外，作者還發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲處理后番茄POD在貯藏期間存在復(fù)活現(xiàn)象，其中15%和25%超聲最大功率下，番茄POD活性隨貯藏時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，而40%、50%和75%超聲功率下，POD活性呈非線性增長(zhǎng)［17］。

脂肪氧合酶（LOX）是一類含非血紅素鐵的氧化還原酶［34］。LOX能促使多不飽和脂肪酸氧化，產(chǎn)生氫過氧化合物，再通過均裂或β-裂變分解形成了醛、酮等氧化產(chǎn)物，從而導(dǎo)致果蔬的色、香、味發(fā)生劣變［35-37］。Thakur和Nelson考察了超聲波作用時(shí)間、振幅大小和pH對(duì)超聲波鈍化大豆LOX效果的影響，作者發(fā)現(xiàn)pH＞5.0時(shí)，20 kHz超聲處理3 h對(duì)LOX活性影響不大；但當(dāng)pH降為5.0或4.0時(shí)，同樣超聲處理能使LOX活性降低75%～85%［23］。類似地，Lopez和Burgos也報(bào)道聲壓熱處理下（0～104 μm，67.5～76.3℃）LOX活性與pH大小有關(guān)，其中pH在5.2～8之間，隨pH下降LOX的熱穩(wěn)定性提高［19］。

果膠甲酯酶（PME）廣泛存在于植物中。PME可催化果膠去甲酯化，形成果膠酸和甲醇，從而改變果汁的穩(wěn)定性和果蔬的質(zhì)地［38-39］。Kuldiloke等研究表

明，50℃熱水處理63min只能使檸檬PME活性下降30%；而同樣地條件下結(jié)合超聲處理則能使83%的PME失活［40］。類似地，Raviyan等也發(fā)現(xiàn)聲熱處理明顯提高了番茄PME的失活速率，如72℃下，聲熱處理（0.004～0.020 mg·L/min）PME的失活速率是單獨(dú)熱處理的38～64倍［12］。然而，Tiwari等卻發(fā)現(xiàn)單獨(dú)超聲處理很難使橙汁中PME完全失活，其中1.05 W/mL超聲處理10 min PME活性只降低了62%，但超聲處理卻可以明顯降低顆粒大小，維持橙汁貯藏穩(wěn)定性［4］。

表1 低頻超聲場(chǎng)下酶失活動(dòng)力學(xué)模型Table1 Enzymatic inactivation kinetic treated by low-frequency ultrasound

4.2 在乳制品中的應(yīng)用

乳制品營(yíng)養(yǎng)豐富，是許多微生物的天然培養(yǎng)基，也是人類營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源。乳制品加工過程中常因微生物，尤其是致病菌和產(chǎn)毒素菌的污染，而影響其品質(zhì)，甚至?xí)o消費(fèi)者健康和安全帶來(lái)威脅。盡管常規(guī)巴氏殺菌可以使許多致病菌和腐敗微生物致死，但是許多微生物會(huì)產(chǎn)生一些脂肪酶和蛋白酶，它們具有較好的耐熱性，在常規(guī)熱處理下不易失活。因此，亟待開發(fā)一種滅菌技術(shù)和設(shè)備，來(lái)減少微生物數(shù)量，抑制有關(guān)酶活性，以達(dá)到改善產(chǎn)品品質(zhì)的目的。超聲波作為一項(xiàng)新型加工技術(shù)，將其應(yīng)用于乳制品加工過程不僅能滅菌、鈍化相關(guān)酶活性，還能改變產(chǎn)品的加工和品質(zhì)特性，如降低脂肪球大?。?1］、減少酸奶發(fā)酵時(shí)間［42］、改善產(chǎn)品流變特性［43］。Vercet等報(bào)道，相比單獨(dú)熱處理，聲壓熱處理（MTS）對(duì)熒光假單胞菌分泌的脂肪酶和蛋白酶具有較好的鈍化效果，其中在同樣處理時(shí)間下，聲壓熱處理（650 kPa，140℃）后脂肪酶和蛋白酶活性僅為單獨(dú)熱處理后的7%和6%［44］。Villamiel和de Jong研究了超聲波處理對(duì)牛奶堿性磷酸酶（AP）、γ-谷氨酰胺轉(zhuǎn)肽酶（GGTP）、乳過氧化物酶（LPO）的影響，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)超聲處理對(duì)它們的作用效果不明顯，而聲熱處理卻能顯著增強(qiáng)酶的失活效果，如在全脂牛奶中，單獨(dú)超聲處理（20 kHz，120 μm）102.3 s后，殘留酶活分別為AP（98.2%）、GGTP（77.9%）和LPO（85.6%）；而在同樣的條件下結(jié)合熱處理（61℃）AP和GGTP完全失活，LPO活性僅為30.8%［5］。此外，超聲場(chǎng)下酶的失活效果還與處理介質(zhì)中固形物含量和酶的濃度有關(guān)。

4.3 在其他食品中的應(yīng)用

超聲波鈍化食品內(nèi)源酶除了在果蔬食品和乳制品加工過程中有廣泛應(yīng)用之外，在食品加工的其他領(lǐng)域也有少量的報(bào)道。高奇瑞等研究了超聲波空化效應(yīng)對(duì)纖維素酶降解秸稈的影響，結(jié)果表明采用100 W超聲波對(duì)0.2 g 160～200目秸稈處理15 min，能使纖維素酶的降解效果達(dá)到最佳，比未處理樣品提高47.2%［45］。過氧化氫酶（CAT）是一種廣泛分布于動(dòng)植物及微生物中的氧化還原酶，在工業(yè)上可用于葡萄糖酸、果糖、醛類等物質(zhì)的生產(chǎn)，同時(shí)CAT也可用于面包及飲料的生產(chǎn)和保鮮。李冰等研究了不同超聲波處理?xiàng)l件對(duì)CAT活性的影響，結(jié)果表明超聲波功率對(duì)CAT活性影響較大，而單一延長(zhǎng)超聲作用時(shí)間對(duì)CAT活性作用較小。紅外光譜分析也顯示超聲處理改變了CAT蛋白的有序結(jié)構(gòu)，其中α-螺旋含量略有減少，β-折疊減少了約12.30%，但β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲卻分別增加了4.89%和7.90%［46］。類似，黃卓烈等也報(bào)道，在30℃下，采用超聲（16 kHz，50 W）處理2 min可以使酵母CAT得活性提高126.35%［47］。

淀粉酶是催化淀粉水解生成糊精的一種水解酶，作為一類工業(yè)酶制劑，在食品、輕工及醫(yī)藥領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用［48］。楊宏偉等研究了超聲波處理對(duì)固定化α-淀粉酶活性的影響，通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)作者發(fā)現(xiàn)15 kHz，40 W超聲處理5 min后，固定化α-淀粉酶活性的活性為92.1 U/g，相比對(duì)照提高了35.4%［49］。此外，陳小麗等也探討了不同參數(shù)超聲波對(duì)淀粉酶活性的影響效果，作者發(fā)現(xiàn)經(jīng)柱層析純化的水稻淀粉酶在適宜的超聲波處理?xiàng)l件下，酶的活力提升了9.09%～33.09%［50］。

半胱氨酸蛋白酶是另一類常見的酶，主要包括木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、菠蘿蛋白酶等，這類酶能催化水解蛋白質(zhì)的肽鍵和酰胺鍵，在食品、染料和紡織等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用［51-52］。吳葛洋等研究了超聲波溫度、作用時(shí)間、頻率及強(qiáng)度對(duì)固定化木瓜蛋白酶活性的影響，結(jié)果表明50℃，135 kHz，0.45 W/cm2條件下超聲處理50 min增強(qiáng)了固定化酶與底物的親和力，其中固定化酶的活力提升了25.85%，Km值下降了31.83%，Vmax值升高了8.35%［51］。陳小麗等探討了超聲波對(duì)純化后的菠蘿莖蛋白酶活力的影響，發(fā)現(xiàn)在不同超聲條件下酶活力，相比對(duì)照組均有所提升。差示光譜分析顯示，超聲波處理后樣品出現(xiàn)了明顯的正峰和負(fù)峰，這說明超聲處理改變了酶的空間構(gòu)象，從而導(dǎo)致酶活性變化［53］。

5 總結(jié)與展望

雖然相比傳統(tǒng)熱處理，超聲波能有效加快食品內(nèi)源酶的失活，但該技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，且還存在處理量小，酶復(fù)活的現(xiàn)象。影響超聲波鈍化食品內(nèi)源酶的因素很多，其作用機(jī)理、工藝條件還有待于進(jìn)一步深入研究。此外，超聲波耗能較大，現(xiàn)有設(shè)備中場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，都使該技術(shù)在食品工業(yè)化生產(chǎn)中很難推廣。針對(duì)以上問題，可以從以下幾個(gè)方面開展研究：優(yōu)化工藝參數(shù)，找出最佳的工藝組合；加大機(jī)理研究，從分子生物學(xué)水平闡明超聲場(chǎng)下食品內(nèi)源酶失活機(jī)制；評(píng)價(jià)酶失活過程中超聲波處理對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性的影響；尋找高強(qiáng)度超聲波源，開發(fā)新型超聲波處理設(shè)備，以便能在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

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The mechanism of enzyme inactivation induced by ultrasound and its application in food processing

CHENG Xin-feng1，JIANG Kai-li1，ZHU Yu-gang1，HANG Hua1，ZHANG Min2
（1.College of Environmental Science and Engineering，Anhui Normal University，Wuhu 241002，China；2.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Ultrasound was a new food processing technology，which could be utilized in various food processes，including sterilization，enzyme inactivation，juice degassing，and so on.Firstly，the inactivation mechanisms of food endogenous enzymes by ultrasound were summarized.Secondly，the affecting factors of the enzyme inactivation by ultrasound were discussed.Finally，the inactivation kinetic models of enzymes by ultrasound and the application of this technology in food processing were reviewed，and its technical problems and insufficiency were indicated.This paper could provide theoretical support for the development and utilization of ultrasound technology in food process.

ultrasound；cavitation；the inactivation kinetics；mechanism；endogenous enzyme

TS255

A

1002-0306（2016）08-0351-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.066

2015－10－09

程新峰（1981-），男，博士研究生，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程，E-mail：chf0110194@163.com。

安徽師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2014bsqdjj52）；安徽師范大學(xué)項(xiàng)目培育基金（2015xmpy12）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510370022）。