巩慧玲 李善家 李志忠

（兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730050）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）俗称洋姜、鬼子姜，原产于北美洲，是菊科向日葵属的多年生草本植物，能形成地下块茎的栽培种，染色体数2n=102。由于菊芋具有耐旱、耐寒、耐盐碱、抗风沙、繁殖性强、适应性广等特点，在我国南北各地均有栽培。菊芋块茎营养丰富，富含菊糖等果糖多聚物、葡萄糖、多种氨基酸和矿物质元素，不仅可以鲜食、腌制、榨汁及直接加工为菊芋干、果脯和果酱等，而且经过现代技术分离可得到菊芋粉、低聚果糖和高果糖浆，国际上已公认其具有较高的营养价值和保健作用，开发利用前景非常广阔（王凤 等，2008；刘丹梅 等，2009）。然而，菊芋在加工过程中极易发生褐变，严重影响了产品的商品价值和经济价值（李璟琦，2008）。

近几十年来，许多学者对植物的褐变进行了深入广泛的研究，普遍认为植物褐变的主要原因是氧化酶类（主要包括多酚氧化酶和过氧化物酶，即polyphenol oxidase和peroxidase，简称PPO和POD）作用于天然底物酚类物质所引起的（沈金玉 等，2005；李璟琦，2008；Chisari et al.，2008）。在正常发育的植物组织中，底物、氧、PPO同时存在并不发生褐化，因为在正常组织细胞内多酚类物质分布在液泡中，酶分布在各种质体和细胞质内，这种区域性分布使底物与多酚类物质不能接触，因而避免了正常组织中酶促褐变的发生，更主要的是由于酚类物质在正常的植物组织中作为呼吸传递体参与了呼吸代谢作用，酚与醌之间的氧化还原呈动态平衡；而当植物组织细胞受到破坏后（衰老、加工过程中），正常的呼吸链被打断，氧气的侵入造成酚类物质在氧化酶的作用下迅速氧化成邻醌，转而又通过快速的非酶聚合作用形成褐色素或黑色素（Mayer，2006）。李璟琦（2008）研究了菊芋块茎不同部位的褐变强度及PPO活性，发现菊芋块茎中褐变强度与PPO活性呈正相关；刘树文等（1998）研究了菊芋PPO的一些酶学特性，但不同品种间PPO、POD、总酚与褐变的研究鲜见报道。因此，本试验选用5个菊芋品种，研究不同品种PPO活性、POD活性、总酚含量与褐变强度的关系，以期为菊芋食品加工中选择适宜的菊芋品种、防止褐变提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选用5个菊芋品种，其中青海的青芋2号、北京菊芋7号和甘肃定西品种为3个北方品种，南芋1号和江苏地方品种为2个南方品种。5个品种分别收集自原产地，于2008年11月种植于甘肃省榆中县夏官营镇兰州大学试验田内，采用随机区组设计，3次重复，每小区30株。翌年开春后（3月底），喷灌浇水，整个生长期内不再进行灌水，拔节期中耕除草1次。9月中旬～10月初植株开花，11月初茎秆开始干枯后收获块茎，小区块茎混合贮于4 ℃冷库备用。

1.2 方法

1.2.1 总酚含量测定 随机选取已贮藏20 d的菊芋块茎3个，用打孔器均匀打取12份圆柱状块茎，去皮、切成小片后混匀，准确称取0.5 g菊芋鲜样，参考安佰义和赵飞（2005）的方法测定总酚含量。以邻苯二酚作标准曲线，计算样品中总酚的毫克数。

1.2.2 PPO、POD活性和褐变强度的测定 称取待测样品2 g（取样方法同1.2.1），加入6 mL预冷的磷酸缓冲液（0.05 mol·L-1，pH 7.0），冰浴研磨成匀浆，4 ℃、10000×g离心20 min，上清液即为粗酶液，用于PPO、POD活性和褐变强度的测定。

参考蒋益虹（2003）的方法，以邻苯二酚溶液为底物，采用分光光度法测定PPO活性；以愈创木酚和 H2O2溶液为底物，采用分光光度法测定 POD活性。两种酶的活性均以每分钟相应波长下吸光度变化0.01规定为一个酶活力单位（U）。

褐变强度的测定参考Cheng和Crisosto（1995）的方法略有改动，将粗酶液稀释3倍后于25℃水浴中保温15 min，采用美国瓦利安公司生产的Varian Cary 50型紫外/可见分光光度计，在420 nm波长下测定其吸光度A，结果以A420表示褐变强度。

2 结果与分析

2.1 不同品种菊芋总酚含量的比较

酚类物质是植物组织酶促褐变的主要底物。如图1所示，不同品种间总酚含量有显著差异，南芋 1号的总酚含量最小，为 666 μg·g-1（FW）；江苏地方品种、青芋 2号和甘肃定西品种 3个品种间的总酚含量无显著差异，均高于南芋1号22 %左右。北京菊芋7号的总酚含量最大，为1554 μg·g-1（FW），比其他品种高88 %～133 %。北京菊芋7号呈棒状，表皮紫色，皮厚，而其他4个品种呈不规则瘤形，表皮淡黄色至淡黄褐色不等，皮薄。由此表明，菊芋次生代谢物质多酚的产生量可能与其形态特性有一定的联系。

2.2 不同品种菊芋PPO活性的比较

PPO通常被认为是引起果蔬产品采后和加工中褐变最重要的酶类。不同菊芋品种间PPO活性差异显著，3个北方品种的PPO活性均显著大于2个南方品种（图 2），其中北方品种青芋2号PPO活性最大，为8.6 U·g-1（FW），其次是甘肃定西品种和北京菊芋7号，二者之间差异不显著；而2个南方品种PPO活性最小，二者之间差异不显著，均是4.8 U·g-1（FW），比青芋2号低44 %。

图1 不同品种菊芋的总酚含量

图2 不同品种菊芋的PPO活性

2.3 不同品种菊芋POD活性的比较

POD也是引起酶促褐变的一个主要酶类（Chisari et al.，2008）。如图3所示，不同菊芋品种间 POD活性有较大差异，与 PPO活性类似，也表现为北方品种显著高于南方品种，其中青芋2号和甘肃定西品种POD活性均为10.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7号高46 %；南芋1号和江苏地方品种POD活性分别是6.1 U·g-1（FW）和5.9 U·g-1（FW），比北京菊芋7号低22 %。

2.4 不同品种菊芋褐变强度的比较

如图4所示，不同菊芋品种间褐变强度的差异达显著水平，同PPO、POD活性类似，也表现为北方品种的褐变强度显著高于南方品种，其中北方品种北京菊芋7号和青芋2号的褐变强度较大，二者差异不显著，其次是另一北方品种甘肃定西品种，褐变强度为 0.23；2个南方品种的褐变强度差异不显著，均比甘肃定西品种低23 %左右。

图3 不同品种菊芋的POD活性

图4 不同品种菊芋的褐变强度

2.5 不同品种菊芋褐变的相关性及主成分分析

本试验采用的5个菊芋品种中，北方品种的总酚含量、PPO活性、POD活性和褐变强度均大于南方品种，相关分析表明，5个品种间总酚含量、PPO活性、POD活性与褐变强度的相关系数r分别是0.722、0.790和0.537，进一步显著分析表明，这种相关性均不显著。但去除唯一一个外形呈棒状、表皮紫色的品种北京菊芋7号，对其他4个外形呈不规则瘤形、表皮淡黄色至淡黄褐色的品种（青芋2号、甘肃定西品种、南芋1号和江苏地方品种）进行相关分析表明，PPO活性与褐变强度之间呈显著正相关，相关系数r为0.982，而POD活性、总酚含量与褐变强度之间相关性不显著。

对不同菊芋品种PPO活性、POD活性和总酚含量进行主成分分析，由表1可以看出，前 2个主成分特征值的累积贡献率已达到98.532 %，因此提取的 2个主成分可以概括菊芋褐变的信息。在第1主成分中，PPO、POD活性贡献值均较大，在第2主成分中，总酚含量的贡献值最大（表 2）。由此表明，PPO活性、POD活性和总酚含量这3个变量共同影响菊芋的褐变。

表1 不同菊芋品种褐变的主成分分析

表2 不同菊芋品种褐变的主成分矩阵

3 结论与讨论

褐变是植物组织中普遍存在的一种生理现象，通常认为是酚类物质的酶促氧化所致（Tom á s-Barbe rá n & Esp í n，2001；沈金玉 等，2005）。丝瓜、百合、莴苣和石榴等许多果蔬的褐变强度与PPO、POD活性和酚类化合物含量的相互关系已有较多报道（Tomás-Barberán & Esp í n，2001；蒋益虹，2003；Degl’Innocenti et al.，2005；Zhang & Zhang，2008；黄树苹 等，2009），对菊芋褐变的研究仅见到PPO活性的相关研究。本试验中，对褐变相关的3个因素即PPO活性、POD活性和总酚含量的主成分分析表明，PPO活性、POD活性和总酚含量这3个因素共同影响菊芋的褐变，说明菊芋的褐变是由氧化酶和酚类底物共同决定的。

本试验表明，不同菊芋品种间PPO活性、POD活性、总酚含量和褐变强度差异显著，各指标均是北方品种大于南方品种，但相关分析表明，引起褐变的氧化酶（PPO和POD）活性及底物（总酚）与褐变强度之间均无相关性，而去除唯一一个外形呈棒状的品种，也是总酚含量最大的品种北京菊芋7号后，其他品种的PPO活性与褐变强度之间呈显著正相关。分析其原因：虽然酶促褐变反应是由氧化酶和酚类底物共同决定的，但不同品种的氧化酶活性和酚类底物的量（特别是酶的最适底物的量）均不同，这两个因素中起主导作用的因素在不同品种中可能也是不同的，如在北京菊芋7号中，影响褐变的主导因素可能是酚类底物的量，而在其他品种中可能是PPO活性，加上本试验选用的菊芋品种数较少，从而影响了品种间PPO活性、POD活性、总酚含量和褐变强度的相关显著性分析。Amiot等（1995）研究发现，梨对褐变的敏感程度与品种有关，对有些品种而言，总酚含量越高就越容易发生褐变；毕阳等（2002）对梨果皮的褐变研究中发现苹果梨、鸭梨和冬果梨总酚含量与褐变强度的相关系数较大，而各个品种PPO活性与褐变强度之间的相关性很低。此外，苯丙氨酸解氨酶也参与酚类的代谢转化，膜脂的过氧化作用也与褐化密切相关，这几方面因素对菊芋褐变的影响有待于进一步研究。

较多的研究表明，多酚、PPO和POD除了可引起植物组织褐变以外，植物在遭受逆境胁迫特别是受低温胁迫或病虫害侵染时，多酚含量、PPO和POD活性有不同程度的升高，因而这些物质可以作为植物抗寒性和抗病性的指标之一（冷平 等，2001；蔡传杰 等，2003；江萍和孙向东，2004）。本试验中，3个北方菊芋品种的多酚含量、PPO和POD活性均大于南方品种，这可能预示北方品种可能比南方品种具有更强的抗逆性。

安佰义，赵飞.2005.牡丹不同类型总酚含量PPO活性研究.北华大学学报：自然科学版，6（2）：169-172.

毕阳，郭玉蓉，李永才，韩舜愈.2002.冷藏期间三种梨果皮中酚类物质含量及多酚氧化酶活性变化与褐变度的关系.制冷学报，23（4）：52-54.

蔡传杰，陈善娜，尹梅，周恒苍，王乔.2003.水杨酸对香荚兰抗逆相关酶的活性和丙二醛含量的影响.云南植物研究，25（6）：700-704.

黄树苹，谈太明，徐长城，谈杰.2009.丝瓜多酚氧化酶的酶学特性初步研究.中国蔬菜，（10）：17-22.

江萍，孙向东.2004.华北落叶松酶活性及抗逆性机理研究.山西林业科技，33（1）：11-13.

蒋益虹.2003.百合褐变与多酚氧化酶和过氧化物酶活性关系的研究.浙江大学学报，29（5）：518-522.

冷平，张国军，吴晓云，齐建勋.2001.秋冬季节柿属植物体内酚类物质含量的变化.中国农业大学学报，6（1）：63-67.

李璟琦.2008.鲜菊芋块茎加工过程中酶促褐变及其控制研究.安徽农业科学，36（21）：9273-9274.

刘丹梅，姜吉禹，杨君.2009.菊芋的生态功能研究.北方园艺，（10）：140-142.

刘树文，陈锦屏，王仲孚.1998.菊芋多酚氧化酶性质的研究.中国农学通报，14（6）：11–13.

沈金玉，黄家音，李晓莉.2005.果蔬酶促褐变机理及其抑制方法研究进展.食品研究与开发，26（6）：150-156.

王凤，高华援，刘峰，拱云生，王洋，王丽.2008.功能性植物菊芋开发利用前景.中国蔬菜，（9）：8-9.

Amiot M J，Tacchini M，Aubert S Y，Oleszek W.1995.Influence of cultivars，maturity stage and storage conditions phenolics composition and enzymatic browning of pear fruits.J Agric Food Chem，4（5）：1132-1137.

Cheng G W，Crisosto C H.1995.Browning potential，phenolic composition，and polyphenoloxidase activity of buffer extracts of peach and nectarine skin tissue.J Amer Soc Hort Sci，120（5）：835-838.

Chisari M，Barbagallo R N，Spagna G.2008.Characterization and role of polyphenol oxidase and peroxidase in browning of fresh-cut melon.J Agric Food Chem，56（1）：132-138.

Degl’Innocenti E，Guidi L，Pardossi A，Tognoni F.2005.Biochemical study of leaf browning in minimally processed leaves of lettuce （Lactuca sativa L.var.acephala）.J Agric Food Chem，53（26）：9980-9984.

Mayer A M.2006.Polyphenol oxidases in plants and fungi：going places a review.Phytochem，6（21）：2318-2331.

Tomás -Barberán F A，Esp í n J C.2001.Phenolic compounds and related enzymes as determinants of quality in fruits and vegetables.J Sci Food Agric，81（9）：853-876.

Zhang Y L，Zhang R G.2008.Study on the mechanism of browning of pomegranate （Punica granatum L.cv.Ganesh） peel in different storage conditions.Agric Sci China，7（1）：65-73.