《食品科学》：中国农业大学王永涛教授等：果蔬加工中果胶甲基酯酶活性抑制的研究进展

果胶是植物细胞壁的主要成分之一，以高度酯化的方式来保持植物组织的完整性和刚性。果胶甲基酯酶（PME）广泛存在于自然界高等植物和微生物中，可以沿果胶中HG链随机或线性地催化水解，最终生成低分子质量果胶酸。另一方面，在二价阳离存在的情况下，PME脱甲酯化的HG链可以与其交联形成不溶性钙凝胶并裹挟周围的颗粒物共沉淀，这往往导致番茄酱、浑浊果蔬汁等产品在贮藏期间出现结块、相分离等品质劣变。针对不同的产品往往需要采用不同的加工方式处理，甚至是不同加工方式的联合处理才能达到有效钝化内源PME活性的目的。

中国农业大学刘一璇、田学智和王永涛*等人以抑制PME活性为出发点，系统梳理当前不同食品加工方式对PME的抑制效果，并探讨相应的作用机理，以期为今后的实际工业生产提供指导。

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果胶甲基酯酶

果胶甲基酯酶简介

PME广泛存在于高等植物中，在果蔬制品的贮藏期品质稳定性方面具有重要影响。通过对目前已获得的超过100 种植物和微生物PME的氨基酸序列的比对发现，其一级和四级结构在植物分类单元中是非常保守的。如图1所示，PME的果胶结合位点位于穿过分子的长且浅的裂缝中，该裂缝中心部分主要由一些芳香族残基（Phe84、Tyr139、Phe160、Tyr222、Trp227、Phe250和Trp252）排列而成，具有碳水化合物结合位点的特征。当前对于PME同工酶体现出功能差异的关键结构解析还鲜有报道。

影响果胶甲基酯酶活性的因素

PME活性的调控是一个复杂的过程，受到环境温度、pH值、阳离子、PME抑制剂等多种因素的共同影响。温度是影响所有酶促反应的重要因素，一般而言，PME活性的最适温度在45～55 ℃之间，取决于其来源和 基质。同一植物中往往存在耐热性不同的PME同工酶。不同PME的最适pH值不同 ，大多数植物的PME等电点在中性至碱性范围。改变环境pH值可以显著改变PME活性，这是由于带电氨基酸的电离状态被改变，与底物的结合受到影响。阳离子对于大多数植物PME活性至关重要。一般情况下，PME活性大多随盐浓度的增加而增加，直至最佳浓度，而高于该浓度后活性降低，最佳浓度取决于阳离子的种类。

当前已经发现了多种对PME活性具有抑制效果的抑制剂，主要包括一些低分子质量蛋白、多酚和多糖等。PME的残余活性会对果蔬制品的贮藏品质产生严重的不良影响，如造成果汁沉淀、结块等。因此，对PME活性的充分抑制显得十分重要。

总之，PME的残余活性会对果蔬制品的贮藏品质产生严重的不良影响，如造成果汁沉淀、结块等。因此，对PME活性的充分抑制显得十分重要。同大多数酶促反应类似，当前抑制PME活性的思路主要有以下两种：一是通过改变酶自身的分子结构，例如热处理、调节体系pH值等使酶构象发生变化，降低催化能力；二是改变酶-底物相互作用，通过加入抑制剂，使酶与抑制剂结合发生可逆或不可逆的变化，进而影响其与底物的结合。

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加工方式对果胶甲基酯酶活性的影响

热加工对果胶甲基酯酶活性的影响

传统热加工

传统热加工方法是食品加工中通常使用的钝酶手段，一般是指基于目标酶的耐热性，将样品加热至所需温度并保持一定时间。温度一定程度的升高会激活PME活性，促进PME对果胶的去甲氧基化，但当温度继续上升，达到蛋白质变性的程度时，酶就被钝化。传统热加工的优势在于技术原理简单、钝酶效果较好、配套工艺和设备成熟，因此目前在产业中应用最广泛；但其缺陷也明显，主要表现为容易造成食品品质劣变，不利于加工高品质果蔬制品，而随着我国消费市场的升级，人们对高品质果蔬食品的需求快速增加，此类热加工工艺的弊端逐渐被放大。

微波加热

微波加热目前已被广泛应用于食品的钝酶处理，与传统热加工相比，微波处理时间更短，造成的营养和新鲜品质损失更少。除了热效应以外，微波产生的电磁效应也可能会对PME中的带电氨基酸以及环境中的带电离子产生影响。此外，虽然微波的能量一般不足以破坏PME的共价键，但某些非共价键的（如疏水键和氢键等）破坏也会造成酶蛋白的去折叠乃至变性失活。因此，相比于传统热加工，处理速度快、钝酶效果好是微波加热突出的优点，非常适合应用于不耐贮藏、需要快速处理的原料，同时可以更好地保留食品原有的新鲜品质。

欧姆加热

欧姆加热又称焦耳加热，是利用物料本身的电阻特性直接将电能转化为热能的一种加热方式，其优点是加热迅速均匀、系统设计紧凑、能量传递效率高。欧姆加热处理中物料电导率、处理时间、温度以及处理强度（主要是电场强度和频率）是影响钝酶效果的关键因素。与微波加热类似，欧姆加热比传统热加工的能量转换效率更高，可以更加快速地达到钝酶效果并保持食品的色泽和营养，尤其适合应用于连续的液体或固液混合物；但其缺点是目前在产业化中的应用还存在一定挑战。

非热加工对PME活性的影响

高静压

高静压是指通过将食品密封在柔性容器内，以水或其他液体作为传压介质，在常温或温和加热条件下，施加不低于100 MPa的压力并维持一定时间，以达到杀菌、钝酶、改善食品功能性质的目的。 高静压技术是目前商业化应用最成功的非热加工技术，已经在果蔬汁/浆、鲜切果蔬等产品中成功应用。然而，由于耐压型PME的广泛存在以及环境中糖等物质的保护，除了少数食品体系以外，常规的高静压处理在多数情况下对食品中PME的钝化效果不够理想，往往造成产品在贮藏期间的沉淀、软化、析水等品质劣变，需要较高强度或者较长处理时间才能达到生产要求，或者采取与温度处理结合的方式，这意味着对设备要求的提高和生产成本的增加。因此，更加简单经济的栅栏技术与超高压结合成为一个极具前景的发展方向，例如天然PME抑制剂与超高压技术的协同应用。

超高压均质

传统均质处理的压力一般为20～60 MPa，而60 MPa以上的均质处理称为超高压均质，又称动态高压，适合流体食品的连续加工。 超高压均质处理过的果蔬汁仍含有较高的PME残余活性，但它们明显更稳定。这一方面归因于超高压均质对果胶结构的改变，使得底物对PME的可用性降低；另一方面归因于均质化处理所产生的压力、剪切力、空穴效应等导致果蔬汁悬浮颗粒尺寸减小，破碎细胞释放出了细胞壁成分（如果胶、蛋白质），提高了颗粒之间、颗粒与果蔬汁清液之间的相互作用，进而维持了浑浊体系的稳定性。

脉冲电场

脉冲电场是一种近年来已经被广泛应用于液体食品的加工方法，其相对较低的加工温度和较短的处理时间可以在保持产品品质的同时实现内源酶的高效钝化 。外部电场的施加和变化可能会影响酶蛋白的局部静电场，并破坏肽链的静电相互作用，从而导致酶的构象变化。 脉 冲电场的钝酶效果显著，非常适合于对热敏性液体物料的处理，但是由于设备、成本等因素的限制，距离规模化商业应用仍有一定的差距。

高压二氧化碳技术

高压二氧化碳技术（HPCD）是一种结合压力和二氧化碳作用的非热加工方式，处理过程中形成高压、高酸、无氧环境，可以达到有效杀菌钝酶的效果。 HPCD同样能够引起酶蛋白结构的变化，与轻度热处理引起的变化也有显著差异，且检测到的结构变化与观察到的酶活性损失相关。 PME还可以与CO 2 相互作用形成碳酸氢盐络合物，从而丧失与底物结合的能力。与脉冲电场类似，由于设备、成本等因素限制，高压二氧化碳技术的规模化商业应用存在难度。

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PME抑制剂

除了加工引起PME失活之外，添加外源抑制剂可能是抑制PME活性的另一种具有应用前景的方法。当前已经报道的PME抑制剂主要包括蛋白类、多酚类和一些其他小分子物质，根据抑制类型可以划分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和混合型抑制剂等。其中竞争性抑制是指抑制剂能够通过与底物酶竞争活性位点，阻碍底物与酶的结合；非竞争性抑制是指抑制剂与酶的非活性部位相结合，形成抑制剂-酶的络合物后影响酶对底物的结合能力，一般情况下非竞争性抑制的抑 制能力较弱。PEM抑制剂（PME inhibitor，PMEI）的分类、抑制效果及机理如表2所示。

蛋白类抑制剂

PMEI最初在猕猴桃果实中发现，后来在柠檬、木薯等多种植物中也发现了具有编码同类型功能蛋白的基因，这意味着植物可以通过表达高度专一化的抑制剂来调控PME活性。猕猴桃PMEI及其与PME形成的复合物如图2所示。晶体结构显示猕猴桃PMEI通过与PME相对较宽的果胶活性位点缝隙直接接触而抑制，覆盖结合位点接入点，从而阻止底物结合。PMEI与PME形成复合物时的相互作用是非共价作用力，且这种结合是可逆的。pH值环境对复合物的稳定性影响较大，不同植物源PMEI的实际效果不同，一般情况下当处于接近生理pH值环境时，PMEI与PME间的亲和力最高。PMEI抑制植物PME的作用不具有种间特异性，可以抑制大部分植物来源的PME，但是对细菌和真菌来源的微生物PME没有抑制活性，这反映出PME结构差异影响了其与抑制剂的相互作用。将PMEI应用于果蔬加工具有深远的发展前景，不仅可以有效降低加工所需的处理强度，而且可以更大程度地保留产品原本的新鲜品质。

多酚类抑制剂

酚类物质是植物所产生的一类次生代谢物质，酚类及其氧化物与氨基酸的缩合物可被用于控制一些酶系的活性，从而在病原侵染时起到防御作用。通过外源添加一些天然多酚成分，在抑制PME活性的同时，多酚自身具有的抗氧化等生理活性也进一步提升了产品的营养价值。当前已报道的具有PME抑制效果的多酚种类十分有限，今后在这方面仍有必要进行更多的探索。

其他抑制剂

除来源于植物中的蛋白、多酚类抑制剂外，也有研究者通过化学文库筛选的方式鉴定出109 种针对商业橘皮PME的潜在抑制剂，包括磺胺类、萘醌类、胺类和带唑基的分子等 。然而，这些物质大多数具有一定刺激性或者毒性，不能被添加到食品当中。 近年来，由于人们食品安全和健康意识的不断觉醒，一些人工合成的酶抑制剂会逐渐被淘汰，与之对应的是，一些天然来源、绿色安全的天然成分会越来越多地得到人们的认可，对于天然成分功能的不断开发和应用将成为未来的发展趋势。

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不同加工方式联合处理对PME活性的影响

热与非热加工联合处理对PME活性的影响

在常温条件下，单独的非热加工处理对PME活力的影响往往是有限的，而温度条件对于钝酶效果影响显著。因此，通过温和的热处理与非热加工的组合可以对酶的抑制起到协同作用，同时也能够相对更好地保留产品品质。

热、非热加工与抑制剂联合处理对PME活性的影响

除了加工方式的联合以外，将热或者非热加工与酶抑制剂相结合的策略也是一种有望实现对PME活力充分抑制的可能途径。研究表明，PME-PMEⅠ络合物不受温度（65 ℃）和温和压力（400 MPa）的影响，这为温和热处理或压力条件下有效抑制PME提供了可能性。与加工方式的联合相比，酶抑制剂与加工方式的结合具有操作简单、对生产线改造要求低/更容易实现、成本更低等优势，非常适合目前传统加工企业的技术升级，因此在技术应用推广中具有更好的前景。

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结语

对于PME活性的有效抑制是果蔬加工中的关键工艺之一，能够严重影响果蔬汁、泥、酱等产品在贮藏期间的品质稳定性。由于传统热加工输入的能量较高，甚至能够断裂共价键进而影响PME的一级结构及催化活性。为了尽量减轻该过程中对产品风味、营养等成分造成的不利影响，一些新型热加工及非热加工技术被探索并应用于PME的抑制。相比于处理强度更为剧烈的热加工，非热加工主要是基于对PME酶蛋白二、三级结构的改变，从而影响其对底物的结合能力，最终导致其催化活性降低。其中，作为目前商业应用最为广泛和成功的非热加工技术，高静压处理具有巨大的发展潜力。此外，以猕猴桃PMEI和一些多酚类为代表的天然抑制剂也可以通过竞争活性位点、改变空间构象等方式对PME活性起到一定的抑制效果。不同加工方式对PME的抑制机理如图3所示。

然而，由于食物复杂基质对PME的保护效应，以及一些耐热和耐压PME同工酶的存在，使得单独的物理加工手段对PME的影响有限。因此，未来更有可能是通过评估更多联合处理以及类似栅栏技术的优化策略，从而实现对PME活性的充分抑制。同时，观察到的协同作用也有助于减少由于使用过高浓度天然抑制剂或剧烈加工处理条件所引起的食品品质劣变。

本文《果蔬加工中果胶甲基酯酶活性抑制的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷第9期321-330页，作者：刘一璇，田学智，赵 靓，王永涛*，廖小军。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220526-319。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑；河北农业大学大学食品科技学院 王紫娟；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

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