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摘 要：马铃薯在加工过程中时常会发生褐变现象，严重影响其制品风味、外观及营养。抑制马铃薯褐变的方法很多，有物理方法、化学方法和基因工程方法。该文从绿色环保、无污染角度出发，对抑制马铃薯褐变的化学方法和褐变相关基因的调控进行了阐述，以期为后续马铃薯抗褐变研究提供参考。
关键词：马铃薯;酶促褐变;基因表达;天然褐变剂;可食性涂膜
中图分类号 TS255.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）13-0031-03
Abstract： Browning often occurs in potato processing， which seriously affects the flavor， appearance and nutrition of potato products. There are many methods to inhibit potato browning， including physical methods， chemical methods and genetic engineering methods. In this paper， the chemical methods and genetic engineering methods to inhibit potato browning were reviewed from the perspective of environmental protection and pollution-free. It is expected that this study can provide guidance for the future research on potato browning resistance.
Key words： Potato; Enzymatic browning; Gene expression; Natural browning inhibitor; Edible coating
馬铃薯加工过程中的褐变现象对加工产品的品质、外观及营养会产生影响[1]，会降低消费者的接受度，减少加工企业经济效益。对于抑制马铃薯块茎的褐变研究报道较多[2-4]，一是可以通过物理方法实现，如改变温度、调节pH、隔绝氧气等;二是可以通过化学方法实现，如添加褐变抑制剂、使用天然提取物或可食性涂膜;三是利用生物方法控制马铃薯块茎褐变，从基因工程的角度出发，利用基因进行抗褐变的育种或控制相关基因的表达，从而达到抗褐变的目的。随着人们越来越注重食品安全与营养，传统的抗褐变方法已不再适用，因此研究者正积极探索既高效又安全且有益健康的抗褐变新途径。
1 化学方法
1.1 天然提取物 随着消费者对食品安全问题的关注度越来越高，天然防褐变剂因其安全环保的性能在市场上越来越受到青睐，逐渐取代了化学合成的防褐变剂。食品中含有许多生理活性成分，如多糖、多肽、活性酶等[1]，对抑制马铃薯褐变有一定作用。蔡晓宁等[5]研究表明，20℃条件下，0.075g/L的丁香处理液效果最好，可以减缓褐变进程;而在4℃条件下，0.025g/L的丁香提取液效果最好。徐丽珊等[6]研究认为一年蓬提取物（EAE）和湿地松松针提取物（PEE）配比为1∶2时可以抑制鲜切马铃薯褐变。赵冬晗[7]研究认为高浓度的生姜醇提物（1g/mL）和生姜水提物可以抑制酪氨酸酶活性，从而抑制马铃薯褐变。刘辉[8]研究表明苦荞茎叶磷酸盐提取物对马铃薯多酚氧化酶的抑制效果最好，其次是乙醇提取物和水提取物。Rizzo等[9]研究表明，在（4±2）℃下，体积分数0.5%的迷迭香精油可以使鲜切马铃薯货架期延长至11d。Liu等[10]研究表明，质量分数0.1%的鳕鱼肽可以抑制马铃薯PPO、POD和PAL活性，减少酚类物质的积累，货架期可以维持至8d。
目前，天然提取物的提取和纯化技术还不成熟[11]，提取时间长，且提取纯度低，阻碍了其发展和应用。因此，积极研制高效、便捷且环保的提取技术，保证提取物纯度，优化抑制褐变效果，扩大鲜切马铃薯行业中天然提取物的应用规模十分必要。王春幸等[12]研究认为天然保鲜剂的传统提取技术复杂，投入成本较高，且提取物有强烈气味，仅有单一作用效果，与食物成分会发生反应，限制了这些提取物的应用。因此，为了更好地发挥保鲜剂的作用，可以采用生物工程技术进行制备，将不同类型保鲜剂复配使用。
1.2 涂膜 涂膜可以使果蔬表面的气孔和皮孔阻塞，使果蔬内部具有和外界不同的环境，一方面可以减弱果蔬的呼吸作用，减少营养物质消耗;另一方面可以防止病菌入侵，避免腐烂变质现象发生[13]。可食性涂膜的原料为天然可食性物质，无毒可以食用。目前用于马铃薯的可食性涂膜主要有壳聚糖、大豆蛋白、液体石蜡、植物油等。王允祥等[14]研究认为0.25%维生素C、0.6%柠檬酸、0.15%氯化钙可以使马铃薯褐变度降低，对马铃薯的保鲜效果最好。俞颖强[15]认为1.5%海藻酸钠+0.6%羧甲基纤维素+0.4%氯化钙是最佳的涂膜剂组合，抑制马铃薯褐变的效果最好。陈海光等[16]用不同浓度壳聚糖溶液涂膜处理切片马铃薯，发现0.5%、1.0%、1.5%这3种浓度均可抑制马铃薯块茎褐变，降低PPO活性，且浓度越高，抑制作用越好。林顺顺等[17]研究表明大豆分离蛋白复合涂膜可以抑制鲜切马铃薯的褐变，减少病菌侵入，还能有效防止马铃薯水分散失，降低营养物质损失，使其保持良好的感官品质。目前，可食性涂膜技术应用范围还不是很广泛。
2 褐变相关基因的调控
2.1 抗褐变育种 以往马铃薯育种目标为高产、优质、多抗，现在育种目标又增加了新内容，即减少酶促褐化，因此进行抗褐变基因的挖掘很有必要，可以为后续精细定位和候选基因克隆奠定坚实基础，加快马铃薯抗褐化品种选育进程，提升加工产品品质。胡军[18]利用抗褐变强的“Agria”与易褐变“中薯11号”构建了分离群体，并对父母本及后代分离群体株系230份的块茎褐变分级进行了评价，发现1号、10号染色体上存在褐变的候选区段。其中，预测1号染色体候选2MB区段包含64个编码基因，未预测到编码多酚氧化酶基因，说明该区段存在影响块茎褐变性状的新基因或位点。刘士扬等[19]以易褐变的“克新4号”和不易褐变的“克新13号”为试验材料，获得了5个差异较大的基因Stbr1、Stbr2、Stbr3、Stbr4、Stbr5，观察其原核表达产物对褐变的影响。结果显示，Stbr2、Stbr3、Stbr4这3个基因的表达产物可以抑制褐变的发生，说明褐变是由多基因所控制。黄树苹等[20]研究认为丝瓜果肉褐变程度主要受2对主基因控制，以遗传效应为主，同时受环境影响较大，因此可在早期世代选择低褐变材料，同时选择低褐变的亲本材料，通过杂交、回交转移主基因，选育出低褐变的丝瓜品种。 2.2 改变PPO基因的表达 多酚氧化酶（PPO）是酶促褐变过程中黑色素合成途径中的关键酶。从基因角度出发，可以对PPO基因进行基因编辑、基因敲除、基因沉默等手段，控制其表达，抑制马铃薯块茎发生褐变。通过基因手段可以使作物发生定向改变，产生出稳定的可遗传的性状，培育出抗褐变的马铃薯新品种[21]。较多植物的PPO都是由核基因编码，受多基因控制，表现出多基因的家族性。在植物生长发育或逆境过程中，不同的PPO成员表达图谱不尽相同[22]。马铃薯的PPO也是由多基因控制其表达，其家族成员主要有POTP1（Gen Bank ID：M95196）、POTP2（M95197）、POT32（U22921）、POT33（U22922）和POT72（U22923）[23]，它们都没有内含子结构。时空性是马铃薯PPO基因表达的主要特点，在马铃薯叶片和花中主要是POTP1和POTP2基因表达，在块茎中主要是POT32和POT33表达，在块茎发育的整个阶段占主体地位的基因是POT32，在根中表达的主要是POT72基因[23]。陈明俊[24]通过CRISPR/Cas9基因编辑技术对马铃薯PPO基因POT32和POT33进行了敲除载体构建，最终经对PCR扩增产物测序验证获得了2棵突变植株，突变株PPO活性、总酚含量、褐变强度都有不同程度降低。刘敏敏等[25]研究认为半胱氨酸蛋白酶抑制子基因StCYS1能提高PPO酶活性，但却对马铃薯浆液褐变起到抑制作用，这是由于它可以减少褐变底物游离酪氨酸含量，同时还可增加脯氨酸含量，提升马铃薯块茎的抗氧化能力。王清等[26]研究表明转基因马铃薯块茎的褐化程度较对照明显降低，反义PPO基因有效抑制了块茎PPO活性，并降低了块茎酚物质含量。Coetzer等[27]利用正义和反义RNA技术成功抑制了马铃薯中PPO基因表达，使PPO活性降低，控制了褐变。基因工程法主要包括RNA的抑制和转基因抑制等。有研究表明，通过转基因方法，将顺式、反式或双链RNA转入植物中，抑制PPO基因表达，进而减少褐变发生[28]。池明[29]使用amiRNA技术将转基因马铃薯块茎中StuPPO1、StuPPO2、StuPPO3和StuPPO4基因同时抑制，更好地抑制了PPO酶活性，降低酶促褐变，产生不褐变的马铃薯块茎表型。此外，研究结果表明抑制单个或多个PPO基因表达并未引起其他PPO基因的过量表达。
3 展望
马铃薯加工过程中的酶促褐变现象是一直存在的问题。随着人们健康意识的提升和加工业的迅速发展，化学褐变抑制剂带来的化学残留问题越来越受到重视。天然的防褐变剂以及涂膜处理可以有效抑制鲜切马铃薯的褐变，但是护色液直接与鲜切马铃薯接触，可能会影响产品的风味[30]，增加污染风险，因此限制其应用。改善酶促褐变最好的解决途径就是培育抗褐变品种，通过PPO基因修饰来获得抗褐变品种，其品种特性及生长发育状况并不会发生显著变化，说明这种方法有效且可行[31]。目前利用分子生物技术来进行遗传改良是快速获得抗褐变品种的主要途径，能大幅提高加工企业的加工效率及质量，降低损失，具有广阔的发展前景。
参考文献
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[5]蔡晓宁，尹绍东，张来林，等.丁香提取液对马铃薯保鲜效果的影响[J].河南工业大学学报（自然科学版），2015，36（4）：74-78.
[6]徐丽珊，林颖，张姚杰，等.一年蓬、松针提取物对鲜切果蔬的防褐变应用研究[J].浙江师范大学学报（自然科学版），2017，40（2）：196-200.
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[30]Vazquez-Armenta，F. J.，Ayala-Zavala，J. F.，Olivas，G. I.，et al. Antibrowning and antimicrobial effects of onion essential oil to reserve the quality of cut potatoes[J]. Acta Alimentaria，2014，43（4）：640-649.
[31]王丽，王万兴，索海翠，等.植物中多酚氧化酶基因研究進展[J].分子植物育种，2020，18（14）：4629-4636.
（责编：徐世红）
关键词：马铃薯;酶促褐变;基因表达;天然褐变剂;可食性涂膜
中图分类号 TS255.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）13-0031-03
Abstract： Browning often occurs in potato processing， which seriously affects the flavor， appearance and nutrition of potato products. There are many methods to inhibit potato browning， including physical methods， chemical methods and genetic engineering methods. In this paper， the chemical methods and genetic engineering methods to inhibit potato browning were reviewed from the perspective of environmental protection and pollution-free. It is expected that this study can provide guidance for the future research on potato browning resistance.
Key words： Potato; Enzymatic browning; Gene expression; Natural browning inhibitor; Edible coating
馬铃薯加工过程中的褐变现象对加工产品的品质、外观及营养会产生影响[1]，会降低消费者的接受度，减少加工企业经济效益。对于抑制马铃薯块茎的褐变研究报道较多[2-4]，一是可以通过物理方法实现，如改变温度、调节pH、隔绝氧气等;二是可以通过化学方法实现，如添加褐变抑制剂、使用天然提取物或可食性涂膜;三是利用生物方法控制马铃薯块茎褐变，从基因工程的角度出发，利用基因进行抗褐变的育种或控制相关基因的表达，从而达到抗褐变的目的。随着人们越来越注重食品安全与营养，传统的抗褐变方法已不再适用，因此研究者正积极探索既高效又安全且有益健康的抗褐变新途径。
1 化学方法
1.1 天然提取物 随着消费者对食品安全问题的关注度越来越高，天然防褐变剂因其安全环保的性能在市场上越来越受到青睐，逐渐取代了化学合成的防褐变剂。食品中含有许多生理活性成分，如多糖、多肽、活性酶等[1]，对抑制马铃薯褐变有一定作用。蔡晓宁等[5]研究表明，20℃条件下，0.075g/L的丁香处理液效果最好，可以减缓褐变进程;而在4℃条件下，0.025g/L的丁香提取液效果最好。徐丽珊等[6]研究认为一年蓬提取物（EAE）和湿地松松针提取物（PEE）配比为1∶2时可以抑制鲜切马铃薯褐变。赵冬晗[7]研究认为高浓度的生姜醇提物（1g/mL）和生姜水提物可以抑制酪氨酸酶活性，从而抑制马铃薯褐变。刘辉[8]研究表明苦荞茎叶磷酸盐提取物对马铃薯多酚氧化酶的抑制效果最好，其次是乙醇提取物和水提取物。Rizzo等[9]研究表明，在（4±2）℃下，体积分数0.5%的迷迭香精油可以使鲜切马铃薯货架期延长至11d。Liu等[10]研究表明，质量分数0.1%的鳕鱼肽可以抑制马铃薯PPO、POD和PAL活性，减少酚类物质的积累，货架期可以维持至8d。
目前，天然提取物的提取和纯化技术还不成熟[11]，提取时间长，且提取纯度低，阻碍了其发展和应用。因此，积极研制高效、便捷且环保的提取技术，保证提取物纯度，优化抑制褐变效果，扩大鲜切马铃薯行业中天然提取物的应用规模十分必要。王春幸等[12]研究认为天然保鲜剂的传统提取技术复杂，投入成本较高，且提取物有强烈气味，仅有单一作用效果，与食物成分会发生反应，限制了这些提取物的应用。因此，为了更好地发挥保鲜剂的作用，可以采用生物工程技术进行制备，将不同类型保鲜剂复配使用。
1.2 涂膜 涂膜可以使果蔬表面的气孔和皮孔阻塞，使果蔬内部具有和外界不同的环境，一方面可以减弱果蔬的呼吸作用，减少营养物质消耗;另一方面可以防止病菌入侵，避免腐烂变质现象发生[13]。可食性涂膜的原料为天然可食性物质，无毒可以食用。目前用于马铃薯的可食性涂膜主要有壳聚糖、大豆蛋白、液体石蜡、植物油等。王允祥等[14]研究认为0.25%维生素C、0.6%柠檬酸、0.15%氯化钙可以使马铃薯褐变度降低，对马铃薯的保鲜效果最好。俞颖强[15]认为1.5%海藻酸钠+0.6%羧甲基纤维素+0.4%氯化钙是最佳的涂膜剂组合，抑制马铃薯褐变的效果最好。陈海光等[16]用不同浓度壳聚糖溶液涂膜处理切片马铃薯，发现0.5%、1.0%、1.5%这3种浓度均可抑制马铃薯块茎褐变，降低PPO活性，且浓度越高，抑制作用越好。林顺顺等[17]研究表明大豆分离蛋白复合涂膜可以抑制鲜切马铃薯的褐变，减少病菌侵入，还能有效防止马铃薯水分散失，降低营养物质损失，使其保持良好的感官品质。目前，可食性涂膜技术应用范围还不是很广泛。
2 褐变相关基因的调控
2.1 抗褐变育种 以往马铃薯育种目标为高产、优质、多抗，现在育种目标又增加了新内容，即减少酶促褐化，因此进行抗褐变基因的挖掘很有必要，可以为后续精细定位和候选基因克隆奠定坚实基础，加快马铃薯抗褐化品种选育进程，提升加工产品品质。胡军[18]利用抗褐变强的“Agria”与易褐变“中薯11号”构建了分离群体，并对父母本及后代分离群体株系230份的块茎褐变分级进行了评价，发现1号、10号染色体上存在褐变的候选区段。其中，预测1号染色体候选2MB区段包含64个编码基因，未预测到编码多酚氧化酶基因，说明该区段存在影响块茎褐变性状的新基因或位点。刘士扬等[19]以易褐变的“克新4号”和不易褐变的“克新13号”为试验材料，获得了5个差异较大的基因Stbr1、Stbr2、Stbr3、Stbr4、Stbr5，观察其原核表达产物对褐变的影响。结果显示，Stbr2、Stbr3、Stbr4这3个基因的表达产物可以抑制褐变的发生，说明褐变是由多基因所控制。黄树苹等[20]研究认为丝瓜果肉褐变程度主要受2对主基因控制，以遗传效应为主，同时受环境影响较大，因此可在早期世代选择低褐变材料，同时选择低褐变的亲本材料，通过杂交、回交转移主基因，选育出低褐变的丝瓜品种。 2.2 改变PPO基因的表达 多酚氧化酶（PPO）是酶促褐变过程中黑色素合成途径中的关键酶。从基因角度出发，可以对PPO基因进行基因编辑、基因敲除、基因沉默等手段，控制其表达，抑制马铃薯块茎发生褐变。通过基因手段可以使作物发生定向改变，产生出稳定的可遗传的性状，培育出抗褐变的马铃薯新品种[21]。较多植物的PPO都是由核基因编码，受多基因控制，表现出多基因的家族性。在植物生长发育或逆境过程中，不同的PPO成员表达图谱不尽相同[22]。马铃薯的PPO也是由多基因控制其表达，其家族成员主要有POTP1（Gen Bank ID：M95196）、POTP2（M95197）、POT32（U22921）、POT33（U22922）和POT72（U22923）[23]，它们都没有内含子结构。时空性是马铃薯PPO基因表达的主要特点，在马铃薯叶片和花中主要是POTP1和POTP2基因表达，在块茎中主要是POT32和POT33表达，在块茎发育的整个阶段占主体地位的基因是POT32，在根中表达的主要是POT72基因[23]。陈明俊[24]通过CRISPR/Cas9基因编辑技术对马铃薯PPO基因POT32和POT33进行了敲除载体构建，最终经对PCR扩增产物测序验证获得了2棵突变植株，突变株PPO活性、总酚含量、褐变强度都有不同程度降低。刘敏敏等[25]研究认为半胱氨酸蛋白酶抑制子基因StCYS1能提高PPO酶活性，但却对马铃薯浆液褐变起到抑制作用，这是由于它可以减少褐变底物游离酪氨酸含量，同时还可增加脯氨酸含量，提升马铃薯块茎的抗氧化能力。王清等[26]研究表明转基因马铃薯块茎的褐化程度较对照明显降低，反义PPO基因有效抑制了块茎PPO活性，并降低了块茎酚物质含量。Coetzer等[27]利用正义和反义RNA技术成功抑制了马铃薯中PPO基因表达，使PPO活性降低，控制了褐变。基因工程法主要包括RNA的抑制和转基因抑制等。有研究表明，通过转基因方法，将顺式、反式或双链RNA转入植物中，抑制PPO基因表达，进而减少褐变发生[28]。池明[29]使用amiRNA技术将转基因马铃薯块茎中StuPPO1、StuPPO2、StuPPO3和StuPPO4基因同时抑制，更好地抑制了PPO酶活性，降低酶促褐变，产生不褐变的马铃薯块茎表型。此外，研究结果表明抑制单个或多个PPO基因表达并未引起其他PPO基因的过量表达。
3 展望
马铃薯加工过程中的酶促褐变现象是一直存在的问题。随着人们健康意识的提升和加工业的迅速发展，化学褐变抑制剂带来的化学残留问题越来越受到重视。天然的防褐变剂以及涂膜处理可以有效抑制鲜切马铃薯的褐变，但是护色液直接与鲜切马铃薯接触，可能会影响产品的风味[30]，增加污染风险，因此限制其应用。改善酶促褐变最好的解决途径就是培育抗褐变品种，通过PPO基因修饰来获得抗褐变品种，其品种特性及生长发育状况并不会发生显著变化，说明这种方法有效且可行[31]。目前利用分子生物技术来进行遗传改良是快速获得抗褐变品种的主要途径，能大幅提高加工企业的加工效率及质量，降低损失，具有广阔的发展前景。
参考文献
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（责编：徐世红）