荔枝果皮多酚氧化酶内源底物的确定及其促褐变机制

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荔枝是一种具有高商业价值的亚热带水果,但其果皮在采后的快速褐变导致其商品价值降低。本研究从寻找荔枝表皮内源底物的角度出发,在对荔枝表皮中主要的黄烷醇类化合物进行分离纯化及结构鉴定和对荔枝表皮PPO分离纯化的基础上,通过研究荔枝表皮内源底物与PPO的相互作用关系,及其在花色苷降解过程中的作用,进一步阐明荔枝表皮酶促褐变的机制。主要研究结果如下:   1、经HPLC-MS,NMR,CD等现代分析方法分析表明,荔枝中主要的黄烷醇类化合物为(-)表儿茶素,原花青素B2,原花青素A2和原花青素A型三聚体表儿茶素-(4β→8,2β→O→7)-表儿茶素-(4β→8)-表儿茶素。且不同品种的荔枝表皮中主要的黄烷醇种类基本相同的,只是各化合物的含量略有差异。   2、本研究建立了一种通过柱层析分离制备高纯度荔枝表皮PPO的新方法,该方法有效地提高了荔枝表皮PPO分离纯化的得率和纯度。研究还表明本研究分离得到的荔枝表皮PPO为一种糖含量为50.0%的糖蛋白,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测得其相对分子量为94.0kDa,其结构中可能含有多个糖基化位点。   3、通过底物特异性和动力学分析,首次确定了荔枝表皮PPO的最适内源底物为(-)-表儿茶素,且PPO对该底物有很强的亲和力。反应体系的pH值对(-)-表儿茶素酶促氧化反应有很大影响。该酶促氧化是从PPO催化氧化(-)-表儿茶素生成相应的(-)-表儿茶素醌的反应开始,再由(-)-表儿茶素的C-8亲核攻击(-)-表儿茶素醌的B环,通过Michael-加成反应生成无色的脱氢二聚表儿茶素B。在pH值小于5.5的情况下,脱氢二聚表儿茶素B再被氧化生成黄色的脱氢二聚表儿茶素A,而在pH值大于7.0的情况下,脱氢二聚表儿茶素B则被氧化成脱氢二聚表儿茶素醌衍生物。另外,在pH5.5~7.0的情况下,脱氢二聚表儿茶素A和脱氢二聚表儿茶素醌衍生物同时生成,即脱氢二聚表儿茶素B被氧化为脱氢二聚表儿茶素A和脱氢二聚表儿茶素醌衍生物的反应同时发生。   4、以(-)-表儿茶素为底物研究了荔枝表皮PPO的酶学特性,研究表明,以(-)-表儿茶素为底物时荔枝表皮PPO活性的最适pH值为7.5,最适温度为45℃。PPO在pH值小于4.5的环境中不稳定,而在pH6.0-8.0的环境中稳定。同时,研究还表明在45℃以上,PPO不稳定,且PPO的变性温度在70℃附近。   5、本研究所用抑制剂除Vc外,均对PPO催化的(-)-表儿茶素和荔枝表皮黄烷醇提取物的氧化反应时具有显著的抑制效果,且同种抑制剂在抑制这两个反应时的抑制效果相近,这说明同一种抑制剂对这两个反应的抑制机制相似。因此,我们推测只要能有效抑制(-)-表儿茶素的酶促氧化就能有效抑制荔枝表皮黄烷醇类化合物的酶促氧化。(-)-表儿茶素的酶促氧化可能是引起黄烷醇类化合物氧化的起因。   6、L-谷胱甘肽和L-半胱氨酸对PPO活性的抑制可能是两种抑制途径共同作用的结果:1.它们直接与PPO作用而抑制其活性;2.它们可以与醌形成无色的结合产物从而抑制酶活。Vc对PPO活性的抑制可能仅仅取决于它的还原能力。NaF对PPO活性的抑制作用可能是由于其本身可以直接与PPO作用而抑制其活性。虽然L-谷胱甘肽和L-半胱氨酸都对(-)-表儿茶素的酶促氧化有很好的抑制效果,但是,这种效果是暂时的,从长期效果来看,它们都不能很好的抑制(-)-表儿茶素酶促氧化。随着这些抑制剂在与酶促氧化生成的(-)-表儿茶素醌的反应中被消耗,有颜色的化合物就开始形成。同时,研究还表明,L-谷胱甘肽与(-)-表儿茶素醌反应生成无色的加成产物,而L-半胱氨酸与(-)-表儿茶素醌反应生成有颜色的加成产物。   7、矢车菊素-3-芸香糖苷在仅有荔枝表皮PPO存在的情况下不会发生明显的降解,但在有(-)-表儿茶素和荔枝表皮PPO同时存在的情况下快速降解。根据本研究结果,我们认为,荔枝表皮中的花色苷的降解机制如下:荔枝表皮PPO先氧化(-)-表儿茶素形成(-)-表儿茶素醌,该物质再通过耦合氧化机制进一步导致花色苷的降解。研究结果还表明,花色苷和(-)-表儿茶素会竞争与(-)-表儿茶素醌反应,且这种竞争与(-)-表儿茶素和花色苷的浓度有关。   8、对荔枝采后贮藏过程中酚类化合物的变化的研究表明,荔枝表皮褐变在荔枝表皮膜功能散失后才发生,此时,荔枝表皮中主要的黄烷醇类化合物以及花色苷含量都明显降低。而在膜功能散失前,荔枝表皮中主要的黄烷醇类化合物以及花色苷含量保持不变,且荔枝表皮未发生褐变。这说明荔枝表皮膜功能散失之后,(-)-表儿茶素与PPO结合,反应产生(-)-表儿茶素醌,该物质再与荔枝表皮中的黄烷醇类化合物,花色苷,蛋白质,氨基酸等反应生成复杂的褐色产物,导致荔枝表皮中黄烷醇类化合物及花色苷的降解,并最终导致荔枝表皮褐变。
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