酶促褐变是新鲜切割食品行业面临的一个关键品质问题，会导致经济损失和全球食物浪费（Moon等人，2020年）。这一复杂的生化过程由含铜酶多酚氧化酶（PPO）引发，在分子氧存在下催化内源性酚类化合物氧化为相应的醌类物质（Zhang，2023年）。这些高反应性的醌中间体会发生非酶促聚合反应，形成高分子量的黑色素，导致特征性的褐色变色（Sui等人，2023年）。除了外观恶化外，这一氧化过程还会引发一系列不良变化，包括通过二次氧化反应产生异味、维生素C和E的营养降解、细胞壁破裂导致的质地软化，最终导致消费者拒绝购买（Ali等人，2016年；Surowsky等人，2013年；Zhang等人，2025b年）。
PPO介导的褐变在植物中的生理作用不仅限于氧化作用，它还通过生成抗菌醌和交联蛋白质屏障来抵御病原体入侵和食草动物（Zhang和Sun，2021年）。然而，在新鲜切割加工过程中，这种保护作用却变得极为不利，因为此时保持外观质量和延长保质期至关重要。马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球重要的食物来源（Liu等人，2023年），但在去皮、切片或受到机械损伤后极易发生酶促褐变（Tsikrika等人，2022年；Valinas等人，2015年）。这一问题在新鲜切割马铃薯产品中尤为严重，因为其质体中PPO活性极高，同时液泡中含有丰富的酚类底物（如绿原酸和咖啡酸），这些底物在细胞损伤后会迅速发生反应（Tsikrika等人，2022年）。马铃薯产品的褐变程度还受到品种和栽培环境因素的影响，如土壤成分、温度胁迫和收获成熟度（Bachem等人，1994年；Meng等人，2021年；Qiao等人，2022年）。这些因素会影响PPO的活性和马铃薯的酚类含量，从而增加了褐变控制的复杂性。
目前工业上用于抑制褐变的方法包括物理、化学和生物技术手段，但每种方法都有其局限性，限制了其广泛应用。物理方法如热漂白（Moscetti等人，2018年）、高压处理（Tsikrika等人，2021年）和伽马辐照（Tsikrika等人，2022年）虽然能有效失活PPO，但会破坏果胶的溶解性和淀粉的糊化，同时降解热不稳定的维生素和生物活性化合物（Tsikrika等人，2022年）。改良气氛包装可以减缓褐变，但需要复杂的设备并大幅增加包装成本（Dite Hunjek等人，2020年；Liu等人，2026年）。在化学方面，亚硫酸盐类物质（如亚硫酸氢钠和二氧化硫）因其同时具有PPO抑制剂和醌还原剂的双重作用而在商业应用中占主导地位（Cui等人，2025年）。然而，随着对亚硫酸盐引起的过敏反应的关注增加，食品行业不得不重新考虑其使用方法（Iyengar和McEvily，1992年）。使用有机酸的替代化学处理方法也有其挑战性，例如抗坏血酸主要作为牺牲型抗氧化剂，在高PPO系统中会迅速耗尽（Jiang和Penner，2021年）；柠檬酸需要60 mM的浓度才能有效，但这种浓度会使pH值降至4以下，产生难以接受的酸味（Liu等人，2013年）。
最新的褐变控制方法转向了天然来源的抑制剂，这符合清洁标签趋势和消费者对低加工食品的偏好。通过对植物提取物的广泛筛选，发现了许多具有抗PPO活性的生物活性化合物，包括绿茶（Bobo等人，2022年）和洋葱副产物（Roldán等人，2008年）中的多酚丰富提取物。特定的酚类化合物，如氧白藜芦醇和绿原酸，通过结合活性位点结合和铜螯合作用显示出良好的抑制效果（Cheng等人，2020年；Zhang等人，2025a）。来自食品蛋白质的肽类抑制剂，如酪蛋白磷酸肽和米糠蛋白，通过螯合铜并提供营养增强作用提供了额外的可能性（Chang等人，2023年；Kubglomsong和Theerakulkait，2014年）。然而，这些天然替代品通常需要高浓度才能达到与合成抑制剂相当的效果，这引发了关于经济可行性、潜在风味改变和工业应用可行性的担忧。此外，植物提取物的复杂成分会导致批次间差异和未鉴定成分的潜在致敏性。
在新兴的分子策略中，含硫醇化合物是一类具有独特机制优势的有前景但研究不足的褐变抑制剂。先前的研究已经充分证明了天然硫醇（尤其是半胱氨酸和谷胱甘肽）在多种植物物种和食品系统中的有效性（Ali等人，2015年；Gacche等人，2004年；Wu，2014年；Zhou等人，2018年）。巯基（-SH）功能团对过渡金属具有高亲和力，能够与PPO的双核铜活性位点直接结合（Cui等人，2025年；Ge等人，2025年）。在此基础上，最近的研究开始关注更专门的硫醇化合物，它们可能具有更好的性能。
在这方面，3-巯基-2-丁酮是一种含巯基的分子，在食品化学中具有独特地位，它既是天然存在的风味化合物，也是通过工艺生成的分子，其形成途径已被充分研究。这种挥发性硫醇对许多食品的特征香气起着关键作用：它在热处理的牛肉汤中提供浓郁的肉香（Abd El-Aleem等人，2017年）；赋予咖啡独特的烘焙风味（Gigl等人，2022年）；定义了鱿鱼的风味特性（Han等人，2025年）；并且还存在于一种名为“迎家贡酒”的著名白酒中（Zhu等人，2022年），也在麝香葡萄酒中被发现（Gürbüz等人，2013年）。其形成机制包括硫胺素的热降解，可能涉及发酵过程中的酵母代谢，这从白酒和葡萄酒中的存在可以得到证实，表明其在多种食品生产过程中的生物起源多样性。重要的是，3-巯基-2-丁酮已被批准作为食品调味剂（欧盟FL编号12.047，JECFA编号558），适用于所有食品类别，无需限制，为其在风味增强和褐变控制中的双重用途提供了坚实的法规基础。与新型合成化合物相比，这一现有的监管框架大大降低了商业应用的障碍。
尽管3-巯基-2-丁酮具有许多优点，但目前尚无全面的研究探讨其作为抗褐变剂的潜力或阐明其抑制PPO的分子机制。鉴于该化合物具有食品安全性、天然存在以及优化了与酶相互作用的分子结构，这一知识空白尤为重要。了解3-巯基-2-丁酮在分子和细胞水平上如何调节褐变过程，可以为开发平衡效果、安全性和消费者接受度的下一代保存策略提供见解。
因此，本研究旨在通过多尺度分析探讨3-巯基-2-丁酮作为新鲜切割马铃薯的新型抗褐变剂的作用。我们评估了其浓度依赖性的褐变抑制效果，进行了RNA-seq转录组分析，并使用Chai-1分子模型研究了其结合机制。结果揭示了一种前所未有的多方面机制：通过铜-硫醇配合作用直接竞争性抑制PPO，同时通过双相转录重编程将酚类代谢导向保护性途径。这种双重作用机制提供了卓越的长期保护效果，为新鲜切割食品的保存提供了科学验证且具有商业可行性的解决方案。
