鮮切果蔬抗菌物質(zhì)與抗菌包裝應(yīng)用研究進展

劉勇，嚴志鵬，陳杭君，邵平*

1(浙江工業(yè)大學(xué)，食品科學(xué)與工程系，浙江 杭州，310014) 2(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，食品科學(xué)研究所,浙江 杭州，310021)

鮮切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是一種經(jīng)半加工或輕度加工后包裝銷售的新鮮果蔬產(chǎn)品，它滿足了消費者對于果蔬產(chǎn)品新鮮品質(zhì)以及便利性的要求[1]。機械損傷、生理衰變和微生物腐敗是導(dǎo)致新鮮果蔬采后品質(zhì)變差的主要因素。利用合理的緩沖包裝及氣調(diào)包裝技術(shù)雖然可以有效地延長新鮮果蔬的貨架期，但難以完全消除由表面或內(nèi)部的微生物生長繁殖而引起的果蔬腐敗[2]。尤其是經(jīng)過一定加工處理的鮮切果蔬，切口暴露或組織的破壞都會增加微生物繁殖的可能性。因此，如何有效地控制鮮切果蔬中微生物引起的腐敗成為日益關(guān)注的問題。

抗菌包裝通過添加抗菌物質(zhì)，使食品與抗菌物質(zhì)直接或間接接觸，從而能夠抑制微生物生長。目前已有的鮮切果蔬抗菌包裝的研究主要集中在天然抗菌包裝研究，內(nèi)容較為單一，缺乏系統(tǒng)的研究。因此，該文對國內(nèi)外抗菌包裝在鮮切果蔬中的研究進行了整理，介紹了鮮切果蔬中的微生物、抗菌物質(zhì)、抗菌包裝形式及抗菌劑釋放機制，以期為以后的鮮切果蔬的抗菌包裝研究提供參考和借鑒。

1 伴隨在新鮮果蔬中的微生物

鮮切果蔬與新鮮果蔬相比主要是進行了去皮、切分等輕度加工過程，滿足了快節(jié)奏生活人群的需求，還具有良好的新鮮度與感官，因而深受消費者喜愛。我國是果蔬生產(chǎn)、消費、進口大國，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代物流和電商平臺興起，果蔬產(chǎn)業(yè)從數(shù)量型轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量型，果蔬高端產(chǎn)品已經(jīng)走入千家萬戶。

果蔬中的微生物主要來源于生長環(huán)境以及流通、加工環(huán)節(jié)中的土壤、水源、空氣，蔬菜中的微生物數(shù)量可達103～107CFU/cm2(或g)[3]。表1列舉了部分在新鮮果蔬產(chǎn)品中的微生物種類，它們主要包括假單胞菌、霉菌等腐敗微生物和大腸桿菌、單核細胞增生李斯特菌等致病微生物。鮮切果蔬因本身含有豐富的糖類、蛋白質(zhì)、碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì)，加工過程中暴露的切口無疑會加速微生物的侵染或引入新的食源性疾病源[2]。因此，了解新鮮果蔬中存在的微生物對鮮切果蔬的抗菌包裝設(shè)計具有重大意義。

1.1 新鮮果蔬中的腐敗微生物

腐敗微生物是能使食品發(fā)生腐敗變質(zhì)并失去原有營養(yǎng)價值的一類微生物。果蔬在經(jīng)過采收、運輸、加工等過程中都有可能不同程度地帶上腐敗微生物，不同品種甚至不同生長環(huán)境中的果蔬所攜帶的腐敗微生物數(shù)量和種類有很大的區(qū)別，新鮮果蔬中的腐敗微生物主要是酵母、霉菌、假單胞菌和歐文菌[4]。雖然鮮切果蔬經(jīng)過清洗、去皮等工序降低了腐敗微生物的基數(shù)，但研究表明，放置在4 ℃下隨時間延長，腐敗微生物的數(shù)量會逐漸增加[3]。

1.2 新鮮果蔬中的致病菌

有研究表明，生活中經(jīng)常食用的果蔬例如西瓜、哈密瓜等被切片包裝后在容器中冷藏保存時，冷藏以及低氧包裝并不能阻止肉毒梭菌和單核細胞增生李斯特菌等致病菌的生長[5]，這些都會導(dǎo)致人體在食用后產(chǎn)生食源性疾病，以下列舉了果蔬中常見的致病菌。

(1)大腸桿菌O157：H7

大腸桿菌和許多食源性疾病有關(guān)，新鮮的果蔬在加工運輸工程中易受到污染而導(dǎo)致大腸桿菌超標。也有研究表明，鮮切果蔬的加工過程并不能完全殺滅大腸桿菌[5]。如VANDAMM等[6]在鮮切芹菜中發(fā)現(xiàn)大腸桿菌O157：H7、金黃色葡萄球菌及沙門氏菌的生長。

(2)沙門氏菌

沙門氏菌是一種常見的食源性致病菌，常常出現(xiàn)在生菜、甜瓜、番茄等新鮮果蔬中，STRAWN等[7]發(fā)現(xiàn)在12℃下，鮮切芒果在10 d內(nèi)沙門氏菌數(shù)量會顯著增加。同時，沙門氏菌在不同的加工接觸表面都存在較高的轉(zhuǎn)移率，消費者如果不慎攝入會導(dǎo)致食源性腸胃炎。

(3)單核細胞增生李斯特菌

單核細胞增生李斯特菌是一種革蘭氏陽性菌致病菌，可在4 ℃等低溫環(huán)境下存活。鮮切果蔬在低溫下保存有可能引起單核細胞增生李斯特菌的大量繁殖，F(xiàn)RANCIS等[8]在鮮切的胡蘿卜和卷心菜中分離出21株單核細胞增生李斯特菌。

(4)肉毒梭菌(Clostridiumbotulinum)

蔬菜中最常見的致病菌是肉毒梭菌(C.botulinum)，大部分蔬菜在受到肉毒梭菌侵染后均能檢出毒性產(chǎn)物并出現(xiàn)腐敗癥狀。

此外，果蔬中常見的微生物還有金黃色葡萄球菌、嗜溫菌等，它們均有可能在特定條件下導(dǎo)致鮮切果蔬的快速腐敗或引起食源性疾病的發(fā)生。傳統(tǒng)的普通包裝雖然可通過氣調(diào)或冷藏等技術(shù)來控制水果的呼吸和衰老過程，但對微生物的控制效果較差，通過在已有的包裝基礎(chǔ)上添加抗菌劑制備成的抗菌包裝，可有效地抑制果蔬中腐敗微生物的生長繁殖(表1)。

表1 伴隨在新鮮果蔬產(chǎn)品中的微生物Table 1 The main microbes accompany in fresh fruitand vegetable products

2 鮮切果蔬抗菌包裝中的抗菌物質(zhì)

通常果蔬采后的病害防治多用藥劑進行浸果或熏蒸，如仲丁胺系列和二氧化硫系列。與新鮮果蔬相比，鮮切果蔬因切口暴露的特殊性，抗菌物質(zhì)的添加除保證高安全性外，還需考慮對果蔬切口組織的影響如褐變、氧化等，但總體而言，多數(shù)用于新鮮果蔬保鮮的抗菌劑均能用于鮮切果蔬，只是后者要求更為嚴格。用于鮮切果蔬抗菌包裝的抗菌劑，主要分為有機抗菌劑、無機抗菌劑和天然抗菌劑3種。

2.1 有機抗菌劑

有機抗菌劑主要包括有機酸類、小分子酚類、醇類和帶季胺鹽官能團的大分子類等。此類抗菌劑的主要作用機理是影響細胞的細胞壁、細胞膜、酶、蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)及遺傳物質(zhì)[23]。范林林等[24]研究了不同檸檬酸溶液對鮮切蘋果的處理，采用濃度為1.5%的檸檬酸處理不僅可較好地維持鮮切蘋果硬度及品質(zhì)，而且對鮮切蘋果有較好的護色效果，此外，也可有效地抑制微生物繁殖。但隨著經(jīng)濟發(fā)展，人們對天然產(chǎn)物的興趣越來越高，在高端產(chǎn)品中有機抗菌劑大有被其他抗菌劑替代的趨勢。

2.2 無機抗菌劑

無機抗菌劑主要有金屬離子和抗菌性納米顆粒如納米Ag、Zn和納米TiO2等。金屬離子或金屬溶出的離子在微動力效應(yīng)下能夠穿透細胞膜，與微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)中的巰基結(jié)合，破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而使微生物產(chǎn)生生理功能障礙而死亡[25]。陳中杭等[26]制備了ZnO/纖維素膜并用于鮮切西蘭花的保鮮，控制了細菌的繁殖，減緩了葉綠素的降低，提高了西蘭花的品質(zhì)。BODAGHI等[13]通過熔融共混法將納米TiO2摻入低密度聚乙烯中制得鮮切梨的抗菌包裝，與普通低密度聚乙烯膜中的樣品相比，梨片上的嗜溫細菌和酵母細胞的數(shù)量顯著降低。雖然無機抗菌劑穩(wěn)定性好，長效并且不易造成細菌耐藥性，但使用過程中需要直接接觸食品才能發(fā)揮出作用，在應(yīng)用中仍需要考慮金屬離子在果蔬中的遷移帶來的安全性問題。AVELLA等[27]對納米粒子的遷移特性進行研究，發(fā)現(xiàn)納米顆粒會從包裝薄膜遷移到蔬菜里，具有一定的安全風(fēng)險性。

2.3 天然抗菌劑

天然抗菌劑主要來自天然物質(zhì)，具有較高的安全性，主要包括天然提取物、酶類和細菌素類。

2.3.1 天然提取物

天然提取物主要來自于自然界中的動植物，具有較高的安全性，因此，消費者對天然成分有著特殊的偏好。天然提取物主要包括各種草本和動物的提取物，如茶多酚、迷迭香提取物、甜羅勒提取物、精油和殼聚糖等。錢昆等[28]對香辛料的醇進行提取并復(fù)配，應(yīng)用于鮮切萵筍保鮮中，發(fā)現(xiàn)在貯藏過程中可以有效控制微生物繁殖,將微生物數(shù)量控制在較低水平，使鮮切萵筍保持較好的品質(zhì)。精油類物質(zhì)具有用量小、抗菌性強等特性，被廣泛應(yīng)用在鮮切生菜[29]、鮮切黃瓜[30]、鮮切土豆[31]等果蔬中，并取得了一定的效果。

雖然天然提取物種類豐富且安全性高，但精油類存在熱敏感性、易氧化或氣味濃郁等問題都可能影響食品的風(fēng)味和抗菌性，此類問題會進一步限制其應(yīng)用和推廣。AZARAKHSH等[32]研究發(fā)現(xiàn)，將鮮切菠蘿浸入到含有檸檬草精油的海藻酸鈉溶液中存儲16 d后，與末經(jīng)涂層處理的對照相比會顯著性抑制酵母和霉菌生長，但在配方中摻入0.5%的精油會顯著影響菠蘿的堅硬度和總體接受度。SALVIA-TRUJILLO等[33]制備了檸檬草精油乳液，并以浸泡的方式處理切片蘋果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)精油處理后可有效抑制微生物生長，精油在低濃度下對蘋果品質(zhì)有積極作用，但在高濃度下會明顯增加蘋果的褐變。

2.3.2 酶和細菌素

用于鮮切果蔬抗菌包裝的酶制劑主要有溶菌酶、過氧化物酶和葡萄糖氧化酶等，酶類的主要抑菌機理是破壞微生物細胞壁進而破壞細胞的完整性。細菌素也屬于天然防腐劑，食品中常用的細菌素有乳酸鏈球菌素和納他霉素。乳酸鏈球菌素(nisin)對革蘭氏陽性菌有較好的抑制效果，而納他霉素對大部分的霉菌、酵母和真菌都有很好的抑制能力。GONZLEZ等[34]將質(zhì)量分數(shù)為0.33%納他霉素添加到大豆蛋白中，制備成具有抗菌活性的大豆蛋白/聚乳酸復(fù)合膜并用于鮮切西紅柿保鮮，結(jié)果表明，鮮切西紅柿在10℃放置21 d后，對照組可明顯觀察到霉菌的生長，而納他霉素處理組除出現(xiàn)脫水外，外觀未觀察到霉菌的生長。王娟等[35]利用nisin，納他霉素，薄荷油，CaCl2，香蘭素，殼聚糖制成復(fù)合保鮮涂膜液，結(jié)合紫外處理可有效地抑制鮮切木瓜中霉菌、酵母和細菌的增長，并且至少能使鮮切木瓜的貨架期延長到6 d。酶類抗菌劑因酶的專一性并且對環(huán)境較為敏感較易失活，所以在應(yīng)用上具有一定的局限性，常和其他抗菌劑一起復(fù)配作為抗菌劑使用。

3 鮮切果蔬抗菌包裝類型

新鮮果蔬的保鮮包裝通常是將保鮮劑涂布于包裝材料中，有些單獨隔開放入包裝袋，還有些被制成涂被膜劑直接包覆于果蔬表面。鮮切果蔬抗菌包裝與此類似，可以分為抗菌涂層包裝、抗菌薄膜包裝、抗菌墊/小袋包裝。

3.1 抗菌涂層包裝

抗菌涂層包裝是將抗菌劑加入到涂膜液中，通過浸泡或涂膜方式在鮮切果蔬表面形成一層涂層。可食涂膜的基材通常有蛋白質(zhì)類、多糖類、脂質(zhì)類和以上2種或2種以上復(fù)合類，常見的如酪蛋白、普魯蘭多糖、殼聚糖類、蔗糖酯(蠟)等[36]，因涉及到食用的安全性，所以抗菌劑通常選用天然物質(zhì)。CAMPANIELLO等[37]在鮮切草莓上涂有含1%殼聚糖的涂層，可增強鮮切草莓在氣調(diào)儲存時對微生物的抵抗能力。王建清等[38]采用0.08%的百里香精油結(jié)合1%殼聚糖對鮮切冬瓜涂膜處理，發(fā)現(xiàn)百里香精油具有明顯的抑菌作用,結(jié)合殼聚糖能夠有效地抑制鮮切冬瓜的腐爛,保持鮮切冬瓜的品質(zhì),延長其貨架壽命。

3.2 抗菌薄膜包裝

薄膜抗菌包裝是通過熔融、流延、化學(xué)鍵結(jié)合及靜電紡絲等工藝將抗菌劑加入到基材中，制備成薄膜的形式。鄧文瑾等[39]將含有百里香精油的殼聚糖溶液通過流延方法制備成殼聚糖/PVA抗菌薄膜用于鮮切生菜的保鮮。與普通的PE膜相比，抗菌膜的存在減緩了生菜的水分流失，降低生菜的失重率，同時，在10 ℃下存放8 d后PE保鮮膜組的菌落總數(shù)整體增長了14.58對數(shù)值，而抗菌薄膜組僅增加了1.633對數(shù)值，并維持生菜良好的感官品質(zhì)。YAO等[40]以精油為芯層，以玉米醇溶蛋白為鞘層，制備出包封精油的抗菌纖維膜，并應(yīng)用于鮮切金橘，處理7 d后空白處理的相對灰度從原始100%下降到78.5 %，而經(jīng)抗菌纖維膜和不含精油的纖維膜包裝灰值分別為92.6%、90.8%，具有明顯保鮮效果。除此之外，抗菌劑可通過共價鍵、離子鍵等方式固定在薄膜中形成抗菌薄膜包裝。APPENDINI等[41]將抗菌肽通過共價鍵結(jié)合到聚苯乙烯上，研究結(jié)果表明，對金黃色葡萄球菌、熒光假單胞菌和單核細胞增生李斯特菌等具有較好的抑制效果。

3.3 抗菌墊/袋包裝

抗菌墊和抗菌袋是比較常見的抗菌包裝，在抗菌劑的選擇上要求具備可以控制抗菌劑擴散的性能，此類抗菌包裝的形式常用吸附或包埋抗菌劑，使其在鮮切果蔬的貨架期過程中起到持續(xù)抗菌的作用，可直接接觸和間接接觸抗菌。將異硫氰酸烯丙基酯包埋于環(huán)糊精后涂于濾紙盤制成抗菌墊，能夠有效減少切片洋蔥上的單核細胞增生李斯特菌的數(shù)量[17]。CHANG等[16]通過將牛至精油微膠囊化處理后，制成釋放精油蒸氣的抗菌香囊，并用于鮮切萵苣的保鮮，在20 ℃儲存5 d后，牛至精油對霉菌、酵母分別減少了2.1對數(shù)值和1.5對數(shù)值，且萵苣的質(zhì)地和顏色不受精油影響。

4 鮮切果蔬抗菌包裝抗菌劑釋放機制

圖1為常見的3類鮮切果蔬抗菌包裝形式，其中分別為抗菌涂層系統(tǒng)、抗菌薄膜系統(tǒng)和抗菌袋/墊系統(tǒng)?？咕繉酉到y(tǒng)中涂層的存在可防止水分快速流失，同時涂層中的抗菌劑可以控制外部微生物對鮮切果蔬的入侵[42]。

A-抗菌涂層系統(tǒng);B-抗菌薄膜系統(tǒng);C-抗菌袋/墊系統(tǒng)圖1 三類鮮切果蔬抗菌包裝形式Fig.1 Three types of fresh-cut fruits and vegetables antibacterial packaging

在抗菌薄膜系統(tǒng)中，食品所處的是一個密閉的環(huán)境，固定化或包裹在膜的抗菌劑可以通過直接或間接接觸，并通過濃度差擴散到內(nèi)部系統(tǒng)中起到抑菌和殺菌的作用。而在抗菌墊/袋系統(tǒng)中，在小袋或墊子中的抗菌劑緩慢地擴散在包裝內(nèi)部。在此基礎(chǔ)上抗菌劑也可以經(jīng)過載體如環(huán)糊精、乳液和微膠囊等方式包埋處理，以期達到控制釋放的效果，此類研究在以后也將成為熱點[43]。

5 鮮切果蔬抗菌包裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展和消費理念的升級，抗菌包裝在食品中具有很大的前景，綠色安全環(huán)保的抗菌包裝將成為一種趨勢。但抗菌包裝在應(yīng)用中仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如抗菌劑的有效性和穩(wěn)定性，單一抗菌劑的局限性和精油類等獨特氣味、易氧化及高濃度下對果蔬產(chǎn)生的消極影響等問題，以及抗菌劑的相容性和安全性，包裝材料和抗菌劑的相容性及Ag、ZnO等無機抗菌粒子在食品體系遷移等問題[44]。在將來技術(shù)發(fā)展趨勢主要集中在以下3個方面：

(1)在抗菌材料的選擇上將趨向多種抗菌劑的復(fù)配，在應(yīng)用中趨向于選用天然抗菌劑如精油、殼聚糖等復(fù)配以產(chǎn)生協(xié)同作用。

(2)在包裝材料方面因其可食膜的綠色環(huán)保、便捷、安全無毒及生物可降解等特性將成為未來的主流趨勢。

(3)抗菌包裝的制備與其他技術(shù)聯(lián)用。將柵欄技術(shù)、微膠囊技術(shù)、靜電紡絲、納米技術(shù)等與其他保鮮技術(shù)，如氣調(diào)、冷藏、輻照、高靜水壓等結(jié)合使用，與單一技術(shù)相比，可有效地提升鮮切果蔬的保鮮效果和質(zhì)量。