聚乙烯醇/殼聚糖季銨鹽薄膜的制備及其對(duì)黃骨魚保鮮效果研究

(海軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,湖北武漢 430033)

黃骨魚為淡水魚,在我國(guó)分布范圍廣、產(chǎn)量大、性價(jià)比高,其烹飪簡(jiǎn)單,營(yíng)養(yǎng)豐富,作為適合保障部隊(duì)日常消耗的研究對(duì)象具有一定的代表性。目前黃骨魚主要是利用普通的聚乙烯或聚丙烯塑料袋進(jìn)行包裝,或是用保鮮膜包裹,雖在一定程度上起到了隔絕空氣保鮮的目的,但是無(wú)法從源頭阻止細(xì)菌滋生。因此,亟需研發(fā)一種抑菌包裝材料用于包裹黃骨魚,延長(zhǎng)其貨架期。

聚乙烯醇(PVA)是一種多羥基強(qiáng)氫鍵聚合物,具有較強(qiáng)的極性、耐熱性及抗靜電性,可以作為負(fù)載體固定細(xì)胞和氧、光催化劑,還可與多種材料共混,在光電阻燃、食品保鮮和醫(yī)藥醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。殼聚糖(CS)由甲殼素經(jīng)部分脫乙?；?具有很好的生物相容性和廣譜抗菌性,但其難溶解易降解。季銨鹽[3]是由烴基取代銨離子中的四個(gè)氫原子而生成的化合物,可溶于水,具有較強(qiáng)殺菌能力,可作為表面活性劑。殼聚糖季銨鹽(HACC)[4]是殼聚糖經(jīng)化學(xué)改性而制得的殼聚糖高級(jí)衍生物,綜合了殼聚糖和季銨鹽的優(yōu)點(diǎn),在抗菌、成膜、吸濕保濕等性能方面都有提高。

利用有機(jī)抑菌劑改性PVA薄膜國(guó)內(nèi)已有研究。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)王淑瑤[5]采用流延涂布法制備了不同質(zhì)量比的殼聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA)復(fù)合薄膜,表征后發(fā)現(xiàn)當(dāng)CS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí),CS/PVA薄膜最具食品包裝潛力;張曉紅等[6]將鹵胺改性殼聚糖(CTS-GH)添加到PVA中制膜,當(dāng)CTS-GH添加量為20%時(shí),對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有100%抑制效果。但是利用殼聚糖改性的HACC作為抑菌劑添加到PVA薄膜的制備中卻鮮有報(bào)道,本文制備了PVA/HACC抑菌薄膜,通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征其理化性質(zhì)以及對(duì)黃骨魚的抑菌保鮮性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

平板計(jì)數(shù)瓊脂培養(yǎng)基 百思生物試劑有限公司;磷酸鹽緩沖液(PBS) 西隴科學(xué)股份有限公司;PVA-1799 分析純,日本可樂(lè)麗化工有限公司;戊二醛 分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠;殼聚糖季銨鹽 分析純,酷兒化學(xué)科技有限公司;黃骨魚(鮮活,150 g/條) 盒馬鮮生。

DH4000 AB型恒溫培養(yǎng)箱 天津市泰斯特儀器有限公司;G2X-PH.500S型高壓蒸汽滅菌器 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司;DHG-9145A型鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;V-5600PC可見分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司,CMT4204微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、ZYJ1251型啞鈴型制樣機(jī) 美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司;JGW-360A接觸角測(cè)定儀 承德市成惠試驗(yàn)機(jī)有限公司;Zeiss Merlin compact型掃描電子顯微鏡 德國(guó)蔡司儀器有限公司;JJ-1A型精密增力電動(dòng)攪拌器 常州博遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)分析儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PVA/HACC薄膜的制備 采用溶液流延法,將10 g聚乙烯醇(PVA)顆粒和100 mL蒸餾水置于燒杯中,在95 ℃加熱,并使用攪拌器以300 r/min持續(xù)攪拌約35 min至完全溶脹,加入1 mL戊二醛作為改性劑,并持續(xù)攪拌30 min,最終完全溶解得到PVA膠液。添加HACC溶液,在50 ℃下保持轉(zhuǎn)速不變攪拌20 min,得到含有HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、2%和3%的PVA/HACC膠液,靜止除泡后倒在玻璃板上,用涂布器涂勻,膜厚度控制在100 μm左右,將玻璃板放置于60 ℃的烘箱中,50 min后揭膜。

1.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)表征 將薄膜樣品剪裁成2 mm×5 mm大小,采用掃描電子顯微鏡觀察薄膜表面和斷面形貌。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試 參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[7],經(jīng)測(cè)量薄膜厚度在100 μm左右(<1 mm),將薄膜用啞鈴型制樣機(jī)切成窄平行部分寬度6 mm,端部寬度25 mm,總長(zhǎng)115 mm,窄平行部分長(zhǎng)度35 mm的啞鈴型試樣,采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在塑料-薄膜拉伸測(cè)試模式下測(cè)定薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,設(shè)定拉伸速度為5 mm/min,每個(gè)樣品測(cè)試5次,取平均值。

1.2.4 吸水率 參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1034-2008《塑料吸水性試驗(yàn)方法》,將簿膜切成10 cm×10 cm方塊,在60 ℃下干燥1 h,稱重為m1,室溫下浸入蒸餾水24 h。用濾紙吸干表面,稱重為m2。每個(gè)樣品取3塊膜為一組,計(jì)算吸水率,取平均值。

式中:W為吸水率,%;m1為干膜質(zhì)量,g;m2為濕膜質(zhì)量,g。

1.2.5 潤(rùn)濕角測(cè)試 將薄膜剪裁成5 cm×1 cm長(zhǎng)條,采用接觸角測(cè)定儀測(cè)定表面潤(rùn)濕角。測(cè)試液體為蒸餾水,滯后時(shí)間為10 s,即滴加水滴后10 s進(jìn)行測(cè)試[8]。

1.2.6 透光率 將薄膜剪裁成3 cm×1 cm長(zhǎng)條,采用紫外可見光分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)380～780 nm的透光率。每個(gè)樣品測(cè)試5次,取平均值。

1.2.7 魚肉的預(yù)處理 將黃骨魚宰殺后快速切取背部肌肉150 g平均放置于5組15 cm×9 cm×6 cm泡沫箱(一組為空白,其它組分別用PVA薄膜、PVA/1% HACC薄膜、PVA/2% HACC薄膜、PVA/3% HACC薄膜包裹)中,將泡沫箱置于4 ℃冰箱中,每3 d取樣測(cè)定保鮮指標(biāo)[9]。

1.2.8 菌落總數(shù)的測(cè)定 參照國(guó)標(biāo)GB 4789.2-2016[10],稱取1 g貯藏不同天數(shù)的魚肉樣品和9 mL PBS放置在勻漿器內(nèi)均質(zhì),制成1∶10樣品勻液,放入無(wú)菌均質(zhì)袋內(nèi)待用。用移液器吸取1∶10樣品勻液1 mL,沿管壁緩慢注入盛有9 mL稀釋液的無(wú)菌試管中,振搖試管使其混合均勻,制成1∶100的樣品勻液。按上述操作,制備1∶1000樣品均液,每遞增一次,換用一次無(wú)菌吸頭。各吸取三個(gè)梯度的均質(zhì)樣液1 mL于無(wú)菌平皿內(nèi),及時(shí)將15 mL冷卻至46 ℃的平板計(jì)數(shù)瓊脂培養(yǎng)基傾注平皿,轉(zhuǎn)動(dòng)平皿使其混合均勻。待瓊脂凝固后,將平板翻轉(zhuǎn),36 ℃培養(yǎng)48 h。記錄稀釋倍數(shù)和相應(yīng)的菌落數(shù)量,菌落計(jì)數(shù)以菌落形成單位(CFU)表示。每個(gè)稀釋度做3個(gè)平皿,菌落數(shù)取3個(gè)平皿的平均值。

1.2.9 感官指標(biāo)的判定 本文參照QIM評(píng)估方法[11-12]并加以調(diào)整,挑選3名從事食品領(lǐng)域的專業(yè)人員,應(yīng)用國(guó)際基本原則[13-14],將魚肉新鮮度評(píng)價(jià)體系分為綜合評(píng)價(jià)、顏色、氣味、質(zhì)地、光澤度5個(gè)剖面進(jìn)行描述,考慮到綜合評(píng)價(jià)是最重要的指標(biāo),賦予權(quán)重值為2,其它剖面賦予權(quán)重1,最終感官評(píng)價(jià)評(píng)分表見表1,其中,感官剖面得分=Xi,感官評(píng)價(jià)總得分=∑Xi×M。滿分為12分,8分以下表示已不可食用[15-16]。

表1 魚肉冷藏過(guò)程中感官評(píng)價(jià)評(píng)分表Table 1 Sensory evaluation score sheet during cold storage of fish

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了判定HACC添加量和貯藏時(shí)間的變化對(duì)肉樣菌落指標(biāo)的影響,以樣本均方差值為對(duì)象,進(jìn)行無(wú)交互作用的雙因素方差分析,采用MATLAB 2015b版對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到HACC添加量作用的實(shí)際觀察值FT和貯藏時(shí)間作用的實(shí)際觀察值Ft。取定顯著性水平α,比較統(tǒng)計(jì)量的臨界值Fα與實(shí)際觀察值FT、Ft,若FT>Fα,則HACC對(duì)散布有顯著影響;若Ft>Fα,則貯藏時(shí)間對(duì)肉樣菌落指標(biāo)有顯著影響。感官分析的顯著性差異分析參照菌落的顯著性差異分析[17]。

2 結(jié)果分析

2.1 薄膜表觀形貌觀察結(jié)果

由圖1(a)可知,PVA薄膜表面光滑,斷面整齊。添加1%HACC時(shí)(圖1b),薄膜的表觀形態(tài)并沒(méi)有發(fā)生多大變化。繼續(xù)按梯度添加HACC(圖1c),可以看見顆粒在表面分布密集,當(dāng)添加量為3%時(shí)(圖1d),薄膜表面和截面都有不同程度的裂紋出現(xiàn)。這是由于HACC溶于水后會(huì)形成粘稠的膠液,HACC膠液與PVA膠液密度和粘度不同,過(guò)多的HACC膠液加入易造成兩組分膠液混合不均,烘干后的薄膜表面有明顯的深淺不一的水印痕跡,且密集地分布著HACC顆粒,有些地方存在團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖1 薄膜電鏡圖Fig.1 Electron micrograph of film

2.2 薄膜力學(xué)性能分析

隨著HACC的加入,PVA薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都先增大后減小,這是因?yàn)镠ACC可以與聚乙烯醇形成分子間氫鍵,從而交聯(lián)形成大分子結(jié)構(gòu)。HACC添加量為2%時(shí),拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大25.45 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大69.8%。但HACC添加量為3%時(shí),HACC膠液與PVA膠液密度和粘度不同,過(guò)多的HACC膠液加入易造成兩組分膠液混合不均,其次粒子分布不均,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,降低界面效應(yīng),所以拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率減小,此時(shí)添加量達(dá)到閾值。

表2 PVA/HACC薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率Table 2 Tensile strength and elongationat break of PVA/HACC film

2.3 薄膜吸水率分析和潤(rùn)濕角測(cè)試

PVA因具有大量羥基,因而具有很好的吸水性。但是吸水后會(huì)降低膜的強(qiáng)度,影響膜的完整性。雖然在PVA和水混溶后加了一定的戊二醛作為交聯(lián)改性劑,但并不是所有羥基都參與反應(yīng),因而研究HACC的添加對(duì)PVA薄膜吸水率的影響具有重要意義。從表3可以看出,隨著HACC的濃度增加,薄膜的吸水率減少?？赡苁荋ACC的羥基與PVA的羥基形成氫鍵,減少了羥基與水分子的作用,從而降低了薄膜的吸水能力。

表3 PVA/HACC薄膜的吸水率和潤(rùn)濕角Table 3 Water absorption and wetting angle of PVA/HACC film

潤(rùn)濕角是指液相與固體的接觸點(diǎn)處液固界面和液態(tài)表面切線夾角,是表征薄膜材料疏水能力的一個(gè)重要指標(biāo)。由表3可見,PVA薄膜的潤(rùn)濕角最小,為63.2°。隨著HACC增加,潤(rùn)濕角呈增大趨勢(shì)。當(dāng)HACC的添加量為3%時(shí)潤(rùn)濕角最大,相比PVA薄膜的數(shù)值增加了40%,說(shuō)明HACC添加使得薄膜的耐水能力得到了提高。

表4 HACC添加量和貯藏時(shí)間對(duì)肉樣菌落數(shù)量影響的雙因素方差分析Table 4 Two-way analysis of variance of the effect of HACC addition and storage time on the number of meaty colonies

2.4 薄膜透光率分析

透光率反映了薄膜的清晰程度,透光率越大,薄膜越清晰,對(duì)薄膜材料的研發(fā)具有重要意義。從圖2可以看出,當(dāng)HACC添加量較少時(shí),對(duì)透光率沒(méi)有太大影響,PVA/1% HACC曲線幾乎與空白組重合。當(dāng)HACC添加量為2%時(shí),透光率下降1%左右;當(dāng)HACC添加量為3%時(shí),透光率下降較明顯,這主要是HACC用量增多,在PVA膠液里發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,粒子的平均直徑增大,當(dāng)平均直徑與可見光波長(zhǎng)相近時(shí),光波容易在兩種物質(zhì)界面發(fā)生折射,導(dǎo)致透明度降低[18]。

圖2 PVA/HACC薄膜的透光率Fig.2 Light transmittance of PVA/HACC film

2.5 魚肉在冷藏過(guò)程中菌落總數(shù)變化

各組魚肉冷藏過(guò)程中菌落總數(shù)的變化如圖3所示。隨著冷藏時(shí)間的增加,各組菌落總數(shù)都呈上升趨勢(shì)。空白組在第6 d菌落總數(shù)已達(dá)到6.94 lg cfu/g,即將超過(guò)國(guó)際食品微生物標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ICMSF)規(guī)定的新鮮或冷凍魚肉的最大可接受菌落總數(shù)7.00 lg cfu/g,可知不加任何防護(hù)措施的魚肉貨架期約為6 d。PVA薄膜包裹組在相同的時(shí)間菌落數(shù)量都稍低于空白組,說(shuō)明薄膜的覆蓋抑制了需氧菌的生長(zhǎng)。在第9 d,添加1%HACC組的菌落數(shù)為7.01 lg cfu/g,添加2%和3%的HACC組的菌落數(shù)分別為6.84 lg cfu/g和6.79 lg cfu/g,說(shuō)明HACC從薄膜釋放到魚肉表面[19],抑制了大部分細(xì)菌的生長(zhǎng),從而延長(zhǎng)魚肉的貨架期3 d左右。

圖3 冷藏魚肉不同時(shí)間段的菌落數(shù)量Fig.3 Number of colonies in frozen fish different time

為了進(jìn)一步判定貯藏時(shí)間和HACC含量是否對(duì)測(cè)量結(jié)果的散布有顯著影響,對(duì)樣本均方差進(jìn)行雙因素方差顯著性分析(取α=0.01),方差分析表如表4所示。F的觀測(cè)值Ft=11.22>5.95,FT=334.62>5.41。所以,HACC添加量和貯藏時(shí)間對(duì)肉樣菌落指標(biāo)影響顯著。

2.6 魚肉在冷藏過(guò)程中感官品質(zhì)的變化

魚肉在4 ℃下冷藏的感官評(píng)分如圖所示。由圖4可知,5組不同處理方式下魚肉的感官評(píng)分都呈下降趨勢(shì),使用PVA薄膜處理組的感官評(píng)分高于空白組,這是因?yàn)楸∧ぞ哂幸欢ǖ母艚^空氣的性能,對(duì)魚肉品質(zhì)有一定的保護(hù)作用。空白組和PVA薄膜處理組在第6 d的感官評(píng)分低于可接受的8.0分,魚肉顏色暗淡無(wú)光澤,有異味,說(shuō)明以這兩種方式處理大黃骨魚的貨架期低于6 d。添加使用HACC的處理組的感官評(píng)分高于普通薄膜組,說(shuō)明HACC有一定的抑菌作用,添加2%和3%的HACC處理組感官評(píng)分并沒(méi)有明顯的差別,魚肉較有彈性,魚肉有魚腥味但是沒(méi)有腐敗的味道,在第9 d的感官評(píng)分都為8.0分,延長(zhǎng)了魚肉的貨架期約3 d。因此,2%濃度的HACC已發(fā)揮抑菌保鮮的功效,無(wú)需添加更多HACC。

表5 HACC添加量和貯藏時(shí)間對(duì)肉樣感官評(píng)分影響的雙因素方差分析Table 5 Two-way analysis of variance of the effect of HACC addition and storage time on the sensory score

圖4 冷藏過(guò)程中魚肉的感官評(píng)分變化Fig.4 Changes in sensory score of fish during refrigeration

為了進(jìn)一步判定貯藏時(shí)間和HACC含量是否對(duì)測(cè)量結(jié)果的散布有顯著影響,對(duì)樣本均方差進(jìn)行雙因素方差顯著性分析(取α=0.01),方差分析表如表5所示。F的觀測(cè)值Ft=10.16>5.95,FT=143.34>5.41。所以,HACC添加量和貯藏時(shí)間對(duì)肉樣菌落指標(biāo)影響顯著。

3 結(jié)論

采用溶液流延法制備了HACC含量不同的PVA薄膜,通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)HACC添加量為2%時(shí),薄膜的拉伸強(qiáng)度為25.45 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率69.8%,綜合力學(xué)性能良好;吸水率20.1%,潤(rùn)濕角80.2°,疏水性較好。低溫貯藏結(jié)合PVA/HACC薄膜包裝能有效抑制魚肉菌類繁殖,延長(zhǎng)魚肉的貨架期3 d左右,且通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性分析,HACC的添加對(duì)菌落總數(shù)的抑制和肉樣感官的維持具有顯著性,為貨輪和艦船出海時(shí)食品供給和貯藏提供了新的參考方向。