包裝材料對營養(yǎng)配方粉理化穩(wěn)定性的保護(hù)作用研究

莊柯瑾，張東巖，馮曉涵，田芳，陳晶，朱振宇，Cellar A·Nicholas，張微，滿朝新，趙艷榮，姜毓君

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院乳品科學(xué)教育部重點實驗室，哈爾濱150030；2.雅培營養(yǎng)品上海研發(fā)中心，上海200233；3.雅培營養(yǎng)品全球分析與食品安全中心，美國哥倫布43219)

0 引 言

營養(yǎng)配方粉是為需要加強營養(yǎng)補充或有營養(yǎng)風(fēng)險人群制定的特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品。 GB 29922-2013 中對營養(yǎng)配方粉的能量、各營養(yǎng)素含量及可選擇性成分的含量都具有明確規(guī)范[1]，特別是其中的全營養(yǎng)配方粉（powdered nutrition formula, PNF），由于其可作為單一營養(yǎng)來源滿足目標(biāo)人群營養(yǎng)需求，所含的營養(yǎng)素較其它營養(yǎng)配方粉更為全面。復(fù)雜的組分使?fàn)I養(yǎng)配方粉的物理化學(xué)性狀在儲藏、運輸及銷售過程中易受環(huán)境因素的影響發(fā)生改變，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致配方粉中營養(yǎng)物質(zhì)的相互作用[2-4]。Michlová等人對光照及高溫條件下乳粉的維生素衰減情況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示維生素含量均發(fā)生了不同程度衰減[5]。配方粉中蛋白質(zhì)與還原糖易發(fā)生美拉德反應(yīng)，且其程度受儲藏條件及樣品基質(zhì)組成的影響[6-7]。Le等人從樣品中檢測到的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物含量與樣品儲藏環(huán)境的濕度呈正相關(guān)[8]，但濕度過高會降低美拉德反應(yīng)程度[9]。基于營養(yǎng)配方食品的復(fù)雜性和目標(biāo)人群的特殊性，選擇合適的包裝及儲藏條件來保障其品質(zhì)對于目標(biāo)人群的健康尤為重要。

包裝作為市售食品不可缺少的一部分，可為食品提供保護(hù)，保證食品衛(wèi)生狀況，保障食品品質(zhì)安全[10-11]。包裝最重要的特性是對氣體、水蒸氣、氣味物質(zhì)及光照等因素的阻隔性[12]。營養(yǎng)配方粉的包裝材料主要包括馬口鐵罐、復(fù)合塑料罐和復(fù)合軟包裝袋（pouch packaging bag, PPB）。不同包材的阻隔性能存在差異，對內(nèi)容物的保護(hù)作用也不盡一致[13]。馬口鐵罐是配方粉最早使用的包裝形式，對外界環(huán)境的阻隔性能較強，因此以其作為外包裝的配方粉保質(zhì)期最長，一般為2～3 年[14]。復(fù)合塑料罐的阻隔性能稍弱，此種包裝的配方粉保質(zhì)期通常為1.5～2 年[15]。PPB 的阻隔性能相對更弱，因此，以其包裝的配方粉保質(zhì)期最短[15]。

PPB 具有制作成本較低、包裝袋大小及形狀可變性強、材料來源廣泛、便于運輸?shù)葍?yōu)勢，使其市場占有率逐漸增加[16]。隨著包裝行業(yè)的發(fā)展，PPB 所使用的材料也逐漸豐富。較常用的材料包括聚對苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate，PET）、鋁箔（Aluminium foil，Al）、尼龍/PA（Nylon，polyamide）、高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）、低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）、聚丙烯（polypropylene，PP）和乙烯-乙烯醇共聚物（Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer，EVOH）等[17]。PET 具有較高的強度和韌性，耐刮擦性能較優(yōu)，通常被用于最外層[18]。PE（HDPE 及 LDPE）和PP 具有良好的水分阻隔性，熱封性也較好，常作為最內(nèi)層材料用于熱封[19]。但由于PE 對氣體的阻隔性能較差，因此常與Al 復(fù)合使用[3]。含有Al的復(fù)合材料的阻光性、阻氧性及阻濕性都優(yōu)于其他復(fù)合材料[18]。EVOH 是近些年發(fā)展較迅速的高阻隔性能包材，具有優(yōu)異的氣體阻隔性能和良好的保香性[19]。Nylon 除了具有阻隔性能外，還具有一定的耐沖擊性，能夠更好地保護(hù)內(nèi)容物[20]。PPB 通常會選擇上述兩種或兩種以上材料進(jìn)行復(fù)合材料的制備，最大限度地發(fā)揮每種材料的優(yōu)勢，為產(chǎn)品提供更加全面的保護(hù)作用[21]。

本研究選用營養(yǎng)成分更加全面復(fù)雜的PNF 作為營養(yǎng)配方粉的代表性樣品，選擇阻隔性能相對較弱的PPB 作為包裝材料，進(jìn)行影響因素試驗。分別考察無包裝的PNF 及模擬消費者使用經(jīng)驗的有包裝的PNF在不同儲藏條件下物理化學(xué)性狀的穩(wěn)定性，獲悉本試驗所用PNF 固有的儲藏穩(wěn)定性及其對樣品的保護(hù)作用，為營養(yǎng)配方粉選擇合適的包裝材料及儲藏條件提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品及儲藏試驗設(shè)計

本試驗以9袋PPB 裝的PNF 中試樣品（500±10 g）作為試驗樣品，該樣品由雅培營養(yǎng)品上海研發(fā)中心提供。該PPB 的材料結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)依次為PET/Al/Nylon/PE。將 9 袋 PNF 全部開封，每袋取出 120 ± 1 g 并平均分裝至4 個塑料平皿（直徑15 cm，平皿重量約20 g）中，隨后將袋裝PNF 用密封夾密封并將塑料平皿中的樣品鋪平。將裝有PNF 的PPB 和塑料平皿平均分成3 等份，參考T/CNFIA 001-2017《食品保質(zhì)期通用指南》[22]中穩(wěn)定性試驗方案，分別進(jìn)行原包裝及拆除包裝樣品的高溫（60 ℃）、高濕度（RH 90%）和強光照（4500 ± 500 Lx）穩(wěn)定性試驗。樣品試驗周期為14 d，試驗期內(nèi)共取樣6 次，分別在儲藏第0、2、4、6、8、14 d 進(jìn)行樣品的理化穩(wěn)定性測定，所有測試均重復(fù)兩次。

1.2 試驗儀器與試劑

儀器設(shè)備。恒溫恒濕箱（Model 3949），Thermo Fisher Scientific；光照培養(yǎng)箱，BINDER；分光測色儀（ColorFlex EZ），美國 Hunter Lab 公司；渦旋振蕩器（Vortex-Genie 2），美國Scientific Industries 公司；高效液相色譜，1260 InfinityⅡ，美國Agilent 公司；臺式離心機(jī)，Multifuge X3R，美國Thermo Fisher 公司；紫外可見分光光度計，（Genesys 10 S），美國Thermo Fisher公司；熒光分光光度計，（Lumina），美國Thermo Fisher 公司；磁力攪拌器，（C-MAG HS 10），德國IKA 公司；恒溫水浴鍋，（CF-B），天津亞興自動化實驗儀器公司。

普通試劑（未特殊標(biāo)記的試劑均為分析純試劑）。偏磷酸，乙酸，三水乙酸鈉，硼酸，鄰苯二胺，木瓜蛋白酶，淀粉酶，鐵氰化鉀，美國Sigma-Aldrich 公司；氫氧化鈉，氫氧化鉀，抗壞血酸，無水乙醇，酸性活性炭，石油醚（沸點為30～60℃），冰乙酸，均購買自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；異丙醇（色譜純），甲醇（色譜純），正丁醇（色譜純），美國Thermo Fisher 公司；鹽酸（37%），德國Merck KGaA 公司。

標(biāo)準(zhǔn)品。視黃醇標(biāo)準(zhǔn)品（維生素A），α -生育酚標(biāo)準(zhǔn)品（維生素E），抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)品（維生素C），硫胺素鹽酸鹽標(biāo)準(zhǔn)品（維生素B1），核黃素標(biāo)準(zhǔn)品（維生素B2），均購買自美國Sigma-Aldrich公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 測定指標(biāo)的選擇

本試驗根據(jù)PNF 特性及樣品儲藏條件分別選擇相應(yīng)的物理性狀及敏感營養(yǎng)素的變化作為預(yù)測定指標(biāo)，從不同角度考察試驗樣品的理化穩(wěn)定性。顏色是消費者直觀判斷樣品品質(zhì)變化的指標(biāo)之一，顏色的變化可綜合反映美拉德反應(yīng)及營養(yǎng)素降解程度[23]。因此，對3 種儲藏條件下的樣品均進(jìn)行了顏色測定?；赑NF 含有乳糖及麥芽糊精等易吸濕組分，高濕度環(huán)境下儲藏時樣品的增重情況是另一主要監(jiān)測指標(biāo)。PNF 中含有多種光敏性營養(yǎng)素，本研究對光照條件下的脂溶性維生素（維生素A 和維生素E）和水溶性維生素（維生素C、維生素B1和維生素B2）進(jìn)行了監(jiān)測。營養(yǎng)配方粉的包裝材料對高溫均無法做到完全阻隔，已有研究表明，乳粉中維生素A、維生素E[5,25]和維生素C[26]的損失率會隨著儲藏溫度的升高而不斷增加。因此本試驗選擇性的考察了高溫條件下樣品中的維生素B1及維生素B2含量的變化。

1.3.2 顏色的測定

使用分光測色儀對樣品顏色進(jìn)行測定，用L*、a*、b*表示。L*值代表樣品的明暗度，數(shù)值由小到大代表樣品顏色由黑至白；a*值為紅綠色度值，其數(shù)值的增加代表樣品顏色由綠變紅；b*值為黃藍(lán)色度值，數(shù)值由負(fù)變正代表樣品顏色由藍(lán)變黃[4]。樣品的整體顏色變化用色差（ΔE）表示，計算公式如下：

1.3.3 維生素含量的測定

維生素A 及維生素E 含量的測定參照GB 5009.82-2016[26]方法進(jìn)行；維生素C 含量的測定參照GB 5413.18-2010[27]方法進(jìn)行；維生素 B1、B2含量的測定分別參照 GB 5009.84-2016[28]、GB 5009.85-2016[29]方法進(jìn)行。以上方法均略有改動。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測定結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=3）的形式表示。OriginPro 2017 用于數(shù)據(jù)處理及圖表制作。SPSS 22 用于測定結(jié)果的單因素方差分析，p＜0.05 代表樣品間存在顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素試驗中樣品物理性狀的變化

2.1.1 高濕環(huán)境下儲藏時樣品的增重情況

由圖1 可見，樣品于高濕環(huán)境（RH 90%）儲藏時，原包裝袋中的樣品重量并沒有發(fā)生顯著改變（p＞0.05），直至儲藏結(jié)束，與儲藏前樣品（0 d）相比重量僅增加了0.03%。平鋪于平皿中的樣品在儲藏過程中吸濕增重，其重量在儲藏期間顯著增加（p＜0.05），至儲藏第4 d，樣品重量便增加了37.24%，達(dá)到飽和狀態(tài)。平皿中的樣品在第8 d 時發(fā)生霉變，因此停止了對其重量的測定。營養(yǎng)配方粉中普遍含有乳糖，麥芽糊精等原料作為其重要的碳水化合物來源，而這些原料吸濕性較強，不宜直接暴露在高濕環(huán)境中。本試驗選用的軟包裝材料因含有PET 層和PE 層提供很好的阻濕性能，能夠有效阻止樣品在儲藏過程中發(fā)生吸濕增重。故樣品保存于此包裝或阻濕性能更好的包裝內(nèi)時，其穩(wěn)定性受濕度的影響較小。

2.1.2 樣品在不同環(huán)境下儲藏時顏色的變化情況

圖1 高濕環(huán)境下儲藏時樣品的重量變化

圖2 樣品儲藏期間的顏色變化

樣品于高溫、光照、高濕條件下儲藏期間的顏色變化結(jié)果整理于圖2 中。當(dāng)原包裝袋保存的樣品放置于高溫環(huán)境下儲藏時，樣品顏色發(fā)生了顯著改變（p＜0.05），具體表現(xiàn)為L*值的降低、a*值的增加和b*值的增加，綜合表現(xiàn)為△E 值的顯著增加（p＜0.05）。當(dāng)原包裝袋保存的樣品放置于光照及高濕環(huán)境時，樣品顏色在儲藏期間并沒有發(fā)生顯著變化（p＞0.05）。上述結(jié)果說明，試驗樣品的包裝袋對于光照和濕度的阻隔性很高，但是對高溫的阻隔性較差。

當(dāng)平鋪于平皿中的樣品放置于高濕環(huán)境時，由于樣品黏度增加，導(dǎo)致無法測定其顏色變化，因此，圖2中沒有高濕環(huán)境下平鋪于平皿中樣品的顏色變化結(jié)果，但是從表1 中可以直觀地觀察到平皿中樣品放置于高濕環(huán)境時，儲藏8 d 后樣品已經(jīng)變成棕色，并且有明顯的霉變現(xiàn)象發(fā)生。平鋪于平皿中的樣品放置于高溫環(huán)境儲藏時，其L*值顯著降低（p＜0.05）、a*值和b*值顯著增加（p＜0.05），綜合表現(xiàn)為△E值的顯著增加（p＜0.05）。與原包裝袋中的樣品相比，放置于平皿中的樣品變化程度更加嚴(yán)重。當(dāng)平鋪于平皿中的樣品放置于光照環(huán)境時，其顏色也發(fā)生了顯著變化（p＜0.05）。賈宏信等人對比了不同包裝材料對乳粉儲藏期間顏色的影響，結(jié)果表明不同包裝材料的乳粉儲藏于 37 ℃ 和 42 ℃ 時，L*值、a*值和b*值均有不同程度的增加，且乳粉的顏色變化在42 ℃時更加嚴(yán)重，這說明即使乳粉有包裝材料的保護(hù)，在高溫儲藏環(huán)境下，其顏色也會發(fā)生改變。此外，賈宏信等人的試驗結(jié)果還證實了PET/PA/Al/PE復(fù)合包裝材料對乳粉的保護(hù)性能優(yōu)于PP/EVOH/PP 復(fù)合包裝[30]。與儲藏于高溫環(huán)境下平皿中的樣品相比，光照環(huán)境下平皿中樣品的L*值下降程度更大，且b*值顯著下降。高溫主要影響樣品b*值的變化，而光照主要對樣品的L*值產(chǎn)生影響。樣品的b*值越大，代表樣品顏色越黃，此變化與美拉德反應(yīng)程度具有一定的相關(guān)性。樣品在儲藏過程中，若由于儲藏環(huán)境不當(dāng)，使蛋白質(zhì)與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，則會使乳粉樣品由乳黃色逐漸變?yōu)樽厣玔3]。美拉德反應(yīng)速率會隨溫度的升高而加快，故高溫儲藏后，樣品顏色明顯加深。L*值越小，意味著樣品顏色越暗。樣品光照后，其光敏性的營養(yǎng)素如維生素C、B2及類胡卜素等會發(fā)生顯著降解，可能是導(dǎo)致樣品L*及b*值顯著下降的主要原因。

2.2 影響因素試驗中樣品化學(xué)性狀的變化

2.2.1 光照條件下樣品維生素含量的變化

光照條件下樣品的維生素含量變化趨勢整理于圖3 中。原包裝袋樣品在光照條件下儲藏14 d 后，脂溶性維生素，維生素A 和維生素E 含量分別下降了4.81%和5.08%，但與儲藏前樣品（0 d）相比均沒有顯著變化（p＞0.05）。水溶性維生素，維生素B1和維生素B2的含量在儲藏期間也沒有發(fā)生顯著變化（p＞0.05），雖然樣品維生素B1含量有所下降，但與儲藏前樣品維生素B1含量相比，并沒有顯著差異（p＞0.05）。而樣品儲藏期間，維生素C 的含量呈顯著下降（p＜0.05)趨勢，與儲藏前樣品（0 d）相比下降了11.73%。 我們對于該產(chǎn)品進(jìn)行過開袋試驗，將開袋產(chǎn)品在黑暗的室溫環(huán)境下放置兩周后，維生素C 衰減率可達(dá)到9%～15%。由此說明，本試驗中放置于強光照條件下原包裝袋中樣品的維生素C 的衰減并不是由于光照引起，而是由于樣品開袋后暴露于空氣中與氧氣接觸，造成樣品儲藏過程中的維生素C 發(fā)生氧化而引起。

表1 樣品儲藏前后的顏色變化

平鋪于平皿中的營養(yǎng)配方粉在光照條件下儲藏期間，脂溶性維生素及水溶性維生素均發(fā)生了顯著衰減（p＜0.05)。脂溶性維生素，維生素A 和維生素E 含量的下降程度分別為47.93%和24.17%。水溶性維生素，維生素B1在儲藏期間下降了13.27%，同時，與儲藏前樣品相比，從第14 d 樣品中測得的維生素C 和維生素B2發(fā)生了更加嚴(yán)重的衰減，兩種維生素含量分別下降了61.69%和95.46%。營養(yǎng)配方粉中含有多種光敏性營養(yǎng)素，以維生素C 和維生素B2為代表，它們對光極其敏感，極易受光照影響發(fā)生降解。故此類產(chǎn)品不適宜直接暴露于強光下，儲藏過程中應(yīng)保存于合適的阻光性能好的包裝材料中。

Bosset 等人在研究中發(fā)現(xiàn)，維生素很容易受到光照的影響發(fā)生降解，特別是維生素B2，對光照更加敏感。Bosset 等人同時也提到，當(dāng)食品外部有不透明包裝保護(hù)時，維生素B2的降解程度會有所降低[31]。本試驗結(jié)果也顯示，與原包裝袋中樣品相比，平皿中樣品的維生素含量衰減程度更為嚴(yán)重，因此，PPB 的存在可以有效降低樣品中維生素的衰減程度。Hussein 等人研究了包裝對蔬菜中維生素C 降解情況的影響，結(jié)果表明，聚乙烯包裝、擠壓包裝和氣調(diào)包裝都會降低蔬菜中維生素C 的降解，但不同的包裝方式對維生素C 的降解程度并沒有顯著影響[32]。另外有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，相對于 3 層 HDPV 的復(fù)合包裝，使用 6 層 HDPV 的復(fù)合包裝對于強化牛奶中維生素C 的保護(hù)作用更強[33]。

2.2.2 高溫條件下樣品維生素含量的變化

從圖4 可以看出，原包裝袋和平皿中樣品于高溫條件下儲藏4 d 后，維生素B1含量均發(fā)生了顯著下降（p＜0.05），但樣品在高溫條件下儲藏期間，原包裝袋和平皿中樣品的維生素B1含量相差不大，直至儲藏結(jié)束，維生素B1含量分別下降了19.55%和20.57%。相同儲藏環(huán)境下，無論是放置于原包裝袋內(nèi)的樣品還是平皿中的樣品，維生素B2含量均顯著下降（p＜0.05），但是平皿中樣品的維生素B2下降程度更加嚴(yán)重。與儲藏前樣品（0 d）相比，第14 d 測得的維生素B2含量分別下降了13.59%和19.12%。

圖3 光照條件下樣品維生素含量的變化

相對于光照對營養(yǎng)配方粉中維生素B1衰減程度的影響，高溫對其影響更大，并且包裝袋對樣品中維生素B1的衰減無有效的阻隔能力。與維生素B1相比，維生素B2對光照更為敏感，故高溫儲藏14 d 后，平皿中樣品的維生素B2的下降程度比原包裝袋中更顯著，應(yīng)該是溫度與光照共同作用的結(jié)果。

圖4 高溫條件下樣品維生素含量的變化

3 結(jié) 論

在沒有包裝袋保護(hù)的情況下，本試驗所選全營養(yǎng)配方粉的理化穩(wěn)定性會受到儲藏環(huán)境的顯著影響。在高濕度儲藏環(huán)境下，營養(yǎng)配方粉極易吸濕增重，儲藏8 天后甚至發(fā)生霉變。高溫會對樣品顏色（主要是b*值）產(chǎn)生影響，還會使樣品中維生素B1發(fā)生顯著衰減。光照環(huán)境會也對影響樣品的顏色變化（主要是L*值），樣品中所檢測維生素在光照環(huán)境下均發(fā)生顯著降低，其中維生素C 及B2尤為嚴(yán)重。本試驗所選用復(fù)合軟包裝袋（PET/Al/Nylon/PE）的存在可以有效阻止光照及高濕對營養(yǎng)配方粉的影響，降低樣品顏色變化程度和維生素衰減程度。雖然該復(fù)合軟包裝袋并不能完全阻止高溫對樣品產(chǎn)生的影響，但一定程度上也提高了樣品的儲藏穩(wěn)定性。本試驗所用的復(fù)合軟包裝袋雖然在營養(yǎng)配方粉常用包裝中其阻隔性能較馬口鐵罐及復(fù)合塑料罐較弱，但其仍能對營養(yǎng)配方粉起到足夠的保護(hù)作用。同時，因常用的包裝材料對高溫?zé)o有效的阻隔性能，即使包裝完整，仍應(yīng)盡量避免營養(yǎng)配方粉在高溫環(huán)境下儲藏及運輸。此外，將模擬消費者取樣習(xí)慣的原包裝袋樣品儲藏于光照條件下時，維生素C 在儲藏過程中也發(fā)生了輕微的降解（11.73%），因此，樣品開封后，消費者需要按照外包裝上的指示在規(guī)定的時間內(nèi)食用完營養(yǎng)配方粉，以避免敏感營養(yǎng)素的流失。