食品包裝和接觸竹材的殼聚糖防腐研究

李 楠，丁 冰，顧 雙，王向陽(yáng)

（浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 杭州310018）

竹子資源在我國(guó)森林資源中占有重要地位。我國(guó)竹子種類繁多，占地面積廣，產(chǎn)出量大[1-3]。竹材是一種可再生天然材料，質(zhì)量輕，成本低，已成為世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)中重要的原材料[4]。然而，竹材損毀的主要原因是自身腐朽[5]，因此提高竹材的耐腐性對(duì)于竹制品市場(chǎng)非常重要。目前，竹材防腐劑主要是使用木材的防腐劑，其主要有銅鉻砷氧化物（Chromium Copper Arsenic，CCA） 和烷基銅銨化合物（Alkaline Copper Quaternary，ACQ）。CCA 由銅、鉻、砷的化合物組成，其中砷元素以As2O5形式存在，固著在木材纖維上，不溶于水，抗流失性較好；ACQ 主要是由氧化銅和季胺鹽組成，不含砷和鉻，近年來(lái)逐步代替CCA。另有研究者使用銅唑（CA）、殼聚糖金屬配位聚合物（CMC）等各種防腐保護(hù)劑，探究防腐劑對(duì)竹材的防腐能力、抗流失性的影響[6-8]。然而，這些防腐劑也存在一定問(wèn)題，例如：抗流失性差，成本高，性能不穩(wěn)定等[9]。現(xiàn)今生活中竹制品和木制品已逐步被塑料制品所取代，而塑料制品存在難降解，一次性使用等問(wèn)題，給環(huán)境帶來(lái)了很大壓力，因此竹材用于食品包裝是不可或缺的。目前，有許多竹制品被應(yīng)用于食品包裝和運(yùn)輸中，例如：蔬菜運(yùn)輸包裝的竹筐，家庭食品貯放新鮮魚(yú)、肉、果蔬等臨時(shí)放置的竹籃，用于傳統(tǒng)米糕食品和腌制肉制品的包裝等。由于竹制品對(duì)防腐劑以及其它添加劑有特殊要求，因此大都不添加防腐劑，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象。竹材中富含糖和淀粉，當(dāng)竹材用來(lái)包裝水分含量高的食品時(shí)，其容易吸收水分，導(dǎo)致食品在存放過(guò)程中會(huì)引起竹材自身的霉變，反而污染所包裝的食品，因此提高食品接觸竹材的防腐能力，有助于提高竹材市場(chǎng)的銷售。一般來(lái)說(shuō)，食品添加劑都可以添加于食品包裝材料和食品接觸材料中，因此食品添加劑也可以應(yīng)用于竹材的防腐中。很多食品防腐劑由于分子質(zhì)量小，容易流失，在竹制品上難以達(dá)到有較持久的防腐效果。

殼聚糖[10-11]是大分子天然物質(zhì)，也是食品防腐劑。高分子殼聚糖不溶于水，當(dāng)使用添加少量醋酸的水溶液溶解并調(diào)節(jié)pH 值至中性后，高分子殼聚糖呈不溶于水的狀態(tài)，與竹制品中的纖維素等結(jié)合，不容易流失。殼聚糖主要來(lái)自蝦蟹外殼，是自然界產(chǎn)量豐富的有機(jī)物，也是一種可再生的天然高分子材料[12]，具有良好的生物相容性及可降解性，并具有一定的抑菌效果[13-15]。殼聚糖本身無(wú)毒、無(wú)害，可用于食品，其分子結(jié)構(gòu)與纖維很相近，在竹制品中有潛在的使用價(jià)值。本研究分離出引起竹材發(fā)霉的菌株，選取不同質(zhì)量濃度的高分子殼聚糖溶液，通過(guò)常溫、沸水、超聲浸泡滲入竹材，接種分離純化的真菌，做防腐效果試驗(yàn)。測(cè)定不同溫度處理后，高分子殼聚糖溶液黏度的變化，從而了解殼聚糖的降解情況。期望利用殼聚糖作為竹材防腐劑，應(yīng)用于未來(lái)的食品包裝和接觸材料中。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

竹材，購(gòu)自浙江金華竹家園，切成3 cm 長(zhǎng)度。

培養(yǎng)基：馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）：馬鈴薯浸出粉10.0 g，葡萄糖20.0 g，瓊脂13.0 g，氯霉素0.1 g，蒸餾水1 000 mL；馬鈴薯葡萄糖水（PDB）：PDA培養(yǎng)基不加瓊脂。

高分子殼聚糖（黏度50～800 mPa·s），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

DK-8D 恒溫水浴鍋，上海滬南科學(xué)儀器聯(lián)營(yíng)廠；LRH-150-S 恒溫恒濕培養(yǎng)箱，西安信恒檢測(cè)儀器有限公司；SHZ-82 振蕩器，國(guó)華企業(yè)；YXQSG46-280S 高壓滅菌鍋，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；0.6-0.7 烏氏粘度計(jì)，杭州禾德化工儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 發(fā)霉竹材中4 種菌的分離 竹材放置在潮濕的環(huán)境下使其發(fā)霉，從病部取真菌于PDA 培養(yǎng)基，30 ℃培養(yǎng)7 d，平板劃線分離純化3 次后待用。

1.3.2 殼聚糖質(zhì)量濃度和浸泡方法對(duì)竹材的防腐效果的影響 配制質(zhì)量濃度分別為0，2，5，8，10 mg/mL 的高分子殼聚糖（均含有0.5%冰乙酸）溶液，放入竹材后，分別在常溫〔（25±1） ℃）〕、沸水（100 ℃）及超聲（160 W，40 ℃）條件下浸泡。處理72 h 后用無(wú)菌水沖洗表面10 遍，放入已滅菌且底部放有無(wú)菌濾紙的培養(yǎng)皿中，加入20 mL 無(wú)菌水，反接種于發(fā)霉竹材上的真菌（4 種分離菌株等比例混合），30 ℃恒溫培養(yǎng)7 d，觀察真菌生長(zhǎng)情況，篩選出最佳處理方式和適宜的質(zhì)量濃度。未經(jīng)任何處理竹片作為對(duì)照1，用水按照上述處理作為對(duì)照2。測(cè)定每根竹材的菌落數(shù)。

1.3.3 竹材不同溫度和時(shí)間處理對(duì)殼聚糖溶液黏度的影響 取5 mg/mL 殼聚糖溶液400 mL，加入600 根竹材，分別置于常溫和40，60，80，100 ℃條件下水浴處理，于0，12，24，36，48，60，72 h 取樣，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定溶液黏度變化。另取5 mg/mL殼聚糖溶液100 mL，不添加竹片，分別在常溫，40，60，80，100 ℃水浴處理72 h，測(cè)其黏度（mPa·s），為對(duì)照組。另設(shè)5 組處理見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of experiments

1.3.4 熱處理殼聚糖的抑菌試驗(yàn) 5 mg/mL 殼聚糖溶液經(jīng)過(guò)常溫，40，60，80，100 ℃水浴72 h 后，取5 mL 溶液加入5 mL PDB 培養(yǎng)基和100 μL 4種分離的菌液中，30 ℃振蕩培養(yǎng)72 h，梯度稀釋后計(jì)算菌落總數(shù)。ck1 為無(wú)菌水，ck2 為0.5%冰乙酸。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Excel 2007 軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)霉竹材中4 種菌的分離

挑取竹片上的真菌，在PDA 培養(yǎng)基上劃線3次，出現(xiàn)4 種形態(tài)的菌落，分別純化得到圖1所示4 株菌株。

2.2 殼聚糖處理對(duì)竹材的防腐效果的影響

未經(jīng)任何處理的空白組竹材的菌落最多，竹材用水、冰乙酸、殼聚糖浸泡，沖洗后接種真菌，在極大程度上減少了菌落數(shù)?？赡苁且?yàn)橹癫慕?jīng)過(guò)浸泡，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，真菌生長(zhǎng)較少。如圖2所示，殼聚糖浸泡處理可以增加抑菌效果，且隨著殼聚糖質(zhì)量濃度的增加其抑菌效果逐漸增強(qiáng)。常溫下，10 mg/mL 殼聚糖處理7 d，竹材菌落數(shù)量為10 CFU，表明在同一浸漬時(shí)間條件下，竹材的抑菌效果隨著殼聚糖質(zhì)量濃度的增加而增加[16]。由圖3可知，100 ℃水浴條件下，2 mg/mL 殼聚糖處理7 d，竹材菌落數(shù)量為8 CFU；8 mg/mL 殼聚糖處理7，竹材菌落數(shù)量?jī)H為2 CFU。由圖4可知，超聲條件下，8 mg/mL 殼聚糖處理7 d，竹材真菌數(shù)量8 CFU。沸水浴和超聲處理的抑菌規(guī)律類似常溫處理，竹材的菌落數(shù)量顯著低于常溫處理。用水、冰乙酸處理也有很好抑菌作用。可能由于竹材長(zhǎng)時(shí)間煮沸，進(jìn)一步促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出，菌株生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，延緩了竹材上菌株的生長(zhǎng)，降低了霉變率[17]。結(jié)果表明，殼聚糖沸水浴浸泡的防腐效果，優(yōu)于超聲輔助浸泡和常溫浸泡。

圖1 4 株菌株菌落形態(tài)Fig.1 Colony morphology of 4 strains

圖2 殼聚糖常溫浸泡72 h 竹材的抗菌效果Fig.2 Antifungal effect of bamboo material soaked by chitosan at ambient temperature for 72 hours

圖3 殼聚糖100 ℃浸泡72 h 竹材的抗菌效果Fig.3 Antifungal effect of bamboo material soaked by chitosan at 100 ℃for 72 hours

圖4 聚糖超聲浸泡72 h 竹材的抗菌效果Fig.4 Antifungal effect of bamboo material soaked by chitosan with ultrasound assisted for 72 hours

2.3 不同處理對(duì)殼聚糖溶液黏度變化的影響

處理溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，溶液黏度越低，說(shuō)明高分子殼聚糖在高溫下降解明顯。在0～12 h 之間，黏度下降幅度最大，在此后下降速度減慢，說(shuō)明殼聚糖分子質(zhì)量變小后，穩(wěn)定性增加。常溫處理?xiàng)l件下黏度下降最少，80 ℃以上處理時(shí)，黏度下降速度和下降量最為明顯。在常溫，40 ℃和60 ℃條件下，殼聚糖溶液浸泡竹片72 h 后，殼聚糖溶液黏度顯著減小，說(shuō)明殼聚糖可能被竹材吸收，導(dǎo)致溶液中的殼聚糖減少，其黏度較低。而在80 ℃下，是否添加竹材溶液的黏度無(wú)顯著差異。在100 ℃下，添加竹材的殼聚糖溶液的黏度高于未添加竹材的，可能由于部分殼聚糖被吸入竹材中，在冷卻后，測(cè)定黏度時(shí)，部分竹材中的殼聚糖溶出，比沒(méi)有添加竹材的溶液黏度高。

如圖6所示，所有處理?xiàng)l件下的黏度都下降，說(shuō)明高分子殼聚糖都存在降解。4 號(hào)處理組是常溫條件，其黏度下降顯著較少，說(shuō)明高溫是殼聚糖降解的主要原因。冰乙酸、竹材對(duì)殼聚糖降解速度影響較小。殼聚糖溶液黏度隨著溫度的升高而降低，這和楊帥等[18]的結(jié)果一致。韓懷芬等[19]發(fā)現(xiàn)殼聚糖降解是吸熱反應(yīng)，溫度升高有利于反應(yīng)進(jìn)行，隨溫度升高，蝦、蟹殼聚糖溶液降解速度加快，其黏度下降。

2.4 熱處理殼聚糖對(duì)菌株的影響

由圖7可知，4 種從竹材中分離出來(lái)的真菌，添加于經(jīng)60，80，100 ℃處理72 h 的殼聚糖中，都沒(méi)有生長(zhǎng)。40 ℃處理的殼聚糖抑菌效果優(yōu)于常溫的殼聚糖。熱處理會(huì)導(dǎo)致高分子殼聚糖降解為低分子殼聚糖，殼聚糖降解后的抑菌能力顯著提高。

3 結(jié)論

本研究主要探究了殼聚糖的不同處理方式對(duì)包裝竹材防腐效果的影響。當(dāng)用沸水浴條件下的殼聚糖處理竹材時(shí)，殼聚糖質(zhì)量濃度為5 mg/mL時(shí)，竹片上基本沒(méi)有真菌生長(zhǎng)，大大減少了殼聚糖用量，提高了抑菌效果。且抑菌效果隨著溶液溫度升高而增加，殼聚糖隨著溫度的升高，其降解也增加，這造成了殼聚糖資源的浪費(fèi)。在本試驗(yàn)中，從常溫組、40 ℃組和60 ℃組可以看出，殼聚糖發(fā)生了明顯的吸附；從80 ℃和100 ℃處理組可以看出，殼聚糖發(fā)生了明顯的降解，殼聚糖降解可以進(jìn)一步提高抑菌能力。王雅梅等[7]研究發(fā)現(xiàn)竹材的防腐和吸藥量有關(guān)，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)，殼聚糖大部分被竹材吸收，隨著溫度的升高殼聚糖發(fā)生了明顯的降解，不利于殼聚糖資源的充分利用，因此5 mg/mL 的殼聚糖溶液在60 ℃水中浸泡處理竹材，可以較好的提高竹材的防腐效果。

圖5 溫度和時(shí)間對(duì)殼聚糖溶液黏度的影響Fig.5 The effect to treatment temperature and time on chitosan solution viscosity

圖6 處理方式和時(shí)間對(duì)殼聚糖溶液黏度的影響Fig.6 The effect to treatment method and time on chitosan solution viscosity

圖7 不同溫度處理72 h 的殼聚糖溶液對(duì)4 種菌的抑菌效果Fig.7 Inhibition effect of chitosan solution after different temperatures heating for 72 h on four kinds of fungi