納他霉素/海藻酸鈉/殼聚糖生物抗菌涂層對(duì)櫻桃柿子的保鮮效果

■ 文/劉春芳，蔣靜思，王 勇，石葆瑩，，高 翔

（1.天津天獅學(xué)院 食品工程學(xué)院；2.宏觀世紀(jì)（天津）科技股份有限公司）

0 引 言

生鮮果蔬的質(zhì)量和儲(chǔ)存期會(huì)受到環(huán)境、生理作用和微生物等因素的影響而受損，導(dǎo)致生鮮果蔬在整個(gè)采摘后的供應(yīng)鏈中產(chǎn)生重大的損失和浪費(fèi)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在流通中我國(guó)果蔬的年損失率高于25%，每年損失的金額高達(dá)550億人民幣。在果蔬表面涂覆一層保鮮涂層是一種非常有效的延長(zhǎng)保質(zhì)期的方法，近年來，以脂質(zhì)類、蛋白類、多糖類為主要原材料的可食性涂層已經(jīng)成為食品保鮮包裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-8]?？墒承酝繉涌梢员Ｗo(hù)食品免受機(jī)械和微生物的傷害，防止有益的揮發(fā)物逸出，抑制食品的衰老過程，并保持良好的外觀。而且這些涂層是以可生物降解和生物相容性材料為基礎(chǔ)的，可以滿足消費(fèi)者對(duì)食品安全的需求[9-10]。

通常單一的涂層材料很難滿足果蔬保鮮的要求，近年來人們開始關(guān)注開發(fā)復(fù)合涂層，將各種成分的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來加以利用。層層自組裝（Layer-by-Layer，LbL）技術(shù)是一種新的復(fù)合涂層成型技術(shù)[11]，它通常利用帶不同種電荷的兩種原材料之間相互吸附成涂層的原理。自發(fā)現(xiàn)以來，LbL技術(shù)在諸多領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。目前也己經(jīng)有部分國(guó)內(nèi)外的研究表明，LbL技術(shù)同樣可以用于可食性涂層領(lǐng)域[12,15]，可根據(jù)被包裝物品的不同來靈活設(shè)計(jì)涂層組成和結(jié)構(gòu)，在果蔬保鮮領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

殼聚糖是一種安全、無毒、可生物降解的天然多糖，帶有正電荷，已被證明是一種有效的天然食品抗菌涂料[16]。海藻酸鹽涂層具有較高的抗拉強(qiáng)度和較低的水蒸氣透過性，可以提供負(fù)電荷[17]。納他霉素是一種多烯烴大環(huán)內(nèi)酯類抗真菌劑，能有效抑制霉菌的生長(zhǎng)[18]，常用于對(duì)食品表面進(jìn)行處理以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，同時(shí)并不影響食品的風(fēng)味和口味。本論文研究了以海藻酸鈉、殼聚糖為涂層材料，以納他霉素為抗菌劑，采用LbL技術(shù)制備的可食性涂層對(duì)櫻桃柿子的保鮮效果，考察了海藻酸鈉和殼聚糖的涂膜順序、涂層層數(shù)、涂層濃度等因素對(duì)保鮮效果的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：海藻酸鈉，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；殼聚糖，脫乙酰度≥95%，上海麥克林生化有限公司；冰乙酸，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；納他霉素，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；櫻桃柿子，采摘于天津某采摘園，外觀、品質(zhì)、大小接近，約九成熟。

儀器：動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀，VCA optima，美國(guó)AST公司；指針式水果硬度計(jì)，GY—1，溫州韋度電子有限公司；手持折光儀，WS114，上海測(cè)維光電技術(shù)有限公司；勻漿機(jī)，JT—C，漯河市金田試驗(yàn)設(shè)備研究所；紫外可見分光光度計(jì)，UV—2700，日本島津儀器公司；電動(dòng)攪拌器，HD2015w，上海司樂儀器有限公司。電子天平，AL104，梅特勒-托利多（上海）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 涂層溶液的制備

殼聚糖溶液制備：稱取一定量的殼聚糖粉末加入到1%（體積百分?jǐn)?shù)）的乙酸溶液中，充分?jǐn)嚢?，直至殼聚糖完全溶解，制得一定濃度的殼聚糖溶液[7]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別配制濃度為1.5%、1.75%、2.0%、2.25%、2.5%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的殼聚糖溶液。

海藻酸鈉溶液制備：稱取一定的量的海藻酸鈉加入到蒸餾水中，在60℃的水浴鍋中機(jī)械攪拌至完全溶解，制得一定濃度的海藻酸鈉溶液。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別配制濃度為1.0%、1.25%、1.5%、1.75%、2.0%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的海藻酸鈉溶液。

納他霉素—海藻酸鈉溶液制備：在上述海藻酸鈉溶液加入一定量的納他霉素，配制成納他霉素濃度為500 mg/L的納他霉素-海藻酸鈉溶液。

海藻酸鈉—?dú)ぞ厶枪不烊芤褐苽洌悍Q取一定量的殼聚糖粉末加入到1%（體積百分?jǐn)?shù)）的乙酸溶液中，充分?jǐn)嚢?，直至殼聚糖完全溶解，再加入一定量的海藻酸鈉，充分?jǐn)嚢柚敝镣耆芙狻?/p>

1.2.2 層層自組裝（LbL）涂膜

先將櫻桃柿子放入納他霉素—海藻酸鈉溶液中浸泡30 s，取出后在蒸餾水中浸泡30 s，然后將櫻桃柿子浸入殼聚糖溶液中浸泡30 s，取出后在室溫下風(fēng)干30 min，此時(shí)在櫻桃柿子表面形成一層納他霉素—海藻酸鈉/殼聚糖涂層，層層組裝涂層形成示意圖，如圖1所示。重復(fù)上述步驟3次和5次，但從第二次開始僅使用海藻酸鈉溶液和殼聚糖溶液，即納他霉素-海藻酸鈉涂層僅在第一層使用，分別制得納他霉素-海藻酸鈉/殼聚糖三層涂層，納他霉素—海藻酸鈉/殼聚糖五層涂層。改變海藻酸鈉和殼聚糖的涂膜順序，可以制得殼聚糖/納他霉素—海藻酸鈉LbL涂層[7]。

圖1 海藻酸鈉/殼聚糖層層組裝涂層形成示意圖

1.2.3 LbL涂層對(duì)櫻桃柿子保鮮效果的評(píng)價(jià)

（1）感官評(píng)價(jià)

按照1.2.2的方法在櫻桃柿子表面進(jìn)行LbL涂膜后，模擬超市的處理方式，將櫻桃柿子放在塑料托盤上，用保鮮膜包好。同時(shí)將未經(jīng)涂膜處理的樣品作為空白對(duì)照組。分別在第1、3、5、7天時(shí)對(duì)櫻桃柿子的顏色、亮度和表面光滑度等指標(biāo)進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

（2）失重率測(cè)定

按照上述分組，在第1、3、5、7天時(shí)分別稱量每一盤的重量，做好記錄。

根據(jù)如下公式計(jì)算失重率的變化情況：

其中，W為失重率，m0為初始重量，單位為克（g），mi為第i天重量，單位為克（g）。

（3）壞果率的測(cè)定

在第1、3、5、7天時(shí)記錄每組櫻桃柿子壞果的個(gè)數(shù)。根據(jù)如下公式計(jì)算壞果率的變化情況：

其中，M為壞果率（%），n為壞果的個(gè)數(shù)（個(gè)），N為櫻桃柿子的總量（個(gè)）。

（4）硬度的測(cè)定

按照上述分組，在第1、3、5、7天時(shí)，每組取三個(gè)櫻桃柿子，用指針式水果硬度計(jì)測(cè)量硬度，初試硬度為x0，后面每天測(cè)量的為xi（i為對(duì)應(yīng)的天數(shù)），測(cè)量三次取平均值。然后根據(jù)如下公式計(jì)算相對(duì)硬度：

1.2.4 涂層表面接觸角測(cè)定

采用VCA optima動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試儀測(cè)定涂層表面的接觸角，測(cè)試液體為蒸餾水，測(cè)量方式為懸滴法，自動(dòng)注射，液滴體積為5 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸涂順序?qū)ν繉颖ｕr性能的影響

本研究考察了殼聚糖和海藻酸鈉浸涂順序?qū)ν繉颖ｕr效果的影響。結(jié)果表明，殼聚糖和海藻酸鈉的浸涂順序?qū)Ρｕr性能有顯著影響，從感官上看，貯存7 d時(shí)，海藻酸鈉/殼聚糖組大部分櫻桃柿子外表完整，色澤紅潤(rùn)，且具有一定的硬度，而殼聚糖/海藻酸鈉組大部分櫻桃柿子已經(jīng)腐爛，失去了商品價(jià)值。當(dāng)殼聚糖在外層時(shí)，櫻桃柿子的壞果率明顯低于殼聚糖在內(nèi)層和空白組。貯存7 d時(shí)，海藻酸鈉/殼聚糖組的壞果率最低，約為13%，明顯低于空白組的25%，而殼聚糖/海藻酸鈉組的壞果率高達(dá)接近40%，如圖2所示。在產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，是由于殼聚糖自身具有良好的抗菌性[7,19]，在外層時(shí)，對(duì)環(huán)境中常見革蘭氏陽性和革蘭氏陰性致病菌均有較好的殺滅作用。同時(shí)內(nèi)層的海藻酸鈉由于含有納他霉素，直接接觸櫻桃柿子的表面，可以有效抑制霉菌的生長(zhǎng)。因此海藻酸鈉/殼聚糖的涂層順序，更能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)食品的保鮮效果更佳。

圖2 涂層順序?qū)烟沂磷訅墓实挠绊?/p>

2.2 涂層層數(shù)對(duì)保鮮性能的影響

本研究考察了海藻酸鈉/殼聚糖單層涂層、三層涂層、五層涂層對(duì)櫻桃柿子的保鮮效果。在感官上，海藻酸鈉/殼聚糖單層涂層組櫻桃柿子的外觀沒有明顯變化，而3層涂層和5層涂層大部分出現(xiàn)破裂、發(fā)霉現(xiàn)象。涂層層數(shù)對(duì)櫻桃柿子失重率的影響如圖3所示，貯存7 d時(shí)，海藻酸鈉/殼聚糖單層涂層櫻桃柿子的失重率最低，小于2%。而海藻酸鈉/殼聚糖3層和5層涂層櫻桃柿子的失重率均高于3%。涂層層數(shù)對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響如圖4所示，可以看出，在貯存7 d時(shí)，單層涂層櫻桃柿子的壞果率為10%左右，明顯低于其他3組，3層涂層和5層涂層的櫻桃柿子腐爛嚴(yán)重。由此可見，層層組裝涂層并非層數(shù)越多越好，這與楊皓月等[7]的研究結(jié)果是一致的。主要是由于新鮮果蔬在存放中需要保持和外界的氣體交換，涂層層數(shù)多，阻礙了正常的氣體交換，反而加速了果蔬的腐爛。

圖3 涂層層數(shù)對(duì)櫻桃柿子失重率的影響

圖4 涂層層數(shù)對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響

2.3 海藻酸鈉濃度對(duì)涂層保鮮性能的影響

本研究考察了海藻酸鈉濃度對(duì)涂層保鮮性能的影響，殼聚糖濃度固定為2.0%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）。從圖5和圖6可以看出，海藻酸鈉濃度為1.75%時(shí)，櫻桃柿子的保鮮效果最好，在貯存期內(nèi)，壞果率上升緩慢，貯存7 d時(shí)，壞果率約為10%。同時(shí)櫻桃柿子的硬度保持較好，下降了約10%，明顯低于空白對(duì)照組和其他濃度的海藻酸鈉涂層。

圖5 海藻酸鈉濃度對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響

圖6 海藻酸鈉濃度對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響

2.4 殼聚糖濃度對(duì)涂層保鮮性能的影響

本研究考察了殼聚糖濃度對(duì)涂層保鮮性能的影響。從圖7、圖8可以看出，殼聚糖濃度為2.25%時(shí)，櫻桃柿子在貯存期內(nèi)的壞果率最低，貯存7 d時(shí)，壞果率約為10%。因此，殼聚糖濃度為2.25%時(shí)，海藻酸鈉/殼聚糖LbL涂層的保鮮效果較好。

圖7 殼聚糖濃度對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響

圖8 殼聚糖濃度對(duì)櫻桃柿子相對(duì)硬度的影響

2.5 LbL涂層與共混涂層保鮮效果的對(duì)比

通過上述實(shí)驗(yàn)，可知海藻酸鈉濃度1.75%，殼聚糖濃度2.25%，（納他霉素-海藻酸鈉/殼聚糖）單層涂層對(duì)櫻桃柿子的保鮮效果最好。按照同樣的濃度制備納他霉素-海藻酸鈉涂層、殼聚糖涂層、納他霉素-海藻酸鈉-殼聚糖共混涂層，分別對(duì)櫻桃柿子進(jìn)行保鮮實(shí)驗(yàn)。從圖9可以看出，在貯存周期內(nèi)，LbL膜的保鮮效果明顯好于單組分膜和共混膜，說明LbL膜對(duì)于果蔬具有更好的保鮮效果。

圖9 不同種類涂層對(duì)櫻桃柿子壞果率的影響

2.6 涂層抗菌和表面浸潤(rùn)性分析

新鮮果蔬在貯存過程中，由于呼吸作用會(huì)產(chǎn)生水汽，使得果蔬的包裝環(huán)境變得潮濕，這樣的環(huán)境有助于微生物的生長(zhǎng)，會(huì)加速果蔬的腐爛[7]。如果涂層具有抗菌性且外表面具有疏水性，則有助于延長(zhǎng)果蔬的貨架壽命[20]。

本研究對(duì)（納他霉素-海藻酸鈉/殼聚糖）LbL涂層的抗菌性和表面浸潤(rùn)性進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖10和圖11所示。從圖10可以看出，LbL涂層對(duì)果蔬常見的致病菌霉菌具有明顯的抗菌作用，說明納他霉素的加入顯著提高了涂層的抗菌性。圖11 可以看出，（納他霉素-海藻酸鈉/殼聚糖）LbL涂層外表面的水接觸角為121°，表明LbL涂層具有明顯的疏水性，可以有效減少包裝環(huán)境中水分對(duì)涂層的影響。

圖10 LbL涂層對(duì)霉菌的抗菌效果

圖11 LbL涂層水接觸角

3 結(jié) 論

本論文以櫻桃柿子為保鮮對(duì)象，研究了納他霉素-海藻酸鈉/殼聚糖層層自組裝可食性涂層的保鮮效果。結(jié)果表明，海藻酸鈉和殼聚糖的組裝順序?qū)ν繉拥谋ｕr效果具有很大影響，殼聚糖在外層時(shí)，涂層的保鮮效果明顯優(yōu)于海藻酸鈉在外層；當(dāng)自組裝涂層的層數(shù)為單層、海藻酸鈉濃度為1.75%、殼聚糖濃度為2.25%時(shí)，涂層保鮮效果較好，在此條件下，櫻桃柿子貯存7天依然保持了良好的商品品質(zhì)，而未經(jīng)涂層保鮮處理的櫻桃柿子樣品，不到5 d已基本失去了商品價(jià)值。LbL涂層對(duì)霉菌具有良好的抗菌作用，并且涂層的外表面具有很好的疏水性，使其對(duì)櫻桃柿子的保鮮效果更好。