基于百香果果皮果膠的可食性薄膜制備與保鮮性能研究

＊王錦秀 鄭明鋒 李灼坤 陳清西*

（1.福建農林大學園藝學院 福建 350002 2.福建農林大學食品科學學院 福建 350002）

百香果（Passiflora edulis f.flavicarpa）是全球最常見的食用水果之一[1]，目前對于百香果的產品開發(fā)主要集中在果肉飲料加工方面，百香果皮則常被丟棄而污染環(huán)境。為了使百香果廢棄果皮得到綜合利用[2]，可從其果皮中提取出果膠[3]。果膠（Pectin）具有抗氧化、抗炎和降血脂等生物活性，可作為膠凝劑、穩(wěn)定劑、乳化劑和增稠劑廣泛應用在各種食品中。果膠具有可食用性，目前果膠已被用于制造一些可食用性的保鮮薄膜[4]，以減少塑料包裝廢棄物對環(huán)境的污染。如Fan等[5]用果膠/海藻酸鈉/黃原膠制備包裝鮮切馬鈴薯的可食用保鮮復合膜，研究發(fā)現該復合膜對鮮切馬鈴薯具有極好的保鮮效果，包覆效果優(yōu)于熱封。

新鮮草莓易受表面機械損傷、生理病變或細菌感染等影響而保鮮期極短，目前應用的氣調包裝[6]和使用化學防腐劑[7]等保鮮方法都會影響草莓的顏色、味道和質地。常用的PE保鮮膜不僅透濕性差且不可食，應用存在不便。本文以前期研究[3]提取出的可食性的百香果果皮果膠（Passion Fruit Peel Pectin，PFPP）為原料，利用其良好的抗氧化特性和成膜性，與羧甲基纖維素鈉CMC、聚乙烯醇PVA等混合制備形成可食性薄膜并研究其性能影響因素，最后將其應用到草莓上進行涂膜保鮮，考察4℃和21℃條件下草莓的失重率、硬度、色澤、呼吸速率、有機酸酸含量、可溶性固形物含量、總糖等指標，以期為延長草莓的保鮮期提供理論依據。

1.材料與方法

（1）材料與試劑。百香果果皮果膠（PFPP），實驗室自制；羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、甘油，均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；草莓，品種為紅顏，實驗開始當日從福建省福州市閩侯縣農心草莓園采摘。

（2）主要儀器。ATY124電子天平、日本三量數顯千分尺、NK帶表推拉力計、人工智能氣候箱、泰雙TS7700-3nh分光測色儀、手持式折光儀。

（3）可食性薄膜制備工藝。精確稱取一定質量百香果果皮果膠PFPP，加入些許蒸餾水磁力攪拌至完全溶解，按比例依次加入一定質量羧甲基纖維素鈉CMC、聚乙烯醇PVA和甘油，磁力攪拌均勻，即得百香果可食膜液。用延展法將百香果可食膜液涂布于玻璃培養(yǎng)皿中，真空脫氣1h后置于烘箱中干燥一定時間，取出玻璃皿于25℃、相對濕度60%環(huán)境中穩(wěn)定2h，揭膜，即得百香果可食膜。

（4）可食性薄膜的結構特性表征。通過對可食性薄膜的厚度、抗拉強度（TS）、斷裂伸長率（EAB）、透光率、透濕性（WVPR）等結構指標進行表征[8]，并對其進行物理性能綜合評分，TS、EAB和透光率3個指標需越大越好，WVPR指標需越小越好。

（5）影響可食性薄膜制備的單因素試驗和正交試驗。通過對百香果果皮果膠PFPP的質量分數、CMC質量分數、PVA質量分數、甘油質量分數、干燥溫度、干燥時間等進行單因素試驗，并對CMC質量分數、PVA質量分數和干燥溫度這三個因素進行三水平的正交試驗。

（6）草莓保鮮處理方法及生理生化指標測定。將當天采摘的新鮮草莓放在陰涼通風處，使果實表面保持干燥無水蒸氣，去除破裂、損傷、果形較小果實；將所需的玻璃皿高溫滅菌15min，然后放入烘箱50℃烘干備用；將挑選好的草莓分別放入滅菌處理的玻璃皿中，將需測定的不同保鮮薄膜分別緊緊覆蓋于玻璃皿上。試驗共設置以下7個處理組，將兩批相同處理的草莓分別放入RH60%、21℃及RH60%、4℃恒溫環(huán)境中，21℃每2d測一次生理生化指標，4℃每5d測一次生理生化指標。需測定的生理生化指標包括失重率、腐爛率、色澤、可溶性固形物、有機酸、VC含量等[9]。

表1 保鮮處理組別

2.結果與分析

(1)影響可食性薄膜制備的單因素試驗結果與分析

①PFPP質量分數對可食膜性能的影響

由表2可知，隨著PFPP質量分數增大，會使得膜液黏度增大，從而降低體系流動性，可食膜的抗拉強度TS會逐漸減小，而透濕性WVPR逐漸增大；而斷裂伸長率EAB和透光率則均呈現先增大后減小的趨勢，當PFPP質量分數為0.20%時，EAB達到最大值為181.82%，透光率達到最大值為54.27%。綜上，PFPP質量分數選取0.20%為宜。

表2 PFPP質量分數對可食膜性能的影響

②CMC質量分數對可食膜性能的影響

由表3可知，隨著CMC質量分數增大，可食膜液濃度也隨之增加，導致單位體積內分子數大幅上升，增加了膜基質中大分子網絡的密度及聚合度，使膜結構更加致密，可食膜抗拉強度TS出現先增大后減小，而斷裂伸長率EAB呈現出逐漸降低趨勢，透濕性WVPR則隨著CMC質量分數增加而增大?？墒衬ね腹饴蕜t在CMC質量分數為0.20%時達到最大值64.43%。綜上，CMC質量分數選取0.20%為宜。

表3 CMC添加量對可食膜性能的影響

③PVA質量分數對可食膜性能的影響

由表4可知，隨PVA質量分數增大，膜基質間的氫鍵作用逐漸增強，導致膜的結構更加緊密，當PVA質量分數為0.80%時，膜的TS達最大值17.39MPa，EAB達最大值170.00%，可食膜TS和EAB呈現出先增大后減小的趨勢。當PVA質量分數＞0.80%時，可食膜表面則會呈現凹凸不平、固體析出等現象，從而引發(fā)應力集中的缺陷，導致可食膜在拉伸過程中因表面受力不均出現細小裂痕，影響可食膜的整體力學性能。而可食膜的透光率隨PVA質量分數增大而增大，而WVPR隨PVA質量分數增大而減小。綜上，PVA質量分數選取0.80%為宜。

表4 PVA質量分數對可食膜性能的影響

④甘油質量分數對可食膜性能的影響

可食膜的膜基質間的氫鍵作用使分子鏈僵硬脆弱，而甘油作為小分子多元醇，具有良好的親水性，在高溫的作用下可迅速插進果膠分子鏈間，阻礙膜基質分子間的氫鍵作用，削弱分子間作用力，軟化可食膜的剛性結構，同時甘油的羥基可與CMC的羧基發(fā)生化學反應，增加體系相容性，使膜的塑性增高，因此由表5可知，隨甘油質量分數增大，可食膜TS和EAB呈現先增大后減小趨勢，當甘油質量分數為0.30%時，膜的TS達最大值14.30MPa，EAB達最大值151.11%?？墒衬さ耐腹饴屎蚖VPR則由于甘油具有較強親水性而隨甘油質量分數的增加而減小。綜上，甘油質量分數選取0.30%為宜。

表5 甘油質量濃度對可食膜性能的影響

⑤干燥溫度對可食膜性能的影響

由表6可知，當干燥溫度為30℃時無法成膜，而可食膜TS、EAB和透光率均會隨干燥溫度上升而減小，而透濕性則會增加。當干燥溫度＞40℃時，水分子逐漸被蒸發(fā)，甘油親水基團只能與膜基質中高聚合物基團形成氫鍵，導致可食膜柔軟性降低、塑性增強，TS、EAB會因此減?。磺译S干燥溫度升高，可食膜部分成分還未形成有序結構就被固定，會導致透光率降低。綜上，干燥溫度選取40℃為宜。

表6 干燥溫度對可食膜性能的影響

⑥干燥時間對可食膜性能的影響

由表7可知，當干燥時間為3h時，可食膜中心區(qū)域未干燥完全，不成膜，無法測量。但在一定溫度下，干燥超過3h后有助于增強膜組分分子間相互作用，使其有足夠時間在成膜過程中延伸充分，形成穩(wěn)定有序、致密的網絡結構，因而機械性能得以改善，TS、EAB及透光率均較大；但隨著干燥時間進一步延長，即超過4h后，可食膜組分分子間的作用力進一步加強，分子鏈流動降低，因而延伸率逐漸減小，同時可食膜水分隨時間延長而逐漸蒸發(fā)，含水量逐漸降低，導致其質地硬脆，TS、EAB及透光率均減小。綜上干燥時間選取4h為宜。

表7 干燥時間對可食膜性能的影響

(2)影響可食性薄膜制備的正交試驗結果與分析

對前述的單因素試驗結果進行主成分分析，發(fā)現CMC質量分數、PVA質量分數和干燥溫度這三個因素對可食性薄膜的制備影響最大，故對這三個因素進行三水平的正交試驗和驗證試驗。最終的綜合實驗結果表明以百香果果皮果膠PFPP制備出的可食性薄膜的最佳工藝條件為CMC質量分數0.2%、PVA質量分數1.0%、干燥溫度40℃，并且PFPP質量分數為0.20%，甘油質量分數為0.30%，干燥時間為4h。

(3)可食性薄膜在草莓上的保鮮試驗結果與分析

①可食性薄膜保鮮對草莓失重率的影響

草莓在貯藏過程會由于呼吸活動、蒸騰作用而引起失重并造成品質下降，因此失重率是衡量草莓保鮮效果的一項重要指標。由圖1可知，隨著貯藏時間的延長，各處理組的草莓在4℃和21℃條件下，失重率均顯著逐漸升高，空白組即CK組的草莓失重率均為最大值。在4℃貯藏25d和21℃貯藏8d后，PFPP組失重率較CK組分別降低了34.12%、36.14%，說明覆蓋膜可有效阻止草莓水分蒸發(fā)，降低草莓呼吸作用和氧化反應的發(fā)生，降低其貯藏期間的失重率。PE-PFPPL組常溫21℃貯藏至8d時已全部腐爛，無法稱重。觀察發(fā)現，PE組與PE-PFPPL組均能將草莓失重率維持在較低水平，說明PE膜透濕性較差。由于PE膜不透氣，導致水分在PE膜內部凝結成為水珠，滴落至草莓表面，促進草莓微生物生長并快速腐爛，而可食性薄膜PFPP組由于透濕性好，可延緩草莓腐爛和失重。

圖1 不同處理在21℃及4℃條件下對草莓失重率的影響

②可食性薄膜保鮮對草莓腐爛率的影響

圖2顯示的是處理后的七組草莓在不同貯藏條件下表觀的變化，低溫可有效延長草莓貯藏時間，同時果膠可食膜（包括第三組PFPP、第六組GFPP及第七組BP）抑菌效果明顯，可有效抑制霉菌及其他微生物產生。由圖3可知，所有草莓的腐爛率在貯藏期間均有所增加，而果膠膜處理的四組草莓腐爛率均較低，這主要是由于果膠物質充當了保護屏障，限制了水分轉移并保護草莓免受機械損傷，從而延緩脫水并降低真菌感染率。此外，PFPP組草莓草莓腐爛率相較最低，可能是因為本實驗室提取出的百香果果皮果膠PFPP還含有部分花色苷，所以可以抑制更多的致病細菌和真菌生長，有助于減少腐爛程度。

圖2 不同處理在21℃及4℃條件下草莓表觀對比圖

圖3 不同處理在21℃及4℃條件下對草莓腐爛率的影響

③可食性薄膜保鮮對草莓色澤的影響

CIEL*a*b*色度空間是當前最通用的測量物體的顏色空間之一，其中，L*值表示明亮度；a*代表紅綠色差；b*表示黃藍色差；H值為色調角；C為色澤飽和度；CIRG表示果實的成熟指數。21℃貯藏8d后，亮度最大的是PE組；a*都是正值紅色，其中PE組草莓偏紅程度最大，其次是PFPP組；b*值都是正值偏黃色；七個處理組的色度角H差異顯著，PE組色度角最小，顏色最紅，其次是PFPP組；色飽和度C值反映了草莓的色澤純度，CK組草莓著色純度不及PFPP、GFPP和P組，PE顏色最純，因為PE組草莓水分損失最少，果實更加飽滿，色澤亮麗。

④可食性薄膜保鮮對草莓可溶性固形物的影響

可溶性固形物（TSS）是指食品中可溶性糖類等可溶物質，該指標一定程度上反映了草莓在儲藏過程中其內部營養(yǎng)物質的變化情況。由圖4可知，常溫和低溫貯藏草莓的TSS變化趨勢均為先上升后下降，并在21℃貯藏4d、4℃貯藏15d時七組草莓TSS均達最大值，而后開始下降。這是因為在貯藏前期草莓繼續(xù)成熟發(fā)生了蔗糖的合成，在后期下降則是因為草莓的呼吸速率較快，會降解更多蔗糖以維持草莓的生理活性。七組中未包裝的和由PVA材料包裝的草莓樣品中TSS下降更明顯，三種果膠可食膜包裝的草莓則可維持較大的TSS水平，并且PFPP可食膜包裝的草莓樣品在21℃和4℃貯藏期結束時均可保持最高水平的TSS，分別為（12.70±0.11）%和（14.80±0.09）%，這也表明PFPP可為草莓提供最合適的貯藏環(huán)境。

圖4 不同處理在21℃及4℃條件下對草莓可溶性固形物的影響

⑤可食性薄膜保鮮對草莓有機酸含量的影響

草莓中的有機酸含量會直接影響著草莓風味。有機酸在草莓的貯藏過程中不斷被消耗，草莓的風味與品質也隨之變差。在貯藏過程中有機酸會作為氧化呼吸底物被消耗，同時也有一部分被轉化為糖。如圖5所示，貯藏期間草莓的可滴定酸含量總體呈下降趨勢，且CK組和PE組、PE-PFPPL組的可滴定酸含量總體低于果膠可食膜組，CK組后期尤其下降最明顯。在21℃貯藏8d、4℃貯藏25d后，PFPP可食膜處理的草莓有機酸含量在七組處理中均為最大值，分別為（12.88±0.11）%和（13.94±0.29）%，比CK組分別高28.4%、23%。表明PFPP果膠可食性膜能減緩有機酸的降低，可延長草莓貨架期并保持其良好的風味。

圖5 不同處理在21℃及4℃條件下對草莓可溶性固形物的影響

⑥可食性薄膜保鮮對草莓VC含量的影響

如圖6所示，可以看出草莓貯藏期Vc含量均呈下降趨勢。21℃貯藏期間，草莓果實中的Vc下降速度較快，貯藏8d和4℃貯藏20d后PFPP組草莓果實VC含量均所剩最多，分別為45.72mg/100g和51.65mg/100g，可見可食膜覆蓋可明顯延緩草莓Vc含量降低，且在低溫情況下效果更為顯著。這是由于涂膜后可在果實表面形成一層半透膜，起到氣調保鮮作用，可抑制草莓呼吸。同時CMC和PVA的存在能降低草莓呼吸強度并激發(fā)了某些還原酶的活性，清除草莓體內的氧化物質，防止還原型Vc被氧化，起到穩(wěn)定Vc、保證草莓的營養(yǎng)的效果。從整體來看，PFPP組處理過的草莓Vc含量下降速度相對于其他處理組更加緩慢。

圖6 不同處理在21℃及4℃條件下對草莓Vc的影響

3.結論

本文通過前期研究提取出的百香果果皮果膠PFPP與羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、甘油等復合制備出可食性薄膜，并通過對百香果果皮果膠PFPP的質量分數、CMC質量分數、PVA質量分數、甘油質量分數、干燥溫度、干燥時間等進行單因素試驗，發(fā)現PFPP質量分數為0.20%，CMC質量分數為0.20%，PVA質量分數為0.80%，甘油質量分數為0.30%，干燥溫度為40℃，干燥時間為4h時最佳。同時對單因素試驗結果進行主成分分析，發(fā)現CMC質量分數、PVA質量分數和干燥溫度這三個因素對可食性薄膜的制備影響最大，故對這三個因素進行三水平的正交試驗和驗證試驗。最終的綜合實驗結果表明以百香果果皮果膠PFPP制備出的可食性薄膜的最佳制膜工藝條件為CMC質量分數0.2%、PVA質量分數1.0%、干燥溫度40℃，并且PFPP質量分數為0.20%，甘油質量分數為0.30%，干燥時間為4h。將制備出的PFPP可食性薄膜應用到草莓的保鮮貯藏中，通過測定在21℃常溫和4℃低溫保存條件下PFPP可食性薄膜對草莓保鮮過程中的失重率、腐爛率、色澤、有機酸含量、可溶性固形物含量、VC含量等理化指標的變化，發(fā)現相比其它6組保鮮處理膜，PFPP可食性薄膜在草莓保鮮方面整體上具有更加優(yōu)異的保鮮性能，且部分原因可能是由于PFPP具有更好的透濕性以及含有部分花色苷。基于百香果果皮果膠制備出的可食性薄膜可為延長草莓的保鮮期提供新的技術支撐，具有重要的社會應用價值。