孫 穎,白 林,劉明昊,翁云宣*,陳禮平
(1. 北京工商大學化學與材料工程學院,北京 100048;2. 輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所,北京 100048;3. 安徽豐原生物技術(shù)股份有限公司,安徽 蚌埠 233700)
藍莓(Vaccinium spp.),杜鵑花科越橘屬,味道獨特,富含多種維生素,被稱作“漿果之王”[1-2]。然而藍莓果實鮮嫩多汁、組織柔軟,采摘后容易收到物理、機械、微生物傷害導致腐敗變質(zhì),從而影響其營養(yǎng)及商業(yè)價值[3-4]。所以,適當?shù)谋ur技術(shù)能夠提升藍莓的商業(yè)價值,避免資源浪費。目前,為了更有效地延長果蔬的保鮮期,以及增強其抗氧化能力,人們普遍使用冷藏[5]、氣調(diào)[6]、減壓[7]、多種殺菌劑聯(lián)合處理[8]的方式。另一種更為常見的防腐技術(shù)就是使用食品級接觸膜,薄膜具備成分安全、易制備、使用方便等優(yōu)點。研究結(jié)果表明,以聚乳酸(PLA)為基材的塑料袋能夠顯著提高食品的保質(zhì)期,利于新鮮水果和蔬菜的保存[9-10]。相比聚乙烯(PE)塑料袋,PLA 塑料袋能夠更好地抑制氧化,從而提高食物的保質(zhì)期[11]。國崇文等[12]研究發(fā)現(xiàn)在(15±1) ℃條件下PE 食品包裝袋可以減緩果蔬的葉綠素損失,延長西蘭花的感官品質(zhì)和特殊風味維持水平。但食品包裝內(nèi)部的O2和CO2的選擇性滲透可以通過胺基載體選擇透過性薄膜調(diào)節(jié),同樣在延長西蘭花貨架期方面效果顯著[13]。亦有研究表明納米銀薄膜可以有效抑制果蔬果實的過氧化物酶活性,并成功通過抑制菌落繁殖降低果蔬腐敗率[14]。
市場上依舊在使用PE 和聚偏二氯乙烯(PVDC)保鮮膜,雖然其具有良好的阻隔性利于果蔬保鮮,但制備PE、PVDC 保鮮膜的原料是石油、乙烯母料等,增加不可再生能源消耗的同時,還難以降解,形成海洋、土地等環(huán)境污染[15]。隨著“限塑令”的頒布,以及人們對食品安全及生活水平的高期待嚴要求、對環(huán)保意識的加強與提高,使得生物可降解保鮮膜更受到市場和消費者的偏愛,同時也成為國內(nèi)外研究學者的關(guān)注熱點[16-17]。
為了解決單一基材導致的阻隔性能差、力學性能小等問題[18],通常將2種或2種以上的生物質(zhì)大分子物質(zhì)制備成膜,提升膜的性能,同時有效抑制腐敗微生物的生長,延長果蔬貨架期[19-20]。本文將利用2 種可降解材料復配制備保鮮膜, PGA 和PBAT 是可以完全生物降解材料,一般在1~3 個月內(nèi)降解,進入循環(huán)系統(tǒng),綠色環(huán)保[21-22]。
PGA,99 %,國能榆林化工有限公司;
PBAT,TH801T,99 %,新疆藍山屯河聚酯有限公司;
苯乙烯-甲基丙烯酸縮水甘油酯低聚物(ADR),ADR4370,德國巴斯夫公司;
高山藍莓,山東青島;
超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)測定試劑盒,南京建成生物工程研究所有限公司;
生理鹽水,石家莊四藥有限公司。
酶標儀,Bio-tek,美國Synergy公司;
分光光度計,ND-ONE-W,美國Thermo公司;
離心機,Sigma H4K,德國Sigma公司;
數(shù)字電子天平,T-403,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;
集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,DF-101S,鞏義市予華儀器有限公司;
制冰機,F(xiàn)-80C,北京博威興業(yè)科技發(fā)展有限公司;
雙螺桿擠壓造粒機組,ZSK25,德國科倍隆公司;
流延機,ME30,美國Labtech公司;
壓差法氣體滲透儀,BT-3,日本東洋精機公司;
頂空氣體分析儀,6600,德國Systech公司;
熱失重分析儀,STA7200,日本Hitachi公司。
生物降解保鮮膜的制備:利用雙螺桿擠出機和流延 機 制 備 PGA、PBAT、80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT、20%PGA/80%PBAT 生物降解保鮮膜。將PGA 和PBAT 80 ℃真空干燥4 h,與苯乙烯-甲基丙烯酸縮水甘油酯低聚物ADR4370(以下簡稱ADR),混合均勻,通過雙螺桿擠出機共混,利用造粒機造粒(約2 mm)。PGA 組分的混合料加工溫度為250 ℃,純PBAT 的加工溫度為180 ℃。將PGA/PBAT 共混改性料在60 ℃下干燥8 h以上,然后通過流延機制備薄膜,加工溫度為220 ℃,制備的薄膜厚度約為(20±5) μm。
藍莓樣品設(shè)計:為了確保測量結(jié)果的準確性,應(yīng)該從所有的果實中挑選出體積、顏色和完整性相同的樣本。在室溫下,對藍莓進行單層薄膜包裝,密封收口。試驗采用自制5種生物降解保鮮膜對藍莓進行包裝,以無膜包裝作為對照。
掃描電子顯微鏡分析:將保鮮膜切成1 cm×1 cm,放置在掃描電子顯微鏡的樣品倉中,工作電壓3.0 kV,工作距離3.8 mm,放大倍率1 000,刻度50 μm。
酶活的測定:依據(jù)酶活試劑盒方法進行測定。將藍莓與生理鹽水混合,以1∶9 的比例在冰水中溶解,然后將混合物稀釋至10 %,在10 min 內(nèi),收集上清液。根據(jù)試劑盒步驟,加入所需的實驗試劑1~4?;旌暇鶆?,3 500 r/min 離心10 min,取上清液,在相應(yīng)波長處利用酶標儀進行測定,平行重復各3次,計算酶活力。
O2、CO2透過性能測試:參照GB/T 1038—2000 使用壓差法透氣儀進行測試。在5 ℃下,分別通入O2和CO2以測試薄膜對O2和CO2的透過率,每個樣品平行3次,獲得O2和 CO2透過量。
保鮮膜內(nèi)的氣體組分測試:藍莓的氣體組分測試。用PGA/PBAT 保鮮膜對藍莓果實進行單顆密封,室溫儲藏,頂空氣體分析儀測定保鮮膜內(nèi)CO2和O2的濃度,獲得氣體濃度,每組平行3次。
熱失重分析:將5組保鮮膜樣品在105 ℃下烘干3 h。取5 mg 保鮮膜樣品上機測試,試驗條件,初試溫度30 ℃,速度20 ℃/min,升溫至650 ℃。每組測試3 個平行樣。
統(tǒng)計學分析:應(yīng)用零級動力學、一級動力學和二階多項式模型,給出藍莓的各項指標的變化趨勢說明。
由圖1 可得,5 種可生物降解聚酯薄膜表面均為光滑平整。且圖中5 種生物聚酯薄膜均未觀察到明顯的氣泡、孔隙、裂紋等,PGA 與PBAT 共混后形成了致密連續(xù)的可降解保鮮膜結(jié)構(gòu),這說明,PGA 和PBAT 是兼容的,二者共混后能夠形成結(jié)構(gòu)性能良好的保鮮膜結(jié)構(gòu),適合于保鮮膜的大批量生產(chǎn)與加工。
圖1 5種生物降解保鮮膜的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM of five biodegradable cling film
2.2.1 多酚氧化酶酶活的動力學分析
通常藍莓及大部分果蔬采后儲藏時會發(fā)生酶促褐變,導致果蔬的風味、外觀、營養(yǎng)價值、加工性能受損,進一步影響其貨架期。藍莓果實的多酚受到氧化酶的影響,會發(fā)生褐變,形成類黑素,影響果蔬外觀[23-24]。如圖2 所示,經(jīng)過保鮮處理的藍莓中PPO 活性呈先上升后下降趨勢,這與王磊明[25]的研究結(jié)論一致,60%PGA/40%PBAT組6天后PPO活性最低(3.42 U/g),顯著低于空白組5.21 U/g。純PGA、PBAT 和低濃度的PGA 保鮮膜也可抑制PPO 活性,但效果遠不及60%PGA/40%PBAT 組。如表1 所示,6 組保鮮膜下,藍莓中PPO活性與儲藏時間合乎二階多項式模型。保鮮后,PPO 活性在3 天出現(xiàn)極高值,之后下降,推測在常溫儲藏7~9天時PPO活性低于初始值。
圖2 5種生物降解保鮮膜下藍莓中PPO酶活的變化規(guī)律Fig.2 Changes of PPO enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
表1 5種生物降解保鮮膜下藍莓中PPO酶活的動力學分析Tab.1 Kinetic analysis of PPO enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
2.2.2 抗壞血酸過氧化物酶酶活的動力學分析
果蔬的衰老也可以由細胞膜結(jié)構(gòu)及組分的分解、破壞、缺失引起[26],是因為活性氧可以損傷細胞膜,甚至將不飽和脂肪酸脂質(zhì)過氧化,最終導致細胞的衰老[27]。APX、SOD、POD、CAT 等抗氧化酶的存在,它們不僅能夠消除活性氧,還能夠改善細胞的氧化應(yīng)激[28]。例如:Lacan and Baccou(1998)研宄指出,較高的SOD 和CAT 酶的活性有助于延長甜瓜的貨架期[28]。如圖3所示,在2~6天,經(jīng)過藍莓中APX活性下降速率較快,由9.21 U/g 下降至5.27 U/g(P<0.05),APX 活性與儲藏時間呈負相關(guān),60%PGA/40%PBAT組6 天后APX 活性最高(5.98 U/g),顯著高于空白組5.27 U/g。純PGA、PBAT 和低濃度的PGA 保鮮膜也可延緩APX 活性降低,但效果遠不及60%PGA/40%PBAT 組。如表2 所示,20%PGA/80%PBAT、PBAT、PGA 組,藍莓中APX 活性與儲藏時間合乎二階多項式模型,對APX 活性的消耗擬合效果較好,且模型對數(shù)據(jù)的擬合效果及數(shù)據(jù)的精確性均較好。采前噴施800 mg/L 納他霉素同樣能有效地抑制藍莓果實APX活性[29]。
圖3 5種生物降解保鮮膜下藍莓中APX酶活的變化規(guī)律Fig.3 Changes of APX enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
表2 5種生物降解保鮮膜下藍莓中APX酶活的動力學分析Tab.2 Kinetic analysis of APX enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
2.2.3 超氧化物歧化酶酶活的動力學分析
SOD作為至關(guān)重要的酶制劑,可以清除氧自由基,減緩細胞組織的氧化及衰老。因此SOD 的含量可以表明組織的衰老及死亡[30]。如圖4 所示,在1~6 天,藍莓中SOD 活性與儲藏時間成負相關(guān),說明,藍莓抗氧化能力隨著儲藏時間的增加而降低。第5 天以后,SOD 值的變化愈加明顯,對照組和其他組的差距逐漸變大,同時也說明了生物降解保鮮膜對藍莓的腐爛變質(zhì)起到一定的抑制作用。80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT 組處理的藍莓SOD 值始終處于較高的位置,說明80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT 配方的保鮮膜對藍莓的保鮮效果最佳。如表3 所示,6 組保鮮膜下,藍莓中SOD 活性與儲藏時間合乎零級動力學模型。6 d 后60%PGA/40%PBAT 組藍莓中SOD含量為8.37 U/g。張瑜瑜發(fā)現(xiàn)0.5 mmol/L外源水楊酸處理后也能提高藍莓果實中SOD 和POD活性[31]。
圖4 5種生物降解保鮮膜下藍莓中SOD酶活的變化規(guī)律Fig.4 Changes of SOD activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
表3 5種生物降解保鮮膜下藍莓中SOD酶活的動力學分析Tab.3 Kinetic analysis of SOD activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
2.2.4 過氧化物酶酶活的動力學分析
POD 也是活性氧清除酶系中的重要成員,為一種氧化還原酶,活性較高,可以協(xié)同清除H2O2,因此通常也會用POD的活性來解釋組織的衰老程度[32]。如圖5所示,空白組和保鮮組果實的POD 活性在貯藏前期均不斷增強,在3天左右達到最大值,后持續(xù)下降,可能是因為藍莓組織在抗氧化系統(tǒng)的作用下,使得POD 活力提高,但儲藏后期由于藍莓組織的呼吸作用,氧化脅迫作用增加,POD 酶活性降低。但是60%PGA/40%PBAT 組POD 活性的增幅高于空白組及PGA、PBAT 組,表明藍莓在貯藏過程中會通過激活 POD 活性來減緩自身的成熟衰老,而60%PGA/40%PBAT組處理能增強植物體的抗衰老機制。在整個儲藏期間,60%PGA/40%PBAT 組 和80%PGA/20%PBAT 的POD 活性水平一直處于較高水平,且POD 活性的變化比較緩慢,表明PGA、PBAT復配后對藍莓的保鮮效果最佳。2.5 kGy 輻照處理后同樣可以提高藍莓果實中POD的活性[33]。
圖5 5種生物降解保鮮膜下藍莓中POD酶活的變化規(guī)律Fig.5 Changes of POD enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
如表4 所示,6 組保鮮膜下,藍莓中POD 活性與儲藏時間合乎二階多項式模型。保鮮后,POD活性在1~3 天增長速率最快且與儲藏時間成正相關(guān),而3 天后POD 活性與儲藏時間成負相關(guān),推測在常溫儲藏8 天后POD活性低于初始值。
表4 5種生物降解保鮮膜下藍莓中POD酶活的動力學分析Tab.4 Kinetic analysis of POD enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
2.2.5 過氧化氫酶酶活的動力學分析
H2O2和超氧陰離子的含量可以由CAT 抑制,從而減少對細胞壁的損傷,因此CAT 也是組織抗氧化系統(tǒng)中的重要酶。如圖6所示,在整個儲藏期間,尤其是儲藏后期微生物對組織的侵染更明顯,保鮮膜處理后可以有效抑制微生物的侵染,從而提高了藍莓組織中CAT 的活性。在整個儲藏期間,60%PGA/40%PBAT、PGA組的抗氧化能力一直優(yōu)于其他組。如表5 所示,6 組保鮮膜下,藍莓中CAT 活性與儲藏時間合乎二階多項式模型。保鮮后,CAT 活性在1~4 天增長速率最快且與儲藏時間成正相關(guān),4天時,CAT活性達到峰值,而4天后CAT 活性與儲藏時間成負相關(guān)。吳媛媛同樣發(fā)現(xiàn)受過侵染的藍莓果實在儲藏前期CAT 活性提高[34],80%PGA/20%PBAT和60%PGA/40%PBAT 兩組保鮮對藍莓中CAT活性影響相差不大。
圖6 5種生物降解保鮮膜下藍莓中CAT酶活的變化規(guī)律Fig.6 Changes of CAT enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively
表5 5種生物降解保鮮膜下藍莓中CAT酶活的動力學分析Tab.5 Kinetic analysis of CAT enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film,respectively1
采摘后的果蔬仍發(fā)生呼吸作用,因此,滿足果蔬保鮮條件的材料透氣性尤為重要。最理想的狀態(tài)是保鮮膜的外部環(huán)境與內(nèi)部氣氛進行氣體交換后,可以形成高CO2、低O2氣氛環(huán)境[35]。一般來說,具有良好的透氣性和高CO2/O2透氣比的材料,能夠更好地滿足果蔬的呼吸需求,從而有效地保持食物的新鮮度。PGA/PBAT 共混保鮮膜的透CO2和O2性能以及CO2/O2選擇透過比見表6。在PGA 中,CO2的透過系數(shù) 為25.75 cm3·m/(m2·d·Pa),氧氣透過系數(shù)則為7.11 cm3·m/(m2·d·Pa),CO2/O2選擇透過比僅為3.6。以上數(shù)據(jù)表明純PGA 性阻隔性較強,其CO2/O2選擇透過較低,因此不適合用于生鮮果蔬的包裝。然而,當它與PBAT 復配后,保鮮膜的CO2和O2透過量顯著增加,這表明PBAT 對CO2和O2具有良好的吸附和擴散能力。當PBAT 的含量增加時,CO2/O2選擇透過比從3.6逐漸上升至8.6,基本滿足適合果蔬包裝的透過比。在使用氣調(diào)包裝材料時,CO2/O2的透氣比應(yīng)該在(8~10)∶1之間,這樣才能達到理想的效果。經(jīng)過氣體透過性測試,60%PGA/40%PBAT 保鮮膜顯示出卓越的包裝性能,為藍莓類生鮮食品的包裝提供了可靠的保障。王洪琳利用不同厚度保鮮膜處理對藍莓鮮果采后儲藏品質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn),0.03 mm PE 膜和微孔膜保存藍莓時可以保持較高的CO2含量[36]。
表6 PGA/PBAT共混保鮮膜的透氣性Tab.6 Permeability of PGA/PBAT preservation film
根據(jù)圖7 和圖8,在藍莓的儲存過程中,CO2與O2的體積分數(shù)發(fā)生了顯著的變化。儲存期間各PGA/PBAT 保鮮膜包裝內(nèi)的氣氛組成在第4 天后逐漸維持在一個相對平穩(wěn)狀態(tài)。PBAT、PGA 組保鮮膜中CO2濃度與貯藏時間呈正相關(guān)趨勢,直至第6 天時,CO2體積分數(shù)達到6 %左右。此外,O2的含量也迅速下降,這表明,在阻隔性較大的包裝內(nèi),由于藍莓的呼吸過程,包裝內(nèi)部的O2被迅速消耗,同時產(chǎn)生的CO2卻無法排除出包裝,這就會導致包裝內(nèi)部形成高CO2低O2的氣氛環(huán)境,而這樣的氣體組成會導致果實進行無氧呼吸從而發(fā)生變質(zhì)。當采用60%PGA/40%PBAT 的保鮮膜對藍莓進行包裝時,經(jīng)過4 天的儲存,包裝內(nèi)部CO2與O2的濃度可以保持相對穩(wěn)定狀態(tài),其中CO2的體積分數(shù)可以控制在2 %~3 %之內(nèi),而O2的體積分數(shù)則與儲存時間成反比,伴隨儲存時間的增加而不斷下降,達到10 %~12 %時,維持基本穩(wěn)定,達到了適宜藍莓儲存的氣氛條件。這也與其他研究者的結(jié)論一致,于弘鼓利用mMAP 1處理氣調(diào)箱內(nèi)O2含量維持在15.4 %~18.2 %,CO2含量維持在2.3 %~4.6 %[37]。
圖7 保鮮膜內(nèi)CO2體積分數(shù)變化Fig.7 Change in CO2 volume fraction inside the cling film
從圖9中可以看出,純PBAT的熱分解溫度大致為379 ℃,純PGA 的熱分解溫度為225 ℃,80%PBAT/20%PGA 保鮮膜的熱分解溫度大約為271 ℃,40%PBAT/60%PGA 保鮮膜的熱分解溫度大約為245 ℃,20%PBAT/80%PGA 保鮮膜的熱分解溫度大約為210 ℃,這表明隨著PGA 含量增加,樣品的熱分解起始溫度均降低,這也表明PGA 的加入會改善保鮮膜的熱穩(wěn)定性。并且從圖中可以看出,5組保鮮膜完全熱分解的溫度都在360 ℃以上,且隨著保鮮膜中PGA含量的增加,保鮮膜的完全熱分解溫度也不斷降低,5組樣品的完全熱分解溫度保持在360~480 ℃范圍內(nèi),因此高PGA含量的保鮮膜加工溫度可適當降低,該結(jié)論也為后續(xù)PGA保鮮膜的相關(guān)研究者提供了數(shù)據(jù)參考和理論指導。
圖9 保鮮膜的熱失重分析曲線Fig.9 TG curves of the plastic wrap
(1)60%PGA/40%PBAT 組,可以有效抑制PPO活性升高,延緩APX、SOD、CAT 活性降低,因此PGA和PBAT 復配后的生物降解保鮮膜尤其是60%PGA/40%PBAT 保鮮膜,在保證其機械性能的同時更有利于藍莓的保鮮;
(2)該聚酯保鮮膜的制備工藝簡單,原材料易得,成本低廉,且相對于其他制膜方式而言產(chǎn)量可觀,適于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用,可用于食品包裝材料;當以PGA為原料制備保鮮膜時,隨著PGA 含量的增加,可適當降低制備的加工溫度。