魔芋葡甘聚糖基包裝袋的制備及保鮮效果研究

李佳伶，畢秀芳，鄢 煦，吳 考

（1.西南民族大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610041；2.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

近年來，生物質(zhì)可降解膜的保鮮效果逐漸受到重視。使用生物質(zhì)可降解膜，能夠阻隔水分和氧氣，抑制果蔬的呼吸作用，阻止內(nèi)部與外界的氣體交換，延緩果蔬在貯藏期間的理化反應(yīng)［1］。研究發(fā)現(xiàn)，使用力學(xué)性能和阻隔性能較好的復(fù)合膜對果蔬類食品進(jìn)行包裝可以延長葡萄、柑橘和草莓等果蔬的貨架期［2-4］。作為常見水果，圣女果深受廣大消費(fèi)者的喜愛［5］。圣女果屬于呼吸躍變型果實(shí)，采摘之后在運(yùn)輸、銷售和儲藏過程中仍保持著較高的呼吸強(qiáng)度。隨著新陳代謝的作用，圣女果的表面會逐漸失去光澤并產(chǎn)生皺縮等缺陷［6］，以此可作為果蔬產(chǎn)品保鮮效果的評價指標(biāo)。

基于實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)，將魔芋葡甘聚糖（KGM）、乙基纖維素（EC）和玉米醇溶蛋白（zein）復(fù)配，當(dāng)質(zhì)量比KGM：EC：zein=64：30：6 時，制成的復(fù)合膜（KEZ）的力學(xué)性能和耐水性能最佳［7］。本文以最佳配方K64E30Z6復(fù)合膜為主要基材，制備KEZ 復(fù)合膜包裝袋。前期研究發(fā)現(xiàn)，將KEZ 復(fù)合膜直接熱封（不使用粘結(jié)劑），其熱封性能差、封合強(qiáng)度低。因此以熱封強(qiáng)度作為判斷指標(biāo)，研究熱封時間、粘結(jié)劑濃度和粘結(jié)劑用量對熱封強(qiáng)度的影響，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝條件，制備熱封強(qiáng)度最佳的KEZ 復(fù)合膜包裝袋。同時，對比研究不同貯藏時間下，無膜、PE 膜和KEZ 復(fù)合膜包裝對圣女果的保鮮效果，以探究KEZ 復(fù)合膜包裝袋的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 材料

KGM（MW=9.67×105 Da），武漢力誠生物科技有限公司；EC（黏度為60～80 mPa·s），上海麥克林生化科技有限公司；zein，北京百靈威科技有限公司；圣女果，湖工大農(nóng)貿(mào)市場。

1.2 試驗(yàn)試劑

無水乙醇、維生素C，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸三乙酯，上海麥克林生化科技有限公司。

1.3 儀器與設(shè)備

DK-S22 型電熱恒溫水浴鍋（上海精宏儀器設(shè)備有限公司）；OS20-Pro 型電動攪拌器（美國塞洛捷克公司）；DHG-9035AD 型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（揚(yáng)州市源峰檢測設(shè)備有限公司）；BT-400 型三維包裝機(jī)（浙江聯(lián)源機(jī)械有限公司）；LHS-150HC型恒溫恒濕箱（無錫華澤科技有限公司）；TA.XT Plus 型質(zhì)構(gòu)儀（英國Stable Micro Systems 公司）。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 復(fù)合膜包裝袋的制備和圣女果的處理

影響熱封強(qiáng)度的因素設(shè)置：熱封時間（1，2，3，4，5 s）、粘結(jié)劑濃度（0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，粘結(jié)劑為KEZ 成膜液）和粘結(jié)劑用量（0.005，0.010，0.015，0.020，0.025 g/cm2）。

KEZ 復(fù)合膜包裝袋的制備：將KEZ 復(fù)合膜裁剪成1.0 cm×5.0 cm 的小長條，粘結(jié)劑涂抹在1.0 cm×1.0 cm 范圍內(nèi)，在熱封機(jī)中將其熱封后，在質(zhì)構(gòu)儀上測試其熱封強(qiáng)度。根據(jù)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定最佳工藝條件，制備封合強(qiáng)度最佳的KEZ 復(fù)合膜包裝袋（包裝袋的尺寸為13 cm×14 cm）。

圣女果的處理：選取大小均一、成熟度一致、無病蟲害和機(jī)械損傷的新鮮圣女果。將樣品分為3 組：無膜組（Control，無膜包裝）、PE 組（PE film，聚乙烯膜包裝）和KEZ 組（KEZ film，KEZ 復(fù)合膜包裝）。將圣女果放置在包裝袋內(nèi)，熱封后，在恒溫恒濕（25 ℃，37% RH）環(huán)境中儲藏，于0，2，4，6，8，10 d 監(jiān)測圣女果的感官和品質(zhì)的變化。

1.4.2 熱封強(qiáng)度

參考VANISSERI 等［8］的方法，利用質(zhì)構(gòu)儀對膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率進(jìn)行測試。具體步驟：將膜樣品裁剪成0.5 cm×5 cm 的長條，兩端分別預(yù)留1 cm 用于拉伸固定，隨機(jī)取5 個點(diǎn)，使用數(shù)顯千分尺測量樣品的膜厚，計算平均值。將長條兩端置于夾具內(nèi)并夾緊，采用Tension 模式，記錄力和形變，每個樣品平行測試30 次。測試條件：初始夾具間隔為3 cm；測試速度為0.5 mm/s；觸發(fā)力為0.05 N。熱封強(qiáng)度按下式計算：

式中 H——熱封強(qiáng)度，N/m；

P——最大負(fù)荷拉力，N；

B——膜的寬度，m。

1.4.3 失重率

采用稱重法，每隔2 d 對樣品進(jìn)行稱重，稱重貯藏前樣品的初始重量以及不同貯藏時間下樣品的重量。失重率按下式計算：

式中 TG——失重率，%；

m0——貯藏前重量，g；

m1——貯藏后重量，g。

1.4.4 硬度

利用質(zhì)構(gòu)儀對圣女果的硬度進(jìn)行測試。測試條件：探頭型號為P/2；測試速度為1.00 mm/s；壓縮深度為2 mm。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析

對于每個樣品，所有試驗(yàn)至少重復(fù)3 次，使用SPSS 19.0 和Origin 2017 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表的繪制，采用ANOVA 進(jìn)行圖基（Tukey’s）差異分析，以P＜0.05 為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 KEZ 復(fù)合膜包裝袋制備的單因素試驗(yàn)

熱封時間、粘結(jié)劑濃度、粘結(jié)劑用量對KEZ復(fù)合膜包裝熱封強(qiáng)度的影響如圖1 所示。

圖1 熱封時間、粘結(jié)劑濃度、粘結(jié)劑用量對KEZ 復(fù)合膜包裝熱封強(qiáng)度的影響Fig.1 The effects of heat sealing time, the concentration of binder, and the dosage of binder on the heat sealing strength of KEZ composite film packaging bag

隨著熱封時間的增加，KEZ 復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，并在熱封時間為3 s 時，熱封強(qiáng)度達(dá)到最大。說明熱封時間能夠影響粘結(jié)劑與薄膜之間的結(jié)合程度。當(dāng)熱封時間較短時，KEZ 復(fù)合膜包裝袋的封口處不能達(dá)到一定的熱封強(qiáng)度，薄膜之間貼合不緊密；當(dāng)熱封時間較長時，封口處長時間受到擠壓熱封，容易起皺變形或燙傷，甚至燒焦發(fā)黃，影響包裝袋的外觀和平整度。選擇合適的熱封時間，會使粘結(jié)劑與薄膜之間達(dá)到較好的貼合狀態(tài)，故選擇2，3，4 s 作為熱封時間的3 個水平。

隨著粘結(jié)劑濃度的增加，KEZ 復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，并在粘結(jié)劑濃度為1.2%時，熱封強(qiáng)度達(dá)到最大。由于復(fù)合膜具有一定的親水性，當(dāng)粘結(jié)劑濃度較小，將粘結(jié)劑涂抹在復(fù)合膜表面時，封口處易吸水溶脹，不利于粘結(jié)劑與復(fù)合膜之間的作用，且在封口時容易擠出，不利于封合，熱封強(qiáng)度下降；當(dāng)粘結(jié)劑濃度較大時，不利于粘結(jié)劑在復(fù)合膜上鋪展，涂抹不均勻，封口時容易產(chǎn)生褶皺，從而導(dǎo)致熱封效果較差，熱封強(qiáng)度下降。選擇合適的粘結(jié)劑濃度，會使粘結(jié)劑在薄膜上鋪展均勻，達(dá)到較好的貼合狀態(tài)，故選擇1.0%，1.2%，1.4%作為粘結(jié)劑濃度的3 個水平。

隨著粘結(jié)劑用量的增加，KEZ 復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，并在粘結(jié)劑用量為0.015 g/cm2時，熱封強(qiáng)度達(dá)到最大。粘結(jié)劑用量為0.005，0.025 g/cm2時，熱封強(qiáng)度顯著低于其他組，這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑用量過少，粘結(jié)劑在復(fù)合膜上鋪展不均勻，且有的區(qū)域沒有被覆蓋到，復(fù)合膜之間貼合不緊密，導(dǎo)致熱封強(qiáng)度降低；粘結(jié)劑用量過多時，粘結(jié)劑在復(fù)合膜上鋪展不開，且封口時各區(qū)域厚度不一，無法將膜完全貼合，導(dǎo)致熱封強(qiáng)度降低。選擇合適的粘結(jié)劑用量，會使粘結(jié)劑在薄膜上鋪展均勻，達(dá)到較好的貼合狀態(tài)，故選擇0.010，0.015，0.020 g/cm2作為粘結(jié)劑用量的3 個水平。

2.2 KEZ 復(fù)合膜包裝袋制備的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面的試驗(yàn)設(shè)計

針對單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken 設(shè)計原理，并利用Design-Expert 軟件，以熱封時間（X1）、粘結(jié)劑濃度（X2）和粘結(jié)劑用量（X3）為自變量，設(shè)計響應(yīng)面試驗(yàn)，以探究其對熱封強(qiáng)度的影響。響應(yīng)面設(shè)計因素編碼及水平如表1 所示。

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素編碼及水平Tab.1 Codes and levels of response surface methodology design factor

2.2.2 響應(yīng)面的試驗(yàn)結(jié)果

通過對KEZ復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，為了更好地擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，使用Design-Expert 軟件，得出二次多項(xiàng)式方程：R=-9.223 75+1.706 25X1+10.968 75X2+329.5X3-0.05X1X2-4.5X1X3-32.5X2X3-0.26X12-4.25X22-9 300X32。

2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析和驗(yàn)證結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表2 所示，P值表示每個因素的顯著性，F(xiàn) 值體現(xiàn)每個因素在回歸方程中的統(tǒng)計顯著性。P 值越小，F(xiàn) 值越大，相應(yīng)參數(shù)的顯著性越高［9］。X1，X2，X1X2，X2X3，X22具有顯著作用，表明上述工藝參數(shù)與復(fù)合膜包裝袋熱封強(qiáng)度的相關(guān)性極高。模型校正判定系數(shù)，說明模型能夠預(yù)測97.25%的響應(yīng)結(jié)果，說明模型可準(zhǔn)確預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果［10］。經(jīng)回歸模型分析，預(yù)測值與實(shí)測值之間關(guān)聯(lián)性較高，回歸模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.988 0 與系數(shù)水平相近，表明回歸方程的可靠性較高。因此，該響應(yīng)面模型可以用于優(yōu)化復(fù)合膜包裝袋熱封強(qiáng)度的工藝，從而達(dá)到更好的效果。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Tab.2 Analysis of variance of response surface experimental results

通過響應(yīng)面分析，利用回歸方程和數(shù)據(jù)模型預(yù)測復(fù)合膜包裝袋熱封強(qiáng)度的最佳工藝條件：熱封時間為3.04 s，粘結(jié)劑濃度為1.22%，粘結(jié)劑用量為0.010 g/cm2。在最佳工藝條件下，響應(yīng)面預(yù)測結(jié)果的熱封強(qiáng)度為2.48 N/m。

2.2.4 響應(yīng)面的交互作用對KEZ 復(fù)合膜包裝袋熱封強(qiáng)度的影響

使用Design-Expert 軟件和Origin 2017 軟件繪制熱封時間、粘結(jié)劑濃度和粘結(jié)劑用量兩兩之間的響應(yīng)面圖，展示其相互作用對復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度的影響。圖2 為熱封時間與粘結(jié)劑濃度、熱封時間與粘結(jié)劑用量以及粘結(jié)劑濃度與粘結(jié)劑用量的響應(yīng)面圖。根據(jù)回歸方程繪制三維空間曲面圖，曲面頂部及其附近表示每個試驗(yàn)因素交互作用下的最佳響應(yīng)值范圍；而曲面的傾角決定2 個交互參數(shù)對預(yù)測結(jié)果的影響程度，即曲面越陡，表明這2 個因素的相互作用對預(yù)測結(jié)果影響程度越高。等高線的輪廓清晰地展示2 個相互影響因素之間的關(guān)系，其中等高線形狀呈橢圓狀，表明它們之間的相互作用十分顯著［11-12］。從三維空間曲面圖中可以看出，復(fù)合膜包裝袋的熱封強(qiáng)度的各因素兩兩之間交互關(guān)系顯著，其中熱封時間與粘結(jié)劑濃度的空間曲面度最大，即對復(fù)合膜包裝袋熱封強(qiáng)度的影響最為顯著。熱封時間與粘結(jié)劑濃度的等高線形狀類似為圓形，也表示兩者之間相互作用最強(qiáng)。

2.3 圣女果外觀的變化

圣女果果實(shí)的新鮮程度和營養(yǎng)價值受到其腐敗程度的影響，圣女果果實(shí)的腐敗程度可以直觀體現(xiàn)包裝袋的保鮮效果［13-14］。圖3 所示是不同儲藏時間下圣女果的外觀變化。

圖3 不同儲藏時間下圣女果的外觀變化Fig.3 The changes in appearance of cherry tomatoes with different storage time

儲藏初期（第0 d），圣女果果實(shí)紅潤飽滿，葉片含水量充足。隨著儲藏時間的延長，3 組圣女果均出現(xiàn)不同程度的失水、衰老、皺縮，甚至出現(xiàn)長霉腐敗的現(xiàn)象。儲藏第6 d 時，無膜組出現(xiàn)明顯的失水現(xiàn)象，這是由于圣女果直接暴露在空氣中，由于蒸騰作用使水分以水蒸氣的狀態(tài)散失到外部環(huán)境中，且空氣濕度相對較低，蒸騰速率加快。PE 組圣女果果實(shí)表面出現(xiàn)少量霉斑，這是由于PE 膜的水蒸氣透過率較低，水蒸氣不容易排出，呼吸作用產(chǎn)生的水分增加PE 膜包裝袋內(nèi)部的濕度，形成有利于霉菌生長的環(huán)境條件。KEZ 組未出現(xiàn)霉斑和皺縮現(xiàn)象，這是由于KEZ 膜相較于PE 膜具有良好的透氣性，改善包裝袋內(nèi)的氣體和水分環(huán)境，提供良好的儲藏環(huán)境。儲藏第10 d時，無膜組出現(xiàn)明顯的皺縮和腐敗；而PE 組包裝袋內(nèi)出現(xiàn)大量的霉斑，且果實(shí)出現(xiàn)裂開變質(zhì)現(xiàn)象；KEZ組未出現(xiàn)霉斑但果實(shí)表面明顯皺縮失去光澤。從外觀可以看出，KEZ 復(fù)合膜包裝袋能有效減緩圣女果衰老和腐敗，延長其貨架期，這與張博云等［3］的研究結(jié)果相類似。

2.4 圣女果失重率和硬度的變化

失重是果蔬類食品在儲藏過程中的一種自然現(xiàn)象，主要是在呼吸過程中，有機(jī)物中的碳以二氧化碳的形式損失和水分蒸發(fā)引起的水分流失，導(dǎo)致果蔬皺縮脫水，促進(jìn)果實(shí)的衰老，影響果實(shí)的外觀［15-16］。果蔬類食品在儲藏過程中硬度的下降主要是由于水分的流失和細(xì)胞壁成分的降解，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)部分解體［17］。

不同儲藏時間下，圣女果的失重率和硬度變化如圖4 所示。

圖4 不同儲藏時間下圣女果的失重率和硬度變化Fig.4 The changes in weight loss rate and hardness of cherry tomatoes with different storage time

隨著儲藏時間的增加，3 組圣女果的失重率都有顯著的上升趨勢，但無膜組的失重率明顯高于其他2 組，這是因?yàn)闊o膜組的圣女果直接暴露在空氣中，由于其與周圍環(huán)境的水分含量差異，加速水分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致失重率的增加。同時，這也表明有膜包裝處理能有效降低圣女果果實(shí)表面水分的蒸發(fā)和氧氣的滲透，抑制呼吸作用，減少圣女果果實(shí)的水分損失和有機(jī)消耗。儲藏第8 d 時，PE 組的失重率顯著大于KEZ 組，這是由于PE 組出現(xiàn)霉斑和果皮表面裂開，而果皮表面裂開導(dǎo)致水分損失嚴(yán)重，在殼聚糖/肉桂精油復(fù)合膜對圣女果保鮮的研究中也有類似情況［18］。其原因可能是：一方面，由于PE 膜透氧率較高且水蒸氣阻隔性很強(qiáng)，使得包裝膜內(nèi)水分活度較高且氧氣較為充足，利于霉菌生長；另一方面，由于PE 膜透氧率較高，圣女果保持較強(qiáng)的呼吸作用和蒸騰作用，果實(shí)水分容易轉(zhuǎn)移到包裝膜上形成凝露，促進(jìn)果實(shí)的失重。相比于PE 膜，KEZ 膜具有較高的水蒸氣阻隔性和良好的氧氣阻隔性，能抑制果實(shí)的呼吸和蒸騰作用，抑制霉菌生長，減少水分的散失。

有膜包裝的2 組圣女果的硬度顯著大于無膜組，這是由于有膜包裝可以通過抑制水分的散失和氧氣的滲透，并通過降低呼吸作用等新陳代謝來保持圣女果的硬度。從第6 d 開始，KEZ 膜包裝的圣女果硬度顯著大于PE 膜，說明其更有利于圣女果保鮮。

3 結(jié)語

本文將KEZ 復(fù)合膜制備成水果包裝袋，使用KEZ 成膜液作為粘合劑，基于熱封強(qiáng)度探究最優(yōu)制袋參數(shù)，并以圣女果為對象測試KZE 復(fù)合膜包裝袋的保鮮效果。結(jié)果表明，當(dāng)熱封時間為3.04 s，粘結(jié)劑濃度為1.22%，粘結(jié)劑用量為0.010 g/cm2時，KEZ 復(fù)合膜包裝袋具有最佳的熱封強(qiáng)度。儲藏前4 d，與無膜包裝相比，PE 膜和KEZ 膜包裝均能減緩圣女果水分的流失和硬度的下降。第6 d時，與無膜包裝相比，KEZ 膜包裝的圣女果硬度下降最緩慢；而PE 膜包裝的圣女果出現(xiàn)霉斑失去食用價值。因此KEZ 膜包裝袋具備良好的保鮮效果。