纳米材料在果蔬保鲜中的应用

王馨，胡文忠*, 陈晨，冯可,2，李鹤

1(大连民族学院 生命科学学院，辽宁 大连，116600) 2(大连理工大学，辽宁 大连,116024)

纳米材料在果蔬保鲜中的应用

王馨1，胡文忠1*, 陈晨1，冯可1,2，李鹤1

1(大连民族学院 生命科学学院，辽宁 大连，116600) 2(大连理工大学，辽宁 大连,116024)

纳米材料的尺寸极小，结构特殊，使得它具有独特的性质与功能。随着科研工作的推进，纳米材料在医疗、环境、生物、食品等研究领域被广泛应用。近年来，越来越多的科研工作者将它应用于果蔬保鲜中，多种纳米材料通过不同方式在果蔬保鲜方面做出了巨大贡献。文章主要介绍了纳米材料在采后果蔬及鲜切果蔬保鲜过程中的应用现状，以期为未来研究提供参考。

纳米材料；果蔬；保鲜；应用

果蔬中富含丰富的营养物质，且口感好，是人们日常生活中必不可少的一类食品。世界每年的果蔬总产量很高，仅热带水果每年的产量就达14亿t。但是由于果蔬本身所具有的季节性、地域性以及易腐性，使得其在采后贮藏与运输过程中损失高达20%～30%[1]，因此就如何对采后果蔬进行保鲜的问题国内外学者也已经进行了各类深入研究，并取得了显著成果。

目前普遍使用的保鲜方法分为3类：物理保鲜方法、化学保鲜方法及生物保鲜方法，主要包括温度控制保鲜、气调保鲜、保鲜剂保鲜、涂膜保鲜等[2]。由于采后果蔬所处的地域、环境以及自身生理特征等因素的不同，这些方法在起到保鲜效果的同时也存在不足，几种常用果蔬保鲜方法的优缺点详情见表1。纳米材料的发展与应用为解决这些问题提供了更多有效的方法与途径。研究发现纳米材料除了具有良好的抗菌性及自洁功效外还具有优良的阻隔性及力学特性[3]。将纳米材料与现有的保鲜技术相结合能够有效的弥补现有保鲜方法所存在的不足。文章对纳米材料在采后果蔬保鲜中的应用进行了综合评述，旨在为今后此方面的研究提供理论依据。

1 纳米材料

纳米材料是指三维中至少有一个维度呈纳米级(约1～100 nm)大小的材料，粒径在101～109 nm范围的粒子称为准纳米粒子[4]。纳米材料的尺寸极小，结构也十分特殊，因此它会在化学、力学、电学、光学、生物学等方面展现出许多不同于传统材料的特殊性质和功能[5]。例如界面效应、量子效应、小尺寸效应、量子隧道效应、介电限域效应等。这些特殊的性质和功能进一步优化了材料的电学、热学及光学性能，使纳米材料在医学、能源、分子以及结构材料等领域都有着极大的竞争力和重大的应用价值[6]。而随着科研工作者对其特性与功能的进一步研究与开发，纳米材料在食品领域也展现了更多的应用价值。例如：用于制作食品添加剂及食品包装、用于生鲜食品的保鲜与贮藏、用于食品中有害物质的检测等[7]。而本文主要综述了其在采后果蔬和鲜切果蔬保鲜方面的应用与发展。

2 纳米材料在采后果蔬保鲜中的应用

纳米材料属于非抗菌素杀菌剂，是一种对人体无毒害作用，很有发展前景的新型保鲜剂。因此，纳米材料及其复合材料被应用于采后果蔬保鲜的过程中[8]。目前，纳米复合涂膜、纳米包装材料、纳米保鲜膜及纳米抑菌剂等被应用于水果[9-11]、蔬菜[12]和其他多种生鲜食品的加工和贮藏过程中，能够起到控制生理代谢、抑制腐烂变质、延缓品质劣变和延长贮藏期的作用。

2.1 纳米涂膜材料在采后果蔬保鲜中的应用

涂膜保鲜技术是参考微气调理论，将能够成膜的物质经过涂覆、浸渍和喷洒等方式使其在果蔬表面形成一层半透膜，从而起到延缓果蔬衰老的作用[13]。现今，可食性涂膜技术被广泛地应用于果蔬的保鲜过程中。使用可食性涂膜处理采后果蔬，可以延缓果蔬水分的流失，阻碍其与周围环境进行气体交换，延缓果蔬的后熟及衰老，抑制微生物的繁殖与生长，达到保持果蔬原有品质，延长其货架期。此外它本身对环境无污染，还减少了不可降解的一次性包装的使用量，是一种既环保又健康的保鲜方法[14]。涂膜材料是由膜基质和膜助剂组成的，根据涂膜剂的组成成分数量，可以将其分为单一涂膜剂和复合涂膜剂。由于单一涂膜剂的组成成分较少，每种成分的功能特性不同，使得其性质不够稳定，保鲜效果也较差。因此，复合涂膜剂的应用更加广泛[15]。为了进一步发展与完善涂膜保鲜的效果，涂膜剂的种类与性质也需进一步的进行开发与研究。

近年来，纳米材料的迅速发展及其功能特性的进一步开发为涂膜技术提供了新的选择。其中最常使用的是纳米SiO2、SiOx、TiO2等。这些纳米材料大都具有无味、无毒、抗菌除臭、低透氧率、阻隔CO2及低透湿率等优良特性，与壳聚糖等膜基质结合能够增强涂膜的抗菌性、强度和热稳定性等，提高其保鲜性能。

纳米硅氧化物是一种无毒、无味的白色粉末状非金属无机纳米材料，它能够起到保持果蔬贮藏过程中硬度等品质的作用。YU等[16]和SHI等[17]使用壳聚糖-纳米SiO2混合涂膜分别保鲜大枣和龙眼，结果显示这种处理方式显著延缓了大枣和龙眼常温贮藏时的腐烂率及失重率，并且抑制了其丙二醛(MAD)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)等活性，提高可溶性固形物(TSS)、可滴定酸(TA)、Vc含量及过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等酶的活性，有效延长了它们在室温的保鲜期。张洪等[18]采用纳米SiOx-壳聚糖复合涂膜对采后艳红桃进行保鲜处理，结果显示这种处理方式抑制了艳红桃采后PPO、POD等酶的活性，使得相关的酶活更适宜它的保存，延长了它的储藏保鲜期。吴雪莹等[19]将纳米SiO2与壳聚糖结合后涂膜处理脐橙，使得可溶性果胶含量的上升速度受到抑制，纤维素和木质素含量增加，抑制了果胶甲酯酶(PEP)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)和纤维素酶(cellulase)的活性，脐橙果皮中原果胶的降解速度变慢，果实硬度得到了提高，更好地保持了它在贮藏期的品质。除此之外，纳米SiOx混合涂膜对哈密瓜[20]、圣女果[21]等果蔬也都具有延长其保鲜期的效果。上述研究表明纳米SiOx与传统涂膜物质混合涂膜能够大大提高涂膜的抗菌特性[22]，抑制或提高相关酶的活性[23]，延缓果蔬的腐败变质[24]。

纳米TiO2无味、无毒、化学性质稳定，是一种光催化型抑菌剂，因此具有很强的抑菌、除臭功效。2008年西南大学的李代民等[25]和天津科技大学的邱松山等[26]首次将纳米TiO2与壳聚糖复合涂膜应用于保鲜领域，在一定程度上提升了壳聚糖涂膜的保鲜效果。与此同时，很多学者也已开展相关方面的研究，并将其应用于金秋梨[27]、猕猴桃[28]、草莓[29]、野木瓜[30]、樱桃番茄[31]等果蔬的保鲜中并取得了一定的效果。谢淑慧等[11]和赖特明等[32]使用壳聚糖-纳米TiO2对砂糖橘和赣南脐橙进行涂膜保鲜，这种涂膜处理有效降低了砂糖橘和赣南脐橙的失重率和腐烂率，提高了它们的总糖、总酸及VC含量，并且还能够对指状青霉、桔青霉、黑曲霉等真菌产生抑制作用。这种涂膜保鲜方式大大提升了贮藏过程中砂糖橘和赣南脐橙的品质，延长了它们的保鲜期。陶希芹等[33-34]以壳聚糖为主要成膜材料，辅以月桂酸钠改性过的纳米TiO2，制备了新型安全无毒的复合膜，并用以对金秋梨进行涂膜保鲜处理，实验结果显示，与壳聚糖单一涂膜处理相比复合涂膜能够更好地保持金秋梨贮藏过程中的营养成分，抑制它的呼吸作用及PPO、POD活性，提高SOD活性，更有利于果实贮藏过程中的品质保持。

AN等[35]将纳米Ag和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的混合物对绿芦笋进行涂膜处理之后，分别置于2℃和10℃、90%～95%相对湿度下贮藏25d时发现，涂膜处理的绿芦笋在失重、色泽、质构等方面均好于对照组且对微生物有良好的控制作用。COSTA等[36]研究发现载有纳米Ag、纳米蒙脱土(MMT)的海藻酸钙涂膜，能严格控制胡萝卜贮藏过程中微生物的生长以及失水，胡萝卜贮藏寿命可延长到大约70 d，而对照组只有4 d。

从上述研究可知，将纳米SiO2、SiOx、TiO2等纳米材料与传统涂膜材料相结合，能够明显改善涂膜的保鲜性能，例如提高总酸、总糖、Vc等物质含量，促进了SOD、CAT等酶的活性，抑制了PPO、POD等酶的活性，提高果实硬度，抑制果实的失重率和腐烂率等，大幅延长了果蔬的贮藏期，因此在果蔬保鲜的过程中具有广泛的应用前景。

2.2 纳米包装材料在采后果蔬保鲜中的应用

食品包装材料多由聚合物制成，传统包装材料，例如：聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等，将其单独应用于生鲜食品包装中通常存在一定的局限性[37]。纳米包装材料主要指使用纳米技术，对包装产品进行纳米添加、纳米改性、纳米合成，使其具有某种特性或功能的一类食品包装材料的总和。经过纳米化加工的包装材料，具有高阻隔性和更好的抗菌性能及生物降解性能；除此之外，包装材料的强度、韧性及成型性也都有了很大程度的提升[38-39]。而利用纳米技术将这些柔性高分子聚合物与分子水平或超微粒子的纳米材料相结合形成复合材料，能够在一定程度上弥补传统包装材料存在的不足[40]。

YANG等[41]利用纳米粉体(纳米Ag、纳米TiO2及高岭土)与塑料制成的一种新型纳米包装材料包装草莓并置于4 ℃贮存12 d，观察实验后发现与普通包装相比较，纳米包装更好地保持了草莓的感官、理化及生理品质。马宁等[12]同样将上述纳米粉体制成的纳米包装用于莴苣贮藏过程中的保鲜。纳米材料修饰后的包装材料与普通包装材料相比，纵向拉伸强度增加31.69%，透湿量和透氧量分别降低28.07%和2.10%；4 ℃条件下贮藏14 d后，生菜的质量损失率、丙二醛(MAD)含量、多酚氧化酶(PPO)比活力分别为1.35%、23.01 nmol/g、5.43 U/g，显著低于普通包装2.75%、26.35nmol/g(P<0.05)、7.63 U/g(P<0.01)，Vc和叶绿素含量显著增加。可以看出纳米包装材料能够更好地保持生菜在贮藏过程中的感官品质和营养成分，延长贮藏时间。解淑慧等[12]使用1%的纳米抗菌剂对保鲜包装袋进行改性，分析其物理性能、对“宫川”柑橘采后贮藏品质的影响及其对真菌病害的作用效果。结果表明，经纳米抗菌剂改性后的包装袋可以提高它的强度，降低透氧率和透湿率，显著地抑制柑橘果实硬度和可滴定酸的下降以及失重率的上升，减缓柑橘人工接种病害的发生及发展，有利于柑橘的保鲜，降低采后质量的损失。COSTA等[42]将一定量的Ag/MMT纳米粒置于聚丙烯(PP)包装盒底部，对鲜切水果沙拉进行包装后在5℃和黑暗条件下贮藏3周，与传统包装方式相比沙拉的感官品质(颜色、气味纹理、坚固度等)有很大提升，保质期也得到了显著的延长。

由上述研究可知，纳米材料的应用能够很大程度上提高包装材料的保鲜性能，降低果蔬贮藏期间的坏果率，有效延长保质期。虽然现今纳米材料在果蔬包装领域的应用还不够广泛深入，使用范围较小，但是，未来随着人类需求的进一步提升以及科技的发展，纳米材料在果蔬包装方面的应用也会更多、更广。

2.3 纳米材料抑菌剂在采后果蔬保鲜中的应用

由于果蔬类食品水分、糖分含量高, 因此很容易滋生微生物而引起腐败变质。以往应用于果蔬中的抗菌剂都存在一定局限性，例如抑菌范围小、安全性差等。纳米材料抑菌剂的使用为解决此类提供了新的思路。

高艳玲等[43]研究发现, 纳米ZnO对常见的食品污染菌具有较广谱的杀抑能力。对枯草芽孢杆菌的抑制能力最强, 其次是伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌,对李氏杆菌没有抑制作用。乐攀[44]研究发现纳米Ag对于桔霉菌具有很强的抑菌效果，并且随着纳米银浓度的增加，其对桔霉菌的抑菌效果增强。CAO等[45]利用磺化基团和银离子之间的相互作用，将Vc作为还原剂，将纳米银粒子引入到磺化聚醚砜(SPES)膜表面，并研究了(PES/SPES)-Ag复合材料对黄色葡萄球菌、白色葡萄球菌、大肠杆菌的抗菌活性。结果表明，(PES/SPES)-Ag膜具有一定的抗菌能力。

从上述研究可以看出纳米材料抑菌剂不仅具有抗菌的广谱性, 而且能够更加长效、高效地抑制和杀死细菌。

3 纳米材料在鲜切果蔬保鲜中的应用

鲜切果蔬，又称半处理果蔬或轻度加工果蔬，是将新鲜果蔬经过修整、去皮后切割成100%可利用的产品，并将这些产品进行装袋或预先包装的新鲜产品[46]。但是果蔬进行了鲜切加工后加快了自身营养物质的消耗及水分的蒸腾作用，使得其感官品质及内在品质迅速降低;并且，鲜切果蔬的加工特点(如去皮、切分等)会使得果蔬组织更易受到病原微生物侵染，从而加速其腐烂变质[47]。因此，国内外学者也在不断地对鲜切果蔬的保鲜方法进行研究与创新。而纳米材料的发展也为此类问题的解决提供了新的途径。

罗自生等[48]和徐庭巧等[49]采用壳聚糖/纳米SiOx复合物涂膜分别对鲜切竹笋和鲜切荸荠进行处理，结果发现壳聚糖/纳米SiOx复合物涂膜处理除了延缓了竹笋和荸荠的 PAL、PPO 和 POD 的活性外还抑制了鲜切竹笋的呼吸速率和乙烯释放速率，从而保持较高的亮度(L)值和较低的褐变指数(BI)水平，有效地延长了鲜切蔬菜的保质期。陈中杭等[50]将纳米改性后的纤维素膜用于鲜切西兰花的保鲜包装，研究表明纳米改性纤维素膜保鲜包装减缓了西兰花中叶绿素含量及Vc含量的下降速度，抑制了西兰花中细菌的繁殖和PPO的活性，起到了极好的防腐保鲜功效。而MENG等[51]将超声波处理与纳米ZnO相结合用于猕猴桃4℃冷藏条件下的保鲜，在贮藏10d后测定结果显示，与对照组相比使用40 kHz的超声波与1.2 g/L纳米ZnO涂膜处理后，样品猕猴桃的CO2、乙烯的释放量降低，水分流失减少，感官品质更好，起到了更好的保鲜作用。

由上述研究可见，纳米材料与传统保鲜方法的结合更加适合鲜切果蔬保鲜的特性，例如稳定性、阻隔性、抗菌性等，对鲜切果蔬保鲜效果的提升是非常显著的，而纳米技术在此方面的应用现在尚处于一个起步阶段，它还有很大的发展空间和广阔的发展前景。

4 结论与展望

随着社会的发展和人们生活水平的提升，对果蔬新鲜程度的要求也在不断提高。纳米材料的开发与应用为果蔬保鲜方面开辟了新的途径。纳米材料通过复合涂膜、包装材料加工、抑菌剂等多种形式作用于采后果蔬及鲜切果蔬的保藏过程中，通过控制酶活，抑制有害菌生长等方式有效的延长了果蔬的保鲜期，更好的保证了果蔬在贮藏过程中的品质。但是现今纳米材料在果蔬贮藏保鲜中的大部分研究应用还处于起步阶段，还存在许多问题需要解决。主要包括：(1)将纳米材料应用于果蔬保鲜会使得保鲜成本增加，因此需要继续对纳米材料的加工制备进行研究，降低其成本；(2)大规模生产纳米包装材料的程序复杂且工艺水平要求更高，因此我们需要完善与改进现有的加工技术，标准化加工程序[52]；(3)纳米材料的尺寸极小，吸附性强，很容易在环境中扩散，因此必须进一步控制纳米材料在加工过程中的稳定性；(4)由于纳米材料的的特殊性质使得人体对于它的吸收要高于其他物质，因此必须对它的安全性进行更为深入全面的研究[53]；(5)目前能够应用与果蔬保鲜中的纳米材料种类较少，还应不断地进行开发与实际应用的研究[54]。相信随着科技的发展，研究的深入，纳米材料一定能够为果蔬保鲜做出更大的贡献。

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Application of nanomaterials in storage of fruits and vegetables

WANG Xin1, HU Wen-zhong1*, CHEN Chen1, FENG Ke2, LI He1

1(College of Life Science, Dalian Nationalities University, Dalian 116600,China) 2(Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Because of the small size and special structure, nanimaterials have unique properties and functions. With the development of scientific research work, it has been generally applied in the field of medical, environmental, biological research and so on. In the recent years, more and more science researches have applied it in keeping fruits and vegetables fresh, and it also has made great contribution. This paper mainly introduces the nanomaterials’ application in preservation of postharvest fruits and vegetables and fresh-cut fruits and vegetables, in order to provide references for the future research.

nanomaterials; fruit and vegetable; preservation; application

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701047

硕士研究生(胡文忠教授为通讯作者,E-mail：hwz@dlnu.edu.cn)。

国家重点研发计划项目(2016YFD0400903);国家科技支撑计划项目(2015BAD16B09);国家科技支撑计划项目(2012BAD38B05)；国家自然科学基金项目(31340038)；国家自然科学基金项目(31471923)

2016-06-01，改回日期：2016-08-10