壳聚糖/纳米二氧化钛涂膜对休眠后期马铃薯品质及生理指标的影响

刁小琴，关海宁，乔秀丽，李 杨，陈晓东

(绥化学院 食品与制药工程学院，黑龙江 绥化 152061)

马铃薯是茄科茄属的一种草本植物，是世界五大粮食作物之一，其营养丰富，被称为全营养粮食作物[1]。马铃薯中含有大量的维生素和矿物元素，这些营养成分甚至比一般水果蔬菜含量高，而且一般粮食中没有抗坏血酸和胡萝卜素，但在马铃薯中却很多。而且，马铃薯中含有较多的纤维素，能量低，可作为一种理想的减肥食品[2]。马铃薯在贮藏中会进入休眠期，休眠期结束后即为萌芽期，萌芽期间薯块发芽迅速，呼吸旺盛，块茎中的淀粉迅速转化，失水严重，进而出现表皮皱缩，品质下降，同时发芽的马铃薯还会产生龙葵素等有毒物质，从而失去食用价值[3-4]。因此，有必要探索出一种既安全又简便的技术来控制休眠后期马铃薯的发芽及腐败变质，从而延长马铃薯的货架期。

壳聚糖又称壳多糖，通常为颜色较淡的半透明状固体，是甲壳质的二次加工产品。壳聚糖具有成膜性、抑菌性和透气性等优良性能，并且安全、无污染、使用操作方便简单，可以喷刷、浸泡，不需特殊的技术和设备[5-6]。壳聚糖涂膜后可减少果蔬组织内自由基的积累，一定程度上保护了细胞，推迟了细胞的衰老。由于壳聚糖具有特殊的生理功能，被广泛应用在各类果蔬的保鲜方面。杨玉红等[7]用壳聚糖和维生素C(Vc)复合对草莓进行涂膜，结果发现，0.5%的壳聚糖结合2%的Vc或1.5%的壳聚糖结合1.5%的Vc涂膜液对草莓均起到一定的保鲜效果；张举印等[8]研究发现，0.75%的壳聚糖+4%的氯化钙涂膜处理红富士苹果60 s，能够显著延缓果实衰老，起到良好的保鲜效果；马肖静等[9]研究了不同浓度壳聚糖涂膜对无花果果实保鲜效果的影响，结果表明，用1.5%的壳聚糖涂膜处理无花果，并将其置于1～3 ℃下，货架期可维持6～8 d；任旭琴等[10]发现，1%的壳聚糖涂膜对辣椒具有一定的保鲜效果。

纳米二氧化钛(TiO2)，多为白色粉末状，因此也叫钛白粉，直径在100 nm以下，且高温下不变色、不分解[11]，纳米TiO2具有良好的抗菌效果。龙小艺等[12]研究了纳米TiO2对贮藏期南丰蜜桔的抑菌效果，结果发现，其具有一定的抑菌性能；Li等[13]将纳米TiO2制成的包装材料应用在枣保鲜方面，结果发现，该包装材料能够有效延长枣的货架期，且品质并未改变。目前，关于纳米TiO2研究较多的是将其添加到塑料中对其进行改性，而对于将纳米TiO2添加到壳聚糖涂膜液中对马铃薯进行保鲜的研究较少。为延长休眠后期马铃薯的货架期，将纳米TiO2加入到壳聚糖溶液中制成不同浓度的涂膜液，分别对马铃薯进行涂膜处理，探讨壳聚糖/纳米TiO2涂膜对休眠后期马铃薯的品质及生理指标的影响，旨在为延缓马铃薯发芽及衰老进程、延长马铃薯的货架期提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

马铃薯品种为绥化产黄麻子，块茎在农户地下窖贮藏3个月后运回实验室，于2 ～4 ℃条件下贮藏备用。随机挑选大小均匀、无机械伤、无发芽绿变的马铃薯为供试材料。纳米TiO2购自上海依夫实业有限公司，壳聚糖购自河北兴之和生物科技有限公司，无水乙醇、乙醚、浓盐酸、甲醇等均为分析纯。

主要仪器：TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)、80-2B台式离心机(湖南星科科学仪器有限公司)、HH-6数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)、ATC-32手持式折光仪(上海淋誉贸易有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 样品处理 将称好的壳聚糖溶于1%的乙酸水溶液，得到0.1%的壳聚糖醋酸溶液。将此溶液在45～60 ℃条件下水浴2 h，并不断搅拌至固体完全溶解。将TiO2粉末按照不同比例加入到壳聚糖溶液中，每搅拌1 h用超声波处理15 min，使其全部均匀分散，最终得到0%、1%、2%、3%的纳米TiO2壳聚糖溶液。将马铃薯分别放入不同浓度的涂膜溶液中，浸泡30 s后取出，以不做处理为对照，在空气中晾干，装袋避光保存，每2 d随机取样测定相关指标，每次测定重复3次。

1.2.2 测定项目及方法 马铃薯块茎芽长度≥0.2 cm时计为一个发芽数，发芽率=发芽块茎数/调查总茎数×100%；淀粉含量测定采用碘比色法[14]；抗坏血酸含量测定采用2,6-二氯靛酚溶液滴定法[14]；总酚含量测定采用福林-酚比色法[15]；多酚氧化酶(PPO)活性测定用邻苯二酚比色法[16]，过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚比色法[17]，其中，1个酶活力单位(U)定义为测定条件下每分钟变化0.01个吸光值所需的酶量[酶活力表示为U/(g·min)]；可溶性固形物含量采用手持折光仪测定。

1.3 数据处理

试验数据处理采用Statistix 8.0(Analytical Software Inc.,USA)的Linear Models程序进行，用Tukey HSD程序进行差异显著性分析，采用Excel 2003软件作图。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯发芽率的影响

发芽是造成马铃薯贮藏过程中营养物质损失的主要原因之一，而且发芽会造成营养流失以及有害物质的生成，同时表面的大量水分蒸腾，进而使块茎失质量。由图1可知，对照与涂膜处理组马铃薯在前2 d均没有发芽现象，然而在随后的2～8 d除0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的马铃薯没有发芽外，其余处理马铃薯的发芽率均呈上升趋势，且第8天，对照马铃薯的发芽率达到62.5%，显著高于其他处理(P<0.05)，说明不同浓度的纳米TiO2壳聚糖溶液涂膜均能够抑制马铃薯的呼吸作用，进而减缓其发芽，其中以0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜效果最佳，这可能是因为适宜浓度的涂膜能够使马铃薯表面形成半透膜，进而调节块茎内外的气体交换，使其内部形成一个低O2高CO2的环境，使块茎进行缓慢的有氧呼吸，而当涂膜浓度较高时，可能会阻断块茎与外界的物质交换，导致无氧呼吸，从而引起发芽率的升高。

图1 不同处理对马铃薯发芽率的影响

2.2 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯总酚含量的影响

大量的酚类物质存在于果蔬组织中，它们与果蔬的外观、风味形成、成熟衰老过程、健康状况以及组织褐变等关联密切，是果蔬组织内一种重要的物质[18]。由图2可知，随着货架期的延长，对照与涂膜处理组马铃薯的总酚含量均逐渐下降。货架期第8天，对照马铃薯的总酚含量下降幅度最大，说明涂膜处理能有效抑制马铃薯总酚含量的下降，0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的马铃薯总酚含量为0.292 mg/g，显著高于对照(0.142 mg/g)(P<0.05)，较对照提高了105.6%。可见，0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜能更好地保持马铃薯品质，间接保持了马铃薯的风味、色泽以及商品性价值，延长了货架期。

2.3 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯PPO活性的影响

PPO属于一种铜结合酶，在植物中广泛存在。

图2 不同处理对马铃薯总酚含量的影响

通常情况下，细胞内的PPO活性并不高；当外界环境恶化时，PPO可以提高植物体的抗病性。若植物体受到损伤，PPO会大量激活，细胞内的多酚类物质氧化成醌，植物组织就会产生褐变现象[19]。由图3可知，随着货架期的延长，各处理马铃薯的PPO活性呈上升趋势。货架期第8天，0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的马铃薯PPO活性为43.2 U/(g·min)，较对照[60.1 U/(g·min)]降低了28.1%，而对照与0.1%壳聚糖处理组[57.9 U/(g·min)]差异不显著(P>0.05)，0.1%壳聚糖结合1%TiO2处理[52.3 U/(g·min)]与0.1%壳聚糖结合3%TiO2处理[49.8 U/(g·min)]差异也不显著(P>0.05)。此外，从图3还可以看出，4种涂膜处理均能有效抑制马铃薯PPO活性的增强，其中以0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理延缓马铃薯PPO活性增强的效果最好，更能有效地维持马铃薯的感官性状以及商品价值，减少马铃薯因氧化而造成的营养损失。

图3 不同处理对马铃薯PPO活性的影响

2.4 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯POD活性的影响

POD与植物体的代谢有着密切关系。POD具有双重性，既能参与活性氧的生成，也可作为植物体的一种保护酶，使组织内积累的具有强氧化性的物质分解，从而起到减少氧化损害的作用[20]。由图4可知，随着货架期的延长，各处理马铃薯POD活性不断升高。POD活性越高，马铃薯衰老越严重。货架期第8 天，对照马铃薯的POD活性上升至96.4 U/(g·min)，而0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理马铃薯的POD活性仅为75.4 U/(g·min)，比对照降低了21.8%，说明0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜能有效抑制马铃薯POD活性的升高，从而延缓马铃薯衰老，更好地达到保鲜效果。

图4 不同处理对马铃薯POD活性的影响

2.5 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯可溶性固形物含量的影响

可溶性固形物含量能反映果蔬的成熟程度和品质情况。果蔬在成熟过程中，其可溶性固形物含量呈上升态势，衰老阶段反之。由图5可知，随着货架期的延长，各处理马铃薯的可溶性固形物含量下降，可能是因为马铃薯呼吸作用消耗一些可溶性糖类所致。货架期第8天，对照可溶性固形物含量降低至4.8%，而0.1%壳聚糖结合1%TiO2涂膜、0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜、0.1%壳聚糖结合3%TiO2涂膜3个处理马铃薯的可溶性固形物含量分别为6.1%、7.1%、6.6%，均显著高于对照(P<0.05)，说明0.1%壳聚糖结合纳米TiO2涂膜均能有效抑制马铃薯可溶性固形物含量的下降，其中以0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理效果最好。

图5 不同处理对马铃薯可溶性固形物含量的影响

2.6 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯抗坏血酸含量的影响

抗坏血酸作为一种天然成分，能抗坏血病、降低癌症发病率，是广泛存在的一种不可或缺的维生素。抗坏血酸含量是评价果蔬营养品质以及贮藏效果的主要指标之一[21]。由图6可知，各处理马铃薯抗坏血酸含量在0～8 d呈下降趋势，可能是由于马铃薯自身进行的生理代谢消耗掉一部分抗坏血酸，使其含量持续下降。货架期第8天，0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的马铃薯中抗坏血酸含量为0.137 mg/g，比对照马铃薯的抗坏血酸含量(0.116 mg/g)提高了18.1%。整个货架期间，添加TiO2涂膜处理的马铃薯抗坏血酸含量均显著高于对照(P<0.05)，说明涂膜处理均能有效抑制抗坏血酸含量的下降，加强马铃薯的抗氧化能力，从而保证马铃薯的品质。

图6 不同处理对马铃薯抗坏血酸含量的影响

2.7 壳聚糖/纳米TiO2涂膜对马铃薯淀粉含量的影响

淀粉是植物体内的能量贮藏物质，大量的淀粉存在于马铃薯中，影响马铃薯产品的质量。由图7可知，随着货架期的延长，各处理马铃薯的淀粉含量均呈下降趋势。货架期第8天，对照马铃薯的淀粉含量降至12.2%，而0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的马铃薯淀粉含量为14.0%，显著高于对照(P<0.05)。而且，从图7中还可以看出，涂膜处理均能有效抑制马铃薯淀粉含量的下降，其中以 0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理的抑制效果最佳，该处理在一定程度上减少了马铃薯营养物质的流失，对延长马铃薯货架期具有积极作用。

图7 不同处理对马铃薯淀粉含量的影响

3 结论与讨论

本研究比较了不同浓度纳米TiO2结合壳聚糖涂膜对休眠后期马铃薯品质及生理指标的影响，结果发现，0.1%壳聚糖结合2%TiO2涂膜处理能有效延缓马铃薯块茎可溶性固形物、淀粉、抗坏血酸及总酚含量的下降，保持较高的块茎品质；同时，该处理可以抑制马铃薯PPO、POD活性以及发芽率的升高，延缓块茎的衰老进程。

壳聚糖涂膜作为果蔬保鲜剂，无毒、无污染，不仅可以抑制果蔬内部水分的蒸发，有效阻止果蔬内外气体的交换，延缓果蔬呼吸及生理衰老，而且还可以防止病菌的侵入，表现出较好的抗菌防霉效果，但壳聚糖形成的膜强度不高、韧性较差[22]，进而影响其保鲜效果。纳米TiO2是一种既廉价又无毒且化学性质稳定的无机纳米材料，其在光照下具有杀菌作用，而且可以分解乙烯。有研究者将纳米TiO2应用于金秋梨和冬枣果蔬表面，不仅表现出较好的保鲜效果，还表现出高效安全性[13,23]，同时，毒理学试验也证实，纳米TiO2对高等动物是安全的[24]。本研究将纳米TiO2添加到壳聚糖涂膜液中，其易与壳聚糖结合，不仅提高了膜与基体之间的结合强度和抗老化性能，还改善了膜的透气性，同时提高了复合膜的抑菌性和阻水性。在本研究试验条件下，对照及涂膜处理组在货架期8 d内均未出现霉变腐烂现象，因此，关于该复合保鲜膜的抗菌防霉效果则需进一步研究。随着人们对食品安全的日益重视，这种无公害的保鲜技术将会受到越来越多人的青睐，将会用于更多的食品保鲜领域。

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