刘善智,范小静,闫 合,周一万,张 兴
(西北农林科技大学 无公害农药研究服务中心,陕西省生物农药工程技术研究中心,陕西杨凌 712100)
水产动物具有低脂肪、高蛋白、高不饱和脂肪酸以及维生素和矿物质丰富等特点,是合理膳食结构中不可缺少的组成部分。同时,由于水分及营养成分含量高,且自身易携带大量细菌,水产品在加工、储运和销售过程中极易变色、变味和腐败变质。目前,低温贮藏是最常见的水产品保鲜方式。然而低温环境并不能有效延缓嗜冷菌的生长繁殖和不饱和脂肪酸的氧化,过低的温度还会使水产品的质构特性发生劣化[1],因此,在水产品贮藏期间常常会使用一些化学保鲜剂。常用的化学合成保鲜剂其潜在的毒副作用被越来越多的人所诟病[2],开发天然无毒的生物保鲜剂,延长水产品货架期,提高水产品安全性,已成为水产品保藏技术发展的趋势。
植物精油是从芳香植物中提取,具有强烈香味的挥发性油状液体物质。由于其安全无毒,活性良好等优点,精油保鲜剂的开发与利用现已成为食品贮藏加工领域的热点内容。精油本身水溶性差,易挥发,对光、热等环境因素敏感,这些特性限制了精油的使用范围,因此研制缓释型精油保鲜剂,提高其稳定性和利用率,对食品保鲜意义重大[3]。壳聚糖成本低廉、安全可食用、生物降解性和生物相容性好,是制备精油保鲜剂的理想载体材料。本试验在西北农林科技大学无公害农药研究服务中心前期筛选的基础上,选择迷迭香精油作为芯材,利用离子交联法制备迷迭香精油壳聚糖纳米制剂(rosemary essential oil loaded chitosan nanoparticles,CS-NP-REO)并优化其制备工艺,进一步考察最优工艺下制备的迷迭香精油壳聚糖纳米制剂对冷藏草鱼肉的保鲜作用,以期为冷藏鱼肉保鲜剂的研制奠定基础。
1.1.1 材料与试剂 鲜活草鱼(Ctenopharyngodonidella)购自陕西省杨凌好又多超市。
壳聚糖(CS,脱乙酰度≥80%)、三聚磷酸钠(TPP)、2-硫代巴比妥酸(TBA)、三氯乙酸、氧化镁、硼酸、氢氧化钠、盐酸、甲基红、次甲基蓝等,购自上海阿拉丁试剂有限公司。
迷迭香精油(rosemary essential oil,REO)购自广州恒信香料有限公司。
菌落总数的测定用平板计数琼脂(plate count agar,PCA)培养基:将胰蛋白胨 5 g, 酵母浸膏 2.5 g,葡萄糖 1.0 g,琼脂 15 g,加入蒸馏水中,煮沸溶解,pH 调至7.0,121 ℃高压灭菌15 min。
1.1.2 仪器与设备 HITACHI CR22N高速冷冻离心机,日本日立公司;UV-2500 紫外分光光度计,日本岛津公司;KJELTEC 2300,自动凯氏定氮仪,丹麦FOSS公司;WSC-S 测色色差计,上海精密科学仪器有限公司;PHS-3C 酸度计,上海日岛科学仪器有限公司。
参考武陶和丁武[4]的方法,采用离子交联法制备CS-NP-REO及空白纳米粒(CS-NP)。称取适量的壳聚糖粉末,室温下溶于φ=1% 醋酸溶液,在室温下搅拌(600 r/min)过夜,得到不同的CS溶液。调节溶液pH至4,0.45 μm微孔滤膜过滤。加入溶液体积φ=1%的吐温-80,搅拌混匀。逐滴加入不同质量浓度的TPP溶液,CS与TPP溶液体积比为5∶2,温和搅拌30 min,即得CS-NP。
量取一定浓度的REO乙醇溶液,CS与REO体积比为5∶1,缓慢逐滴加入到配制好的CS溶液中,室温下温和搅拌30 min( 600 r/min ),然后逐滴加入TPP溶液,室温下温和搅拌30 min,即得CS-NP-REO混悬液。
1.2.1 单因素试验 根据文献中的报道以及预试验结果,选择CS、TPP、REO质量浓度和反应体系pH 4项制备条件设计单因素试验。
pH对CS-NP-REO包封率的影响:用NaOH和醋酸调节溶液pH到3、3.5、4、4.5、5,制备CS-NP-REO,固定CS、TPP、REO分别为3、1.5、2 mg/mL,观察纳米粒混悬液状态并测定包封率。
CS质量浓度对CS-NP-REO包封率的影响:按前述方法分别制备质量浓度为1、2、3、4和5 mg/mL的CS溶液用于CS-NP-REO混悬液制备,固定TPP、REO质量浓度分别为1.5和2 mg/mL,观察纳米粒混悬液状态并测定包封率。
TPP质量浓度对CS-NP-REO包封率的影响:按前述方法分别制备质量浓度为0.5、1、1.5、2和2.5 mg/mL的TPP溶液用于CS-NP-REO混悬液制备,固定CS、REO质量浓度分别为3 和2 mg/mL,观察纳米粒混悬液状态并测定包封率。
REO质量浓度对CS-NP-REO包封率的影响:按前述方法分别制备质量浓度为0.5、1、1.5、2和2.5 mg/mL的REO溶液用于CS-NP-REO混悬液制备,固定CS、TPP质量浓度分别为3和1.5 mg/mL,观察纳米粒混悬液状态并测定包封率。
1.2.2 CS-NP-REO制备条件优化 根据以上试验结果,以CS质量浓度(A)(1、2、3 mg/mL)、TPP质量浓度(B)(1、1.5、2 mg/mL)、REO质量浓度(C)(1、1.5、2 mg/mL)为影响因子设计L9(33)正交试验进行工艺优化,固定CS、TPP和REO体积比为5∶2∶1。
1.3.1 包封率和载药量的测定 取REO 10.00 mg于10 mL量瓶中,加乙醇定容,得1.0 mg/mL精油乙醇溶液。精密量取该溶液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2 mL,分别置于10 mL量瓶中,加乙醇稀释,得质量浓度为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10和0.12 mg/mL系列待测液。以溶剂作为空白对照,在250 nm处测定吸光度,以吸光度为纵坐标,质量浓度为横坐标,得回归方程y= 1.09x- 0.001 7(R2= 0.991 6),x线性范围0.02~0.12 mg/mL。
将CS-NP-REO混悬液置于超滤离心管中,4 ℃下高速离心(8 000 r/min)60 min,取上清液,用紫外分光光度计测定游离精油含量,检测波长250 nm。纳米粒分离洗涤后,冷冻干燥称质量。包封率(EE)=(总投药量-游离药量)/总投药量×100%;载药量(LC)=(总投药量-游离药量)/纳米粒质量×100%
1.3.2 纳米粒外观形态与粒径的测定 称取CS-NP-REO冻干粉末,用φ=1%醋酸稀释至适当浓度,滴加到硅片上自然风干,固定喷金后,扫描电镜下观察其形态大小。
1.4.1 保鲜剂的制备 根据“1.3.1”所述方法,按照优化后的条件制备CS-NP和CS-NP-REO。并以无水乙醇为溶剂,配制与CS-NP-REO中包封的REO浓度相同的精油溶液。
1.4.2 草鱼肉处理 将质量约1 kg的鲜活草鱼,击毙后去头、尾、鳞、骨、内脏,用水冲洗干净,沿脊椎剖为两半,置于4 ℃冰箱中,备用。使用灭菌过的案板、盛装容器、刀具等,在无菌试验操作台将肉样剥皮后切成鱼块,按质量随机等分为4组:CS-NP组、CS-NP-REO组、REO组和CK组。以事先配制好的不同保鲜剂浸浴处理2 min,取出后于4 ℃冷库中沥干,装入灭菌的食品保鲜袋内并密封,立即置于4 ℃冰箱中储藏。处理当天记为储藏第0天,分别在贮藏的第1、3、5、7、9 天,随机取样进行感官评定、pH、菌落总数、挥发性盐基氮值(TVB-N)、硫代巴比妥酸值(TBARS)和色差的测定。
1.4.3 指标测定 感官评定:采用5人组成的感官评定小组进行感官描述检验,按照色泽、气味、组织形态与组织弹性对不同处理条件下草鱼肌肉的感官质量进行评定,分数范围为1~10分[5],色泽(10分:非常光亮;1分:无光泽)光亮、气味轻微(10分:轻微;1分:强烈)、肌肉纹理清晰(10分:清晰; 1分:模糊)、弹性好(10分:很有弹性;1分:没弹性),得分越高。
色差测定:用色差计测定样品L*、a*、b*,各样品均进行3次测定取平均值。
pH测定:称取5 g 鱼肉于烧杯中,加入45 mL 蒸馏水,搅拌均匀后静置,利用pH计测定其pH。
菌落总数测定:按照GB 4789.2-2010《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》[6]釆用平板计数培养基(PCA)倾注法计数测定。
TVB-N测定:参照水产行业标准SC/T3032-2007《水产品中挥发性盐基氮的测定》[7],采用KJELTEC 2300自动凯氏定氮仪测定。
TBARS测定:参照黄卉等[8]的方法。取10.0 g 鱼肉样品绞碎,加入50 mLφ=7.5%三氯乙酸(含w=0.1%EDTA),振摇30 min,双层滤纸过滤2次。取5 mL上清液,加入5 mL 0.02 mol/L 2-硫代巴比妥酸(TBA)溶液,沸水浴反应40 min,取出用流动水冷却,于8 000 r/min离心10 min,取上清液,加入5 mL氯仿摇匀,静置分层后取上清液分别在532 nm和600 nm处比色,记录吸光值并用以下公式计算TBARS。
TBARS=(A532-A600)/155×(1/10)×72.06×100
(3)
利用Excel 2010和SPSS 19.0对数据进行分析处理及绘图,多重比较采用Duncan’s法(P<0.05为显著水平)。
2.1.1 单因素试验结果 由图1可知,pH在 3~4 时,壳聚糖纳米粒包封率不断增大。当pH等于4时,包封率达到最大(83.07%),反应体系最为稳定。
图1 单因素试验结果Fig.1 Results of one-factor experimental
之后pH继续增加,体系中絮状物和沉淀更容易形成,包封率变化不显著。在TPP质量浓度(1.5 mg/mL)不变的条件下,包封率随CS质量浓度的增加而增大。当CS质量浓度为3 mg/mL时,纳米粒包封率达到最大(84.73%),之后开始减小;在CS质量浓度(3 mg/mL)不变的条件下,纳米粒包封率随着TPP质量浓度的增加,先增大后减小。在TPP质量浓度为 1.5 mg/mL 时达到最大(83.06%)。纳米粒包封率随着REO质量浓度的增加而增大。REO质量浓度为2 mg/mL时,包封率为76.34%,当质量浓度超过2 mg/mL时,包封率变化不显著。
2.1.2 正交试验结果 由极差分析和方差分析结果可知(表1和表2),影响包封率的因素顺序为 A>C>B,其中CS质量浓度对精油包封率有显著影响,REO和TPP质量浓度影响较小。组合A2B2C3包封率最高,因此,制备CS-NP-REO的较优条件是CS、TPP和REO质量浓度为2、1.5和2 mg/mL,体积比为5∶2∶1,pH为4。
表1 L9(33)正交试验结果Table 1 Results of L9(33) orthogonal test
表2 方差分析结果Table 2 Variance analysis of orthogonal design
2.2.1 包封率和载药量 采用超滤离心法检测最优条件(CS、TPP和REO质量浓度为2、1.5和2 mg/mL,体积比为5∶2∶1,pH为4)下制备的CS-NP-REO,结果显示纳米粒包封率为84.52%,载药量为10.56%。
2.2.2 纳米粒外观形态与粒径 扫描电镜下放大105倍后,可以观察到CS-NP-REO呈球形颗粒状,形态饱满,粒径均匀,约为200 nm,在悬液中分散性良好。
2.3.1 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉感官评分的影响 由图2结果可知,贮藏期间草鱼肉感官评分随贮藏时间的变化不断下降。经CS-NP-REO处理的样品变化趋势和对照组有明显差异。贮藏初期,鱼块肌肉组织紧密完整,纹理清晰,富有弹性,表面光亮,具有鲜味。在贮藏第5天时,CS-NP-REO处理组变化较慢,尚无明显异味,肉体表面仍具光泽,而对照组样品开始有腥臭味,肉质疏松且弹性较差,红色变淡,表面缺乏光泽,感官评分平均为6.11,已接近腐败;CS-NP-REO处理组在第7天时开始呈现腥臭味,感官评分降至6.20,对照组则有明显的氨臭味,肉样纹理不清,颜色轻微发黄,按压变形后不易恢复且表面附有白色粘液。
图2 冷藏草鱼贮藏过程中感官评分的变化Fig.2 Changes of sensory evaluation of chilled grass carp during storage
2.3.2 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉pH的影响 冷藏草鱼贮藏过程中pH的变化如图3所示,各处理组及空白对照组的pH在整个贮藏过程中呈上升趋势,这与周强等[9]的结果一致。与空白对照组相比,经保鲜剂处理后的各样品pH变化缓慢,CS-NP-REO处理组效果尤为明显。在9 d的贮藏期内,CS-NP-REO处理草鱼肉的pH在6.69~6.96变化,其中第3天最低,其后一直上升。CS-NP、REO及空白处理组pH变化分别为6.72~7.02、6.87~7.11、6.79~7.21。CS-NP-REO处理组在贮藏第9天时pH达到6.96,仍未超过7,而对照组在第7天就达到7.07,且贮藏过程中其pH始终低于对照组,说明CS-NP-REO对冷藏草鱼具有一定的保鲜作用。
图3 冷藏草鱼贮藏过程中pH的变化Fig.3 Changes of pH in chilled grass carp during storage
2.3.3 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉菌落总数的影响 如图4所示,草鱼肉在贮藏期间,随着贮藏时间的延长,菌落总数不断上升。菌落总数初始值为1.28×104~ 1.86×104CFU/g。储藏初期,CS-NP处理组和CS-NP-REO处理组菌落总数增长相对缓慢,在冷藏第3 天时,两组草鱼肉的品质均在一级品范围以内,其菌落总数与REO组和对照组存在显著差异(P<0.05)。对照组在贮藏的第7天菌落总数达到2.09×107CFU/g,肉样表面有白色粘液,并散发腥臭味,超出淡水鱼可接受阈值,而经CS-NP-REO处理后,鱼肉菌落总数在第7天达到4.47×106CFU/g,第9天达到1.51×107CFU/g。
图4 冷藏草鱼贮藏过程中菌落总数的变化Fig.4 Changes in total viable counts(TVC) of chilled grass carp during storage
2.3.4 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉TVB-N的影响 根据《SC/T 3032-2007 水产品中挥发性盐基氮测定的方法》[7]的规定,淡水鱼的TVB-N不得大于限量值20 mg/hg,超出不可食用。由图5可知,对照组在第5天TVB-N达到19.64 mg/hg,已接近不可食用的阈值,在贮藏第7天,TVB-N为31.72 mg/hg,肉样已腐败变质;CS-NP-REO处理组在贮藏第7天TVB-N为18.74 mg/hg,仍低于限量值,且与REO组22.73 mg/hg 存在显著性差异(P<0.05)。在贮藏第9天时,CS-NP-REO组TVB-N达到24.42 mg/hg,样品腐败变质,草鱼最终冷藏时间在9 d以内。
图5 冷藏草鱼贮藏过程中TVB-N的变化Fig.5 Changes in TVB-N of chilled grass carp during storage
2.3.5 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉TBARS的影响 如图6所示,贮藏初期,新鲜草鱼TBARS在0.50×10-3mg/g以下,对照组和CS-NP处理组分别在第1、3天后迅速上升,CS-NP-REO组和REO组整个贮藏内变化缓慢。从第5天到贮藏结束,CS-NP-REO组TBARS显著(P<0.05)低于CS-NP处理组,说明CS-NP包埋迷迭香精油后,其对脂质的抗氧化作用显著(P<0.05)优于空白纳米粒。在贮藏第7天时,对照组TBARS已达1.72 ×10-3mg/g,CS-NP组达到1.28×10-3mg/g,而REO组和CS-NP-REO组分别为0.52×10-3mg/g、0.61×10-3mg/g。这说明REO具有良好的抗氧化作用。CS-NP-REO能有效减缓冷藏草鱼肉中脂肪氧化速率。
2.3.6 CS-NP-REO对冷藏草鱼肉色差变化的影响 由表4可知,随着贮藏时间的延长,肉样渐渐失去光泽,红色褪去,黄度增加。各处理组较对照组变化缓慢。贮藏第7天,对照组肉样完全腐败变质,其a*在4组试验中最低(2.01);b*最高(1.53),且与各处理组存在显著差异(P<0.05)。
图6 冷藏草鱼贮藏过程中TBARS的变化Fig.6 Change in TBARS of chilled grass carp during storage
色差指标Change of color处理Treatment贮藏时间/d Storage time13579L∗CS-NP-REO50.72±0.27 aA50.53±0.13 aA50.12±0.12 bA49.07±0.02 cA48.76±0.05 cACS-NP50.67±0.02 aA49.41±0.07 bB50.33±0.40 aA47.40±0.06 cD46.58±0.05 dCREO50.73±0.03 aA50.46±0.05 bA50.28±0.16 bA48.59±0.05 cB46.73±0.06 dCCK50.53±0.62 bA49.63±0.04 bA49.65±0.12 bA48.19±0.06 cC47.20±0.06 dBa∗CS-NP-REO3.54±0.10 aA3.17±0.01 bA2.82±0.01 cA2.24±0.02 dB2.21±0.06 dBCS-NP3.51±0.01 aA3.16±0.04 bA2.78±0.01 cA2.23±0.04 dB2.46±0.02 cAREO3.61±0.01 aA2.92±0.02 bC2.53±0.04 cB2.56±0.01 cA2.15±0.05 dBCK3.61±0.27 aA3.01±0.02 bB2.26±0.02 cC2.01±0.10 cC1.39±0.04 dCb∗CS-NP-REO0.59±0.06 bA0.52±0.01 bC0.30±0.02 cC1.27±0.03 aB1.33±0.03 aBCS-NP0.61±0.01 cA0.76±0.04 bB0.82±0.12 bB1.31±0.02 aB1.39±0.01 aBREO0.62±0.01 dA0.80±0.01 cB1.32±0.03 bA1.31±0.08 bB1.48±0.04 aBCK0.61±0.11 dA1.34±0.04 cA1.46±0.03 cA1.53±0.03 bcA1.77±0.13 aA
注:同行不同小写字母表示显著差异(P<0.05),同列不同大写字母表示显著差异(P<0.05)。
Note:Values in the same row with the different lowercase letters are not significantly different(P<0.05),values in the same column with different capital letters are not significantly different(P<0.05).
贮藏末期CS-NP-REO组L*显著大于其他各组,说明鱼肉亮度较大,表面有光泽,CS-NP-REO处理可有效减缓草鱼冷藏期间的氧化过程,改善鱼肉的外观色泽,延长保藏时间。
为开发能够应用于生鲜鱼肉的新型绿色化学保鲜剂,本研究以壳聚糖为壁材,以迷迭香精油为芯材,制备了CS-NP-REO。经测定CS-NP-REO处理的草鱼肉在冷藏期间各指标的变化发现,其对冷藏草鱼具有明显的保鲜效果。从感官指标上看,空白处理组在贮藏第3天,L*已低于50,b*达1.34,鱼肉失去光泽,颜色变黄,而CS-NP-REO处理组冷藏7 dL*降至49.07,b*上升至1.27,比对照组延长了4 d左右。从微生物指标上看,在冷藏第3 天,CS-NP-REO处理组菌落总数为3.02×104CFU/g ,对照组为3.98×10-5CFU/g,两者存在显著差异,说明壳聚糖纳米粒在贮藏初期,对鱼肉有明显的抑菌效果。从理化指标方面比较,对照组在第5天TVB-N已接近不可食用的阈值,CS-NP-REO组可贮藏8 d左右,延长了3 d货架期。对照组和CS-NP-REO组的TBARS分别于第3天和第9天达到0.7左右,将冷藏草鱼的贮藏终点延长了6 d。综合上述各项指标的测定结果,可以看出:CS-NP-REO对冷藏草鱼具有明显的保鲜效果,可延长肉样货架期3~4 d。该结果与如张进杰等[10]制备的壳聚糖和Nisin混合涂膜液,将鲢鱼块的货架期延长了3~4 d,与刘楠等[11]利用生物保鲜剂Nisin,延长了冷藏草鱼片3 d货架期的结论一致。国外也有研究[12-14]利用壳聚糖纳米粒做为药物载体,包埋百里香精油、牛至精油、Nisin等其他生物保鲜材料,提高其保鲜效果,扩大其应用范围,延长了不同食品的货架期。
CS-NP-REO的保鲜作用与迷迭香精油和壳聚糖的生物活性有关。迷迭香精油具有良好的抗氧化能力[15-17]和抑菌能力[18-19]。殷燕等[19]用迷迭香提取物延长了真空包装猪肉饼的货架期,在一定浓度下,其保鲜效果与二丁基羟基甲苯相当。本试验通过比较不同处理下草鱼肉TBARS随时间发生的变化可以看出,CS-NP-REO和REO处理组都能有效地抑制丙二醛的产生,说明 CS-NP-REO主要依靠迷迭香精油抵抗脂质的氧化。Maria[20]研究证明迷迭香精油能有效延缓金头鲷鱼糜中脂质氧化的速率。同样有研究证明,壳聚糖也具备一定程度的抗氧化能力[21]和抑菌能力[22],本试验在对各组肉样菌落总数的测定结果分析中发现,壳聚糖纳米粒能在贮藏初期较好地抑制菌落生长。这与处理美国红鱼时的测定结果相一致[23]。说明CS-NP-REO的壳聚糖壁材对鱼肉上的细菌菌落有抑制作用。Solval等[24]同样用壳聚糖纳米粒来抑制冻虾中好氧菌及霉菌的数量,改善了其在货架期内的质量。CS-NP-REO结合迷迭香精油和壳聚糖的保鲜活性,并增强了作用效果,比两者的单独使用更能延长生鲜鱼肉的贮藏时间。
提高植物精油稳定性和持效性的缓释剂型的开发,成为研究的热点。裴志胜等[25]利用罗望子胶和阿拉伯胶分子包埋法制备微胶囊高良姜精油,并应用于冷藏金鲳鱼糜的保鲜中,在一定程度上延缓了鱼糜的变质。丁德龙等[26]以壳聚糖为壁材,白豆蔻精油为芯材制备微胶囊保鲜剂,提升了鸡肉在贮藏期内的鲜度水平。本研究中利用离子交联法制备的CS-NP-REO能有效延长迷迭香精油的保鲜作用时间,提高作用效果,改善其难溶于水、挥发性强的缺点,提高了植物精油的实用性。而且CS-NP-REO制备全程使用无毒的天然材料,因此可广泛应用于食品领域。尽管在本研究中,CS-NP-REO在冷藏草鱼上保鲜效果良好,但影响生鲜鱼肉货架期的因素很多,不同的水产种类、栖息环境、致死方式、贮藏加工条件等都会造成结果的差异,因此,实现CS-NP-REO对不同生鲜鱼肉的实际保鲜应用,仍需要进一步的指标检测和中试放大试验。
经CS-NP-REO处理的草鱼肉在(4±0.5) ℃条件下储藏时保存时间可达8 d以上,优于对照组5 d 的储藏期,同时优于同质量浓度下的壳聚糖纳米粒和迷迭香精油的单独处理,具有延长冷鲜草鱼货架期的作用,在进一步开发新型绿色保鲜剂方面具有广阔前景。