壳聚糖和壳寡糖保鲜湖北利川山药的研究

黄梦甜，张正茂

（湖北工程学院生命科学技术学院，湖北孝感 432000）

我国是世界上重要的山药种植大国，无论是在种植面积、总产量还是消费量都是世界上最大的国家[1]。目前，山药中的重要成分尿囊素正作为外用制剂而广泛用于皮肤科临床，并具有较好的治疗效果。另外，相关试验表明，用山药中所含的山药素对豚鼠进行皮内注射，发现对其有局部的麻醉作用[2]。湖北利川山药，属日本薯蓣优质品系，藤蔓植物，色白、液浓、味清香，高黏液质，外形独特，薯蓣的块根及干燥块根既可食用，又可入药，内含丰富的维生素、钙、磷等重要元素，以及多种营养成分，如蛋白质、胡萝卜素、多糖、脂质等。因其品质优良、特色明显、种植历史悠久，利川山药被评为“国家地理标志保护产品”[3]。由于山药在采后运输过程中，主要有皮薄肉嫩、根茎粗长、茎脆易断的问题；运输过程中机械损伤较为严重、易造成腐败霉变；鲜切后褐变迅速；对温度和湿度敏感；低温造成冷害冻害、高湿造成腐烂发霉、变软等现象普遍且不易逆境愈伤[4]。利川山药在销售前农户会将上端掰断后留种，造成较大的断面；另外由于其皮薄、肉色凝白，损伤后极易褐变，造成直接贮藏过程中极易腐烂。目前，在果蔬保鲜中天然保鲜剂越来越受到重视，最常用的保鲜剂是壳聚糖及其降解产物壳寡糖[5-6]。而针对山药的保鲜方法多种多样，主要集中在鲜切山药涂膜保鲜上。例如，马利华等人[7]以大豆分离蛋白、魔芋纯粉、壳聚糖及甘油为原料制备涂膜保鲜剂对鲜切山药进行涂膜保鲜。姜瑜倩等人[4]研究了1-甲基环丙烯、特克多、壳聚糖等不同的保鲜剂对山药保鲜效果的差异。张帆等人[8]研究改性葛根淀粉涂膜对鲜切山药保鲜效果的影响。然而对于带皮保鲜方面的研究较少，且壳寡糖在山药保鲜中的应用未见报道。由于壳寡糖具有良好的抗菌作用[9-10]，葡萄[10]、西兰花[11]等果蔬贮藏中有较好的保鲜作用。因此，以壳聚糖和壳寡糖为原料，对利川山药的保鲜效果进行研究，以期延长带皮利川山药的贮藏期。

1 材料与方法

1.1 试验材料、药品、器材、仪器

1.1.1 试验材料及药品

利川山药、壳寡糖，大连中科格莱克生物科技有限公司提供；壳聚糖（化学纯，脱乙酰度为80.0～95.0），国家集团化学试剂有限公司提供；冰乙酸，天津市恒兴化学试剂制造有限公司提供；甘油，深圳市华亚化工有限公司提供；邻苯二酚，天津市化学试剂公司分公司提供；抗坏血酸，湖北金铭州工贸有限公司提供；2,6-二氯靛酚钠，武汉市华顺生物技术有限公司提供。

1.1.2 主要仪器与设备

SPX-250BSH-Ⅱ型生化培养箱，上海新苗医疗器械制造有限公司产品；TGL-20M型台式高速离心机，长沙迈佳森仪器设备有限公司产品；DF-101S型集热式搅拌器，金坛市科技仪器有限公司产品；FA1004N型分析天平，上海（菁华）集团公司产品；YP6002型电子天平，上海越平科学仪器有限公司产品；V5600型分光光度计，上海元析仪器有限公司产品；LKTC-B1-T型水浴锅，江苏盛蓝仪器制造有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 保鲜液的制备

称取10 g壳聚糖粉末，溶于体积分数为1%冰乙酸溶液中，并添加适量质量分数为20%的甘油，在室温下置于集热式搅拌器中搅拌3 h，配制成质量分数为1%的壳聚糖溶液；然后称取10 g壳寡糖粉末，溶于添加了等量20%的甘油的1%冰乙酸溶液中，得到质量分数为1%的壳寡糖溶液；空白对照组则是在清水中添加等量20%的甘油的1%冰乙酸溶液。

1.2.2 山药的涂膜处理

挑选大小接近、粗细均匀、外表无机械损伤的山药段，轻轻洗去表皮的泥土，然后去掉山药两端，再掰成5～10 cm的山药段（不用刀片，以免对山药造成组织损伤），随机打乱分成3组，每组27段山药。

将山药分别置于上一步所配制的保鲜液中浸泡10 min后捞出沥干水分，然后将山药置于10℃生化培养箱中，先每隔2 d测定1次指标，约测定3次后再每隔5 d测定1次指标。

1.2.3 山药指标的测定

式中：褐变指数（BI）=∑GQ/(4T)：

T——山药总段数；

Q——该级别山药段数；

G——褐变级别。

（0级-无褐变，1级褐变面积＜20%，2级褐变面积20%-35%，3级褐变面积35%～50%，4级褐变面积＞50%）。

VC含量测定用2,6-二氯靛酚钠盐法；

多酚氧化酶（PPO） 活性参考高梦祥等人[12]的方法：称取5 g样品，切碎，加入浓度0.05 mol/L磷酸缓冲液（pH值6.525 mL），低温下在研钵中磨碎，将匀浆转入离心管，于4℃下以转速14 000 r/min离心20 min，取上清液，即为PPO提取液。先加入2.8 mL在30℃保温过的0.05 mol/L邻苯二酚溶液（0.05 mol/L磷酸缓冲液配制），再加入0.2 mL提取液，于波长420 nm处进行测定，记录吸光度的变化。每分钟吸光度变化0.001为一个活力单位（U）。

1.2.4 数据分析

采用SASv 8.1软件进行分析，用ANOVA进行方差分析，显著性检验方法为Duncan，检测限为0.05。有关数据为3次以上平均值。

2 结果与分析

2.1 失质量率的变化

采用称重法测定经不同处理液浸泡处理贮藏后失质量率的变化，首先测定时每隔2 d记录1次各组山药贮藏后的质量，然后每隔5 d记录山药质量，共计5次。

不同溶液处理下样品的失质量率见图1。

由图1可以看出，随贮藏时间延长，3组失质量率均呈显著上升趋势（p＞0.05），但是壳聚糖组和壳寡糖组的失质量率低于空白组，说明壳聚糖和壳寡糖对样品失质量率上升有一定的抑制作用，且壳聚糖的抑制作用强于壳寡糖，但4 d后差异不显著。这是因为壳聚糖和壳寡糖均具有成膜性，在山药表面形成薄膜，从而阻止水分散失[1]；另外，涂膜保鲜对空气具有一定的阻隔性，从而延缓呼吸高峰的出现，减少糖类等有机物质的损耗[10]。邓丽莉等人[13]利用壳寡糖处理柑橘，发现该处理可以降低柑橘果实贮藏过程中的失质量率。

图1 不同溶液处理下样品的失质量率

2.2 褐变率的变化

通过计算褐变率来表现不同组山药经一定贮藏时间下褐变情况。

不同溶液处理下样品的褐变率见图2。

图2 不同溶液处理下样品的褐变率

由图2可以看出，开始时壳聚糖处理的样品褐变率为0，后随着贮藏时间的延长，3组样品褐变率均上升，但是空白组的褐变率始终高于壳聚糖组和壳寡糖组，在第16天时达到91.7%，几乎全部褐变，其次是壳寡糖组，最低的为壳聚糖组，壳聚糖和壳寡糖的差异不显著（p＞0.05）。由此说明壳聚糖和壳寡糖均能延缓样品的褐变程度，这是由于壳聚糖具有良好的成膜性，可在山药表面形成薄膜，阻止O2与褐变底物接触而防止褐变产生[1]。这一结果与王梅等人[1]和郑科旺等人[14]采用壳聚糖复合保鲜剂涂膜保鲜鲜切山药的结果一致。

2.3 腐烂率的变化

由于山药在低温贮藏时腐烂较慢，所以前3次（6 d内）测定失质量率和褐变率时腐烂率为0，为了方便比较3组的腐烂情况，从试验的第8天开始记录山药腐烂情况，每隔2 d记录1次，共记录5次腐烂或霉变情况。

不同溶液处理下样品的腐烂率见图3。

由图3可以看出，3组样品腐烂率均随贮藏时间的延长而逐渐上升，其中上升幅度最大的是空白组，壳寡糖组次之，壳聚糖组最小，从而说明壳聚糖对样品腐烂的延缓作用优于壳寡糖。造成该结果的原因是因为壳聚糖和壳寡糖均具有一定的抑菌性和杀菌性，而壳聚糖对微生物的抑制和抵抗效果优于壳寡糖。

图3 不同溶液处理下样品的腐烂率

2.4 维C含量的变化

采用2,6-二氯靛酚钠盐法，首先用标准抗坏血酸溶液（0.1 mg/mL） 标定，然后滴定不同组样品，记录所用指示剂体积（mL），最后计算3组样品中所含维C含量，共滴定并计算5次。

不同溶液处理下样品的维C含量见图4。

图4 不同溶液处理下样品的维C含量

由图4可以看出，随着贮藏时间延长，样品的维C含量均下降，但是壳寡糖组的下降幅度明显低于壳寡糖组和空白组，而空白组维C含量下降最快。这是由于O2的存在有利于降低维C的含量，而壳聚糖涂膜处理在山药表面形成了一个低O2的微环境，抑制了果蔬内部抗坏血酸酶的活性[14-15]；同时壳寡糖有一定的抗菌作用[9-10]，能够有效抑制微生物的生长，从而降低了维C被氧化的程度。这与郑科旺等人[14]的研究结果一致。

2.5 PPO活性的变化

用冷冻离心机对样品进行提取得到酶提取液，以邻苯二酚溶液为底物，通过测定波长410 nm下反应液吸光度的变化来计算酶活性变化，共记录5次。

不同溶液处理下样品PPO的活力见图5。

图5 不同溶液处理下样品PPO的活力

由图5可以看出，样品的PPO均呈先上升后下降的趋势，其中空白组的酶活力在第4天达到最大值，而壳寡糖组和壳聚糖组在第6天达到最大值，且空白组的酶活力始终高于壳聚糖组和壳寡糖组，而壳寡糖略高于壳聚糖组，且差异不显著（p＞0.05），说明壳聚糖和壳寡糖可在一定程度上抑制PPO的活性。PPO活性在贮藏初期呈现上升趋势，是因为潜伏形式存在的PPO，与相关膜系统紧密结合，在山药切断过程中，膜受到伤害而被活化，从而导致PPO活性增加，这种诱导的PPO仅在受诱导部位（断面）出现，具有防御性的保卫功能[16]。在贮藏过程中，PPO将二元酚氧化成醌，PPO既作为催化剂催化原有反应，又作为反应底物与原有底物发生反应并形成一系列中间产物[16-17]，从而导致活性会逐步下降，最终发生不可逆失活，这是导致PPO活性在贮藏后期呈现下降趋势的原因。这一结果与王梅等人[1]的研究结果相似。

3 结论

试验结果表明，壳聚糖和壳寡糖能有效保持新鲜利川山药的品质，均能在一定程度上降低山药水分的损失、抑制PPO活性升高、减轻褐变程度、延缓其腐烂霉变、维C的氧化反应及其含量的降低。通过综合比较发现，壳聚糖对于山药的保鲜效果更为显著，但是壳聚糖需要在弱酸环境才能溶解，壳寡糖则具有更好的水溶性。