多功能集成保鲜包装设计在‘巨峰’葡萄中的应用

杨 达，刘慧娴，李东立*，许文才，廖瑞娟，石佳子，付亚波，王继刚

（北京印刷学院 印刷包装材料与技术北京市重点实验室，北京 102600）

‘巨峰’是一种滑皮葡萄品种，其果皮很容易与肉质分离，其肉质多汁、含糖量高、酸度温和。‘巨峰’葡萄非常容易感染灰霉菌引起腐烂，且在贮藏期间由于失水，果梗易发生褐变。因此减少果穗的水分挥发速率和抑制褐变是保存葡萄的关键[1]，而要实现这两个目标需要采用的主要手段是湿度控制，增加贮存环境的相对湿度可以减少果穗水分流失[2]，然而只有降低贮存环境的相对湿度才有利于减少腐烂。因此，抑制腐烂和减少水分流失的两个手段相互矛盾，许多保鲜研究都围绕这两个手段展开，最后不得不采用高相对湿度贮存环境来减少水分流失，附加采用SO2来抑制腐烂[3]；然而SO2主要与浆果的漂白有关[4-5]，使用SO2会对葡萄造成显著的伤害[6-9]。较高的湿度可降低‘巨峰’葡萄的脱水率和褐变速率，并导致包装内湿度变大[10]。通过共混的工艺[11-12]、改变添加剂的种类和浓度[13-14]，或依靠预处理手段将活性纤维素接枝在薄膜的表面[15]，来改变薄膜的氧气透过率（oxygen transmission rate，OTR）、二氧化碳气体透过率和水蒸气透过率（water vapor transmission rate，WVTR），以满足水果对包装袋透湿性和透氧性的需求；与此同时，还要兼顾薄膜的力学性能、加工工艺，最后得到适合某个特定水果的包装，这种包装薄膜的设计和制备过程十分复杂和困难。

气调包装是延长葡萄采后贮存期最常用和最有效的技术[16-17]，气调包装有助于减少葡萄绿色损失，维持其较高的品质[18-20]。李丽梅等[21]研究表明，聚氯乙烯薄膜气调包装有利于抑制葡萄呼吸作用，延长货架期。1-甲基环丙烯（1-methylcyclopropene，1-MCP）是一种高效、安全、无毒的新型乙烯受体拮抗剂，可阻断乙烯与受体的结合[22]。大量研究表明，1-MCP能够延缓诸多果蔬成熟与衰老过程，从而延长货架期[23-24]。颜廷才等[25]的研究表明，1-MCP有利于减少落粒、抑制腐烂。为此，本实验室在气调包装的基础上提出了一种新的多功能集成包装设计方法，该方法适合于不同呼吸强度、不同贮存气体环境（包括相对湿度）的水果。利用这种方法设计、制作多功能集成包装，即双功能集成包装（dual-functional integrated packaging，DFIP）和三功能集成包装（triplefunctional integrated packaging，TFIP），以葡萄为研究对象，对两种包装进行评价。

DFIP与TFIP的特点在于能够准确控制水果的呼吸速率，以较少的、不造成无氧呼吸的O2供应维持水果的代谢，尽可能延缓水果的成熟，使包装内部维持一个恒定的湿度，避免水汽凝结，而适宜的湿度会抑制灰霉菌的生长，防止褐变，可在不使用SO2的情况下，维持葡萄的品质，延长货架期。这种多功能集成保鲜包装为果蔬保鲜拓展了思路，并为其提供了理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘巨峰’葡萄（总可溶性固形物（total soluble solid，TSS）质量分数16.3%），采摘于北京大兴农场，水果在采摘前后没有接受任何化学处理。选取颜色、大小统一，并且完全没有表面损伤或灰霉菌感染的果实作为实验材料。

O膜（高氧透膜）：实验使用两种不同OTR的O膜（O1膜和O2膜）。O1膜（OTR为2×105mL/（m2·d·atm），WVTR可忽略）是以25%（质量分数，下同）低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）、5 0%线性低密度聚乙烯（linear low density polyethylene，LLDPE）、25%苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物共混后吹塑而成的薄膜；O2膜（OTR为4×105mL/（m2·d·atm），WVTR可忽略）是以25%LDPE、30%高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）、30%三元乙丙橡胶（ethylene propylene diene monomer，EPDM）共混后吹塑而成的薄膜[26]。

W膜（高湿透膜）（WVTR为140 g/（m2·d），OTR可忽略）是以80%普通纤维素粉、5%聚乙烯醇、15%乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA）树脂共混后流延而成的薄膜[27]。

MCP功能膜是可忽略OTR与WVTR的缓释1-MCP功能薄膜，聚乙烯薄膜作为外层；4% 1-MCP作为活性成分吸附在96%环糊精载体上，得到5 g/m21-MCP/环糊精，将其添加到干法复合工艺所用的乙酸乙酯溶剂型黏结剂中作为中间层；5% EVA、75% LDPE与25% EPDM共混后吹塑而成的薄膜为内层[28]。

2,6-二氯靛酚 天津市光复精细化工研究所；草酸、酚酞、氢氧化钠（均为分析纯） 北京化工厂。

1.2 仪器与设备

PAC CHECK 450EC气体分析仪 美国MOCON公司；FHM-5水果硬度分析仪 日本Takemura Electric Works公司；PR-101á数显折射仪 日本Atago公司；Neofuge 15R高速冷冻离心机 上海力申科学仪器有限公司；DT-200B电子天平 常州市金羊天平仪器厂；FS11数字电子温湿度计 深圳百富盛公司。

1.3 方法

1.3.1 DFIP与TFIP的制备

选取一片自制的外形尺寸为20 cm×30 cm的O1膜，另一片自制的外形尺寸为20 cm×30 cm的W膜，利用黏合剂将两片薄膜的三边封合，得到一个DFIP；选择另外一片自制的OTR更高的O2膜，外形尺寸为20 cm×15 cm，将其与外形尺寸为20 cm×15 cm的MCP功能膜用黏合剂将20 cm的一侧拼接起来，形成一片总尺寸为20 cm×30 cm的MCP+O2集成薄膜，然后将该MCP+O2集成薄膜与外形尺寸为20 cm+30 cm的W膜三边封合，制备出TFIP（图1）。该TFIP的透氧和透湿能力与DFIP相同，只是增加了1-MCP的缓释功能。DFIP与TFIP工艺参数如表1所示。

图 1 TFIP结构示意图Fig. 1 Structural diagram of TFIP

表 1 DFIP与TFIP的工艺参数Table 1 Technological parameters of DFIP and TFIP

1.3.2 实验分组

实验分为对照组（不作任何处理）和DFIP、TFIP包装组，随机选择葡萄果穗（约600～900 g/串）置于DFIP或TFIP并封装，每个包装中放一串，每组共40 串。每组均分为8 小组，每小组5 个平行样品。所有组在25 ℃、相对湿度为50%～60%的条件下贮存，每天取样测定葡萄品质。

1.3.3 多功能集成包装中CO2与O2体积分数的测定

使用气体分析仪每天同一时间段对所有DFIP和TFIP组内的CO2与O2体积分数进行监测。

1.3.4 水分损失率的测定

在测定包装中的CO2与O2体积分数后，对所有DFIP、TFIP（不开袋）与对照组称质量，水分损失率的计算见式（1）。

式中：m0表示初始质量/g；m表示第n天的质量/g。

1.3.5 果梗褐变指数的测定

在测定水分损失后，对所有组的葡萄果梗进行褐变指数统计。褐变指数按式（2）进行计算。

式中：L0表示葡萄串果梗的总长度/cm；L1表示发生褐变的果梗总长度/cm。

1.3.6 商业价值的评价

商品价值的评价由10 位经培训后的评判员对外观、口感和落粒的数量进行打分，采取10 分制，评分标准如表2所示。最后商业价值综合分数为外观、口感与落粒的平均值，低于6 分即视为无商业价值。

表 2 商业价值综合评分标准Table 2 Criteria for comprehensive evaluation of commercial value

1.3.7 硬度的测定

使用水果硬度分析仪测定硬度。在水果的圆周上除去1 cm2的果皮，使用2 mm直径的探针分别记录硬度。探针的渗透速率为20 mm/min，渗透距离为10 mm，每个葡萄测一次，结果为随机10 个葡萄的平均值。

1.3.8 TSS质量分数的测定

从每组的5 个平行样品中随机取出20 个良好的葡萄粒，榨取果汁并称取10 g上清液，在500 mL蒸馏水中均化。将匀浆物以20 000 r/min离心30 min，取上清液用数显折射仪测定TSS质量分数。

1.3.9 果汁VC含量的测定

使用2,6-二氯靛酚滴定法测定葡萄的VC含量。称取10 g纯葡萄果汁上清液于50 mL容量瓶中，使用体积分数2%草酸溶定容至50 mL，取10 mL倒入50 mL锥形瓶中，用2,6-二氯靛酚滴定，直到溶液在剧烈摇动下变成粉红色，并15 s内不褪色。样品中总VC含量通过与空白实验（即使用2,6-二氯靛酚滴定50 mL体积分数为2%草酸溶液）比较确定。计算每100 g果汁中的VC质量，如公式（3）所示。

式中：V、V0分别表示滴定样液、空白样时消耗2,6-二氯靛酚溶液的体积/mL；T表示2,6-二氯靛酚溶液的滴定度（0.083 mg/mL）；m表示滴定时，锥形瓶样液中含有的样品质量/g。

1.3.10 TA质量分数的测定

可滴定酸（titratable acid，TA）质量分数按式（4）[29]进行计算。

式中：c为NaOH标准溶液浓度/（mol/L）；V1、V2分别表示样液、空白组滴定时所消耗的NaOH标准溶液体积/mL；m表示定容时溶质的质量/g；50为试样浸提后定容体积/mL；K为换算柠檬酸质量的系数（0.070）。

1.4 数据分析

采用Excel和Origin 8.0软件进行数据分析与作图。

2 结果与分析

2.1 葡萄贮藏过程中包装袋中O2和CO2的体积分数

如果包装顶空中O2浓度很低，很容易引起葡萄的无氧呼吸，包装袋中将会出现霉味，并产生酒精发酵的味道；尽管葡萄属于非呼吸跃变型水果，呼吸强度较低，但微弱的无氧呼吸作用会对果实起到催熟的作用，薄膜透气性高可提供充足的氧气，有利于减少密闭空间中由水果自身释放出的乙烯量，抑制果实的成熟，从而有利于延长‘巨峰’葡萄的货架期。因此为了避免在25 ℃以上的环境中发生无氧呼吸，本次实验中DFIP和TFIP选用了两种具有高透氧能力的薄膜，为葡萄的呼吸提供足量的O2，稳定后包装顶空O2体积分数维持在17%左右（图2）。在DFIP中，O2体积分数从初始的20%降低到第8天的17.1%，而CO2体积分数从初始的0逐渐升高到第8天的6.5%。这个现象说明在DFIP组葡萄在贮藏期内呼吸强度一直在缓慢增加，葡萄成熟度逐渐提高。从顶空气体体积分数来分析，相对于DFIP，TFIP中的葡萄的呼吸强度明显低于前者，且在6 d后趋于稳定，稳定后的O2和CO2体积分数分别为17.5%和4.6%左右，这说明在DFIP和TFIP包装中O2和CO2透过能力相同（因为O2膜面积为O1膜的一半，OTR为O1的2 倍）的情况下，MCP功能膜释放的1-MCP对葡萄的呼吸强度起到了抑制作用[30]，并且能够稳定在一个相对较低的呼吸强度范围内。

图 2 贮藏过程中不同包装组内的CO2和O2体积分数Fig. 2 CO2 and O2 concentrations in DFIP and TFIP during storage

2.2 不同包装处理对葡萄贮藏过程中水分损失率的影响

相对湿度100%的贮藏条件虽然可以减少水分流失、抑制果梗褐变，但高湿度环境下灰霉菌具有很高的活性，特别容易引起葡萄腐烂[4]；实验2 d后，两种包装组内相对湿度稳定在95%左右，而此条件下灰霉菌的生长会遭到抑制[31]。由图3可知，DFIP和TFIP组葡萄每天的水分损失率约为0.5%，到第8天时，两种包装中水分损失率均在4%左右，TFIP组葡萄的水分损失稍低一些。从水分损失方面看，1-MCP的作用不明显。对照组葡萄每天损失约4%的水分，DFIP和TFIP包装增加了葡萄贮存环境的相对湿度，减弱了蒸腾作用。W功能膜抑制了每天的水分流失，且不会引起包装内部水分的聚集。通过观察，发现两种包装组内并没有灰霉菌的滋生，而且有效维持了葡萄的水分。

图 3 不同包装对葡萄在贮存期间水分损失率的影响Fig. 3 Effect of different packaging on water loss rate of grapes during storage

2.3 不同包装处理对葡萄贮藏过程中果梗褐变指数的影响

褐变是影响葡萄商业价值的主要因素。对照组第2天果梗的褐变指数达到4以上（图4），水分损失率接近4%（图3），到第3天时已经失去商业价值；由此可知，裸放葡萄的货架期为2 d。对于DFIP包装的葡萄，到第8天时虽然水分损失率为4%左右，但其果梗的褐变指数却达到9，由此可见果梗褐变与水分损失之间没有必要的联系。对于DFIP包装的葡萄，在贮藏第4天时褐变指数达到4，而TFIP包装的葡萄水分损失率与DFIP相近，但是褐变指数却相差很大，到第8天时，TFIP包装的葡萄的褐变指数仅为2，这主要是1-MCP通过与乙烯受体发生不可逆结合，从而抑制乙烯与其受体的正常结合，阻断乙烯反馈调节的生物合成，抑制果梗的呼吸代谢活动[32]。1-MCP通过对乙烯的抑制作用，从而减缓了褐变的发生，延长了货架期。

图 4 不同包装对葡萄果梗在贮存期间的褐变指数的影响Fig. 4 Effect of different packaging on stem browning index during storage

2.4 不同包装处理对葡萄贮藏过程中硬度的影响

刚采摘的葡萄含水量高，还没有达到完全成熟，此时的硬度最高；随着贮存时间的延长，葡萄水分损失率、成熟度增加，浆果细胞壁被酶分解，造成其硬度逐渐降低。由图5可知，所有组别葡萄硬度在贮藏过程中均呈降低趋势，其中对照组降低最快，其次是DFIP组，TFIP组硬度下降最慢。对照组的葡萄由于暴露在空气中，较高的呼吸速率加速了葡萄成熟，贮藏的前5 d，硬度快速下降，5 d后硬度降低幅度减缓；与初始硬度相比较，第8天时硬度降低32%，仅有2.0 kg/cm2。DFIP包装的葡萄，到第8天时硬度为2.48 kg/cm2，比对照组高24%，这归功于DFIP包装对水分的良好保持。TFIP包装的葡萄第8天时硬度为2.75 kg/cm2，比对照组高37.5%。TFPI包装组硬度下降较慢除了与TFIP包装有利于减缓水分流失外，还与TFIP释放1-MCP密切相关，1-MCP具有抑制植物生成乙烯、减缓呼吸强度的作用，也会抑制与软化有关的酶活性[32]。

图 5 不同包装对葡萄贮藏期间硬度的影响Fig. 5 Effect of different packaging on hardness of grapes during storage

2.5 不同包装处理对葡萄贮藏过程中营养成分的影响

图 6 不同包装对葡萄贮藏期间TSS（a）、TA（b）质量分数和VC含量（c）的影响Fig. 6 Effect of different packaging on TSS (a), TA (b) and vitamin C (c)contents in grapes during storage

由图6a可知，贮藏的前2 d，对照组TSS质量分数略微降低，这是因为葡萄属于低呼吸速率的水果，代谢活动引起TSS质量分数降低的程度较小，贮藏2 d后，TSS质量分数呈增加趋势，这是因为对照组在贮藏过程中水分损失对TSS具有浓缩作用，2 d后水分流失对TSS的浓缩作用高于TSS被分解的速率；贮藏到第8天时，TSS质量分数为17.5%，但此时的葡萄已经萎蔫，失去商业价值。DFIP和TFIP包装的葡萄，贮存期内水分流失少，对TSS浓缩作用很小，几乎可以忽略，因此这两组葡萄在贮藏期间TSS质量分数一直处于下降趋势。在第8天时，DFIP和TFIP包装的葡萄中TSS质量分数分别是15.6%和15.9%；相对于DFIP，TFIP包装中的1-MCP减缓了葡萄的呼吸强度[33]，使得其TSS消耗速率下降，因此其TSS质量分数高于DFIP组的葡萄。

葡萄中含有多种有机酸类营养成分，包括酒石酸、苹果酸、抗坏血酸、乳酸、乙酸、柠檬酸等，尤其以柠檬酸含量最高。葡萄初始TA质量分数为4.12%。对照组葡萄虽然存在水分流失对营养成分的浓缩作用，但从图6b中可以发现，其TA质量分数含量仍明显缓慢降低，到第8天时降低到3.50%，DFIP和TFIP包装的葡萄，在相同贮存时间时，TA质量分数稍高于对照组，说明DFIP和TFIP包装环境能够减缓有机酸的分解。DFIP和TFIP组葡萄TA质量分数差异不明显，说明1-MCP对有机酸的分解几乎没有影响。

由图6c可知，所有组葡萄的VC含量均随贮存时间延长而逐渐降低；对照组葡萄的VC含量从初始的2.91 mg/100 g，逐渐降低到第8天时的1.87 mg/100 g；TFIP保鲜的葡萄，其VC含量始终高于DFIP和对照组，说明1-MCP对于维持葡萄贮藏过程中VC含量具有明显的效果。

2.6 不同包装处理葡萄在贮藏过程中的商业价值评分

表 3 贮存期间葡萄的外观、口感、落粒和商业价值综合分数Table 3 Appearance, taste, abscission and commercial value scores of grapes during storage

由表3可见，在第3天时，对照组的葡萄失水率较高，外观较差，果梗虽然已经干燥褐变，但落粒率并不高，口感降低的趋势也很明显，略有点酒精味，甜度下降，在2 d内具有商业价值；DFIP包装的葡萄水分损失率得到有效控制，褐变低于对照组，但褐变不能得到有效控制，落粒率稍高于对照组，汁液多，甜度高，第5天时甜度降低，综合评价货架期达到4 d；TFIP保鲜的葡萄褐变在1-MCP的作用下被有效抑制，一直保持较好的外观，对口感没有产生负面影响，使葡萄的货架期延长到8 d；该组葡萄一直保持很好的口感。

3 结 论

传统包装使用单一高分子膜设计生产，很难同时满足果蔬对包装的透氧和透湿的需求，而本实验提出的多功能集成保鲜包装设计不仅解决了这个难题，还可以在包装中通过引入其他功能性薄膜，例如缓释抗菌、乙烯抑制等薄膜，辅助透氧和透湿功能薄膜提高保鲜效果。本实验中DFIP和TFIP包装有利于保持葡萄的外观、减缓果梗褐变发生、降低硬度损失和水分损失、维持VC含量和TSS质量分数、保持口感。特别是TFIP中缓释的1-MCP对于减缓褐变、维持浆果高硬度和VC含量、保持高品质口感具有明显的作用，能够使葡萄的货架期延长到8 d。