壳聚糖/纳米TiO2复合涂膜对芒果保鲜效果的影响

杨 华,江雨若,邢亚阁,*,郭训练,李文秀,郑 毅,苟 俊,李宣林,税玉儒

(1.西华大学食品与生物工程学院,四川成都 610039;2.攀枝花学院生物与化学工程学院,四川攀枝花 617000;3.黑水县高原蔬菜种植农民专业合作社,四川阿坝 624000)

芒果是目前栽培较多的水果之一,但是,由于芒果生产具有很强的季节性,采收时节正值夏季,果实代谢旺盛,容易后熟而变黄、变软,易腐烂,导致采后不耐贮,低温贮藏中也极易受到冷害[1]。目前,用于芒果保鲜的方法主要有物理法和化学法,但大都具有缺点和应用局限性。物理法需要特殊的设备,成本高,不宜在果农中大范围使用;化学法会有化学品残留,对人体健康存在潜在的危害,并会对环境造成不良影响[2-6]。

壳聚糖,又称脱乙酰甲壳素,是一种天然多糖类的生物大分子,与生物体有良好的亲合相溶性,易在物体表面形成半透膜,且该膜对气体分子具有一定的选择渗透作用[7];壳聚糖无毒,无污染,来源丰富。壳聚糖作为一种天然保鲜剂,近年来被较广泛地应用于果蔬贮藏保鲜。但是,壳聚糖作为涂膜仍存在一些问题,壳聚糖膜的湿态机械强度较差,膜的强度、韧性不够,一段时间后易断裂破碎,使部分表面裸露[8],从而影响其应用的广泛性。纳米TiO2是金属钛的一种氧化物,具有粒径小、比表面积大、表面活性高、无毒、抗菌、防紫外线、超亲水和超亲油等特性[9]。纳米TiO2粒度极小,表面能极高,因此其在贮存和使用过程中易团聚,难分散,故通常采用表面活性剂对纳米TiO2颗粒表面改性。把纳米TiO2加入到壳聚糖中,制备的复合材料兼具有机、无机物的优点,在吸附、降解有机污染物、果蔬保鲜、纺织材料改性、医疗材料、智能材料等方面具有优越的性质[10]。纳米TiO2能够分散在壳聚糖成膜液中,能够提高复合膜的阻水性能,对金秋梨[9]、砂糖橘[11]等显示出高效安全保鲜效果。

本研究运用壳聚糖复合涂膜处理芒果,研究贮藏期间芒果品质和生理指标变化,探讨壳聚糖复合涂膜处理对芒果保鲜的效果。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

攀枝花凯特芒果 购自农贸批发市场,挑选大小均匀,成熟度一致(八成熟)、无损伤无病虫的果实为试验材料;壳聚糖 食品级,购于济南海得贝生物工程有限公司;纳米TiO2浙江舟山明日纳米材料技术有限公司;月桂酸钠 天津市河北区大陆化学试剂厂。

KQ-100DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;BSA224S型电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司;81-2型恒温磁力搅拌器 上海司乐仪器有限公司;GY-3型硬度计 乐清市艾德堡仪器有限公司;数字阿贝折射仪 海能仪器;电导仪 上海盛磁仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖膜的制备及涂膜处理

1.2.1.1 壳聚糖膜的制备 壳聚糖膜的制备参照Rhim等[12]的方法,稍作改动。称取1 g壳聚糖粉末溶解在100 mL 1%(v/v)醋酸水溶液和1 g甘油混合液中,并在90 ℃下加热约20 min,用八层粗棉布过滤,然后超声30 min,制得壳聚糖溶液,记为CTS。

1.2.1.2 纳米TiO2改性 纳米TiO2的改性参照刘瑞麟等[13]的方法,稍作改动。称取5. 0 g纳米TiO2缓慢加入70 mL 去离子水中,用1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH调节pH至5.0,然后加入0.75 g月桂酸钠。在40 ℃加热磁力搅拌器上低速搅拌30 min,随后在4000 r/min速率下,用去离子水离心洗涤3次(每次15 min),弃去上清液,在(105±1) ℃干燥箱中干燥24 h,得到白色改性纳米粉体,研磨成粉末,干燥器中保存,备用。

1.2.1.3 不同浓度纳米TiO2复合膜的制备 分别称取0.01、0.03 g的月桂酸钠改性的纳米TiO2溶于1 g甘油,再依次加入100 mL 1% 醋酸水溶液,1 g壳聚糖粉末,其他步骤同纯壳聚糖膜的制备,记为CTS/TiO2-0.01、CTS/TiO2-0.03。

1.2.1.4 涂膜处理 芒果果实先用自来水冲洗,晾干,然后用不同的膜溶液涂膜,自然风干。未用壳聚糖处理的果实作为对照。上述处理均用打孔薄膜包装,将果实置于13 ℃下贮藏,贮藏20 d,每隔5 d取样。

1.2.2 测定指标及方法

1.2.2.1 膜的微观形态 采用扫描电镜(SEM)观察[14]。

1.2.2.2 转黄指数 果皮颜色级别判定:0级(全绿);1级(果蒂处微黄);2级(果蒂处及以外局部变黄);3级(果面约2/3 变黄);4 级(果面全黄),计算公式如下[15]:

转黄指数(%)=∑(果皮颜色级别×该级别果数)/(最高果皮颜色级别×检查总果数)×100

1.2.2.3 失重率 采用称重法测定芒果失重率[15]。

1.2.2.4 硬度 采用水果硬度计测定,削去芒果果实赤道处的果皮,用GY-3 硬度计测定其硬度[15]。

1.2.2.5 VC采用2,6-二氯靛酚法,取10.0 g芒果果肉,加入少量 20 g/L草酸溶液,磨成匀浆后定容到100 mL容量瓶抽滤后取10 mL滤液用2,6-二氯酚靛酚溶液滴定,根据2,6-二氯酚靛酚滴定消耗量,计算芒果果实中VC的含量,单位为mg/100 g[15]。

1.2.2.6 可滴定酸 采用酸碱中和滴定法,用氢氧化钠标准溶液滴定芒果提取液,根据氢氧化钠的消耗量计算芒果中总酸的含量[15]。

1.2.2.7 可溶性固形物 采用阿贝折射仪测定,取5 g果肉放入研钵中磨碎后,经过离心后取汁液测定[15]。

1.2.2.8 原果胶及可溶性果胶 采用咔唑-比色法[15]。

1.2.2.9 细胞膜透性 采用电导率仪法[15]。

1.3 数据处理

各项生理生化指标测试时取三个平行样,重复三次测试,然后计算平均值,运用SPSS 20.0软件对试验数据进行分析,p<0.05、p<0.01分别表示差异显著、极显著。采用Origin Pro 8.0做图。

2 结果与讨论

2.1 不同纳米TiO2添加量的复合膜微观形态

图1是纯壳聚糖膜和复合膜放大100倍的SEM 照片。图中隆起的小点是包埋在壳聚糖中的纳米TiO2,因其分散在膜的内部而不是覆盖在膜的表面,所以SEM图片中纳米TiO2粒子不是特别清晰。添加纳米 TiO2复合膜的 SEM显示,纳米TiO2与壳聚糖溶液有较好的相容性。由图1可以看出,随着纳米 TiO2含量的增加,复合膜的表面出现出越来越多的团聚的细小晶粒;但是较好地包埋在壳聚糖中,整体表现出良好的分散性,但存在少许团聚现象。

图1 纯壳聚糖膜、不同含量纳米 TiO2复合膜的 SEM 图

2.2 不同处理对芒果转黄指数的影响

色泽是芒果成熟过程中变化最显著的指标,是判断芒果是否后熟的主要外观依据之一,不同处理组均能够延缓果实在贮藏期间的转黄。从图2可看出,在贮藏第5 d时,对照组和处理组果皮都开始转黄;在贮藏20 d时,CK组芒果果皮转黄指数为80.36%,CTS组芒果的转黄指数为71.92%,CTS/TiO2-0.01和CTS/TiO2-0.03组芒果的转黄指数分别为62.31%和58.16%,CTS/TiO2-0.03组分别比CK、CTS、CTS/TiO2-0.01组降低了22.2%、13.76%和4.15%,CTS/TiO2-0.03组芒果的转黄指数显著低于其他各组(p<0.05)。结果表明,壳聚糖复合膜处理效果好于纯壳聚糖膜。

图2 不同处理对芒果转黄指数的影响

2.3 不同处理对芒果失重率的影响

芒果采收后,水分供应中断,但蒸腾作用继续进行,水分蒸腾是导致芒果贮藏过程中质量损失的主要原因。从图3可看出,贮藏期间,所有果实失重率均逐渐上升,但对照组的失重率明显高于处理组。在贮藏20 d时,CTS组处理果的失重率为8.35%,对照组则达到了12.45%。此外,不同浓度壳聚糖-纳米二氧化钛涂膜处理得到的芒果的失重率存在一定差异(p<0.05),CTS/TiO2-0.01组失重率为7.24%,CTS/TiO2-0.03组失重率为6.72%。涂膜处理使得芒果表面形成了一层保护膜,从而使果实表面的水分流失减少,加入改性的纳米二氧化钛又有效地改善了水分的损失,不同浓度的复合膜其透水性也有一定的不同。

图3 不同处理对芒果失重率的影响

2.4 不同处理对芒果硬度的影响

果实硬度的大小表明了果实的软化程度。由图4可看出,随着贮藏时间的延长芒果果实硬度呈下降趋势:在贮藏20 d时,CK、CTS、CTS/TiO2-0.01、CTS/TiO2-0.03组果实硬度分别为2.8、4.1、7.6和8.7 kg/cm2,CTS/TiO2-0.03处理组的芒果果实硬度显著高于其他各组(p<0.05),这说明壳聚糖复合涂膜可有效延长芒果的硬度。果实的软化主要是由于果实内的原果胶被多种水解酶水解导致[16]。涂膜除了有效抑制芒果的失水,还能在芒果果皮表面形成低氧高二氧化碳的微环境,降低氧气浓度,可以抑制果蔬的呼吸作用,削弱芒果的新陈代谢,降低了与芒果硬度相关酶的活性,从而延缓了芒果果实的软化[17]。

图4 不同处理对芒果硬度的影响

2.5 不同处理对芒果VC含量的影响

VC是衡量水果营养价值的重要指标之一,但在贮藏过程中易被氧化分解,使其含量显著降低。由图5可看出,随着贮藏时间的延长,各组芒果中VC含量均逐渐下降。其中,CK中VC下降最快,而涂膜组的VC含量降低的幅度始终小于CK,可能与在果实表面形成的一层涂膜有关,该涂膜因其对O2透气差,从而降低果实内酶的活性,达到延缓VC氧化的作用[18]。贮藏20 d后,CK、CTS、CTS/TiO2-0.01、CTS/TiO2-0.03组VC含量分别为34.96、48.78、50.31和54.34 mg/100 g。CTS/TiO2-0.03组VC含量比CK组高19.38 mg/100 g,且与其他处理组存在显著差异(p<0.05),表明涂膜处理可以有效地保持芒果中VC含量。

图5 不同处理对芒果VC含量的影响

2.6 不同处理对芒果可滴定酸的影响

可滴定酸主要由各种有机酸组成,也是影响果实风味和贮藏品质的重要因素之一。由图6可看出,随着贮藏时间的延长,CK组和涂膜组芒果中可滴定酸含量均呈现不断下降的趋势。贮藏前可滴定酸含量为1.2%,第20 d时,CTS/TiO2-0.01组与CTS/TiO2-0.03组差异不显著(p>0.05)。此外,CK组可滴定酸含量降为0.37%,而CTS/TiO2-0.03组降为0.64%,两组差异显著(p<0.05)。这说明经壳聚糖复合涂膜后,在抑制芒果中可滴定酸降解、保持果实酸甜可口方面具有较好的效果。这与陈勇等[19]研究发现涂膜后芒果的可滴定酸分解速度降低的结果一致。

图6 不同处理对芒果可滴定酸的影响

2.7 不同处理对芒果可溶性固形物含量的影响

可溶性固形物含量是反映果实营养价值及判断果实耐贮藏能力的重要指标。芒果在成熟过程中可溶性固形物含量逐渐增加,但是在衰老过程中,部分糖作为底物被消耗,从而可能使芒果的可溶性固形物含量出现下降。贮藏保鲜的目的之一是延缓芒果可溶性固形物的上升速度。由图7可看出,对照组芒果的可溶性固形物始终保持上升趋势,且其值最大。在贮藏20 d时,CK、CTS、CTS/TiO2-0.01和CTS/TiO2-0.03组可溶性固形物含量分别为15.93%、11.21%、9.52%和9.40%,CTS/TiO2-0.03处理组比CK低6.53%,CTS/TiO2处理组芒果的可溶性固形物含量显著低于其他组(p<0.05)。表明壳聚糖/纳米TiO2涂膜抑制了芒果可溶性固形物上升的速度,维持了芒果良好的品质,增加了芒果的耐贮藏性。

图7 不同处理对芒果可溶性固形物含量的影响

2.8 不同处理对芒果原果胶及可溶性果胶的影响

在未成熟果实中,果胶物质与纤维素结合以原果胶的形式存在。随着果实的成熟,原果胶部分被分解为可溶性果胶,果实组织也就变得松驰,软化,硬度下降。从图8和图9可看出,芒果果肉的原果胶含量呈下降趋势,可溶性果胶含量呈上升趋势。在贮藏20 d时,CK、CTS、CTS/TiO2-0.01和CTS/TiO2-0.03组原果胶含量分别降为0.12%、0.28%、0.34%和0.39%,CTS/TiO2-0.03处理组比CK高0.27%(p<0.05);CK、CTS、CTS/TiO2-0.01和CTS/TiO2-0.03组可溶性果胶含量分别上升为0.70%、0.62%、0.54%和0.49%,CTS/TiO2-0.03处理组比CK低0.21%。这说明经壳聚糖复合涂膜在抑制芒果原果胶下降、可溶性果胶上升方面具有好的效果。这与刘琨等[20]研究发现芒果经涂膜处理后,果胶的降解速度得到了控制,果实硬度保持较好的结果一致。

2.9 不同处理对芒果细胞膜渗透性的影响

细胞膜具有选择透过性功能,其变化反映了果蔬抗逆性的强弱或受到伤害的程度。果蔬组织后熟衰老过程中,细胞质膜功能活性下降,膜通透性增加,出现细胞内电解质向外渗漏,引起提取液的电导率增加[20]。通过相对电导率表示芒果细胞膜渗透率以及细胞膜受到伤害的程度。从图10可看出,芒果在贮藏过程中,其果皮相对电导率均呈上升趋势,对照组上升速度最快,CTS/TiO2-0.03组上升速度最慢,在贮藏20 d时,CK、CTS、CTS/TiO2-0.01和CTS/TiO2-0.03组细胞膜渗透性分别为60.43%、54.39%、48.65%和45.12%,CTS/TiO2-0.03处理组芒果的细胞膜渗透性显著低于其他各组(p<0.05)。表明涂膜能使芒果维持了较好的细胞质膜功能活性。

图10 不同处理对芒果细胞膜渗透性的影响

3 结论

通过保鲜过程中各项生理生化指标的测定得出,当壳聚糖/纳米TiO2复合膜中壳聚糖质量分数为1%,纳米TiO2质量分数为0.03%时,涂膜处理可以较好地保持芒果果实硬度、VC及可滴定酸含量,延缓果胶的降解速度,保持细胞膜的功能活性。在贮藏第20 d时,芒果转黄指数为58.16%,失重率为6.72%,说明壳聚糖/纳米TiO2复合涂膜对芒果在13 ℃贮藏条件下起到了较好的保鲜作用。经壳聚糖纳米二氧化钛涂膜处理后,芒果表面形成了一层膜,使得芒果处在一个微环境中,利于贮藏保鲜,涂膜后能减少水分散失,抑制VC的氧化,抑制酸的降解,抑制可溶性固形物含量和细胞膜渗透性的上升,抑制果胶物质的转换速度,维持较好的果实硬度,且壳聚糖复合膜的效果优于壳聚糖单膜。