海藻酸钠/冬凌草提取物复合膜的制备和应用

纠敏，孟媛媛，李桂霞，齐龙升，钟强，汪伦记，2，*

（1.河南科技大学食品与生物工程学院食品加工与安全国家级实验教学示范中心，河南洛阳471023；2.河南科技大学食品与生物工程学院微生物资源开发与利用重点实验室，河南洛阳471023）

我国是世界上果蔬生产大国，也是消费大国。但果蔬生长的季节性强，新鲜果蔬水分含量多，采后生理活动旺盛，易破损腐烂，因此，给果蔬的采后处理、贮藏保鲜造成困难。由于贮藏不善，或生理与微生物病害的影响，往往导致大量果蔬的腐烂损失。在众多影响新鲜果蔬品质的因素中，采后病害引起的腐烂是导致贮藏损失最重要的原因。目前，已发展出多种的果蔬贮藏保鲜技术，如冷藏保鲜[1-2]、气调贮藏[3]、化学方法保鲜[4-5]、涂膜保鲜[6-8]等。但目前生产实践中仍然主要依靠化学杀菌剂。杀菌剂的长期和大量使用，严重污染环境，有害于人类健康。因此，开发绿色、安全、高效的果蔬贮藏技术已迫在眉睫。

草本植物提取物，具有低毒高效、且残留少、环境友好、选择性强、病原菌难以产生抗药性。在可食用膜中添加草本植物提取物用于果蔬保鲜，具有明显的防腐效果，已成为开发新型涂膜保鲜剂的一个重要发展方向[9-10]。我国有丰富的中草药资源，许多中草药如大黄、黄连、五倍子等有广泛的杀菌抑菌性，对果蔬采后病菌有较好的抑制作用。目前，已有丁香、大黄、五倍子、高良姜、肉桂等提取液与其他保鲜物质间的复配物涂膜用于苹果、番荔枝、枇杷、梨等果实的贮藏保鲜，并取得良好效果的报道[11-14]。

冬凌草是我国的特色中草药，1972年从民间被发掘出来，其主要活性成分为冬凌草甲素[15]。冬凌草甲素为贝壳杉烯骨架的四环二萜类化合物，无色棱柱状结晶，味道极苦，不溶于水，溶于乙醚、甲醇、乙醇等有机溶剂，具有抗炎、抗菌、抗氧化和抗肿瘤等多种药理活性[16]。据研究，冬凌草对番茄灰霉病菌和苹果炭疽病菌等植物病原菌的菌丝生长和孢子萌发具有一定的抑制作用[17]。但是，目前有关冬凌草用于果蔬保鲜的研究鲜有报道。本文以海藻酸钠为成膜剂，冬凌草提取物作为抑菌剂，甘油为增塑剂，氯化钙作为交联剂，对海藻酸钠/冬凌草提取物复合膜的物理特性进行了分析，并考察了其对砂糖橘的保鲜效果，以期为冬凌草应用于果蔬的防腐保鲜提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

冬凌草地上部分，采自河南省济源市，由河南科技大学食品与生物工程学院原江锋副教授鉴定，干燥后经中药粉碎机粉碎，过60 目筛放入干燥器中备用；砂糖橘：市售，挑选大小、色泽均匀、无病、虫、伤的果实。

2，6-二氯酚靛酚、海藻酸钠、抗坏血酸、葡萄糖、氯化钡、草酸、蒽酮、无水乙醇、甲醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、甘油、氯化钠等均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

BSA224S 电子天平：德国 Sartorius；UV752 紫外可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；RE-5298旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；H-2050R 低温超速离心机：湖南湘仪离心机仪器有限公司；LDZX-30KBS 立式压力蒸汽灭菌锅：上海申安医疗器械厂；中药粉碎机：北京科伟永兴仪器有限公司；DHG-9246A 电热鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；LRH-250F 生化培养箱：上海一恒科学仪器有限公司；SW-CJ-2D 超净工作台：上海苏净实业有限公司；螺距测微计：德国（masterproof）麦思德；Instron5544 型质构仪：美国Instron 公司。

1.2 试验方法

1.2.1 冬凌草醇提物的制备

称取制备的冬凌草30 g，放入回流装置的提取瓶中，加入95%的乙醇300 mL，把回流装置放入超声波发生器中进行超声乙醇回流提取，提取温度40 ℃、每次提取时间30 min、超声功率150 W，提取2 次，合并两次滤液，减压抽滤，滤液经45 ℃旋转蒸发仪浓缩制得浸膏，浸膏经真空干燥制成固体粉末。

1.2.2 海藻酸钠/冬凌草醇提物复合膜制备

称取2 g 海藻酸钠溶解于80 ℃100mL蒸馏水溶液中，充分搅拌至溶液澄清。冷却至25 ℃左右，分别加入质量分数为0.125%、0.25%、0.5%、1%和2%的冬凌草醇提物，接着加入质量分数1%的甘油，在磁力搅拌器上充分搅拌溶解，静止过夜脱气。然后取10 mL加入18 cm×10 cm 的干净玻璃板上流延成膜，放入40 ℃的烘箱中烘干，然后加入质量分数2 %的氯化钙交联2 min，用蒸馏水冲洗干净，揭膜晾干，25 ℃下平衡24 h 备用。

1.2.3 海藻酸钠/冬凌草醇提物复合膜的物理特性分析

1.2.3.1 复合膜厚度测定

使用精确度为0.001 mm 的螺旋测微计在膜的中心及四角测厚度，求平均数，单位mm。

1.2.3.2 复合膜机械性能测定

根据参考文献[18]分别测定膜的抗拉伸强度（MPa）和断裂延伸率（%）。对每个处理的样品做3 平行。抗拉伸强度和断裂延伸率的公式分为式（1）和式（2）所示：

式中：ST 为抗拉伸强度，MPa；Fm 为膜断裂时承受最大拉力，N；L 为膜的厚度，m；W 为膜的宽度，m。

式中：TS 为断裂延伸率，%；Lmax为膜断裂时达到最大长度，m；L0为膜的初始长度，m。

1.2.3.3 透光率测定

根据参考文献[19]测量复合膜透光率。每个处理重复3 次。复合膜的透光率公式为：

式中：Tr 是薄膜在560 nm 下的透过率；T0是空白对照，为不放薄膜时比色皿的透过率（其透过率为100%）。

1.2.3.4 水蒸汽透过率的测定

根据参考文献[20]测定复合膜的水蒸汽透过率（water vapor permeability，WVP），WVP 计算公式为：

式中：X 为膜的平均厚度，mm；S 为有效面积 1.8×10-3m2；Δm 为两次质量之差，g；t 为间隔时间，h；ΔP 为膜两侧的蒸汽压差，由于膜两侧环境湿度梯度为100%，ΔP=3.2 kPa（22 ℃）。

1.2.4 海藻酸钠/冬凌草提取物复合膜对砂糖橘保鲜效果的研究

试验分为3 组，即未经涂膜处理的对照组（CK）、海藻酸钠涂膜组和冬凌草-海藻酸钠保鲜剂涂膜组。制备的涂膜溶液对砂糖橘浸泡3 min 涂膜，自然风干。用0.004 mm 带孔的聚乙烯包装，橡皮筋封紧袋口并标上记号，25 ℃左右贮藏。每组3 个平行，每个平行10 个砂糖橘[21]。

1.2.4.1 贮藏效果测定

失重率：采用称重法。

1.2.4.2 果实品质分析

从每个处理中随机抽取10 个果实，经捣碎机破碎，低温离心，取上清液进行果实品质分析。采用数显折光仪测定可溶性固形物含量，酸碱滴定法测定可滴定酸度，蒽酮比色法测定总糖含量，2，6-二氯酚靛酚滴定法测定抗坏血酸的含量[22]；每次平行测定10 次，取平均值。

1.2.5 数据处理

2 结果与分析

2.1 冬凌草提取物对复合膜厚度、透光率和水蒸气透过率的影响

海藻酸钠是一种从海带或藻类植物中提取的天然多糖，具有优良的成膜性、透气性、保湿性、生物降解性和生物相容性等优点，在果蔬的保鲜中常用作成膜基质材料[23]。由于具有亲水性基团，其阻湿性较差，冬凌草醇提物对复合膜厚度、透光率和水蒸气透过率的影响见表1。

表1 冬凌草醇提物对复合膜厚度、透光率和水蒸气透过率的影响Table 1 Effect of R.rubescens extract on thickness，transparency and water vapor permeability of film

从表1 可以看出，添加不同质量浓度的疏水性较强的冬凌草提取物，能显著降低复合膜的水蒸气透过率（P＜0.05）。应用于果蔬保鲜时，能通过降低果蔬气体交换，减小水分蒸腾，保持其饱满的外表与硬度。但随着冬凌草提取物添加量增加，复合膜的厚度逐渐增加，透光率显著下降（P＜0.05）。膜厚度的增加会导致膜的脆性增加，给应用带来困难，同时也会导致膜制备的成本的增加。复合膜透光率的下降是由于冬凌草提取物呈现深绿色的缘故。

2.2 冬凌草提取物对复合膜机械特性的影响

拉伸强度和延展性是评价包装材料机械性能的重要指标[18]。海藻酸钠透湿性强，溶液具有一定黏度，具有良好的成膜性，形成的膜也具有良好的拉伸性能。冬凌草提取物对复合膜机械性能的影响见表2。

表2 冬凌草醇提物对复合膜机械性能的影响Table 2 Effect of R.rubescens extract on mechanical properties of film

由表2 可知，添加冬凌草提取物改变了复合膜的拉伸强度和断裂伸长率。随着冬凌草提取物添加量的增加，复合膜的抗拉伸强度增大，这可能是由于冬凌草提取物的加入，通过分子间的相互作用，有利于海藻酸钠的规整排列，并使结晶发生了变化，但随着冬凌草添加量继续增加，其质量分数大于0.5%时，复合膜拉伸强度呈下降趋势，这可能由于冬凌草提取物的添加量继续增加使得水分不能和增塑剂形成氢键，导致复合膜的含水量少故容易出现断裂，近而丧失应有的弹性，使得复合膜的抗拉伸强度下降。随着冬凌草提取物添加量的增加，复合膜的断裂拉伸率有所降低。这是由于冬凌草添加量的增加，海藻酸钠分子在成膜过程中的定向排列稳定性变强，最终形成的复合膜结构比较有序，且致密性高，刚性强。

王大海等[17]报道冬凌草中抑菌活性成分对灰霉病菌和炭疽病菌等的菌丝生长和孢子萌发具有一定的抑制活性，其EC50值在668 mg/L～3 869 mg/L 之间。因此，复合膜应用于水果保鲜时，冬凌草提取物添加量少，导致抑菌活性成分不能有效抑制霉菌对砂糖橘的侵染；添加量过多，复合膜较厚，拉伸强度和断裂伸长率降低，会导致应用困难。综合考虑复合膜的抑菌活性、阻湿性和机械性能，选择添加质量分数为1%的冬凌草提取物制备的复合膜进行砂糖橘的保鲜试验。

2.3 海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏效果的影响

水分是果实的主要成分，是衡量果实新鲜度、味道等一项重要指标。在果实贮藏期间，呼吸作用消耗果实体内的水分和蒸腾作用使果实水分减少，失重率不断的增加，影响水果的贮藏，缩短其贮藏时间[24]。海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏效果的试验结果见图1。

图1 海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏效果的影响Fig.1 Effect of alginate coating enriched with R.rubescens extract on storage of shatang mandarin

由图1 可知，常温贮藏时各组砂糖橘失重率逐渐增加。其中，空白对照组的砂糖橘失重率明显高于其他处理组，贮藏至第40 天时失重率已达到6.8%。而冬凌草提取物复合涂膜组失重率一直处于较低的水平，到第40 天时，失水率为5.87%，保水效果最好（P＜0.05）。

冬凌草提取物-海藻酸钠复合膜对砂糖橘好果率的试验见图1。从图1 可知，各组的好果率均呈现下降趋势。其中，空白对照组在第10 天已出现腐烂现象，贮藏至20 d 时，涂膜组砂糖橘均出现腐烂情况。贮藏至40 d 时，空白对照组的好果率已下降至62%，冬凌草提取物/海藻酸钠复合涂膜组的好果率为88%，显著高于对照组。试验结果表明冬凌草提取物/海藻酸钠复合涂膜能更好地保持果实的质量，提高果实的好果率，延长果实的货架期。

2.4 海藻酸钠/冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏品质的影响

VC对维持生物体正常的生理功能有重要作用，是人体必需的营养素，也是水果中含量较高的营养成分之一，水果的贮藏品质和维生素C 的含量有密切关系。海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏品质的影响见图2，海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘维生素C 的含量影响见图2a。

由图2a 可以看出砂糖橘中VC含量呈现先上升后下降的趋势，贮藏到40 d 时，空白对照组的VC含量为9.23 mg/100 g，而复合涂膜组砂糖橘VC含量和对照组相比存在显著的差异，高达12.17 mg/100 g（P＜0.05）。

图2 海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘贮藏品质的影响Fig.2 Effect of alginate coating enriched with R.rubescens extract on storage quality of shatang mandarin

可溶性固形物是蔬果中用来衡量其营养成分的一个重要指标。海藻酸钠-冬凌草醇提物复合膜对砂糖橘可溶性固含物的含量影响见图2b。由图2b 中可知，砂糖橘贮藏前期可溶性固形物会先增加，随着果实渐渐成熟，可溶性固形物不再增加，还会作为呼吸强度的能量来源而不断被消耗，贮藏后期可溶性固形物含量降低。在试验中，复合涂膜处理的砂糖橘贮藏到40 d 时，可溶性固形物含量显著高于对照组（P＜0.05），这表明，涂膜处理降低了砂糖橘的生理活性，延缓了果实的后熟过程。

糖是维持果实生理活性重要的能量，由图2c 可知，砂糖橘中的总糖含量在贮藏过程中呈先上升再下降的变化，这是因为贮藏的砂糖橘，随着贮藏时间的延长而逐渐成熟，果实中相关成分转化为糖类，糖分逐渐积累到最高值，到后期由于呼吸作用的消耗，总糖含量开始下降。贮藏到40 d 时，复合涂膜组砂糖橘的总糖含量高于对照组（P＜0.05），试验表明，冬凌草提取物和海藻酸钠复合膜能有效的延缓糖分的消耗。

复合膜对砂糖橘可滴定酸含量的影响见图2d，由图2d 可知，不同处理组砂糖橘可滴定酸含量在贮藏过程中呈下降趋势，这是由于果实贮藏期间合成酸的酶活性下降，呼吸作用导致有机酸降解为其他小分子物质。复合涂膜组可滴定酸含量显著高于对照组，能减少总酸的降解量，延缓贮藏时间。

3 结论

本文研究了不同质量分数的冬凌草提取物对冬凌草提取物-海藻酸钠复合膜物理特性的影响。结果表明冬凌草提取物显著降低复合膜的透光率和水蒸气透过率（P＜0.05）。在海藻酸钠中加入冬凌草提取物能改善复合膜的阻湿性，但其质量分数大于0.5%时，会降低复合膜的机械性能。对制备的海藻酸钠-冬凌草提取物复合涂膜溶液对砂糖橘的保鲜试验结果表明，复合膜抑制了果实的采后腐烂及水分损失，失重率显著低于空白对照组（P＜0.05），同时延缓了可溶性固形物、可溶性糖的含量、可滴定酸及VC含量的下降，具有较好的保鲜效果。