聚乙烯醇基SiO2/TiO2纳米包装膜制备及对双孢菇保鲜效果

马清华，蔡 铭*，谢春芳，杨 开，孙培龙

（浙江工业大学食品科学与工程学院，浙江 杭州 310014）

双孢菇（Agaricus bisporus）又名白蘑菇、洋蘑菇，分布于欧洲、亚洲的温带地区[1]。双孢菇是目前世界上消费量最大的食用菌之一，也是国内培养最广、产量最大的食用菌，是我国出口创汇的主要食用菌[2]。但是，与市场上其他新鲜蔬菜相比，双孢菇采后货架期极短，一般只能维持3～4 d[3]。其原因是双孢菇水分含量非常高，采后呼吸作用旺盛，导致极易失水萎蔫，同时，双孢菇菌盖无明显的保护结构，易受到机械伤害和微生物污染，导致子实体褐变乃至腐烂，最终降低双孢菇的食用品质[4]。目前，双孢菇的采后保鲜技术主要集中在气调保鲜、涂膜保鲜、辐照处理和臭氧保鲜等[5-8]。然而，随着栽培方式的改进以及物流水平的提高，贮藏的要求已经从静态保鲜转向流通运输环节中的动态保鲜，传统的保鲜技术很难满足双孢菇等鲜活农产品的市场需求[9]。因此，开发新型包装技术迫在眉睫。

纳米保鲜技术是一种绿色、高效、节能的新型保鲜技术，在果蔬保鲜领域中已逐渐成为研究热点。与传统包装材料相比，纳米食品包装材料在抑菌、抑制乙烯产生、气体选择透过性等方面具有明显优势，尤其适合鲜活农产品的保鲜贮藏[10]。据报道，采用纳米包装材料可以有效减缓金针菇的品质劣变、延长货架期[11]。曾丽萍等[12]研制的纳米TiO2聚乳酸包装膜与纯聚乳酸包装膜相比能更好地抑制香菇呼吸作用，减缓水分流失和维持较高VC、还原糖含量，并且维持香菇的感官品质。Li Wenhui等[13]制备的TiO2聚乳酸包装膜与低密度聚乙烯包装膜和纯聚乳酸包装膜相比能更好地维持奶酪的质量、pH值等，且具有更好的抗菌效果。Zhang Rongmei等[14]研制的魔芋葡甘聚糖/角叉菜胶/纳米SiO2包装膜有效降低了双孢菇的呼吸速率，延长了双孢菇的货架期。

本实验研制了不同浓度的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）基SiO2/TiO2纳米包装膜，并分析其结构特性及其对双孢菇贮藏品质的影响。从而探明纳米包装材料在双孢菇保鲜中的应用优势，为食用菌的保鲜提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

双孢菇（均为当天采摘）购于当地农贸市场，运送至实验室后立即放入4 ℃冰箱内预冷24 h。削去菇柄下端带泥部分，选择形状大小均匀（伞盖直径为（45±5）mm）、颜色洁白、无开伞、无机械损伤的双孢菇进行实验。

聚乙烯（polyethylene，PE）膜（厚50 μm） 广东省佛山市双富包装有限公司;聚乙烯醇1799（PVA）、纳米SiO2、纳米TiO2上海麦克林生化科技有限公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 上海央申科技仪器有限公司;超声波分散仪 杭州宝珀超声波科技有限公司;SX-5000AX型实验室涂布机 杭州大卫科教仪器有限公司;300型塑料薄膜封口机 浙江临安斯普利电子有限公司;Vega 3 SBH型扫描电子显微镜捷克Tescan公司;WVTR-2505型水蒸气透过率测试仪、GTR-7001型气体透过率测试仪 济南思克测试技术有限公司;微机控制电子万能材料试验机 上海协强仪器制造有限公司;TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司;ColorQuest XE型色差仪 美国HunterLab公司。

1.3 方法

1.3.1 涂膜液的制备

准确称量15 g PVA溶于150 mL蒸馏水中，加入1.5 g甘油作为增塑剂，95 ℃恒温搅拌3 h，冷却得到PVA母液作为空白对照组，分别将PVA质量1%的纳米SiO2、2%的纳米SiO2、1%的纳米TiO2、2%的纳米TiO2分散于PVA母液中，超声（360 W）处理45 min，得到4 种PVA纳米复合溶液。

1.3.2 包装膜的制备

将上述制得的涂膜液倾倒于实验室涂布机上，涂成均匀的涂层，55 ℃加热干燥1 h后揭膜，制得5 种PVA纳米包装膜，厚度为50 μm，分别标记为P0（空白对照）、S1（1%纳米SiO2添加量）、S2（2%纳米SiO2添加量）、T1（1%纳米TiO2添加量）、T2（2%纳米TiO2添加量），放入25 ℃、相对湿度53%恒温恒湿培养箱内，平衡48 h后进行性能测试。

1.3.3 纳米包装膜结构表征

采用扫描电子显微镜观察包装膜表面的微观结构以及纳米SiO2和TiO2的分散情况。取平整的样品薄膜，将其裁切为合适大小后粘贴在载物台上，喷金后用扫描电子显微镜观察并拍摄薄膜表面，加速电压为15 kV，放大倍数为3 000 倍。

1.3.4 阻隔性测定

将包装膜裁剪成直径为76 mm的圆形样品，用水蒸气透过率测试仪测定水蒸气透过量，温度38 ℃，相对湿度90%，每个试样测6 次，取平均值。

将包装膜裁剪成150 mm×94 mm的条状，用气体透过率测试仪测定二氧化碳透过率，测试温度为23 ℃，相对湿度为50%，每个试样测6 次，取平均值。

1.3.5 薄膜力学性能测定

采用万能材料试验机测定薄膜的抗拉强度、断裂伸长率和杨氏模量，分别沿样品的长度和宽度方向裁取宽度为20 mm的薄膜样品，夹距设为50 mm，拉伸速率设为200 mm/min，环境温度为20 ℃，相对湿度50%，每个样品测10 次，取平均值。

1.3.6 纳米包装膜对双孢菇的贮藏效果分析

使用封口机将市售PE膜和自制的5 种纳米包装膜分别制成规格为140 mm×185 mm的包装袋。每袋装取双孢菇（120±5）g，分别记为阳性对照组（PE），阴性对照组（P0）和处理组（S1、S2、T1、T2），用封口机密封保存，温度（10±1）℃，相对湿度（90±2）%，贮藏5 d，每天进行各项指标测定，每组实验重复3 次。测定指标包括硬度、白度、质量率、感官评价。

1.3.6.1 硬度和白度测定

双孢菇硬度使用质构仪测定，选择P/2型探头，以1 mm/s测试速率穿刺蘑菇，测得硬度。白度L*值采用ColorQuest XE型色差仪进行测定。每个处理取3 个蘑菇，每个蘑菇测10 次，取其平均值。

1.3.6.2 质量损失率测定

质量损失率的测定采用差量法[15]，将刚包装的双孢菇称质量，之后每隔24 h称质量一次，按下式计算质量损失率，每组重复3 次，取平均值。

式中：m0表示双孢菇初始质量/g;m表示双孢菇取样时质量/g。

1.3.6.3 感官评价

表 1 双孢菇感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of Agaricus bisporus

参照王萍[16]、潘艳娟[17]等的方法并稍加改动，双孢菇感官评价标准见表1。招募10 名志愿者（男女各5 名）组成评价小组对双孢菇的形状、颜色、气味、质地进行综合评价。通过加权平均原则计算样品分值，形状加权系数为0.2，颜色为0.2，气味为0.3，质地为0.3，设最低分为7.5 分，低于7.5 分则失去商品流通价值。

1.4 数据统计与处理

采用Excel 2016软件对数据进行基础处理，采用SPSS 17.0软件对数据进行单因素方差分析，使用邓肯氏进行多重比较，若P＜0.05则表示差异显著，采用Origin 9.0软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 纳米包装膜的微结构特征

图 1 不同膜的扫描电子显微镜图Fig. 1 Scanning electron microscopy images of different films

由图1A可见，未添加纳米粒子的膜表面平滑无裂痕。纳米粒子添加量为1%时，纳米SiO2和纳米TiO2粒子均匀分散在PVA中（图1B、D）。而当纳米粒子添加量为2%时，两种纳米粒子均出现严重的团聚现象（图1C、E）。纳米粒子的团聚可能会影响薄膜的致密性。这表明无论是SiO2还是TiO2纳米粒子，在添加量为1%时相容性较好。

2.2 纳米包装膜的阻隔性

图2为处理组纳米包装膜与未添加纳米粒子的PVA膜（空白对照）、市售PE膜（阳性对照）的透气性比较。就CO2透过率而言，PVA膜比PE膜低约1 000 倍;而对于水蒸气透过量，PVA膜比PE膜高约100 倍。PVA分子链上存在大量的羟基，属于极性聚合物，因此对非极性的CO2有较强的阻隔性，而对弱极性的水的阻隔性较差[18]。相比纯PVA膜，1%纳米SiO2和TiO2粒子的包装膜水蒸气透过量分别降低9.05%和13.96%（P＜0.05），CO2透过率分别降低35.66%和12.58%。这是由于纳米SiO2、TiO2粒径小，易分布到高分子链的空隙中，与PVA大分子互相结合成致密的立体网状结构，同时SiO2、TiO2纳米粒子具有很大的比表面积和很高的表面能，活性较高，可以很好地与PVA表面发生吸附作用[19]，从而增强膜的致密性，提高水的阻隔性。但是，纳米粒子添加量为2%的纳米包装膜CO2透过率却高于纳米粒子添加量为1%的纳米包装膜。原因可能是在较低浓度下，纳米颗粒可以更均匀地嵌入PVA大分子网状结构中;而高浓度的纳米颗粒干扰了PVA链的有序排列，使之趋于无序，降低了膜的结晶度，扩大了无定型区，因此增加了气体通量[20]。

图 2 不同膜的阻隔性能比较Fig. 2 Comparison of gas barrier properties of various films

2.3 纳米包装膜的机械性能

杨氏模量是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，与抗拉强度、断裂伸长率均为表征膜材料力学性能的常用指标。图3为不同纳米复合膜的机械性能。添加量为1%的纳米SiO2和纳米TiO2复合膜机械性能最佳，其抗拉强度、断裂伸长率和杨氏模量分别比纯PVA膜高23.86%、1.59%、72.89%和23.41%、0.84%、96.24%。这是因为适量的纳米粒子和聚合物之间良好的相互作用力产生了有效的载荷传递，纳米粒子分担并传递了载荷，使得PVA机械性能得到提高[21]，杨达[22]也得出类似结论。添加量为2%的纳米复合膜与添加量为1%的纳米复合膜及纯PVA膜相比抗拉强度、断裂伸长率有所降低，原因是纳米粒子添加量高的纳米复合膜中，粒子之间容易团聚，从而形成微米簇，有研究表明过量添加纳米粒子不但起不到增强增韧的作用，反而使薄膜的机械性能降低[23]，这与黄静等[24]得到的结论相似。但含2%纳米粒子的PVA膜的杨氏模量显著高于纯PVA组（P＜0.05），说明当纳米粒子添加量为2%时能一定程度减少弹性形变。

图 3 不同膜的机械性能比较Fig. 3 Comparison of mechanical properties of various films

2.4 纳米包装膜对双孢菇的贮藏效果

图 4 不同种类膜处理组双孢菇的贮藏效果Fig. 4 Preservation effects of various films on Agaricus bisporus

含水量是双孢菇新鲜度的重要指标之一。双孢菇在贮藏期间进行呼吸作用会分解有机物，并且蒸腾作用会造成水分流失，引发子实体萎蔫和腐烂[25]。如图4A所示，随贮藏时间的延长，不同包装材料处理的双孢菇质量损失率均上升。其中，PE膜处理的双孢菇质量损失率始终处于较低水平，明显低于PVA包装膜处理组，第5天时仅为3.45%。P0组双孢菇质量损失率最高，第5天高达17.96%。贮藏期间，不同纳米包装膜处理组双孢菇质量损失率明显低于P0组。贮藏3 d后S1组和T1组质量损失率的增加趋势变缓，至第5天，S1组和T1组双孢菇质量损失率分别为12.39%和12.06%，但二者之间差异不明显，比纯PVA包装贮藏双孢菇的质量损失率分别减少31.06%和32.87%。而S2组和T2组双孢菇的质量损失率在第4天已达10.61%和12.16%，至第5天分别为13.83%和14.93%，说明S1组和T1组纳米包装膜对双孢菇质量的保持优于S2组和T2组纳米包装膜。由膜阻隔性实验可知，PVA包装膜中添加纳米粒子可减少水蒸气和CO2的透过，且纳米粒子添加量为1%的S1和T1组的CO2透过率低于2%的S2和T2组，能更好地抑制双孢菇贮藏期间水分的蒸发，抑制呼吸作用，减少有机物的消耗，从而保持双孢菇的品质。

硬度的降低是果蔬从成熟转向衰老的特征之一。果蔬的硬度主要取决于细胞壁的机械强度和细胞的膨压，而这两者与其体内大分子物质和水分含量密切相关[26]。双孢菇在不同包装膜中的硬度变化如图4B所示。随贮藏时间的延长，PE组的双孢菇硬度呈逐渐下降趋势，第5天硬度达201.52 g，由于PE膜透水性差，蒸腾作用逸失的水分保留在包装袋中，这为腐败微生物提供了高湿的环境，且由于双孢菇开伞到一定程度木质化明显，进一步加速双孢菇变软[27]。P0组及4 种纳米包装膜处理组的双孢菇硬度变化趋势均呈先上升后下降，是因为PVA膜透水量较大导致双孢菇贮藏前期失水较多而变硬，贮藏后期变软是由于双孢菇子实体进入衰老期，营养物质和细胞壁逐渐降解，细胞膨压不断下降[28]。此外，也有研究指出高浓度CO2有利于保持双孢菇的硬度[29]，因此纳米包装膜组硬度较纯PVA组变化幅度较小。贮藏第5天，S1、S2、T1组双孢菇硬度值较PE组分别高13.16%、15.22%、13.05%。

双孢菇在贮藏过程中会发生酶促褐变，使色泽由白色转变为褐色或黑色，从而失去商业价值[30]。通常用白度（L*）表示双孢菇表面颜色的亮度，L*值不低于86为好品质，L*值介于80～85为可接受品质[31]。由图4C可以看出，贮藏期间双孢菇的白度整体呈下降趋势。PE膜、无包装的双孢菇白度下降迅速，在第5天白度分别降到77.41±1.86、81.62±0.79。在贮藏期间，纳米包装膜处理的蘑菇白度高于P0和PE组。不同处理组双孢菇在包装后0～3 d白度均保持在87以上，说明双孢菇具有良好的色泽。第5天不同纳米包装膜处理组白度在83～86之间，处于可接受范围。贮藏第5天，经T1膜包装的蘑菇白度（86.18±2.63）略高于T2组（84.79±1.16）、S1组（84.23±1.06），且差异不明显;T1、T2组显著高于S2组（83.01±1.53），说明纳米包装膜可有效延缓双孢菇表面颜色变暗，抑制酚类化合物氧化引起的褐变。纳米TiO2包装膜较纳米SiO2包装膜能更好地保持双孢菇的色泽，是由于纳米TiO2具有光催化抗菌性能[32]，能抑制双孢菇表面微生物的生长从而维持其白度，这与邱松山[33]、解淑慧[34]等的研究结果相似，其分别将纳米TiO2用于荸荠、沙糖橘保鲜，有效延缓了褐变。

感官评价得分能直观反映双孢菇的商品价值。双孢菇采后易发生褐变、开伞、脱水萎蔫，并且容易受到微生物侵染导致腐败，通过感官评价可了解不同包装膜对双孢菇的实际保鲜效果。如图4D所示，在贮藏期间，PE组、P0组与处理组双孢菇的感官评价得分差异明显。第2天，PE组膜内壁便出现细微水珠，并且蘑菇发生褐变，P0组和4 种纳米膜包装的双孢菇子实体出现变硬的现象，这是膜具有一定的透水量造成的[35]。至第4天，PE组双孢菇出现开伞现象，并产生异味;P0组轻微开伞，褐变加重;而4 种纳米膜组均出现菌柄伸长、产生少量气生菌丝的现象。4 种纳米膜CO2透过率最低，导致包装袋内的CO2浓度相对较高，抑制双孢菇的开伞、褐变与腐败[36]。至贮藏第5天，PE组双孢菇品质最差，如图4E所示，在贮藏的第5天，PE包装袋内壁布满水珠，是水蒸气透过量较低所致，双孢菇表面的水分为微生物提供了适宜生存的环境，致使褐变严重、产生腐臭气味。由于纳米TiO2具有抗菌作用，T1组双孢菇综合评分较高，整个贮藏期间未出现腐败现象。这与Li Wenhui等[13]的研究结果相似，用添加纳米TiO2的聚乳酸包装膜保藏奶酪，菌落总数显著低于不加纳米粒子的聚乳酸包装膜。Fang Donglu等[11]报道经纳米包装处理的金针菇感官评价优于普通包装。

3 结 论

通过在PVA中添加不同量的SiO2和TiO2纳米粒子来赋予PVA膜一定的功能性，改善PVA膜的透气性及增强机械性能。相比添加量为2%的SiO2/TiO2纳米粒子，添加量为1%的SiO2/TiO2纳米粒子能够更均匀地分散在PVA膜中，降低水蒸气的透过量，增加抗拉强度、断裂伸长率和降低杨氏模量。

PVA基纳米包装膜对双孢菇具有较好的自发气调保鲜效果。与纯PVA相比，1% SiO2、1% TiO2纳米包装膜能明显降低双孢菇的质量损失率。纳米粒子的添加改变了包装袋内气体成分，与PE包装膜相比保持了双孢菇较高的硬度及白度。通过感官综合评价，1%的TiO2纳米PVA包装膜对双孢菇的保鲜效果最好。