百里香精油抗菌包装纸箱对草莓保鲜效果的影响

赵亚珠，郝晓秀，孟婕，张然，刘光发

1(天津职业大学 包装与印刷工程学院，天津，300410) 2(天津科技大学 轻工科学与工程学院，天津，300222)

草莓营养价值极高，但是成熟草莓在贮藏、运输和销售过程中极易霉变和腐烂[1]。引起草莓采后腐烂的微生物主要有灰霉菌(Botrytiscinerea)和匍枝根霉(Rhizopusstolonifer)[2]，目前主要采用化学防腐剂处理草莓的采后腐烂问题，但是残留的化学防腐剂对人体健康存在一定安全风险。百里香精油作为一种天然植物精油，其抑菌性已被一些研究成果证实并报道[3-4]，其主要成分被美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)列为食品添加剂，对人体安全风险小。然而，由于百里香的品种、产地气候环境、提取工艺、生产厂家等因素，精油成分及其性质会呈现很大差异，本实验选取3种不同厂家的百里香精油，测试其抑菌效果，通过气相色谱-质谱联用仪鉴定其主要化学成分，将优选出的百里香精油与大豆分离蛋白制备成纳米乳液涂布于瓦楞纸箱上，制成抗菌包装纸箱，并研究其对草莓的防腐保鲜效果。本实验主要研究了百里香精油抑菌效果和精油成分含量的关系，并对百里香精油抗菌包装纸箱在草莓防腐保鲜中的实际应用进行了探索，为新型抗菌包装箱的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

草莓，天津市某草莓农场；1号百里香精油，江西恒诚天然香料油公司；2号百里香精油，深圳国鑫香精香料公司；3号百里香精油，吉安市青原区绿源天然香料油提炼厂；大豆分离蛋白，西安大丰收生物科技公司；马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基，北京奥博星生物技术公司；吐温-80，天津博迪化工公司；青霉、灰霉、根霉、交链孢霉，天津科技大学菌种保藏中心；瓦楞纸板(A楞，下同)，华耐包装材料(天津)公司；PP托盘，超市。

ME203天平，梅特勒公司；CU5-200涂布机，德国Sumet Sastems Gmbh公司；JT-C均质机，漯河金田试验设备研究所；GC-MS QP2010气相色谱质谱仪，日本岛津公司； KQ-800DE超声波清洗器，昆山市超声仪器公司；GY-2水果硬度计，苏州市金戈检测设备公司。

1.2 实验方法

1.2.1 三种百里香精油抑菌效果测试

参照文献[5]方法对3种不同厂家的百里香精油进行抑菌效果测试，菌悬液涂布量为100 μL，菌悬液浓度约为1×107CFU/mL，滤纸片直径6 mm，精油添加量10 μL，测量的抑菌圈直径包括滤纸片。

1.2.2 百里香精油成分分析

采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分别对3种厂家的百里香精油进行成分分析。参考HUANG等[6]的方法并进行调整，采用DB-5MS色谱柱，进样口温度250 ℃，分流比10∶1。色谱柱升温条件：初始温度60 ℃，保持3 min，后以8 ℃/min升至250 ℃，保持10 min；质谱条件：离子源温度220 ℃，扫描范围m/z43～500，检索NIST 11质谱库。采用正己烷将百里香精油稀释1 000倍，进样量为0.4 μL，精油各成分的相对含量采用其峰面积的百分含量表示。

1.2.3 优选百里香精油抗菌纸箱制备

参考MOGHIMI等[7]的方法并进行相应修改，将3号百里香精油用蒸馏水配制体积分数分别为3%、4%、5%的稀释液，随后分别加入吐温-80(添加量与百里香精油相同体积)和大豆分离蛋白(使其质量浓度为140 g/L)，采用800 W超声处理60 min制得纳米乳剂，均质机匀浆3 min备用。

打样机自制瓦楞纸箱，托盘尺寸(190 mm×120 mm×10 mm)，每箱放置4个托盘，将涂布液均匀涂布于箱坯内壁，晾干后备用。

1.2.4 抗菌纸箱对草莓的保鲜应用

草莓处理：选4组草莓样品，分别记为CK、C、D、E。CK为空白对照组；选用3号百里香精油用于草莓保鲜，C组采用精油浓度3%；D组采用精油浓度4%；E组采用精油浓度5%。每个托盘放置(125±5)g草莓，每个纸箱放置4个托盘。各草莓样品贮藏在室温条件下[(26±2)℃，RH(45%±5%)]。

感官质量评价：参考ADAY等[8]的方法进行感官评价，挑选9名18～25周岁的学生作为评判员，评判员从草莓的整体外观、风味等方面进行综合打分。以9分制原则进行计分，9 分为优秀，7 分为很好，5 分为好(可以进行销售的临界分值)，3 分为一般(限制食用)，1 分为差(完全不可食用)。

腐烂率：草莓有腐烂汁水流出或长有霉斑时认为草莓腐烂,腐烂率按公式(1)计算：

(1)

失重率：用天平称取草莓质量，按公式(2)计算：

(2)

可溶性固形物含量：使用手持折射仪测定5次，计算平均值。

硬度：在草莓最大直径处1周随机取3个测试点，使用硬度计进行测试。

菌落总数：参照GB 4789.2—2016测定。

1.2.5 数据分析

采用SPSS Statistics 17.0 进行实验数据显著性分析，P<0.05时存在显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 三种百里香精油的抑菌效果

3种百里香精油对4种供试霉菌的抑菌效果见图1。3种百里香精油均有很强的抑菌效果，其中3号百里香精油抑菌效果最显著，对青霉、灰霉、根霉的抑菌圈直径均超过70 mm，对交链孢霉的抑菌圈直径为25 mm。2号百里香精油对灰霉、青霉、交链孢霉、根霉的抑菌圈直径分别是31、26、21、10 mm，略高于1号百里香精油(其对应的抑菌圈直径分别是29、24、14、8 mm)。3号百里香精油对4种供试霉菌抑菌效果显著强于1号和2号百里香精油(P<0.05)。当抑菌圈直径超过20 mm时可认为具有强抑菌活性[9]，可见3号百里香精油对4种供试霉菌均具有强抑菌活性。3种百里香精油对4种供试霉菌的抑菌效果存在显著差异，这是由于不同厂家的百里香精油的成分存在差异。关于百里香精油对霉菌抑菌机理的研究较少，但是其对细菌的抑菌作用机制已有较深入的研究。MOGHIMI等[7]报道了百里香纳米乳剂可破坏大肠杆菌的细胞膜，致使核酸、钾离子、蛋白质等重要成分从细胞膜内泄漏至细胞外，最终导致大肠杆菌死亡。SARENGAOWA等[10]发现百里香精油处理李斯特菌可抑制鞭毛的合成，阻止鞭毛的运动，并引起李斯特菌的部分结构崩溃。

图1 三种百里香精油对霉菌的抑菌效果Fig.1 Antimicrobial activity of 3 kinds of thymeessential oils against molds

2.2 三种百里香精油的成分分析

由于不同地区生长的植物种类、气候环境等因素不同，会导致不同厂家的百里香精油成分存在差别，并对其抑菌效果影响很大，本实验对3种不同厂家的百里香精油进行成分鉴定。通过GCMS Postrun Analysis软件检索NIST 11标准质谱库进行化学成分相似度比对，并研究分析文献[11-12]鉴定出3种百里香精油的主要成分见表1。百里香酚和香芹酚广泛存在于百里香、牛至等植物精油中，对很多食源性细菌和霉菌均具有强抑制作用[13-14]。1号、2号、3号百里香精油中百里香酚和香芹酚的峰面积和百分数分别为16.03%、27.09%、75.62%。由于3号百里香精油中百里香酚和香芹酚总含量高于1号和2号百里香精油，所以3号百里香精油的抑菌效果明显优于1号和2号百里香精油，这与3种百里香精油的抑菌效果实测数据相一致。

表1 三种百里香精油的主要成分 单位：%

2.3 抗菌纸箱对草莓保鲜效果的影响

2.3.1 不同浓度百里香精油对草莓感官品质的影响

草莓的感官品质不仅影响消费者的购买心理，甚至直接决定草莓的货架寿命。不同浓度百里香精油对草莓感官评价如图2所示。在贮藏期间，草莓的感官分值逐渐降低。CK组草莓感官品质下降最快，贮藏2 d 时，大部分草莓长有霉菌。由于C、D、E组纸箱中涂覆有抗菌成分，草莓的整体外观强于CK组，C、D组草莓风味与CK组无明显差异，E组草莓表皮具有可以感知的精油气味。D组草莓较E组保鲜效果更加良好，原因为E组纸箱中精油浓度过高，导致草莓和果茎表皮产生了一定的药害，从而导致草莓表面出现损伤，主要表现为草莓果皮泛白，果梗部位出现轻微褐变，导致感官分数低于D组。综合比较，D组感官评价分数最高，优于其他各组(P<0.05)。韩林等[15]采用砂仁精油在4 ℃冷藏条件下对草莓果实进行浸泡处理也发现了类似的现象，当砂仁精油浓度达到320 μg/mL时对草莓产生了药害作用。

图2 不同浓度百里香精油对草莓感官品质的影响Fig.2 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on sensory quality of strawberries

2.3.2 不同浓度百里香精油对草莓腐烂率的影响

草莓的主要致腐霉是灰霉，在草莓的贮藏过程中，应尽量降低灰霉的繁殖速率。不同浓度百里香精油抗菌纸箱对草莓腐烂率的影响见图3。

图3 不同浓度百里香精油对草莓腐烂率的影响Fig.3 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on decay rate of strawberries

CK组草莓腐烂率在贮藏期内迅速增加，明显高于其他各组(P<0.05)，贮藏2 d后，腐烂率高达70%。而其他3组抗菌纸箱对草莓的腐烂具有一定的抑制作用，主要是由于从纸箱抗菌涂层中缓释出来的精油成分百里香酚和香芹酚可抑制草莓致腐霉菌的生长，其中D组草莓在第1天时腐烂率最低，仅为8.67%，均低于其他各组。E组草莓腐烂率高于C、D组，其原因是E组纸箱中较高浓度的百里香精油挥发成分导致了草莓表皮损坏，从而使草莓表皮霉菌更容易生长繁殖。结果表明，合适浓度的精油抗菌纸箱可有效抑制草莓的腐烂，过高浓度和过低浓度的精油都无法有效抑制草莓的腐烂，甚至会出现负作用。综合比较，百里香精油浓度为4%的D组抗菌纸箱可有效延缓草莓的腐烂。黄巍等[16]将丁香精油涂布纸箱用于水蜜桃保鲜可以降低水蜜桃的腐烂，这说明植物精油抗菌纸箱在降低水果腐烂方面具有一定的潜力。

2.3.3 不同浓度百里香精油对草莓失重率的影响

水从水果到环境的迁移是贮藏过程中水果失重的主要原因[17]。而水果果皮的质地特性对水分蒸发的影响起着重要的作用[18]。不同浓度百里香精油对草莓失重率的影响见图4。在贮藏期间，4组抗菌纸箱包装的草莓失重率均逐渐上升，其中CK组草莓失重率上升最快，在第3天时草莓的失重率已达到12.8%。D组抗菌纸箱包装的草莓失重率上升速率低于其余3组，在第3天时失重率为8.5%，显著低于对照组(P<0.05)，这是因为抗菌纸箱中释放出来的精油成分通过抑制草莓致腐霉菌减少了霉菌对草莓果皮的侵害，更好的表皮强度特性可减少草莓水分的损失。BOZKURT等[18]用汽化丙酮酸乙酯处理樱桃时也发现了类似的现象，杀菌剂熏蒸处理水果提供了更好的果皮强度特性，延缓了失重率的上升。

图4 不同浓度百里香精油对草莓失重率的影响Fig.4 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on weight loss of strawberries

2.3.4 不同浓度百里香精油对草莓可溶性固形物含量的影响

可溶性固形物是决定水果质量和消费者可接受性的重要因素[8]。不同浓度百里香精油对草莓可溶性固形物的影响见图5。各组抗菌纸箱包装草莓的可溶性固形物在贮藏初期呈现上升趋势，随后出现下降的趋势。贮藏初期的上升是由于在存储过程中高级多糖酶解为单糖，后期的降低可归因于呼吸作用、糖和其他可溶性营养成分作为真菌生长的底物被消耗掉[19]。从图5可看出，各处理组草莓的可溶性固形物含量无明显的变化规律，可以认为抗菌纸箱对草莓的可溶性固形物含量无显著影响。SERAPIAN等[19]和MAJEED等[20]先前的研究表明，辐照杀菌对草莓的可溶性固形物含量无显著差异。储恬予等[21]采用草果精油在4 ℃对草莓保鲜处理时未发现对草莓的可溶性固形物产生显著影响。综上分析，防腐杀菌处理手段对草莓的可溶性固形物含量无明显影响。

图5 不同浓度百里香精油对草莓可溶性固形物的影响Fig.5 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on total soluble solids of strawberries

2.3.5 不同浓度百里香精油对草莓菌落总数的影响

微生物安全性是非深加工食品保存需要考虑的最重要因素之一[22]。草莓贮藏期间的菌落总数见图6。草莓的菌落总数在储藏期内迅速增加。草莓的初始菌落总数为2.68 lg CFU/g，经过1 d后，草莓的菌落总数明显上升，其中对照组草莓的菌落总数上升最迅速，在第2天时菌落总数为6.70 lg CFU/g。3组抗菌纸箱中草莓的菌落总数均低于对照组草莓，其中D组纸箱中草莓菌落总数最低，在第2天结束时为6.05 lg CFU/g，到第4天时增长为8.40 lg CFU/g。草莓菌落总数的增长趋势说明D组抗菌纸箱中的抗菌成分能够抑制草莓菌落的生长繁殖。而E组纸箱内草莓的菌落总数高于D组，是由于E组纸箱抗菌涂层释放出过高浓度的精油成分造成了草莓果皮组织的损伤，致使霉菌繁殖更快，菌落总数上升迅速，这与草莓的腐烂率增长趋势一致。GUERREIRO等[23]采用柠檬醛果胶可食用涂膜处理草莓时也发现了类似的现象，与对照组相比，1.0%果胶和0.15%柠檬醛组成的涂膜液可以降低草莓的菌落总数，但是高浓度涂膜液(1.0%果胶和0.3%柠檬醛)反而不利于控制草莓的菌落总数，这是由于高浓度柠檬醛造成了草莓表皮细胞的损伤所致。

图6 不同浓度百里香精油对草莓菌落总数的影响Fig.6 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on the total viable count of strawberries

2.3.6 不同浓度百里香精油对草莓硬度的影响

如图7所示，随着草莓的进一步成熟，果肉逐渐变软，硬度逐渐降低。草莓在贮藏初期硬度值为1.56 kg/cm2，CK组纸箱内草莓硬度下降最快，尤其是第1天时硬度值下降为1.16 kg/cm2，到第2天时，CK组草莓硬度已低于1.00 kg/cm2。抗菌纸箱包装可以延缓草莓硬度降低，其中D组纸箱包装的草莓硬度下降速度最慢。水果硬度是重要的食品质量属性和参数，与细胞壁强度和细胞间黏附有关[24]。KETSA等[25]认为硬度值的下降是因为果胶甲酯酶，多聚半乳糖醛酸酶、β-半乳糖苷酶和纤维素酶对胞间层和细胞壁造成酶促分解。D组纸箱中草莓的硬度高于对照组草莓，主要原因是D组纸箱中的百里香酚、香芹酚可以有效抑制霉菌对草莓细胞壁强度和稳定性的破坏，而高浓度的百里香精油处理草莓会破坏细胞壁稳定性，最终导致细胞损伤和失水。GANI等[26]用超声的杀菌方式处理草莓时也发现了类似的现象，合适的超声剂量和超声处理时间有利于硬度的保持，当超声处理时间为40 min和60 min时草莓硬度反而下降。

图7 不同浓度百里香精油对草莓硬度的影响Fig.7 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on fruit firmness of strawberries

3 结论

本实验研究了3种百里香精油的化学成分和抑菌效果，结果表明1号、2号、3号百里香精油的百里香酚和香芹酚的峰面积百分数之和分别为16.03%、27.09%、75.62%，3号百里香精油对4种供试霉菌的抑菌作用强于1号和2号精油，该结果证实了百里香酚和香芹酚含量直接影响百里香精油的抑菌效果。在室温条件下体积分数为4%的3号百里香精油抗菌纸箱可以明显降低草莓的腐烂率和菌落总数，对于维持草莓感官质量和硬度指标也具有一定的作用。本实验研究结果表明以天然植物精油为抗菌剂制备抗菌纸箱用于草莓的防腐保鲜具有较好的应用前景。