姜辣素和原位合成SiOx共改性魔芋甘聚糖/壳聚糖复合涂膜对生姜的保鲜性能

张 璇，葛永红，王健源，门衍玉，孙 彤,*，励建荣,*

（1.渤海大学食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁省食品安全重点实验室，辽宁 锦州 121013；2.中粮麦芽（大连）有限公司，辽宁 大连 116200）

我国是果蔬生产大国，且果蔬生产是国民经济的重要组成部分。常温条件下，果蔬产品会因微生物的大量繁殖、酶的活性及果蔬本身的后熟作用而发生腐败变质。一般可采用气调保鲜[1]和低温保鲜[2]等方法延长果蔬的保鲜期，但其保鲜效果仍不甚理想。开发一种安全性能高、成本低、保鲜效果好的果蔬贮藏方法迫在眉睫。多糖涂膜技术是目前的研究热点之一，其利用多糖形成的致密网状结构使涂膜具有极好的阻气性，阻断果蔬与环境的直接联系，减少病原菌、腐败菌对果蔬的直接侵染，使每个果实都形成一个微型“气调库”，从而延长果蔬的保鲜期[3]。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一种天然的高分子可溶性膳食纤维，具有黏度高、吸水性强、稳定性高、成膜性好等特点，常被用作食品保鲜剂[4]。将KGM涂膜保鲜技术应用于苹果[5]、草莓[6]、牛角椒[7]等已有报道。壳聚糖（chitosan，CS）具有广谱抗菌性能，可抑制多种细菌和真菌的生长[8]，亦可在果蔬表面形成薄膜，减缓其呼吸作用，以达到保鲜的目的[9]。单一CS涂膜的抗菌性能优，但成膜后的保湿性和强韧性较差，从而降低其应用效果[10]。采用KGM与CS复合，可增加CS的水溶性，提高涂膜机械性能的同时还可充分发挥CS的抗菌性能。

姜辣素含有姜烯酮、姜酮、姜萜酮等主要成分，具有较强的抑菌、保鲜、护色等性能，其安全性高，应用前景广阔[11-13]。在涂膜中加入姜辣素有望提高其抗菌、保鲜性能。纳米硅基氧化物（SiOx）是一种无毒、无味、无污染的白色粉末状非金属材料，可以作为食品添加剂，有助于提高多糖涂膜的力学性能，降低其透水率，进而使涂膜的保鲜效果更好[14]。本课题组前期研究结果表明，原位合成纳米SiOx有助于SiOx粒子在CS涂膜中的分散，可使纳米粒子在形成过程中与CS形成氢键，促进CS涂膜理化性能和保鲜性能的提高[15]。生姜（Zingiber officinale Roscoe）为姜科姜属多年生草本植物，姜的新鲜根茎具有抗炎、抗菌、调节血脂和抗动脉粥样硬化的作用[16]，是集调味和药用于一体的多用途蔬菜；但其在贮藏过程中会出现失鲜、褐变等问题。

本实验以KGM/CS复合涂膜为基底，以生姜为保鲜对象，采用姜辣素和原位合成纳米SiOx对复合涂膜进行改性，为生姜保鲜涂膜的研究和应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜购于锦州市蔬菜批发市场，产地为山东省潍坊市昌邑市。挑选新鲜、无病斑、无机械损伤、色泽均匀、大小一致的生姜作为实验材料。

CS（脱乙酰度≥95%，食品级） 上海晶纯试剂有限公司；魔芋甘聚糖（食品级） 杭州艺福茶业有限公司；冰乙酸、丙三醇、甲醇、盐酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等均为分析纯，去离子水和无菌水自制。

1.2 仪器与设备

CJJ79-1型磁力加热搅拌器 山东威瑞科教仪器有限公司；SK6210HP超声波清洗器 上海科超导仪器有限公司；DGG-9053AD型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜、CS150GX3离心机 日本日立公司；Scimitar 2000 Near傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）仪 美国安捷伦公司；Utima IV-X射线粉末衍射仪 日本Rigaku公司；AG135电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；CYES-II型O2/CO2气体测定仪 上海嘉定学联实业有限公司；TA.XT PLUS质构仪 英国Stable Micro Systems公司；UV-2250紫外-可见光光度计 日本尤尼柯仪器有限公司；721N型可见光分光度计 美国瓦里安公司；LRH-150生化培养箱 上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 复合涂膜的制备

1.5 g/100 mL的CS冰醋酸溶液（含体积分数1.0%冰醋酸）与0.6 g/100 mL KGM水溶液等体积混合，按混合溶液的体积滴加0.3%甘油，搅拌均匀后，将混合溶液于53 kHz，280 W条件下超声脱气，得KGM/CS复合涂膜溶液。取40 mL涂膜溶液于20 cm×20 cm亚克力板上流延成膜，30 ℃干燥脱水24 h，得KGM/CS复合涂膜；在KGM/CS涂膜溶液中加入CS和KGM总质量1%的姜辣素，充分混合后再流延成膜，得姜辣素-KGM/CS复合涂膜；在KGM/CS和姜辣素混合溶液中加入酸性硅溶胶（以SiO2为CS和KGM总质量的0.03%计），再流延成膜，得SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜。

1.3.2 复合涂膜表征分析

微观结构观察：涂膜在20 kV的条件下喷金处理后，采用扫描电子显微镜观察其微观形貌。

FT-IR光谱分析：将干燥涂膜研磨后，采用KBr压片法测定FT-IR光谱，步宽2 cm-1，波数范围为4 000～400 cm-1。

X射线衍射测定：采用CuKα辐射，工作电压40 kV，工作电流50 mA，步宽0.02°，扫描范围5°～70°。

1.3.3 复合涂膜理化性能测定

参考吴朝凌等[17]的方法，采用TA.XT PLUS质构仪测定复合涂膜的拉伸强度和断裂伸长率，样品长70 mm、宽20 mm，夹具距离为40 mm。

参考GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》[18]，采用O2/CO2气体测定仪测定O2/CO2含量，分别按公式（1）、（2）计算复合涂膜的O2和CO2透过量。

式中：OP表示O2透过量/（cm2/（d·kPa））；CDP表示CO2透过量/（cm2/（d·kPa））；V1、V2分别表示O2、CO2气体24 h的稳定透气体积/mL；d表示膜的平均厚度/cm；A表示膜的有效透气面积/cm2；ΔP表示测定时膜两侧的气体压差/kPa。

采用称质量法测定水蒸气透过量[19]。在称量瓶中放入少许的蒸馏水，使用复合涂膜密封称量瓶瓶口，放置于30 ℃烘箱中，每隔12 h称量一次称量瓶的质量，连续测量3 次。水蒸气透过量按公式（3）计算。

式中：Δm表示称量瓶质量减少量/g；A表示膜的面积/m2；t表示测定时间/h。

将制备好的复合涂膜剪成比色皿大小，用透明胶带粘贴在比色皿架上，采用紫外-可见光光度计测定其在450 nm波长处的透光率。采用透光率乘以涂膜厚度表示复合涂膜的透光性[17]。

1.3.4 生姜处理

选用大小相似的生姜，随机分成若干组，除对照组（无任何处理）外，分别浸渍于提前制备好的膜液中，2 min后取出，自然风干，放入生化培养箱中，于13 ℃保存，贮藏一定时间后取出，测定其鲜度指标。

1.3.5 质量损失率的测定

准确称量贮藏前和贮藏过程中生姜的质量，按式（4）计算质量损失率。

式中：m表示样品的原始质量/g；mt表示贮藏t时间后样品的质量/g。

1.3.6 生姜生化指标测定

参照曹建康等[20]的方法，采用蒽酮比色法测定生姜中可溶性糖质量分数。参照年彬彬等[21]的方法测定生姜的过氧化物酶（peroxidase，POD）活力，参照Zucker[22]的方法测定苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）活力。参照Pirie等[23]的方法测定生姜总酚和类黄酮含量，总酚含量以每克鲜质量生姜在280 nm波长处光密度值在3 min内的变化量（ΔOD280nm）表示，类黄酮含量以每克鲜质量生姜在325 nm波长处光密度值在3 min内的变化量（ΔOD325nm）表示。参照姜心等[24]的方法测定生姜中纤维素酶活力。

1.4 数据统计与分析

所有实验设3 次平行，结果以平均值±标准差表示。采用单因素方差分析，并以软件SPSS 20.0软件进行Tukey检验修正，P＜0.05表示差异显著。使用Origin 8.0软件绘图。

采用模糊综合评价法[6]进行水资源承载能力的评价，采用层次分析法[1]和熵权法对各指标确定权重。根据山塘水资源的利用特点，考虑到水资源的供需平衡状况及开发潜力，同时也能够反映出山塘的等供水设施的现状以及社会经济情况等，选取以下指标：

2 结果与分析

2.1 KGM/CS复合涂膜表征分析结果

图1 KGM/CS复合涂膜的断面微观形貌Fig. 1 Cross-sectional morphology of KGM/CS composite coatings

由图1A可知，KGM/CS复合涂膜较平整，有裂纹存在；当加入姜辣素后，涂膜中褶皱、裂纹增多（图1B）；继续加入原位合成纳米SiOx后，涂膜褶皱分布均匀，裂纹几乎消失（图1C）。涂膜中加入姜辣素后，影响了涂膜的脱水历程，表现为涂膜内形成褶皱且裂纹增大。再继续加入原位合成纳米SiOx后，纳米粒子表面的活性基团与KGM和CS形成氢键，在涂膜脱水过程中增强了涂膜内高分子之间的相互作用，使涂膜脱水更加均匀，减少了裂纹的产生。

图2 KGM/CS复合涂膜的FT-IR（A）、XRD（B）谱图Fig. 2 FT-IR spectra (A) and XRD patterns (B) of KGM/CS composite coatings

由复合涂膜的F T-I R谱图（图2 A）可见，在3 500～3 300 cm-1处的中等强宽吸收峰是由非缔合的O—H和N—H的伸缩振动引起的，1 651 cm-1处的吸收峰是由O-H的弯曲振动引起的。2 927、2 852 cm-1处的弱吸收峰是CS和KGM中次甲基或甲基的C-H伸缩振动吸收峰[25]。1 651、1 556 cm-1和1 416 cm-1分别是CS的酰胺I、酰胺II和酰胺III的特征吸收峰[25]，1 045 cm-1处的吸收峰应归属于C—O—C键的伸缩振动，654 cm-1处的吸收峰为C—H面外伸缩振动吸收峰。加入姜辣素和原位合成纳米SiOx后，1 651 cm-1处的吸收峰蓝移至1 640 cm-1处，1 045 cm-1处的吸收峰略向低波数偏移，且在3 500～3 300 cm-1处的宽吸收峰变得较窄。继续添加原位合成纳米SiOx，由于纳米粒子的存在，1 045 cm-1处的吸收峰继续向低波数偏移，且654 cm-1处的吸收峰亦向低波数偏移，说明姜辣素和原位合成纳米SiOx均影响复合涂膜内化学键的振动，可能是由于姜辣素和原位合成纳米SiOx表面的活性基团与涂膜主要成分CS和KGM形成了氢键，干扰了其化学键的振动，或干扰了其分子内共轭基团的相互作用。

由图2B可见，KGM/CS复合涂膜在2θ＝20.7°处有强度较大的宽吸收峰，在11.3°处有较弱的尖峰，与刘毅等[26]对KGM的研究结果相似，且在本课题组的前期研究中证明了2θ＝20.7°是CS的衍射峰[27]。加入姜辣素后，11.3°处的衍射峰消失，20.7°处的衍射峰略向小角度偏移至19.7°；再继续加入原位合成纳米SiOx，该衍射峰偏移至20.2°处。说明姜辣素干扰了涂膜主要成分KGM和CS晶体的合成，原位合成纳米SiOx粒子表面含有大量羟基活性基团，与KGM和CS形成较强的氢键作用，从而使非晶态发生改变，衍射峰发生偏移。

2.2 KGM/CS复合涂膜的理化性能分析结果

表1 KGM/CS复合涂膜的理化性能Table 1 Physicochemical properties of KGM/CS composite coatings

由表1可知，加入姜辣素后，KGM/CS复合涂膜的拉伸强度、断裂伸长率提高，而O2、CO2透过量无显著变化，水蒸气透过量、透光性都明显降低。继续加入原位合成的纳米SiOx，涂膜的拉伸强度、断裂伸长率、O2和CO2透过量都显著提高，水蒸气透过量无显著变化，而透光性略有下降。复合涂膜中加入姜辣素后使分子间氢键作用力增强，分子排列更加紧密，虽然涂膜内裂纹增多，但形成的褶皱使涂膜的抗变形能力增强，进而机械性能提高。继续加入原位合成纳米SiOx后，其表面的活性基团与KGM和CS形成氢键，使涂膜内部结构更加致密。当涂膜受到拉力作用时，与KGM和CS相交联的SiOx纳米粒子可以起到多相分散负荷的作用，从而增强了复合涂膜的机械性能；加入姜辣素后复合涂膜的O2和CO2透过量无显著性变化，说明涂膜内部的微孔结构变化不显著，而加入原位合成的纳米SiOx后，可能改变了原KGM/CS复合涂膜内部的晶体结构，形成了具有选择性的微孔，使其透气性能明显提高。加入姜辣素和原位合成的纳米SiOx后复合涂膜的透光性能逐渐降低，可能是涂膜内的分子间相容性变差，使透光性能下降。

2.3 KGM/CS复合涂膜对生姜保鲜性能的影响

2.3.1 KGM/CS复合涂膜对生姜质量损失率和可溶性糖质量分数的影响

质量损失是生姜贮藏过程中常出现的问题，会造成生姜萎蔫，使其感官品质受到严重影响[28]。由图3A可知，生姜的质量损失率随贮藏时间的延长而逐渐增加。这主要由生姜的呼吸作用和水分蒸腾引起[29]。与对照生姜相比，经涂膜处理后，其质量损失率上升速率减缓，这是由于在生姜表面形成涂膜可以阻碍生姜与空气的接触，减少其蒸腾作用和水分散失；加入姜辣素后涂膜内分子间氢键作用力增强，虽然涂膜内出现裂痕，但涂膜内的褶皱形成使其内部结构更加致密，水蒸气透过量显著降低，则生姜质量损失率减小；继续加入原位合成纳米SiOx后，其表面的活性基团与KGM和CS形成氢键，使涂膜内部结构更加致密，生姜的质量损失率显著低于同期其他涂膜处理组。生姜在贮藏前期质量损失率上升较快，贮藏后期质量损失率上升缓慢，说明在贮藏后期生姜的呼吸强度减弱，所消耗的糖、酸等营养物质损失较少。

图3 贮藏过程中生姜质量损失率（A）和可溶性糖质量分数（B）的变化Fig. 3 Changes in mass loss rate (A) and soluble sugar content (B) in ginger rhizomes during storage

糖类是果蔬甜味的主要来源，也是果蔬的主要成分之一。作为呼吸底物，糖类在呼吸过程中分解放出热量，使果蔬含糖量在贮藏过程中逐渐下降[30]。如图3B所示，生姜中可溶性糖质量分数随贮藏时间的延长呈下降趋势。与对照组相比，经涂膜处理后，生姜的可溶性总糖质量分数下降减缓，说明涂膜可以抑制生姜的呼吸作用，减少了可溶性糖的消耗；采用SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜处理后，生姜中可溶性总糖质量分数高于其他同期样品，这是由于涂膜中加入的原位合成纳米SiOx使其结构更加致密，减弱了生姜有氧呼吸，降低了生姜中糖分的消耗。在贮藏前期，生姜中可溶性总糖质量分数下降趋势较缓，这是由于生姜中部分淀粉转化成可溶性糖，而随着贮藏时间的延长，生姜的有氧呼吸作用减弱，无氧呼吸加剧，加快了可溶性糖的消耗。

图4 贮藏过程中生姜POD（A）、PAL（B）活力以及总酚（C）和类黄酮（D）含量的变化Fig. 4 Changes in activities of peroxidase (A) and phenylalanine ammonia lyase (B) and contents of total phenol (C) and flavonoids (D) in ginger rhizomes during storage

POD属于氧化还原类酶，在过氧化氢的作用下，易引起酚类和类黄酮的氧化聚合而导致果蔬组织褐变[31]。由图4A所示，生姜的POD活力在贮藏前期呈上升趋势，随着贮藏时间的延长略有下降，贮藏后期又逐渐上升。经涂膜处理后，生姜的POD活力均低于同期对照组，且随时间延长，其变化幅度较小，其中SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜处理后的效果最佳，POD活力最低。贮藏过程中生姜POD的活力增强可能与乙烯的作用有关，高等植物在衰老以及逆境条件下，乙烯的合成量会大大增加。生姜经涂膜处理后，与O2的接触减少，乙烯的产生量也减少，因此POD活力减弱。由于SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜的结构更加致密，减少了生姜的呼吸作用，故其POD活力变化最小。在贮藏前期，培养箱中O2浓度大，导致生姜中产生大量乙烯，从而增强了生姜的POD活力。随着贮藏时间的延长，生姜的呼吸作用减弱，乙烯产生量下降，POD活力下降。贮藏后期，因为生姜组织细胞衰老，乙烯产生量增大，从而使POD活力增强。

PAL是苯丙烷代谢途径中的第一个关键酶，它可催化苯丙氨酸脱氨基生成苯乙烯酸[32]。如图4B所示，贮藏期间生姜的PAL活力无明显变化。随着贮藏时间的延长，对照生姜PAL活力缓慢增长，12 d后略呈下降趋势。经涂膜处理后，生姜的PAL活力变化幅度很小，且各组间无明显差异。这可能是由于生姜表面的致密涂膜使生姜的呼吸作用减弱，其中防御系统被激活的速度减慢。

总酚和类黄酮是苯丙烷代谢的产物，其含量可以反映果蔬的抗氧化活性。由图4C可知，生姜中的总酚含量在贮藏前3 d快速降低，其后呈小幅度变化。对照生姜中总酚含量在贮藏12 d后明显降低，经KGM/CS涂膜和姜辣素-KGM/CS复合涂膜处理后生姜中的总酚含量在3 d后缓慢升高至平衡。经SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜处理后，生姜中的总酚含量变化幅度最小。

由图4D所示，生姜中类黄酮含量在贮藏期间的变化趋势为先升高后降低，在贮藏前3 d，类黄酮含量升高较快，3～12 d期间，生姜中类黄酮含量变化不明显，12 d后，未经涂膜处理的生姜中类黄酮含量明显降低，低于同期涂膜处理组。在贮藏前期，生姜褐变度增大导致生姜中总酚含量下降。贮藏后期，随着生姜细胞组织衰老和生姜内部底物的减少，总酚和类黄酮不断被氧化，导致其含量下降。保鲜涂膜处理后的生姜，由于涂膜的阻隔作用，有效地抑制了O2的进入，减少了底物的消耗，进而抑制了生姜的氧化，减缓了其衰老。

2.3.3 KGM/CS复合涂膜对生姜纤维素酶活力的影响

纤维素酶可以将细胞壁中的纤维素分解成寡糖或单糖[33]。生姜中纤维素酶活力的变化代表着生姜内粗纤维含量的变化，生姜粗纤维的变化与生姜细胞壁木质化有很大的关系[34]。如图5所示，对照生姜中纤维素酶活力始终高于经涂膜处理的生姜。在贮藏前9 d，经涂膜处理的生姜中纤维素酶活力变化较小，而未经涂膜处理的生姜中纤维素酶活力有小幅增长。在贮藏后期，生姜中的纤维素酶活力明显下降，对照生姜中纤维素酶活力始终高于同期涂膜处理的样品，其中经SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜处理的生姜中纤维素酶活力最低。纤维素酶可引起纤维素等细胞壁组分降解，从而使生姜变软，汁液流失。涂膜处理有效抑制了生姜的有氧呼吸，使纤维素酶活力降低，从而对纤维素的破坏减少，使细胞壁保持完好。其中SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜具有优异的理化性能，处理效果最优，该结果与POD活力结果一致。

图5 保鲜过程中生姜的纤维素酶活力变化Fig. 5 Changes in cellulase activity in ginger rhizomes during preservation process

3 结 论

向KGM/CS复合涂膜中加入姜辣素后，各组分分子间氢键作用力增强，涂膜的拉伸强度、断裂伸长率提高，水蒸气透过量、透光性都明显降低；继续加入原位合成的纳米SiOx，涂膜的拉伸强度、断裂伸长率、O2和透CO2透过量都显著提高，水蒸气透过量无显著变化，而涂膜透光性略有下降。以未做任何处理的生姜为空白对照，研究了改性前后KGM/CS复合涂膜对生姜的保鲜性能。结果表明，涂膜处理后生姜的质量损失率、总酚和类黄酮的损失均降低，POD和PAL活力变化较小，可溶性糖质量分数下降速率减缓。其中SiOx/姜辣素-KGM/CS复合涂膜效果最优，可更好地保持生姜品质。