聚乳酸活性抗菌薄膜的性能及其对樱桃保鲜效果的影响

李洋洋，宋文龙，郜海燕，李 立,*

（1.上海海洋大学食品学院，食品热加工工程技术研究中心，上海 201306；2.浙江省农业科学院，浙江 杭州 310021）

樱桃（Prunus aviumL.）果实酸甜多汁、核小肉多、风味鲜美[1]，具有丰富的营养物质以及抗氧化和抗癌等作用，深受人们的喜爱[2]。樱桃在中国地区的成熟期在4—7月，由于温度较高，采摘后果实易腐烂变质，在常温下贮藏3～5 d就会失去商品价值，因此研究樱桃的贮藏保鲜技术、延长樱桃的保质期对樱桃产业的发展有着重要的意义[3]。

当前，微孔膜包装[4]、气调包装[5]、自发气调包装[6]和保鲜剂复配[7]广泛应用于水果的贮藏保鲜。据报道，植物精油是一种有效的抗菌剂[8]和抗氧化剂[9]，是一种很好的活性物质。由于其强大的抗菌和抗氧化性能，它可以广泛用于食品工业，以抑制腐败微生物的生长，并延长不同食品的保质期[10]。李凤梅等[11]将丁香提取液和壳聚糖复合对草莓进行保鲜处理，研究表明，不同配比的保鲜剂均能起到一定的保鲜作用；潘怡丹等[12]研究发现麝香草酚-聚乳酸（polylactic acid，PLA）薄膜的活性物质能有效保持蓝莓果实的质地并延长其货架期；姚亚明等[13]研究发现1-甲基环丙烯（1-methyleyelopropene，1-MCP）处理结合纳米包装能较好地保持金针菇的感官品质和营养成分，减缓金针菇的劣变，延长其贮藏期。

大量传统聚烯烃类包装膜废弃后可导致严重的环境污染[14]，因此对可降解包装材料结合抗菌体系的开发和应用研究十分重要。在众多的全降解包装膜中，PLA由于其优异的可生物降解性和生物相容性、良好的力学性能与热加工性能、来源广泛，受到越来越多的关注[15]。有关可降解活性包装薄膜已有报道，赵媛等[16]研究发现柠檬醛/纳米SiO2交联改性聚乙烯醇复合材料能使其阻水性显著提高；聚羟基脂肪酸酯（poly-3-hydroxybut-yrateco-4-hydroxybutyrate，P34HB）是近年来迅速发展起来的一种新型生物可降解高分子材料，可由真菌在培养液中生成并能被降解完全，常采用传统加工工艺进行加工，已成为传统塑料替代品的重要研究方向[17]。

当精油暴露在空气、光、湿气和高温下时，具有化学不稳定性，且易挥发，因此本实验将薄荷精油附载于硅藻土中，以减少暴露于环境中由于氧化和挥发造成的精油损失。将植物精油附载于硅藻土中，一方面可以掩盖物质的不良气味；另一方面可改善物质的释放量和释放速率，从而提髙生物利用率。本研究以PLA-P34HB为基材，以硅藻土附载精油作为缓释抗菌剂成分，调控包装薄膜的水蒸气透过量、氧气透过量，创造出低氧、适宜体积分数的二氧化碳环境，使得包装薄膜既可降解又具有良好的抑菌效果，以更好地抑制樱桃的呼吸作用及包装内微生物的生长，延长其货架期。同时考察薄膜在电子扫描显微镜下的断面微观结构和各成分的分散情况，并以可溶性固形物质量分数、丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量、低场核磁共振表征水分变化等作为衰败指标，辅以感官评定，得出适用于樱桃保鲜的方法，从而为樱桃保质保鲜提供安全、绿色的包装材料和技术。本研究所开发的新型可生物降解活性抗菌包装，可为水果和蔬菜提供特定的水蒸气和透气性设计，为自发调节果蔬保鲜包装的开发和利用提供有效的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

樱桃品种为‘美早’樱桃，5月下旬采摘于山东烟台樱桃园，采摘当天带到实验室，挑选新鲜、无机械损伤、色泽和大小相近、约八成熟、无病虫害的樱桃进行实验。

薄荷精油 吉安市青原区绿源天然香料油提炼厂；硅藻土（300 目） 宜兴市君联硅藻土有限公司；PLA 美国NatureWorks公司；P34HB 天津国韵生物材料有限公司；ADR4300扩链剂、增韧剂（己二酸二丁基二甘酯） 德国巴斯夫公司。

1.2 仪器与设备

LSSHJ-20双螺杆挤出装置、LYJ-流延机装置 上海科创橡胶塑机械设备有限公司；XLW（EC）智能电子拉力试验机、P E R M E G 2/1 3 2 透气率测试仪济南兰光机电技术有限公司；W G T-S 透光率/雾度测定仪 上海精科仪器有限公司；PERMATRAN-W1/50G水蒸气透过率测试仪 美国Mocon公司；Hitachi S3400扫描电子显微镜 日本日立公司；CheckMate9900顶空气体分析仪 丹圣（上海）贸易有限公司；LH-T32手持式糖度测定仪 郑州南北有限公司；NMI20核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 抗菌膜的制备

将PLA、P34HB先在80 ℃的烘箱内烘3 h，硅藻土在80 ℃的真空烘箱内烘3 h。PLA/P34HB：将PLA、P34HB按质量比4∶1混合；薄荷精油-PLA/P34HB：将3%（以薄膜总质量计，下同）薄荷精油加入到95.5% PLA/P34HB（4∶1，m/m）树脂粒子中，再加入0.5%扩链剂、1%增韧剂；薄荷精油/硅藻土-PLA/P34HB：薄荷精油3%与2%硅藻土共混后加入到93.5% PLA/P34HB树脂粒子中，再加入0.5%扩链剂、1%增韧剂。通过双螺杆挤出装置进行共混改性，再经LYJ-流延机流延制得PLA/P34HB、薄荷精油-PLA/P34HB、薄荷精油/硅藻土-PLA/P34HB 3 种活性可降解薄膜。

双螺杆挤出设备1～7区温度分别为145、155、160、165、175、175、175 ℃，转速为45 r/min。流延机单螺杆挤出机各区温度分别为120、150、160、170、175、175、175 ℃，转速为45 r/min。经流延挤出得到3 种可降解薄膜，即A组：PLA/P34HB；B组：薄荷精油-PLA/P34HB；C组：薄荷精油/硅藻土-PLA/P34HB。

1.3.2 保鲜实验

樱桃去蒂处理后，分成1 个裸露空白组（CK）、3 个薄膜包装组，每组设置3 个平行。对于薄膜包装组，将樱桃装进预制的3 种薄膜包装袋中（15 cm×20 cm，厚度为（40±3）μm），每个包装袋中放（60±2）g，每组使用18 个包装袋，将袋抽真空再注入相同体积的空气，确保初始袋内气体含量一致；对于CK组，直接将樱桃放置在无盖的泡沫箱中。包装结束后，放入（4±1）℃冰箱内贮存12 d，每2 d取样测定各指标。

1.3.3 抗菌膜性能测定

1.3.3.1 拉伸强度测定拉伸强度测定参考GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄塑和薄片的试验条件》。

1.3.3.2 水蒸气透过率和氧气透过率测定

水蒸气透过率通过PERMATRAN-W1/50G水蒸气透过率测试仪，在相对湿度100%、37.8 ℃条件下测定，每个样品测定3 次，记录水蒸气透过率。水蒸气透过系数的计算依照公式（1）。

式中：C是水蒸气透过系数/（g/（m·Pa·s））；R是水蒸气透过率/（g/（m2·d））；d是膜厚度/mm；ΔP表示测试压力（约为0.2 MPa）。

通过PERME G2/132透气率测试仪测定氧气透过率，具体参考GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》，设置实验温度为23 ℃，将薄膜样品裁成直径97 mm圆形试样进行实验，每个样品测定3 次，取平均值。

1.3.3.3 透光率与雾度测定

采用WGT-S透光率/雾度测定仪测定膜的透光率与雾度，每个样品测3 次，取平均值。

1.3.3.4 微观结构观察

采用S3400扫描电子显微镜来观察薄膜的断面微观结构。先将薄膜样品浸没在液氮中进行脆断，用导电胶粘贴试样，脆断面向上，后放于离子溅射镀膜仪内进行喷金处理，喷金镀膜60 s，取出，置于腔内在5 kV测试电压下观察。

1.3.4 樱桃贮藏期间的指标测定

1.3.4.1 袋内O2、CO2体积分数测定

采用CheckMate9900顶空气体分析仪测定袋内O2/CO2体积分数。在每个取样日打开包装之前将测试针头垂直扎入袋内，测定包装袋内的O2和CO2体积分数并记录。

1.3.4.2 质量损失率测定

采用称质量法，根据公式（2）计算样品的质量损失率。

1.3.4.3 可溶性固形物质量分数测定

将樱桃放在研钵中研磨成浆，通用滤布过滤，滴在LH-T32手持式糖度测定仪棱镜玻璃面上进行测定。每组做3 个平行实验，记录数据。

1.3.4.4 MDA含量测定

MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法，具体参考蒋金勇等[18]的方法。

1.3.4.5 水分分布测定

通过NMI20核磁共振分析仪，采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脉冲序列，得到自由诱导指数衰减曲线，对曲线进行反演操作，得到T2图谱。测试条件：共振频率21 MHz、温度32 ℃。实验参数：采样频率100 kHz、重复采样等待时间2 s、重复采样次数4、90°脉冲宽度25.5 μs、半回波时间200 μs、回波个数8 000。

1.3.4.6 感官评价

由7 人组成感官评定小组，通过对樱桃的色泽、质地、口感进行综合评价，分为5 个标准级，综合得分在2级以上说明樱桃仍具有商品价值。具体评价标准见表1。

表 1 ‘美早’樱桃的感官评价分级Table 1 Criteria for sensory evaluation of ‘Meizao’sweet cherries

1.4 数据处理与分析

使用SPSS 25软件进行单因素方差分析，结果以平均值±标准偏差表示，P＜0.05表示差异显著，并用Origin 9.4软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同薄膜的物理性能

表 2 抗菌薄膜的物理性能Table 2 Physical properties of antibacterial films

表2是3 组薄膜的基本物理参数，可以清楚看到A组拉伸强度为42.08 MPa，B、C组拉伸强度与A组相比都有所降低，加入薄荷精油的B组，拉伸强度降至37.33 MPa，同时添加硅藻土与精油的C组拉伸强度只有34.42 MPa，因加入的增韧剂的增塑作用提高了PLA/PHB分子链的运动能力，同时分子间作用力也有所减弱，较好地改善了PLA材料的脆性并提升了其柔韧性[19]。

3 组薄膜的雾度中，B组的雾度低于A组，说明加入的精油提高了薄膜的透明度。而C组的透光率低于A组，说明加入的硅藻土能造成薄膜的透明度有一定的降低；加入薄荷精油的B组与C组薄膜的氧气透过率得到显著提高，原因可能是薄荷精油不利于PLA/P34HB薄膜的结晶，使得改性薄膜内部分子排列不够紧密，从而使得透气率较高。B组与C组水蒸气透过系数显著高于A组，但C组低于B组，这是因为硅藻土是极性小分子，相对均匀地分散到聚合物基体中，硅藻土的层状结构使得水分子在PLA/P34HB材料中的扩散更为困难[20]，从而降低了C组薄膜的透湿性。

2.2 不同薄膜的微观结构

图 1 薄膜断面微观结构Fig. 1 Cross-sectional microstructure of films

图1显示了添加不同活性成分的PLA-P34HB薄膜的横截面微观结构。由图1a可知，PLA-P34HB空白基膜中间部分光滑平整，表明PLA和P34HB共混膜形成较好，添加P34HB也改善了纯PLA树脂的加工性能；B组中3%薄荷精油活性物质分散较好（图1b）；C组中，含3%薄荷精油和2%硅藻土的PLA-P34HB可生物降解薄膜横截面粗糙致密（图1c），表明添加的活性成分可以很好地分散于树脂分子链，减少了大分子之间的相互作用，能进一步改善加工和成型性能。此外，在添加活性成分之前和添加活性成分之后，PLA-P34HB可生物降解膜没有网络结构或气泡，这表明PLA、P34HB、薄荷精油、硅藻土间具有良好的相容性。

2.3 袋内的气体含量变化

图 2 贮藏过程中保鲜袋内O2（a）、CO2（b）体积分数Fig. 2 O2 (a) and CO2 (b) volume fractions inside packages as a function of storage time

薄膜的气体透过率对维持樱桃的品质非常重要，在一定的范围内，薄膜氧气透过率提高，能够调控包装袋内的氧气与二氧化碳的比例，有利于樱桃贮藏保存。由图2可知，袋中氧气体积分数在第6～8天变化明显，这是樱桃的代谢加快呼吸作用增强所致。在第8天，A组袋内氧气体积分数为2.75%，C组袋内氧气体积分数是8.36%，是A组的3.04 倍（P＜0.05），这是因为C组具有高透氧性，能够使周围氧气进入袋内。A组在贮藏12 d时氧气体积分数降至0.78%，二氧化碳体积分数升至20.70%，并且A组在10～12 d氧气体积分数基本保持不变，使袋中形成了低氧、高二氧化碳的小型自发气调环境，抑制了樱桃的呼吸作用[21]。B组与C组具有较高的透氧功能，能够与周围环境进行气体交换，但由于B组薄膜的水蒸气透过系数比C组大，其会随着贮藏时间的延长而影响到樱桃的呼吸作用，导致袋内氧气体积分数整体上显著低于C组（P＜0.05）。因此C组在具有缓释材料硅藻土负载精油的薄膜更利于樱桃的贮藏。

2.4 樱桃在贮藏过程中的质量损失率

图 3 樱桃贮藏过程中的质量损失率Fig. 3 Mass loss percentages of cherries during storage

水果在贮藏期间的蒸腾作用和呼吸作用会引起水分损失，从而导致其质量降低[22]。Bozkurt等[23]认为甜樱桃果实表皮的组织结构特性是影响质量损失的关键因素。由图3可知，各组甜樱桃的质量损失率均随着时间的延长逐渐增加，CK组和A组甜樱桃的质量损失率上升趋势较快，C组甜樱桃质量损失率比其余组增加缓慢。这是因为C组抗菌薄膜可以较好地维持甜樱桃果实表皮的强度，阻碍其水分的损失，进而降低其质量损失率。CK组和A组由于没有抗菌成分，甜樱桃样品果实的表皮硬度降低导致了质量损失率的升高。在第12天时，CK组、A组、B组、C组甜樱桃的质量损失率分别为3.5%、3.3%、2.7%、2.3%，且呈显著差异（P＜0.05）。

2.5 樱桃在贮藏过程中的可溶性固形物质量分数

图 4 樱桃贮藏过程中的可溶性固形物质量分数Fig. 4 Soluble solids contents of cherries during storage

可溶性固形物质量分数是判断果蔬适时采收和耐贮藏性的一个重要指标[24]。由图4可以看出，各组甜樱桃的初始可溶性固形物质量分数约为14.9%，各组甜樱桃可溶性固形物质量分数在贮藏的前2 d缓慢上升，随后下降，这是因为贮藏初期水果中的淀粉和其他多糖水解成糖类物质[25]，即后熟的表现，而在贮藏后期水果由于呼吸作用以及营养物质逐渐消耗了部分的可溶性固形物[26]。贮藏第12天时，C组可溶性固形物质量分数最高，其次是B组，随后是A组和CK组，前两组显著高于后两组（P＜0.05）。由此可见，含有硅藻土与薄荷精油的薄膜能更好地延缓樱桃的组织代谢、物质消耗，较好地保持樱桃的营养物质。这说明该实验制备的抗菌薄膜对常温条件下樱桃可溶性固形物质量分数有显著影响。

2.6 樱桃在贮藏过程中的MDA含量

图 5 樱桃在贮藏过程中的MDA含量Fig. 5 MDA contents of cherries during storage

果实中MDA含量可用于反映细胞膜脂过氧化程度，也间接反映了细胞的损伤程度[27]。由图5可以看出，随着贮藏时间延长，CK组和A组的MDA含量呈明显上升趋势，并在贮藏后期达到了较高水平，说明膜脂发生了严重过氧化。而在相同的贮藏时间内，含有精油的B组和C组樱桃MDA含量随着贮藏时间延长上升幅度较小，保持在一个相对较低的水平，第8天时，B组MDA含量为4.9 mmol/g，C组MDA含量为4.1 mmol/g，而CK组MDA含量为8.5 mmol/g，显著高于B组与C组（P＜0.05），说明精油起到了抗氧化的作用。C组较B组有更好的效果，这说明研究制备的硅藻土附载薄荷精油的保鲜膜可有效保护细胞膜系统，结合薄膜透湿性能和透气性能，其较好地保持了樱桃果实品质，延缓果实衰老变质。

2.7 樱桃贮藏过程中的水分分布

图 6 樱桃在贮藏过程中的低场核磁共振图Fig. 6 LF-NMR spectra of cherries during storage

实验样品中的信号主要来源于体系中的水质子，质子信号变化情况体现了体系中的水分状态，通过测量弛豫时间T2的变化来研究樱桃内部水分的变化情况，不同的氢核所处环境不同，弛豫时间也不同，活动性较大的水分子，其弛豫时间较长，即水分活度大；与有机大分子结合较为紧密的水分子，其弛豫时间较短，即水分活度小。从图6可以看出，各组低场核磁共振图中均出现3 个峰，从左至右记为T21、T22、T23，由文献[28]可知，在1～20 ms，水分活度较小，与大分子物质络合，流动性差，定义为结合水T21；在20～100 ms，水分子与大分子物质通过氢键结合，定义为不易流动水T22；在100～1 000 ms，水分活度大，以游离的形式存在，流动性强，定义为自由水T23。T21与T22主要与糖类、维生素等大分子结合，且所占峰面积较小，在20%左右；T23是樱桃的主要成分，所占峰面积比例最大，为80%左右。

表 3 T21峰面积比Table 3 T21 peak area ratio%

CK组在贮藏的第6～8天，樱桃的自由水失去速率过快，影响到细胞正常的代谢活动，细胞活性下降，部分自由水会向果核迁移，保证核内有足够的水分和活性；在贮藏的8～12 d，所有实验组樱桃的水分散失比较严重，樱桃的品质和口感均大幅度下降。自由水与结合水的比值可以大致反映水果代谢过程的强弱[29]，樱桃在贮存过程中自由水含量逐渐减少，而结合水含量基本不变，比值逐渐减小，说明在贮存过程中细胞代谢活性减弱。第0天，鲜樱桃中结合水的峰面积比为4.36%（表3）。贮存12 d后，CK组T21峰面积比降至1.25%，而C组T21峰面积比例仍为2.42%，约为CK组的2 倍，表现出较强的持水性容量、水果新鲜度和能量水平，结合图6可看出，C组有硅藻土附载薄荷精油的薄膜相较于CK、A、B组能较好地维持樱桃的水分，从而保持了樱桃的水分活度。

图 7 樱桃的MRI伪彩色图Fig. 7 Magnetic resonance spectroscopy imaging pseudo-color map of cherries

核磁共振成像（magnetic resonance spectroscopy imaging，MRI）技术是一种广泛用于食品加工的高效、无损、快速的检测方法，可以在视觉上更加直观地研究樱桃内部水分的变化。图7为不同包装下樱桃的MRI伪彩色图。质子密度图像反映的是组织间质子密度差异，通常伪彩色图的颜色越深，氢质子的密度越大，表明果实更成熟或被破坏。

从图7可以看出，新鲜采摘的樱桃伪彩色图具有较高密度的黄色。贮存2 d时，内部水分分布较均匀；经过一段时间后，颜色变浅，不同组之间的色差在第6天明显。在贮藏的第12天，CK、A、B组仅在果核周围表现为黄色，其中CK组最差；由于水分蒸发、散失，C组整体颜色变淡，但相对较好，表明内部水分与果实内的大分子紧密结合，仍具有较高的食用价值。

2.8 樱桃贮藏过程中的感官评分

图 8 樱桃贮藏过程中的感官评价等级Fig. 8 Sensory evaluation levels of cherries during storage

由图8可知，樱桃在贮藏过程中，外观色泽和口感等感官品质会随着微生物的侵染发生变化，这也是各组樱桃的感官评价等级均呈现下降趋势的原因。CK组与A组樱桃的感官评价等级下降明显，微生物的繁殖使部分樱桃出现霉烂现象，在第10天时樱桃的感官评价等级为2左右，已经失去了商品价值。B、C两组由于添加的精油具有一定的抗菌效果，在第12天时，仍然可以食用，C组仍有一定的商品价值，明显优于其余3 组，较CK组货架期延长了2～3 d。此前有研究表明利用八角茴香精油保鲜甜樱桃时，抗菌膜中复配精油的含量过高破坏了水果的表皮组织，使其出现轻微的药害现象[30]，但本实验却没有出现此类现象，这说明硅藻土负载3%精油的抗菌薄膜可以有效地维持樱桃的感官品质。

3 结 论

通过观察薄膜断面微观结构可以看出P L A、P34HB、薄荷精油、硅藻土间具有良好的相容性。在（4±1）℃条件下，薄荷精油/硅藻土-PLA-P34HB可降解膜对樱桃的保鲜效果最好，与CK组相比樱桃的货架期延长2～3 d，膜的水蒸气透过系数为246.30×1 0-16g /（ m · P a · s ） ， 氧 气 透 过 率 为290.45 cm3/（m2·d·0.1 MPa），能够较好地与外界交换气体和水分。樱桃在保鲜贮藏过程中，含有薄荷精油的B组与C组相较于CK组与A组能有效抑制樱桃MDA含量的增加，能较好地延缓可溶性固形物质量分数的下降，尤其是C组更有利于樱桃的贮藏。通过低场核磁共振追踪了樱桃果实贮藏过程中的水分分布及变化，在贮藏12 d时，C组保鲜的樱桃结合水峰面积比为2.42%，是CK组樱桃结合水峰面积比（1.25%）的2 倍左右，说明C组能较好地维持樱桃的水分保持樱桃的水分活度，结合感官评价分析，在第10天时CK组与A组樱桃已经失去了商品价值，而B、C两组在第12天时仍然可以食用，C组仍有一定的商品价值，明显优于其余3 组，说明C组能有效减缓果实衰老变质，保持果实品质，延长樱桃贮藏期。