海藻酸钠—银纳米粒子涂膜保鲜香蕉研究

蓝嫄嫄 韦蕾 杜良伟 冯家勋 王彦辉

摘要：【目的】用海藻酸鈉（SA）和银纳米粒子（AgNPs）制备复合保鲜涂膜，探究海藻酸钠—银纳米粒子（SA-AgNP）复合涂膜在香蕉贮藏期的保鲜效果，以期为香蕉货架期生理品质劣变提供新的解决途径。【方法】以涂覆SA涂膜（SA组）和不进行涂膜处理（CF组）的香蕉为对照组、涂覆SA-AgNP涂膜的香蕉为试验组，使用原子力显微镜（AFM）观察SA和SA-AgNP涂膜的微观结构并测定其力学性质;在香蕉贮藏期（1～9 d）内通过感官评定及对香蕉失重率、可溶性总糖、丙二醛（MDA）、总酚和总黄酮含量等理化性质的测定，分析涂膜对室温下香蕉的保鲜效果。【结果】AFM结果显示，SA-AgNP涂膜孔洞宽度约为400 nm，具有一定的通透性，且弹性大于SA涂膜。通过外观变化观察到SA-AgNP保鲜涂膜能延缓香蕉的成熟并预防病变发生，以及有效延缓香蕉失重率、可溶性总糖和MDA含量的上升，延缓总酚和总黄酮含量的下降。贮藏9 d后，SA-AgNP涂膜保鲜处理的香蕉与CF和SA组相比，失重率分别减少3.0%和0.5%（绝对值），可溶性总糖含量分别减少13.4%和3.4%;MAD含量为11.38 μmol/g，较CF组显著减少25.1%（P<0.05，下同）;总酚和总黄酮含量分别为0.39和0.032 mg/g，较CF和SA组显著增加18.2%、39.1%和8.3%、77.8%。【结论】SA-AgNP复合涂膜具有良好的保鲜效果，可用于香蕉的保鲜贮藏，延长其保质期。

关键词： 海藻酸钠（SA）;银纳米粒子（AgNPs）;涂膜保鲜;香蕉

中图分类号： S668.1                          文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2020）07-1584-07

Abstract：【Objective】The composite coating was prepared by using sodium alginate（SA） and silver nanoparticles（AgNPs） for banana preservation. The preservation effects of SA-AgNP composite coating during banana storage period were studied to provide a new solution for banana shelf life physiological quality deterioration. 【Method】The banana coa-ted with SA（SA group） and non-coated（CF group） were used as control groups and coated with SA-AgNP were used as test group. The microstructure and mechanical property of this coating were observed by atomic force microscope（AFM）. During the storage time（1-9 d），the effect of different coatings on banana at room temperature was analyzed through changes of physical-chemical parametersincluding sensory evaluation，weight loss，total sugar content，malonaldehyde （MDA） content，total phenolic content and total flavonoid content. 【Result】According to the AFM result，the hole of SA-AgNP was 400 nm in width. The SA-AgNP coating had permeability and its elasticity was larger than the SA coating. The SA-AgNP coating could delay banana maturation and prevent the occurrence of lesions through appearance changes. The SA-AgNP treatment could inhibit the increase of weight loss，total sugar content and MDA content，and delayed the decline of total phenolic and total flavonoids contents in banana. After 9 d of storage，compared with CF and SA groups，the weight loss rate of SA-AgNP treatment was reduced by 3.0% and 0.5%（absolute value），the total sugar content decreased by 13.4% and 3.4%. The content of MDA in SA-AgNP treatment was 11.38 μmol/g，which was significantly reduced 25.1% compared with CF group（P<0.05，the same below）. The total phenol and flavonoid contents of SA-AgNP were 0.39 and 0.032 mg/g，which were significantly increased by 18.2% and 39.1%， and 8.3% and 77.8% compared with CF group and SA group. 【Conclusion】The SA-AgNP composite coating has good preservation effect on banana and can be used as a possible coating material for the preservation of banana to extend its storage period.

Key words： sodium alginate（SA）; silver nanoparticles（AgNPs）; coating preservation; banana

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（31660524）

0 引言

【研究意义】香蕉是一种在热带和亚热带地区广泛种植的重要经济作物，富含碳水化合物、维生素B、维生素C、钾和磷等物质。采收后的香蕉易出现软化、衰老斑点等问题，同时炭疽病（Maqbool et al.，2010）和冠腐病（Sangeetha et al.，2010）的高发病率也会导致香蕉货架期较短。为便于商业销售，销售商常用苯菌灵、噻苯咪唑或抑霉唑等杀菌剂对香蕉进行保鲜处理。但该处理带有严重的安全隐患，特别是苯菌灵已被美国环境保护局列为可能的人类致癌物。因此，需探索更安全的方法以保持香蕉质量并延长其保质期。【前人研究进展】银纳米粒子（AgNPs）因其对食源性病原菌的广谱抗菌活性而受到广泛关注（Fortunati et al.，2014）。然而在使用AgNPs作为抗菌剂对食品进行保鲜时，存在纳米粒子迁移到食品中的风险。为减少这种风险，常使用高分子材料作为载体封装AgNPs，避免AgNPs直接与食品接触并保持其抗菌活性。Li等（2018）在聚乳酸中加入AgNPs作抗菌剂制备抗菌包装用于干奶酪的储存;Wu等（2019）用壳聚糖包衣聚乙烯膜，并将其与月桂精油和AgNPs的复合纳米脂质体结合，用于猪肉保鲜;Saravanakumar等（2020）制备生物银纳米颗粒—聚乙烯吡咯烷酮基甘油脂质体（C/G-PVP-AgNP）涂层，用于延长鲜切柿子椒的贮藏期。海藻酸钠（SA）是一种环境友好的高分子材料，在水果表面有适当的黏附性和柔韧性，可形成无毒、生物相容且半透性的涂膜（Parreidt et al.，2018）。该涂膜可调节氧气、二氧化碳、水蒸气和其他挥发性化合物的传质过程，从而减少呼吸强度、水分流失和氧化反应速率（Ayranci and Tunc，2003）;可减少与隐藏果实物理损伤，改善表面光泽以提高美学外观（Ncama et al.，2018）;还可作为抗褐变剂（Rojas-Graü et al.，2007）、抗氧化剂（Nair et al.，2018）和抗菌剂（Sarengaowa et al.，2018）的载体，故而常用于水果保鲜。Ramana Rao等（2016）用SA、柠檬酸、抗坏血酸和橄榄油组成的复合可食涂膜对青枣进行保鲜，并研究其对青枣采后营养品质和保质期的影响;Mania等（2018）利用壳聚糖和SA作为胶囊壳，对亚麻油进行包封保护;Li等（2019）将SA与大黄提取物结合用于桃子保鲜，延长了采后桃子的保质期;Yin等（2019）使用静电法将肉桂精油微胶囊和SA溶液交替沉积在芒果表面对其进行涂膜保鲜，降低了芒果的呼吸速率和失重率。【本研究切入点】目前尚未见使用SA-AgNP复合涂膜对香蕉进行保鲜的相关研究。本研究以生物合成法制备的AgNPs为抑菌剂、SA为载体，合成SA-AgNP复合保鲜涂膜用于延长香蕉的贮藏期。【拟解决的关键问题】用原子力显微镜（AFM）对SA和SA-AgNP涂膜的微观结构与力学性质进行探究;以涂覆SA-AgNP涂膜的香蕉为试验组，以涂覆SA涂膜和不进行涂膜处理的香蕉为对照组，通过检测贮藏期内香蕉的外观、失重率及可溶性总糖、丙二醛（MDA）、总酚和总黄酮含量的变化，研究涂膜对香蕉的保鲜效果，以期为香蕉货架期生理品质劣变提供新的解决途径。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

香蕉购自广西大学旁的南百超市，成熟度约为五成;木薯干和液化酶购自广西中粮生物质能源有限公司;SA（化学纯）、硝酸银和三氯乙酸（分析纯）购自国药集团化学试剂有限公司;蒽酮（分析纯）购自上海旭硕生物科技有限公司;硫代巴比妥酸（分析纯）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司;蒽酮—硫酸指示剂：称取0.2 g蒽酮，加入100 mL浓硫酸溶解，现配现用;儿茶精（分析纯）购自上海毕德医药科技有限公司;福林酚试剂购自北京索莱宝科技有限公司;除特别说明，试验用水均为去离子水。

主要仪器设备：AL204电子分析天平（瑞士梅特勒—托利多公司）、紫外/可见蛋白核酸分析仪（美国赛默飞世尔科技有限公司）、Dimension Icon原子力显微镜（美国布鲁克公司）、DY-B光化学反应仪（上海德洋意邦仪器有限公司）和台式离心机（德国艾本德公司）。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 AgNPs制备 采用本课题组开发的生物法制备AgNPs（Du et al.，2016）。将3 g木薯粉与10 mL水在85 ℃糊化后加入100 μL液化酶使其液化得到木薯粉酶解液;将酶解液用水稀释40倍，取10 mL稀释液加入石英玻璃试管中，于光化学反应仪500 W氙灯照射和磁力搅拌下，逐滴滴入100 μL 0.1 mol/L硝酸银溶液，28 ℃反应2 h得到AgNPs溶液。

1. 2. 2 SA和SA-AgNP膜溶液制备 取10 g SA加入500 mL水中，搅拌至溶解为均匀溶液后加入3 g甘油（增塑剂）混勻，配制成2%的SA膜溶液，室温静置12 h排出膜溶液内的气泡后备用。

取10 g SA加入495 mL水中，搅拌至溶解为均匀溶液后加入3 g甘油混匀，然后加入5 mL上述AgNPs溶液，配制成SA-AgNP膜溶液，室温静置12 h排出气泡后备用。

1. 2. 3 香蕉保鲜处理 选择形状大小相似、成熟度均匀且无明显损伤的香蕉果实，将其随机分为3组，一组浸入水中1 min后取出自然晾干（CF组）;另外两组分别浸入SA和SA-AgNP膜溶液30 s，使涂料黏附在整个果实表面形成均匀涂膜，并将涂覆好的果实浸入2%氯化钙溶液中30 s后取出自然晾干（分别为SA组和SA-AgNP组）。之后将果实在室温下贮藏，分别在贮藏的第1、3、5、7和9 d取样进行果实品质鉴定。

1. 2. 4 SA和SA-AgNP涂膜微观结构观察及力学性质测定 吸取0.5 mL膜溶液铺平于玻璃片表面，晾干后浸入2%氯化钙溶液30 s取出，待自然晾干后于AFM下观察测定。AFM成像采用在空气中的ScanAsyst模式，使用ScanAsyst-Air探针，氮化硅微悬臂弹性系数为0.4 N/m，扫描速度1 Hz。采集图像像素256 px×256 px、尺寸5 μm×5 μm的高度图对涂膜微观结构进行分析，采集力和扫描器伸进量对力学性质进行测定。

1. 2. 5 香蕉保鲜品质测定

1. 2. 5. 1 感官评价 每隔1 d分别对3组果实进行拍照记录，观察果实的新鲜度、色泽和腐烂程度。

1. 2. 5. 2 失重率测定 在贮藏过程中，每隔1 d对香蕉进行称重，按照下式计算失重率：

W=[m0-mtm0]×100

式中，W为失重率（%），m0为初始重量（g），mt为特定时间的重量（g）。

1. 2. 5. 3 可溶性总糖含量测定 参照刘海英等（2013）的方法对香蕉可溶性总糖含量进行测定。称取20 g果肉，加少量水捣匀，移入容量瓶中，加水定容至250 mL;4000 r/min离心10 min，取上清液1 mL稀释定容至100 mL，再取1 mL稀释液与1 mL 2%蒽酮试剂和1 mL浓硫酸混匀，沸水浴6 min，取出冷浴至室温后，在620 nm波长处测其吸光值，根据葡萄糖标准曲线计算可溶性总糖含量。

1. 2. 5. 4 MDA含量测定 参照Wang等（2013）的方法对香蕉MDA含量进行测定。称取1 g果肉置于研钵中，加入10%三氯乙酸溶液5 mL，研磨成匀浆后，4000 r/min离心10 min获得提取液;取1 mL提取液，加入0.6%硫代巴比妥酸溶液1 mL，混匀后于沸水浴中反应20 min，迅速冷却后再离心取上清液，测定其在532、600和450 nm处的吸光值（A532、A600和A450）。按照下式计算MDA含量：

c=[6.45（A532-A600）-0.560A450]×[V1V2×m]

式中，c为水果中MDA含量（μmol/g），V1为提取液总体积（mL），V2为测定用上清液体积（mL），m为称取的水果质量（g）。

1. 2. 5. 5 总酚和总黄酮含量测定 参照Alali等（2018）的方法并稍作修改，对香蕉的总酚和总黄酮含量进行测定。称取2 g果皮置于预冷研钵内，加入液氮将果皮研磨成粉末，转移至用锡纸包裹的50 mL离心管中，加入25 mL 80%甲醇溶液，冰浴超声1 h后，在4000 r/min下离心10 min，取上清液（甲醇提取物）用于总酚和总黄酮含量的测定。

取100 μL甲醇提取物与200 μL福林试剂混匀并在室温下静置5 min，加入1 mL 20%碳酸钠溶液反应30 min后，在765 nm处测其吸光值，并通过没食子酸标准曲线对被测物总酚含量进行定量。

将250 μL甲醇提取物与1.25 mL水和75 μL亚硝酸钠溶液混合，静置6 min后，将混合液与150 μL 10%氯化铝溶液混合并静置5 min，再加入0.5 mL 1 mol/L氢氧化钠溶液和275 μL水混匀，在510 nm处测溶液的吸光值。通过儿茶精标准曲线对被测物进行总黄酮的定量。

1. 3 统计分析

用NanoScope Analysis离线分析软件对AFM成像结果及力曲线图进行分析。理化指标数据重复测定3次，取其平均值，并用Origin 8.5统计绘图。

2 结果与分析

2. 1 SA和SA-AgNP保鲜涂膜的微观结构与力学性质

从图1-A和图1-C中可分别观察到SA和SA-AgNP涂膜上均分布有孔洞。图1-B和图1-D分别是SA和SA-AgNP涂膜上的孔洞剖面分析图，测量出SA保鲜涂膜上孔洞宽度约为450 nm，而SA-AgNP涂膜孔洞宽度约为400 nm，可能是由于AgNPs的掺入使得涂膜孔隙减小。在对果实进行涂膜保鲜时，若保鲜涂膜质地过于紧密，容易导致果实缺氧而处于无氧呼吸状态，消耗更多营养物质，影响果实的品质和贮藏，从而使其货架期变短;若涂膜結构过于松散，较大的通透性无法有效减少外界氧气与膜内二氧化碳的交换，则不能达到减缓果实衰老的目的。SA和SA-AgNP涂膜上分布的孔洞使其具有一定的通透性，能达到降低果实呼吸强度、延缓衰老的目的。

获取SA和SA-AgNP涂膜的力曲线各10条进行拟合，取其中的延伸曲线如图2所示。延伸曲线的斜率可反映涂膜的弹性，曲线斜率越大则弹性越大。计算图2中两条曲线的斜率可知，SA涂膜的曲线斜率为0.13，SA-AgNP涂膜的曲线斜率为0.48，说明加入AgNPs后涂膜弹性增大。

2. 2 涂膜保鲜香蕉外观的变化

消费者常通过观察水果的外观（大小、形状、颜色、有无损伤和斑点）、成熟度，以及品尝味道来判断水果质量。图3是贮藏期内CF组、SA组和SA-AgNP处理后的试验组香蕉外观的变化。从图3可知，贮藏至第3 d，CF组香蕉表皮开始出现深棕色或黑色凹陷斑点，随后斑点面积逐渐扩大，第7 d时内部软化腐烂，此时果实已过于成熟，风味不佳且无美观性;在SA组中，使用保鲜涂层能在一定程度上延缓果实外观的变化，但贮藏至第5 d香蕉柄部开始出现病症;与CF和SA组相比，SA-AgNP保鲜涂膜处理的香蕉在贮藏期0～9 d内成熟速度延缓，无衰老斑点出现和果实腐烂发生，增加了果实亮度，使香蕉视觉接受度增加。说明SA-AgNP复合涂膜能延缓香蕉的后成熟并能对其进行有效贮藏，防止病害的发生。

2. 3 涂膜保鲜对香蕉失重率的影响

从图4可看出，在相同贮藏时间内，CF组香蕉的重量损失始终最高，在贮藏期结束时香蕉失重率为14.0%，而使用SA和SA-AgNP涂膜进行保鲜处理的香蕉失重率分别为11.5%和11.0%，与CF组相比分别减少2.5%和3.0%（绝对值），说明保鲜涂膜能减缓香蕉的重量损失。

2. 4 涂膜保鲜对香蕉果肉可溶性总糖含量的影响

由图5可知，在整个贮藏期，香蕉果肉的可溶性总糖含量在CF组、SA组和SA-AgNP组中均有所增加，但SA-AgNP组可溶性总糖含量增幅较小。贮藏9 d后，CF组和SA组香蕉果肉的可溶性总糖含量分别为136.1和122.0 mg/g，SA-AgNP組香蕉果肉的可溶性总糖含量为117.9 mg/g，与CF和SA组相比，分别抑制13.4%和3.4%，与CF组有显著差异（P<0.05，下同）。

2. 5 涂膜保鲜对香蕉果肉MDA含量的影响

由图6可看出，在整个贮藏期间，香蕉果肉MDA含量总体呈上升趋势，CF组的MDA含量增加始终处于最高水平，而SA组和SA-AgNP组均在不同程度上抑制MDA产生。在贮藏期结束时，CF组、SA组和SA-AgNP组的香蕉果肉MDA含量分别为15.20、10.88和11.38 μmol/g，其中SA-AgNP组的MDA含量较CF组显著减少25.1%。

2. 6 涂膜保鲜对香蕉果皮总酚含量的影响

由图7可知，贮藏期内香蕉果皮总酚含量随着贮藏天数的增加而减少，贮藏至第5 d，CF组、SA组和SA-AgNP组香蕉果皮的总酚含量分别为0.39、0.44和0.48 mg/g，与第1 d相比，分别降低27.3%、15.4%和12.7%;贮藏期结束时，CF组、SA组和SA-AgNP组香蕉果皮的总酚含量分别为0.33、0.36和0.39 mg/g，SA-AgNP组总酚含量分别较CF组和SA组显著增加18.2%和8.3%。说明SA-AgNP涂膜能抑制香蕉果皮中总酚含量的降低。

2. 7 涂膜保鲜对香蕉果皮总黄酮的影响

由图8可知，随着贮藏天数的增加，香蕉果皮中的总黄酮含量逐渐降低;贮藏期结束时，CF组和SA组香蕉果皮总黄酮含量分别为0.023和0.018 mg/g，SA-AgNP组香蕉果皮的总黄酮含量为0.032 mg/g，较CF和SA组分别显著增加39.1%和77.8%。表明SA-AgNP涂膜能抑制总黄酮含量的降低。

3 讨论

香蕉是一种呼吸跃变型水果，具有代谢活性高的特点，收获后呼吸速率和乙烯产量较高，且易遭受真菌侵袭，因而贮藏期较短。本研究以SA为保鲜涂层、生物法合成的AgNPs为抗菌剂，制成复合涂膜以延长香蕉的贮藏期。AFM结果表明，SA和SA-AgNP涂膜上分布的孔洞使其具有一定的通透性，但SA-AgNP涂膜的弹性较SA涂膜大。香蕉在贮藏期经历后成熟过程，易发生内部结构性物质如淀粉、果胶含量的变化而使果实膨胀或萎缩，SA-AgNP涂膜弹性的增大能防止由于果实膨胀或萎缩而导致涂膜的破损。

经保鲜涂层处理的香蕉果皮保留了更多绿色，延缓香蕉表皮斑点的出现，香蕉果皮颜色变化主要是由于叶绿素酶的作用使叶绿素降解，以及香蕉成熟过程中胡萝卜素和叶黄素的累积（Salvador et al.，2007）。SA本身不具备抗菌活性，所以在贮藏后期香蕉柄部出现病症，而使用SA-AgNP涂膜进行保鲜处理后，贮藏期内香蕉无病变发生。

在整个贮藏期内，香蕉的失重率和可溶性总糖含量逐渐上升。失重是水果在贮藏过程中的一个自然特征，主要是由于呼吸和蒸腾过程造成的水分损失和营养物质消耗，致使果实重量减轻;在呼吸过程中淀粉α-1，4-糖苷键被水解，淀粉转化为可溶性糖，可溶性总糖含量升高。经SA-AgNP涂膜处理的香蕉失重率和可溶性总糖含量较CF和SA组低，可能是由于复合涂膜减少水蒸气分子和氧气的扩散，减缓了香蕉呼吸速率，从而减缓失重率和可溶性总糖含量上升。MDA是膜脂质过氧化作用产生的最终产物之一，MDA含量的变化可反映果实机体内脂质过氧化的程度，同时间接反映出果实细胞损伤严重程度，果实中MDA含量越高，说明细胞损伤的程度越严重（Xu and Liu，2017）。与CF组相比，SA和SA-AgNP涂膜能减缓MDA含量升高，表明涂膜保鲜处理能减少果实过氧化程度，降低细胞的氧化损伤。

研究发现，总酚类含量随着香蕉成熟进程而下降，过度成熟的香蕉果皮较绿色香蕉果皮的总酚含量低52%，比成熟果皮的总酚含量低15%～45%（Vu et al.，2018）。在水果成熟过程中，褐变是由酚类化合物的酶促氧化（多酚氧化酶）引起（Rocha and Morais，2002）。因此，对香蕉进行涂膜保鲜处理实施氧屏障可减缓酚类化合物氧化，抑制香蕉褐变。在贮藏期内，香蕉的总酚和总黄酮含量均呈下降趋势，但经SA-AgNP涂膜进行保鲜处理的香蕉总酚和总黄酮含量高于CF和SA组，进一步证明SA-AgNP复合涂膜能有效减缓酚类物质的氧化，延缓香蕉的褐变速度，与Khademi等（2019）利用超声和水杨酸对香蕉冷藏保鲜处理能抑制总酚含量下降的结果相似。薛琼等（2015）使用壳聚糖涂膜可延长香蕉保鲜至3 d，使用LLDPE可将香蕉保鲜至5 d。本研究使用SA-AgNP复合保鲜涂膜能将香蕉贮藏期延长至9 d。综上所述，SA-AgNP复合保鲜涂膜可延长香蕉的保质期和贮藏过程中的质量，具有较好的保鲜效果。

4 结论

SA-AgNP复合涂膜能有效减缓香蕉表观劣变，减少病害发生，保持理化性质，以及减缓抗氧化活性成分下降，从而延长香蕉的保质期。因此，SA-AgNP复合涂膜可作为一种新的包装手段用于延缓香蕉成熟，保持其贮藏质量。

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（責任编辑 罗 丽）