改性聚乙烯醇与聚丙烯复合包装对饼干的防潮及抑菌性研究

陈祖国,李绍菁,杨菁卉,柴莉,杨福馨

(上海海洋大学 食品学院,上海,201306)

蔓越莓(Vacciniummacrocarpon)[1-2]富含黄酮类化合物如花青素、原花青素等多酚物质,对人体健康大有益处[3-4]。大量临床医学研究表明,蔓越莓是一种天然抗菌保健水果,是防治泌尿系统各种细菌感染、尿道炎、膀胱炎的最佳自然食疗法[5-7],其对大肠杆菌、幽门螺杆菌和白色念珠菌等具有很好的抑制作用[8-10]。蔓越莓含有丰富的营养成分,因此蔓越莓饼干深受广大消费者的喜爱[11]。

目前,饼干的包装方式多选择HDPE薄膜、复合聚丙烯(polypropylene,PP)盒与纸袋[12],不利于饼干的远距离运输和长期保存。因此寻找一种具有抑菌性和高阻隔性的复合薄膜,对饼干的长期保存具有深远的意义。本试验选择高阻隔性可降解材料聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)[13],对其进行抑菌性改性作为内层包装,PP薄膜作为外层包装,构成复合包装,研究抑菌性复合包装对蔓越莓饼干货架期的影响。同时,观察改性薄膜的阻隔性、相容性、疏水疏油性、抑菌性,并分析蔓越莓饼干保存期间质量、质构变化、菌落总数和感官评定,得出适用于蔓越莓饼干的保存方法,从而为蔓越莓饼干防潮抑菌提供安全、有效的包装材料和技术。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1799型聚乙烯醇,上海精析化工科技有限公司;聚丙烯树脂,中国石化上海石油化工股份有限公司;羟丙基甲基纤维素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC),天津市凯通化学试剂有限公司;脱氢乙酸钠,南通奥凯生物技术开发有限公司;蔓越莓饼干,自购(同一批次生产的新鲜饼干,无防腐剂);食用油,自购(食用植物调和油,保质期内);大肠杆菌(Escherichiacoli,ATCC 25922)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,CCTCC AB 91093),农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海);胰蛋白胨大豆肉汤、胰蛋白胨大豆琼脂、平板计数琼脂,青岛高科园海博生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FA3104 N型电子天平(分度值0.1 mg),上海菁海仪器有限公司;W-B-31D型水蒸气透过率测试仪,广州西唐机电科技有限公司;Model2/22型气体渗透测试仪,美国膜康有限公司;SU5000型热场发射扫描电镜,Hitachi(日立)公司;FR-900C型自动薄膜封口机,温州市宁骏包装机械有限公司;TA.XT Plus型质构仪,英国Stable Micro Systems公司;VS-1300L-U型超净工作台,青岛翌宏仪器有限公司;MIR154型恒温培养箱,日本三洋电机生物医药株式会社。

1.3 试验方法

1.3.1 高阻隔抑菌防潮改性薄膜的制备

参考QURESHI等[14]的方法,并稍做修改[15],将用蒸馏水淘洗干净并50 ℃烘干10 h后的PVA颗粒,按照质量分数为12%与蒸馏水在温度为60 ℃、转速800 r/min的水浴中恒温溶胀2 h;然后按表1配方加入抑菌剂脱氢乙酸钠,升温至95 ℃,恒温搅拌4 h;冷却降温至60 ℃,接入增稠剂、稳定剂、分散剂HPMC,于60 ℃条件下搅拌6 h;再次冷却降温至30 ℃,继续搅拌8 h,使胶体溶液充分混合,制得抗菌液。将抗菌液在50 ℃条件下流延成膜,制得抗菌薄膜,烘干2 h,备用。

表1 高阻隔抑菌防潮改性薄膜配方设计 单位：%

1.3.2 外层包装的制备

参考隋越等[16]的方法,将聚丙烯母粒用蒸馏水淘洗干净,并在60 ℃条件下烘干10 h,然后加入到已经流延干净的流延机中,熔融挤出成膜,其中流延机各加热区的温度分别为170、175、180、185、175、175 和175 ℃,转速为40 r/min。

1.3.3 保鲜实验

蔓越莓饼干为面包房现做,大小基本一致[规格为(6±0.5)×(6±0.5) cm,质量为(15±1) g],并于当天带回实验室。设置8个实验组:1个空白裸露组,7个有A～F与PP薄膜复合包装组,每组设置3个平行,称取每块饼干的质量,并做好记录。对有薄膜包装的组,每组制备7×3=21个PP包装袋[规格为12 cm×12 cm,厚度为(50±3) μm],每组制备6×3=18个改性薄膜包装袋[规格为9 cm×9 cm,厚度为(70±3) μm],记录薄膜信息与预保存时间(第4、8、12、16、20、24、28天)。对饼干进行装袋(表2),热封合,放置在餐盘中,统一保存在相对湿度90%,温度28 ℃的恒温恒湿箱内,存放28 d。每4 d取样,观察并测定饼干相应的理化和生化性质[17]。

表2 对饼干的复合包装方式Table 2 Composite packaging methods for biscuits

1.3.4 高阻隔抑菌防潮薄膜的性能测试及表征

1.3.4.1 阻隔性能测试

氧气透过率参考ASTM D1434—82中的方法进行测试[18]。设置测试仪腔内相对湿度为65%,试验温度为25 ℃;测试样品厚度,然后用模具将样品裁剪成规定样,黏附在透气腔上并夹紧后,放入透气腔内进行测试。每个样品分别测试6次,记录数据,并求平均值。

水蒸气透过率参数ASTM E96—05中的方法[19],薄膜的水蒸气透过率使用透湿仪测试。实验之前,向透湿杯中添加适量蒸馏水,保证渗透湿度为100%,使用模具将待测样品按照透湿杯的形状裁剪后,锁定在样品透湿杯上,测试有效面积为33 cm2,测试温度设定为38 ℃,干燥侧湿度为10%,测定方式为减重法。每组样品3个平行,取平均值。

1.3.4.2 扫描电子显微镜

采用热场发射扫描电镜来观察改性薄膜的断面与平面微观结构。先将改性薄膜用液氮脆断得到横截面,用导电胶粘贴试样,横截面朝上,放置于离子溅射镀膜仪内进行喷金处理60 s,取出置于观测腔内,在6 kV的测试电压下进行测试[20-21]。

1.3.4.3 接触角测试

选取裁剪为8 cm×1 cm的薄膜样品,横向固定在仪器载物台上,在薄膜表面用量程为1 mL的注射器滴下大约20 μL(一滴)的食用油。快速记录食用油与薄膜接触1 s内的接触角大小,同一个样品测试5个平行,求取平均值[22-23]。

1.3.4.4 改性薄膜的抑菌性能测试

抑菌圈法可以用来表征抑菌薄膜的抑菌效果。该实验在超净工作台内的无菌条件下完成。参考ZHANG等[24]的方法,将裁得直径为8 mm的薄膜圆片用紫外灭菌1 h;待倒入适量胰蛋白胨大豆琼脂培养基凝固后,分别吸取100 μL浓度为2×107CFU/mL的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌,再用灭菌后的三角玻璃涂布棒涂布均匀,使菌液扩散完全。用无菌镊子将薄膜圆片有序的贴敷在对应的培养皿上,倒置在37 ℃恒温箱中培养24 h,抑菌直径减去圆片直径,记为抑菌圈直径,每组样品做5个平行,求取平均值。

1.3.5 饼干保存贮存期间的指标测试

1.3.5.1 质量变化测定

运用称重法,根据公式(1)计算样品的质量变化率:

(1)

1.3.5.2 质构测定

使用TA.XT plus型质构仪的2次咀嚼测试法(TPA)测定贮存第0、4、8、12、16、20、24、28 天饼干的四角与中心位置的质构。选用探头为P/36R型,测前速度3.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,测后速度3.0 mm/s,感应力为5 g,2次压缩间隔5 s;每组样品测定2个平行,每个样品测定5次,求取平均值[25-26]。

1.3.5.3 菌落总数测定

按照GB 4789.2—2016《食品国家安全标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》的方法,使用天平准确称取10.0 g贮存后的饼干,与90 mL生理盐水在无菌均质袋中均质拍打3 min,得到样品匀浆。用移液枪吸取1 mL匀浆注入无菌培养皿,再倒入(45±3) ℃的平板计数琼脂,在平面上顺时针、逆时针各摇晃3圈分散菌液。培养基冷却定型后,倒置在37 ℃恒温箱中培养48 h,计算菌落数。每组样品3个平行,取平均值。

1.3.5.4 感官评价

参考LEKJING等[27]的方法,并稍作修改。由12人组成感官评定小组,通过对饼干的外观、质地、口感进行综合评价并取平均值,分为4个标准等级,综合得分在4级,说明饼干仍具有商品价值。具体评价标准如表3。

表3 蔓越莓饼干的感官评定Table 3 Sensory evaluation of cranberry biscuit

1.4 数据处理分析

使用SPSS 24软件进行显著性分析,P<0.05为显著性水平,并用Origin 9.1对数据进行拟合作图。

2 结果与分析

2.1 阻隔性能

薄膜的阻隔性能是衡量薄膜气密性的重要指标之一。高阻隔抑菌防潮改性薄膜的阻隔性能如表4所示。6组薄膜的O2透过率与水蒸气透过率呈现先下降后上升的趋势,E组改性薄膜具有最低的O2透过率与水蒸气透过率。这是因为HPMC、脱氢乙酸钠与PVA具有良好的相容性,增强了薄膜中的分子间氢键作用力,使改性薄膜的致密性得到加强,从而降低了改性薄膜透氧性和透湿性。

表4 改性薄膜的阻隔性能Table 4 Barrier property of modified film

2.2 扫描电子显微镜结果分析

图1为高阻隔抑菌防潮改性薄膜的横断面与平面微观结构。A组为PVA空白基膜,横断面A1显示粗糙致密,平面A2显示有些许裂痕,这说明PVA分子间具有很好的氢键作用力,但PVA薄膜脆性较强,易出现裂痕。B组为HPMC改性PVA薄膜,横断面B1致密且光滑,平面B2无裂痕,但有些许凹槽、空洞,这是因为HPMC与PVA具有较强的相容性,但混合不均匀,导致HPMC在薄膜中有堆积。C、D、E、F组为脱氢乙酸钠与HPMC共同改性PVA薄膜,横断面均致密且光滑,但E组薄膜的平面E2排布最为有序且致密,说明该组试验中,0.9%的HPMC与6%的脱氢乙酸钠共同改性PVA具有最好的相容性。

2.3 接触角测试分析

图2为高阻隔抑菌防潮改性薄膜的食用油的接触角测量值。PP薄膜对食用油的接触角为64.575°,A、B、C、D、F组薄膜对食用油的接触角,相比PP薄膜均有所降低,E组薄膜对食用油的接触角为66.736°,与PP薄膜相比略微增加。总体而言,A～F组薄膜的食用油接触角呈现先增加后降低的趋势,且添加了脱氢乙酸钠的C～F组,均比A组薄膜的接触角有所增大。说明PVA具有良好的耐油性,随着HPMC的加入,薄膜的疏油性降低,但加入脱氢乙酸钠后,改性薄膜的疏油性增强了,且E组改性薄膜的疏油性与PP薄膜相近。这是因为脱氢乙酸钠与HPMC相互作用,使得PVA改性薄膜表现出更低的表面能,产生疏油效果。

图1 薄膜的微观结构Fig.1 Microstructure of films

图2 薄膜的接触角Fig.2 Contact angle of films

2.4 改性薄膜的抑菌性能

图3为高阻隔抑菌防潮改性薄膜的抑菌效果。

图3 改性薄膜的抑菌效果Fig.3 Antibacterial effect of modified films

A组与B组的抑菌圈为0,说明PVA与HPMC均没有对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生抑菌效果。C～F组,当添加脱氢乙酸钠时,随着脱氢乙酸钠浓度的增加,改性薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果逐渐增强,且E组与F组的抑菌效果相近。

2.5 蔓越莓饼干的质量变化

图4为不同包装保存过程中蔓越莓饼干质量随时间的变化情况。第1组(裸露组)蔓越莓饼干的质量大量增加,28 d时,质量增长率达到34.93%;第2组(PP包装组)蔓越莓饼干的质量略有增加,28 d时,质量增长率达到1.98%;第3～8组,为改性薄膜与PP薄膜的复合包装组,28 d时,蔓越莓饼干的质量增长率最高为0.83%,最低为0.59%(第7组),明显低于PP薄膜包装。这是由于第7组有较低的水蒸气透过率,阻碍了水分的穿透,从而降低了蔓越莓饼干的质量增长率。

图4 蔓越莓饼干的质量变化率Fig.4 Quality change rate of cranberry biscuit

2.6 蔓越莓饼干的质构

图5为蔓越莓饼干在不同保存条件下,硬度和脆性随时间变化的情况。蔓越莓饼干的硬度和脆性随保存时间均逐渐变差。但与第2组即PP包装组相比,复合包装组的蔓越莓饼干在28 d内,蔓越莓饼干的硬度和脆性下降明显变缓,说明改性薄膜在一定程度上抑制了蔓越莓饼干口感的裂变。这是因为内层改性薄膜含有脱氢乙酸钠和HPMC,能够在一定程度上阻碍了水分和空气的穿透,维持了蔓越莓饼干的组织结构,从而延缓了品质裂变。

a-硬度;b-脆性图5 蔓越莓饼干的质构变化Fig.5 Texture changes of cranberry biscuit

2.7 蔓越莓饼干的菌落分析

表5为蔓越莓饼干在不同保存条件下,菌落总数随时间变化的情况。根据GB 7100—2015《食品安全国家标准 饼干》规定的微生物限量标准,当饼干的菌落总数不超过1×104CFU/g时符合要求。

由表5可知,该试验环境下,第1组(裸露组)、第2组(PP包装组)、第3组和第4组的饼干,由于适宜的温度和水分活度,菌落总数急剧增加,保存4 d后,菌落总数明显超过限量标准。第5～8组,由含有脱氢乙酸钠的复合薄膜进行包装,阻止了外界微生物的侵入,同时通过缓释作用使包装内环境处于抑菌状态,对菌落的生长起到了较强的抑制作用,保证了蔓越莓饼干在28 d保存时间内,菌落总数均未达标,抑菌作用显著。

表5 蔓越莓饼干的菌落总数变化Table 5 Changes in total viable count in cranberry biscuit

2.8 蔓越莓饼干的感官评价

图6为蔓越莓饼干在不同保存条件下,感官品质随时间变化的情况。蔓越莓饼干保存期间,外观、香味和口感等感官品质会随着水分活度的增大和微生物的侵蚀发生变化,这也是各组饼干的感官评价等级均呈现下降趋势的原因。第1组饼干的感官评价等级明显下降,水分活度和微生物使饼干的品质变的恶劣,失去了原有的口感和香味。第28天时,第1～4组,评价等级均低于3级,已经失去了商品价值;第5～8组,评价等级均高于3级,其中最优质的为第7组,较第2组(PP包装组)货架期延长20 d。

图6 蔓越莓饼干保存过程中的感官评价Fig.6 Sensory evaluation of cranberry biscuits during storage

3 结论

由薄膜微观结构得知,HPMC、脱氢乙酸钠与PVA间具有良好的相容性。在相对湿度为90%,温度为28 ℃的恒温恒湿条件下,PVA、HPMC、脱氢乙酸钠的质量分数分别为12%、0.9%、6%的改性薄膜与PP薄膜复合制成的包装,对饼干的保鲜效果最佳,与PP包装相比,货架期延长了20 d,其改性膜最具阻隔性,O2透过率和水蒸气透过率分别为(0.144±0.016 7)cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)、(1.274±0.008 9) g/(m2·h)。复合包装组相较于裸露组和PP包装组,饼干的防潮性和质构均明显提高,有利于饼干的运输与保藏。改性薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性明显,结合饼干保藏期间的菌落总数与感官评价分析,第28天时,裸露组和PP包装组均失去了商品价值,添加脱氢乙酸钠改性的复合包装组仍可食用,具有商品价值。并且E组对食用油的接触角略优于PP薄膜,与PP薄膜复合包装饼干,对饼干的保鲜效果最佳。