纳他霉素/海藻酸钠/壳聚糖生物抗菌涂层对樱桃柿子的保鲜效果

■ 文/刘春芳，蒋静思，王 勇，石葆莹，，高 翔

（1.天津天狮学院 食品工程学院；2.宏观世纪（天津）科技股份有限公司）

0 引 言

生鲜果蔬的质量和储存期会受到环境、生理作用和微生物等因素的影响而受损，导致生鲜果蔬在整个采摘后的供应链中产生重大的损失和浪费[1-2]。据统计，在流通中我国果蔬的年损失率高于25%，每年损失的金额高达550亿人民币。在果蔬表面涂覆一层保鲜涂层是一种非常有效的延长保质期的方法，近年来，以脂质类、蛋白类、多糖类为主要原材料的可食性涂层已经成为食品保鲜包装领域的研究热点[3-8]。可食性涂层可以保护食品免受机械和微生物的伤害，防止有益的挥发物逸出，抑制食品的衰老过程，并保持良好的外观。而且这些涂层是以可生物降解和生物相容性材料为基础的，可以满足消费者对食品安全的需求[9-10]。

通常单一的涂层材料很难满足果蔬保鲜的要求，近年来人们开始关注开发复合涂层，将各种成分的优点结合起来加以利用。层层自组装（Layer-by-Layer，LbL）技术是一种新的复合涂层成型技术[11]，它通常利用带不同种电荷的两种原材料之间相互吸附成涂层的原理。自发现以来，LbL技术在诸多领域广泛的应用。目前也己经有部分国内外的研究表明，LbL技术同样可以用于可食性涂层领域[12,15]，可根据被包装物品的不同来灵活设计涂层组成和结构，在果蔬保鲜领域具有广阔的应用前景。

壳聚糖是一种安全、无毒、可生物降解的天然多糖，带有正电荷，已被证明是一种有效的天然食品抗菌涂料[16]。海藻酸盐涂层具有较高的抗拉强度和较低的水蒸气透过性，可以提供负电荷[17]。纳他霉素是一种多烯烃大环内酯类抗真菌剂，能有效抑制霉菌的生长[18]，常用于对食品表面进行处理以延长食品的保质期，同时并不影响食品的风味和口味。本论文研究了以海藻酸钠、壳聚糖为涂层材料，以纳他霉素为抗菌剂，采用LbL技术制备的可食性涂层对樱桃柿子的保鲜效果，考察了海藻酸钠和壳聚糖的涂膜顺序、涂层层数、涂层浓度等因素对保鲜效果的影响。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

材料：海藻酸钠，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；壳聚糖，脱乙酰度≥95%，上海麦克林生化有限公司；冰乙酸，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；纳他霉素，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；樱桃柿子，采摘于天津某采摘园，外观、品质、大小接近，约九成熟。

仪器：动态接触角测试仪，VCA optima，美国AST公司；指针式水果硬度计，GY—1，温州韦度电子有限公司；手持折光仪，WS114，上海测维光电技术有限公司；匀浆机，JT—C，漯河市金田试验设备研究所；紫外可见分光光度计，UV—2700，日本岛津仪器公司；电动搅拌器，HD2015w，上海司乐仪器有限公司。电子天平，AL104，梅特勒-托利多（上海）有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 涂层溶液的制备

壳聚糖溶液制备：称取一定量的壳聚糖粉末加入到1%（体积百分数）的乙酸溶液中，充分搅拌，直至壳聚糖完全溶解，制得一定浓度的壳聚糖溶液[7]。根据实验设计，分别配制浓度为1.5%、1.75%、2.0%、2.25%、2.5%（质量百分数）的壳聚糖溶液。

海藻酸钠溶液制备：称取一定的量的海藻酸钠加入到蒸馏水中，在60℃的水浴锅中机械搅拌至完全溶解，制得一定浓度的海藻酸钠溶液。根据实验设计，分别配制浓度为1.0%、1.25%、1.5%、1.75%、2.0%（质量百分数）的海藻酸钠溶液。

纳他霉素—海藻酸钠溶液制备：在上述海藻酸钠溶液加入一定量的纳他霉素，配制成纳他霉素浓度为500 mg/L的纳他霉素-海藻酸钠溶液。

海藻酸钠—壳聚糖共混溶液制备：称取一定量的壳聚糖粉末加入到1%（体积百分数）的乙酸溶液中，充分搅拌，直至壳聚糖完全溶解，再加入一定量的海藻酸钠，充分搅拌直至完全溶解。

1.2.2 层层自组装（LbL）涂膜

先将樱桃柿子放入纳他霉素—海藻酸钠溶液中浸泡30 s，取出后在蒸馏水中浸泡30 s，然后将樱桃柿子浸入壳聚糖溶液中浸泡30 s，取出后在室温下风干30 min，此时在樱桃柿子表面形成一层纳他霉素—海藻酸钠/壳聚糖涂层，层层组装涂层形成示意图，如图1所示。重复上述步骤3次和5次，但从第二次开始仅使用海藻酸钠溶液和壳聚糖溶液，即纳他霉素-海藻酸钠涂层仅在第一层使用，分别制得纳他霉素-海藻酸钠/壳聚糖三层涂层，纳他霉素—海藻酸钠/壳聚糖五层涂层。改变海藻酸钠和壳聚糖的涂膜顺序，可以制得壳聚糖/纳他霉素—海藻酸钠LbL涂层[7]。

图1 海藻酸钠/壳聚糖层层组装涂层形成示意图

1.2.3 LbL涂层对樱桃柿子保鲜效果的评价

（1）感官评价

按照1.2.2的方法在樱桃柿子表面进行LbL涂膜后，模拟超市的处理方式，将樱桃柿子放在塑料托盘上，用保鲜膜包好。同时将未经涂膜处理的样品作为空白对照组。分别在第1、3、5、7天时对樱桃柿子的颜色、亮度和表面光滑度等指标进行感官评价。

（2）失重率测定

按照上述分组，在第1、3、5、7天时分别称量每一盘的重量，做好记录。

根据如下公式计算失重率的变化情况：

其中，W为失重率，m0为初始重量，单位为克（g），mi为第i天重量，单位为克（g）。

（3）坏果率的测定

在第1、3、5、7天时记录每组樱桃柿子坏果的个数。根据如下公式计算坏果率的变化情况：

其中，M为坏果率（%），n为坏果的个数（个），N为樱桃柿子的总量（个）。

（4）硬度的测定

按照上述分组，在第1、3、5、7天时，每组取三个樱桃柿子，用指针式水果硬度计测量硬度，初试硬度为x0，后面每天测量的为xi（i为对应的天数），测量三次取平均值。然后根据如下公式计算相对硬度：

1.2.4 涂层表面接触角测定

采用VCA optima动态接触角测试仪测定涂层表面的接触角，测试液体为蒸馏水，测量方式为悬滴法，自动注射，液滴体积为5 μL。

2 结果与讨论

2.1 浸涂顺序对涂层保鲜性能的影响

本研究考察了壳聚糖和海藻酸钠浸涂顺序对涂层保鲜效果的影响。结果表明，壳聚糖和海藻酸钠的浸涂顺序对保鲜性能有显著影响，从感官上看，贮存7 d时，海藻酸钠/壳聚糖组大部分樱桃柿子外表完整，色泽红润，且具有一定的硬度，而壳聚糖/海藻酸钠组大部分樱桃柿子已经腐烂，失去了商品价值。当壳聚糖在外层时，樱桃柿子的坏果率明显低于壳聚糖在内层和空白组。贮存7 d时，海藻酸钠/壳聚糖组的坏果率最低，约为13%，明显低于空白组的25%，而壳聚糖/海藻酸钠组的坏果率高达接近40%，如图2所示。在产生上述现象的原因，是由于壳聚糖自身具有良好的抗菌性[7,19]，在外层时，对环境中常见革兰氏阳性和革兰氏阴性致病菌均有较好的杀灭作用。同时内层的海藻酸钠由于含有纳他霉素，直接接触樱桃柿子的表面，可以有效抑制霉菌的生长。因此海藻酸钠/壳聚糖的涂层顺序，更能发挥各自的优势，对食品的保鲜效果更佳。

图2 涂层顺序对樱桃柿子坏果率的影响

2.2 涂层层数对保鲜性能的影响

本研究考察了海藻酸钠/壳聚糖单层涂层、三层涂层、五层涂层对樱桃柿子的保鲜效果。在感官上，海藻酸钠/壳聚糖单层涂层组樱桃柿子的外观没有明显变化，而3层涂层和5层涂层大部分出现破裂、发霉现象。涂层层数对樱桃柿子失重率的影响如图3所示，贮存7 d时，海藻酸钠/壳聚糖单层涂层樱桃柿子的失重率最低，小于2%。而海藻酸钠/壳聚糖3层和5层涂层樱桃柿子的失重率均高于3%。涂层层数对樱桃柿子坏果率的影响如图4所示，可以看出，在贮存7 d时，单层涂层樱桃柿子的坏果率为10%左右，明显低于其他3组，3层涂层和5层涂层的樱桃柿子腐烂严重。由此可见，层层组装涂层并非层数越多越好，这与杨皓月等[7]的研究结果是一致的。主要是由于新鲜果蔬在存放中需要保持和外界的气体交换，涂层层数多，阻碍了正常的气体交换，反而加速了果蔬的腐烂。

图3 涂层层数对樱桃柿子失重率的影响

图4 涂层层数对樱桃柿子坏果率的影响

2.3 海藻酸钠浓度对涂层保鲜性能的影响

本研究考察了海藻酸钠浓度对涂层保鲜性能的影响，壳聚糖浓度固定为2.0%（质量百分数）。从图5和图6可以看出，海藻酸钠浓度为1.75%时，樱桃柿子的保鲜效果最好，在贮存期内，坏果率上升缓慢，贮存7 d时，坏果率约为10%。同时樱桃柿子的硬度保持较好，下降了约10%，明显低于空白对照组和其他浓度的海藻酸钠涂层。

图5 海藻酸钠浓度对樱桃柿子坏果率的影响

图6 海藻酸钠浓度对樱桃柿子坏果率的影响

2.4 壳聚糖浓度对涂层保鲜性能的影响

本研究考察了壳聚糖浓度对涂层保鲜性能的影响。从图7、图8可以看出，壳聚糖浓度为2.25%时，樱桃柿子在贮存期内的坏果率最低，贮存7 d时，坏果率约为10%。因此，壳聚糖浓度为2.25%时，海藻酸钠/壳聚糖LbL涂层的保鲜效果较好。

图7 壳聚糖浓度对樱桃柿子坏果率的影响

图8 壳聚糖浓度对樱桃柿子相对硬度的影响

2.5 LbL涂层与共混涂层保鲜效果的对比

通过上述实验，可知海藻酸钠浓度1.75%，壳聚糖浓度2.25%，（纳他霉素-海藻酸钠/壳聚糖）单层涂层对樱桃柿子的保鲜效果最好。按照同样的浓度制备纳他霉素-海藻酸钠涂层、壳聚糖涂层、纳他霉素-海藻酸钠-壳聚糖共混涂层，分别对樱桃柿子进行保鲜实验。从图9可以看出，在贮存周期内，LbL膜的保鲜效果明显好于单组分膜和共混膜，说明LbL膜对于果蔬具有更好的保鲜效果。

图9 不同种类涂层对樱桃柿子坏果率的影响

2.6 涂层抗菌和表面浸润性分析

新鲜果蔬在贮存过程中，由于呼吸作用会产生水汽，使得果蔬的包装环境变得潮湿，这样的环境有助于微生物的生长，会加速果蔬的腐烂[7]。如果涂层具有抗菌性且外表面具有疏水性，则有助于延长果蔬的货架寿命[20]。

本研究对（纳他霉素-海藻酸钠/壳聚糖）LbL涂层的抗菌性和表面浸润性进行了分析，结果如图10和图11所示。从图10可以看出，LbL涂层对果蔬常见的致病菌霉菌具有明显的抗菌作用，说明纳他霉素的加入显著提高了涂层的抗菌性。图11 可以看出，（纳他霉素-海藻酸钠/壳聚糖）LbL涂层外表面的水接触角为121°，表明LbL涂层具有明显的疏水性，可以有效减少包装环境中水分对涂层的影响。

图10 LbL涂层对霉菌的抗菌效果

图11 LbL涂层水接触角

3 结 论

本论文以樱桃柿子为保鲜对象，研究了纳他霉素-海藻酸钠/壳聚糖层层自组装可食性涂层的保鲜效果。结果表明，海藻酸钠和壳聚糖的组装顺序对涂层的保鲜效果具有很大影响，壳聚糖在外层时，涂层的保鲜效果明显优于海藻酸钠在外层；当自组装涂层的层数为单层、海藻酸钠浓度为1.75%、壳聚糖浓度为2.25%时，涂层保鲜效果较好，在此条件下，樱桃柿子贮存7天依然保持了良好的商品品质，而未经涂层保鲜处理的樱桃柿子样品，不到5 d已基本失去了商品价值。LbL涂层对霉菌具有良好的抗菌作用，并且涂层的外表面具有很好的疏水性，使其对樱桃柿子的保鲜效果更好。