李结瑶,罗文翰*,肖更生,翟万京,仲芸芸,张雪琴,徐意芳,蓝碧锋,肖乃玉*
1(仲恺农业工程学院 包装工程系,广东 广州,510225)2(广东省岭南特色食品科学与技术重点实验室,广东 广州,510225)3(广东省普通高校中央厨房岭南特色食品绿色制造工程技术开发中心,广东 广州,510225)4(广州辐锐高能技术有限公司,广东 广州,511458)
百香果是隶属于西番莲科属的一种攀缘植物,富含人体所需矿质元素、膳食纤维和果胶等营养物质,同时具有多酚、生物碱和三萜类化合物等功能性物质,价值极高[1]。由于百香果采后的呼吸作用、蒸腾作用以及微生物病害等生理变化,易发生失水导致果实干瘪及皱缩、腐烂变质,影响其销售,降低其经济价值。目前百香果的贮藏技术主要有低温贮藏、热处理贮藏、气调贮藏、化学贮藏和复合涂膜贮藏[2]。ANARUMA等[3]探究了柠檬草精油对百香果果实采后腐烂的控制效果,结果表明精油处理的百香果病害指数与杀菌剂处理的样品无显著差异。ZHANG等[4]研究了聚乳酸(polylactic acid,PLA)/聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯[poly (butyleneadipate-co-terephthalate),PBAT]共混膜在20 ℃对百香果保鲜效果的影响,与聚乙烯薄膜相比,PLA/PBAT薄膜能更有效地降低乙醇的转化率,具有较好的保鲜效果。郭欣等[5]研究魔芋葡甘聚糖溶液涂膜后对百香果果实采后品质的影响,结果表明经涂膜后可有效抑制百香果的可溶性固形物含量的下降、可滴定酸的降解,减少果实水分蒸发等,有利于维持百香果果实风味及营养品质。果蔬涂膜处理技术具有广阔的应用前景,对果体涂膜处理后,在果体表面形成透明均匀的薄膜,使果体表面形成微控大气环境,控制水蒸气的渗透,延缓采后生理活动,防止微生物侵染,因此,能够有效延长百香果的货架期[6-7]。
在课题组前期的研究中,利用壳聚糖(chitosan,CTS)/乙烯共聚物(ethylene copolymer,ECP)乳液体系可获绿色易得的涂覆膜。CTS是甲壳素脱N-乙酰基的产物,具有生物降解性、抗菌性和生物相容性等优良性能,对大多数食物病原体均有一定的抑制作用,涂膜于水果表面还可减缓水果的呼吸作用[8-9]。体系中ECP是在无极性的乙烯单体主链分子上引入了极性的醋酸乙烯酯单体作侧基,打乱原有结晶状态,提高复合膜柔韧性、耐冲击性、成膜性等。与食品包装中使用的其他聚合物相比,显示出更大的灵活性与生物相容性[10]。为了提高CTS的广谱抑菌性,常将其他抗菌剂与CTS复配,这是由于CTS的生物相容性和成膜性使其可作为载体材料与其他抗菌剂组合并产生协同抗菌作用。丁香、香茅精油被报道具有抗菌效果,药理试验证明丁香精油中的丁香酚、水杨酸甲酯、苯甲醛等成分具有防腐、抗菌、驱虫、止痛等作用,对食品中常见致腐菌具有广谱抗菌性。香茅精油中的香茅醇、香茅醛、柠檬醛等成分具有较高的抑菌活性,可抑制菌丝生长和霉菌孢子萌发[11-12]。
目前,将丁香/香茅精油与CTS/ECP共混制备涂膜液并应用于百香果保鲜中鲜有报道。本文用0.25%(体积分数)的丁香精油、香茅精油以及两者按不同比例混合精油作为天然抗菌剂与CTS/ECP乳状液复配,测定其对百香果失重率、呼吸强度、维生素C含量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量等的影响,并分析丁香/香茅精油的添加对百香果品质及薄膜包装性能的影响,为寻求适用于百香果的涂膜剂提供一定理论支持。
百香果,品种为紫香1号,购于广东肇庆封开县百香果园,选取色泽鲜艳、无伤痕病害、八成熟的新鲜果实进行实验;丁香、香茅精油,自制;乙烯-共聚物(固形物含量54.5%),山东优秀化工科技有限公司;CTS(脱乙酰度90%),上海麦克林生化科技有限公司。
大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉、胶孢炭疽病、匍枝根霉购于上海保藏生物技术中心。
TDS数显pH计,上海雷磁仪器厂;手持折光仪,浙江力辰科学仪器有限公司;艾德堡GY-4数显果实硬度计,东莞市南城集达电子工具有限公司;CHROMA METER CR-400色彩色差计,柯尼卡美能达中国有限公司;TU-1900双光束紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;HM-GH10呼吸强度测定仪,山东恒美电子科技有限公司;N500气体透过率测定仪、W301水汽透过率测定仪、GBH-1电子万能材料试验机,广州标际包装设备有限公司;RG300扫描电镜(scanning electron microscope,SEM),德国蔡司公司。
1.4.1 丁香、香茅精油的抑菌效果
精油的抑菌效果测定根据萨仁高娃[13]的方法,用滤纸片法测定2种植物精油对5种微生物的抑菌效果。制作相应的菌悬液于37 ℃(细菌)或28 ℃(真菌)恒温振荡箱培养24 h,配制相应的营养琼脂和马铃薯葡萄糖琼脂,灭菌后倒平板,每个相应的平板上滴加100 μL对应的菌悬液,用涂布棒转圈式涂布均匀,用无菌镊子取无菌干燥的6 mm滤纸片置于涂布菌液的平板中心,在滤纸片上滴加6 μL精油,置于相对应温度的培养箱培养至长出抑菌圈,用游标卡尺测量抑菌圈直径,每个精油的抑菌试验重复3次。
1.4.2 CTS/ECP基底膜液的制备
首先配制1%(体积分数)的冰醋酸备用,称取2 g CTS于99 mL的蒸馏水中,在剧烈搅拌条件下缓慢加入1 mL 1%冰醋酸,使CTS完全溶解,离心去气泡即可配得2%的CTS溶液。将上述CTS溶液于450 g的机械搅拌条件下缓慢加入42.2 mL ECP乳液,搅拌20 min,制得CTS/ECP基底膜液。
1.4.3 CTS/ECP精油复合保鲜涂膜液的制备
分别取体积分数为0.25%的丁香精油、香茅精油,丁香精油与香茅精油按体积比1∶1、2∶3、3∶2、1∶4、4∶1混合复配后置于锥形瓶中,加入1.5%(体积分数)的吐温-80与适量的乙醇,搅拌均匀超声20 min使精油充分乳化,即得精油的混合乳液;将所得精油混合乳液缓慢滴入50 mL CTS/ECP基底膜液中,搅拌均匀后超声10 min,最终得到不同精油比例的CTS/ECP复合精油保鲜涂膜液。
1.4.4 百香果的涂膜保鲜
将百香果分为9组,其中一组不做任何处理(CK组)、一组不添加抗菌精油,使用CTS/ECP基膜液涂膜处理(T1组),剩下7组将丁香精油和香茅精油按照0∶1、1∶0、1∶1、2∶3、3∶2、1∶4、4∶1比例添加制成的涂膜液(分别标记为T2~T8组)处理,然后分别放滤网上晾干成膜。将9组处理后的百香果置于室温下贮藏15 d,每隔3 d取样测定性能。取样时将百香果整果用于测定失重率、果皮色泽变化以及呼吸强度变化等生理品质指标,另取果实破壳,果肉榨汁用于测定各项营养品质指标。
1.5.1 精油的添加对薄膜包装性能的影响
(1)薄膜的力学性能
根据GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定》方法,采用GBH-1电子万能材料试验机对薄膜的力学性能进行测试。
(2)薄膜透气与水蒸气透过性能的测试
根据GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》,采用气体透过率测定仪测试复合薄膜的气体透过性能。根据GB/T 1037—2021《塑料薄膜与薄片水蒸气透过性能测定 杯式增重与减重法》采用水汽透过率测定仪测试复合薄膜的水蒸气透过性能。
(3)薄膜SEM测试
实验前样品喷金处理,扫描电压1.0 kV,采用SEM观察并分析薄膜的表面形貌。
1.5.2 百香果生理变化及外观品质测定
(1)失重率测定
失重率的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:m0为第0天百香果质量,mn为第n天百香果的质量。
(2)硬度的测定
采用GY-4果实硬度计测定百香果硬度,取果实上中下3个点进行测试,每组平行测定3次。
(3)果皮颜色的测定
从果实表皮赤道部位选取颜色最具代表性的地方采用色差仪测定,每组平行测定3次,取平均值。
(4)呼吸强度的测定
采用HM-GH10呼吸强度测定仪测定其呼吸强度,将百香果放入0.25 L的响应呼吸室,并将呼吸室的盖子拧紧,用气管将主机与呼吸室连接起来,打开电源,设置采集时间间隔为300 s,每组平行测定3次。
(5)外观品质及腐烂率测定
百香果外观品质拍照记录,对表皮变化、腐烂程度等进行果实腐烂率分析,测定方法参照黎汉清等[14]实验方法进行。
1.5.3 百香果营养品质变化测定
(1)可滴定酸的测定
参照曹建康等[15]方法,采用酸碱滴定法测定。
(2)pH的测定
采用pH计测定经压榨过滤后的百香果果汁pH并记录数值,每组平行测定3次。
(3)可溶性固形物含量的测定
采用手持折光仪测定经压榨过滤后的百香果果汁可溶性固形物含量并记录数值,每组平行测定3次。
(4)维生素C含量的测定
参照李泽鸿等[16]方法,采用紫外分光光度法测定。
Origin 2019作图,SPSS 25.0软件作显著性差异分析。
抑菌实验探究自提取的丁香和香茅2种植物精油对5种微生物的抑菌效果如图1所示。由于百香果的主要病原菌是炭疽菌、根霉、枝孢菌等[17],其中引起百香果果实采后的病原菌为胶孢炭疽菌,受该菌侵染后百香果果实会腐烂变质及质量下降。由图1可知,丁香精油和香茅精油对5种致病菌分别具有较好的抑菌效果。丁香精油对5种微生物的抑制作用较明显,抑菌圈均>20 mm,而香茅精油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和黑曲霉的抑制作用较强,抑菌圈均>20 mm,而胶孢炭疽菌和匍枝根霉对香茅精油的敏感度相对较低。抑菌实验说明2种精油对微生物有抑制作用,一方面原因是精油能够阻断微生物细胞中DNA和ATP的合成,使其生长繁殖受到影响,导致死亡;另一方面是精油对细菌、真菌蛋白质有显著作用,有利于破坏细菌、真菌蛋白质及抑制细菌、真菌蛋白质的合成,导致其蛋白质失活。本实验通过将丁香与香茅精油加入CTS/ECP基膜,并应用于百香果,探讨精油的添加,能否赋予百香果更强的抗菌及保鲜能力[18]。
a-抑菌圈直径;b-抑菌性能(A-丁香精油,B-香茅精油)
根据涂膜组对百香果的保鲜效果数据显示,复合精油涂膜组之间的保鲜效果差异不大,其中T6组效果最优,故仅挑取T6组与基膜T1组对比,进行包装性能测试。良好的力学性能是作为水果涂膜的基本要求之一,以防止在使用过程中过早损坏或开裂。由表1可知,与CTS/ECP基膜相比,精油复合膜的抗拉强度有所减少,断裂伸长率有所增大。其原因是当丁香、香茅精油加入到基膜液中时,精油和吐温-80在CTS-醋酸溶液中形成胶束,促使了大分子CTS之间的滑动,使薄膜变得柔韧,从而增加精油复合薄膜的伸长率,降低拉伸强度[19]。
薄膜的气体阻隔性能是影响保鲜效果的一项非常重要的指标,对果蔬保鲜而言,优异的CO2与O2的透过性与选择透过性可有效调节包装内部气体环境。若能使薄膜形成一个低O2、高CO2的环境,可降低百香果果体的呼吸速率,减少营养损耗,延缓百香果的衰老褐变。由表1可知,薄膜添加精油后,气体透过量由385 cm3/(m2·d·0.1 MPa)降低至366 cm3/(m2·d·0.1 MPa)。因精油的添加,丁香、香茅精油的主体成分中酚类、醇类物质的羟基基团与水缔合形成氢键,增大分子间的作用力,从而增强薄膜的阻隔性能。
薄膜的透湿性影响果实的水分散失,果实在采摘后由于呼吸作用与蒸腾作用的影响,会产生大量水汽,若不及时排出,包装内高CO2形成的碳酸水会导致百香果果皮发生湿蚀的生理性病害,同时也会加速微生物的侵染而产生的病理性病害[20]。由表1可知,CTS/ECP基膜本身具有较高的水蒸气透过量。而随着精油的增加,水蒸气透过量下降,由615 g/(m2·24 h)下降至591 g/(m2·24 h)。低水蒸气透过量表明薄膜为百香果提供了屏障,使水分更有效地保留在水果中。这就可以解释在结果分析中提及的涂膜组百香果的质量损失明显低于CK组,故而言之,可将果皮始终保持较高的硬度归因于植物细胞中更多的水分保留,从而产生更高的细胞弹性。
表1 CTS/ECP基膜与精油复合膜的力学性能、气体与水蒸气透过量
为研究薄膜的微观结构,进一步分析实验结果,了解丁香/香茅精油对薄膜性能的影响,进行SEM分析。由图2可知,未添加精油的基膜表面较为平滑,少量颗粒团聚,成膜性较好。而添加精油后的薄膜,表面致密,同时可清晰观察到丁香/香茅精油能够均匀地分散在CTS/ECP基膜中。而精油的均匀分布更有利于发挥丁香/香茅的协同作用,以及更好地发挥抗菌防腐性能[21]。
a-CTS/ECP基膜;b-精油复合膜
果实的失重率是反映果实采摘后果体中内容物消耗率的重要指标。由图3可知,贮藏期间,涂膜组失重率上升幅度保持较小且平稳,而CK组失重率与涂膜组相比显著增大(P<0.05),由1.54%增至16.1%。涂膜组中,未添加精油的T1组失重率最大,添加精油的涂膜组中T6组的失重率上升幅度最小(P<0.05),贮藏至15 d时,失重率为10.4%。这些变化是由于涂膜组处理使百香果表面形成了一层可微气调和阻湿性的保护膜,降低百香果果体的呼吸速率,减少营养损耗,同时减缓蒸腾作用导致的水分散失与碳水化合物底物的分解,从而延长贮藏期[4]。另一方面,薄膜添加精油后,精油产生抑菌作用限制了微生物的生长,减缓了因微生物的繁殖而产生的百香果病理性失水。
图3 不同处理组百香果失重率变化
果皮硬度的变化可理解为细胞壁降解的过程,主要与纤维素和果胶的水解有关,同时呼吸作用调控过程也会导致果皮硬度的变化。随着百香果的成熟度增加,其硬度也会不断下降,导致果实出现软化的现象。硬度值的大小能较为直观地体现出果实是否耐贮藏,果实硬度的下降会直接影响百香果的销售价值,故果皮硬度也是评价果实外观品质的一个重要指标。图4为不同处理组百香果硬度值的变化。在贮藏期间,CK组果实的硬度相较于涂膜组的硬度下降趋势比较大,呈显著差异性(P<0.05)。贮藏至第15天时,涂膜组的硬度显著高于CK组,T6组涂膜处理的百香果最优(P<0.05)。说明涂膜处理可以延缓果实硬度的下降,分析原因为百香果表皮添加精油后,精油中某种成分对控制百香果表皮果胶和纤维素降解的酶有抑制作用,从而延缓细胞壁降解,保持一定的硬度水平[14]。
图4 不同处理组百香果硬度变化
随着果蔬的成熟度变化,其外观色泽也会产生一定程度的变化,果蔬外观色泽不佳直接影响果蔬的销售,因此果蔬外观色泽变化是评判果蔬新鲜度的一个重要标准[22]。随着贮藏时间的延长,由图5可知,百香果果皮L*值均呈下降趋势,即果皮明亮度一直下降,色泽不再鲜艳。整个贮藏过程,涂膜组L*值均显著高于CK组(P<0.05),不同精油涂膜组之间L*值差异不显著(P>0.05),贮藏至第15天时,CK组的L*值为21.8,T6组的L*值显著高于T1组(P<0.05),为29.3。百香果果皮a*值随着贮藏时间的延长呈上升趋势,即果皮颜色日益由浅红转变成紫红色。整个贮藏过程,涂膜组a*值均显著低于CK组(P<0.05),其中T6组a*值最小为17.9。百香果果皮b*值均呈下降趋势,涂膜组变化趋势均较小。而果皮颜色的变化取决于与紫色有关的色素(如花青素)的合成以及叶绿素酶对叶绿素的催化降解。以上结果分析表明,涂膜组可以延缓果皮颜色的变化,保持一定的新鲜度,一方面原因是精油减缓了叶绿素的降解,从而减缓了果皮颜色的变化。另一方面是涂膜组所制造了一个相对低氧的环境,减少花青素的合成,使得涂膜组果实紫色较浅,有利于维持百香果的红绿值。
a-L*值;b-a*值;c-b*值
呼吸强度是衡量果蔬呼吸效果的重要指标,其实质是产物的氧化过程,会导致果实体内营养物质的流失。当果实的呼吸速率越大,有机物质的消耗量越多,加速果实成熟和腐烂。如图6所示,CK组和涂膜组果实的呼吸强度均呈现先升后降的趋势,CK组在贮藏第3天出现呼吸高峰,而涂膜组的高峰出现较CK组晚,延迟至第6天。其中,T6处理组效果优于其他涂膜组(P<0.05),在贮藏至15 d时,T6组的呼吸强度为35.9 mg CO2/(kg·h),CK组呼吸强度为23.1 mg CO2/(kg·h)。结果表明,涂膜处理可延缓果实呼吸峰值出现的时间,维持果体呼吸活动的平稳进行。这是由于复合涂膜处理在百香果表面形成的薄膜营造了可微气调的环境,阻止了膜内外的气体交换,透氧性下降,从而降低了百香果的呼吸速率[23]。
图6 不同处理组百香果呼吸强度变化
百香果涂膜处理组对比CK组其皱缩程度及褐变程度变化较小,在贮藏至第12天时,CK组百香果已出现长霉腐烂现象,腐烂率为33.33%,在贮藏至第15天时,如图7所示,凹陷严重,褐斑明显,腐烂率已达100%,不能食用。基膜涂膜组贮藏至13 d时,出现部分凹陷,褐斑现象,腐烂率为30.55%。在贮藏至第15天时,复合精油涂膜组与单精油涂膜组相比,复合精油的添加更有利于百香果的保鲜,其中T6组处理在复合精油涂膜中相对较好地维持其硬度及色泽,腐烂率最低,为36.11%。综合以上结果表明,涂膜处理可延缓百香果外观的变化,且添加精油的涂膜液对比基膜液可以更有效地减缓百香果的褐斑程度,使其减缓长霉腐烂,延长其货架期2~3 d。
果实中的可滴定酸是评价果实品质的重要指标之一,同时也是呼吸作用的重要底物,其含量的变化是反映果实营养物质消耗快慢的直观因素。可滴定酸包括多种有机酸,而百香果主要是柠檬酸,代谢中将被大量消耗,因此可滴定酸含量的多少可直接反映百香果品质的好坏[24]。由图8可知,在百香果整个贮藏期间CK组和涂膜组处理的果实可滴定酸含量都呈下降趋势;其中CK组的可滴定酸含量下降最快,差异显著(P<0.05),涂膜组下降速率则相对较为缓慢,其可滴定酸含量均高于CK组,不同涂膜组间总体差异不显著(P>0.05),但T6组处理的百香果的可滴定酸含量下降最少,贮藏至15 d时,仅下降了1.94%,说明涂膜处理的百香果表面形成的微气调环境,有利于控制果体与外界进行的气体交换,延缓采后的生理活动,特别是果实自身的代谢作用,减少涂膜组有机酸的消耗,较好地抑制果实可滴定酸的下降速率,维持其在贮藏期间的风味。
图8 不同处理组百香果可滴定酸含量变化
pH值是反映已离解的部分酸的浓度,由图9可知,整个贮藏进程中果实pH变化趋势不大,各处理果实pH值呈上升趋势,但CK组pH值都高于涂膜组,未加精油的T1组次之,而不同精油比例的涂膜组间差异不显著(P>0.05)。这是由于CK组果实受细菌或者真菌侵染后分解成蛋白质,同时产生较多碱性含氮物质,而涂膜处理后的百香果,由于表面形成的保护膜有效地阻止了细菌或者真菌的侵入,能够抑制果实中水分的流失[21]。因此,涂膜组pH的变化趋势小于CK组。
图9 不同处理组百香果pH变化
果实的可溶性固形物含量可反映果实内部营养品质的好坏与成熟度的变化。在水果贮藏的过程中,可溶性固形物含量的大小与果体自身代谢有关,水分的散失会导致果实内果汁浓度的提高,或者是随着贮藏时间的延长,果实内组织分解软化,都会导致可溶性固形物含量增加。然而,由于果实自身的生命代谢活动,碳水化合物被分解成简单的碳水化合物,以维持水果呼吸期间的代谢活动,导致果实内可溶性固形物含量的减少。由图10可知,在整个贮藏期间CK组和涂膜组的百香果可溶性固形物含量都呈下降趋势,其中CK组果实的可溶性固形物含量下降趋势大于精油涂膜组(P<0.05),精油涂膜处理的百香果一直具有较高的可溶性固形物含量(P>0.05),说明涂膜处理可以延缓果实可溶性固形物含量的下降。原因是涂膜处理表面形成的可微气调薄膜,实现高CO2、低O2的环境,降低果体的呼吸速率,减少碳水化合物的分解,延缓了百香果的生理代谢作用,从而减少营养成分的损耗,使百香果体保持较高的可溶性固形物含量,维持原有的鲜味[24]。
图10 不同处理组百香果可溶性固形物含量变化
维生素C具有丰富的营养价值,同时也是衡量水果贮藏保鲜的重要指标。但是维生素C不稳定,具有较强的还原性,易受pH、水分活度和酶等因素影响而发生氧化降解。在整个贮藏进程中,由于果实已成熟,体内不再合成维生素C,维生素C被氧化分解,因此CK组和涂膜组的百香果维生素C含量都呈下降趋势。由图11可知,其中CK组果实的维生素C含量相较于涂膜组的百香果维生素C含量下降趋势较大(P<0.05),从刚开始贮藏的24.06 mg/100g下降至4.66 mg/100g,降低了19.4 mg/100g;而T6处理的百香果的维生素C含量在贮藏至第15天时为9.9 mg/100g,显著高于CK组(P<0.05),说明涂膜处理可延缓果实维生素C的下降,维持果体内抗氧化系统的高抗氧化活性,减少活性氧的积累,降低贮藏期百香果的代谢活动,保持果实的营养品质[25]。
图11 不同处理组百香果维生素C含量变化
本文针对实验室自提取的丁香、香茅精油做抑菌性能分析,并探究其作为天然植物源抗菌剂添加至涂膜液中对薄膜包装性能的影响及对百香果保鲜的效果,发现丁香、香茅精油对百香果的致病菌具有明显的抑制作用。在薄膜的表征测试中表明,精油的添加,使薄膜变得柔韧,阻隔性能提高,力学性能、透气性能,透湿性能分别得到改善,为百香果提供屏障,使水分更有效地保留在水果中,较好地维持百香果品质。对比未涂膜及未添加精油处理的百香果,精油复合薄膜可以明显延缓百香果的呼吸强度高峰,保持较低的失重率,减缓表皮颜色变化和硬度变化,延缓果实pH的上升,维持果实中可溶性固形物含量,可滴定酸和维生素C等营养物质,延缓腐烂,延长保鲜2~3 d。不同比例的精油涂膜液对百香果均有较好地保鲜效果,其中复合精油涂膜组以丁香精油与香茅精油体积比为3∶2时,对失重率、硬度、维生素C含量的影响最为显著,效果最佳。