聚丙烯/明胶双层膜的制备及其对真空冷鲜羊肉腐败菌的抑制作用

王世静，柴笑玉，田寒雪，时子丹，侯成立，张志胜，饶伟丽*，张德权

（1.河北农业大学食品科技学院，河北 保定 071001；2.中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品质量安全收贮运管控重点实验室，北京 100193）

目前市场上羊肉的流通形式主要有冷鲜肉和冷冻肉，其中冷鲜肉在流通过程中通常是简单包装或无包装，易受微生物污染而腐败变质。真空包装结合冷藏或冰温可以抑制肉中好氧微生物的生长繁殖，延长其货架期[1-3]。但根据目前国内的研究，我国真空包装冷鲜肉的保质期不超过30 d[4]。因此，进一步延长真空包装冷鲜肉的贮藏期，迫切且必要。近年来，保持冷鲜肉贮藏期间品质并延长货架期的活性包装成为开发的热点。明胶具有良好的成膜和吸水性，是活性包装材料的较好选择[5]。研究表明，将明胶涂膜或制成膜包裹在冷鲜肉表面可以减少汁液流失、改善色泽变化、延长保质期[6-8]。但明胶膜因具有高吸水性和吸水后发黏、易碎、阻隔性变差等特性[9]，将其单独应用于包裹冷鲜肉比较困难。因此，将明胶与塑料膜制成双层膜，将极大地增强明胶膜的性能并扩展它的应用范围[10]。聚丙烯（oriented polypropylene，OPP）是一种食品级塑料，其无色无味，具有拉伸强度高、阻气性良好、成本低等优点。OPP 与明胶制成的双层膜，在物理性能等方面都有较为显著的提升，能更好地应用于冷鲜肉保鲜。

在此基础上，将活性物质添加到明胶层中制成聚丙烯/明胶双层膜活性包装，以改善冷鲜肉贮藏期间的感官品质劣变。精油提取于天然植物和香料，具有抗氧化和抗菌活性，将其添加到薄膜中包裹食品，可提高食品贮藏期间品质，减少脂肪氧化，延长产品货架期[11-15]。但精油的种类繁多，相关研究多为将单一精油添加到膜中，而将多种精油复配的研究较少，另外精油的抑菌性试验中菌种的选择针对性不强。精油种类对真空冷鲜羊肉中优势腐败菌的抑制作用的影响还有待进一步确认。

本试验选用了14 种精油，研究其对从真空冷鲜羊肉筛选鉴定出的19 株腐败微生物的抑制作用，筛选出效果最佳的植物精油，然后进行复配。对比添加不同浓度复配精油的双层膜的抑菌性、膜厚、机械性能、色泽、透光率、阻隔性和感官评分等指标，确定复配精油添加的最适浓度，以期为后续制备天然抑菌、抗氧化的真空冷鲜羊肉活性包装提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

明胶、甘油、吐温80（均为分析纯）：阿拉丁试剂（上海）有限公司；OPP 膜[40 cm×40 cm，厚度为（28.0±0.5）μm]：潮州市潮安区宏美纸塑包装厂；肉桂精油、牛至精油、百里香精油、芥末精油、柑橘精油（蒸馏和冷榨）、甜橙精油（蒸馏和冷榨）、柚皮精油（蒸馏和冷榨）、葡萄柚精油（蒸馏和冷榨）、佛手柚精油（蒸馏和冷榨）：深圳市国鑫香精香料有限公司；平板计数琼脂、营养肉汤：青岛海博生物技术有限公司。

19 株羊肉腐败菌由河北农业大学畜产品加工创新实验室从真空冷藏8 d 的羊背最长肌上分离，通过16S rDNA 测序（引物为27F1492R）方法鉴定，分离鉴定后的19 株菌株加甘油，于-18 ℃保藏。19 株菌分别为小肠结肠炎耶尔森菌、美洲爱文氏菌、液化沙雷氏菌、沙雷氏菌属、液化沙雷氏菌属SP025、液化沙雷氏菌属P2ACOL2、哈夫尼亚菌属B315、哈夫尼亚帕拉维、蜂房哈夫尼亚菌、成团泛菌、弯曲乳杆菌、变异棒杆菌、伦登假单胞菌、韩国假单胞菌、松柏假单胞菌、假单胞菌、产碱假单胞菌、嗜根考克氏菌、腐生葡萄球菌。

1.2 仪器与设备

电子天平（AR23CN）：奥豪斯仪器（上海）有限公司；真空干燥箱（DZF-6050）：上海精宏实验设备有限公司；智能磁力搅拌器（ZNCL-GS）：广州仪科实验室技术有限公司；数显测厚仪（DTG D2）：德力电气工技术有限公司；紫外可见分光光度计（UV-2800）：尤尼柯仪器有限公司；超净工作台（SW-CJ-1FD）：苏州安泰空气技术有限公司；立式蒸汽灭菌锅（BXM-30R）：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；电热恒温培养箱（DGH3600B）：天津市泰斯特仪器有限公司；高品质电脑色差仪（NR60CP）：深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 14 种植物精油对羊肉中腐败菌抑菌作用的测定

吸取300 μL 从真空冷鲜羊肉筛选、鉴定并由甘油保藏的菌液，加入10 mL 营养肉汤中，于37 ℃下培养48 h，将菌液稀释至1×106CFU/mL 后取100 μL 加入平板计数琼脂中，摇匀倒板，用移液枪吸取5 μL 精油滴在直径6 mm 的滤纸小圆片后将其放入平板中央，于37 ℃下培养48 h，测定抑菌圈直径，做3 个平行。

1.3.2 精油复配比例的确定

将芥末精油与牛至精油按体积比1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1 进行复配。选取真空4 ℃冷藏至第8 天的羊肉25 g，放入225 mL 的生理盐水中，均质后静置30 min，吸取300 μL 上述液体加入10 mL 营养肉汤中，于37 ℃下培养48 h，制得羊全菌菌液，参考1.3.1 的步骤进行抑菌圈试验。

1.3.3 不同复配精油浓度OPP/明胶双层膜的制备

称量4 g 明胶，放入烧杯中加入300 mL 蒸馏水，在智能磁力搅拌器中以60 ℃、800 r/min 的条件搅拌1 h，随后加入1.2 g 甘油继续搅拌0.5 h，将复配精油分别以明胶质量的0%、10%、20%、30%、40%与吐温80 按照2∶1（mL/g）液料比制成混合溶液，加入明胶溶液中，常温下搅拌1 h，倒入铺有OPP 膜的亚克力成膜槽（26 cm×26 cm×4 cm），在真空干燥箱中以50 ℃干燥15 h。

1.3.4 抑菌性能的测定

将1.3.2 制得的菌液稀释至1×105CFU/mL，并吸取1 mL 放入培养皿，平板计数琼脂倒板摇匀，干燥后在培养基的中央放置4 cm×4 cm 精油双层膜，以未添加精油的膜作为空白对照，于37 ℃培养48 h，记录菌落数，每组3 个平行。

1.3.5 膜厚的测定

每张双层膜上均匀取9 个点，由数显测厚仪测量膜厚，取平均值。

1.3.6 机械性能的测定

根据Nur Hanani 等[16]的方法测定双层膜的机械性能，平行测定3 次。

1.3.7 阻湿性能的测定

根据Wang 等[17]的方法对双层膜的水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）进行测定。

1.3.8 阻氧性能的测定

根据王晗等[18]的方法对双层膜的透氧系数进行测定，确定其阻氧性能，平行测定3 次，取平均值。

1.3.9 阻光性能的测定

室温下，将平整光滑的双层膜裁成1.0 cm×4.5 cm大小，紧贴比色皿内一侧，测定其在200～800 nm 波长范围内的透光率，以空比色皿作为对照，平行测定3 次。

1.3.10 颜色测定

利用高品质电脑色差仪测定双层膜的色泽，以白板作为色差测定参比，每张膜上选择5 处位置测量L*值、a*值、b*值，1 个点从中央选取，其余点沿着膜四周取，计算平均值。

1.3.11 感官评价

将样品膜分别放在白色干净的盘子上，分别对样品膜进行编号。测试者进行描述性感官培训后对样品进行评分。感官评分标准如表1 所示。

表1 感官评分标准Table 1 Sensory scoring criteria

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 软件进行数据分析，结果表示为平均值±标准差，多组间数据差异性比较使用单因素方差分析，采用Duncan's 检验与最小显著差异法进行均值多重比较；使用Origin 2019 软件作图。

2 结果和分析

2.1 14 种精油对羊肉中腐败菌的抑制效果

14 种精油对羊肉中的19 株腐败菌的抑制圈直径见表2，不同精油对不同腐败菌的抑菌效果比较见表3。

表2 不同精油对真空冷鲜羊肉中不同腐败菌的抑菌圈直径Table 2 Inhibition zone diameter of different essential oils on different spoilage bacteria of vacuum-packed chilling fresh lamb mm

表3 不同精油对真空冷鲜羊肉中不同腐败菌的抑制效果Table 3 Inhibitory effects of different essential oils on different spoilage bacteria of vacuum-packed chilling fresh lamb

抑菌圈试验判定标准：抑菌圈直径＞20 mm 为极度敏感；15～20 mm 为敏感；10～＜15 mm 为中度敏感；7～＜10 mm 为低度敏感；＜7 mm 为不敏感。由表2 可知，不同精油对真空冷鲜羊肉中的腐败菌有着不同的抑制效果，在考察的14 种植物精油中，芥末精油对真空冷鲜羊肉中的绝大部分腐败菌极度敏感。芥末精油对小肠结肠炎耶尔森菌、伦登假单胞菌、假单胞菌、液化沙雷氏菌属P2ACOL2、液化沙雷氏菌属SP025、产碱假单胞菌、嗜根考克氏菌、哈夫尼亚菌属B315 和腐生葡萄球菌的抑菌圈直径更是超过90 mm，但对沙雷氏菌属某些菌株以及对哈夫尼亚帕拉维的敏感性差。多数情况下，牛至精油较芥末精油的抑菌圈小，但牛至精油对芥末精油低度敏感的2 株腐败菌极度敏感，因此将芥末精油和牛至精油进行复配加入膜材料，可以提高抑制真空冷鲜羊肉中腐败微生物的能力。肉桂精油和百里香精油多处于敏感与中度敏感之间。柚皮精油和葡萄柚精油只对一小部分腐败菌低度敏感，其余的水果来源精油，无论蒸馏还是冷榨，对于真空冷鲜羊肉中的腐败菌均不敏感，水果来源的精油并不适合用在真空冷藏羊肉保鲜中。李新福[19]在研究中也发现，芥末精油、牛至精油、肉桂精油的抑菌效果比水果来源的精油（包括葡萄柚精油、柠檬精油、柑橘精油）对乳酸菌、肉食杆菌P9、肠杆菌P20、葡萄球菌P2 具有更好的抑制作用，水果来源的精油一般表现为低度敏感，较本研究中水果来源精油抑菌性稍强，这可能与精油的来源有关，也可能与受试菌株有关。孟玉霞等[20]在研究中也发现，肉桂精油比水果来源的精油对热杀索丝菌、温和气单胞菌和海希瓦氏菌抑制效果更强，两种水果来源精油对3 种受试菌均不敏感。

植物精油的抑菌性取决于其中的有效组分，作用成分不同，抑菌性不同。柑橘精油、葡萄柚精油主要作用成分为单萜类物质（例如柠檬烯等），肉桂精油主要作用成分为肉桂醛，百里香精油主要作用成分为百里酚，牛至精油主要作用成分为香芹酚和百里酚，芥末精油中主要成分为异硫氰酸烯丙酯[21]。精油的抑菌作用不能归因于某一种特定的机制，但精油对细胞膜结构和功能的破坏已被确认为精油对微生物最重要的作用机制[22]。Zhang 等[23]的研究结果表明，肉桂精油会导致存活的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞内核酸和蛋白质转移到胞外，使培养液中核酸和蛋白质水平升高。Di Pasqua 等[24]的研究结果表明，百里酚、柠檬烯、丁香酚和肉桂醛可以分别与对其敏感的细菌的细胞膜作用，从而造成细胞膜损伤，改变脂质结构，降低磷脂双分子层中不饱和脂肪酸的浓度。

单一精油容易使菌产生脱敏性，且气味较大，会引起食品感官的显著变化而不被消费者接受，不同精油组合可以增强抗菌效果，并且不会显著改变食物的感官特性[25]，结合表3 抑菌效果的比较，选定芥末精油和牛至精油进行复配，作为活性包装明胶层中添加的活性成分。

2.2 不同复配比例精油的抑菌效果

不同体积比的芥末精油和牛至精油对羊肉中腐败菌的抑菌效果见表4。

表4 芥末和牛至复配精油的抑菌效果Table 4 Antibacterial effect of the compound mustard and oregano essential oils

由表4 可知，对于真空冷鲜羊肉中的腐败菌混合液，芥末精油抑菌圈直径为80.00 mm，牛至精油抑菌圈直径为38.00 mm，即芥末精油抑菌效果远好于牛至精油。两种精油复配后，相较于单独的牛至精油抑菌效果显著增强，但与芥末精油的抑菌圈直径差异较小，其中芥末精油与牛至精油体积比为1∶4 和4∶1 的抑菌圈直径分别为74.33 mm 和77.33 mm，且彼此间差异性不显著。然而芥末精油本身挥发性强，抑菌作用时间短，强烈的气味使得消费者接受程度低[26]，因此选定芥末精油:牛至精油=1∶4 的体积比，作为活性包装中明胶层精油的复配比例。

2.3 复配精油浓度对双层膜抑菌性的影响

添加不同浓度复配精油的OPP/明胶双层膜对羊肉中腐败菌的抑制效果见图1。

图1 不同浓度复配精油OPP/明胶双层膜的抑菌效果Fig.1 Antibacterial effect of OPP/gelatin bilayers with different concentrations of compound essential oils

由图1 可知，随着复配精油浓度的提高，双层膜对腐败菌的抑制效果逐渐增强，菌落数呈现阶梯式下降趋势。复配精油浓度为10%时，对比0%的双层膜抑菌效果显著增强（P＜0.05），浓度为40%时，抑菌效果达到最佳，当复配精油浓度从30%增加到40%时抑菌效果无显著差异。双层膜的抑菌效果与膜中复配精油的浓度以及迁移至食品表面的速度有关。芥末精油主要成分——异硫氰酸烯丙酯易挥发，在含水基质中易水解，易与一些自由氨基酸反应[27]。牛至精油主要成分——香芹酚和百里酚，易挥发、疏水、可以和某些蛋白质结合，用前需要乳化。在搅拌和干燥过程中异硫氰酸烯丙酯还会发生降解。这些作用导致干燥完成时的双层膜中复配精油含量下降。复配精油从明胶膜中迁移到食品表面的速度与明胶结构、精油乳化时间和方法等因素有关。由于复配精油迁移缓慢，因此可较长时间维持食品表面的复配精油浓度在一定范围内，从而延长货架期[28]。

2.4 复配精油浓度对双层膜物理性能的影响

添加不同浓度复配精油双层膜的膜厚、机械性能、阻湿性能、阻氧性能见表5。

表5 不同浓度复配精油双层膜的膜厚、机械性能、阻湿性能、阻氧性能Table 5 Thickness,mechanical properties,water vapor permeability coefficient,and oxygen permeability coefficient of OPP/gelatinbilayers with different concentrations of compound essential oils

由表5 可知，随着复配精油的添加，膜厚逐渐增加。复配精油浓度增加到30%时，膜厚较未添加复配精油时显著增加（P＜0.05）。未添加复配精油的膜厚为0.073 mm，浓度从10%增加到40%，膜厚从0.074 mm上升至0.087 mm。这是由于明胶与芥末精油、牛至精油为互不相融成分，随着浓度的增加，明胶层结构的疏松度随之增加，从而增加了膜厚[29]。

抗拉强度由大到小排列顺序为20%＞30%＞10%＞0%＞40%。抗拉强度随着复配精油浓度的增大，先升高后降低，浓度为20%时，达到最大值72.93 MPa。添加适量复配精油，抗拉强度增加，主要是因为明胶与复配精油相互作用，减小了其自由体积和分子链的流动性，而过量的复配精油会导致不连续的异质膜结构形成，减弱了膜的网络结构，因此抗拉强度降低[30]。双层膜的断裂伸长率随着复配精油浓度增加而逐渐降低，可能是复配精油的添加使分子间的相互作用力增强，双层膜强度增加，断裂伸长率从而降低[31]。在应用中，包装膜需抵抗相当大的应力而不断裂。

水蒸气透过率是薄膜对水分阻隔效果的反映。由表5 可知，不同浓度的复配精油双层膜水蒸气透过率差异性并不显著，且都有较好的阻湿性能，这与OPP层结构的紧实度有关。

随着复配精油浓度的增加，双层膜的透氧系数减小，即薄膜有更好的气体阻隔性，一方面是由于复配精油与明胶结合后气体通过薄膜的路径更加弯曲复杂，减少了气体的通过，另一方面是由于膜厚的增加，阻氧性得到了提升。

2.5 复配精油浓度对双层膜颜色的影响

添加不同浓度复配精油双层膜的颜色变化见表6。

表6 不同浓度复配精油双层膜的颜色Table 6 Color difference of OPP/gelatin bilayers with different concentrations of compound essential oils

由表6 可知，添加复配精油的双层膜L*值均显著低于未添加复配精油的双层膜，且随着复配精油浓度的增加，L*值整体呈减小趋势；a*值在20%时显著减小（P＜0.05）；b*值在20%时显著增加（P＜0.05）。说明加入复配精油后，双层膜的透明度降低，红色变浅，黄色加深，这是由于芥末精油为黄绿色，牛至精油为黄色，双层膜的颜色受到复配精油颜色的影响，而双层膜的颜色也会影响消费者对肉颜色的判断。

2.6 复配精油浓度对双层膜阻光性能的影响

添加不同浓度复配精油双层膜的透光率见图2。

图2 不同浓度复配精油OPP/明胶双层膜的透光率Fig.2 Optical transmittance of OPP/gelatin bilayers with different concentrations of compound essential oils

由图2 可知，不同浓度复配精油双层膜的透光率随着波长的增加而增加。双层膜对于200～280 nm的紫外辐射具有更好的阻隔性，这是由于明胶等蛋白类的膜中吸收紫外光的酪氨酸和色氨酸的含量丰富[32]。加入复配精油的双层膜透光率变低，且随着复配精油浓度的增加，双层膜的透光率整体上呈下降趋势，这是由于复配精油的散色作用降低了双层膜的透光率，阻光性增加，而复配精油浓度越大，散光性作用越强，双层膜的阻光性越强[33]。在加入复配精油之后双层膜的紫外阻隔性能增强，而紫外线会引起冷鲜肉的营养物质和风味物质变化，加速其脂质氧化，从而加速冷鲜肉的腐败变质，因此双层膜对紫外光吸收越多，透光率越低，肉脂质氧化速率越慢，冷鲜肉贮藏期品质越好[17]。在实际应用中应结合所包装食品的色泽以及双层膜颜色的可接受度等选择合适的复配精油浓度。

2.7 复配精油浓度对双层膜感官接受度的影响

添加不同浓度复配精油双层膜的感官评分见图3。

图3 不同浓度复方精油对OPP/明胶双分子层的感官评价结果Fig.3 Sensory evaluation results of OPP/gelatin bilayers with different concentrations of compound essential oils

由图3 可知，复配精油的添加对双层膜的柔软度、光滑度、透明度、气味和颜色都有影响，且随着浓度的增加，影响越大。虽然高浓度的复配精油对真空冷鲜羊肉中腐败菌的抑制效果更好，但必须考虑复配精油气味对冷鲜羊肉的影响。根据前期的研究得知，6 分是双层膜颜色、气味、光滑度、柔软度、透明度等指标的接受下限，通过感官评价结果可知，随着复配精油浓度的增加，感官评分逐渐降低，0%～20%时双层膜的5 项感官指标测试者都表示可以接受，当浓度为30%～40%时，膜的5 项感官指标评分开始低于6，测试者表示不能接受。综合比较抑菌性、机械性能、阻隔性能和感官评价等指标，添加20%复配精油的OPP/明胶双层膜最适合于冷鲜羊肉的真空包装。

3 结论

柑橘、葡萄柚等芸香科植物精油对真空冷鲜羊肉中腐败菌的抑菌效果有限，百里香精油、肉桂精油、牛至精油都有较好的抑菌性，而芥末精油抑菌效果最好。与未添加复配精油的空白对照组相比，芥末精油与牛至精油复配添加后的OPP/明胶双层膜有显著的抑菌效果，且随着复配精油浓度的增加抑菌效果增强。复配精油浓度30%或40%的双层膜机械性能较差，颜色偏黄，感官评分不在测试者的接受范围内；复配精油浓度为10%的双层膜机械性能一般，阻隔性能较差；复配精油浓度为20%的双层膜机械性能最佳，颜色透明，阻隔性较好，具有一定的抑菌效果，感官评分在测试者的接受阈值内。综合判断，复配精油浓度为20%的OPP/明胶双层膜适合真空冷鲜羊肉保鲜。研究结果为真空冷鲜羊肉活性包装的开发提供了支撑。