生物聚酯保鲜膜的制备及其保鲜效果比较

孙 颖，白 林，刘明昊，翁云宣*，陈礼平

（1. 北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048；2. 轻工业塑料加工应用研究所，北京 100048；3. 安徽丰原生物技术股份有限公司，安徽 蚌埠 233700）

0 前言

蓝莓（Vaccinium spp.），杜鹃花科越橘属，味道独特，富含多种维生素，被称作“浆果之王”［1-2］。然而蓝莓果实鲜嫩多汁、组织柔软，采摘后容易收到物理、机械、微生物伤害导致腐败变质，从而影响其营养及商业价值［3-4］。所以，适当的保鲜技术能够提升蓝莓的商业价值，避免资源浪费。目前，为了更有效地延长果蔬的保鲜期，以及增强其抗氧化能力，人们普遍使用冷藏［5］、气调［6］、减压［7］、多种杀菌剂联合处理［8］的方式。另一种更为常见的防腐技术就是使用食品级接触膜，薄膜具备成分安全、易制备、使用方便等优点。研究结果表明，以聚乳酸（PLA）为基材的塑料袋能够显著提高食品的保质期，利于新鲜水果和蔬菜的保存［9-10］。相比聚乙烯（PE）塑料袋，PLA 塑料袋能够更好地抑制氧化，从而提高食物的保质期［11］。国崇文等［12］研究发现在（15±1） ℃条件下PE 食品包装袋可以减缓果蔬的叶绿素损失，延长西兰花的感官品质和特殊风味维持水平。但食品包装内部的O2和CO2的选择性渗透可以通过胺基载体选择透过性薄膜调节，同样在延长西兰花货架期方面效果显著［13］。亦有研究表明纳米银薄膜可以有效抑制果蔬果实的过氧化物酶活性，并成功通过抑制菌落繁殖降低果蔬腐败率［14］。

市场上依旧在使用PE 和聚偏二氯乙烯（PVDC）保鲜膜，虽然其具有良好的阻隔性利于果蔬保鲜，但制备PE、PVDC 保鲜膜的原料是石油、乙烯母料等，增加不可再生能源消耗的同时，还难以降解，形成海洋、土地等环境污染［15］。随着“限塑令”的颁布，以及人们对食品安全及生活水平的高期待严要求、对环保意识的加强与提高，使得生物可降解保鲜膜更受到市场和消费者的偏爱，同时也成为国内外研究学者的关注热点［16-17］。

为了解决单一基材导致的阻隔性能差、力学性能小等问题［18］，通常将2种或2种以上的生物质大分子物质制备成膜，提升膜的性能，同时有效抑制腐败微生物的生长，延长果蔬货架期［19-20］。本文将利用2 种可降解材料复配制备保鲜膜， PGA 和PBAT 是可以完全生物降解材料，一般在1～3 个月内降解，进入循环系统，绿色环保［21-22］。

1 实验部分

1.1 主要原料

PGA，99 %，国能榆林化工有限公司；

PBAT，TH801T，99 %，新疆蓝山屯河聚酯有限公司；

苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯低聚物（ADR），ADR4370，德国巴斯夫公司；

高山蓝莓，山东青岛；

超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）测定试剂盒，南京建成生物工程研究所有限公司；

生理盐水，石家庄四药有限公司。

1.2 主要设备及仪器

酶标仪，Bio-tek，美国Synergy公司；

分光光度计，ND-ONE-W，美国Thermo公司；

离心机，Sigma H4K，德国Sigma公司；

数字电子天平，T-403，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S，巩义市予华仪器有限公司；

制冰机，F-80C，北京博威兴业科技发展有限公司；

双螺杆挤压造粒机组，ZSK25，德国科倍隆公司；

流延机，ME30，美国Labtech公司；

压差法气体渗透仪，BT-3，日本东洋精机公司；

顶空气体分析仪，6600，德国Systech公司；

热失重分析仪，STA7200，日本Hitachi公司。

1.3 样品制备

生物降解保鲜膜的制备：利用双螺杆挤出机和流延 机 制 备 PGA、PBAT、80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT、20%PGA/80%PBAT 生物降解保鲜膜。将PGA 和PBAT 80 ℃真空干燥4 h，与苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯低聚物ADR4370（以下简称ADR），混合均匀，通过双螺杆挤出机共混，利用造粒机造粒（约2 mm）。PGA 组分的混合料加工温度为250 ℃，纯PBAT 的加工温度为180 ℃。将PGA/PBAT 共混改性料在60 ℃下干燥8 h以上，然后通过流延机制备薄膜，加工温度为220 ℃，制备的薄膜厚度约为（20±5） μm。

蓝莓样品设计：为了确保测量结果的准确性，应该从所有的果实中挑选出体积、颜色和完整性相同的样本。在室温下，对蓝莓进行单层薄膜包装，密封收口。试验采用自制5种生物降解保鲜膜对蓝莓进行包装，以无膜包装作为对照。

1.4 性能测试与结构表征

扫描电子显微镜分析：将保鲜膜切成1 cm×1 cm，放置在扫描电子显微镜的样品仓中，工作电压3.0 kV，工作距离3.8 mm，放大倍率1 000，刻度50 μm。

酶活的测定：依据酶活试剂盒方法进行测定。将蓝莓与生理盐水混合，以1∶9 的比例在冰水中溶解，然后将混合物稀释至10 %，在10 min 内，收集上清液。根据试剂盒步骤，加入所需的实验试剂1～4。混合均匀，3 500 r/min 离心10 min，取上清液，在相应波长处利用酶标仪进行测定，平行重复各3次，计算酶活力。

O2、CO2透过性能测试：参照GB/T 1038—2000 使用压差法透气仪进行测试。在5 ℃下，分别通入O2和CO2以测试薄膜对O2和CO2的透过率，每个样品平行3次，获得O2和 CO2透过量。

保鲜膜内的气体组分测试：蓝莓的气体组分测试。用PGA/PBAT 保鲜膜对蓝莓果实进行单颗密封，室温储藏，顶空气体分析仪测定保鲜膜内CO2和O2的浓度，获得气体浓度，每组平行3次。

热失重分析：将5组保鲜膜样品在105 ℃下烘干3 h。取5 mg 保鲜膜样品上机测试，试验条件，初试温度30 ℃，速度20 ℃/min，升温至650 ℃。每组测试3 个平行样。

统计学分析：应用零级动力学、一级动力学和二阶多项式模型，给出蓝莓的各项指标的变化趋势说明。

2 结果与讨论

2.1 扫描电子显微镜分析

由图1 可得，5 种可生物降解聚酯薄膜表面均为光滑平整。且图中5 种生物聚酯薄膜均未观察到明显的气泡、孔隙、裂纹等，PGA 与PBAT 共混后形成了致密连续的可降解保鲜膜结构，这说明，PGA 和PBAT 是兼容的，二者共混后能够形成结构性能良好的保鲜膜结构，适合于保鲜膜的大批量生产与加工。

图1 5种生物降解保鲜膜的扫描电子显微镜照片Fig.1 SEM of five biodegradable cling film

2.2 酶活的动力学分析

2.2.1 多酚氧化酶酶活的动力学分析

通常蓝莓及大部分果蔬采后储藏时会发生酶促褐变，导致果蔬的风味、外观、营养价值、加工性能受损，进一步影响其货架期。蓝莓果实的多酚受到氧化酶的影响，会发生褐变，形成类黑素，影响果蔬外观［23-24］。如图2 所示，经过保鲜处理的蓝莓中PPO 活性呈先上升后下降趋势，这与王磊明［25］的研究结论一致，60%PGA/40%PBAT组6天后PPO活性最低（3.42 U/g），显著低于空白组5.21 U/g。纯PGA、PBAT 和低浓度的PGA 保鲜膜也可抑制PPO 活性，但效果远不及60%PGA/40%PBAT 组。如表1 所示，6 组保鲜膜下，蓝莓中PPO活性与储藏时间合乎二阶多项式模型。保鲜后，PPO 活性在3 天出现极高值，之后下降，推测在常温储藏7～9天时PPO活性低于初始值。

图2 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中PPO酶活的变化规律Fig.2 Changes of PPO enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

表1 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中PPO酶活的动力学分析Tab.1 Kinetic analysis of PPO enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

2.2.2 抗坏血酸过氧化物酶酶活的动力学分析

果蔬的衰老也可以由细胞膜结构及组分的分解、破坏、缺失引起［26］，是因为活性氧可以损伤细胞膜，甚至将不饱和脂肪酸脂质过氧化，最终导致细胞的衰老［27］。APX、SOD、POD、CAT 等抗氧化酶的存在，它们不仅能够消除活性氧，还能够改善细胞的氧化应激［28］。例如：Lacan and Baccou（1998）研宄指出，较高的SOD 和CAT 酶的活性有助于延长甜瓜的货架期［28］。如图3所示，在2～6天，经过蓝莓中APX活性下降速率较快，由9.21 U/g 下降至5.27 U/g（P＜0.05），APX 活性与储藏时间呈负相关，60%PGA/40%PBAT组6 天后APX 活性最高（5.98 U/g），显著高于空白组5.27 U/g。纯PGA、PBAT 和低浓度的PGA 保鲜膜也可延缓APX 活性降低，但效果远不及60%PGA/40%PBAT 组。如表2 所示，20%PGA/80%PBAT、PBAT、PGA 组，蓝莓中APX 活性与储藏时间合乎二阶多项式模型，对APX 活性的消耗拟合效果较好，且模型对数据的拟合效果及数据的精确性均较好。采前喷施800 mg/L 纳他霉素同样能有效地抑制蓝莓果实APX活性［29］。

图3 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中APX酶活的变化规律Fig.3 Changes of APX enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

表2 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中APX酶活的动力学分析Tab.2 Kinetic analysis of APX enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

2.2.3 超氧化物歧化酶酶活的动力学分析

SOD作为至关重要的酶制剂，可以清除氧自由基，减缓细胞组织的氧化及衰老。因此SOD 的含量可以表明组织的衰老及死亡［30］。如图4 所示，在1～6 天，蓝莓中SOD 活性与储藏时间成负相关，说明，蓝莓抗氧化能力随着储藏时间的增加而降低。第5 天以后，SOD 值的变化愈加明显，对照组和其他组的差距逐渐变大，同时也说明了生物降解保鲜膜对蓝莓的腐烂变质起到一定的抑制作用。80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT 组处理的蓝莓SOD 值始终处于较高的位置，说明80%PGA/20%PBAT、60%PGA/40%PBAT 配方的保鲜膜对蓝莓的保鲜效果最佳。如表3 所示，6 组保鲜膜下，蓝莓中SOD 活性与储藏时间合乎零级动力学模型。6 d 后60%PGA/40%PBAT 组蓝莓中SOD含量为8.37 U/g。张瑜瑜发现0.5 mmol/L外源水杨酸处理后也能提高蓝莓果实中SOD 和POD活性［31］。

图4 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中SOD酶活的变化规律Fig.4 Changes of SOD activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

表3 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中SOD酶活的动力学分析Tab.3 Kinetic analysis of SOD activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

2.2.4 过氧化物酶酶活的动力学分析

POD 也是活性氧清除酶系中的重要成员，为一种氧化还原酶，活性较高，可以协同清除H2O2，因此通常也会用POD的活性来解释组织的衰老程度［32］。如图5所示，空白组和保鲜组果实的POD 活性在贮藏前期均不断增强，在3天左右达到最大值，后持续下降，可能是因为蓝莓组织在抗氧化系统的作用下，使得POD 活力提高，但储藏后期由于蓝莓组织的呼吸作用，氧化胁迫作用增加，POD 酶活性降低。但是60%PGA/40%PBAT 组POD 活性的增幅高于空白组及PGA、PBAT 组，表明蓝莓在贮藏过程中会通过激活 POD 活性来减缓自身的成熟衰老，而60%PGA/40%PBAT组处理能增强植物体的抗衰老机制。在整个储藏期间，60%PGA/40%PBAT 组 和80%PGA/20%PBAT 的POD 活性水平一直处于较高水平，且POD 活性的变化比较缓慢，表明PGA、PBAT复配后对蓝莓的保鲜效果最佳。2.5 kGy 辐照处理后同样可以提高蓝莓果实中POD的活性［33］。

图5 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中POD酶活的变化规律Fig.5 Changes of POD enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

如表4 所示，6 组保鲜膜下，蓝莓中POD 活性与储藏时间合乎二阶多项式模型。保鲜后，POD活性在1～3 天增长速率最快且与储藏时间成正相关，而3 天后POD 活性与储藏时间成负相关，推测在常温储藏8 天后POD活性低于初始值。

表4 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中POD酶活的动力学分析Tab.4 Kinetic analysis of POD enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

2.2.5 过氧化氢酶酶活的动力学分析

H2O2和超氧阴离子的含量可以由CAT 抑制，从而减少对细胞壁的损伤，因此CAT 也是组织抗氧化系统中的重要酶。如图6所示，在整个储藏期间，尤其是储藏后期微生物对组织的侵染更明显，保鲜膜处理后可以有效抑制微生物的侵染，从而提高了蓝莓组织中CAT 的活性。在整个储藏期间，60%PGA/40%PBAT、PGA组的抗氧化能力一直优于其他组。如表5 所示，6 组保鲜膜下，蓝莓中CAT 活性与储藏时间合乎二阶多项式模型。保鲜后，CAT 活性在1～4 天增长速率最快且与储藏时间成正相关，4天时，CAT活性达到峰值，而4天后CAT 活性与储藏时间成负相关。吴媛媛同样发现受过侵染的蓝莓果实在储藏前期CAT 活性提高［34］，80%PGA/20%PBAT和60%PGA/40%PBAT 两组保鲜对蓝莓中CAT活性影响相差不大。

图6 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中CAT酶活的变化规律Fig.6 Changes of CAT enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively

表5 5种生物降解保鲜膜下蓝莓中CAT酶活的动力学分析Tab.5 Kinetic analysis of CAT enzyme activity in blueberry wrapped by different biodegradable plastic film，respectively1

2.3 O2、CO2透过性能

采摘后的果蔬仍发生呼吸作用，因此，满足果蔬保鲜条件的材料透气性尤为重要。最理想的状态是保鲜膜的外部环境与内部气氛进行气体交换后，可以形成高CO2、低O2气氛环境［35］。一般来说，具有良好的透气性和高CO2/O2透气比的材料，能够更好地满足果蔬的呼吸需求，从而有效地保持食物的新鲜度。PGA/PBAT 共混保鲜膜的透CO2和O2性能以及CO2/O2选择透过比见表6。在PGA 中，CO2的透过系数 为25.75 cm3·m/（m2·d·Pa），氧气透过系数则为7.11 cm3·m/（m2·d·Pa），CO2/O2选择透过比仅为3.6。以上数据表明纯PGA 性阻隔性较强，其CO2/O2选择透过较低，因此不适合用于生鲜果蔬的包装。然而，当它与PBAT 复配后，保鲜膜的CO2和O2透过量显著增加，这表明PBAT 对CO2和O2具有良好的吸附和扩散能力。当PBAT 的含量增加时，CO2/O2选择透过比从3.6逐渐上升至8.6，基本满足适合果蔬包装的透过比。在使用气调包装材料时，CO2/O2的透气比应该在（8～10）∶1之间，这样才能达到理想的效果。经过气体透过性测试，60%PGA/40%PBAT 保鲜膜显示出卓越的包装性能，为蓝莓类生鲜食品的包装提供了可靠的保障。王洪琳利用不同厚度保鲜膜处理对蓝莓鲜果采后储藏品质的影响研究发现，0.03 mm PE 膜和微孔膜保存蓝莓时可以保持较高的CO2含量［36］。

表6 PGA/PBAT共混保鲜膜的透气性Tab.6 Permeability of PGA/PBAT preservation film

2.4 保鲜袋内气体组分

根据图7 和图8，在蓝莓的储存过程中，CO2与O2的体积分数发生了显著的变化。储存期间各PGA/PBAT 保鲜膜包装内的气氛组成在第4 天后逐渐维持在一个相对平稳状态。PBAT、PGA 组保鲜膜中CO2浓度与贮藏时间呈正相关趋势，直至第6 天时，CO2体积分数达到6 %左右。此外，O2的含量也迅速下降，这表明，在阻隔性较大的包装内，由于蓝莓的呼吸过程，包装内部的O2被迅速消耗，同时产生的CO2却无法排除出包装，这就会导致包装内部形成高CO2低O2的气氛环境，而这样的气体组成会导致果实进行无氧呼吸从而发生变质。当采用60%PGA/40%PBAT 的保鲜膜对蓝莓进行包装时，经过4 天的储存，包装内部CO2与O2的浓度可以保持相对稳定状态，其中CO2的体积分数可以控制在2 %～3 %之内，而O2的体积分数则与储存时间成反比，伴随储存时间的增加而不断下降，达到10 %～12 %时，维持基本稳定，达到了适宜蓝莓储存的气氛条件。这也与其他研究者的结论一致，于弘鼓利用mMAP 1处理气调箱内O2含量维持在15.4 %～18.2 %，CO2含量维持在2.3 %～4.6 %［37］。

图7 保鲜膜内CO2体积分数变化Fig.7 Change in CO2 volume fraction inside the cling film

2.5 热失重分析

从图9中可以看出，纯PBAT的热分解温度大致为379 ℃，纯PGA 的热分解温度为225 ℃，80%PBAT/20%PGA 保鲜膜的热分解温度大约为271 ℃，40%PBAT/60%PGA 保鲜膜的热分解温度大约为245 ℃，20%PBAT/80%PGA 保鲜膜的热分解温度大约为210 ℃，这表明随着PGA 含量增加，样品的热分解起始温度均降低，这也表明PGA 的加入会改善保鲜膜的热稳定性。并且从图中可以看出，5组保鲜膜完全热分解的温度都在360 ℃以上，且随着保鲜膜中PGA含量的增加，保鲜膜的完全热分解温度也不断降低，5组样品的完全热分解温度保持在360～480 ℃范围内，因此高PGA含量的保鲜膜加工温度可适当降低，该结论也为后续PGA保鲜膜的相关研究者提供了数据参考和理论指导。

图9 保鲜膜的热失重分析曲线Fig.9 TG curves of the plastic wrap

3 结论

（1）60%PGA/40%PBAT 组，可以有效抑制PPO活性升高，延缓APX、SOD、CAT 活性降低，因此PGA和PBAT 复配后的生物降解保鲜膜尤其是60%PGA/40%PBAT 保鲜膜，在保证其机械性能的同时更有利于蓝莓的保鲜；

（2）该聚酯保鲜膜的制备工艺简单，原材料易得，成本低廉，且相对于其他制膜方式而言产量可观，适于工业化生产和应用，可用于食品包装材料；当以PGA为原料制备保鲜膜时，随着PGA 含量的增加，可适当降低制备的加工温度。