光敏性壳聚糖基复合膜在南美白对虾保鲜中的应用

吴双杰，智锦锦，王德华，任鹏飞，李兆杰，薛长湖，唐庆娟

（中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266003）

南美白对虾因其高蛋白、低脂肪的特性，受到广大消费者的青睐，产量和消费量逐年上升，2022 年产养殖量达到210 万吨[1]。目前，在运输及贮藏过程中，虾头黑变、微生物生长抑制不充分、营养成分流失严重是存在的主要问题[2-3]。为达到较好的贮藏效果，在低温条件下，复合气调保鲜、保鲜膜、生物制剂等方法用于保藏南美白对虾已逐渐成为趋势[4]。

单一成分的食品保鲜膜其功能存在局限性，负载不同类型的天然活性物质可提升薄膜的抑菌性、结构强度等[5-6]。以壳聚糖为成膜基质，添加姜黄素、花青素等天然成分，开发具有新的功能、可食用可降解、安全无毒的包装材料，有取代塑料基保鲜膜的可能性[7-10]。

光动力技术是一种利用可见光、光敏剂、氧气对食源性致病菌产生抑菌效果的非热杀菌技术[11-12]。已有报道将此技术应用在缢蛏[13]、虾仁[14]、牡蛎[15]等水产品的保鲜上，延长了贮藏期。但是，姜黄素等光敏剂（photosensitizer，Ps）具有较强的着色能力，影响食品的颜色品质，限制了此技术的推广应用[16-17]。将天然光敏剂加入薄膜中并介导光动力技术是一种具有良好发展前景的食品保鲜新思路。本研究将姜黄素（curcumin，C）、姜黄素/壳聚糖颗粒（curcuminchitosan granule，G）作为功能物质，壳聚糖作为成膜基质，制备得到两种复合膜（PsC/PsG），进而构建复合膜-光动力杀菌体系，并将其应用于南美白对虾的保鲜。该研究评估了两种光敏性复合膜的功能特性，以期拓展光动力技术在食品领域的应用形式，丰富南美白对虾的保鲜方案。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南美白对虾 购自于青岛金海利达水产市场；姜黄素 纯度>98%，西安圣青生物有限公司；壳聚糖 脱乙酰度90%，上海源叶生物科技有限公司；平板计数琼脂 青岛海博生物技术有限公司；氧化镁 天津光复科技发展有限公司；其他化学试剂 国产分析纯试剂。

NR60CP 型多功能色差仪 深圳三恩时科技有限公司；HZQ-X100 电热恒温培养箱 上海精宏实验设备有限公司；8400 型全自动凯氏定氮仪 美国福斯公司；ST3100 型pH 计 美国奥豪斯仪器有限公司；Model 680 型酶标仪 美国 Bio-Rad 公司；TMS-TOUCH 型质构仪 FTC 公司；L-8900 全自动氨基酸分析仪 日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 姜黄素/壳聚糖颗粒制备 参照郑育[18]、LI等[19]的方法，稍作改进，将2 mL 2 mg/mL 姜黄素溶液（curcumin, CUR）加入8 mL 2.5 mg/mL 壳聚糖（chitosan, CTS）溶液中，磁力搅拌5 min，滴加1%三聚磷酸钠（TPP）溶液400 µL，使CTS:CUR:TPP=5:1:1（m:m:m），磁力搅拌30 min 后得姜黄素/壳聚糖颗粒溶液。

1.2.2 光敏性复合膜制备 参照CHEN 等[20]的方法进行改进，取0.4 mg/mL 姜黄素溶液，加入1%壳聚糖溶液（0.3%甘油）中，使姜黄素浓度为8 μg/mL ，超声脱气15 min 后，倒入12×12 cm 模具中，40 ℃干燥8 h，得PsC 膜。取1.2.1 所得颗粒溶液替换姜黄素溶液，其他操作同PsC 膜的制备，得PsG 膜。两种膜避光干燥处保存。

1.2.3 复合膜经光照后的颜色变化 在光照功率10 W、膜-光间距15 cm 的条件下，照射不同时间（0、2、5、10、15、20 min），使用色差计检测膜的颜色变化。

1.2.4 样品处理 购买鲜活南美白对虾，加冰猝死后，随机分为三组（每组36±3 g），在无菌器皿中放入三只虾，分别用市售PE 保鲜膜（plastic wrap, PW）、PsC、PsG 膜覆盖器皿，减少膜与样品的接触。PsC、PsG 膜覆盖南美白对虾后使用420 nm LED 光源照射（膜-光动力参数：光照功率10 W，膜-光间距15 cm，光照时间10 min，光功率密度为60 mW/cm2）。处理后各组样品均置于4 ℃冰箱中保存。在0、1、2、3、4 d 取出贮藏样品，进行各指标的检测。

1.2.5 菌落总数的测定 按照GB 4789.2-2016《食品微生物学检验-菌落总数测定》进行测定，在每个取样日，将样品绞碎，取5 g 虾肉置于45 mL 的无菌生理盐水中，浸泡30 min 后，取每个样品1 mL，进行梯度稀释，取三个合适梯度的稀释液100 μL 涂布平板，37 ℃培养72 h 后计数。

1.2.6 挥发性盐基氮、pH 的测定 参照GB/T 5009.228-2016《食品中挥发性盐基氮的测定》中自动凯氏定氮仪法测定挥发性盐基氮（TVB-N），取10 g 虾肉在75 mL 去离子水中浸泡30 min 后，上机测定。

按照GB 5009.237-2016《食品pH 值的测定》的方法测定pH，取2 g 虾肉与去离子水混合（1:9，m:m），均质后静置30 min，测定上清液pH。

1.2.7 质构的测定 取三只对虾，剪取与虾头相近的第二节肌肉，采用质构仪测定其质构数据，取参数设定为：触发类型Auto（自动）、测试速率60 mm/min、力量感应元量程为100 N、起始力为0.5 N、形变百分量为50%，纵向压缩，两次压缩之间停留时间为5 s。压缩探头为不锈钢P/36R 圆柱形。

1.2.8 游离氨基酸的测定 取贮藏2 d 的样品绞碎，准确称量2 g 虾肉于安瓿瓶中，加入15 mL 0.02 mol/L HCl，充分均质后超声5 min，5000 r/min，4 ℃离心10 min，收取上清液。将剩余残渣加入10 mL 0.02 mol/L 稀盐酸后搅拌，5000 r/min，4 ℃离心5 min，合并上清液，定容至50 mL。定容后移取2 mL，加入2 mL体积分数5%磺基水杨酸溶液，10000 r/min，4 ℃离心10 min，上清液过0.22 μm 水系滤膜于液相小瓶中，上机测定。

1.3 数据处理

实验进行三次重复，数据处理及统计采用SPSS 25.0 进行分析，结果以平均值±标准偏差表示，方差分析采用Duncan 的方法，P<0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 420 nm LED 光源照射对复合膜色值影响研究

经光照射，姜黄素易分解，导致色值发生变化[21]。PsC 和PsG 膜经420 nm LED 光源照射后色值变化如图1 所示。照射前，PsC 和PsG 膜的L*值分别为44.74±0.31 和46.24±0.21，a*值分别为-1.18±0.13 和-1.64±0.11，b*值分别为8.40±0.09 和7.98±0.06。照射后，两种膜的L*和a*无明显变化，b*的变化趋势不同。PsC 和PsG 膜的L*值分别为45.21±0.38 和47.07±0.21；a*值分别为-1.09±0.06 和-1.50±0.02；PsC 膜的b*值在8.29～8.58 范围内波动，b*变化与光照时间无明显关系；PsG 膜的b*值明显下降，随光照时间延长，b*由7.98±0.06 下降到6.89±0.07。结果表明，PsC和PsG 膜初始b*不同，这可能与两种膜中游离姜黄素的含量不同有关[22]。通过离子交联法，姜黄素被包封在壳聚糖与三聚磷酸钠形成的体系中，导致PsG膜中的游离姜黄素含量减少。此外，PsG 膜相较PsC膜更易在420 nm 光源的照射下发生色值变化，这种不同的色度变化说明两种膜介导光动力的能力及光敏特性可能具有差异。

图1 复合膜经光照20 min 内颜色的变化Fig.1 Color change of PsC and PsG over 20 min of illumination

2.2 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾品质的影响

2.2.1 不同处理方式对冷藏南美白对虾菌落总数的影响 南美白对虾在冷藏期间，伴随着微生物的滋生，腐败希瓦氏菌、气单胞菌等腐败菌的生长易引起虾肉的腐败[23]，从而产生食品安全问题[4]。复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的菌落总数的影响如图2 所示。各组菌落总数在4 d 内均未超过限值6 lg（CFU/g）。在贮藏过程中，PW 组菌落总数前期增长较快，且整体菌落总数值较高。PW、PsG-L 组在第4 d 有菌落总数较高，分别为5.87±0.02、5.95±0.00 lg（CFU/g），PsC-L 组在第3 d 的菌落总数值最高，为5.88±0.04 lg（CFU/g）。结果表明，相较PW，PsC-L、PsG-L 处理可显著抑制贮藏前期南美白对虾菌落总数的生长，且PsG-L 延缓菌落总数生长的效果较优。保鲜膜无抑菌活性，所以在1 d 的贮藏时间内，其菌落总数急剧上升，而由于其阻隔性能较好，贮藏环境中气体成分变化可能造成其菌落总数在1 d后先下降后持续上升[24]。PsC-L 和PsG-L 膜依靠壳聚糖、姜黄素及光动力的抑菌活性可延缓菌落总数的增长[25-26]，PsC 膜中壳聚糖、姜黄素在南美白对虾表面的释放可能使其菌落总数在4 d 下降[27]，而PsG 膜较为稳定，活性成分迁移较少。

图2 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的菌落总数的影响Fig.2 Effect of composite membrane-mediated photodynamics on total numbers of colonies in refrigerated shrimp

2.2.2 不同处理方式对冷藏南美白对虾挥发性盐基氮（TVB-N）、酸碱值（pH）的影响 南美白对虾是一种高蛋白低脂肪的水产品，通过TVB-N、pH 指标可反映虾肉的新鲜度[28]。在对虾鲜度的评定中，TVBN 值不超过15 mg/100 g 为一级鲜度，15～20 mg/100 g为二级鲜度[29]。复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的挥发性盐基氮的影响如图3 所示，随着贮藏时间的延长，各组南美白对虾的TVB-N 值均呈上升趋势。在4 d，PW、PsC-L、PsG-L 组TVB-N 值分别14.31±0.19、17.80±0.12、12.50±1.25 mg/100 g。结果提示，4 ℃贮藏南美白对虾4 d 后，PW、PsG-L 组对虾仍为一级鲜度，PsC-L 组对虾已为二级鲜度。PsG-L 处理可显著的延缓TVB-N 的产生，优于PW 和PsCL 保鲜模式，LU 等[30]发现光动力技术可以抑制丝氨酸蛋白酶和天冬氨酸蛋白酶的活性，从而抑制挥发性盐基氮（TVB-N）、多肽氮（PeN）等的产生，延缓了蛋白质的降解。这说明PsG 膜介导光动力的效果要显著优于PsC 膜，与2.1 中两种膜经光照后颜色变化不同的结果进行对照，膜颜色变化的程度可能与其介导光动力的能力相关。

图3 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的挥发性盐基氮的影响Fig.3 Effect of composite membrane-mediated photodynamics on TVB-N in refrigerated shrimp

复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的pH 的影响如图4 所示，贮藏过程中，三组对虾pH 均呈上升趋势。在1、2 d，PsC-L、PsG-L 处理可有效延缓虾肉pH 的上升，优于PW 组，但PsC-L 组样品在贮藏后期pH 长较快。三组样品pH 在第4 d 分别达到7.94±0.00、7.93±0.00、7.71±0.01。这与菌落总数、TVB-N 的变化趋势相似，故PsG-L 处理后可能能够延缓虾肉蛋白质氧化等生化反应的发生，使虾肉pH 升高较慢。

图4 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的酸碱值的影响Fig.4 Effect of composite membrane-mediated photodynamics on pH in refrigerated shrimp

2.2.3 不同处理方式对冷藏南美白对虾质构的影响南美白对虾在贮藏过程中，肌肉组成及结构会发生变化，最终导致虾体软化、弹性和食用口感下降[31]。复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的质构特性的影响如图5 所示，各组虾的硬度变化趋势大致相同，均为先上升后下降， PW、PsC-L、PsG-L 组分别在第1、3、3 d 达到最高值，分别为26.96±6.04、31.87±5.53、29.55±8.43 N。而弹性的变化趋势与硬度有所不同，为先下降后上升，PW、PsC-L、PsG-L 组均在1 d达到弹性最低点，分别为2.56±0.21、2.52±0.46、2.53±0.32 mm。结果说明，在贮藏期间，PsC-L，PsG-L 两组对虾的硬度和弹性整体高于PW 组的对虾。在南美白对虾贮藏期间，由于蛋白质的持水力下降，虾体会出现汁液流失以及水分的散失[32]，而保鲜膜较两种光敏膜有更好的阻隔效果，来自于虾体的水分的释放会提升贮藏环境的湿度，这为微生物的生长繁殖提供了条件，这可能造成PW 组虾体硬度下降较早。PsC、PsG 膜以壳聚糖为基质，而壳聚糖膜其阻水性较为差[33]，可能造成虾体水分散失，组织变得粗糙，硬度增大，弹性也随之有提升。

图5 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的质构特性的影响Fig.5 Effect of composite membrane-mediated photodynamics on structure characteristics in refrigerated shrimp

2.2.4 不同处理方式对冷藏南美白对虾呈味氨基酸的影响 游离氨基酸是水产品中呈味的基础物质，不同氨基酸呈现不同风味特征，对南美白对虾的风味有较大的影响[34]。呈味强度值（taste activity values,TAV）为食物基质中单个化合物的浓度与其对应的味觉阈值的比值，当TAV>1 时，表明该呈味成分能独立对食品的滋味产生重要贡献，TAV 值越高，该化合物对食物整体口味的贡献越大[35]。本研究中对贮藏2 d 的南美白对虾的游离氨基酸含量进行了测定，结果如表1 所示。在三组中检测到11 种游离氨基酸，除甘氨酸外，PsC-L 组样品的游离氨基酸含量高于其他两组，PsG-L 组与PW 组差异较小。由游离氨基酸含量计算得TAV 值，结果如表2 所示，其中，谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸和精氨酸的TAV>1，在PsC-L 组中谷氨酸、丙氨酸的TAV 极显著高于另两组（P<0.01），PsG-L 组谷氨酸的TAV 显著高于PW组（P<0.05），这对样品的鲜味影响较大。结果提示，在贮藏2 d 后，PsC-L 组样品的蛋白质降解较多，游离氨基酸含量增加。而相较PW 组，PsG-L 处理可延缓鲜/甜味游离氨基酸的降解及苦味氨基酸的生成。

表1 复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的游离氨基酸含量的影响Table 1 Effect of composite membrane-mediated photodynamics on the content of free amino acids in refrigerated shrimp

3 结论

对比市售保鲜膜，在2 d 的贮藏时间内，PsC-L处理可以产生更好的保鲜效果，而贮藏后期，保鲜效果变差。在4 d 的贮藏时间内，PsG-L 处理可以影响菌落总数的生长，显著延缓TVB-N、pH 的上升，延缓虾的质地软化。在2 d 的贮藏时间内，相较PW 处理，PsG-L 处理可延缓鲜味氨基酸的降解，减少苦味氨基酸的生成。总之，PsG-L 处理可有效延缓南美白对虾的品质劣化，将姜黄素/壳聚糖颗粒添加到壳聚糖膜中介导光动力相比姜黄素与壳聚糖混合后介导光动力在保鲜效果上有显著提升。薄膜保鲜与光动力复合应用在水产品保鲜是可行的。