魔芋葡甘聚糖基包装袋的制备及保鲜效果研究

李佳伶，毕秀芳，鄢 煦，吴 考

（1.西南民族大学 食品科学与技术学院，成都 610041；2.湖北工业大学 生物工程与食品学院，武汉 430068）

0 引言

近年来，生物质可降解膜的保鲜效果逐渐受到重视。使用生物质可降解膜，能够阻隔水分和氧气，抑制果蔬的呼吸作用，阻止内部与外界的气体交换，延缓果蔬在贮藏期间的理化反应［1］。研究发现，使用力学性能和阻隔性能较好的复合膜对果蔬类食品进行包装可以延长葡萄、柑橘和草莓等果蔬的货架期［2-4］。作为常见水果，圣女果深受广大消费者的喜爱［5］。圣女果属于呼吸跃变型果实，采摘之后在运输、销售和储藏过程中仍保持着较高的呼吸强度。随着新陈代谢的作用，圣女果的表面会逐渐失去光泽并产生皱缩等缺陷［6］，以此可作为果蔬产品保鲜效果的评价指标。

基于实验室前期研究发现，将魔芋葡甘聚糖（KGM）、乙基纤维素（EC）和玉米醇溶蛋白（zein）复配，当质量比KGM：EC：zein=64：30：6 时，制成的复合膜（KEZ）的力学性能和耐水性能最佳［7］。本文以最佳配方K64E30Z6复合膜为主要基材，制备KEZ 复合膜包装袋。前期研究发现，将KEZ 复合膜直接热封（不使用粘结剂），其热封性能差、封合强度低。因此以热封强度作为判断指标，研究热封时间、粘结剂浓度和粘结剂用量对热封强度的影响，通过单因素试验和响应面优化试验确定最优工艺条件，制备热封强度最佳的KEZ 复合膜包装袋。同时，对比研究不同贮藏时间下，无膜、PE 膜和KEZ 复合膜包装对圣女果的保鲜效果，以探究KEZ 复合膜包装袋的应用潜力。

1 材料与方法

1.1 材料

KGM（MW=9.67×105 Da），武汉力诚生物科技有限公司；EC（黏度为60～80 mPa·s），上海麦克林生化科技有限公司；zein，北京百灵威科技有限公司；圣女果，湖工大农贸市场。

1.2 试验试剂

无水乙醇、维生素C，国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸三乙酯，上海麦克林生化科技有限公司。

1.3 仪器与设备

DK-S22 型电热恒温水浴锅（上海精宏仪器设备有限公司）；OS20-Pro 型电动搅拌器（美国塞洛捷克公司）；DHG-9035AD 型数显鼓风干燥箱（扬州市源峰检测设备有限公司）；BT-400 型三维包装机（浙江联源机械有限公司）；LHS-150HC型恒温恒湿箱（无锡华泽科技有限公司）；TA.XT Plus 型质构仪（英国Stable Micro Systems 公司）。

1.4 试验方法

1.4.1 复合膜包装袋的制备和圣女果的处理

影响热封强度的因素设置：热封时间（1，2，3，4，5 s）、粘结剂浓度（0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，粘结剂为KEZ 成膜液）和粘结剂用量（0.005，0.010，0.015，0.020，0.025 g/cm2）。

KEZ 复合膜包装袋的制备：将KEZ 复合膜裁剪成1.0 cm×5.0 cm 的小长条，粘结剂涂抹在1.0 cm×1.0 cm 范围内，在热封机中将其热封后，在质构仪上测试其热封强度。根据单因素试验和响应面优化试验确定最佳工艺条件，制备封合强度最佳的KEZ 复合膜包装袋（包装袋的尺寸为13 cm×14 cm）。

圣女果的处理：选取大小均一、成熟度一致、无病虫害和机械损伤的新鲜圣女果。将样品分为3 组：无膜组（Control，无膜包装）、PE 组（PE film，聚乙烯膜包装）和KEZ 组（KEZ film，KEZ 复合膜包装）。将圣女果放置在包装袋内，热封后，在恒温恒湿（25 ℃，37% RH）环境中储藏，于0，2，4，6，8，10 d 监测圣女果的感官和品质的变化。

1.4.2 热封强度

参考VANISSERI 等［8］的方法，利用质构仪对膜的拉伸强度和断裂伸长率进行测试。具体步骤：将膜样品裁剪成0.5 cm×5 cm 的长条，两端分别预留1 cm 用于拉伸固定，随机取5 个点，使用数显千分尺测量样品的膜厚，计算平均值。将长条两端置于夹具内并夹紧，采用Tension 模式，记录力和形变，每个样品平行测试30 次。测试条件：初始夹具间隔为3 cm；测试速度为0.5 mm/s；触发力为0.05 N。热封强度按下式计算：

式中 H——热封强度，N/m；

P——最大负荷拉力，N；

B——膜的宽度，m。

1.4.3 失重率

采用称重法，每隔2 d 对样品进行称重，称重贮藏前样品的初始重量以及不同贮藏时间下样品的重量。失重率按下式计算：

式中 TG——失重率，%；

m0——贮藏前重量，g；

m1——贮藏后重量，g。

1.4.4 硬度

利用质构仪对圣女果的硬度进行测试。测试条件：探头型号为P/2；测试速度为1.00 mm/s；压缩深度为2 mm。

1.4.5 数据分析

对于每个样品，所有试验至少重复3 次，使用SPSS 19.0 和Origin 2017 进行数据统计分析和图表的绘制，采用ANOVA 进行图基（Tukey’s）差异分析，以P＜0.05 为差异显著。

2 结果与分析

2.1 KEZ 复合膜包装袋制备的单因素试验

热封时间、粘结剂浓度、粘结剂用量对KEZ复合膜包装热封强度的影响如图1 所示。

图1 热封时间、粘结剂浓度、粘结剂用量对KEZ 复合膜包装热封强度的影响Fig.1 The effects of heat sealing time, the concentration of binder, and the dosage of binder on the heat sealing strength of KEZ composite film packaging bag

随着热封时间的增加，KEZ 复合膜包装袋的热封强度呈先上升后下降的趋势，并在热封时间为3 s 时，热封强度达到最大。说明热封时间能够影响粘结剂与薄膜之间的结合程度。当热封时间较短时，KEZ 复合膜包装袋的封口处不能达到一定的热封强度，薄膜之间贴合不紧密；当热封时间较长时，封口处长时间受到挤压热封，容易起皱变形或烫伤，甚至烧焦发黄，影响包装袋的外观和平整度。选择合适的热封时间，会使粘结剂与薄膜之间达到较好的贴合状态，故选择2，3，4 s 作为热封时间的3 个水平。

随着粘结剂浓度的增加，KEZ 复合膜包装袋的热封强度呈先上升后下降的趋势，并在粘结剂浓度为1.2%时，热封强度达到最大。由于复合膜具有一定的亲水性，当粘结剂浓度较小，将粘结剂涂抹在复合膜表面时，封口处易吸水溶胀，不利于粘结剂与复合膜之间的作用，且在封口时容易挤出，不利于封合，热封强度下降；当粘结剂浓度较大时，不利于粘结剂在复合膜上铺展，涂抹不均匀，封口时容易产生褶皱，从而导致热封效果较差，热封强度下降。选择合适的粘结剂浓度，会使粘结剂在薄膜上铺展均匀，达到较好的贴合状态，故选择1.0%，1.2%，1.4%作为粘结剂浓度的3 个水平。

随着粘结剂用量的增加，KEZ 复合膜包装袋的热封强度呈先上升后下降的趋势，并在粘结剂用量为0.015 g/cm2时，热封强度达到最大。粘结剂用量为0.005，0.025 g/cm2时，热封强度显著低于其他组，这是因为粘结剂用量过少，粘结剂在复合膜上铺展不均匀，且有的区域没有被覆盖到，复合膜之间贴合不紧密，导致热封强度降低；粘结剂用量过多时，粘结剂在复合膜上铺展不开，且封口时各区域厚度不一，无法将膜完全贴合，导致热封强度降低。选择合适的粘结剂用量，会使粘结剂在薄膜上铺展均匀，达到较好的贴合状态，故选择0.010，0.015，0.020 g/cm2作为粘结剂用量的3 个水平。

2.2 KEZ 复合膜包装袋制备的响应面优化试验

2.2.1 响应面的试验设计

针对单因素试验结果，根据Box-Behnken 设计原理，并利用Design-Expert 软件，以热封时间（X1）、粘结剂浓度（X2）和粘结剂用量（X3）为自变量，设计响应面试验，以探究其对热封强度的影响。响应面设计因素编码及水平如表1 所示。

表1 响应面设计因素编码及水平Tab.1 Codes and levels of response surface methodology design factor

2.2.2 响应面的试验结果

通过对KEZ复合膜包装袋的热封强度进行响应面分析试验，为了更好地拟合试验数据进行回归分析，使用Design-Expert 软件，得出二次多项式方程：R=-9.223 75+1.706 25X1+10.968 75X2+329.5X3-0.05X1X2-4.5X1X3-32.5X2X3-0.26X12-4.25X22-9 300X32。

2.2.3 响应面试验结果的方差分析和验证结果

响应面试验结果的方差分析如表2 所示，P值表示每个因素的显著性，F 值体现每个因素在回归方程中的统计显著性。P 值越小，F 值越大，相应参数的显著性越高［9］。X1，X2，X1X2，X2X3，X22具有显著作用，表明上述工艺参数与复合膜包装袋热封强度的相关性极高。模型校正判定系数，说明模型能够预测97.25%的响应结果，说明模型可准确预测试验结果［10］。经回归模型分析，预测值与实测值之间关联性较高，回归模型复相关系数R2=0.988 0 与系数水平相近，表明回归方程的可靠性较高。因此，该响应面模型可以用于优化复合膜包装袋热封强度的工艺，从而达到更好的效果。

表2 响应面试验结果的方差分析Tab.2 Analysis of variance of response surface experimental results

通过响应面分析，利用回归方程和数据模型预测复合膜包装袋热封强度的最佳工艺条件：热封时间为3.04 s，粘结剂浓度为1.22%，粘结剂用量为0.010 g/cm2。在最佳工艺条件下，响应面预测结果的热封强度为2.48 N/m。

2.2.4 响应面的交互作用对KEZ 复合膜包装袋热封强度的影响

使用Design-Expert 软件和Origin 2017 软件绘制热封时间、粘结剂浓度和粘结剂用量两两之间的响应面图，展示其相互作用对复合膜包装袋的热封强度的影响。图2 为热封时间与粘结剂浓度、热封时间与粘结剂用量以及粘结剂浓度与粘结剂用量的响应面图。根据回归方程绘制三维空间曲面图，曲面顶部及其附近表示每个试验因素交互作用下的最佳响应值范围；而曲面的倾角决定2 个交互参数对预测结果的影响程度，即曲面越陡，表明这2 个因素的相互作用对预测结果影响程度越高。等高线的轮廓清晰地展示2 个相互影响因素之间的关系，其中等高线形状呈椭圆状，表明它们之间的相互作用十分显著［11-12］。从三维空间曲面图中可以看出，复合膜包装袋的热封强度的各因素两两之间交互关系显著，其中热封时间与粘结剂浓度的空间曲面度最大，即对复合膜包装袋热封强度的影响最为显著。热封时间与粘结剂浓度的等高线形状类似为圆形，也表示两者之间相互作用最强。

2.3 圣女果外观的变化

圣女果果实的新鲜程度和营养价值受到其腐败程度的影响，圣女果果实的腐败程度可以直观体现包装袋的保鲜效果［13-14］。图3 所示是不同储藏时间下圣女果的外观变化。

图3 不同储藏时间下圣女果的外观变化Fig.3 The changes in appearance of cherry tomatoes with different storage time

储藏初期（第0 d），圣女果果实红润饱满，叶片含水量充足。随着储藏时间的延长，3 组圣女果均出现不同程度的失水、衰老、皱缩，甚至出现长霉腐败的现象。储藏第6 d 时，无膜组出现明显的失水现象，这是由于圣女果直接暴露在空气中，由于蒸腾作用使水分以水蒸气的状态散失到外部环境中，且空气湿度相对较低，蒸腾速率加快。PE 组圣女果果实表面出现少量霉斑，这是由于PE 膜的水蒸气透过率较低，水蒸气不容易排出，呼吸作用产生的水分增加PE 膜包装袋内部的湿度，形成有利于霉菌生长的环境条件。KEZ 组未出现霉斑和皱缩现象，这是由于KEZ 膜相较于PE 膜具有良好的透气性，改善包装袋内的气体和水分环境，提供良好的储藏环境。储藏第10 d时，无膜组出现明显的皱缩和腐败；而PE 组包装袋内出现大量的霉斑，且果实出现裂开变质现象；KEZ组未出现霉斑但果实表面明显皱缩失去光泽。从外观可以看出，KEZ 复合膜包装袋能有效减缓圣女果衰老和腐败，延长其货架期，这与张博云等［3］的研究结果相类似。

2.4 圣女果失重率和硬度的变化

失重是果蔬类食品在储藏过程中的一种自然现象，主要是在呼吸过程中，有机物中的碳以二氧化碳的形式损失和水分蒸发引起的水分流失，导致果蔬皱缩脱水，促进果实的衰老，影响果实的外观［15-16］。果蔬类食品在储藏过程中硬度的下降主要是由于水分的流失和细胞壁成分的降解，从而导致细胞壁结构部分解体［17］。

不同储藏时间下，圣女果的失重率和硬度变化如图4 所示。

图4 不同储藏时间下圣女果的失重率和硬度变化Fig.4 The changes in weight loss rate and hardness of cherry tomatoes with different storage time

随着储藏时间的增加，3 组圣女果的失重率都有显著的上升趋势，但无膜组的失重率明显高于其他2 组，这是因为无膜组的圣女果直接暴露在空气中，由于其与周围环境的水分含量差异，加速水分的蒸发，从而导致失重率的增加。同时，这也表明有膜包装处理能有效降低圣女果果实表面水分的蒸发和氧气的渗透，抑制呼吸作用，减少圣女果果实的水分损失和有机消耗。储藏第8 d 时，PE 组的失重率显著大于KEZ 组，这是由于PE 组出现霉斑和果皮表面裂开，而果皮表面裂开导致水分损失严重，在壳聚糖/肉桂精油复合膜对圣女果保鲜的研究中也有类似情况［18］。其原因可能是：一方面，由于PE 膜透氧率较高且水蒸气阻隔性很强，使得包装膜内水分活度较高且氧气较为充足，利于霉菌生长；另一方面，由于PE 膜透氧率较高，圣女果保持较强的呼吸作用和蒸腾作用，果实水分容易转移到包装膜上形成凝露，促进果实的失重。相比于PE 膜，KEZ 膜具有较高的水蒸气阻隔性和良好的氧气阻隔性，能抑制果实的呼吸和蒸腾作用，抑制霉菌生长，减少水分的散失。

有膜包装的2 组圣女果的硬度显著大于无膜组，这是由于有膜包装可以通过抑制水分的散失和氧气的渗透，并通过降低呼吸作用等新陈代谢来保持圣女果的硬度。从第6 d 开始，KEZ 膜包装的圣女果硬度显著大于PE 膜，说明其更有利于圣女果保鲜。

3 结语

本文将KEZ 复合膜制备成水果包装袋，使用KEZ 成膜液作为粘合剂，基于热封强度探究最优制袋参数，并以圣女果为对象测试KZE 复合膜包装袋的保鲜效果。结果表明，当热封时间为3.04 s，粘结剂浓度为1.22%，粘结剂用量为0.010 g/cm2时，KEZ 复合膜包装袋具有最佳的热封强度。储藏前4 d，与无膜包装相比，PE 膜和KEZ 膜包装均能减缓圣女果水分的流失和硬度的下降。第6 d时，与无膜包装相比，KEZ 膜包装的圣女果硬度下降最缓慢；而PE 膜包装的圣女果出现霉斑失去食用价值。因此KEZ 膜包装袋具备良好的保鲜效果。