据国家统计局统计,柑橘果实作为我国第一大水果,2020年生产量高达5 121.37万吨,约占我国水果总产量的17.85%。在柑橘拥有如此高产量的同时,其采后贮藏损失也不容小觑。我国每年水果损耗量达13.2%,其中超过40%的损失都发生在采后处理和加工的阶段[1-2]。因此,开发果蔬采后绿色减损技术对于提高果蔬产业的经济效应,减少资源浪费,实现可持续发展的目标具有重要意义。其中,可食性涂膜因其绿色安全、易于操作、效果显著等特点受到广泛关注。可食性涂膜常将成膜基材与抗氧化、防腐、抗菌性的生物材料复配以增强涂膜的保鲜功效,溶剂挥发后可在果蔬外表皮形成一层具有阻隔性的薄膜,除了能有效为果蔬建立保护屏障,抵御微生物的侵染外,还能创造自发气调环境,调控果实的呼吸作用,从而延缓果蔬衰老[3],应用较多的主要为多糖膜、脂质膜、蛋白质膜和复合膜等[4-5]。而要使涂膜发挥其良好气调保鲜作用,首先要保证涂膜材料能在果蔬表面形成连续完整、均匀致密从而具有适宜阻隔性能的涂层。
壳聚糖因来源丰富,具有良好的抗菌性、成膜性和生物相容性,是可食性涂膜中最常用的基材之一。但由于果蔬表面通常覆盖一层疏水的蜡质,表面自由能较低,且大部分果蔬表皮相对较为光滑,使得亲水性的壳聚糖涂膜液难以在其上润湿和铺展[6-7]。降低涂膜液的表面张力并增强两者间的界面作用是使涂膜液在果蔬表皮良好铺展并形成完整均匀涂层的关键。研究表明,在壳聚糖涂膜液中加入适量甘油和吐温-80更有利于壳聚糖涂膜在蓝莓表面的铺展(铺展系数为-46.61 mN/m)[8];壳聚糖涂膜液中加入香芹酚精油后进行均质处理,可将其在蕃茄果皮上的接触角由68.7°降至36.7°[9]。
本研究中使用柠檬醛作为壳聚糖涂膜改性的基础材料,一方面,柠檬醛和柑橘果实表皮都具有相似的疏水性,有望改善壳聚糖膜液在柑橘果皮上的铺展性;另一方面,柠檬醛具有良好的抗菌功能,可降低果实遭受微生物侵染的风险。但柠檬醛易被氧化还原,且在酸性条件下易降解[10],因此本研究采用纳米乳对柠檬醛进行包埋,首先探究了柠檬醛纳米乳对壳聚糖膜/膜液的拉伸性能、透过性能和润湿性的影响,然后将添加了纳米乳的壳聚糖复合涂膜应用于蜜桔保鲜,对其保鲜效果进行评价,以期寻找到合适的蜜桔保鲜涂膜配方。
1 材料与方法
1.1 材料、试剂与仪器
蜜桔(Citrus reticulate Blanco)采摘于重庆本地;壳聚糖(脱乙酰度89.6%,黏度200 mPa·s),山东全杭海洋生物科技有限公司;柠檬醛(试剂级),上海迈瑞尔化学技术有限公司;吐温-80(分析纯),成都市科隆化学品有限公司;玉米油(试剂级),上海麦克林生化科技有限公司;聚乙烯袋(170 mm×140 mm,厚度3 μm),四川绿宝林制袋有限公司。
SCIENTZ-ITD超声波细胞破碎器、XHF-D高速分散机,宁波新芝有限公司;Nano-ZS90纳米粒度及Zeta电位分析仪,英国Malvern公司;JEM-1200EX透射电镜,日本JEOL公司;SCW-500智能电子拉力试验机、W3/060水蒸气透过率测试仪、VAC-V2氧气透过率测试仪,济南兰光机电技术有限公司;Sigma 700全自动表面张力仪,瑞典百欧林科技有限公司;PAY CHECK Model 650顶空分析仪,美国MOCON公司;2 WAJ阿贝折光仪,上海光学仪器五厂;SZ-CAMB3接触角测量仪,上海轩准仪器有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 柠檬醛纳米乳和涂膜液的制备
以柠檬醛和玉米油(质量比为5∶3)为油相,吐温-80(与柠檬醛质量比为4∶5)为乳化剂,加水混匀后,用超声波细胞破碎器在300 W功率下超声10 min制得粗乳,随后用高速分散机以12 000 r/min高速剪切4 min,得到柠檬醛质量分数为1%的纳米乳,冷藏于4 ℃下备用。
称取一定量的壳聚糖粉末,溶解于1%(体积分数)的乙酸溶液,得到壳聚糖浓度为3%(质量分数)的壳聚糖溶液,与柠檬醛纳米乳和纯水分别按照5∶0∶5、5∶1∶4、5∶2∶3和5∶3∶2的质量比混合,最终得到壳聚糖含量为1.5% (质量分数),柠檬醛纳米乳添加量分别为0%、10%、20%、30%(质量分数)的纳米乳/壳聚糖复合涂膜液。
1.2.2 柠檬醛纳米乳/壳聚糖平板膜的制备
分别取45 g上述制备好的复合涂膜液倒入12 cm×12 cm的聚苯乙烯培养皿中流延成膜,待烘箱烘干后剥离得到平板膜。
1.2.3 蜜桔涂膜处理
选取外观大小、质量、成熟度一致,无机械损伤和病害的蜜桔果实,用清水洗净表皮尘垢,在2%(体积分数)的NaClO溶液中浸泡2 min后,用纯水润洗后自然晾干。将果实随机分为5个组,每组约120个果实。对照组不进行涂膜处理,记为CK;其余组分别在柠檬醛纳米乳质量分数为0%、10%、20%和30%的涂膜液中浸泡2 min,捞出晾干,分别记为NEO0、NEO10、NEO20和NEO30。所有果实均用聚乙烯袋进行单果套袋,随后置于温度为(16±2)℃,相对湿度为(60±5)%的环境下贮藏,定期对蜜桔生理指标进行测定。
1.2.4 柠檬醛纳米乳的表征
取制好的纳米乳用去离子水稀释100倍后转移至样品池,使用纳米粒度及Zeta电位分析仪检测分析纳米乳的粒径、Zeta电位和多分散性指数,平衡时间为120 s;将纳米乳滴于铜网上并负染色,待铜网自然干后在透射电镜下观测纳米乳的微观形貌。
1.2.5 平板膜的性能表征
拉伸性能测定参照GB/T 1040.3—2006 《塑料 拉伸性能的测定 第3部分:薄塑和薄片的试验条件》的方法,平板膜尺寸为100 mm×15 mm,夹具间距为50 mm,拉伸速度为50 mm/min,每组样品试验10次。
平板膜的水蒸气透过系数参照ASTM E96/E96M-16的方法,使用水蒸气透过率测试仪测量;氧气渗透系数参照ASTM D398—17的方法,使用氧气透过率测试仪测量。
上述实验均在环境温度23 ℃,相对湿度50%条件下进行。
1.2.6 涂膜液在蜜桔表面的润湿性能
涂膜液的表面张力γL使用全自动表面张力仪测定,重复10次;将蜜桔果皮裁成小块,涂膜液在蜜桔上的接触角θ使用接触角测量仪测量,每种涂膜液重复测定15次,每次取2 μL涂膜液;涂膜液在蜜桔上的铺展系数Ws是涂膜液和蜜桔两相间黏附功Wa[公式(1)]和涂膜液液相内聚功Wc[公式(2)]的差值,计算方法见公式(3)。
Wa=γL(1+cosθ)
(1)
Wc=2γL
(2)
Ws=Wa-Wc=γL(cosθ-1)
(3)
1.2.7 蜜桔贮藏品质的测定
定期观察果实腐烂情况,腐烂率按公式(4)计算:
腐烂率
(4)
式中:Ni,第i天组中累计腐烂蜜桔个数;N,组中蜜桔总个数。
每组取30个果实标记并逐一称量质量,定期再次测量果实的质量变化,失重率按公式(5)计算:
失重率
(5)
式中:m,第0天蜜桔果实的质量,g;mi,第i天该果实的质量,g。
取6个体积质量接近的蜜桔果实,将其密封于呼吸皿内,使用顶空分析仪监测呼吸皿中2 h内的CO2体积分数变化,呼吸强度按公(6)计算:
呼吸强度
(6)
式中:φ1,2 h后呼吸皿中CO2体积分数,%;φ0,初始呼吸皿中CO2体积分数,%;V,呼吸皿中空气体积,mL;m,果实质量,kg;t,测定时间,h。
随机取一定量蜜桔果肉榨汁后过滤,采用阿贝折光仪对果肉可溶性固形物进行测量,结果用质量百分含量(%)表示。
可滴定酸含量参照曹建康等[11]的方法测定。取10 mL蜜桔果汁用蒸馏水定容至100 mL,吸取20 mL稀释后的溶液于锥形瓶并滴加2滴酚酞,使用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定,结果用体积百分含量(%)表示。
抗坏血酸含量参照曹建康等[11]的方法测定。将蜜桔果实与20 g/L草酸溶液混合榨汁,吸取10 g果汁用草酸定容至100 mL,取滤液10 mL用2,6-二氯酚靛酚滴定,结果用mg/100 g表示。
1.3 数据处理
无特殊说明的所有数据指标均重复3次,结果使用平均值±标准差表示,利用单因素方差分析和Duncan多重比较进行显著性分析,显著性水平为0.05。
2 结果与分析
2.1 柠檬醛纳米乳的形貌与粒径
如图1所示,柠檬醛油滴被水较好地包覆,形成了粒径为(141.07±1.2) nm的乳液。该乳液液滴尺寸分布均匀,多分散指数为(0.226±0.02),且Zeta电位为-(19.27±0.55) mV,说明具有较好的稳定性[12]。
a-微观形貌;b-粒径分布
图1 柠檬醛纳米乳的微观形貌及粒径分布
Fig.1 The micro-morphology and particle size distribution of citral nanoemulsion
2.2 柠檬醛纳米乳对平板膜拉伸和透过性能的影响
2.2.1 拉伸性能
薄膜的拉伸强度和断裂伸长率是评价其机械性能的重要指标,反映了薄膜抵抗外界拉伸应力,保持结构完整性的能力。由表1可看出,当柠檬醛纳米乳含量为20%及以上时,平板膜的拉伸强度随柠檬醛纳米乳含量的增加而显著降低,而断裂伸长率则显著提高(P<0.05)。当柠檬醛纳米乳含量为30%(NEO30)时,平板膜的断裂伸长率相较于未添加纳米乳的纯壳聚糖膜(NEO0)提高了57.2%,而拉伸强度则由89.54 MPa下降至67.44 MPa。这可能是由于纳米乳粒径较小,与壳聚糖的弱相互作用部分取代了壳聚糖的分子间强相互作用,在壳聚糖涂膜中起到增塑作用,促进了壳聚糖分子链的滑移,使得薄膜塑性增加[13-14]。
表1 平板膜的力学性能
Table 1 Mechanical properties of flat membrane
样品拉伸强度/MPa断裂伸长率/%NEO089.54±6.89a10.35±2.88bNEO1085.73±6.09ab12.71±4.45abNEO2082.12±8.11b15±4.98aNEO3067.44±2.74c16.27±5.17a
注:组间不同小写字母上标代表差异显著(P<0.05)(下同)
2.2.2 透过性能
如表2所示,添加柠檬醛纳米乳后,薄膜的水蒸气透过系数和氧气透过系数均有提高,但氧气透过系数增加更显著。当纳米乳含量为20%和30%时,薄膜的水蒸气透过系数与NEO0膜相比增加了约20%～35%,而氧气透过系数则增加了3～4倍。小分子在致密高分子薄膜中的透过速率主要取决于吸附和扩散2个过程[15]。一方面,柠檬醛纳米乳的增塑作用破坏了壳聚糖分子链间的致密网络结构,导致薄膜的自由体积增加,使得水和氧气分子在膜中的扩散速率均增加[16];另一方面,纳米乳中包裹的柠檬醛为非极性小分子,增强了非极性氧气分子在薄膜中的吸附,导致薄膜对氧气的透过系数增加较水分子更为显著[17-18]。
表2 平板膜的透过性能
Table 2 Barrier properties of flat membrane
样品水蒸气透过系数×10-12/[g·cm·(cm2·s·Pa)-1]氧气透过系数×10-15/[cm3·cm·(cm2·s·Pa)-1]NEO02.3±0.23c4.1±0.13dNEO102.37±0.30bc9.33±0.09cNEO202.76±0.17ab16.89±0.04bNEO303.09±0.05a22.04±0.12a
2.3 柠檬醛纳米乳对涂膜液润湿性能的影响
2.3.1 纳米乳浓度对涂膜液表面张力和在蜜桔表面接触角的影响
如图2-a所示,添加质量分数10%的柠檬醛纳米乳使得壳聚糖涂膜液的表面张力由64.06 mN/m显著下降至38.59 mN/m(P<0.05),但继续增加纳米乳的含量对涂膜液的表面张力无显著影响(P>0.05)。涂膜液在蜜桔果皮上的接触角变化趋势与表面张力相一致,添加10%柠檬醛纳米乳后,涂膜液的接触角由80.49°降至66.2°,之后无显著变化。
a-涂膜液的表面张力和在蜜桔表面的接触角;b-涂膜液在蜜桔表面的铺展系数
图2 各涂膜液的表面张力及其在蜜桔果皮表面的接触角和铺展系数
Fig.2 Surface tension of coating, contact angels and spreading coefficients of coating on tangerine
注:图中小写字母不同代表各组间存在显著差异(P<0.05)(下同)
柑橘果实表皮通常覆盖了一层疏水性蜡质,因而其表面能较低,通常低于30 mN/m,使得具有较高表面张力的涂膜液在其表面的润湿性差,接触角较高。而柠檬醛纳米乳的添加降低了涂膜液的表面张力,使其更容易在蜜桔表面润湿和铺展。这可能是由于膜液滴落在果皮表面时,纳米乳中的吐温-80转移至膜液与橘皮的界面处,提高了橘皮表面的表面能,使其更容易被润湿。纳米乳含量为10%时,其中的吐温-80已足以占据膜液与橘皮的界面,因此继续提高纳米乳的含量对涂膜液在果皮表面的润湿效果无显著影响。
2.3.2 纳米乳浓度对涂膜液在蜜桔表面铺展系数的影响
铺展系数Ws是用于评价液相是否能在固相良好铺展的重要参数,铺展系数越接近0,则说明该液相在固相上的铺展效果越好。由图2-b可知,NEO0涂膜液的内聚功Wc远高于其在蜜桔果皮上铺展所需的黏附功Wa,因此Ws为负值(-53.48 mN/m),说明其在果皮表面更容易发生内聚,而不是铺展。添加10%及以上的柠檬醛纳米乳后,涂膜液的Wc和Wa均出现降低,但Wc的降低幅度远远大于Wa,使得它们的差值Ws明显升高至-20 mN/m左右。由此说明纳米乳主要是通过降低涂膜液内分子间的相互作用(内聚力),同时也在一定程度上增强了涂膜液与果皮表面的分子间吸引力(黏附力),进而提高了涂膜液在果皮表面的铺展能力。
2.4 柠檬醛纳米乳/壳聚糖复合涂膜对蜜桔果实贮藏品质的影响
2.4.1 蜜桔的腐烂率和失重率
蜜桔果实的腐烂变质主要由真菌侵染而导致。试验所选用蜜桔成熟度较高,如图3-a所示,未处理的CK组在贮藏第3天便出现了腐烂,且腐烂率达到20%,涂膜组虽然也出现了腐烂,但除了NEO10处理组外,其余组的腐烂率均低于14%。贮藏7 d后,CK组的腐烂率超过30%,之后上升趋缓,而NEO30处理组的部分果实底部出现果皮黑色坏死,导致其腐烂率迅速增加并在第11天后超过25%。这可能是由于该涂膜中的柠檬醛纳米乳含量较高,使得贮藏前期释放的柠檬醛过多,对果皮细胞造成刺激,导致果皮细胞膜失去透性而坏死[19-20]。整个贮藏期间,NEO20处理组均保持了较低的腐烂率,第15天时约为10%,第19天时上升至约16%,也低于其余组。NEO0处理组和NEO10处理组的腐烂率则介于NEO20处理组和NEO30处理组之间,且在贮藏第19天时,NEO0处理组的腐烂率高于NEO10,同时与添加柠檬醛纳米乳的涂膜相比,NEO0处理组果实表面出现了涂膜脱落的现象,说明涂膜稳定性较差。由此说明,涂膜处理确实可抑制蜜桔果实的腐烂,且涂膜中添加柠檬醛纳米乳可较好地增强涂膜与果皮间的界面作用,提高涂膜稳定性,同时适量的柠檬醛纳米乳(20%)可发挥良好的抗菌作用,从而显著抑制果实的腐烂,但纳米乳含量过高则可能造成负面作用。
a-腐烂率;b-失重率
图3 各组蜜桔的腐烂率和失重率
Fig.3 Decay rate and weight loss rate of different group of tangerine
果实在贮藏期间的失重率升高,主要是由于蒸腾作用导致的水分蒸发和呼吸作用造成的干物质损耗。如图3-b所示,各组蜜桔的失重率均随贮藏时间的延长而升高,柠檬醛纳米乳含量添加到30%时,即涂膜组中的NEO30处理组在第7、11、19天与对照组间的失重率出现显著差异(P<0.05),其余组的失重率在贮藏期间与对照组和NEO30处理组无明显差异(P>0.05)。壳聚糖为亲水性材料,对水蒸汽的阻隔性较差,且由表2可知纳米乳的添加使得壳聚糖涂膜对水蒸汽的透过性进一步增强,导致涂膜中纳米乳含量增至30%时,果实的失重率高于对照组。
2.4.2 蜜桔的呼吸强度变化
从图4-a可知,在贮藏前6 d时,蜜桔果实的呼吸强度逐渐降低,之后趋于稳定,且在整个贮藏期间,各涂膜组果实的呼吸强度几乎均显著低于CK组(P<0.05),说明涂膜可充当果实与外界环境气体交换的良好屏障,能有效抑制果实的采后呼吸作用[21]。但各涂膜组的呼吸强度无显著差异,说明柠檬醛纳米乳的添加虽然降低了平板膜对氧气的阻隔性(表2),但各复合膜对果实采后呼吸的调节作用较为一致。
2.4.3 蜜桔的营养品质变化
贮藏期间,各组蜜桔中的可溶性固形物、可滴定酸和抗坏血酸的含量变化如图4所示。其中,可溶性固形物的主要组成成分为可溶性糖类。随着果实在贮藏过程中的不断失水,以及果实呼吸作用中淀粉和果胶水解产生小分子糖等作用,果实中的可溶性固形物浓度随贮藏时间的延长而升高[22],如图4-b所示。
a-呼吸强度;b-可溶性固形物含量;c-可滴定酸含量;d-抗坏血酸含量
图4 各组蜜桔的呼吸强度、可溶性固形物、可滴定酸和抗坏血酸的含量变化
Fig.4 Variation of respiration rate, total soluble solid, titratable acid, and ascorbic acid of tangerine during storage
各组果实中,NEO10和NEO20组在贮藏期间保持了相对较低的可溶性固形物含量,可能是由于适量柠檬醛纳米乳的添加延缓了蜜桔成熟进程,降低了糖类物质的分解速率。
可滴定酸反映了果实中有机酸的含量,而有机酸是果实采后呼吸作用的底物之一,因此其含量随着贮藏时间的延长而降低[23]。从图4-c可知,在贮藏后期,各涂膜组果实的可滴定酸含量相对较高,尤其是NEO10和NEO20处理组,可能是由于涂膜限制了蜜桔与外界气体的交换,抑制了蜜桔的呼吸作用,使得果实中累积的有机酸含量较高,而适量纳米乳的添加可推迟果实的衰老,有利于有机酸含量的保持。
抗坏血酸是一种强还原剂,可直接还原活性氧,或作为底物参与清除活性氧的酶促代谢进程,因此其含量越高则越利于果实抵抗逆境。在贮藏期间,果实中的抗坏血酸因抗氧化而消耗,又因再循环和生物合成等而再生[24],因此其含量呈现一定的波动,如图4-d所示。但各组蜜桔果实中,NEO20保持了相对较为稳定的抗坏血酸含量,均在25 mg/100 g上下波动。
综上,在涂膜中添加适量的柠檬醛纳米乳有利于保持蜜桔果实中较为稳定的营养物质含量,尤其以NEO20组表现较为出色。
3 结论
本研究探究了柠檬醛纳米乳的添加对壳聚糖平板膜的拉伸性能与透过性能,以及涂膜液在蜜桔果皮表面的润湿性的影响,并评价了柠檬醛纳米乳/壳聚糖复合涂膜对蜜桔的保鲜效果。结果表明,柠檬醛纳米乳提高了壳聚糖膜的塑性,降低了薄膜对水蒸气和氧气的阻隔性,并减小了涂膜液的表面张力,改善了膜液对果皮的润湿性,使其更易在蜜桔果皮上铺展。将柠檬醛纳米乳/壳聚糖复合涂膜应用于蜜桔时,可有效抑制果实的腐烂,减低果实的呼吸强度,并保持营养物质的含量,尤其是纳米乳含量为20%的复合涂膜,可稳定附着于果实表面,对蜜桔的保鲜效果最为显著。因此,将柠檬醛以纳米乳的形式与壳聚糖涂膜复合,不仅可有效发挥其抗菌性,也能改善涂膜液的润湿性,增强涂膜的稳定性,进而提高涂膜保鲜效果,在果蔬采后保鲜中具有良好的应用前景。
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