牛肉富含蛋白质、B族维生素、铁、锌等营养素,具有较高的营养价值,但牛肉在贮藏和销售的过程中,极易受到微生物污染,发生腐败变质,缩短其货架期[1]。市场上的生鲜牛肉货架期一般在5~7 d。因此,对牛肉进行有效的保鲜处理尤为重要。目前,常用的保鲜方法分为化学保鲜方法、物理保鲜方法和生物保鲜方法,传统化学保鲜剂如亚硝酸盐可延长货架期至14 d,但因潜在健康风险受到限制[2];气调包装结合低温处理可将货架期延长至21 d左右,但成本较高且对设备依赖性强;活性包装薄膜可使牛肉货架期延长10 d,在限制肉类和肉制品氧化过程中的应用研究越来越多。BARBOSA-PEREIRA等[3]将迷迭香提取物加入低密度聚乙烯薄膜中,能有效降低硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reaction substance,TBARS)值,增加抗氧化性能;QIN等[4]利用茶多酚开发了一种抗氧化薄膜能有效降低脂质氧化程度;NOSHAD等[5]添加柑橘提取物制备出一种生物可降解薄膜,具有抗脂质氧化和抗生物变质的功能。因此,基于天然成分的生物保鲜技术成为研究热点,其中天然植物精油,因其丰富有效的抗氧化成分,被广泛应用于食品保鲜领域。
葡萄加工产生的大量副产物葡萄籽(grape seed,GS),可通过现代技术被高效利用,能够压榨或萃取葡萄籽油,还能从籽中提纯抗氧化剂原花青素,提取主要成分后的残渣还能加工成葡萄籽粉作为饲料或食品纤维添加剂。葡萄籽精油(grape seed essential oil,GSE)富含多种生物活性物质,包括原花青素、生育酚、白藜芦醇、槲皮素及植物甾醇等[6],赋予其显著的抗氧化特性。齐文等[1]将GSE融入海藻糖复合涂膜用于冷鲜牛肉,结果表明该涂膜能有效维持牛肉冷藏期间的质构特性,抑制pH上升和菌落总数增长,显著延长保质期。AMIN等[7]发现添加GS提取物能显著降低冷藏碎牛肉在10 d贮藏期内的pH值、TBARS值和菌落总数。GSE作为天然抗氧化剂在食品保鲜领域展现出广阔前景,但其抗菌活性相对较弱,且单一精油的使用存在一些局限性,例如气味接受度低、使用浓度限制等。因此,探索不同精油的联合应用策略,以期实现功能互补并克服单一组分的局限性,已成为当前天然保鲜剂研究的重要方向[8]。
艾草精油(mugwort essential oil,ME)中的单萜类成分(如α-蒎烯、β-蒎烯、石竹烯和樟脑等)已被证实对革兰氏阳性菌(如金黄色葡萄球菌)具有显著抑制作用[9]。TANG等[10]将艾草精油负载于聚乳酸纳米纤维膜中,显著提升其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率。为克服精油易挥发、稳定性差的缺陷,现有研究多将其包埋于微胶囊或整合至活性薄膜中[11]。然而,基于多糖的复合膜因兼具可降解性、成膜性及与精油的相容性,成为实现精油缓释与协同抗菌的更优选择。
壳聚糖(chitosan,CS)是自然界中仅次于纤维素的第二丰富天然多糖,但其水溶性差、机械性能不稳定等缺陷限制了其广泛的应用。羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)作为CS的重要功能化衍生物,通过对CS分子链上的氨基和羟基进行羧甲基化修饰,有效克服了水溶性局限[12],显著改变了CS的晶体结构排列,并保留了自由基清除能力、界面吸附特性以及良好的生物相容性。纳米TiO2 被广泛用于塑料、油漆和纸张着色,以及食品、食品添加剂和化妆品中,其中光催化性可在食品工业中发挥有效的抑菌性,对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等均具有很强的杀灭能力,应用于食品具有显著的优势[13],将纳米TiO2引入到羧甲基壳聚糖基薄膜中,能够开发出具有更强机械和阻隔性能的复合包装膜[13]。
因此,本研究旨在以CMCS和纳米TiO2 为膜基质,制备GSE和ME复配薄膜。分析各复合膜的力学性能、抗氧化性能、阻隔性能和抑菌性能,并考察该膜在牛肉保鲜中的应用。
葡萄籽,购于四川省成都市温江区科兴路东段501号红旗超市;干艾草,购于四川省成都市温江区科兴路东段501号红旗超市;本土黄牛,体质量550~600 kg、18~24月龄)宰后48 h取背最长肌,购于四川省成都市温江区游家渡便民市场,置于带冰块的泡沫保温箱内,50 min内运输到实验室;CMCS (取代度:≥90%,等电点:3~4,水溶性),购于上海麦克林生化科技股份有限公司;纳米TiO2(纯度≥99.8%,60 nm,锐肽、亲水),甘油,乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA),购于上海麦克林生化科技股份有限公司;苯甲酸钠(分析纯),购于国药集团化学试剂有限公司;三氯乙酸(分析纯),购于广东广试试剂科技有限公司;1,1,3,3-四乙氧基丙烷,硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)溶液,安徽酷尔生物工程有限公司;金黄色葡萄球菌,实验室纯化鉴定。
SYU-15-300DTD超声波清洗机,郑州生元仪器有限公司;HWC-15A恒温循环水浴锅,常州诺基仪器有限公司;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州南北仪器设备有限公司;DHG-9140A电热鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;KDC-12低速台式离心机,安徽中科中佳科学仪器有限公司;RE-52AA旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有限公司;海能I3紫外可见分光光度计,海能未来技术集团股份有限公司;FDU-2 110全自动凯氏定氮仪,东京理化器械株式会社。
1.3.1 精油提取
1.3.1.1 ME
参考王杰等[14]的方法进行ME的提取。
1.3.1.2 GSE-乙醇水提法
将葡萄籽粉碎过60目筛,取10 g葡萄籽粉于锥形瓶中并加入45% (体积分数)的乙醇,料液比为1∶5(g∶mL)、用1 mol/L NaOH溶液调节pH值至9,于70 ℃水浴锅中加热2 h,于4 472 ×g 离心15 min。收集精油,重复上述操作对沉淀物进行二次提取,将2次提取的精油混合,蒸发除去乙醇,而后将产物置于分液漏斗中,静置分层,取上层油相蒸发除去剩余水分得到GSE[15]。
1.3.2 包装保鲜膜的制作
将GSE和ME分别以表1所示体积比混合后备用。称取2.5 g羧甲基壳聚糖和1.0 g甘油溶于100 mL无菌蒸馏水中,从而得到质量浓度为25 g/L的壳聚糖溶液,并在水浴锅中加热至45 ℃,加入纳米TiO2 溶液,使膜溶液中纳米TiO2 质量浓度达到20 g/L,再将制备的不同比例的复合精油(1.5 g/L)加入壳聚糖溶液,得到不同复合精油浓度的复合膜,用磁力搅拌器搅拌至均匀[13]。将膜液分别倒入直径9 cm的圆形模具中,于40 ℃烘箱中放置14 h,得到复合膜。
表1 精油复配 单位:mL
Table 1 The proportion of essential oil blends
注:GM为含不同比例GSE和ME的薄膜。
表2 感官评分标准
Table 2 Sensory scoring criteria
1.3.3 保鲜贮藏
分别用上述6种不同配比的复合膜密封包裹约8 cm大小新鲜牛肉,于4 ℃冰箱中贮藏,在第0、5、10、15天测定指标。
1.3.4 指标测定
1.3.4.1 傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)测定
将膜干燥至恒质量,然后研磨成粉,采用KBr压片,用FT-IR-650光谱仪测定红外吸光度,分析表面化学变化和官能团[16]。在衰减全反射模式下,测定膜的FT-IR,在波数为4 000~600 cm-1分析膜的结构特性,扫描分辨率4 cm-1,扫描次数为32次。
1.3.4.2 机械性能
将膜裁剪成70 mm ×10 mm,采用电子万能试验机测定膜拉伸强度(tensile strength,TS)及断裂伸长率(elongation at break,EAB)。拉伸速度25 mm/min,每组平行测定3次,结果取平均值。
1.3.4.3水蒸气透过率(water vapor transmission rate,WVTR)
参考尚书游等[13]的方法对膜的WVTR进行测定。称取10 g无水碳酸钙置于干燥至恒重的试管中,将膜紧密覆盖在干燥的试管口上,固定封口,放入有饱和食盐水的密闭容器中,24 h后测定试管的增加质量。
1.3.4.4 透光率(light transmittance,LT)
参考尚书游等[13]的方法加以改进对膜的透光率进行测定。将薄膜贴在比色皿的一侧,以空皿做空白,在600 nm处测定其透光率。
1.3.4.5 水溶性
参考尚书游等[13]的方法对膜的水溶性进行测定。将完全干燥的薄膜放入15 ℃的蒸馏水中。30 min后取出后,自然晾干,再称量,计算膜的溶解率。
1.3.4.6 TBARS值
参照GB 5009.181—2016《食品安全国家标准食品中丙二醛的测定》中分光光度法对牛肉样品TBARS值进行测定。
1.3.4.7 总挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)
参照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》的方法对牛肉TVB-N进行测定。
1.3.4.8 pH值
使用自动数字pH计测量pH值。在20 ℃下使用标准缓冲液(pH值=4.00和7.00)进行校对,然后将5 g样品在25 mL蒸馏水中均质30 s,测定pH值。每个样品重复测定3次。
1.3.4.9 菌落总数(total viable count,TVC)
采用GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》的方法测定菌落总数。
1.3.4.10 感官评价
按预先设定的评价基准,从成都师范学院食品质量与安全专业选出20~22岁的5名男性和5名女性,对样品的气味、色泽和可接受度以数字标度进行评定,感官评价总分以15分计,10位人员的感官评分平均值作为样品的感官得分。
1.3.4.11 抑菌圈直径
参考刘绪等[17]的方法,采用圆盘扩散法考察复合精油制备的保鲜膜的抑菌特性。
所有实验均设3组平行,利用International Business Machines Corporation的软件IBM SPSS Statistics 27进行单因素方差分析,P <0.05表示结果具有显著性差异;OriginLab的软件Origin Pro 2025进行作图。
图1展示了不同比例GSE与ME复配包装保鲜膜的FT-IR分析图。3 200~3 600 cm-1 是O—H的伸缩振动,主要来源是CMCS、甘油和精油的酚羟基。与不含精油的空白膜相比,含精油薄膜的O—H峰出现轻微位移,可能是精油羟基叠加及氢键作用所致;甘油的加入促进了其与CMCS之间的氢键形成,增强了分子间作用力,从而提高了薄膜的拉伸强度,但导致断裂伸长率略有下降。此结果与表3对应。2 800~3 000 cm-1 区域的尖锐吸收峰反映了样品中—CH3、—CH2 和—CH的伸缩振动,对应于GSE和ME中烷基或芳香族基团;精油组的C—H峰强度显著高于空白组,且GM比例变化导致峰强度差异,GM-2 ∶1中GSE比例高,C—H峰可能更强;在1 750 cm-1出现C ═O的特征峰,可能来自GSE中的酯类或羧甲基壳聚糖的羧酸基团,C ═O峰强度高时,薄膜柔韧性和断裂伸长率提升,但拉伸强度可能降低;1 650 cm-1左右是C ═C伸缩振动,可能来源于GSE的亚油酸或ME的萜烯类成分。1 450~1 600 cm-1区域的骨架振动峰表明了芳香环结构的存在,在1 250~1 500 cm-1处有一些谱带,是酚类化合物中的C—O键伸缩振动产生的吸收峰,1 100~1 250 cm-1处的吸收峰与C—O—C伸缩振动有关[16];1 040 cm-1 左右有强峰,为壳聚糖六元环上的C—O吸收峰及—OH吸收峰。红外图谱中没有发现新的谱带,因此,FT-IR图显示复合精油与CMCS之间通过分子间氢键反应,增强了凝胶网络[17-18]。
图1 ME和GSE复合包装保鲜膜的FT-IR光谱
Fig.1 FT-IR spectrum diagram of the composite packaging cling film of ME and GSE
表3 薄膜的厚度、拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率、透光率、水溶性
Table 3 The thickness,tensile strength,elongation at break,water vapor transmission rate,light transmittance,and water solubility of the film
注:同一列不同上标表示不同组别间差异显著(P <0.05)。
图2为不同比例GSE与ME复配保鲜膜,薄膜的厚度是一项重要的物理性质,它影响着机械性能以及阻挡水蒸气和其他气体渗透的能力。因此,这一参数影响了食品的货架期。与空白组薄膜相比,复合膜的厚度增加,空白组膜厚度为0.033 mm。随着薄膜中精油比例增加,膜厚度增加。TS和EAB是薄膜材料的2项力学性能,分别代表薄膜的强度和拉伸性能,可通过拉伸实验得到。根据表3数据分析,各组试样的TS排序如下:GM-1∶2组>GM-0∶1组>空白组>GM-2∶1组>GM-1∶1组>GM-1∶0组,EAB排序为:空白组>GW-1∶2组>GW-1∶1组>GW-2∶1组>GW-1∶0组>GW-0∶1组。其中,复合精油GM-1∶2组的TS和EAB最高,展现了良好的拉伸性能和柔韧性。因为GSE的加入增强了分子间氢键作用,能使膜的结构致密性增加,薄膜凝聚作用增强,力学性能有所改善,且研究表明多酚类物质会改变膜基质中的链相互作用,改变膜的柔韧性[19]。依据KHAH等[20]的研究,GSE对果胶-明胶共混乳化膜的结构性质具有负面影响,导致极限拉伸强度降低。说明高浓度的GSE添加量会降低膜的拉伸强度。而GM-1 ∶2组的薄膜在延展性和柔韧性方面表现优异,具备较强的内部凝聚力。
图2 ME和GSE复合膜的照片
Fig.2 Photographs of a composite film containing ME and GSE
WVTR是食品包装材料的关键性能指标,直接影响食品的保质期、品质和安全性。由表3可知,空白膜的WVTR为0.35,与空白膜相比,复合膜的WVTR降低,这可能是因为精油在膜基质内形成相互连接的脂质网络可能会重构基质,并影响网状扭曲和孔隙收缩等几何特征,从而限制分子通过基质的释放[21]。复合精油展现出良好的阻隔效果,显著高于单一精油保鲜膜,能够减少湿气对包装内产品的损害,提高包装的防护性能,并抑制微生物生长,延长食品的保鲜期。
可见光作为引发氧自由基的因素之一,会加速食品的氧化变质,影响食品的品质[22]。根据表3,相较于空白对照组(LT为71.07%),单一精油的应用显著影响了LT,其中GSE组LT降至58.60%,ME组LT降至41.30%。当GSE与ME以1∶1的体积比复合时,LT显著降至20.00% (P <0.05),表明复合精油能有效降低保鲜膜的LT,而GSE与ME以2 ∶1的体积比复合时,LT仅为10.83%,光阻隔性能最好。葡萄籽精油良好的抗光性能是由于其芳香环中存在丰富的色度基团(如C—C和C—O),可吸收紫外-可见光[23],从而防止光氧化导致食品变质[24]。
如表3所示,添加GSE、ME后膜的水溶性均下降。由于CMCS分子链中含有多种亲水基团,如—OH和—NH2,故空白膜的水溶性最高。GSE和ME的引入导致膜的水溶性降低,与添加的天然物质有部分不易溶于水有关[25]。这是因为GSE、ME中的酚羟基与壳聚糖的羟基或氨基通过氢键产生相互作用,限制了CMCS与水分子形成分子间氢键[26]。此外,ME中的萜类、烯类化合物等亦不溶于水。因此,随着精油添加量的增加,膜水溶性显著降低,且与空白膜相比,GM-1 ∶2膜的水溶性降低最为显著[56.41%(P <0.05)]。表明复合膜具有良好的耐水性能,可确保膜的完整性,提高使用寿命以及适应复杂环境等。
不同复配精油比例对金黄色葡萄球菌的抑制效果见图3。结果显示,抑菌圈直径大小排序依次为:GM-1∶2组(1.47 cm) >GM-1∶1组(1.43 cm) >GM-2∶1组(1.06 cm) >GM-0 ∶1组(0.37 cm) >GM-1 ∶0组(0.17 cm) >空白组(0.12 cm)。即GM-1∶1、GM-1∶2组和GM-2∶1组有较强的抗菌能力,而GM-0 ∶1组则有中等的抗菌能力,空白组和GM-1∶0组无明显抗菌作用。可以看出,复合精油中ME的比例越高,抑菌效果越好,这可能是ME中含有的桉叶油醇可以有效地杀死细菌[27]。复合精油的抑菌效果比使用单一精油的抑菌效果更好,这与DENG等[28]使用肉桂百里香复合精油对鳢鱼保鲜的结果一致。
图3 不同复合膜的抑菌活性及抑菌圈直径
Fig.3 The antibacterial activity and the diameter of the inhibitory zone of different composite films
注:图中误差线上不同字母表示不同组别间差异显著(P <0.05)。
a-不同复合膜抑菌活性;b-不同复合膜抑菌圈直径
脂质氧化是影响加工肉类质量的主要因素之一,脂肪酸的组成是加工过程中可能发生变化的最重要成分之一,影响食物的感官感知和肉类的营养价值[17],故TBARS值能够衡量食品中脂肪的氧化程度。
脂肪氧化程度越高,其TBARS值越高[17],一般当TBARS值大于0.5 MDA mg/kg时,表示肉类不可接受。由图4-a可知,空白对照组的TBARS值在第5天达到0.51 MDA mg/kg(P <0.05),显著高于各添加GSE与ME混合物的实验组,表明精油复合能够不同程度地抑制牛肉脂肪的氧化。尤其以GM-1∶2膜处理后,TBARS值降至最低(达0.15 MDA mg/kg),抗氧化效果最好,其余各实验组TBARS值略高于最低值0.15 MDA mg/kg。原因可能是不饱和脂肪酸在氧的作用下发生了脂质氧化,其生成的醛和酮使得TBARS值升高[17],GSE中的多酚类化合物和ME中的单萜烃能够有效抵抗牛肉脂质氧化,并且GSE中的原花青素和ME中的黄酮类成分均具有自由基清除能力。GSE、ME复配加入能使复合膜具有优异的抗氧化性能,能抑制牛肉脂肪的氧化,抑制牛肉变质腐败,保证牛肉的优良品质,延长其货架期。
图4 不同复合膜对牛肉TBARS和TVB-N的影响
Fig.4 The influence of different composite films on beef TBARS and TVB-N
注:图中a-d表示不同比例的测定值差异显著(P <0.05)(下同)。
a-TBARS;b-TVB-N
TVB-N通常是蛋白质和胺类氧化分解的关键指标,被用作动物性食品新鲜度和保质期的评判标志。牛肉中TVB-N的变化如图4-b所示,贮藏15 d期间,各组TVB-N数值显著增加(P <0.05)。这是由于贮藏过程中,蛋白酶活性增加和微生物生长导致牛肉中蛋白质分解使TVB-N含量增加,但各实验组数值显著低于对照组(P <0.05)。在本研究中对照组TVB-N从10.40 mg/100 g增加到22.48 mg/100 g,根据GB 2707—2016《食品安全国家标准 鲜(冻)畜、禽产品》,牛肉TVB-N小于15 mg/100 g为新鲜。第1天各组牛肉均为新鲜状态,5 d时对照组和GM-0 ∶1组TVB-N值超过14 mg/100 g,接近腐败状态,第10天只有GM-1 ∶2组和GM2 ∶1组为新鲜状态,15 d各 组TVB-N均超过15 mg/100 g。总体而言,实验组的牛肉在贮藏期间状态均优于对照组,这可能是因为精油中酚类化合物的苯氧自由基可以与蛋白质结合,从而减缓自由基介导的蛋白质羰基形成[17]。
如图5-a所示,贮藏期间牛肉pH上升,可能与微生物繁殖、固定阶段产生的碱性副产物及蛋白质脱氨作用有关[17]。相比对照组,实验组pH升高较缓,且复合精油组缓于单一精油组,这可能源于GSE和ME的抗菌抗氧化能力。贮藏15 d后,GM-1∶2和GM-2∶1组的pH值最低(6.2),显著优于其他组,表明这2种复合膜能最有效地延缓蛋白质氧化、抑制微生物生长,进而延缓pH上升,延长食品货架期。
图5 牛肉贮存过程中pH和微生物生长变化
Fig.5 Changes in pH and microbial growth during beef storage
a-牛肉贮存过程中pH变化;b-牛肉贮存过程中微生物生长变化
TVC反映了食品受微生物污染程度,是评估食品新鲜度和卫生状况的重要指标。牛肉TVC值如图5-b所示,各组TVC值随贮藏时间不断增加,但实验组的增加低于对照组,最大可接受TVC值为6 lg CFU/g,所有样品在5 d内均可接受,而在第10天,只有GM-1∶1、GM-1∶2和GM-2 ∶1组样品可接受,到第15天,只有GM-2∶1组样品TVC值低于6 lg CFU/g。总的来说,复合精油的抑菌效果优于单一精油,与抑菌圈结论一致。可能是精油中的酚类和萜类化合物可以减少宿主-配体黏附,调节细菌细胞能量代谢和细菌毒素中和,抑制细胞能量的产生,阻碍葡萄糖的使用和摄入,损害细胞膜的通透性从而抑制微生物生长[17]。
对不同比例GSE与ME复合包装保鲜膜作用下新鲜牛肉进行感官分析,包括对颜色、气味和总体接受度等基本属性的评价[29]。
由图6和图7可知,分别在复合精油保鲜膜作用后第0、5、10、15天进行感官评定,发现随着时间延长新鲜牛肉氧化、汁液流失、颜色暗沉,空白组和实验组的感官评分均呈下降趋势,但实验组的评分下降较慢,这是由于复合精油的抗氧化物质抑制了牛肉贮藏过程中的脂质氧化。GSE与ME不同比例复合膜保鲜,不同阶段的实验组的总体感官评分均高于空白对照组,空白组的牛肉在第5天就不可接受,GM-0∶1和GM-1∶0在第10天不可接受,GM-1∶1、GM-1∶2和GM-2∶1均在第15天不可接受,且当ME与GSE以1∶2比例复合应用时感官评分随时间下降幅度最小、感官评分最高。综上所述,使用GM-1∶2复合膜能够显著延长牛肉的感官品质。
图6 以贮藏时间为横坐标,分数为纵坐标绘制的感官评价雷达图
Fig.6 A radar chart for sensory evaluation was constructed with storage duration (in days) represented on the x-axis and sensory scores on the y-axis
图7 不同复合膜包裹的牛肉在贮藏期间的照片
Fig.7 Photographs of beef samples packaged in various composite films during storage
本研究以CMCS和纳米TiO2 为基材,添加不同比例的天然植物精油——GSE和ME,制备保鲜复合膜,并将其应用于牛肉保鲜。研究结果显示,GSE和ME的加入使复合膜的拉伸强度,延展性和柔韧性提升,且具有卓越的阻隔性能,有利于食品包装和延长食品货架期。与空白组和单一精油组相比,GM-1 ∶2复合膜处理后的牛肉在保鲜效果上表现出显著优势,能够有效抑制牛肉脂质氧化和微生物增殖,感官评分保持较高水准。该复合膜能够有效延缓牛肉贮藏过程中的品质劣变,有望替代传统的化学抗氧化剂与防腐剂,为肉类绿色保鲜和葡萄副产物高值化利用提供了新解决方案,有良好的应用前景和推广价值。
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Research on extending shelf life of beef by carboxymethyl chitosan composite essential oil film