食品包装材料是影响食品贮藏期的重要因素,目前生活中常见的多为塑料包装[1],这种包装材料虽然能够减缓食品腐败速度,延长食品贮藏期,但长期使用会对食品本身品质产生影响,还会对环境造成污染[2],因此寻找出一种更加安全绿色的保鲜材料显得尤为迫切。近年来,具有可降解、绿色环保等优点的可食用复合膜材料成为研究热点[3-4]。
荸荠是一种具有较高营养和保健价值的水生植物,同时还具有消食、醒酒等功能[5]。目前,人们常用窖藏、缸藏和NaClO溶液保藏等方法对荸荠进行保鲜[6],这一类传统方法,具有其特有的优点,但都不易解决贮藏过程中荸荠腐败变质和失水严重的问题,因此人们正在寻找一种更佳的荸荠保鲜方法。
瓜尔豆胶是以半乳甘露聚糖为主要成分的天然多糖化合物,有很好的成膜性和稳定性,能够与其他多糖胶复配,形成复配溶液[7-8]。而结冷胶是一种成膜性能好,凝胶能力强的多糖[9-11]。将以上2种胶液按特定比例混合复配,并在混合体系中加入适量甘油,经干燥后能得到复合膜。这种复合膜,不仅是一种天然的可食用膜,不会对人体造成危害,还能够发挥2种复配胶的协同作用,扩大其应用领域,带来更大的收益[12]。
乳酸链球菌素(Nisin)是一种具有较强抑菌性的天然多肽物质,能被人体内的相关酶分解,具有很高的安全性[13]。向复合膜中添加Nisin,制备出抗菌性复合膜,能更好地满足消费者对食品品质的要求。
本论文以结冷胶、瓜尔豆胶和Nisin为主要原料制备复合膜,测定了不同Nisin浓度下复合膜的抑菌效果,并且对荸荠进行涂膜保鲜,通过测定相关指标变化,以探究其保鲜效果。
瓜尔豆胶(食品级),江西富之源生物科技有限公司;结冷胶(食品级),河南安锐生物科技有限公司;乳酸链球菌素(食品级),洛阳奇泓生物科技有限公司;新鲜荸荠,合肥市蜀山区锦绣菜市场;其他试剂均为国产分析纯。
TA-XT plus型物性测试仪,英国Stable Micro System公司。
1.3.1 复合膜的制备
称取0.24 g瓜尔豆胶置于磁力搅拌器上搅拌,再将0.96 g结冷胶置于蒸馏水中,放入80 ℃左右的水浴锅中加热搅拌,待两者充分溶解后混合定容至60 mL,共配制6组复合膜液,再加入Nisin(Nisin的最终质量浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L)于复合膜液中,同时加入一定量甘油,混合均匀倒入模具,置于60 ℃干燥箱中干燥24 h,取出备用。
1.3.2 复合膜抑菌性的测定
采用抑菌圈法[14]。
1.3.3 复合膜对荸荠保鲜试验
用蒸馏水清洗荸荠,晾干后,随机分成3组进行不同处理。其中,对照组不处理;膜组采用结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理;Nisin-膜组采用0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理。将不同处理的荸荠编号,装入袋中,置于4 ℃条件下保藏,并间隔5 d取样,检测相关性能。
1.3.4 荸荠相关指标测定[15-16]
失重率测定:在3组中任取6个荸荠单独放置,每隔5 d测定1次荸荠质量变化,以失重率表示,按公式(1)计算:
失重率
(1)
好果率测定:每隔5 d将各组荸荠从袋中取出,观察并记录荸荠果实的腐烂、霉变情况,将未发生腐烂和霉变的荸荠记为好果,计算好果率,按公式(2)计算:
好果率
(2)
质构测定:用质构分析仪对果肉进行质构分析。每组随机选取6个荸荠,切成大小均匀的块状,利用标准压缩平板探头(SMS P/50)进行40%压缩试验测定。探头测定速率是1 mm/s,自动触发力为5 g。硬度取最高的峰值,脆度为探头移动到第1个峰值。
果肉电导率测定:每组随机选取6个荸荠,采用电导仪测定。
可溶性固形物含量:采用阿贝折光仪测定。
过氧化物酶(POD)活性:愈创木酚法测定。
采用Excel 2016软件处理平均值和标准误差,SPSS 23.0软件进行统计学显著性分析,origin 8.5软件进行折线图的绘制。
根据表1可看出,Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母均有抑制作用,并且随着Nisin添加量的增加,产生的抑菌圈也随之增大,抑菌性增强。
表1 Nisin浓度对复合膜的抑菌性
Table 1 Effect of Nisin on the antimicrobial activities of the composite film
菌种Nisin质量浓度/(g·L-1)抑菌圈直径/mm枯草芽孢杆菌0.0 0.00±0.000a0.14.97±0.395b0.25.23±0.374b0.36.00±0.513c0.46.23±0.389c0.57.07±0.492d大肠杆菌0.00.00±0.000a0.13.60±0.173b0.23.94±0.131c0.34.30±0.085d0.44.26±0.076d0.54.53±0.169e面包酵母0.00.00±0.000a0.12.87±0.111b0.23.15±0.170c0.33.69±0.065d0.43.70±0.642d0.53.78±0.873d
注:同列肩标的小写字母相同,表示其显著性相同(P>0.05);字母不同,则表示显著性也不同(P<0.05)。
对于枯草芽孢杆菌与大肠杆菌,当Nisin质量浓度达到0.5 g/L时,抑菌圈达到最大,并且与其他浓度相比,具有显著性差异(P<0.05),此时复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌的抑菌效果最强,而对于面包酵母,当Nisin质量浓度从0.3变化到0.5 g/L时,虽然抑菌圈在变大,但并不具有显著性差异(P>0.05),因此可认为,当Nisin质量浓度为0.3 g/L时,复合膜对面包酵母的抑菌性已达到最强。
以上现象与Nisin的抑菌机理密切相关。目前,虽然人们尚未完全清楚精准的Nisin抑菌机理,但学者们普遍认为,Nisin能够影响细菌细胞膜的形成,它能够造成细胞内许多物质流出,使细胞内外渗透压被改变,造成细胞破裂死亡,从而起到抑菌作用[17-19]。并且当Nisin的质量浓度较高时,更容易造成细胞裂解,因此增加Nisin的添加量,抑菌效果更明显。
同时,由表1可知,Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母的抑制作用存在差异。例如,在0.5 g/L Nisin的质量浓度下,枯草芽孢杆菌的抑菌圈大小约为7.07 mm,而大肠杆菌和面包酵母的抑菌圈大小分别约为4.53和3.78 mm,复合膜对枯草芽孢杆菌的抑制作用要明显强于另外2种菌,而枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌,这符合Nisin对革兰氏阳性菌较敏感的特性。
2.2.1 好果率
图1显示,随着贮藏时间的增加,3种不同处理组的荸荠好果率均有所下降,但在贮藏期内,经结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理后的荸荠好果率都要高于对照组,同时0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组也高于结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组,这表明结冷胶-瓜尔豆胶膜液可以在一定程度上延缓荸荠的腐败,对荸荠具有保鲜作用,而当在复合膜液中加入Nisin后,这种保鲜作用得到加强。这可能是因为当结冷胶-瓜尔豆胶复合膜液涂抹在荸荠表面,晾干后形成一层薄膜结构,这种结构对荸荠起到一定的保护作用,降低了荸荠与外界微生物接触的可能性,从而达到保鲜作用,而Nisin作为一种天然抑菌剂,它能够提高结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的抑菌能力,加强膜的保鲜效果,延缓荸荠的腐败速度[20-21]。
图1 荸荠好果率的变化
Fig.1 The change of good fruit rate of water chestnuts
2.2.2 失重率
随着贮藏时间的延长,荸荠内部的水分会逐渐蒸发,导致荸荠的质量下降。由图2可知,各方法处理后的荸荠失重率都在增加,但趋势不同,对照组的失重率增加趋势最明显,而结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组的趋势要优于对照组。这表明结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜能够延缓荸荠失水,这可能是结冷胶与瓜尔豆胶形成的复合膜分子结构较为致密[22],能够有效阻止水分散失。但2个涂膜组间的差距并不明显,这表明Nisin的加入,未能改善荸荠的失重率变化。
图2 荸荠失重率的变化
Fig.2 The change of weight loss of water chestnuts
2.2.3 质构分析
从图3可以看出,荸荠的硬度与脆度变化呈现不同的规律,随着贮藏时间的延长,荸荠硬度先下降后上升,而脆度则一直下降。如:从第0~15天,荸荠的硬度和脆度都有所下降,但15 d后,硬度突然上升,且在第25天,达到最大,而脆度则继续下降,且下降速率要高于之前,这可能是由于从第15天后,荸荠果肉失水蒸发严重,使得荸荠果肉细胞受损加重,失去活性,进而加速了荸荠组织结构的破坏,果实表皮皱缩,导致荸荠硬度突然增大,脆度下降严重。
图3 荸荠硬度和脆度的变化
Fig.3 The change of hardness and brittleness of water chestnuts
2.2.4 果肉电导率
由图4可知,在贮藏期内,各处理组果肉的相对电导率都在上升,而相对于对照组,涂膜组的相对电导率要低。这说明在贮藏过程中,荸荠果肉细胞受到破坏,细胞膜受损变得严重,相对电导率开始逐渐上升,而涂膜处理能够抑制果肉电导率的上升,表明复合膜对荸荠果肉细胞能够起到保护作用,延缓细胞膜受损。并且0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的电导率要低于结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组,表明前者的作用效果要更好。
图4 荸荠果肉相对电导率的变化
Fig.4 The change of relative conductivity of water chestnuts
2.2.5 可溶性固形物含量
从图5可以看出,随着贮藏时间的延长,各组荸荠的可溶性固形物含量均逐渐下降。4 ℃存放的荸荠,在贮藏期内,可溶性固形物含量下降速率基本一致,变化范围也较小;而室温下贮藏的荸荠,在5 d后,可溶性固形物下降速率开始增大,并且结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的下降趋势要稍缓和于对照组。涂膜组的可溶性固形物含量都要高于对照组。以上结果表明,荸荠在贮藏过程中可能由于呼吸作用,使得糖类被消耗,导致可溶性固形物含量下降,而对荸荠涂膜后,复合膜可能减缓了荸荠的代谢速度,使得糖类物质的消耗减慢,故可溶性固形物含量也相对较高[23]。
图5 荸荠可溶性固形物含量的变化
Fig.5 The change of soluble solids content of water chestnuts
2.2.6 过氧化物酶(peroxidase, POD)活性
POD活性可用来反映果蔬的品质变化,在贮藏期内,果蔬的POD活性会随着其品质的降低而下降[16]。根据图6所示,在贮藏条件下,各组荸荠POD活性均呈下降趋势,且降速率基本一致,没有明显差异,但涂膜组的POD活性要略高于对照组;从第15天开始,0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的荸荠POD活性下降速率明显要缓和于另外2组,POD活性也明显高于另外2组。以上结果表明,2种涂膜方法都可以抑制荸荠POD活性的下降,而0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的作用效果更好。
图6 荸荠POD活性的变化
Fig.6 The change of POD of water chestnuts
(1)Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母均有抑制效果,并且复合膜对枯草芽孢杆菌产生的抑菌圈要明显大于另外2种菌。
(2)涂膜组处理均能延缓荸荠品质的下降,其中Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的作用效果要更加显著,在4 ℃条件下,贮藏25 d后,荸荠的好果率和POD活性要明显高于对照组和结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组,也能很好地抑制果肉相对电导率的上升,这表明Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜可适应于荸荠的保鲜。
[1] 左贯杰,陈复生,张丽芬,等. 复合型可食用膜的研究进展[J].食品工业,2016,37(11):190-194.
[2] BIJI KB, RAVISHANKAR CN, MOHAN CO, et al. Smart packaging systems for food applications: A review[J]. Journal of Food Science and Technology, 2015, 52(10):6 125-6 135.
[3] HASSAN B, ALI S, CHATHA S, et al. Recent advances on polysaccharides, lipids and protein based edible films and coatings: A review[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 109(4): 1 095-1 107.
[4] 卢星池, 肖茜,邓放明. 多糖类可食用膜研究进展[J]. 食品与机械, 2014, 30(4): 261-265.
[5] 魏连会, 刘宇峰,姬妍茹,等.荸荠功能活性成分研究进展[J].农产品加工, 2016(7): 52-54.
[6] 陈学玲, 何建军,周明,等. 荸荠的贮藏保鲜研究[J]. 湖北农业科学, 2007, 46(6): 610-611.
[7] JIA B, FAN D, LI J, et al. Effect of guar gum with sorbitol coating on the properties and oil absorption of French fries[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2017, 18(12):2 700.
[8] NANDIS, GUHA P. Modelling the effect of guar gum on physical, optical, barrier and mechanical properties of potato starch based composite film [J] Carbohydrate Polymers. 2018,200(8) 498-507.
[9] MORRIS ER, NISHINARI K, RINAUDO M. Gelation of gellan: A review[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 28(2): 373-411.
[10] MAHMOOD K, FARIS M. Recent trends on Gellan Gum blends with natural and synthetic polymers: A review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2018, 109(4):1 068-1 087.
[11] PRAJAPATI VD, JANI GK, ZALA BS, et al. An insight into the emerging exopolysaccharide gellan gum as a novel polymer [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 93(2): 670-678.
[12] 孙达锋,张卫明,张锋伦,等. 瓜尔胶与结冷胶复配协效作用规律及粘度流变性研究[J].中国野生植物资源, 2017, 36(3): 10-13.
[13] SHIN JM, GWAK JW, KAMARAJAN P, et al. Biomedical Applications of Nisin[J]. Journal of Applied Microbiology, 2015, 120(6):1 449-1 465.
[14] ZHANG L, LI R, DONG F, et al. Physical, mechanical and antimicrobial properties of starch films incorporated with ε-poly-l-lysine[J]. Food Chemistry, 2015, 166(1):107-114.
[15] 曾维丽, 孙于庆,石晓. 大豆多糖复合膜保鲜草莓的研究[J]. 保鲜与加工, 2018, 18(6): 51-56.
[16] 尹璐, 彭勇,梅俊,等.不同涂膜保鲜处理对荸荠品质变化的影响[J].食品科学, 2013,34(20):297-301.
[17] SANTOS JC, SOUSA RC, OTONICG, et al. Nisin and other antimicrobial peptides: Production, mechanisms of action, and application in active food packaging [J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018,48(4):179-194.
[18] CHANDRASEKAR V, COUPLAND J N, ANANTHESWARAN R C. Characterization of nisin containing chitosan-alginate microparticles[J]. Food Hydrocolloids, 2017, 69(8):301-307.
[19] HUI G, LIU W, FENG H, et al. Effects of chitosan combined with nisin treatment on storage quality of large yellow croaker (Pseudosciaena crocea)[J]. Food Chemistry, 2016, 203(7):276-282.
[20] 王正云, 李志方,施帅.茶多酚结合壳聚糖对冷却肉的保鲜效果[J]. 食品与发酵工业,2012,38(1):186-189.
[21] 邹小波,杨志坤,石吉勇,等. 阿拉伯胶/白色玫瑰茄提取物复合涂膜对低温贮藏蓝莓保鲜效果的影响[J]. 食品科学,2019, 40(7): 204-211.
[22] HOICHMAN D, GROMOVA LI, SEA J. Synergistic gel formation in aqueous solutions of guar-gellan composition [J]. Pharmaceutical Chemistry Journal, 2007, 41(5): 274-277.
[23] JIAO W, SHU C, LI X, et al. Preparation of a chitosan-chlorogenic acid conjugate and its application as edible coating in postharvest preservation of peach fruit[J]. Postharvest Biology and Technology,2019,154(8):129-136.