鲜切果蔬抗菌物质与抗菌包装应用研究进展

刘勇1,严志鹏1,陈杭君2,邵平1*

1(浙江工业大学,食品科学与工程系,浙江 杭州,310014) 2(浙江省农业科学院,食品科学研究所,浙江 杭州,310021)

摘 要针对鲜切果蔬易出现腐败微生物和食源性致病菌生长繁殖的问题,文章综述了鲜切果蔬抗菌包装应用研究进展,分析了果蔬中存在的腐败微生物和致病菌,介绍了3大类用于鲜切果蔬包装中的抗菌物质(有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂),并详细总结了3种抗菌包装的形式(抗菌涂层包装、抗菌薄膜包装和抗菌小袋包装)及其释放机制。鲜切果蔬抗菌包装与其他保鲜手段联用,将产生巨大的应用价值,抗菌包装也将朝着更加绿色、安全的方向发展。

关键词鲜切果蔬;抗菌包装;腐败菌;食源性致病菌

鲜切果蔬(fresh-cut fruits and vegetables)是一种经半加工或轻度加工后包装销售的新鲜果蔬产品,它满足了消费者对于果蔬产品新鲜品质以及便利性的要求[1]。机械损伤、生理衰变和微生物腐败是导致新鲜果蔬采后品质变差的主要因素。利用合理的缓冲包装及气调包装技术虽然可以有效地延长新鲜果蔬的货架期,但难以完全消除由表面或内部的微生物生长繁殖而引起的果蔬腐败[2]。尤其是经过一定加工处理的鲜切果蔬,切口暴露或组织的破坏都会增加微生物繁殖的可能性。因此,如何有效地控制鲜切果蔬中微生物引起的腐败成为日益关注的问题。

抗菌包装通过添加抗菌物质,使食品与抗菌物质直接或间接接触,从而能够抑制微生物生长。目前已有的鲜切果蔬抗菌包装的研究主要集中在天然抗菌包装研究,内容较为单一,缺乏系统的研究。因此,该文对国内外抗菌包装在鲜切果蔬中的研究进行了整理,介绍了鲜切果蔬中的微生物、抗菌物质、抗菌包装形式及抗菌剂释放机制,以期为以后的鲜切果蔬的抗菌包装研究提供参考和借鉴。

1 伴随在新鲜果蔬中的微生物

鲜切果蔬与新鲜果蔬相比主要是进行了去皮、切分等轻度加工过程,满足了快节奏生活人群的需求,还具有良好的新鲜度与感官,因而深受消费者喜爱。我国是果蔬生产、消费、进口大国,随着国民经济的快速发展,现代物流和电商平台兴起,果蔬产业从数量型转变为质量型,果蔬高端产品已经走入千家万户。

果蔬中的微生物主要来源于生长环境以及流通、加工环节中的土壤、水源、空气,蔬菜中的微生物数量可达103~107 CFU/cm2(或g)[3]。表1列举了部分在新鲜果蔬产品中的微生物种类,它们主要包括假单胞菌、霉菌等腐败微生物和大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌等致病微生物。鲜切果蔬因本身含有丰富的糖类、蛋白质、碳水化合物等营养物质,加工过程中暴露的切口无疑会加速微生物的侵染或引入新的食源性疾病源[2]。因此,了解新鲜果蔬中存在的微生物对鲜切果蔬的抗菌包装设计具有重大意义。

1.1 新鲜果蔬中的腐败微生物

腐败微生物是能使食品发生腐败变质并失去原有营养价值的一类微生物。果蔬在经过采收、运输、加工等过程中都有可能不同程度地带上腐败微生物,不同品种甚至不同生长环境中的果蔬所携带的腐败微生物数量和种类有很大的区别,新鲜果蔬中的腐败微生物主要是酵母、霉菌、假单胞菌和欧文菌[4]。虽然鲜切果蔬经过清洗、去皮等工序降低了腐败微生物的基数,但研究表明,放置在4 ℃下随时间延长,腐败微生物的数量会逐渐增加[3]

1.2 新鲜果蔬中的致病菌

有研究表明,生活中经常食用的果蔬例如西瓜、哈密瓜等被切片包装后在容器中冷藏保存时,冷藏以及低氧包装并不能阻止肉毒梭菌和单核细胞增生李斯特菌等致病菌的生长[5],这些都会导致人体在食用后产生食源性疾病,以下列举了果蔬中常见的致病菌。

(1)大肠杆菌O157:H7

大肠杆菌和许多食源性疾病有关,新鲜的果蔬在加工运输工程中易受到污染而导致大肠杆菌超标。也有研究表明,鲜切果蔬的加工过程并不能完全杀灭大肠杆菌[5]。如VANDAMM等[6]在鲜切芹菜中发现大肠杆菌O157:H7、金黄色葡萄球菌及沙门氏菌的生长。

(2)沙门氏菌

沙门氏菌是一种常见的食源性致病菌,常常出现在生菜、甜瓜、番茄等新鲜果蔬中,STRAWN等[7]发现在12℃下,鲜切芒果在10 d内沙门氏菌数量会显著增加。同时,沙门氏菌在不同的加工接触表面都存在较高的转移率,消费者如果不慎摄入会导致食源性肠胃炎。

(3)单核细胞增生李斯特菌

单核细胞增生李斯特菌是一种革兰氏阳性菌致病菌,可在4 ℃等低温环境下存活。鲜切果蔬在低温下保存有可能引起单核细胞增生李斯特菌的大量繁殖,FRANCIS等[8]在鲜切的胡萝卜和卷心菜中分离出21株单核细胞增生李斯特菌。

(4)肉毒梭菌(Clostridium botulinum)

蔬菜中最常见的致病菌是肉毒梭菌(C. botulinum),大部分蔬菜在受到肉毒梭菌侵染后均能检出毒性产物并出现腐败症状。

此外,果蔬中常见的微生物还有金黄色葡萄球菌、嗜温菌等,它们均有可能在特定条件下导致鲜切果蔬的快速腐败或引起食源性疾病的发生。传统的普通包装虽然可通过气调或冷藏等技术来控制水果的呼吸和衰老过程,但对微生物的控制效果较差,通过在已有的包装基础上添加抗菌剂制备成的抗菌包装,可有效地抑制果蔬中腐败微生物的生长繁殖(表1)。

表1 伴随在新鲜果蔬产品中的微生物
Table 1 The main microbes accompany in fresh fruit
and vegetable products

品种主要微生物新鲜水果草莓嗜温菌和酵母和霉菌[9]苹果切片大肠杆菌,沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌[10]葡萄大肠杆菌,金黄色葡萄球菌,白色念珠菌和黑曲霉[11]圣女果大肠杆菌O157:H7[12]梨切片嗜温细菌和酵母[13]西瓜片大肠杆菌和金黄色葡萄球菌[14]芒果金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌[15]新鲜蔬菜鲜切莴苣霉菌和酵母菌(MY)以及总嗜中性好氧细菌[16]洋葱片青霉菌,大肠杆菌或单核细胞增生李斯特菌[17]青豆大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌[18]香菇嗜温,嗜酸性,假单胞菌,酵母菌和霉菌[19]双孢蘑菇酵母和霉菌[20]西兰花大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌[21]西红柿嗜水气单胞菌[22]

2 鲜切果蔬抗菌包装中的抗菌物质

通常果蔬采后的病害防治多用药剂进行浸果或熏蒸,如仲丁胺系列和二氧化硫系列。与新鲜果蔬相比,鲜切果蔬因切口暴露的特殊性,抗菌物质的添加除保证高安全性外,还需考虑对果蔬切口组织的影响如褐变、氧化等,但总体而言,多数用于新鲜果蔬保鲜的抗菌剂均能用于鲜切果蔬,只是后者要求更为严格。用于鲜切果蔬抗菌包装的抗菌剂,主要分为有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂3种。

2.1 有机抗菌剂

有机抗菌剂主要包括有机酸类、小分子酚类、醇类和带季胺盐官能团的大分子类等。此类抗菌剂的主要作用机理是影响细胞的细胞壁、细胞膜、酶、蛋白质合成系统及遗传物质[23]。范林林等[24]研究了不同柠檬酸溶液对鲜切苹果的处理,采用浓度为1.5%的柠檬酸处理不仅可较好地维持鲜切苹果硬度及品质,而且对鲜切苹果有较好的护色效果,此外,也可有效地抑制微生物繁殖。但随着经济发展,人们对天然产物的兴趣越来越高,在高端产品中有机抗菌剂大有被其他抗菌剂替代的趋势。

2.2 无机抗菌剂

无机抗菌剂主要有金属离子和抗菌性纳米颗粒如纳米Ag、Zn和纳米TiO2等。金属离子或金属溶出的离子在微动力效应下能够穿透细胞膜,与微生物体内蛋白质中的巯基结合,破坏蛋白质的结构,从而使微生物产生生理功能障碍而死亡[25]。陈中杭等[26]制备了ZnO/纤维素膜并用于鲜切西兰花的保鲜,控制了细菌的繁殖,减缓了叶绿素的降低,提高了西兰花的品质。BODAGHI等[13]通过熔融共混法将纳米TiO2掺入低密度聚乙烯中制得鲜切梨的抗菌包装,与普通低密度聚乙烯膜中的样品相比,梨片上的嗜温细菌和酵母细胞的数量显著降低。虽然无机抗菌剂稳定性好,长效并且不易造成细菌耐药性,但使用过程中需要直接接触食品才能发挥出作用,在应用中仍需要考虑金属离子在果蔬中的迁移带来的安全性问题。AVELLA等[27]对纳米粒子的迁移特性进行研究,发现纳米颗粒会从包装薄膜迁移到蔬菜里,具有一定的安全风险性。

2.3 天然抗菌剂

天然抗菌剂主要来自天然物质,具有较高的安全性,主要包括天然提取物、酶类和细菌素类。

2.3.1 天然提取物

天然提取物主要来自于自然界中的动植物,具有较高的安全性,因此,消费者对天然成分有着特殊的偏好。天然提取物主要包括各种草本和动物的提取物,如茶多酚、迷迭香提取物、甜罗勒提取物、精油和壳聚糖等。钱昆等[28]对香辛料的醇进行提取并复配,应用于鲜切莴笋保鲜中,发现在贮藏过程中可以有效控制微生物繁殖,将微生物数量控制在较低水平,使鲜切莴笋保持较好的品质。精油类物质具有用量小、抗菌性强等特性,被广泛应用在鲜切生菜[29]、鲜切黄瓜[30]、鲜切土豆[31]等果蔬中,并取得了一定的效果。

虽然天然提取物种类丰富且安全性高,但精油类存在热敏感性、易氧化或气味浓郁等问题都可能影响食品的风味和抗菌性,此类问题会进一步限制其应用和推广。AZARAKHSH等[32]研究发现,将鲜切菠萝浸入到含有柠檬草精油的海藻酸钠溶液中存储16 d后,与末经涂层处理的对照相比会显著性抑制酵母和霉菌生长,但在配方中掺入0.5%的精油会显著影响菠萝的坚硬度和总体接受度。SALVIA-TRUJILLO等[33]制备了柠檬草精油乳液,并以浸泡的方式处理切片苹果,发现经精油处理后可有效抑制微生物生长,精油在低浓度下对苹果品质有积极作用,但在高浓度下会明显增加苹果的褐变。

2.3.2 酶和细菌素

用于鲜切果蔬抗菌包装的酶制剂主要有溶菌酶、过氧化物酶和葡萄糖氧化酶等,酶类的主要抑菌机理是破坏微生物细胞壁进而破坏细胞的完整性。细菌素也属于天然防腐剂,食品中常用的细菌素有乳酸链球菌素和纳他霉素。乳酸链球菌素(nisin)对革兰氏阳性菌有较好的抑制效果,而纳他霉素对大部分的霉菌、酵母和真菌都有很好的抑制能力。GONZLEZ等[34]将质量分数为0.33%纳他霉素添加到大豆蛋白中,制备成具有抗菌活性的大豆蛋白/聚乳酸复合膜并用于鲜切西红柿保鲜,结果表明,鲜切西红柿在10℃放置21 d后,对照组可明显观察到霉菌的生长,而纳他霉素处理组除出现脱水外,外观未观察到霉菌的生长。王娟等[35]利用nisin,纳他霉素,薄荷油,CaCl2,香兰素,壳聚糖制成复合保鲜涂膜液,结合紫外处理可有效地抑制鲜切木瓜中霉菌、酵母和细菌的增长,并且至少能使鲜切木瓜的货架期延长到6 d。酶类抗菌剂因酶的专一性并且对环境较为敏感较易失活,所以在应用上具有一定的局限性,常和其他抗菌剂一起复配作为抗菌剂使用。

3 鲜切果蔬抗菌包装类型

新鲜果蔬的保鲜包装通常是将保鲜剂涂布于包装材料中,有些单独隔开放入包装袋,还有些被制成涂被膜剂直接包覆于果蔬表面。鲜切果蔬抗菌包装与此类似,可以分为抗菌涂层包装、抗菌薄膜包装、抗菌垫/小袋包装。

3.1 抗菌涂层包装

抗菌涂层包装是将抗菌剂加入到涂膜液中,通过浸泡或涂膜方式在鲜切果蔬表面形成一层涂层。可食涂膜的基材通常有蛋白质类、多糖类、脂质类和以上2种或2种以上复合类,常见的如酪蛋白、普鲁兰多糖、壳聚糖类、蔗糖酯(蜡)等[36],因涉及到食用的安全性,所以抗菌剂通常选用天然物质。CAMPANIELLO等[37]在鲜切草莓上涂有含1%壳聚糖的涂层,可增强鲜切草莓在气调储存时对微生物的抵抗能力。王建清等[38]采用0.08%的百里香精油结合1%壳聚糖对鲜切冬瓜涂膜处理,发现百里香精油具有明显的抑菌作用,结合壳聚糖能够有效地抑制鲜切冬瓜的腐烂,保持鲜切冬瓜的品质,延长其货架寿命。

3.2 抗菌薄膜包装

薄膜抗菌包装是通过熔融、流延、化学键结合及静电纺丝等工艺将抗菌剂加入到基材中,制备成薄膜的形式。邓文瑾等[39]将含有百里香精油的壳聚糖溶液通过流延方法制备成壳聚糖/PVA抗菌薄膜用于鲜切生菜的保鲜。与普通的PE膜相比,抗菌膜的存在减缓了生菜的水分流失,降低生菜的失重率,同时,在10 ℃下存放8 d后PE保鲜膜组的菌落总数整体增长了14.58对数值,而抗菌薄膜组仅增加了1.633对数值,并维持生菜良好的感官品质。YAO等[40]以精油为芯层,以玉米醇溶蛋白为鞘层,制备出包封精油的抗菌纤维膜,并应用于鲜切金橘,处理7 d后空白处理的相对灰度从原始100%下降到78.5 %,而经抗菌纤维膜和不含精油的纤维膜包装灰值分别为92.6%、90.8%,具有明显保鲜效果。除此之外,抗菌剂可通过共价键、离子键等方式固定在薄膜中形成抗菌薄膜包装。APPENDINI等[41]将抗菌肽通过共价键结合到聚苯乙烯上,研究结果表明,对金黄色葡萄球菌、荧光假单胞菌和单核细胞增生李斯特菌等具有较好的抑制效果。

3.3 抗菌垫/袋包装

抗菌垫和抗菌袋是比较常见的抗菌包装,在抗菌剂的选择上要求具备可以控制抗菌剂扩散的性能,此类抗菌包装的形式常用吸附或包埋抗菌剂,使其在鲜切果蔬的货架期过程中起到持续抗菌的作用,可直接接触和间接接触抗菌。将异硫氰酸烯丙基酯包埋于环糊精后涂于滤纸盘制成抗菌垫,能够有效减少切片洋葱上的单核细胞增生李斯特菌的数量[17]。CHANG等[16]通过将牛至精油微胶囊化处理后,制成释放精油蒸气的抗菌香囊,并用于鲜切莴苣的保鲜,在20 ℃储存5 d后,牛至精油对霉菌、酵母分别减少了2.1对数值和1.5对数值,且莴苣的质地和颜色不受精油影响。

4 鲜切果蔬抗菌包装抗菌剂释放机制

图1为常见的3类鲜切果蔬抗菌包装形式,其中分别为抗菌涂层系统、抗菌薄膜系统和抗菌袋/垫系统。抗菌涂层系统中涂层的存在可防止水分快速流失,同时涂层中的抗菌剂可以控制外部微生物对鲜切果蔬的入侵[42]

A-抗菌涂层系统;B-抗菌薄膜系统;C-抗菌袋/垫系统
图1 三类鲜切果蔬抗菌包装形式
Fig.1 Three types of fresh-cut fruits and vegetables antibacterial packaging

在抗菌薄膜系统中,食品所处的是一个密闭的环境,固定化或包裹在膜的抗菌剂可以通过直接或间接接触,并通过浓度差扩散到内部系统中起到抑菌和杀菌的作用。而在抗菌垫/袋系统中,在小袋或垫子中的抗菌剂缓慢地扩散在包装内部。在此基础上抗菌剂也可以经过载体如环糊精、乳液和微胶囊等方式包埋处理,以期达到控制释放的效果,此类研究在以后也将成为热点[43]

5 鲜切果蔬抗菌包装技术的发展趋势

随着科技的发展和消费理念的升级,抗菌包装在食品中具有很大的前景,绿色安全环保的抗菌包装将成为一种趋势。但抗菌包装在应用中仍面临着一些挑战,如抗菌剂的有效性和稳定性,单一抗菌剂的局限性和精油类等独特气味、易氧化及高浓度下对果蔬产生的消极影响等问题,以及抗菌剂的相容性和安全性,包装材料和抗菌剂的相容性及Ag、ZnO等无机抗菌粒子在食品体系迁移等问题[44]。在将来技术发展趋势主要集中在以下3个方面:

(1)在抗菌材料的选择上将趋向多种抗菌剂的复配,在应用中趋向于选用天然抗菌剂如精油、壳聚糖等复配以产生协同作用。

(2)在包装材料方面因其可食膜的绿色环保、便捷、安全无毒及生物可降解等特性将成为未来的主流趋势。

(3)抗菌包装的制备与其他技术联用。将栅栏技术、微胶囊技术、静电纺丝、纳米技术等与其他保鲜技术,如气调、冷藏、辐照、高静水压等结合使用,与单一技术相比,可有效地提升鲜切果蔬的保鲜效果和质量。

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Antibacterial substances and packaging for fresh-cut fruits and vegetables

LIU Yong 1,YAN Zhipeng 1, CHEN Hangjun2,SHAO Ping 1*

1(Department of Food Science and Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China) 2(Institute of Food Science, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China)

Abstract In view of the problem that fresh-cut fruits and vegetables are prone to proliferate spoilage microbes and food borne pathogens, this paper reviewed the application of antibacterial packaging in fresh-cut fruits and vegetables. Firstly, the spoilage microbes and food borne pathogens in fruits and vegetables were discussed, followed by discussing three types of antibacterial substances, including organic, inorganic, and natural antibacterial agents. Besides, three types of antibacterial packaging were elaborated, including antibacterial coating, antibacterial film, and antibacterial bags. Additionally, the releasing mechanisms of these three packaging were reviewed. In the future, antibacterial packaging combined with other preservation methods will have a huge application value, and antibacterial packaging for fresh-cut fruits and vegetables will also become greener and safer.

Key words fresh-cut fruits and vegetables; antibacterial packaging; spoilage bacteria; food borne bacterial pathogens

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.019061

第一作者:硕士(邵平教授为通讯作者,E-mail:pingshao325@zjut.edu.cn)。

基金项目:国家自然科学基金(31571833);浙江省重点研发课题(2018C02005)

收稿日期: 2018-10-15,改回日期:2019-01-17