活性包装薄膜的功能特性表征及对食品保鲜作用的研究进展

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(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306; 2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306; 3.农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海),上海 201306; 4.食品科学与工程国家级实验教学示范中心(上海海洋大学),上海 201306)

人们对食品卫生安全的关注程度和对食品品质的要求逐年上升,对更安全、更优质、货架期更长的食品的需求也逐渐增长[1]。食品活性包装作为一种新型且极具发展潜力的包装技术,受到了国内外学者的广泛关注。活性包装薄膜是活性包装的一种,是指将抗菌剂、抗氧化剂等活性物质加入到薄膜材料中,在食品储存过程中能够改变包装食品环境条件,来延长食品货架寿命、改进感官品质、提高食品安全性,从而维持食品质量[2]。

活性包装薄膜是目前食品包装领域的研究热点之一,国内外学者在该方面做了大量的研究,其中研究较多的主要有抗菌[3]和抗氧化[4]两种功能性活性包装薄膜,将其应用于食品包装时,可以起到抑制食品中的微生物生长繁殖、脂质氧化酸败等作用,延缓食品品质变化。本文综述了活性包装薄膜的功能特性表征与对食品保鲜作用的研究进展,主要从抗菌抗氧化活性薄膜制备、薄膜抗菌与抗氧化功能表征方法、薄膜对食品的保鲜作用三方面作了归纳总结。

1 抗菌抗氧化活性薄膜制备研究

抗菌抗氧化活性薄膜是指通过不同方法向成膜基材中添加抗菌、抗氧化等活性物质,制备得到具有抗菌、抗氧化功能的活性薄膜材料。薄膜基材和活性物质种类繁多,其中薄膜基材主要包括石油基材料(聚乙烯、聚丙烯等)、可降解材料(聚乳酸、聚乙烯醇等)、可食性材料(多糖、蛋白质等),抗菌抗氧化活性物质主要有机合成化合物、天然提取化合物、无机化合物、金属离子等。此外,薄膜制备的方法主要有挤出吹塑法、挤出流延法、溶液流延法、涂布法等[5]。

Harini等[6]用溶液流延法制备了含百里酚的活性醋酸纤维素薄膜,结果表明添加百里酚后虽然其薄膜机械性能显著降低,但氧气透过率、水蒸气透过率显著增加,且抗菌、抗氧化性能显著提升,可应用于食品包装中。范飞[7]利用双螺杆挤压,将脱氢乙酸钠(sodium dehydroacetate,SDT)添加到母粒低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)中制备出改性LDPE树脂,再将尼泊金乙酯(ethylparaben,ELN)添加到改性LDPE中混匀通过吹膜机制备出薄膜,研究表明,在ELN添加量低于1.5%时,吹塑的薄膜机械性能随ELN的添加而增强,且在1.5%时薄膜热稳定性较高且氧气透过率最低,在添加量大于0.5%时薄膜对革兰氏阴性菌抑制效果显著增强。党金贵等[8]将吸水性树脂聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)与纳米分子筛均匀混合,配制成具有保湿功能的涂布溶胶,采用涂布法将其与聚乙烯(polyethylene,PE)包装复合,制备了一种新型的防霉保鲜包装薄膜。研究表明,涂布对PE薄膜机械性能影响不大,但会降低透光性能,有效提高薄膜阻湿性和阻气性,且分子筛质量1%的涂布PE薄膜对番茄有较为理想的保鲜作用。

近年来,活性薄膜制备的研究倾向于使用天然提取物和生物基质材料,并且纳米材料也是近年来研究的热点[9],主要是因为这些原料大多是生物材料而非化学合成材料,更有利于其在食品包装中应用,无毒无害且具有一定抗菌、抗氧化能力。另外,可食用活性薄膜也因为相似的原因被广泛研究。

2 薄膜抑菌性能表征

薄膜的抑菌性能是活性包装薄膜的主要功能之一,如何评价薄膜的抑菌性能是一项重要且有意义的工作。目前,国内外评价活性包装薄膜抑菌性能的方法较多,主要有抑菌圈法、抑菌率法、微生物生长曲线法、包装食品直接测定法。

2.1 抑菌圈法

抑菌圈法通常是将一定尺寸的圆形薄膜置于有特定微生物的培养基上,通过一定时间的培养,以薄膜周围透明圈的直径大小来表示薄膜的抑菌能力[10],直径越大,表明其对该微生物的抑制能力越强。

Zheng等[11]通过抑菌圈法评价了含山苍子油的壳聚糖/硬叶燕麦片淀粉薄膜的抑菌性能,结果显示随着山苍子油含量的提高,在接种有大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的平板上,薄膜的抑菌圈直径均明显比对照组大,表明该薄膜有良好抑菌性能。Kumar等[12]通过抑菌圈法比较研究了二元接枝壳聚糖薄膜和对照组壳聚糖薄膜的抑菌效果,结果显示在接种有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的平板上,前者的抑菌圈直径均比后者大6～8 mm,表明二元接枝壳聚糖薄膜比纯壳聚糖有更高的抗菌活性。王健[13]用薄膜浸泡液的牛津杯抑菌圈实验研究了含淡竹叶提取物的壳聚糖复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果,与对照组相比,0.1%淡竹叶提取物复合包装膜浸泡液的抑菌圈直径显著增大,表明该薄膜对两种微生物有显著抑制作用。

抑菌圈法是一种简单直观的抑菌性能表征方法,但其适用性受到薄膜释放能力的限制,对于非释放型或释放受限的薄膜,采用该方法有时难以观测到明显的抑菌圈。

2.2 抑菌率法

评价薄膜抑菌能力的抑菌率测定主要有两种方式。一是将制备好的菌液涂布在薄膜上,隔一定时间取薄膜上微生物样本进行培养,与初始值比较得到抑菌率[14];二是将薄膜浸于菌液,振荡培养一段时间后测定菌落数,与对照值比较得到抑菌率。

Han等[15]采用第一种方法研究了壳聚糖/聚乳酸(polylactic acid,PLA)薄膜对大肠杆菌的抑菌能力,研究表明壳聚糖的加入使PLA薄膜对大肠杆菌的平均抑菌率从84.9%增加到99.77%。Faithma等[16]采用第二种方法研究了PLA/纳米壳聚糖薄膜对单增李斯特菌和大肠埃希氏菌的抑菌能力,研究表明随着纳米壳聚糖含量的增加,薄膜对两种菌的抑菌率分别提高至67.09%、30.46%。

抑菌率法是一种常用的抑菌性能表征方法,抑菌效果的优劣可以直接从数字大小判断,但目前没有统一的抑菌率计算公式或实验方法,不同文献之间的数据难以进行横向比较。

2.3 微生物生长曲线法

微生物生长曲线法是用来表征薄膜对特定微生物抑制性能的常用方法,将薄膜浸于某特定微生物的菌液中,通过每间隔一定时间测定菌液的光密度值(optical density,OD)得到微生物的生长曲线,比较对照组和实验组对应不同生长曲线的走势来衡量薄膜的抑菌性能[17]。

张昊等[18]研究了L-精氨酸改性淀粉薄膜对大肠杆菌的抑制作用,大肠杆菌的生长曲线表明相比淀粉薄膜,L-精氨酸改性淀粉薄膜使大肠杆菌对数期滞后,且精氨酸固载率大于9%时,大肠杆菌生长受到很大抑制,已观察不到明显生长对数期,表明精氨酸改性淀粉薄膜有明显抑菌作用。Milovanovic等[19]研究了含不同浓度百里香酚的聚乳酸/聚己内酯(polylactic acid/polycaprolactone,PLA/PCL)薄膜对大肠杆菌的抑制作用,大肠杆菌的生长曲线显示含35.8%百里香酚的PLA/PCL薄膜的大肠杆菌悬液光浊度值毫无增加,表明该薄膜有优异的抗菌活性。

微生物生长曲线法是一种定性的表征方法,不仅可以比较不同薄膜抑菌性能的优劣,还可以进一步分析抑制微生物生长的具体阶段,然而由于实验的连续性,在缺乏仪器的情况下实验周期长且容易引入随机误差。另一方面,该方法适用性受到薄膜基材溶解性的影响,若薄膜易溶,则可能导致OD值变化或不稳定,对结果造成影响。

2.4 包装食品直接测定法

以上三种薄膜抗菌性能表征方法主要是基于薄膜中抗菌活性物质的释放原理来实现,但是薄膜包装对微生物的抑制能力不仅与抗菌活性物质的释放相关,还与薄膜对外界微生物的阻隔作用、薄膜材料和食品成分之间的相互作用有关[20]。因此,薄膜抗菌性能的表征也可以通过包装食品直接测定。包装食品直接测定法是将薄膜应用于食品包装进行贮藏实验,以食品中微生物指标的变化来表征薄膜的抑菌性能,与对照组相比,具有抑菌性能的薄膜包装能够延缓食品中微生物的生长,延长货架期。

总活菌数(total viable count,TVC)是评价食品品质的重要指标之一[21]。包装食品微生物测定的方法是测定食品在贮藏过程中总活菌数变化,或改变贮藏条件测定特定菌总数的变化。唐智鹏等[22]研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)薄膜对大黄鱼的保鲜作用,结果表明空白和PVA薄膜包装的大黄鱼,其TVC值在12 d就已超过国际标准的7 lg CFU/g,而含纳米TiO2的PVA薄膜包装的大黄鱼到第16 d才升至7.11 lg CFU/g,表明该薄膜具有抑菌活性且延长了大黄鱼的货架期约4 d。杨春香等[23]研究了聚乳酸活性薄膜对三文鱼的保鲜作用,研究表明对照组三文鱼TVC值增长速率显著高于添加了香芹酚和百里香酚的PLA活性薄膜包装的三文鱼,贮藏至9 d时该活性薄膜包装的三文鱼TVC值达到2.66 lg CFU/g,而对照组TVC值已超过了可接受范围,表明该薄膜具有良好抗菌活性,且延长了三文鱼保质期3～4 d。

对薄膜抗菌性能的表征因薄膜中抗菌活性成分的释放而受到限制,容易因活性成分在不同溶剂中的溶解度不同而造成体外抗菌实验的结果无法相互比较,因此需要将活性薄膜应用在食品包装中,进一步评价其抗菌性能。另外很多文献使用的抗菌检测标准不统一,甚至是定制的,这也使得不同材料和活性成分的抗菌性能难以比较和评估[3]。

3 薄膜抗氧化性能表征

薄膜的抗氧化性能是活性包装薄膜的另一主要功能。目前,国内外评价活性包装薄膜抗氧化性能的方法主要有自由基清除法、铁离子还原/抗氧化能力法和包装食品直接测定法。

3.1 自由基清除法

自由基清除能力评价被认为是测定物质抗氧化能力的标准方法之一[24],采用的自由基主要有1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)[25]、2,2′-连氮基-双-3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸(ABTS)[26]等,通常以自由基清除率来表示[27],自由基清除率越大,表明薄膜抗氧化性能越好。Talón等[28]采用DPPH自由基清除实验并计算了IC50(将初始DPPH浓度降低至50%所必需的量),研究了含百里香提取物的壳聚糖/淀粉薄膜的抗氧化性能,结果表明与对照组相比,含百里香提取物薄膜的抗氧化能力显著提升,并且其抗氧化性能随着百里香提取物含量的增加而增强。Calatayud等[29]采用ABTS自由基清除实验研究了乙烯-乙烯醇共聚物(Ethylene-vinyl alcohol copolymer,EVOH)薄膜中可可提取物的释放,结果表明抗氧化剂在模拟物中的溶解度越高,在食品中预期的释放越多,且含有可可提取物的EVOH薄膜对H2O2诱导的氧化过程具有抗氧化活性。

3.2 铁离子还原/抗氧化能力法(ferric reducing/antioxidant power,FRAP)

FRAP法测定总抗氧化能力的原理是酸性条件下抗氧化物可以还原Fe3+-TPTZ产生蓝紫色的Fe2+-TPTZ,随后在593 nm测定吸光度,即可作为样品中的总抗氧化能力指标,通常以FRAP值表示[30],FRAP值越大,表明薄膜抗氧化能力越强。Kurek等[31]应用FRAP法研究了壳聚糖薄膜的抗氧化性能,结果表明蓝莓、黑莓提取物的加入可使薄膜的抗氧化能力显著提升。Jancikova等[32]应用FRAP法研究了红藻胶/水解明胶/迷迭香提取物复合薄膜的抗氧化性能,结果表明从干叶中提取的迷迭香提取物含量越多,活性薄膜的FRAP值越高,抗氧化能力越强。

3.3 包装食品直接测定法

与2.4类似,以上两种薄膜抗氧化性能表征方法主要基于薄膜抗氧化活性物质的释放原理而实现,但活性薄膜的抗氧化能力不仅与抗氧化活性物质的释放有关,还与薄膜对氧气的阻隔、薄膜材料与食品成分之间的相互作用有关。因此薄膜抗氧化性能的表征可通过包装食品直接测定。将薄膜应用于食品包装进行贮藏实验,以脂类氧化指标来表征薄膜的抗氧化性能[33],与对照组相比,具有抗氧化性能的薄膜包装能够延缓食品中脂类氧化、延长其货架期[34]。

过氧化值(peroxide value,PV)和硫代巴比妥酸活性物质(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)是脂类氧化常用的分析手段,分别作为一级、二级氧化产物的指标[35]。Veiga-santos等[36]通过测定贮藏期间棕榈油的PV值变化,研究了含有可可-咖啡的木薯淀粉薄膜的抗氧化效果,结果表明在45 d的贮藏期里,含有可可-咖啡的木薯淀粉薄膜包装的棕榈油的PV值相对于对照组上升缓慢得多,表明这种薄膜具有抗氧化活性,有效抑制了棕榈油的氧化。杨辉[37]通过测定贮藏期间草鱼的硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid,TBA)变化,研究了含有植物精油的乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)活性包装膜对草鱼的抗氧化效果,结果表明在冷藏4～8 d的草鱼中,实验组的TBA值显著低于对照组,表明该EVOH薄膜具有抗氧化活性,可有效抑制草鱼品质劣化。

除了PV值和TBARS值,也有一些学者较深入地测定分析食品的其他脂质氧化指标来研究薄膜的抗氧化性能,如游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)和对茴香胺值(p-aminoanisole value,p-AV)。Romotowska等[38]测定了印度醋栗酱/甲基纤维素复合膜包装烤腰果在贮藏期间的FFA含量变化,研究表明加入了印度醋栗酱的复合薄膜可显著减缓FFA浓度的升高,延缓了烤腰果的脂质氧化,可将烤腰果的保质期延长约90 d。Abreu等[39]测定了含有大麦壳的活性薄膜包装冷冻大西洋鲑的p-AV值随贮藏时间的变化,研究表明实验组的p-AV值相比对照组显著降低,且在最初的一个月尤为明显,表明活性薄膜可延缓冷冻鲑鱼的脂肪氧化,延长其保质期。

与抗菌性能的表征类似,活性薄膜的抗氧化性能表征也因薄膜中抗氧化成分的释放而受到限制,其在不同溶剂中的释放程度和溶解度不同[40],这大大影响了体外抗氧化实验的准确性和实用性。另外,在每个独立研究中,即使应用了相同的体外抗氧化表征方法,其结果也因为实验条件的不同而难以进行横向比较[41]。因此还需要将活性薄膜应用在食品包装中,以进一步评价其抗氧化性能[42]。

4 活性薄膜对食品的保鲜作用研究

4.1 抗菌作用

近年来,国内外有不少着眼于活性薄膜的抗菌活性并将其应用于食品保鲜包装的研究。曾丽萍等[43]研究了含有柠檬精油(lemon essential oil,LEO)和纳米TiO2+Ag的聚乳酸(PLA)抗菌薄膜及其对冷却肉的保鲜效果,结果表明添加了柠檬精油和纳米TiO2+Ag的PLA薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著抑菌作用,将其应用于冷却猪肉的保鲜包装可有效抑制冷却猪肉中微生物生长,将冷却猪肉保鲜期从4 d延长至12 d。Gao等[44]研究了可释放异硫氰酸丙烯酯(allyl isothiocyanate,AIT)蒸汽的抗菌聚乳酸(PLA)薄膜及其对中国小白菜的保鲜效果,结果显示AIT-PLA薄膜可在4、10 ℃下显著抑制白菜中总需氧菌的生长,颜色变化和叶绿素损失也被降低,延长了白菜的货架期约15 d,表明AIT-PLA薄膜有良好抗菌活性。欧丽娟[45]研究了壳聚糖、玉米醇溶蛋白、天然植物精油三元复合膜对冷鲜牛肉的保鲜效果,结果表明精油与壳聚糖和玉米醇溶蛋白有协同抗菌作用,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有明显抑菌效果,将四种天然精油添加到壳聚糖和玉米醇溶蛋白的复合保鲜液膜中应用于冷鲜牛肉的包装贮藏,结果表明含柠檬精油和葡萄籽油的三元复合膜可显著抑制微生物生长,使牛肉在4 ℃条件下货架期延长至20 d。

4.2 抗氧化作用

对活性薄膜抗氧化活性的应用,主要着眼于抑制食品中脂质和蛋白质的氧化腐败。有研究表明,抑制脂类氧化与抑制蛋白质氧化有一定相关性[46]。

Nilsuwan等[47]研究了含有表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)的单、双层鱼明胶薄膜及其应用于鸡皮油的抗氧化包装效果,结果显示在30 d的贮藏期内,加入EGCG的双层明胶薄膜所包装样品的挥发性醛、酮含量、PV值、TBA值和FFA值均比对照组低,并且两者的脂肪酸组成还揭示了含有EGCG的双层明胶薄膜可有效保护多不饱和脂肪酸免于氧化,表明其对鸡皮油有较好的保护作用。Wang等[48]研究了负载了花青素(anthocyanins,ACNs)的壳聚糖盐酸盐/羧甲基壳聚糖(chitosan hydrochloride/carboxymethyl chitosan,CHC/CMC)纳米复合物的明胶薄膜及其对橄榄油的氧化保护效果,结果表明该复合膜对DPPH自由基有很强的清除活性,为87.3%,在橄榄油56 d的贮藏期内,活性薄膜包装橄榄油的PV值增长显著低于对照组,表明该薄膜具有脂质抗氧化活性,可用于延长高脂食品保质期的功能性可食膜。Cao等[49]研究了含壳聚糖/乳链菌肽/没食子酸涂层的高氧气调包装对猪腰肉抗氧化保鲜的应用,结果表明活性涂层气调包装组样品的TBARS值上升速度显著低于对照组,且总巯基含量降低速度也明显低于对照组,延长了猪腰肉的贮藏期约5 d,表明该活性涂层气调包装同时延缓了猪腰肉脂肪和蛋白质的氧化,具有良好的抗氧化活性。

5 结语

抗菌和抗氧化活性包装薄膜是国内外食品包装领域的研究热点,已有许多研究表明活性包装薄膜具有抑制食品中的微生物生长繁殖、脂质氧化酸败等作用,从而延长食品货架期。活性包装薄膜抗菌和抗氧化功能特性的表征方法多种多样,但一定程度上受到薄膜基材和活性物质的释放程度、速率的影响和制约。对活性包装薄膜的抗菌和抗氧化特性的表征目前没有统一的标准,并且不同文献在具体实验方法和结果分析上不尽相同,导致文献之间难以相互比较。在今后的研究中,规范并统一表征方法的数据分析标准是一项重要且有意义的工作。目前针对活性包装薄膜的抗菌、抗氧化保鲜作用,对不同的活性物质及其薄膜制备的方法已经有相当数量的研究,但对薄膜的抗菌、抗氧化机理的研究还不多见,活性物质释放程度、速率对不同微生物以及对食品中脂肪、蛋白质的影响也研究尚浅。因此,薄膜中活性物质的释放对食品基质的影响以及薄膜的抗菌、抗氧化机理是今后主要的研究方向。