魔芋甘聚糖-海藻酸钠复合涂膜对生姜的保鲜性能

杨丽丽 葛永红 门衍玉 王健源 孙 彤* 励建荣

（1 渤海大学食品科学与工程学院 辽宁省食品安全重点实验室 辽宁锦州121013 2 生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心 辽宁锦州121013 3 渤海大学化学化工学院 辽宁锦州121013）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）又名姜、姜根，常见调味植物，是兼具“药食同源”特性的传统中药之一[1]。生姜贮藏和销售过程中存在褐变、腐烂等问题，导致生姜品质下降，严重缩短其货架期[2]。常用的生姜贮藏保鲜方法包括窖藏法、埋藏法、井窖贮藏、浇水贮藏及O2/CO2气调法。这些方法虽能在一定程度上保持生姜的品质，但受环境温湿度、气体比例和生姜自身含水量及其机械损伤的影响较大。涂膜保鲜是果蔬贮藏的主要辅助技术。天然多糖因具有安全性、天然性和可降解性[3]等特点，而成为近年的研究热点。海藻酸钠（sodium alginate，SA）无毒、无味，具有良好的保湿性、成膜性、稳定性和可生物降解性，且其成本低，在食品工业、生物医学、农业、纺织业有广泛应用[4-5]。目前，SA 涂膜已用于芒果[6]、冬枣[7]等果蔬的保鲜。魔芋甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一种可再生的天然高分子化合物，溶于水后能形成高黏度的假塑性溶液，具有黏性高、稳定性好、成膜性好等优点，在可食用膜方面具有广阔的应用前景[8-10]。有研究表明，KGM 涂膜可有效延长白沙枇杷[11]、蓝莓[12]、草莓[13]等果蔬的货架期。单一涂膜保鲜效果不理想，复合涂膜可使各种膜成分发挥各自的优点，弥补单一涂膜的不足，因而其具有更广阔的应用前景[14]。有研究表明，SA 和KGM复配体系有协同作用，两者混合得到的复合膜具有较高的黏度[15]。Fan 等[16]通过改性KGM 与羧甲基壳聚糖、氧化石墨烯制得具有优异抗压轻度的三元共混水凝胶。杜刚等[17]研究发现含有魔芋精粉和抗坏血酸的SA 复合涂膜剂能有效提高樱桃、李子和番茄好果率，抑制呼吸作用，降低水分蒸腾。

为获得对生姜具有良好保鲜性能的复合涂膜，本文研究原料比例对KGM/SA 复合涂膜微结构、理化性能及保鲜性能的影响，旨在为可食性膜的应用研究提供参考，为生产实践提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜：产地为山东昌邑。其它试剂均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

Scimitar 2000 NearFT-IR Spectromter 傅里叶变换红外光谱仪，美国安捷伦公司；Rigaku Utima IV-X 射线粉末衍射仪，日本理学；TA-XTPLUS 质 构 仪，Stable Micro Systems 公 司；UV-2250 紫外-可见光光度计，尤尼柯仪器有限公司；721N 型可见光分光度计，美国瓦里安公司；SK6210HP 超声波清洗器，上海科超导仪器有限公司；CYES-II 型O2/CO2气体测定仪，上海嘉定学联实业有限公司；DGG-9053AD 型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；CJJ79-1 型磁力加热搅拌器，威瑞科教仪器有限公司；LRH-150生化培养箱，上海恒科技有限公司；AG135 电子分析天平，Mettler Toledo 公司。

1.3 SA 涂膜及KGM/SA 复合涂膜的制备、表征及理化性能测定

1.3.1 SA 涂膜及KGM/SA 复合涂膜的制备 常温下将0.6%的KGM 溶液与1.0%的SA 溶液分别按体积比KGM ∶SA=0 ∶1，1 ∶2，1 ∶1，2 ∶1 的比例混合，充分搅拌后，每100 mL 涂膜液中加入0.1 mL甘油，搅拌均匀，于30 ℃恒温条件下超声脱气10 min 至溶液中无气泡。取40 mL 涂膜液在20 cm×20 cm 亚克力板上流延成膜，30 ℃恒温干燥，揭膜，置于干燥器中，24 h 后测定其各项性能。

1.3.2 KGM/SA 复合涂膜的表征 采用KBr 压片法测定不同条件下复合涂膜的FT-IR 光谱。采用X 射线粉末衍射仪对复合涂膜进行X 射线衍射分析。

1.3.3 涂膜理化性能的测定

1.3.3.1 涂膜机械性能测定 采用TA-XT-PLUS质构仪测量涂膜的拉伸强度（σt）和断裂伸长率（εt）。样品的长和宽分别为70 mm 和20 mm，夹具之间距离为40 mm。

式中：σt——拉伸强度，MPa；P——涂膜拉伸断裂时的拉力，N；b——试样的宽度，mm；d——试样的厚度，mm；εt——断裂伸长率，%；L0——试样的原始长度，mm；L——试样断裂时的长度，mm。

1.3.3.2 涂膜水蒸气透过量测定 采用失重法。在温度30 ℃条件下，在称量瓶中盛入不超过2/3的蒸馏水，用复合膜包住称量瓶口，密封，置于30℃烘箱中，每隔12 h 称量1 次称量瓶的质量，连续测量3 次。按下式计算膜的水蒸气透过率：

式中：WVTR——水蒸气透过量，g/（h·m2）；△m——称量瓶质量减少量，g；A——膜的面积，m2；t——测定时间，h。

1.3.3.3 涂膜透O2、CO2性测定 参考GB1038-70 《塑料薄膜透气性试验方法》 并作修改。采用CYES-Ⅱ型氧/二氧化碳气体测定仪测定O2/CO2浓度，并计算膜的O2、CO2透过率，每组重复平行测定3 次。

式中：CDP——CO2透过率，cm2/（d·kPa）；OP——O2透过率，cm2/（d·kPa）；A——膜的有效透气面积，cm2；d——膜的平均厚度，cm；△P——测定时膜两侧的气体压差；VO2——24 h 的稳定透氧气体积，mL；VCO2——24 h 的稳定透二氧化碳气体积，mL。

1.3.3.4 涂膜透光性测定 剪成比色皿大小的涂膜，粘贴在比色皿架上，测定波长450 nm 处的透光率，以“透光率×厚度”表示测定结果。

1.4 生姜保鲜性能测定

将生姜自然晾干。选用大小相似、无病虫害的生姜，随机分成若干组，分别用不同原料比例的KGM/SA 复合膜液浸泡5 min，自然风干，于13 ℃（±1.0 ℃）、相对湿度90%～95%的条件下贮藏待用。

1.4.1 失重率和呼吸强度 采用重量法测定生姜涂膜前、后的质量，计算失重率[11]。用密封袋将一定质量的生姜密封，采用CYES-Ⅱ型氧/二氧化碳气体测定仪每20 min 测定1 次O2/CO2浓度，计算生姜的呼吸强度，单位为mg CO2/（kg·h）。

1.4.2 总酚和类黄酮含量 参照Pirie 等[18]的方法。总酚含量用△OD280/g FW 表示；类黄酮含量用△OD325/g FW 表示。

1.4.3 酶活性 多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）活性测定参照Gong 等[19]和Liu 等[20]的方法；苯丙氨酸解氨酶活性（PAL）测定参照丁薪源[21]方法。多酚氧化酶和过氧化物酶活性均用U/g 表示，苯丙氨酸解氨酶活性用U/g FW 表示。

1.4.4 抗坏血酸（AsA）、可溶性总糖和可滴定酸（TA）含量 生姜抗坏血酸（AsA）含量参照杨艳杰等[22]的方法，采用分光光度法测定，以AsA μg/g FW 表示；可溶性总糖含量参照Zeng 等[23]的方法，采用蒽酮比色法测定，以%表示；可滴定酸（TA）含量采用NaOH 碱滴定法测定，以mol/L 表示。

每个试验数据均采用3 次平行试验的平均值，结果以“平均值±标准差”表示。采用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 KGM/SA 复合涂膜结构表征

2.1.1 KGM/SA 复合涂膜的FT-IR 及XRD 分析由图1（1）可见，不同比例KGM/SA 复合涂膜的FT-IR 谱图中，3 500～3 300 cm-1的宽吸收峰是由-OH 伸缩振动引起的。2 933 cm-1处的吸收峰对应于C-H 的伸缩振动，2 354 cm-1处的吸收峰是空气中CO2的吸收峰。1 647 cm-1处的吸收峰是由C=O 伸缩振动引起的，为KGM 的-OH 基团与SA的-COO 基团的相互作用的结果。1 620 cm-1与1 404 cm-1处的吸收峰是SA 结构中对称的-COONa 伸缩振动引起的，1 120，1 040 cm-1与1 030 cm-1处的吸收峰是C-O-C 的弯曲振动峰。对于不同比例的SA 和KGM 涂膜，随着KGM 的增加，涂膜中C=O 的伸缩振动增强，-OH 伸缩振动明显减弱。可能是由于SA 与KGM 发生酯化作用，-COO 基团吸收峰增强。

由图1可见，单一的SA 涂膜无X 射线衍射峰出现，当加入KGM 制备成复合涂膜时，样品在2θ 角为20.0°处出现衍射峰，各峰的高度和宽度不一。刘毅等[24]对KGM 进行X 射线衍射分析，KGM在20.9°处呈现出尖锐且较大的衍射强度的吸收峰。当KGM∶SA=1∶2 和2∶1 时，特征峰的强度较强，说明SA 与KGM 分子间相互作用较弱。当KGM ∶SA=1 ∶1 时，特征峰强度明显减弱，表明KGM 与SA 分子间发生酯化作用，KGM 的晶体结构被破坏。这与刘毅[24]对KGM 酯化改性后X 衍射结果一致。

图1 KGM/SA 复合膜的FT-IR（a）和XRD（b）图Fig.1 FT-IR spectrum（a）and XRD patterns（b）of KGM/SA composite coatings

2.1.2 KGM/SA 复合涂膜的理化性能分析 由表1可见，随着KGM 添加量的增大，复合涂膜的断裂伸长率有所改善，而拉伸强度显著降低。其中，KGM 与SA 质量比为2 ∶1 涂膜的断裂伸长率最高，说明在SA 涂膜中增加KGM 可改善涂膜的柔韧性，而其抗拉伸能力下降。这可能是KGM 影响SA 分子间氢键相互作用，使SA 分子之间键联强度降低。

涂膜的透水性低，生姜中水分不易流失，涂膜的保鲜效果就好。低O2透过性和较高CO2通透性有利于涂膜微气调环境的形成，抑制需氧微生物的繁殖和生长。由表1可见，随着KGM 的增加，复合涂膜的透水性和氧气通透性有较大改善。其中，KGM 和SA 质量比为2∶1 涂膜的透水、透O2性能改善显著（P＜0.05），而其对CO2通透性的改善不显著（P＞0.05）。KGM 和SA 质量比为1∶1 与1∶2涂膜的透水透O2性差异不显著（P＞0.05）。可能是加入KGM 改变了SA 膜的亲水性，KGM 与SA 结合后，改变了SA 的晶体结构，在膜内形成具有选择性的微孔结构，提高了复合膜的透过性。

膜的透光性表示分子间的相容性，透光性越大，分子间的相容性越强。由表1数据可知，SA 单一膜的透光性最大，而KGM/SA 复合涂膜透光性略有下降。可能是由于KGM 与SA 在性质上存在一定的差异，分子间相容性较差，涂膜液经干燥，膜表面比较粗糙，影响涂膜的透光性。

试验结果表明，KGM 的加入对SA 膜的理化性能有一定影响，一些性能被改善，某些性能出现降低的趋势。其中，SA 膜与KGM∶SA=2∶1 膜的各项理化性能最佳。

表1 KGM/SA 不同比例复合膜的理化性能Table1 The physicochemical properties of KGM/SA composite coatings with different proportion

2.2 KGM/SA 复合涂膜对生姜的保鲜性能

2.2.1 对失重率和呼吸强度的影响 果蔬的失重主要包括水分和干物质的损耗，水分损耗主要是果蔬表面的蒸腾作用，而干物质损耗主要是其自身的呼吸代谢作用[25]。由图2a 可见，在整个贮藏期间，生姜的失重率逐渐增大，且KGM/SA 复合涂膜组失重率均低于SA 涂膜组。贮藏前6 d 生姜失重率的上升速度较大，这可能由于贮藏前期生姜的呼吸作用消耗糖、有机酸、脂肪等营养物质。另外，鲜切生姜的蒸腾作用强，水分散失较大。后期生姜失重率的上升速度减缓，这是因为后期呼吸强度减弱，生姜失重率上升速度减缓。由图2b 可知，贮藏期间，复合涂膜组与SA 涂膜组生姜的呼吸强度变化趋势基本一致，在贮藏前6 d，呼吸强度先降低后升高，随着贮藏时间的延长，呼吸强度先下降后缓慢上升。这可能由于贮藏前期经过涂膜处理的生姜表面形成一层薄膜，阻碍了生姜与氧气的接触，降低了呼吸强度，而贮藏后期膜内形成高CO2环境，从而抑制其呼吸强度。试验结果表明，复合膜能够有效改善单一SA 膜的不足，更好地抑制细胞的呼吸作用，降低生姜的失重率，其中以KGM 和SA 质量比为2∶1 的涂膜效果最好。

图2 KGM/SA 复合涂膜对生姜失重率（a）和呼吸强度（b）的影响Fig.2 The influence of KGM/SA composite film on the weight loss（a）and respiration intensity（b）of the ginger

2.2.2 对可溶性总糖、TA 和AsA 含量的影响 可滴定酸含量高、低直接影响鲜切生姜的食用品质[26]。糖类和有机酸是果蔬呼吸的底物，在呼吸过程中被分解并释放出热量，使果蔬含糖量和含酸量在贮藏过程中不断下降[27]。由图3a 可见，在贮藏过程中，生姜中可溶性总糖的含量不断降低。与SA 涂膜处理的生姜相比，复合涂膜生姜中可溶性总糖含量较高。可能是贮藏前期生姜呼吸消耗糖的同时果实中淀粉转化为可溶性糖，使得可溶性总糖含量下降缓慢，后期随着果实衰老和呼吸作用，可溶性糖消耗量逐渐加快。图3b 显示贮藏期间生姜TA 含量波动幅度较大，结合呼吸强度和失重率变化，贮藏前期高呼吸强度消耗大量的糖类，使生姜中的有机酸游离出来，导致TA 含量有一定幅度的上升。贮藏后期生姜失水严重以及呼吸作用消耗TA，TA 含量曲线呈先降后升趋势。试验结果表明，复合涂膜处理均能抑制生姜中糖和TA 的代谢，其中KGM 和SA 质量比为2∶1 的涂膜处理效果明显。整个贮藏期间，不同处理组生姜中的AsA 含量逐渐下降。由图3c 可见，贮藏9 d时所有处理组AsA 含量均降至最低值，小幅度上升之后AsA 含量急剧下降。与SA 组相比，各复合涂膜处理组AsA 含量普遍较高，这说明复合涂膜可有效减少贮藏过程中抗坏血酸的损失，较好地保持生姜品质。

图3 KGM/SA 复合涂膜对生姜可溶性总糖（a）、TA（b）和AsA（c）含量的影响Fig.3 The influences of KGM/SA composite coatings on the total soluble sugar（a），titratable acid（b）and AsA（c）contents of the ginger

2.2.3 对酶活性的影响 PPO 和POD 是鲜切果蔬发生褐变程度的重要指标，属于氧化还原酶类。过氧化氢的存在，易引起酚类和类黄酮的氧化聚合而导致组织褐变[28]。由图4a，4b 可见，贮藏前期生姜中的PPO 活性总体呈先降低后升高的趋势。由于生姜组织受损，所以其PPO 活性初期较高，随后生姜切面愈合，PPO 活性下降。保鲜第12 天，生姜中PPO 活性降至最低值。贮藏后期生姜中PPO 活性急剧上升，可能是因为生姜组织细胞衰老，PPO 与酚类物质的空间隔离被打破，生姜中PPO 活性又出现增大趋势[29]。POD 活性在贮藏前期上升，第6 天出现最大值。随着贮藏时间延长，POD 活性不断下降，可能由于涂膜保鲜前期，培养箱中氧气浓度大，使POD 活性增强。随后生姜部分部位发芽，促使呼吸作用增强，生姜细胞内氧气含量降低，POD 活性随之降低。保鲜后期生姜细胞组织不断衰老，因而POD 活力又呈上升趋势。

PAL 是参与酚类物质合成的关键酶，抑制PAL 活性可以减少导致果蔬褐变物质的形成。由图4c 可见，在生姜涂膜保鲜前期，PAL 活性下降，第9 天出现最低值，随后PAL 的活性急剧上升。SA 组生姜中的PAL 活性在保鲜期间变化幅度较大，并一直维持在较高值。贮藏后期生姜中部分部位的呼吸作用增强，苯丙烷类代谢速度加快，促使PAL 活性上升，产生较多的酚类植保素等来减轻外界环境的影响[30]，减慢生姜的衰老速度。

以上试验结果均表明，与单一SA 膜相比，复合膜对生姜的保鲜效果好，其中以KGM 和SA 质量比为2∶1 的涂膜的保鲜效果最佳。

图4 KGM/SA 复合涂膜对生姜PPO（a），POD（b），PAL（c）活性影响Fig.4 The influences of KGM/SA composite film on ginger’s activity of PPO（a），POD（b）and PAL（c）

2.2.4 对总酚和类黄酮含量的影响 总酚和类黄酮是苯丙烷代谢的产物，可反映果实的抗氧化活性。由图5可知，生姜的总酚、类黄酮含量呈现先升后降的趋势，第12 天升均至最大值。其中SA 组中的总酚、类黄酮含量高于复合涂膜组。这可能是SA 本身易溶于水，分子分散性好，加之生姜表皮中含丰富的酚类及类黄酮类物质，具有较强的抗氧化生物活性。涂膜后能够有效抑制氧气进入生姜的细胞内，因而有效抑制了生姜的氧化速度和微生物对生姜的影响，减缓了生姜的衰老。贮藏后期随着生姜细胞组织的衰老，总酚及类黄酮类物质不断被氧化，导致其含量下降。

图5 KGM/SA 复合涂膜对生姜总酚（a）和类黄酮（b）含量的影响Fig.5 The influences of KGM/SA composite coatings on the content of total phenol（a）and flavonoid（b）contents of the ginger

3 结论

1）与单一SA 膜相比，复合膜表现出更优的机械性能。SA 与KGM 分子氢键结合强度大。KGM的添加能显著提高SA 膜的拉伸强度、断裂伸长率、透水性和透气透光性等指标。

2）KGM/SA 复合涂膜对生姜的保鲜效果明显。与单一SA 涂膜相比，复合涂膜可显著降低贮藏过程中生姜的失重率、呼吸强度，降低PAL、PPO 和POD 活性，减缓生姜AsA、TA、可溶性总糖含量的下降，从而延缓生姜的衰老。

3）不同比例KGM/SA 复合涂膜均对生姜起到一定的保鲜作用。其中，KGM 和SA 质量比为2∶1 的复合膜表现出最优的性能。该复合涂膜制作方便，成膜性较好，可均匀覆盖生姜表面，成本较低，适用于实际生产中生姜的贮藏。