茶多酚复合可食性涂膜在香梨保鲜中的应用

李作美,张飞跃,汪春涵,吴珊珊

(1.蚌埠学院食品与生物工程学院,安徽蚌埠 233030;2.中国科学技术大学生命科学院,安徽合肥 230027)

库尔勒香梨属于新疆梨种,原产于南疆巴音郭楞蒙古自治州和阿克苏等地,是11种国家地理标志保护特色林果之一,具有较强的地域特性,享有“梨中王子”的美誉,远销欧美等国家[1]。库尔勒香梨属于果糖与葡萄糖含量高、糖酸比高的类型,果胶含量也很高,带负电的果胶由于表面活性和静电吸引力包裹在脂滴表面形成一层保护膜,阻止脂肪酶与脂滴的接触[2-5]。香梨中还含有大量的维生素B,对人的生长发育有着重要作用[6]。库尔勒香梨的成熟果实表皮呈绿色、肉质细脆、甜度高,且具有皮薄、渣少等特性,这是区别于其他品种的典型品质特征[7]。常吃库尔勒香梨可以缓解疲劳[8],同时香梨具有很多作用,比如:解渴、化痰、清热、润燥、解酒等;有研究表明,为了提高库尔勒香梨的产量和质量,延长贮藏保鲜期[9],可以选择培育抗寒新品种。随着科技的发展,库尔勒香梨产业的附加值和经济效益都获得了显著提高[10]。

目前,果蔬保鲜的方法很多,保鲜膜的种类也繁多,但就其材质而言,主要有三种:聚乙烯(PE)膜、聚氯乙烯(PVC)膜和聚偏二氯乙烯(PVDC)保鲜膜。这三种膜虽然具有一定的保鲜功能,但是它们都不具备抗菌性和生物可降解性,是环境的白色污染源。因此,需要开发且具有保鲜功能、可食性、可降解的抗菌保鲜膜,可食性复合膜保鲜技术操作工艺简单,是成本较低的一种保鲜技术[11-12]。可食性膜作为食品工业的研究热点,可广泛应用于多个领域,如果蔬保鲜、肉制品和水产品的加工保鲜、油炸、焙烤食品和糖果的包被膜等。因此,本论文对此进行了研究,以玉米淀粉为原料,羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)为增稠剂,甘油为增塑剂,利用茶多酚的抑菌性质,从而达到保鲜效果。本文通过对市场上出售的库尔勒香梨进行涂膜保鲜,从而达到延长保质期的目的,最终采用响应面优化试验以找到各因素间最优配比。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

库尔勒香梨、淀粉、去离子水等均为食用级 购于大润发超市；茶多酚 浙江东方茶叶科技有限公司;羧甲基纤维素钠(CMC) 上海申光食用化学品有限公司;甘油 郑州食全食美商贸有限公司。

APTP416A型分析天平 购于诸暨市超泽衡器设备有限公司;ZILI-8-100型均质机 购于浙江奉化巨浪机械制造厂;DH-360ASB型恒温干燥箱 购于上海市三发科学仪器有限公司;HH-2型数显恒温水浴锅 购于金坛市杰瑞尔电器有限公司;UV-600型分光光度计 购于上海予华科技仪器有限公司;LX-C型硬度测试仪 购于济南美特斯测试技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 香梨预处理 准确称取一定量某种类的淀粉,在100 mL去离子水中溶解完全,然后加入一定量的甘油、CMC、茶多酚混合液并将其编号,搅拌混匀,将混合液放置于温度为80 ℃恒温水浴锅中,搅拌30 min使其充分溶解,即可制得涂膜保鲜剂。将涂膜保鲜剂均匀涂至库尔勒香梨表面,将涂膜后的库尔勒香梨放置于30 ℃恒温干燥箱中干燥45 min,直至库尔勒香梨表面无水分残留。称量涂抹后果实质量,30 ℃恒温贮藏30 d,每5 d称量一次,计算失重率。未经过涂膜的对照组也在同样的条件下计算失重率。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 淀粉种类的选择 分别称取1、2、3、4、5、6 g玉米淀粉、小麦淀粉和木薯淀粉,加入去离子水溶解,然后分别加入1 g甘油、0.3 g CMC和0.3 g茶多酚的混合液,并将其编号,搅拌混匀,将混合液放置于温度为80 ℃恒温水浴锅中,搅拌30 min使其充分溶解,即可制得涂膜保鲜剂。然后将涂膜保鲜剂均匀涂至库尔勒香梨表面,将涂膜后的库尔勒香梨放置于30 ℃恒温干燥箱中干燥45 min,直至库尔勒香梨表面无水分残留。称量涂抹后果实质量,30 ℃恒温贮藏30 d,每5 d称量一次,计算失重率。

1.2.2.2 单因素实验的选择 选取在1.2.2.1基础上确定的淀粉,设置淀粉的添加量为0、1、2、3、4、5 g时,甘油的添加量是1 g,茶多酚的添加量是3 g,CMC的添加量是0.3 g;设置甘油的添加量为 0、1、2、3、4、5 g时,淀粉的添加量是5 g,茶多酚的添加量是3 g,CMC的添加量是0.3 g;设置CMC的添加量0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g时,淀粉的添加量是5 g,茶多酚的添加量是3 g,甘油的添加量是1 g;当茶多酚的用量0、1、2、3、4、5 g时,淀粉的添加量是5 g,CMC的添加量是0.3 g,甘油的添加量是1 g。

1.2.3 响应面试验设计 采用响应面分析软件,研究了CMC、茶多酚和甘油三种影响因素的响应面优化分析,并建立了三因素和三水平Box-Behnken试验设计。根据响应面试验原理,分析了涂膜库尔勒香梨的失重率,因为果实的新鲜程度主要是看果实是否饱满、水分是否充足等指标来衡量的,所以以失重率作为考察的目标，优化各指标工艺参数。

表1 响应面因素水平表Table 1 Factors and level of response surface

1.2.4 验证实验 准确称取玉米淀粉5.00 g,茶多酚3.00 g,甘油1.00 g,CMC 0.30 g各三份,分别用去离子水溶解,并定容至100 mL,将其编号分别为1～3号,搅拌混匀,按照步骤1.2.1处理,每个试验重复3次,最后计算失重率。

1.2.5 贮藏实验

1.2.5.1 贮藏条件 在贮藏温度为30 ℃,湿度为70%的条件下,分别在10、20、30 d对香梨的空白组、对照组和样品组进行硬度、可溶性固形物、可滴定酸及多酚氧化酶活性的测定,空白组是没有进行涂膜保鲜的一组,样品组是经响应面优化后各成分最佳的涂膜保鲜组,对照组是没有添加茶多酚成分,其他成分和样品组相同的一组。

1.2.5.2 硬度测定 将果实放置于测试平板上,采用φ2 mm柱头进行穿刺实验。测试参数为测前速度2 mm/s,测后速度5 mm/s,最小感知力5 g,穿刺深度10 mm,每个果实测定两次,每隔10 d测定一次,并记录[13]。

1.2.5.3 可溶性固形物的测定 取果实上、中、下不同部位的果肉,将果肉混合,用镊子取汁液在手持测糖仪上测定。每个果实重复2次,取平均值。每隔10 d测定一次,并记录。

1.2.5.4 可滴定酸的测定 去皮称取50 g,加入50 mL水,用组织捣碎机捣碎并混合均匀。取适量样品50 g,用移液管吸取15 mL将其移入250 mL容量瓶中,在75～80 ℃水浴锅上加热30 min,冷却后定容,用滤纸过滤,弃去初始滤液25 mL,收集滤液到锥形瓶中备用,移取50 mL滤液于三角瓶中,加酚酞指示剂3～4滴。用标定的0.01 mol/L的NaOH溶液滴至粉红色,持续30 s不褪色,记下消耗的NaOH溶液体积。每个样品重复滴定2次,取其平均值。每隔10 d测定一次,并记录。

1.2.5.5 多酚氧化酶活性的测定 取5.0 g洗净的原料,加入5 mL 0.05 mol/L pH5.5磷酸缓冲溶液,研磨成匀浆,在4000 r/min离心15 min,上清液移入25 mL容量瓶中,沉淀用缓冲液再提取2次,转入容量瓶中定容,得粗酶液,低温保存备用。然后进行活性测定,反应体系包括1 mL 0.05 mol/L pH5.5磷酸缓冲液,1 mL 0.1 mol/L邻苯二酚和1 mL粗酶液,在30 ℃保温10 min,立即加入2 mL 20%三氯乙酸,用分光光度计在525 nm处测吸光度,吸光度越高,多酚氧化酶的活性就越高。每隔10 d测定一次,并记录数据[14]。

1.2.5.6 参数指标的计算方法 失重率计算公式如下[15]:

失重率(%)=(贮藏前果实的质量-贮藏N d果实的质量)/贮藏前果实的质量×100

1.3 数据分析

通过Design-Expert软件,对响应面试验的结果进行分析,实验结果与响应面测试分析的结果进行比较。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 不同淀粉对香梨失重率的影响 从图1可以看出,玉米淀粉、小麦淀粉及木薯淀粉随着添加量的增加,失重率随之降低,三种淀粉在1～4 g,失重率降低明显,但玉米淀粉相对于小麦淀粉和木薯淀粉失重率的降低要少一些。当三种淀粉的添加量在4～6 g,降低趋势不太明显。综合考虑,玉米淀粉对香梨失重率的影响要小于小麦淀粉和木薯淀粉,这可能是由于玉米淀粉形成了高直链玉米淀粉膜,具有较高的阻隔性和抗拉强度,透明度、抗水性能均优于小麦淀粉和木薯淀粉,所以选择玉米淀粉进行试验。

图1 淀粉种类的确定Fig.1 Determination of grain species

2.1.2 不同添加量的玉米淀粉对香梨失重率的影响 可食用膜制作中添加一定量的淀粉,是因为其具有透明度高,耐折性好,透气率低等优点[16]。从图2可以看出随着贮藏天数的延长,不同添加量的玉米淀粉失重率也随之增加,在没有添加玉米淀粉的对照组失重率变化最大,在15 d时失重率为20.37%,此时香梨表面已出现了腐烂现象。在玉米淀粉添加量为1～5 g时,随着贮藏天数的延长,香梨的失重率增大较小的一组是添加量为5 g的玉米淀粉。 因此后续选择5 g的玉米淀粉进行试验。

图2 玉米淀粉使用量的确定Fig.2 Determination of corn starch content

2.1.3 甘油的添加量对保鲜效果的影响 甘油具有相对低的极性,可阻隔空气,抑制水分挥发和细菌生长,降低在搬运过程中的划痕,在贮藏过程中控制水果产生腐烂[17]。从图3可看出,随甘油添加量增加,香梨的失重率随之下降,当甘油添加量为1 g时,在第5 d失重率降低至2.79%±0.1%。当贮藏时间在第25 d时,甘油用量从1 g增加到5 g的过程中,失重率增大了约为3.46%,而对照组在15 d时失重率为20.54%,香梨表面出现了黑斑,果肉出现了腐烂现象。这可能是甘油有亲水性,可与水混溶,原因可能是其具有流动性,并且该流动性伴随水分增加而增加,故而有利于霉菌的生长,导致失重率增大[18]。因此选择甘油的添加量在1 g进行后续的试验。

图3 甘油添加量的确定Fig.3 Determination of glycerol content

2.1.4 CMC的添加量对保鲜效果的影响 CMC是具有无臭、无味、无毒、不易燃的白色化合物,在冷水中溶解以形成透明的、粘稠的溶液。食品级CMC具有许多功能,它可以改善口感,提高产品的档次和质量,并延长保质期[19]。从图4可看出,在5～30 d之间,随着CMC添加量增加,香梨的失重率随之下降,当CMC在30 d添加量为0.3 g时,失重率降低至4.88%。当CMC添加量超过0.3 g时,失重率又开始增大。而对照组在15 d时失重率为17.98%,并且香梨的表面开始出现黑斑,有腐烂现象。 所以选择在0.2～0.4 g范围进行下一步试验。

2.1.5 茶多酚的添加量对保鲜效果的影响 茶多酚是从茶叶中提取的主要化学成分,在天然食品添加剂中,目前是最具应用前景的天然食品添加剂。茶多酚具有很强的还原性,在食品中作保鲜剂和抗氧化剂[20]。茶多酚还可抑制食品中亚硝胺的生成,从而起防腐作用。从图5可看出,茶多酚分别为1、2、3、4、5 g时在5～30 d之间的变化趋势,随着贮藏时间的延长,添加量不同的茶多酚组分的香梨失重率也随之增加,当茶多酚添加量为3 g时,在30 d后测得失重率降低至4.02%。对照组随着贮藏时间的延长,失重率也随之增加,且在第15 d时出现了腐烂变质现象。 所以选择茶多酚在2～4 g范围进行下一步试验。

图5 茶多酚使用量的确定Fig.5 Determination of the amount of tea polyphenols

2.2 响应面优化试验结果分析

2.2.1 响应面设计与结果 通过单因素实验结果,根据 Box-Behnken 试验设计原理[21],采用3因素3水平的响应面分析法,如表2所示。对香梨保鲜工艺参数进行优化分析,如表2所示。

表2 试验设计以及结果Table 2 Experimental design and result

2.2.2 方差分析 以香梨的失重率为考察指标,通过运用Design Expert 8.0数据分析软件对上述表中的失重率实验数据进行分析处理,结果如表3。

表3 二次模型及回归系数分析Table 3 Quadratic model and regression coefficient analysis

从表3中可以看出F=58.01,相应的概率P<0.0001,证明实验所选用的二次模型具有显著性。得出二次方程为:

Y=4.16-0.19A-0.20B-1.05C-0.42AB+0.01AC-0.24BC+1.32A2+1.29B2+1.54C2。失拟项的P值为0.0511>0.05,表明试验模型回归模型失拟项不显著,该方程可以准确预测实验结果。R=0.9407表明预测值和实测值之间具有高度的相关性。由表3可以看出,C、A2、B2、C2对响应值的影响达到高度显著水平,三因素两两交互中AB对香梨失重率的影响显著。

2.2.3 响应面图形分析 如图6所示，随着甘油添加量不断增加,香梨的失重率随之降低。当甘油添加量达到0.90～1.10 g时,失重率达到极值,而当甘油添加量继续增加时,失重率增大。随着CMC添加量的不断增加,香梨的失重率随之降低。当CMC添加量达到0.3 g时,失重率达到极值,而当甘油添加量继续增加时,失重率增大。

图6 甘油和CMC的添加量Fig.6 Addition of glycerin and CMC

如图7所示，随着甘油添加量的不断增加,响应面趋势上升比较陡峭,香梨的失重率随之降低。而当甘油添加量大于1.10 g,响应面趋势下降比较平缓,失重率逐渐增大。随着茶多酚添加量的不断增加,香梨的失重率随之降低。当茶多酚添加量达到3 g时,失重率达到极值,而当茶多酚添加量继续增加时,失重率增大。

图7 甘油和茶多酚的添加量Fig.7 Addition of glycerin and tea polyphenols

如图8所示，随着MC的添加量的不断增加,在0.2～0.25 g之间时响应面趋势上升比较陡峭,0.25～0.3 g之间时响应面趋势上升比较平缓,香梨的失重率随之降低。而当CMC添加量大于0.3 g时,响应面趋势下降比较平缓,失重率逐渐增大。而随着茶多酚添加量的不断增加,在2.0～3.0 g之间时响应面趋势上升比较陡峭,香梨的失重率随之降低。当茶多酚添加量达到3 g时,失重率达到极值,而当茶多酚添加量继续增加时,响应面趋势下降比较平缓,失重率增大。

图8 茶多酚和CMC的添加量Fig.8 Addition of tea polyphenols and CMC

2.3 验证实验结果分析

通过响应面软件优化数值分析得出茶多酚复合可食性涂膜制备的最佳工艺,为方便操作,将其修正成甘油1 g,茶多酚3 g,CMC 0.3 g。理论上30 d后香梨的失重率为4.36%。在此条件下进行验证实验,平行三次。测得的库尔勒香梨的失重率平均值为4.33%±0.2%,与最佳制备工艺的理论值差别较小,说明该模型优化的茶多酚复合可食性涂膜制备最佳工艺具有较高的应用价值。

2.4 贮藏实验

2.4.1 硬度测定结果分析 如图9所示，随着贮藏时间的逐渐增加,果实硬度也随之降低,空白组的硬度随着贮藏天数的延长,硬度变化幅度最大,降低最快,在20 d以后完全腐败;样品组的硬度下降较缓慢;对照组的果实硬度下降速度相对于空白组较低,并于20 d以后出现腐烂现象。由此可见,适量的茶多酚可食性膜能延迟果实的软化。可能的原因是香梨经涂膜后,玉米淀粉与甘油形成了紧密的膜,使香梨质地紧实,其中的水分不易流失,减慢了香梨硬度下降速度。

图9 硬度测定结果Fig.9 Measurement of the hardness

2.4.2 可溶性固形物测定结果分析 随着贮藏时间的逐渐增加,果实的可溶性固形物也随之上升,空白组上升速度最快,而对照组和样品组果实的可溶性固形物上升的速度相对于空白组较慢。在贮藏时间为30 d时,空白组测得的可溶性固形物含量达到13.6%,涂膜的样品组测得的固形物含量为9.9%,结果如图10所示。造成可溶性固形物含量不断增加的原因可能是香梨中的有机酸和淀粉转化成了可溶性糖,随着贮藏时间的延长,涂膜的样品组是由于在香梨的表明涂上了一层均匀的保护膜,减弱了香梨的生理活动[22],而空白组未经涂膜保护,所以可溶性固形物含量相对多一些。

图10 可溶性固形物含量测定的结果Fig.10 Determination of soluble solids

2.4.3 可滴定酸的测定结果分析 随着贮藏时间的延长,香梨的可滴定酸含量随之下降,未涂膜的空白组下降速度最快,在30 d时可滴定酸含量为0.23%,而涂膜的样品组和对照组可滴定酸含量下降的速度比空白组要慢,在贮藏时间为30 d时样品组测得的可滴定酸的含量为0.62%,结果如图11所示。导致香梨在贮藏过程中可滴定酸含量下降的原因,可能是香梨的呼吸作用使有机酸不断被消耗,致使空白组降低较快。涂膜的样品组和对照组是由于茶多酚可食性膜在香梨的表面形成了均匀、紧密的保护层,降低了香梨在贮藏中有机酸转化的速度,且茶多酚有抑制微生物的生长的作用,减少了微生物分解营养成分产生的酸类物质。

图11 可滴定酸含量测定的结果Fig.11 Determination of titratable acid content

2.4.4 多酚氧化酶的活性测定结果分析 在525 nm处测吸光度,随着贮藏时间的逐渐增加,香梨的多酚氧化酶的活性也随之升高,空白组明显升高速度最快,并在20 d时完全腐败变质,而样品组和对照组香梨的多酚氧化酶的活性升高速度相对于空白组较低,涂膜的样品组在30 d时,测得的吸光度值为0.13 Au,结果如图12所示。由于香梨在贮藏过程中未经灭酶处理,所以空白组酶的活性很高,一直上升较快,而涂膜的样品组和对照组相对空白组上升较慢,可能是膜中的成分影响到了多酚氧化酶作用的条件,抑制了酶的分解作用。

图12 多酚氧化酶的活性测定结果Fig.12 Determination of the polyphenol oxidase activity

3 结论

本论文的研究结果说明了茶多酚复合可食性涂膜对香梨的保鲜起到了一定的作用。对前人的研究方法进行了改进,添加的茶多酚具有很强的抑菌能力。本文研究的不足之处,就是没有进行具体的抑菌试验,今后会作进一步的研究。本文采用响应面优化设计试验对玉米淀粉、CMC、甘油、茶多酚进行了优化,得到最佳香梨保鲜涂膜制作工艺条件为:玉米淀粉添加量为5 g,甘油添加量为1 g,茶多酚添加量为3 g,CMC添加量为0.3 g,在此优化条件下,30 d香梨的失重率为4.33%,为了验证实验结果的准确性,进而对香梨进行了贮藏实验的测定,在30 ℃条件下分别在10、20和30 d对香梨的样品组、对照组和空白组进行了硬度、可溶性固形物、可滴定酸、多酚氧化酶的活性的测定,测定结果表明，在30 d香梨的实验组硬度为30 N/cm2,可溶性固形物9.9%,可滴定酸0.62%,在525 nm处的吸光度值0.13 Au,这和空白组及对照组相比,香梨在贮藏期间保鲜期最长,空白组和对照组在贮藏20 d时就已发生腐烂现象,从而进一步证实了实验模型的可靠性。