CAP@GO/PVC薄膜对生鲜牛肉糜的保鲜作用

阙小峰　司文会　徐良　方志成　高岳

摘 要：以氧化石墨烯（graphene oxide，GO）为载体吸附辣椒素（capsaicin，CAP），负载率达95%以上，采用喷涂成膜的方式制备CAP@GO/聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）释放型抑菌抗氧化包装薄膜，协同气调包装和低温等离子体技术探究其在包装生鲜牛肉糜贮藏期内的保鲜作用。结果表明：低温贮藏14 d内，CAP@GO/PVC薄膜中CAP的活性缓释作用有效抑制了牛肉糜菌落总数、假单胞菌和大肠菌群的滋生，数量分别减少1.07、1.03、1.08（lg（CFU/g）），保鲜效果优于单一保鲜技术;同时，CAP@GO/PVC薄膜能够延缓牛肉糜脂质过氧化，硫代巴比妥酸反应物值最大减少值为1.88 mg/kg，脂质氧化程度降低约66.4%，延长其货架期。

关键词：辣椒素;氧化石墨烯;牛肉糜;保鲜;聚氯乙烯薄膜

Effect of Polyvinyl Chloride Films Incorporated with Capsaicin-Loaded Graphene Oxide （CAP@GO） in

Preserving the Quality of Minced Beef

QUE Xiaofeng1，2， SI Wenhui1， XU Liang1，2， FANG Zhicheng3， GAO Yue1

（1.College of Food Science and Technology， Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture， Suzhou 215008， China;

2.Jiangsu Engineering Technology Research and Development Center for Fresh Agricultural Products Preservation， Suzhou 215008， China; 3.Suzhou Tester Detection Technology Co. Ltd.， Suzhou 215006， China）

Abstract： In this investigation， capsaicin （CAP） was adsorbed onto graphene oxide （GO） with a loading efficiency of more than 95% to obtain CAP-loaded GO （CAP@GO）. Sustained-release polyvinyl chloride （PVC） films incorporated with CAP@GO as an antimicrobial and antioxidant agent were prepared for food packaging. The efficacy of this film combined with modified atmosphere packaging and atmospheric cold plasma （ACP） in preserving the quality of fresh minced beef was evaluated. The results showed that the composite film， by virtue of sustained release of CAP， inhibited the growth of total viable count， Pseudomonas and coliform bacteria in minced beef during low temperature storage up to 14 days， decreasing them by 1.07， 1.03 and 1.08 （lg（CFU/g）） on day 14 compared with the control group， respectively. The combined treatment was more effective than the single treatment. Furthermore， the composite film delayed lipid peroxidation in minced beef， decreasing the thiobarbituric acid reactive substances （TBARs） value by up to 1.88 mg/kg and the degree of lipid peroxidation by 66.4% and hence prolonging the shelf life.

Keywords： capsaicin; graphene oxide; minced beef; preservation; polyvinyl chloride film

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210424-110

中圖分类号：TS205.9                                       文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2021）11-0038-06

引文格式：

阙小峰， 司文会， 徐良， 等. CAP@GO/PVC薄膜对生鲜牛肉糜的保鲜作用[J]. 肉类研究， 2021， 35（11）： 38-43. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210424-110.    http：//www.rlyj.net.cn

QUE Xiaofeng， SI Wenhui， XU Liang， et al. Effect of polyvinyl chloride films incorporated with capsaicin-loaded graphene oxide （CAP@GO） in preserving the quality of minced beef[J]. Meat Research， 2021， 35（11）： 38-43. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210424-110.    http：//www.rlyj.net.cn

我国生鲜食品资源丰富，但保鲜技术和设备却相对滞后，生鲜食品易在微生物、内源酶及生物化学反应等作用下降低或失去营养价值。生鲜肉类由于其自身特性更易发生腐败变质，如何保鲜防腐成为生鲜肉类研究的方向之一。在传统生鲜食品速冻、气调及辐照等保鲜技术基础上，近年来活性成分保鲜技术以其生物安全性、药效缓释性而逐渐成为生鲜食品保鲜的一个研究方向，称之为活性包装，是通过改变包装食品环境条件来延长其货架期或改善安全性和感官特性，同时保持食品品质的一种包装技术[1]。塑料薄膜是食品包装的主要材料之一，目前国内外学者在以塑料薄膜为基材开发活性包装材料方面作了大量研究[2]，但主要以抗氧化性等单一功能性包装膜为主，负载的活性物质有α-生育酚、二丁基羟基甲苯（butylated hydroxytoluene，BHT）、丁基羟基茴香醚（butyl hydroxyanisole，BHA）、生姜提取物、迷迭香提取物等。

辣椒素（capsaicin，CAP）是辣椒中含量较低但具有高附加值的生理活性成分[3]，王梦[4]、范三红[5]等研究表明，CAP兼具抑菌、抗氧化作用[6]，可替代苯甲酸钠、BHT、BHA等应用到油脂类、肉类食品加工中。同时，近年来，氧化石墨烯（graphene oxide，GO）以其独特的物理、化学特性得到广泛应用。GO具有远高于活性炭的理论比表面积，其表面和边缘含有大量性质活泼的含氧官能团，可以将其他官能团、有機分子通过氢键、静电作用等作用力吸附在石墨烯表面，成为性能良好的吸附剂[7-8]。如Zhao Guixia[9]、Chandra[10]、Liu Tonghao[11]等利用GO依靠静电作用、分子间作用力有效吸附了水中重金属离子、亚甲基蓝及抗生素类药性成分四环素，效果较优。

本研究以生鲜肉类防腐保鲜为研究方向，采用GO吸附CAP，以喷涂成膜的方式制备CAP@GO/聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）释放型抑菌抗氧化活性包装保鲜膜，以此包装生鲜牛肉糜，通过缓释扩散作用使CAP到达食品表面或包装顶部空间，从而抑制食品的腐败变质[12];基于单一保鲜技术对生鲜肉类防腐作用有限的缺点，采用协同气调包装和低温等离子体技术（又称大气压冷等离子体（atmospheric cold plasma，ACP）技术），共同探究其对生鲜肉类贮藏期间的保鲜作用，为未来天然CAP的应用及生鲜肉类食品保鲜薄膜及保鲜技术的开发应用提供相关的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生鲜牛肉糜 苏州大润发超市。

CAP标准品（分析纯，纯度>98%） 上海瑞楚生物科技有限公司;SG-5 PVC粉体 宁波时锦塑料有限公司;石墨粉（325 目，碳含量99.99%）

青岛晟泰石墨有限公司;浓硫酸、硝酸钠、无水乙醇、三氯乙酸、乙二胺四乙酸二钠、丙二醛标准品（纯度≥

97%）、过氧化苯甲酰（benzoyl peroxide，BPO）、硫代巴比妥酸、乙酸乙酯、羟甲基纤维素钠、磷酸盐缓冲液（phosphate buffer saline，PBS）、环己酮、盐酸、氢氧化钠、高锰酸钾（均为分析纯） 国药集团化学试剂（苏州）有限公司;去离子水 实验室自制。

1.2 仪器与设备

CW-201电子分析天平 上海一恒科学仪器有限公司;TU-1810紫外分光光度计 北京凯奥科技有限公司;HH-2电子恒温水浴锅 无锡玛瑞特科技有限

公司;KQ218超声波清洗机 昆山超声仪器有限公司;

TGL-16C台式高速离心机 上海安亭科学仪器有限

公司;101-2A电热恒温鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;SW-SJ-1D超净工作台、HN-60BS无菌生化培养箱 上海力辰仪器科技有限公司;SY-DT02S低温等离子体处理仪 苏州市奥普斯等离子体科技有限公司;SRSL-G10气调保鲜设备 苏州森瑞保鲜设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 CAP@GO/PVC保鲜薄膜的制备

1.3.1.1 GO的制备

采用改进Hummers法[13]制备GO，将GO用蒸馏水清洗2 次后，用超声波清洗机400 W清洗剥离2 h，静置24 h。取上层液体，2 000 r/min、15 min离心分离，40 ℃真空干燥，得到GO粉末。

1.3.1.2 CAP在GO上的负载

取20 mg GO粉末溶于20 mL去离子水中，400 W超声2 h使其分散均匀，加入1 mL质量浓度20 mg/mL的CAP溶液，搅拌30 min后，超声波清洗机中400 W超声30 min，在0.01 mol/L BPO引发作用下促使CAP均匀分散在GO片层表面。用去离子水清洗数次至上清液澄清，定容至100 mL，制得CAP理论负载量为100%（以GO粉末质量为基准）的CAP@GO溶液。以类似方法制备CAP理论负载量50%的CAP@GO溶液。

1.3.1.3 CAP@GO/PVC薄膜的制备

采用喷涂-自然干燥法。称取1 g PVC粉体均匀溶于10 mL环己酮中，加入1 mL CAP负载量50%的CAP@GO溶液，搅拌30 min后400 W超声处理20 min，将溶液均匀涂布于玻璃板上，室温下自然晾干48 h，制得CAP负载量50%的CAP@GO/PVC薄膜。以类似方法制备CAP负载量0%的CAP@GO/PVC薄膜（对照组）和CAP负载量100%的CAP@GO/PVC薄膜。

1.3.2 CAP@GO/PVC薄膜对生鲜牛肉糜的保鲜效果测定

选用冷链运输、真空包装的生鲜牛肉糜，随机分成5 组，每组称取3 份，每份（100±5） g，置于托盘内，分别以对照组、实验组CAP@GO/PVC薄膜气调保鲜包装（O2、N2、CO2体积比60∶5∶35）、密封，采用ACP装置在70 kV下分别处理0、30、60、90、120 s后，贮存在4 ℃冰箱中0～14 d，待测。

1.3.2.1 牛肉糜菌落总数、食源假单胞菌和大肠菌群检测

贮藏0、1、3、5、7、14 d时，分别取上述3 个CAP负载量薄膜包装的牛肉糜25 g，转入灭菌烧瓶中，加入225 mL PBS混合1 min，摇匀后将混合液制成1∶10均匀稀释液。吸取1 mL稀释液于琼脂平板上，采用Berenhauser等[14]

方法测定菌落总数、食源假单胞菌和大肠菌群数量，结果以（lg（CFU/g））计数。

1.3.2.2 牛肉糜硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARs）值测定

采用GB 5009.181—2016《食品安全国家标准 食品中丙二醛的测定》[15]分光光度法测定样品TBARs值（以丙二醛含量计），以此表征牛肉糜的脂质过氧化程度。牛肉糜TBARs值按式（1）计算。

式中：ρ为由标准曲线计算所得丙二醛质量浓

度/（μg/mL）;V为样品定容体积/mL;m为样品质量/g。

1.3.3 CAP@GO/PVC薄膜上CAP负载率的计算

将CAP@GO/PVC薄膜用无水乙醇浸泡，以300 W微波处理2 h提取CAP，CAP质量浓度测定参照高艳等[3]的方法。CAP@GO/PVC薄膜上CAP的负载率按式（2）计算。

式中：ρ為由标准曲线计算所得CAP质量浓度/（μg/mL）;

V为样品定容体积/mL;m为CAP添加量/mg。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件分析处理数据，采用最小显著性差异法，即以P<0.05作为差异显著的判断标准;用Excel绘图并分析实验结果。

2 结果与分析

2.1 CAP@GO/PVC薄膜上CAP的负载效果

GO片层表面具有大量羧基和羟基等极性基团，性能活跃，极易以氢键、静电作用力等与其他基团、有机分子连接，能提高石墨烯的溶解性，又负载一些活性有机分子，实现GO的功能化应用。例如，Stankovich等[16]

利用氢键实现N，N-二甲基甲酰胺等有机小分子与石墨烯的共价键功能化，并能够长时间保持稳定。

Yang Xiaoying等[17]以可溶性石墨烯作为药物载体，利用氢键作用实现了抗肿瘤药物阿酶素的高效负载，并逐渐通过缓释作用发挥阿酶素药性，其负载量（2.35 mg/mg）远高于传统药物载体（1 mg/mg）[18-19]。

CAP的分子结构中含有酚羟基，利用氢键与GO的羧基实现CAP的负载[20]。

由图1可知，基于GO具有远高于活性炭的理论比表面积，其对CAP的负载率在95%以上，达到理想的CAP@GO负载效果。

2.2 CAP@GO/PVC薄膜对牛肉糜中微生物的影响

2.2.1 CAP@GO/PVC薄膜对牛肉糜菌落总数的影响

在食品生产和贮存期间，大多数病原体和腐败细菌易引起食品腐败变质[21]。由图2可知，在0～14 d贮藏期间，牛肉糜中菌落总数随着贮藏时间延长而增加，但经CAP@GO/PVC薄膜包装的实验组牛肉糜菌落总数均低于对照组，表明CAP@GO/PVC薄膜上负载的CAP对牛肉糜贮藏期间细菌的生长繁殖有抑制作用，且随着实验组CAP负载量增大，抑制效果越明显。ACP处理120 s、贮藏14 d、负载量50% CAP@GO/PVC薄膜包装的牛肉糜中，菌落总数比对照组减少0.48（lg（CFU/g）），而CAP负载量100% CAP@GO/PVC薄膜包装的牛肉糜中菌落总数减少量是对照组2.3 倍，达1.07（lg（CFU/g））（从7.76（lg（CFU/g））降至6.69（lg（CFU/g）））。结果表明，以CAP@GO/PVC包装的牛肉糜，在CAP和GO协同缓释作用下[22]，能够有效抑制牛肉糜低温贮藏期间微生物的滋生，这与Lidia等[23]发现辣椒提取物能抑制金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李氏杆菌和蜡样芽孢杆菌的研究结果相一致，该研究建议辣椒提取物可作为诸如鲜牛肉等食品的天然抗菌剂。CAP负载量100% CAP@GO/PVC薄膜保鲜效果较优。

2.2.2 CAP@GO/PVC薄膜对牛肉糜中食源假单胞菌的影响

假单胞菌（Pseudomonas spp.）是一种非发酵革兰氏阴性菌，易引起冷藏肉类、蛋类、乳及乳制品变质，世界卫生组织在危害分析与关键控制点评估中明确将假单胞菌作为食品腐败的危害指标[24]。由图3可知，贮藏期间，牛肉糜中假单胞菌数量均随贮藏时间的延长而增加，对照组假单胞菌数量始终高于实验组，表明CAP@GO/PVC

薄膜能有效抑制假单胞菌生长。与对照组相比，CAP负载量100%的CAP@GO/PVC薄膜包装牛肉糜，ACP处理120 s、贮藏14 d后，假单胞菌数量减少最多，减少量为1.03（lg（CFU/g））。结果表明，CAP@GO有利于减轻牛肉糜假单胞菌腐败的负面影响，且CAP负载量100%的CAP@GO/PVC薄膜包装牛肉糜，ACP处理120 s、贮藏14 d后，假单胞菌滋生明显减少，相较于同等条件下贮藏0 d时仅增加了0.43（lg（CFU/g））。可见，CAP@GO/PVC薄膜对假单胞菌的增殖有抑制作用，其机理如Borowski等[25]研究所示，CAP通过阻止细菌的附着与抑制生物膜的形成，或通过影响细胞膜的流动性，达到抑菌效果[26]。

2.2.3 CAP@GO/PVC薄膜对牛肉糜中大腸菌群的影响

由图4可知，随着贮藏时间的延长，牛肉糜中大肠菌群数量均逐渐增加，但与对照组相比，实验组牛肉糜在0～14 d贮藏期内，大肠菌群数量明显降低。ACP处理120 s后，CAP负载量50%、100% CAP@GO/PVC薄膜包装的牛肉糜中，与贮藏0 d相比，大肠菌群数量在14 d内仅分别增加0.3、0.5（lg（CFU/g）），显著低于对照组的增加量1.06（lg（CFU/g））;ACP处理120 s后，贮藏14 d，相较于对照组（ACP处理120 s、贮藏0 d），大肠菌群数量分别减少1.68、1.48（lg（CFU/g））。结果表明，CAP@GO有益于抑制牛肉糜中大肠杆菌的增殖，这有助于生鲜肉类贮存期间大肠杆菌的控制[27-28]。这与杨海燕等[29]采用滤纸片法研究发现CAP提取液对大肠杆菌、枯草杆菌、啤酒酵母等具有抑制作用相一致，显示出CAP具有广谱抑菌作用，对细菌、酵母菌有较好的抑制作用，尤其对细菌抑菌效果更为显著，且均具有较低的最低抑制浓度。

2.3 CAP@GO/PVC薄膜对牛肉糜脂质过氧化的影响

脂质过氧化是一种肉类细胞损伤应激反应机制，其代谢产物是硫氨酰酸反应混合物，能反映出肉类脂质氧化酸败的程度，通常以丙二醛含量表示[30-32]。

由图5可知，实验组CAP@GO/PVC薄膜包装的牛肉糜在0～14 d贮藏期内，TBARs值均明显低于对照组。ACP处理120 s、贮藏14 d的牛肉糜TBARs值低于同等条件下对照组TBARs值（2.83 mg/kg），CAP负载量50%和100%组仅为2.08、0.95 mg/kg。实验组TBARs值的降低表明，CAP@GO/PVC薄膜有效抑制了牛肉糜的脂质氧化，延缓了因脂肪过氧化而缩短食品保质期的程度，对生鲜牛肉糜起到了较好的保鲜效果。随着CAP负载量的增加，TBARs值逐渐下降;与对照组相比，CAP负载量50%和100% CAP@GO/PVC薄膜包装的牛肉糜TBARs值分别最大降低1.05、1.88 mg/kg，最大降低幅度分别为37.1%和66.4%。这表明CAP@GO可以通过CAP的缓释效应，减缓生鲜肉类脂质过氧化[33-34]，延长其保质期。这与Claudia等[35]制备的含有抗氧化活性涂层的PET托盘包装火鸡肉TBARs值远低于对照组结论较为一致。

3 结 论

以生鲜肉类保鲜防腐为研究方向，采用喷涂成膜的方式制备CAP@GO/PVC释放型抑菌抗氧化包装薄膜[12]，结合气调和ACP技术共同探究其在包装生鲜肉类贮藏期间的防腐保鲜性能。结果表明：CAP在该薄膜上负载率达95%以上;用此薄膜包装的牛肉糜低温贮藏14 d内，其菌落总数、假单胞菌和大肠菌群数量均显著减少，减少量分别达1.07、1.03、1.08（lg（CFU/g）），CAP的缓释作用协同气调包装和ACP处理有效抑制了生鲜牛肉糜中微生物的滋生，保鲜效果优于单一保鲜技术;同时，CAP@GO/PVC薄膜能够延缓牛肉糜脂质过氧化，减少TBARs的形成，TBARs值最大减少值为1.88 mg/kg，脂质氧化程度降低约66.4%，延长了生鲜牛肉糜的保鲜期，最佳CAP负载量为100%。

本研究为未来天然CAP的开发应用和生鲜肉类贮存加工提供相关的理论依据及保鲜技术，同时也为制备生鲜食品保鲜薄膜提供了思路和参考。但该释放型抑菌抗氧化活性包装膜与易氧化食品间的抑菌抗氧化作用机理、包装膜的安全性问题及其释放活性物质对食品的影响、多种保鲜技术协同作用机理等问题还需进一步研究。未来，需进一步加强与气调包装、ACP及辐照等其他保鲜技术的结合，开发出高效、安全、稳定、可控的控释抗氧化包装膜，全面抑制生鲜食品的腐败，延长货架期。

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收稿日期：2021-04-24

基金项目：江苏省“333工程”中青年学术带头人资助项目（BRA2020368）;

苏州高职高专产学研合作示范基地建设项目（SJGZ20203302）;

江苏省生鲜农产品保鲜工程技术研究开发中心项目（SJK20181025）

第一作者简介：阙小峰（1980—）（ORCID： 0000-0002-4054-1480），男，副教授，硕士，研究方向为食品生物技术与食品安全。

E-mail： amiao2006@163.com