基于百香果果皮果胶的可食性薄膜制备与保鲜性能研究

＊王锦秀 郑明锋 李灼坤 陈清西*

（1.福建农林大学园艺学院 福建 350002 2.福建农林大学食品科学学院 福建 350002）

百香果（Passiflora edulis f.flavicarpa）是全球最常见的食用水果之一[1]，目前对于百香果的产品开发主要集中在果肉饮料加工方面，百香果皮则常被丢弃而污染环境。为了使百香果废弃果皮得到综合利用[2]，可从其果皮中提取出果胶[3]。果胶（Pectin）具有抗氧化、抗炎和降血脂等生物活性，可作为胶凝剂、稳定剂、乳化剂和增稠剂广泛应用在各种食品中。果胶具有可食用性，目前果胶已被用于制造一些可食用性的保鲜薄膜[4]，以减少塑料包装废弃物对环境的污染。如Fan等[5]用果胶/海藻酸钠/黄原胶制备包装鲜切马铃薯的可食用保鲜复合膜，研究发现该复合膜对鲜切马铃薯具有极好的保鲜效果，包覆效果优于热封。

新鲜草莓易受表面机械损伤、生理病变或细菌感染等影响而保鲜期极短，目前应用的气调包装[6]和使用化学防腐剂[7]等保鲜方法都会影响草莓的颜色、味道和质地。常用的PE保鲜膜不仅透湿性差且不可食，应用存在不便。本文以前期研究[3]提取出的可食性的百香果果皮果胶（Passion Fruit Peel Pectin，PFPP）为原料，利用其良好的抗氧化特性和成膜性，与羧甲基纤维素钠CMC、聚乙烯醇PVA等混合制备形成可食性薄膜并研究其性能影响因素，最后将其应用到草莓上进行涂膜保鲜，考察4℃和21℃条件下草莓的失重率、硬度、色泽、呼吸速率、有机酸酸含量、可溶性固形物含量、总糖等指标，以期为延长草莓的保鲜期提供理论依据。

1.材料与方法

（1）材料与试剂。百香果果皮果胶（PFPP），实验室自制；羧甲基纤维素钠（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、甘油，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；草莓，品种为红颜，实验开始当日从福建省福州市闽侯县农心草莓园采摘。

（2）主要仪器。ATY124电子天平、日本三量数显千分尺、NK带表推拉力计、人工智能气候箱、泰双TS7700-3nh分光测色仪、手持式折光仪。

（3）可食性薄膜制备工艺。精确称取一定质量百香果果皮果胶PFPP，加入些许蒸馏水磁力搅拌至完全溶解，按比例依次加入一定质量羧甲基纤维素钠CMC、聚乙烯醇PVA和甘油，磁力搅拌均匀，即得百香果可食膜液。用延展法将百香果可食膜液涂布于玻璃培养皿中，真空脱气1h后置于烘箱中干燥一定时间，取出玻璃皿于25℃、相对湿度60%环境中稳定2h，揭膜，即得百香果可食膜。

（4）可食性薄膜的结构特性表征。通过对可食性薄膜的厚度、抗拉强度（TS）、断裂伸长率（EAB）、透光率、透湿性（WVPR）等结构指标进行表征[8]，并对其进行物理性能综合评分，TS、EAB和透光率3个指标需越大越好，WVPR指标需越小越好。

（5）影响可食性薄膜制备的单因素试验和正交试验。通过对百香果果皮果胶PFPP的质量分数、CMC质量分数、PVA质量分数、甘油质量分数、干燥温度、干燥时间等进行单因素试验，并对CMC质量分数、PVA质量分数和干燥温度这三个因素进行三水平的正交试验。

（6）草莓保鲜处理方法及生理生化指标测定。将当天采摘的新鲜草莓放在阴凉通风处，使果实表面保持干燥无水蒸气，去除破裂、损伤、果形较小果实；将所需的玻璃皿高温灭菌15min，然后放入烘箱50℃烘干备用；将挑选好的草莓分别放入灭菌处理的玻璃皿中，将需测定的不同保鲜薄膜分别紧紧覆盖于玻璃皿上。试验共设置以下7个处理组，将两批相同处理的草莓分别放入RH60%、21℃及RH60%、4℃恒温环境中，21℃每2d测一次生理生化指标，4℃每5d测一次生理生化指标。需测定的生理生化指标包括失重率、腐烂率、色泽、可溶性固形物、有机酸、VC含量等[9]。

表1 保鲜处理组别

2.结果与分析

(1)影响可食性薄膜制备的单因素试验结果与分析

①PFPP质量分数对可食膜性能的影响

由表2可知，随着PFPP质量分数增大，会使得膜液黏度增大，从而降低体系流动性，可食膜的抗拉强度TS会逐渐减小，而透湿性WVPR逐渐增大；而断裂伸长率EAB和透光率则均呈现先增大后减小的趋势，当PFPP质量分数为0.20%时，EAB达到最大值为181.82%，透光率达到最大值为54.27%。综上，PFPP质量分数选取0.20%为宜。

表2 PFPP质量分数对可食膜性能的影响

②CMC质量分数对可食膜性能的影响

由表3可知，随着CMC质量分数增大，可食膜液浓度也随之增加，导致单位体积内分子数大幅上升，增加了膜基质中大分子网络的密度及聚合度，使膜结构更加致密，可食膜抗拉强度TS出现先增大后减小，而断裂伸长率EAB呈现出逐渐降低趋势，透湿性WVPR则随着CMC质量分数增加而增大。可食膜透光率则在CMC质量分数为0.20%时达到最大值64.43%。综上，CMC质量分数选取0.20%为宜。

表3 CMC添加量对可食膜性能的影响

③PVA质量分数对可食膜性能的影响

由表4可知，随PVA质量分数增大，膜基质间的氢键作用逐渐增强，导致膜的结构更加紧密，当PVA质量分数为0.80%时，膜的TS达最大值17.39MPa，EAB达最大值170.00%，可食膜TS和EAB呈现出先增大后减小的趋势。当PVA质量分数＞0.80%时，可食膜表面则会呈现凹凸不平、固体析出等现象，从而引发应力集中的缺陷，导致可食膜在拉伸过程中因表面受力不均出现细小裂痕，影响可食膜的整体力学性能。而可食膜的透光率随PVA质量分数增大而增大，而WVPR随PVA质量分数增大而减小。综上，PVA质量分数选取0.80%为宜。

表4 PVA质量分数对可食膜性能的影响

④甘油质量分数对可食膜性能的影响

可食膜的膜基质间的氢键作用使分子链僵硬脆弱，而甘油作为小分子多元醇，具有良好的亲水性，在高温的作用下可迅速插进果胶分子链间，阻碍膜基质分子间的氢键作用，削弱分子间作用力，软化可食膜的刚性结构，同时甘油的羟基可与CMC的羧基发生化学反应，增加体系相容性，使膜的塑性增高，因此由表5可知，随甘油质量分数增大，可食膜TS和EAB呈现先增大后减小趋势，当甘油质量分数为0.30%时，膜的TS达最大值14.30MPa，EAB达最大值151.11%。可食膜的透光率和WVPR则由于甘油具有较强亲水性而随甘油质量分数的增加而减小。综上，甘油质量分数选取0.30%为宜。

表5 甘油质量浓度对可食膜性能的影响

⑤干燥温度对可食膜性能的影响

由表6可知，当干燥温度为30℃时无法成膜，而可食膜TS、EAB和透光率均会随干燥温度上升而减小，而透湿性则会增加。当干燥温度＞40℃时，水分子逐渐被蒸发，甘油亲水基团只能与膜基质中高聚合物基团形成氢键，导致可食膜柔软性降低、塑性增强，TS、EAB会因此减小；且随干燥温度升高，可食膜部分成分还未形成有序结构就被固定，会导致透光率降低。综上，干燥温度选取40℃为宜。

表6 干燥温度对可食膜性能的影响

⑥干燥时间对可食膜性能的影响

由表7可知，当干燥时间为3h时，可食膜中心区域未干燥完全，不成膜，无法测量。但在一定温度下，干燥超过3h后有助于增强膜组分分子间相互作用，使其有足够时间在成膜过程中延伸充分，形成稳定有序、致密的网络结构，因而机械性能得以改善，TS、EAB及透光率均较大；但随着干燥时间进一步延长，即超过4h后，可食膜组分分子间的作用力进一步加强，分子链流动降低，因而延伸率逐渐减小，同时可食膜水分随时间延长而逐渐蒸发，含水量逐渐降低，导致其质地硬脆，TS、EAB及透光率均减小。综上干燥时间选取4h为宜。

表7 干燥时间对可食膜性能的影响

(2)影响可食性薄膜制备的正交试验结果与分析

对前述的单因素试验结果进行主成分分析，发现CMC质量分数、PVA质量分数和干燥温度这三个因素对可食性薄膜的制备影响最大，故对这三个因素进行三水平的正交试验和验证试验。最终的综合实验结果表明以百香果果皮果胶PFPP制备出的可食性薄膜的最佳工艺条件为CMC质量分数0.2%、PVA质量分数1.0%、干燥温度40℃，并且PFPP质量分数为0.20%，甘油质量分数为0.30%，干燥时间为4h。

(3)可食性薄膜在草莓上的保鲜试验结果与分析

①可食性薄膜保鲜对草莓失重率的影响

草莓在贮藏过程会由于呼吸活动、蒸腾作用而引起失重并造成品质下降，因此失重率是衡量草莓保鲜效果的一项重要指标。由图1可知，随着贮藏时间的延长，各处理组的草莓在4℃和21℃条件下，失重率均显著逐渐升高，空白组即CK组的草莓失重率均为最大值。在4℃贮藏25d和21℃贮藏8d后，PFPP组失重率较CK组分别降低了34.12%、36.14%，说明覆盖膜可有效阻止草莓水分蒸发，降低草莓呼吸作用和氧化反应的发生，降低其贮藏期间的失重率。PE-PFPPL组常温21℃贮藏至8d时已全部腐烂，无法称重。观察发现，PE组与PE-PFPPL组均能将草莓失重率维持在较低水平，说明PE膜透湿性较差。由于PE膜不透气，导致水分在PE膜内部凝结成为水珠，滴落至草莓表面，促进草莓微生物生长并快速腐烂，而可食性薄膜PFPP组由于透湿性好，可延缓草莓腐烂和失重。

图1 不同处理在21℃及4℃条件下对草莓失重率的影响

②可食性薄膜保鲜对草莓腐烂率的影响

图2显示的是处理后的七组草莓在不同贮藏条件下表观的变化，低温可有效延长草莓贮藏时间，同时果胶可食膜（包括第三组PFPP、第六组GFPP及第七组BP）抑菌效果明显，可有效抑制霉菌及其他微生物产生。由图3可知，所有草莓的腐烂率在贮藏期间均有所增加，而果胶膜处理的四组草莓腐烂率均较低，这主要是由于果胶物质充当了保护屏障，限制了水分转移并保护草莓免受机械损伤，从而延缓脱水并降低真菌感染率。此外，PFPP组草莓草莓腐烂率相较最低，可能是因为本实验室提取出的百香果果皮果胶PFPP还含有部分花色苷，所以可以抑制更多的致病细菌和真菌生长，有助于减少腐烂程度。

图2 不同处理在21℃及4℃条件下草莓表观对比图

图3 不同处理在21℃及4℃条件下对草莓腐烂率的影响

③可食性薄膜保鲜对草莓色泽的影响

CIEL*a*b*色度空间是当前最通用的测量物体的颜色空间之一，其中，L*值表示明亮度；a*代表红绿色差；b*表示黄蓝色差；H值为色调角；C为色泽饱和度；CIRG表示果实的成熟指数。21℃贮藏8d后，亮度最大的是PE组；a*都是正值红色，其中PE组草莓偏红程度最大，其次是PFPP组；b*值都是正值偏黄色；七个处理组的色度角H差异显著，PE组色度角最小，颜色最红，其次是PFPP组；色饱和度C值反映了草莓的色泽纯度，CK组草莓着色纯度不及PFPP、GFPP和P组，PE颜色最纯，因为PE组草莓水分损失最少，果实更加饱满，色泽亮丽。

④可食性薄膜保鲜对草莓可溶性固形物的影响

可溶性固形物（TSS）是指食品中可溶性糖类等可溶物质，该指标一定程度上反映了草莓在储藏过程中其内部营养物质的变化情况。由图4可知，常温和低温贮藏草莓的TSS变化趋势均为先上升后下降，并在21℃贮藏4d、4℃贮藏15d时七组草莓TSS均达最大值，而后开始下降。这是因为在贮藏前期草莓继续成熟发生了蔗糖的合成，在后期下降则是因为草莓的呼吸速率较快，会降解更多蔗糖以维持草莓的生理活性。七组中未包装的和由PVA材料包装的草莓样品中TSS下降更明显，三种果胶可食膜包装的草莓则可维持较大的TSS水平，并且PFPP可食膜包装的草莓样品在21℃和4℃贮藏期结束时均可保持最高水平的TSS，分别为（12.70±0.11）%和（14.80±0.09）%，这也表明PFPP可为草莓提供最合适的贮藏环境。

图4 不同处理在21℃及4℃条件下对草莓可溶性固形物的影响

⑤可食性薄膜保鲜对草莓有机酸含量的影响

草莓中的有机酸含量会直接影响着草莓风味。有机酸在草莓的贮藏过程中不断被消耗，草莓的风味与品质也随之变差。在贮藏过程中有机酸会作为氧化呼吸底物被消耗，同时也有一部分被转化为糖。如图5所示，贮藏期间草莓的可滴定酸含量总体呈下降趋势，且CK组和PE组、PE-PFPPL组的可滴定酸含量总体低于果胶可食膜组，CK组后期尤其下降最明显。在21℃贮藏8d、4℃贮藏25d后，PFPP可食膜处理的草莓有机酸含量在七组处理中均为最大值，分别为（12.88±0.11）%和（13.94±0.29）%，比CK组分别高28.4%、23%。表明PFPP果胶可食性膜能减缓有机酸的降低，可延长草莓货架期并保持其良好的风味。

图5 不同处理在21℃及4℃条件下对草莓可溶性固形物的影响

⑥可食性薄膜保鲜对草莓VC含量的影响

如图6所示，可以看出草莓贮藏期Vc含量均呈下降趋势。21℃贮藏期间，草莓果实中的Vc下降速度较快，贮藏8d和4℃贮藏20d后PFPP组草莓果实VC含量均所剩最多，分别为45.72mg/100g和51.65mg/100g，可见可食膜覆盖可明显延缓草莓Vc含量降低，且在低温情况下效果更为显著。这是由于涂膜后可在果实表面形成一层半透膜，起到气调保鲜作用，可抑制草莓呼吸。同时CMC和PVA的存在能降低草莓呼吸强度并激发了某些还原酶的活性，清除草莓体内的氧化物质，防止还原型Vc被氧化，起到稳定Vc、保证草莓的营养的效果。从整体来看，PFPP组处理过的草莓Vc含量下降速度相对于其他处理组更加缓慢。

图6 不同处理在21℃及4℃条件下对草莓Vc的影响

3.结论

本文通过前期研究提取出的百香果果皮果胶PFPP与羧甲基纤维素钠（CMC）、聚乙烯醇（PVA）、甘油等复合制备出可食性薄膜，并通过对百香果果皮果胶PFPP的质量分数、CMC质量分数、PVA质量分数、甘油质量分数、干燥温度、干燥时间等进行单因素试验，发现PFPP质量分数为0.20%，CMC质量分数为0.20%，PVA质量分数为0.80%，甘油质量分数为0.30%，干燥温度为40℃，干燥时间为4h时最佳。同时对单因素试验结果进行主成分分析，发现CMC质量分数、PVA质量分数和干燥温度这三个因素对可食性薄膜的制备影响最大，故对这三个因素进行三水平的正交试验和验证试验。最终的综合实验结果表明以百香果果皮果胶PFPP制备出的可食性薄膜的最佳制膜工艺条件为CMC质量分数0.2%、PVA质量分数1.0%、干燥温度40℃，并且PFPP质量分数为0.20%，甘油质量分数为0.30%，干燥时间为4h。将制备出的PFPP可食性薄膜应用到草莓的保鲜贮藏中，通过测定在21℃常温和4℃低温保存条件下PFPP可食性薄膜对草莓保鲜过程中的失重率、腐烂率、色泽、有机酸含量、可溶性固形物含量、VC含量等理化指标的变化，发现相比其它6组保鲜处理膜，PFPP可食性薄膜在草莓保鲜方面整体上具有更加优异的保鲜性能，且部分原因可能是由于PFPP具有更好的透湿性以及含有部分花色苷。基于百香果果皮果胶制备出的可食性薄膜可为延长草莓的保鲜期提供新的技术支撑，具有重要的社会应用价值。