多糖-纳米材料复合涂层在水果保鲜中的研究进展

肖移聪，刘军*，马梦亚，马文梅，姜薇，艾斯卡尔·吐尔逊， 古丽菲热·伊力哈木，秦新政，艾合买提江·艾海提*

1(新疆大学 生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐，830052)2(新疆农业科学院 微生物应用研究所，新疆 乌鲁木齐，830091)

水果在采摘后由于自身的呼吸作用会不断消耗其体内的营养物质，从而降低水果自身的品质。前人研究表明，果蔬的衰老与活性氧(reactive oxygen species,ROS)代谢平衡密切相关，ROS代谢平衡控制着ROS的产生和清除以及酚类物质的合成和氧化的动态平衡[1]。过量的ROS可导致膜脂质过氧化，从而严重损害细胞膜，造成水果变软，在色泽上出现令人不满意的变化。水果在储存过程中还会受到来自外部环境的威胁，如致病菌和储存条件。在不受控制的储藏条件和病原性微生物的感染下都会造成水果过早变质和储存寿命变短[2]。对于水果的存储环节，现有的保鲜工艺和保鲜技术较为复杂，成本较高，因此新的包装保鲜材料和技术的研发引起相关领域工作者的重视。

对于水果的保鲜，使用可食性薄膜或涂层来提高气体或水的选择渗透性，可在水果表面营造一个低O2高CO2的气体环境，抑制其呼吸速率[3]。一些生物大分子物质如多糖、纤维素等具有良好的成膜性能[4-5]。其中，大部分多糖都是天然抗菌剂，具有无毒、可生物降解、广谱性等优点，适用于水果保鲜[6]。但多糖具有亲水性，因此多糖普遍存在抗水蒸气性能低、机械性能较差等缺点[7]，而纳米材料具有独特的力学性能，因此添加纳米材料来改善多糖类生物聚合膜的性能是一种很有前景的方法。最近有研究表明，添加纳米材料可以很好地提高多糖类生物聚合膜的物理、机械和气体阻隔性能[8]。KANMANI等[9]在琼脂、角叉菜胶和羧甲基壳聚糖中添加纳米氧化锌颗粒，然后采用溶剂浇铸法制备纳米复合薄膜。添加纳米ZnO增强了薄膜的颜色、紫外线阻隔性、水分含量、疏水性、伸长率和热稳定性，同时降低了水蒸气透过率、拉伸强度和弹性模量。已有研究表明，含有柠檬醛纳米乳液、纳米TiO2、纳米复合材料Ag/TiO2的涂层有助于延长鲜切甜瓜和哈密瓜等水果的采后货架期[10-12]。因此，本文将围绕多糖纳米复合涂层保鲜技术在水果中的研究应用现状进行总结和分析，为多糖纳米保鲜技术在水果中的应用提供依据。

1 多糖纳米复合涂层的保鲜机理

根据前人的研究发现，水果储存期缩短的主要原因是水果本身的呼吸作用和来自外界病原菌的侵染。多糖涂层可以选择性地允许气体透过，这使得它对气体具有良好的阻隔性，能够在涂层水果内形成改良的大气条件，即使将周围环境与涂层食品之间的气体转移速度降至最低，呼吸速率也不会完全终止，这使被涂布后的水果以较低的速率进行有氧呼吸，衰老过程也以较低的速率发生，因此，水果的保质期得到了延长。除此之外多糖还具有广泛抗菌性能，这也阻挡了来自外界病原菌的浸染。尽管基于多糖的涂层提供了出色的气体阻隔性，但它的亲水性、阻隔性较差。因此，有必要提高多糖基涂层的阻水能力和其他性能，以增加其作为食品涂层的功能。将纳米材料掺入多糖中可为涂层提供出色的机械和阻隔性能，而且纳米材料还具有优异的抗菌活性。最近研究表明，纳米材料可以破坏细胞壁的正常功能，使蛋白质失活以及通过形成ROS诱导生物大分子发生氧化链式反应，直接破坏细胞的生理结构；另一方面，纳米颗粒具有显著的正Zeta电位，有助于与细胞膜相互作用，从而破坏细胞膜，影响质膜的传递通道，导致细胞死亡[13]，从而增强了涂层的抗菌性。比如纳米AgO可以释放出穿透细胞壁并与细胞质成分发生反应的Ag+[14](图1)。涂层还可以降低挥发性物质的损失以及最大限度减少水果的物理损伤。因此在整个保鲜过程中，多糖/纳米材料复合涂层可以延长水果的保鲜期，一方面是由于涂层在水果表面形成的膜可以营造一个低O2高CO2的环境，使水果的呼吸作用受到抑制；另一方面是多糖/纳米材料的协同作用增强了涂层的抗菌性能，因此能够更好地抵挡来自外来病原菌的侵染。

1-通过静电吸引，纳米银附着到细胞表面，破坏细胞壁， 与细胞膜相互作用；2-诱导自由基的产生，渗透性发生变化， 细胞内容物泄漏；3-与DNA相互作用，破坏DNA结构； 4-抑制蛋白质合成和功能图1 纳米银抗菌活性机理图[14]。Fig.1 antibacterial activity mechanism of nano silver, Cited in[14]

2 多糖纳米复合材料在水果储存中的应用

2.1 壳聚糖

壳聚糖具有可降解性、来源广泛、抗菌活性等许多优良特性，使其在包括食品工业的许多领域中都得到广泛的应用[15-16]。壳聚糖薄膜可作为食品包装材料，特别是与其他成膜材料结合使用时[17]，对各种食品具有良好的保护作用。最近壳聚糖/纳米SiO2涂层被应用于草莓[18]和新鲜龙眼[19]的保鲜，实验结果表明，壳聚糖/纳米SiO2涂层保鲜效果优于单一的壳聚糖涂层。经壳聚糖/纳米SiO2涂层处理的草莓和龙眼，其失重和呼吸速率显著降低，硬度、颜色和其本身的营养物质得到了更好地保持，从而减缓了果实的失水和成熟过程。左海根等[20]研究了壳聚糖/纳米TiO2复合涂层对香蕉保鲜的影响。实验结果表明，壳聚糖/纳米TiO2涂层可以有效减少果皮的褐变，减缓香蕉的成熟进程，在储存16 d时，未处理的香蕉明显腐烂，且内部肉质软烂并有明显异味，但经过处理的香蕉表皮虽然变黑但是其内部果肉肉质紧实，无明显异味。杨华等[21]研究了不同浓度下(0.1、0.3 g/L)纳米TiO2/壳聚糖复合膜对芒果在储存过程中的保鲜效果，结果表明，该复合涂层可以显著降低芒果的失重以及维持较好的硬度，在储存过程中芒果的营养物质如可溶性固形物和维生素C也得到很好的保持。这是由于涂层在水果皮表面形成低O2高CO2的微环境，较低的O2含量，可以抑制水果的呼吸作用，削弱水果的新陈代谢，降低了与水果硬度相关酶的活性和果胶物质转换速度，从而延缓水果果实的软化以及降低营养成分的损耗。虽然壳聚糖/纳米TiO2复合膜都具有保鲜效果，但当纳米TiO2含量为0.03%时，涂层的保鲜效果最佳。

ARROYO等[22]研究了壳聚糖/纳米ZnO涂层对番石榴货架期的影响。研究了在相对湿度为80%、温度为(21±1)℃的环境下储存20 d的番石榴的变化情况。结果表明，壳聚糖/纳米ZnO涂层可以减少番石榴的质量损失，延缓其成熟进程。从成熟度来说经过涂层处理的番石榴拥有更低的成熟度(可溶性固形物/可滴定酸)，这是由于壳聚糖/纳米ZnO涂层在番石榴表面形成一层较为致密的膜，这层膜与果皮之间形成了一个低O2高CO2的环境，抑制其呼吸作用从而延缓了番石榴成熟。未涂层番石榴从第12天起就已经出现损伤，而涂层果实直至储存结束后也未出现损伤。LAVINIA等[23]研究了壳聚糖/纳米ZnO涂层对鲜切木瓜的保鲜效果，经过涂层的木瓜在储存4 d后仍然可以安全食用，未涂层的木瓜微生物含量超过了印尼食品与药物管理局(Badan Pengawas Obatdan Makanan)规定的微生物计数最大限值(5.00 lg CFU/g)。实验结果表明，壳聚糖/纳米ZnO之间协同作用可以增强涂层的抗菌活性，该复合涂层可以通过减少微生物生长来保持鲜切木瓜的质量。

2.2 海藻酸钠

海藻酸盐是褐藻和海藻中含量最丰富的多糖之一。藻酸盐具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒等优点，具有作为活性包装材料的潜力[24-25]。

李晓宇等[26]观察了海藻酸钠/纳米TiO2涂层在常温下对鲜水蜜桃的保鲜效果。结果表明，经过涂层的水蜜桃在储存8 d后的感官评分要高于未涂层的水蜜桃，被涂层的水蜜桃本身的香味也得到了很好的保持，果实的腐烂率较少、微生物生长受到了抑制。此外纳米TiO2的加入使复合膜的透气性降低，使果皮与涂层之间维持在一个较高的CO2浓度，而且纳米TiO2在紫外光的照射下可以将乙烯分解成CO2和水，因此被涂层的果实呼吸峰值比未涂层的出现的要晚，这表明涂层对水蜜桃的成熟有一定的控制作用。郭欣等[27]的研究也探索了海藻酸钠/纳米TiO2涂层在番木瓜上的应用，但研究主要集中在番木瓜果实采后软化的机理上，将1.0%海藻酸钠与0.1%纳米TiO2混合制备成涂抹液，将番木瓜浸泡在该涂层中5 min，晾干之后装入聚乙烯袋中。将番木瓜置于温度28 ℃、相对湿度为80%的环境下储存12 d。实验结果表明，海藻酸钠/纳米TiO2涂层可以有效地维持番木瓜的硬度，有效地抑制采后番木瓜果实细胞壁中原果胶的降解，延缓可溶性果胶的生成。经过海藻酸钠/纳米TiO2涂层处理的番木瓜，其体内参与细胞壁代谢的关键性酶，如多聚半乳糖醛酸酶、果胶甲酯酶和β-半乳糖苷酶等活性降低，从而维持果实完整的细胞壁结构，延缓果实软化，延长采后番木瓜货架期。

EMAMIFAR等[28]研究了海藻酸钠/纳米ZnO涂层以及在冷藏条件下对草莓货架期的影响。经过涂层的草莓储存在1 ℃和相对湿度为95%的冰箱中，持续20 d。结果表明，经过涂层处理的草莓表现出更低的微生物生长、质量损失，这表明水果表面的蒸腾作用和呼吸速率降低。另外经过处理之后的草莓表现出更高的硬度，这可能是由于CO2在水果内部的积累导致了对水果软化酶的抑制。其最根本的原因是由于纳米ZnO的加入改变了海藻酸钠涂层的力学性能，使其形成的膜更为致密，阻碍了CO2的排出。纳米涂层草莓可溶性固形物总量增加较少，总酸、抗坏血酸、花青素和多酚含量下降幅度较小，说明涂层可以控制果实成熟度。涂层草莓过氧化物酶活性的升高幅度较小，超氧化物歧化酶活性的降低幅度较小，说明涂层草莓能够更好地抵御各种伤害或胁迫。感官评价还表明，与未涂层的草莓相比，涂层草莓具有更好的可接受性。

2.3 羧甲基纤维素

羧甲基纤维素是一种线性、长链、水溶性阴离子多糖，可用作水果涂层材料[29]。羧甲基纤维素涂层在实际应用中可以保持水果在储存过程中的质量，最近有研究表明羧甲基纤维素涂层可以延长鲜切苹果[30]、梨[31]和草莓[32]的货架期。出于对羧甲基纤维素成膜性能的考虑，KOUSHESH SABA等[33]研究了羧甲基纤维素/纳米ZnO复合涂层对石榴的保鲜效果。涂层果实在4 ℃和相对湿度为90%的条件下储存12 d。结果表明，直至贮藏结束，涂层处理的果实微生物生长速度一直较低。这得益于纳米ZnO在储存过程中起到的抑菌、杀菌作用。此外，与未涂层的果实相比涂层处理的果实在整个储藏期间，其硬度、可溶性固形物和维生素C都表现出更好的状态。这是由于纳米ZnO的添加显著改善了羧甲基纤维素膜的气体阻隔性能，降低了果实的呼吸速率，从而延长其储存的时间。

2.4 其他类多糖

蜂胶是蜜蜂从树木的芽、皮或其他植物的幼苗上采集树脂，并混合了蜂蜡、花粉、β-葡萄糖苷酶等物质而制成的[34]。蜂胶因其具有较强的抗菌杀菌性、抗氧化性以及较好的成膜性能，在近几年受到人们的广泛关注。张蓓[35]研究了蜂胶/纳米SiO2涂层在4 ℃下对圣女果保鲜的影响。圣女果在4 ℃和相对湿度为65%～70%的环境下储存18 d，实验结果表明，蜂胶/纳米SiO2涂层可以降低圣女果的失重率和硬度，此外经过涂层处理的圣女果在第9天时才开始腐烂，未处理的圣女果在第6天就已经有明显的腐烂。而对于圣女果的呼吸峰值而言，涂层处理的圣女果比未处理的晚了3 d，且呼吸峰值低于未处理的圣女果。被涂层的圣女果可溶性固形物以及维生素C和可滴定酸在储存期间得到了较好的保护，这都表明圣女果的成熟进程被减缓。

果胶是一种复杂的多糖，存在于植物细胞壁中，由于其具有无毒、生物相容性和可生物降解的特性而成为食品包装行业的热点之一[36]。ROMADHAN等[37]研究了果胶/纳米ZnO复合安全涂料在杨桃上的应用。实验结果表明，涂层和未涂层的杨桃在失重率方面没有明显的差异，这可能是由于果胶所含有的亲水基团太多和纳米ZnO的添加量太小造成的。此外，在储存过程中杨桃果实褐变指数降低、红度值增加、物理损伤减少。在贮藏期结束前，涂层的杨桃仍可食用，而未涂层的杨桃则不能食用。

卡拉胶是一种来源于红藻，具有凝胶形成和增稠能力的多糖。因其具有优良的成膜潜力[38]，卡拉胶已作为一种安全的涂料被广泛应用。MEINDRAWAN等[39]研究了卡拉胶结合纳米ZnO对芒果的保鲜。涂层溶液由0.8 g卡拉胶、0.5 mL甘油和不同浓度(0%、0.5%、1%)的纳米ZnO组成，将芒果在20 ℃和相对湿度为61%的环境下储存20 d。被涂层的芒果在储存期间失重率减少，这是由于卡拉胶中加入了纳米ZnO改善了水分阻隔性。与未涂膜的芒果相比，该复合涂层不能保持芒果的硬度。这可能是因为在涂层生产过程中，氧化锌纳米颗粒聚集的形成可能会影响涂层的阻隔能力，并且有许多因素会导致芒果软化，而这种软化不受涂层的抑制。芒果的总酸度随着储存时间的增加而降低，这种现象是由成熟过程中柠檬酸降解引起的，而且涂层可降低呼吸速率并减少液泡中有机酸作为呼吸基质的使用，该结果也得到了CO2产量测定结果的支持。对照组芒果的CO2产量比经过涂布处理的芒果高。同时，ZnO纳米颗粒有助于改善涂层性能，尤其是在蒸腾过程中抑制O2和CO2的交换，该研究表明涂层可以维持芒果的货架期。在整个储存过程中，当纳米ZnO的用量为10 g/L时保鲜效果最佳。这是由于适当的纳米ZnO的添加量可以使纳米ZnO均匀分散在卡拉胶溶液中，使膜的性能达到最佳，从而使膜具有更好的水蒸气和氧气的透过性。

王芳[40]利用余甘多糖的还原性来合成纳米银粒子，从而生产出余甘多糖/纳米银复合涂层，将荔枝在涂层溶液中浸泡3 min，待自然晾干后装入PVC包装盒中，然后储存在不同的温度(25、4 ℃)下。在储存过程中，储存温度为25 ℃的荔枝从好果率上看仅可储存5 d，但在4 ℃下的荔枝可贮藏21 d。可见温度是影响荔枝储存期的一个重要的因素。但在4 ℃下经过涂层处理的果实的失重率和褐变指数相较于同温度下储存的对照组更低，果实的外观保持地更好。对于果实的营养品质来说，同温度下经过涂层处理的荔枝在可溶性固形物含量上以及口感上均优于未处理的对照组。因此，低温是延长水果保鲜期的良好方法，但低温结合涂层处理的保鲜效果要强于单一的低温储存。

3 纳米颗粒作为复合涂层材料的安全性问题

3.1 迁移性问题

纳米技术应用于食品包装至今还不到20年，但是由于纳米材料尺寸、表面结构、化学组成等特性，在食品包装上出现了许多具有新功能的包装材料如抗菌活性包装[41]。食品包装是食品生产的重要组成部分，随着经济的发展和人们生活水平的提高，消费者对健康问题的关注程度越来越高。食品包装材料的迁移程度和安全性是人们关注的重点问题。

目前，纳米包装材料对人体健康的危害主要是由于纳米颗粒向食物中迁移，AVELLA等[42]最先研究了纳米粒子从纳米复合材料向包装食物的迁移，此后BUMBUDSANPHAROKE等[43]通过不同食品模拟物研究了低密度聚乙烯-纳米ZnO复合膜中纳米ZnO的迁移。结果表明，在模拟的脂肪食物中没有检测到锌，而纳米ZnO在模拟的酸性食物中的迁移率最高。此外，还发现纳米ZnO在模拟的酸性食物中溶解度最高。这一结果与曹国洲等[44]研究结果相似，他借助扫描电镜发现纳米材料在不同的模拟物中的迁移量不一样：酸性食物>水性食物>油性食物>酒类食物。HAFTTANANTAN等[45]研究了不同温度下(30、45、60 ℃)商用聚丙烯/纳米ZnO复合材料中纳米ZnO在蒸馏水、体积分数4%的乙酸和正庚烷中的迁移率。结果表明，随着时间的延长，纳米ZnO颗粒迁移的数量也在增加，高温条件下纳米ZnO迁移速率最高。另外，还发现纳米ZnO在乙酸和正庚烷上拥有更高的迁移率。根据目前的研究结果，纳米颗粒的迁移主要与食品属性、温度、接触时间等因素有关，日后也需要更多的实验探究纳米颗粒的迁移规律，为其日后的应用提供一定的科学依据。

3.2 毒性问题

纳米复合涂层直接与水果果皮接触，已有大量的研究证明纳米材料用于水果涂膜后会发生迁移，因此了解纳米材料迁移到水果中的毒性作用，对保证食品的安全及消费者的健康有着至关重要的作用。水果涂层中的纳米材料主要通过口腔进入，进而对人体的器官造成一定伤害[46]。纳米颗粒的毒理主要包括：氧化应激、炎症反应以及氧化损伤[47]。BARKHORDARI等[48]的研究专门测试了纳米ZnO(30～70 nm)对人类精子细胞的毒性作用。实验表明纳米ZnO通过剂量和接触时间的方式导致精子细胞死亡。当浓度高达100 μg/mL的ZnO纳米粒子与精子一起孵育90 min，导致细胞死亡不到10%。陈艾婕[49]以纳米ZnO和纳米TiO2对Wistar大鼠进行舌体滴注，结果表明纳米颗粒可通过味觉神经通路导致神经中枢毒性，引起大脑组织氧化损伤，降低学习记忆和认知能力。熊雰等[50]研究发现不同尺寸的纳米ZnO可增强乳酸脱氢酶的释放率，改变细胞膜通透性，使细胞膜受损，同时又可抑制碱性磷酸酶的活性，影响细胞分化程度。此外，WAHAB等[51]将ZnO 纳米颗粒引入恶性细胞(T98G和KB)和非恶性细胞(HEK)。结果表明，ZnO纳米颗粒对T98G细胞的生长有抑制作用，对KB细胞有中度抑制作用，对正常HEK细胞毒性最小。NAMVAR等[52]用小鼠的正常成纤维细胞测试了ZnO纳米颗粒的毒性。结果表明纳米ZnO(100 μg/mL)对小鼠的正常成纤维细胞没有显示任何毒性。

4 结论

食品包装的主要功能是保护食品免受物理、生物和化学的影响。食品包装保存食品的能力是通过延缓食品变质，保存和延长食品加工带来的有益影响，通过提高保质期来保存食品的质量和安全。复合涂层应用于水果属于食品包装的一种。随着社会与经济的发展，许多水果已经在世界范围内商业化，水果的需求量也在逐年增加。然而，水果的易腐性使其在采摘后很容易腐烂变质，尤其是水果在长途运输时。传统的保鲜方法如冷链运输、聚乙烯薄膜包装，能耗大又不环保，因此需要一种既环保又经济的保鲜材料。多糖是一种广泛存在于自然界的一种高分子聚合物，它具有生物可降解性、抗菌和抗真菌活性以及成膜性等特点，因此广泛应用于水果保鲜。但由于其成膜的力学性能较差，因此常需在多糖中加入纳米颗粒来增强其力学性能和抗菌性。纳米技术虽应用于食品包装不到20年，但发展迅速，已出现多种具有特殊性能的食品包装材料，因此在水果保鲜方面，多糖/纳米复合涂层具有广阔的市场前景。当多糖/纳米复合涂层直接涂布在水果表皮，纳米材料会通过迁移进入果皮，然后通过食用进入人体。故纳米复合涂层的安全性和适用性还需持续关注。