聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯打孔膜对双孢蘑菇的保鲜效果研究

李晓楠,于泽东,邹丽娜,周小婉,吴习宇,2,任丹,2,徐丹,2*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(西南大学,食品贮藏与物流研究中心,重庆,400715)

双孢蘑菇含有丰富的蛋白质、维生素、膳食纤维和多种矿物质等,具有很高的营养价值[1],并且味道鲜美、价格低廉、易于收获,因此被广泛种植[2]。然而,采后的新鲜双孢蘑菇由于含水量高,呼吸代谢旺盛,在贮运过程中易于褐变和腐烂,从而失去商品价值,造成了巨大的经济损失和粮食浪费[3-4]。采用适宜的包装材料对其进行包装,可显著抑制其呼吸、降低失重,并减少微生物的侵染,进而有效延长货架期,对于减少浪费和促进产业发展具有重要意义。目前,双孢蘑菇常用的包装材料是聚乙烯(polyethylene,PE)等石油基不可降解高分子薄膜[3]。这些膜材用量大且难以回收,造成了较大的环境压力,且PE膜阻湿性强,容易使双孢蘑菇采后蒸腾作用产生的水蒸汽凝结在包装膜表面,并滴落至包装内部,加快细菌滋生进而缩短货架期[5-6]。

聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯[poly(butylene adipate-co-terephthalate),PBAT]是一种可完全生物降解的石油基聚合物,具有良好的热加工性、出色的密封性[7]和良好的机械性能[8],因此有望加工为膜材用于果蔬保鲜。但PBAT分子具有一定极性,对非极性气体如O2、CO2等的阻隔性较高,用于采后呼吸代谢活跃的果蔬包装时,可能会使包装内O2浓度过低而导致无氧呼吸。采取在薄膜上打孔的方式,则可根据果蔬的呼吸强度来灵活调节薄膜的气体透过率,从而调控包装内O2和CO2的浓度,实现自发气调的效果[9-10]。

因此,本研究首先采用挤出吹塑法制备了一定厚度的PBAT膜,以市售PE膜为对照,测定了它们的力学性能和气体透过性,将其打孔后用于双孢蘑菇的贮藏保鲜,对比2种膜材和打孔数对双孢蘑菇贮藏品质的影响,以评价PBAT打孔膜在果蔬保鲜中的应用潜力。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

双孢蘑菇,购自重庆市北碚区天生农贸市场;PBAT(型号为C1200),德国巴斯夫集团;聚丙烯保鲜盒(13 cm×9 cm×5 cm),台州邦丰塑料有限公司;PE保鲜膜,脱普日用化学品有限公司;碘酸钾(分析纯),成都市科隆化学品有限公司;福林酚,北京索莱宝科技有限公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HTGD-20小型双螺杆挤出机,广州市哈尔技术有限公司;HTBS-20吹膜机,广州市哈尔技术有限公司;7327A测厚规,日本三丰公司;SCW-500电子拉力机,济南兰光机电技术有限公司;TU-1950双光束紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限公司;W3/060水蒸气透过率测试系统,济南兰光机电技术有限公司;SZ-CAMB3接触角测量仪,上海轩准仪器有限公司;CheckMate 3顶空气体分析仪,美国膜康公司;WR-18手持式精密色差仪,深圳市威福光电科技有限公司;GY-4硬度计,乐清市艾德堡仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 PBAT膜的制备

采用小型双螺杆挤出机对PBAT母料进行挤出造粒,挤出机各区从130 ℃逐步升高至160 ℃,螺杆转速为100 r/min。然后,将PBAT粒料使用小型吹膜机吹塑成型,吹膜机各区从130 ℃逐步升高至145 ℃,螺杆转速为30 r/min,牵引转速为25 r/min,收料转速为36 r/min。

1.3.2 PBAT膜和PE膜的表征

1.3.2.1 厚度

使用测厚规测定薄膜厚度,每张膜等距选取5个点测量,结果取平均值。

1.3.2.2 力学性能

参照GB/T 1040.3—2006 《塑料 拉伸性能的测定 第3部分:薄膜和薄片的试验条件》,将薄膜裁切成15×150 mm的长条试样,采用电子拉力机进行测试,夹具间隔固定为50 mm,拉伸速度设为50 mm/min,测定薄膜的拉伸强度、断裂伸长率,并计算其弹性模量。

1.3.2.3 透光率

参考CHEN等[4]的方法,将薄膜裁切成1 cm×5 cm的长条试样,使用双光束紫外可见分光光度计测定其在190～800 nm波长的透光率。

1.3.2.4 水蒸气透过率

将薄膜在25 ℃、70%相对湿度(relative humidity,RH)环境中平衡24 h后,使用水蒸气透过率测试系统,在相同温湿度条件下,测定薄膜的水蒸气透过率。

1.3.2.5 氧气透过率

将薄膜在23 ℃、50%RH环境中平衡24 h后,使用氧气透过率测试系统,在相同温湿度条件下,测定薄膜的氧气透过率。

1.3.2.6 接触角

使用接触角测量仪测量薄膜的水接触角。将膜固定在载物台上,使用自动加液模式滴加2 μL超纯水于膜表面,60 s后拍照,计算水接触角。

1.3.3 双孢蘑菇包装处理

在本地农贸市场购买当天采摘的双孢蘑菇,从中挑选大小相近、成熟度一致、无开伞的样品于4 ℃预冷24 h。随机取6个蘑菇放入容量为500 mL、底部衬有吸水纸的聚丙烯无盖保鲜盒内,一共64盒,随机分为4组。其中,一组保鲜盒顶部用PE保鲜膜(18 cm×14 cm)包封,然后采用直径为1 mm的钢针在PE膜上均匀穿刺6个孔,记为PE;其余3组采用相同尺寸的自制PBAT膜包封,未打孔的记为P0组,另外两组分别用钢针在PBAT膜上均匀穿刺6个和12个孔,分别记为P6和P12。将以上各组样品置于温度为(4±1) ℃、湿度为(90±5)%RH环境中贮藏。每隔3 d对各组双孢蘑菇的品质进行测定。

1.3.4 双孢蘑菇贮藏品质的测定方法

1.3.4.1 包装顶空O2和CO2浓度

采用顶空气体分析仪测定每组样品保鲜盒顶空的O2和CO2体积分数,即包装顶空的O2和CO2浓度。P0组测试前在膜上粘贴直径为8 mm的硅胶圆形垫片,测试时探针穿过垫片再穿过薄膜进行测量,其余组将探针从薄膜打孔处小心插入进行测定。每组重复测试4次,结果取平均值。

1.3.4.2 失重率

第0天时测定各组双孢蘑菇的初始质量,每次实验当天再次称量各组双孢蘑菇的质量,失重率按照公式(1)计算:

(1)

式中:m0,第0天时该组双孢蘑菇的质量;mt,第t天时该组双孢蘑菇的质量。

1.3.4.3 贮藏期间感官评分

感官评定小组由8名专业学生组成,感官评分标准(表1)根据参考文献[11-12]制定并进行适当修改。小组中每个成员根据表1对贮藏期间双孢蘑菇的感官品质进行评分。

表1 双孢蘑菇感官评分标准Table 1 Sensory evaluation criteria of Agaricus bisporus

1.3.4.4 白度

每组取6个双孢蘑菇,用手持式精密色差仪测定表皮的L*、a*、b*值。按照公式(2)计算白度:

(2)

1.3.4.5 硬度

每组取6个双孢蘑菇,使用硬度计在双孢蘑菇菌盖等距取3个位置进行硬度测定,测定结果取平均值。

1.3.4.6 抗坏血酸含量

抗坏血酸含量的测定参考《果蔬采后生理生化实验指导》[13],采用碘酸钾滴定法测定。

1.3.4.7 总酚含量

每组取6个双孢蘑菇,在液氮中研磨成粉,取1 g粉末于5 mL体积分数80%的乙醇溶液中提取24 h,于4 ℃、4 500 r/min离心30 min。取1 mL上清液与1 mL福林酚试剂混合后,加入10 mL质量分数为7.5%的碳酸钠水溶液,于黑暗中静置1 h,测定溶液在725 nm处的吸光度值。以没食子酸溶液为标准曲线,按照公式(3)计算总酚含量:

(3)

式中:M1,根据标准曲线计算得到的没食子酸质量,mg;V1,提取液总体积,mL;V2,测定时取的提取液体积,mL;M2,所取双孢蘑菇粉末的质量,g。

1.4 数据处理

如无特殊说明以上实验均重复3次,结果以“平均值±标准偏差”表示。采用单因素方差分析对数据进行显著性分析,并采用Duncan法进行多重比较,显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 PBAT膜和PE膜的性能表征

薄膜的透光率、气体透过性和力学性能等对其防护和保鲜效果至关重要,因此,研究首先对PBAT膜和PE膜的上述性能进行了测定和比较。图1所示为PBAT膜和PE膜在紫外-可见光波长范围内的透过率。由图1可看出,当波长为300 nm以下时,PBAT对光的透过率均为0,具有极佳的阻隔性;随着波长的增加,虽然透光率迅速增加,但仍然低于PE膜。研究表明,紫外光会导致双孢蘑菇表面褐变加快[14],因此PBAT膜良好的紫外光阻隔性更有利于保持双孢蘑菇的感官品质。

图1 PBAT膜和PE膜的透光率Fig.1 Light transmittance of PBAT and PE films

2种薄膜的厚度、拉伸性能、水蒸气透过率、氧气透过率和表面接触角如表2所示。与市售PE保鲜膜相比,自制PBAT膜的厚度较厚,为25 μm左右。从拉伸性能可看出,PBAT膜的拉伸强度和弹性模量均显著低于PE膜(P<0.05),但其断裂伸长率则为PE膜的3倍以上,说明PBAT膜更为柔软。PBAT膜和PE膜的水接触角均低于90°,说明二者的表面均表现为亲水性,且PBAT膜的接触角显著高于PE膜(P<0.05),但PBAT膜的水蒸气透过率却远高于PE膜,是其值的28倍以上,因此用于蒸腾作用较强的新鲜果蔬包装时可及时排除包装内部的水蒸气,减少水汽凝结;但PBAT膜的氧气透过率仅为PE膜的28%,说明其对氧气的阻隔性较高,用于果蔬保鲜时可制备成打孔膜来提高其气体透过性,以提高包装中的O2浓度。

表2 PBAT膜和PE膜的性能Table 2 Properties of PBAT and PE films

2.2 包装顶空O2和CO2浓度

包装顶空的O2和CO2浓度主要是由果蔬呼吸强度和包装薄膜的气体透过性之间的动态平衡所决定。由图2可知,各处理组中的O2浓度均先下降后上升,在第3天达最低值后逐渐增加,而CO2浓度变化则与之相反,在第3天达到峰值后逐渐降低。其中,P0组的O2和CO2浓度波动最大,其O2浓度显著低于其余组(P<0.05),CO2浓度则显著高于其余组(P<0.05)。这是由于双孢蘑菇在贮藏前期呼吸速率较高,未打孔膜包装(P0组)的顶空O2被快速消耗,并释放出大量CO2。而采用打孔膜包装的各组中O2和CO2浓度变化则相对较小,尤其是打孔数最多的P12,其顶空O2浓度显著高于PE和P6(P<0.05),而CO2浓度则显著较低(P<0.05)。孔数均为6的PE和P6中的O2和CO2浓度在贮藏期间均无显著差异。由此说明,包装顶空的气体浓度主要由包装膜的打孔数目所决定,孔数越多,膜的透过性越好,包装内的O2浓度则越高,CO2浓度越低。孔数为6～12时,薄膜的气体透过性和双孢蘑菇的呼吸作用可共同维持包装内部气体成分的动态平衡。而包装内部稳定适宜的O2和CO2浓度不仅能够减缓果蔬的呼吸速率,减少营养物质的消耗,也能避免因CO2浓度过高而导致的无氧呼吸[3]。

a-O2浓度;b-CO2浓度图2 各组样品中顶空O2和CO2浓度随贮藏时间的变化Fig.2 Variations of O2 and CO2 concentration in the headspace of each group during storage注:相同贮藏时间的数据标记不同小写字母表示组间差异 显著(P<0.05)(下同)。

2.3 失重率和感官评价

双孢蘑菇的质量损失主要是由呼吸作用对干物质的消耗和蒸腾作用散失的水分而导致[15]。如图3所示,贮藏期间P0、P6和P12组的失重率几乎无组间差异,但均显著高于PE组(P<0.05)。这可能是由于PBAT膜的水蒸气透过率大大高于PE膜(表2),包装内部的水分不断迁移至包装外,加快了双孢蘑菇的失水,同时也说明包装内的水蒸气主要是通过膜材渗透到外环境,而不是通过膜上的孔散失。由图4各组样品的外观可看出,贮藏至第9天时,PE膜表面出现了大量的凝结水,同时该组双孢蘑菇也发生了明显褐变和腐烂,说明即使对PE保鲜膜进行了打孔处理,其较强的表面亲水性和过高的水蒸气阻隔性仍然会导致凝结水的出现,虽然有助于降低双孢蘑菇的失重,但也为微生物的生长繁殖提供了适宜的条件,进而导致双孢蘑菇品质的迅速下降[16]。而PBAT膜所具有的良好水蒸气透过性则较好地避免了这一问题,因此也可显著抑制其所包封的双胞蘑菇出现褐变,有助于维持其感官品质。如图5所示,贮藏12 d时,PE组双孢蘑菇的异味、色泽和整体可接受度评分均为各组中最低,而P0和P6组的各项评分均较高,其中整体可接受度评分比PE组分别提高了17.53%和15.96%。综上,PE组双孢蘑菇虽然具有最低的失重率,但在贮藏后期感官品质急剧下降,而P0和P6组则能较好地维持其感官品质,提高其商品性。

图3 各组双孢蘑菇的失重率随贮藏时间的变化Fig.3 Variations of the weight loss of Agaricus bisporus in each group during storage

图4 贮藏期间各组双孢蘑菇的外观变化Fig.4 Appearance changes of Agaricus bisporus in each group during storage

图5 各组双孢蘑菇贮藏12 d后的感官评分Fig.5 Sensory evaluation scores of Agaricus bisporus of each group on the 12th day of storage

2.4 白度与硬度

白度是衡量双孢蘑菇采后品质和货架期的重要指标之一。由图6-a所示,各组样品的白度均随贮藏时间的延长而逐渐下降,尤其是第6～9天下降最快。贮藏前6 d各组样品的白度差异较小,贮藏9 d后,P0组和P6组的白度显著高于PE组和P12组(P<0.05),与2.3中感官评价的结果较为一致。这可能是由于PE组膜表面凝结了较多的水蒸气,包装内湿度较高,容易滋生微生物,使得菌盖表面损伤,加剧酶促反应导致白度下降[17]。P12组虽未出现水蒸气凝结现象,但由于孔数较多使得内部O2含量显著高于其他各组(P<0.05),导致双孢蘑菇的采后生理活动较为活跃,褐变加速,白度下降较快。

硬度反映了双孢蘑菇的软化程度,也是衡量其采后品质的重要指标之一。如图6-b所示,各组双孢蘑菇的硬度均随着贮藏时间的延长而下降。其中,P0组与P6组始终保持了显著高于其他组的硬度(P<0.05),而PE组的硬度则较低。贮藏12 d时,P0组与P6组的硬度仍高于PE组在第6天时的硬度,说明与PE膜相比,采用PBAT膜包封可将双孢蘑菇的软化进程至少延缓6 d。这可能是因为PE组内部湿度较高,有利于微生物的生长繁殖[18],导致双孢蘑菇发黏变软硬度下降。同时,有研究发现较高的CO2浓度有利于保持双孢蘑菇的硬度[19],因此P0组较高的顶空CO2浓度可能也是其软化较慢的原因之一。

2.5 抗坏血酸和总酚含量

抗坏血酸能有效清除自由基,对双孢蘑菇中的活性氧起到防御作用,减少了自由基对细胞膜的氧化损伤[20-21]。如图7-a所示,在贮藏期间各组双孢蘑菇的抗坏血酸含量均逐渐下降,但P0组和P6组的含量始终显著高于其他组(P<0.05)。PE和P12组虽然在第3～9天时保持了较为稳定的抗坏血酸含量,但第12天时其含量急剧下降至8 mg/kg以下,而同期的P0组和P6组的含量分别为9.61 mg/kg和9.24 mg/kg。这可能是因为PE组包装内高湿度环境导致微生物的生长加快,使得其对抗坏血酸的消耗增加[22];P12组由于膜的孔数较多,内部O2浓度较高,双孢蘑菇呼吸作用较强,对抗坏血酸的消耗也较多;而包装顶空O2浓度较为稳定的P0组和P6组则较好地抑制了双孢蘑菇中抗坏血酸在贮藏后期的快速流失。

a-抗坏血酸含量;b-总酚含量图7 各组双孢蘑菇的抗坏血酸和总酚含量随贮藏期间的变化Fig.7 Variations of the content of ascorbic acid and total phenolic of Agaricus bisporus in each group during storage

总酚作为一种具有强抗氧化能力的物质,其含量与双孢蘑菇的抗氧化能力密切相关。如图7-b所示,在贮藏期间,各组双孢蘑菇的总酚含量整体呈先上升后下降的趋势,这与ZHANG等[23]的研究结果一致。双孢蘑菇中总酚含量的持续上升可能是因为去根胁迫诱导了苯丙氨酸解氨酶活性的提高,贮藏后期由于多酚氧化酶活性升高以及总酚参与自由基的清除而不断被消耗,因此含量逐渐降低[24]。各组样品中,P6组的总酚含量在贮藏期间整体变化较为平缓,这可能是因为打孔数为6的PBAT膜为包装内的双孢蘑菇提供了较为适宜和稳定的O2和CO2浓度以及适宜的湿度环境,有利于适当抑制其采后呼吸并延缓微生物的生长速率,进而防止了酚类物质受外界因素刺激而导致的波动[25]。

3 结论

本研究比较了PBAT膜和PE膜的性能差异,并考察了2种膜以及PBAT膜打孔数对双孢蘑菇贮藏品质的影响。结果表明,与PE膜相比,PBAT膜具有较高的紫外线阻隔性和水蒸气透过性,在用于双孢蘑菇保鲜时,可有效防止包装膜出现结露现象。同时,P0和P6组包装内具有适宜的气体环境,虽然双孢蘑菇的失重率较高,但能维持较高的感官品质、硬度和抗坏血酸含量,同时P6组还保持了较为稳定的总酚含量。因此,与传统PE保鲜膜相比,可完全生物降解的PBAT膜虽然气体阻隔性较高,但可通过打孔来调节其气体透过性,在果蔬采后贮藏保鲜中具有较好的应用前景。