姜辣素和原位合成SiOx共改性魔芋甘聚糖/殼聚糖復合涂膜對生姜的保鮮性能

張 璇，葛永紅，王健源，門衍玉，孫 彤,*，勵建榮,*

（1.渤海大學食品科學與工程學院，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧 錦州 121013；2.中糧麥芽（大連）有限公司，遼寧 大連 116200）

我國是果蔬生產大國，且果蔬生產是國民經濟的重要組成部分。常溫條件下，果蔬產品會因微生物的大量繁殖、酶的活性及果蔬本身的后熟作用而發生腐敗變質。一般可采用氣調保鮮[1]和低溫保鮮[2]等方法延長果蔬的保鮮期，但其保鮮效果仍不甚理想。開發一種安全性能高、成本低、保鮮效果好的果蔬貯藏方法迫在眉睫。多糖涂膜技術是目前的研究熱點之一，其利用多糖形成的致密網狀結構使涂膜具有極好的阻氣性，阻斷果蔬與環境的直接聯系，減少病原菌、腐敗菌對果蔬的直接侵染，使每個果實都形成一個微型“氣調庫”，從而延長果蔬的保鮮期[3]。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種天然的高分子可溶性膳食纖維，具有黏度高、吸水性強、穩定性高、成膜性好等特點，常被用作食品保鮮劑[4]。將KGM涂膜保鮮技術應用于蘋果[5]、草莓[6]、牛角椒[7]等已有報道。殼聚糖（chitosan，CS）具有廣譜抗菌性能，可抑制多種細菌和真菌的生長[8]，亦可在果蔬表面形成薄膜，減緩其呼吸作用，以達到保鮮的目的[9]。單一CS涂膜的抗菌性能優，但成膜后的保濕性和強韌性較差，從而降低其應用效果[10]。采用KGM與CS復合，可增加CS的水溶性，提高涂膜機械性能的同時還可充分發揮CS的抗菌性能。

姜辣素含有姜烯酮、姜酮、姜萜酮等主要成分，具有較強的抑菌、保鮮、護色等性能，其安全性高，應用前景廣闊[11-13]。在涂膜中加入姜辣素有望提高其抗菌、保鮮性能。納米硅基氧化物（SiOx）是一種無毒、無味、無污染的白色粉末狀非金屬材料，可以作為食品添加劑，有助于提高多糖涂膜的力學性能，降低其透水率，進而使涂膜的保鮮效果更好[14]。本課題組前期研究結果表明，原位合成納米SiOx有助于SiOx粒子在CS涂膜中的分散，可使納米粒子在形成過程中與CS形成氫鍵，促進CS涂膜理化性能和保鮮性能的提高[15]。生姜（Zingiber officinale Roscoe）為姜科姜屬多年生草本植物，姜的新鮮根莖具有抗炎、抗菌、調節血脂和抗動脈粥樣硬化的作用[16]，是集調味和藥用于一體的多用途蔬菜；但其在貯藏過程中會出現失鮮、褐變等問題。

本實驗以KGM/CS復合涂膜為基底，以生姜為保鮮對象，采用姜辣素和原位合成納米SiOx對復合涂膜進行改性，為生姜保鮮涂膜的研究和應用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜購于錦州市蔬菜批發市場，產地為山東省濰坊市昌邑市。挑選新鮮、無病斑、無機械損傷、色澤均勻、大小一致的生姜作為實驗材料。

CS（脫乙酰度≥95%，食品級） 上海晶純試劑有限公司；魔芋甘聚糖（食品級） 杭州藝福茶業有限公司；冰乙酸、丙三醇、甲醇、鹽酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等均為分析純，去離子水和無菌水自制。

1.2 儀器與設備

CJJ79-1型磁力加熱攪拌器 山東威瑞科教儀器有限公司；SK6210HP超聲波清洗器 上海科超導儀器有限公司；DGG-9053AD型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；S-4800型場發射掃描電子顯微鏡、CS150GX3離心機 日本日立公司；Scimitar 2000 Near傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）儀 美國安捷倫公司；Utima IV-X射線粉末衍射儀 日本Rigaku公司；AG135電子分析天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；CYES-II型O2/CO2氣體測定儀 上海嘉定學聯實業有限公司；TA.XT PLUS質構儀 英國Stable Micro Systems公司；UV-2250紫外-可見光光度計 日本尤尼柯儀器有限公司；721N型可見光分光度計 美國瓦里安公司；LRH-150生化培養箱 上海一恒科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復合涂膜的制備

1.5 g/100 mL的CS冰醋酸溶液（含體積分數1.0%冰醋酸）與0.6 g/100 mL KGM水溶液等體積混合，按混合溶液的體積滴加0.3%甘油，攪拌均勻后，將混合溶液于53 kHz，280 W條件下超聲脫氣，得KGM/CS復合涂膜溶液。取40 mL涂膜溶液于20 cm×20 cm亞克力板上流延成膜，30 ℃干燥脫水24 h，得KGM/CS復合涂膜；在KGM/CS涂膜溶液中加入CS和KGM總質量1%的姜辣素，充分混合后再流延成膜，得姜辣素-KGM/CS復合涂膜；在KGM/CS和姜辣素混合溶液中加入酸性硅溶膠（以SiO2為CS和KGM總質量的0.03%計），再流延成膜，得SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜。

1.3.2 復合涂膜表征分析

微觀結構觀察：涂膜在20 kV的條件下噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌。

FT-IR光譜分析：將干燥涂膜研磨后，采用KBr壓片法測定FT-IR光譜，步寬2 cm-1，波數范圍為4 000～400 cm-1。

X射線衍射測定：采用CuKα輻射，工作電壓40 kV，工作電流50 mA，步寬0.02°，掃描范圍5°～70°。

1.3.3 復合涂膜理化性能測定

參考吳朝凌等[17]的方法，采用TA.XT PLUS質構儀測定復合涂膜的拉伸強度和斷裂伸長率，樣品長70 mm、寬20 mm，夾具距離為40 mm。

參考GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》[18]，采用O2/CO2氣體測定儀測定O2/CO2含量，分別按公式（1）、（2）計算復合涂膜的O2和CO2透過量。

式中：OP表示O2透過量/（cm2/（d·kPa））；CDP表示CO2透過量/（cm2/（d·kPa））；V1、V2分別表示O2、CO2氣體24 h的穩定透氣體積/mL；d表示膜的平均厚度/cm；A表示膜的有效透氣面積/cm2；ΔP表示測定時膜兩側的氣體壓差/kPa。

采用稱質量法測定水蒸氣透過量[19]。在稱量瓶中放入少許的蒸餾水，使用復合涂膜密封稱量瓶瓶口，放置于30 ℃烘箱中，每隔12 h稱量一次稱量瓶的質量，連續測量3 次。水蒸氣透過量按公式（3）計算。

式中：Δm表示稱量瓶質量減少量/g；A表示膜的面積/m2；t表示測定時間/h。

將制備好的復合涂膜剪成比色皿大小，用透明膠帶粘貼在比色皿架上，采用紫外-可見光光度計測定其在450 nm波長處的透光率。采用透光率乘以涂膜厚度表示復合涂膜的透光性[17]。

1.3.4 生姜處理

選用大小相似的生姜，隨機分成若干組，除對照組（無任何處理）外，分別浸漬于提前制備好的膜液中，2 min后取出，自然風干，放入生化培養箱中，于13 ℃保存，貯藏一定時間后取出，測定其鮮度指標。

1.3.5 質量損失率的測定

準確稱量貯藏前和貯藏過程中生姜的質量，按式（4）計算質量損失率。

式中：m表示樣品的原始質量/g；mt表示貯藏t時間后樣品的質量/g。

1.3.6 生姜生化指標測定

參照曹建康等[20]的方法，采用蒽酮比色法測定生姜中可溶性糖質量分數。參照年彬彬等[21]的方法測定生姜的過氧化物酶（peroxidase，POD）活力，參照Zucker[22]的方法測定苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）活力。參照Pirie等[23]的方法測定生姜總酚和類黃酮含量，總酚含量以每克鮮質量生姜在280 nm波長處光密度值在3 min內的變化量（ΔOD280nm）表示，類黃酮含量以每克鮮質量生姜在325 nm波長處光密度值在3 min內的變化量（ΔOD325nm）表示。參照姜心等[24]的方法測定生姜中纖維素酶活力。

1.4 數據統計與分析

所有實驗設3 次平行，結果以平均值±標準差表示。采用單因素方差分析，并以軟件SPSS 20.0軟件進行Tukey檢驗修正，P＜0.05表示差異顯著。使用Origin 8.0軟件繪圖。

采用模糊綜合評價法[6]進行水資源承載能力的評價，采用層次分析法[1]和熵權法對各指標確定權重。根據山塘水資源的利用特點，考慮到水資源的供需平衡狀況及開發潛力，同時也能夠反映出山塘的等供水設施的現狀以及社會經濟情況等，選取以下指標：

2 結果與分析

2.1 KGM/CS復合涂膜表征分析結果

圖1 KGM/CS復合涂膜的斷面微觀形貌Fig. 1 Cross-sectional morphology of KGM/CS composite coatings

由圖1A可知，KGM/CS復合涂膜較平整，有裂紋存在；當加入姜辣素后，涂膜中褶皺、裂紋增多（圖1B）；繼續加入原位合成納米SiOx后，涂膜褶皺分布均勻，裂紋幾乎消失（圖1C）。涂膜中加入姜辣素后，影響了涂膜的脫水歷程，表現為涂膜內形成褶皺且裂紋增大。再繼續加入原位合成納米SiOx后，納米粒子表面的活性基團與KGM和CS形成氫鍵，在涂膜脫水過程中增強了涂膜內高分子之間的相互作用，使涂膜脫水更加均勻，減少了裂紋的產生。

圖2 KGM/CS復合涂膜的FT-IR（A）、XRD（B）譜圖Fig. 2 FT-IR spectra (A) and XRD patterns (B) of KGM/CS composite coatings

由復合涂膜的F T-I R譜圖（圖2 A）可見，在3 500～3 300 cm-1處的中等強寬吸收峰是由非締合的O—H和N—H的伸縮振動引起的，1 651 cm-1處的吸收峰是由O-H的彎曲振動引起的。2 927、2 852 cm-1處的弱吸收峰是CS和KGM中次甲基或甲基的C-H伸縮振動吸收峰[25]。1 651、1 556 cm-1和1 416 cm-1分別是CS的酰胺I、酰胺II和酰胺III的特征吸收峰[25]，1 045 cm-1處的吸收峰應歸屬于C—O—C鍵的伸縮振動，654 cm-1處的吸收峰為C—H面外伸縮振動吸收峰。加入姜辣素和原位合成納米SiOx后，1 651 cm-1處的吸收峰藍移至1 640 cm-1處，1 045 cm-1處的吸收峰略向低波數偏移，且在3 500～3 300 cm-1處的寬吸收峰變得較窄。繼續添加原位合成納米SiOx，由于納米粒子的存在，1 045 cm-1處的吸收峰繼續向低波數偏移，且654 cm-1處的吸收峰亦向低波數偏移，說明姜辣素和原位合成納米SiOx均影響復合涂膜內化學鍵的振動，可能是由于姜辣素和原位合成納米SiOx表面的活性基團與涂膜主要成分CS和KGM形成了氫鍵，干擾了其化學鍵的振動，或干擾了其分子內共軛基團的相互作用。

由圖2B可見，KGM/CS復合涂膜在2θ＝20.7°處有強度較大的寬吸收峰，在11.3°處有較弱的尖峰，與劉毅等[26]對KGM的研究結果相似，且在本課題組的前期研究中證明了2θ＝20.7°是CS的衍射峰[27]。加入姜辣素后，11.3°處的衍射峰消失，20.7°處的衍射峰略向小角度偏移至19.7°；再繼續加入原位合成納米SiOx，該衍射峰偏移至20.2°處。說明姜辣素干擾了涂膜主要成分KGM和CS晶體的合成，原位合成納米SiOx粒子表面含有大量羥基活性基團，與KGM和CS形成較強的氫鍵作用，從而使非晶態發生改變，衍射峰發生偏移。

2.2 KGM/CS復合涂膜的理化性能分析結果

表1 KGM/CS復合涂膜的理化性能Table 1 Physicochemical properties of KGM/CS composite coatings

由表1可知，加入姜辣素后，KGM/CS復合涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率提高，而O2、CO2透過量無顯著變化，水蒸氣透過量、透光性都明顯降低。繼續加入原位合成的納米SiOx，涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率、O2和CO2透過量都顯著提高，水蒸氣透過量無顯著變化，而透光性略有下降。復合涂膜中加入姜辣素后使分子間氫鍵作用力增強，分子排列更加緊密，雖然涂膜內裂紋增多，但形成的褶皺使涂膜的抗變形能力增強，進而機械性能提高。繼續加入原位合成納米SiOx后，其表面的活性基團與KGM和CS形成氫鍵，使涂膜內部結構更加致密。當涂膜受到拉力作用時，與KGM和CS相交聯的SiOx納米粒子可以起到多相分散負荷的作用，從而增強了復合涂膜的機械性能；加入姜辣素后復合涂膜的O2和CO2透過量無顯著性變化，說明涂膜內部的微孔結構變化不顯著，而加入原位合成的納米SiOx后，可能改變了原KGM/CS復合涂膜內部的晶體結構，形成了具有選擇性的微孔，使其透氣性能明顯提高。加入姜辣素和原位合成的納米SiOx后復合涂膜的透光性能逐漸降低，可能是涂膜內的分子間相容性變差，使透光性能下降。

2.3 KGM/CS復合涂膜對生姜保鮮性能的影響

2.3.1 KGM/CS復合涂膜對生姜質量損失率和可溶性糖質量分數的影響

質量損失是生姜貯藏過程中常出現的問題，會造成生姜萎蔫，使其感官品質受到嚴重影響[28]。由圖3A可知，生姜的質量損失率隨貯藏時間的延長而逐漸增加。這主要由生姜的呼吸作用和水分蒸騰引起[29]。與對照生姜相比，經涂膜處理后，其質量損失率上升速率減緩，這是由于在生姜表面形成涂膜可以阻礙生姜與空氣的接觸，減少其蒸騰作用和水分散失；加入姜辣素后涂膜內分子間氫鍵作用力增強，雖然涂膜內出現裂痕，但涂膜內的褶皺形成使其內部結構更加致密，水蒸氣透過量顯著降低，則生姜質量損失率減小；繼續加入原位合成納米SiOx后，其表面的活性基團與KGM和CS形成氫鍵，使涂膜內部結構更加致密，生姜的質量損失率顯著低于同期其他涂膜處理組。生姜在貯藏前期質量損失率上升較快，貯藏后期質量損失率上升緩慢，說明在貯藏后期生姜的呼吸強度減弱，所消耗的糖、酸等營養物質損失較少。

圖3 貯藏過程中生姜質量損失率（A）和可溶性糖質量分數（B）的變化Fig. 3 Changes in mass loss rate (A) and soluble sugar content (B) in ginger rhizomes during storage

糖類是果蔬甜味的主要來源，也是果蔬的主要成分之一。作為呼吸底物，糖類在呼吸過程中分解放出熱量，使果蔬含糖量在貯藏過程中逐漸下降[30]。如圖3B所示，生姜中可溶性糖質量分數隨貯藏時間的延長呈下降趨勢。與對照組相比，經涂膜處理后，生姜的可溶性總糖質量分數下降減緩，說明涂膜可以抑制生姜的呼吸作用，減少了可溶性糖的消耗；采用SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜處理后，生姜中可溶性總糖質量分數高于其他同期樣品，這是由于涂膜中加入的原位合成納米SiOx使其結構更加致密，減弱了生姜有氧呼吸，降低了生姜中糖分的消耗。在貯藏前期，生姜中可溶性總糖質量分數下降趨勢較緩，這是由于生姜中部分淀粉轉化成可溶性糖，而隨著貯藏時間的延長，生姜的有氧呼吸作用減弱，無氧呼吸加劇，加快了可溶性糖的消耗。

圖4 貯藏過程中生姜POD（A）、PAL（B）活力以及總酚（C）和類黃酮（D）含量的變化Fig. 4 Changes in activities of peroxidase (A) and phenylalanine ammonia lyase (B) and contents of total phenol (C) and flavonoids (D) in ginger rhizomes during storage

POD屬于氧化還原類酶，在過氧化氫的作用下，易引起酚類和類黃酮的氧化聚合而導致果蔬組織褐變[31]。由圖4A所示，生姜的POD活力在貯藏前期呈上升趨勢，隨著貯藏時間的延長略有下降，貯藏后期又逐漸上升。經涂膜處理后，生姜的POD活力均低于同期對照組，且隨時間延長，其變化幅度較小，其中SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜處理后的效果最佳，POD活力最低。貯藏過程中生姜POD的活力增強可能與乙烯的作用有關，高等植物在衰老以及逆境條件下，乙烯的合成量會大大增加。生姜經涂膜處理后，與O2的接觸減少，乙烯的產生量也減少，因此POD活力減弱。由于SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜的結構更加致密，減少了生姜的呼吸作用，故其POD活力變化最小。在貯藏前期，培養箱中O2濃度大，導致生姜中產生大量乙烯，從而增強了生姜的POD活力。隨著貯藏時間的延長，生姜的呼吸作用減弱，乙烯產生量下降，POD活力下降。貯藏后期，因為生姜組織細胞衰老，乙烯產生量增大，從而使POD活力增強。

PAL是苯丙烷代謝途徑中的第一個關鍵酶，它可催化苯丙氨酸脫氨基生成苯乙烯酸[32]。如圖4B所示，貯藏期間生姜的PAL活力無明顯變化。隨著貯藏時間的延長，對照生姜PAL活力緩慢增長，12 d后略呈下降趨勢。經涂膜處理后，生姜的PAL活力變化幅度很小，且各組間無明顯差異。這可能是由于生姜表面的致密涂膜使生姜的呼吸作用減弱，其中防御系統被激活的速度減慢。

總酚和類黃酮是苯丙烷代謝的產物，其含量可以反映果蔬的抗氧化活性。由圖4C可知，生姜中的總酚含量在貯藏前3 d快速降低，其后呈小幅度變化。對照生姜中總酚含量在貯藏12 d后明顯降低，經KGM/CS涂膜和姜辣素-KGM/CS復合涂膜處理后生姜中的總酚含量在3 d后緩慢升高至平衡。經SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜處理后，生姜中的總酚含量變化幅度最小。

由圖4D所示，生姜中類黃酮含量在貯藏期間的變化趨勢為先升高后降低，在貯藏前3 d，類黃酮含量升高較快，3～12 d期間，生姜中類黃酮含量變化不明顯，12 d后，未經涂膜處理的生姜中類黃酮含量明顯降低，低于同期涂膜處理組。在貯藏前期，生姜褐變度增大導致生姜中總酚含量下降。貯藏后期，隨著生姜細胞組織衰老和生姜內部底物的減少，總酚和類黃酮不斷被氧化，導致其含量下降。保鮮涂膜處理后的生姜，由于涂膜的阻隔作用，有效地抑制了O2的進入，減少了底物的消耗，進而抑制了生姜的氧化，減緩了其衰老。

2.3.3 KGM/CS復合涂膜對生姜纖維素酶活力的影響

纖維素酶可以將細胞壁中的纖維素分解成寡糖或單糖[33]。生姜中纖維素酶活力的變化代表著生姜內粗纖維含量的變化，生姜粗纖維的變化與生姜細胞壁木質化有很大的關系[34]。如圖5所示，對照生姜中纖維素酶活力始終高于經涂膜處理的生姜。在貯藏前9 d，經涂膜處理的生姜中纖維素酶活力變化較小，而未經涂膜處理的生姜中纖維素酶活力有小幅增長。在貯藏后期，生姜中的纖維素酶活力明顯下降，對照生姜中纖維素酶活力始終高于同期涂膜處理的樣品，其中經SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜處理的生姜中纖維素酶活力最低。纖維素酶可引起纖維素等細胞壁組分降解，從而使生姜變軟，汁液流失。涂膜處理有效抑制了生姜的有氧呼吸，使纖維素酶活力降低，從而對纖維素的破壞減少，使細胞壁保持完好。其中SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜具有優異的理化性能，處理效果最優，該結果與POD活力結果一致。

圖5 保鮮過程中生姜的纖維素酶活力變化Fig. 5 Changes in cellulase activity in ginger rhizomes during preservation process

3 結 論

向KGM/CS復合涂膜中加入姜辣素后，各組分分子間氫鍵作用力增強，涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率提高，水蒸氣透過量、透光性都明顯降低；繼續加入原位合成的納米SiOx，涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率、O2和透CO2透過量都顯著提高，水蒸氣透過量無顯著變化，而涂膜透光性略有下降。以未做任何處理的生姜為空白對照，研究了改性前后KGM/CS復合涂膜對生姜的保鮮性能。結果表明，涂膜處理后生姜的質量損失率、總酚和類黃酮的損失均降低，POD和PAL活力變化較小，可溶性糖質量分數下降速率減緩。其中SiOx/姜辣素-KGM/CS復合涂膜效果最優，可更好地保持生姜品質。