聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯打孔膜對雙孢蘑菇的保鮮效果研究

李曉楠,于澤東,鄒麗娜,周小婉,吳習(xí)宇,2,任丹,2,徐丹,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(西南大學(xué),食品貯藏與物流研究中心,重慶,400715)

雙孢蘑菇含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素、膳食纖維和多種礦物質(zhì)等,具有很高的營養(yǎng)價值[1],并且味道鮮美、價格低廉、易于收獲,因此被廣泛種植[2]。然而,采后的新鮮雙孢蘑菇由于含水量高,呼吸代謝旺盛,在貯運過程中易于褐變和腐爛,從而失去商品價值,造成了巨大的經(jīng)濟損失和糧食浪費[3-4]。采用適宜的包裝材料對其進行包裝,可顯著抑制其呼吸、降低失重,并減少微生物的侵染,進而有效延長貨架期,對于減少浪費和促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。目前,雙孢蘑菇常用的包裝材料是聚乙烯(polyethylene,PE)等石油基不可降解高分子薄膜[3]。這些膜材用量大且難以回收,造成了較大的環(huán)境壓力,且PE膜阻濕性強,容易使雙孢蘑菇采后蒸騰作用產(chǎn)生的水蒸汽凝結(jié)在包裝膜表面,并滴落至包裝內(nèi)部,加快細(xì)菌滋生進而縮短貨架期[5-6]。

聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯[poly(butylene adipate-co-terephthalate),PBAT]是一種可完全生物降解的石油基聚合物,具有良好的熱加工性、出色的密封性[7]和良好的機械性能[8],因此有望加工為膜材用于果蔬保鮮。但PBAT分子具有一定極性,對非極性氣體如O2、CO2等的阻隔性較高,用于采后呼吸代謝活躍的果蔬包裝時,可能會使包裝內(nèi)O2濃度過低而導(dǎo)致無氧呼吸。采取在薄膜上打孔的方式,則可根據(jù)果蔬的呼吸強度來靈活調(diào)節(jié)薄膜的氣體透過率,從而調(diào)控包裝內(nèi)O2和CO2的濃度,實現(xiàn)自發(fā)氣調(diào)的效果[9-10]。

因此,本研究首先采用擠出吹塑法制備了一定厚度的PBAT膜,以市售PE膜為對照,測定了它們的力學(xué)性能和氣體透過性,將其打孔后用于雙孢蘑菇的貯藏保鮮,對比2種膜材和打孔數(shù)對雙孢蘑菇貯藏品質(zhì)的影響,以評價PBAT打孔膜在果蔬保鮮中的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雙孢蘑菇,購自重慶市北碚區(qū)天生農(nóng)貿(mào)市場;PBAT(型號為C1200),德國巴斯夫集團;聚丙烯保鮮盒(13 cm×9 cm×5 cm),臺州邦豐塑料有限公司;PE保鮮膜,脫普日用化學(xué)品有限公司;碘酸鉀(分析純),成都市科隆化學(xué)品有限公司;福林酚,北京索萊寶科技有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HTGD-20小型雙螺桿擠出機,廣州市哈爾技術(shù)有限公司;HTBS-20吹膜機,廣州市哈爾技術(shù)有限公司;7327A測厚規(guī),日本三豐公司;SCW-500電子拉力機,濟南蘭光機電技術(shù)有限公司;TU-1950雙光束紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限公司;W3/060水蒸氣透過率測試系統(tǒng),濟南蘭光機電技術(shù)有限公司;SZ-CAMB3接觸角測量儀,上海軒準(zhǔn)儀器有限公司;CheckMate 3頂空氣體分析儀,美國膜康公司;WR-18手持式精密色差儀,深圳市威福光電科技有限公司;GY-4硬度計,樂清市艾德堡儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 PBAT膜的制備

采用小型雙螺桿擠出機對PBAT母料進行擠出造粒,擠出機各區(qū)從130 ℃逐步升高至160 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min。然后,將PBAT粒料使用小型吹膜機吹塑成型,吹膜機各區(qū)從130 ℃逐步升高至145 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min,牽引轉(zhuǎn)速為25 r/min,收料轉(zhuǎn)速為36 r/min。

1.3.2 PBAT膜和PE膜的表征

1.3.2.1 厚度

使用測厚規(guī)測定薄膜厚度,每張膜等距選取5個點測量,結(jié)果取平均值。

1.3.2.2 力學(xué)性能

參照GB/T 1040.3—2006 《塑料 拉伸性能的測定 第3部分:薄膜和薄片的試驗條件》,將薄膜裁切成15×150 mm的長條試樣,采用電子拉力機進行測試,夾具間隔固定為50 mm,拉伸速度設(shè)為50 mm/min,測定薄膜的拉伸強度、斷裂伸長率,并計算其彈性模量。

1.3.2.3 透光率

參考CHEN等[4]的方法,將薄膜裁切成1 cm×5 cm的長條試樣,使用雙光束紫外可見分光光度計測定其在190～800 nm波長的透光率。

1.3.2.4 水蒸氣透過率

將薄膜在25 ℃、70%相對濕度(relative humidity,RH)環(huán)境中平衡24 h后,使用水蒸氣透過率測試系統(tǒng),在相同溫濕度條件下,測定薄膜的水蒸氣透過率。

1.3.2.5 氧氣透過率

將薄膜在23 ℃、50%RH環(huán)境中平衡24 h后,使用氧氣透過率測試系統(tǒng),在相同溫濕度條件下,測定薄膜的氧氣透過率。

1.3.2.6 接觸角

使用接觸角測量儀測量薄膜的水接觸角。將膜固定在載物臺上,使用自動加液模式滴加2 μL超純水于膜表面,60 s后拍照,計算水接觸角。

1.3.3 雙孢蘑菇包裝處理

在本地農(nóng)貿(mào)市場購買當(dāng)天采摘的雙孢蘑菇,從中挑選大小相近、成熟度一致、無開傘的樣品于4 ℃預(yù)冷24 h。隨機取6個蘑菇放入容量為500 mL、底部襯有吸水紙的聚丙烯無蓋保鮮盒內(nèi),一共64盒,隨機分為4組。其中,一組保鮮盒頂部用PE保鮮膜(18 cm×14 cm)包封,然后采用直徑為1 mm的鋼針在PE膜上均勻穿刺6個孔,記為PE;其余3組采用相同尺寸的自制PBAT膜包封,未打孔的記為P0組,另外兩組分別用鋼針在PBAT膜上均勻穿刺6個和12個孔,分別記為P6和P12。將以上各組樣品置于溫度為(4±1) ℃、濕度為(90±5)%RH環(huán)境中貯藏。每隔3 d對各組雙孢蘑菇的品質(zhì)進行測定。

1.3.4 雙孢蘑菇貯藏品質(zhì)的測定方法

1.3.4.1 包裝頂空O2和CO2濃度

采用頂空氣體分析儀測定每組樣品保鮮盒頂空的O2和CO2體積分?jǐn)?shù),即包裝頂空的O2和CO2濃度。P0組測試前在膜上粘貼直徑為8 mm的硅膠圓形墊片,測試時探針穿過墊片再穿過薄膜進行測量,其余組將探針從薄膜打孔處小心插入進行測定。每組重復(fù)測試4次,結(jié)果取平均值。

1.3.4.2 失重率

第0天時測定各組雙孢蘑菇的初始質(zhì)量,每次實驗當(dāng)天再次稱量各組雙孢蘑菇的質(zhì)量,失重率按照公式(1)計算:

(1)

式中:m0,第0天時該組雙孢蘑菇的質(zhì)量;mt,第t天時該組雙孢蘑菇的質(zhì)量。

1.3.4.3 貯藏期間感官評分

感官評定小組由8名專業(yè)學(xué)生組成,感官評分標(biāo)準(zhǔn)(表1)根據(jù)參考文獻[11-12]制定并進行適當(dāng)修改。小組中每個成員根據(jù)表1對貯藏期間雙孢蘑菇的感官品質(zhì)進行評分。

表1 雙孢蘑菇感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria of Agaricus bisporus

1.3.4.4 白度

每組取6個雙孢蘑菇,用手持式精密色差儀測定表皮的L*、a*、b*值。按照公式(2)計算白度:

(2)

1.3.4.5 硬度

每組取6個雙孢蘑菇,使用硬度計在雙孢蘑菇菌蓋等距取3個位置進行硬度測定,測定結(jié)果取平均值。

1.3.4.6 抗壞血酸含量

抗壞血酸含量的測定參考《果蔬采后生理生化實驗指導(dǎo)》[13],采用碘酸鉀滴定法測定。

1.3.4.7 總酚含量

每組取6個雙孢蘑菇,在液氮中研磨成粉,取1 g粉末于5 mL體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇溶液中提取24 h,于4 ℃、4 500 r/min離心30 min。取1 mL上清液與1 mL福林酚試劑混合后,加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的碳酸鈉水溶液,于黑暗中靜置1 h,測定溶液在725 nm處的吸光度值。以沒食子酸溶液為標(biāo)準(zhǔn)曲線,按照公式(3)計算總酚含量:

(3)

式中:M1,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到的沒食子酸質(zhì)量,mg;V1,提取液總體積,mL;V2,測定時取的提取液體積,mL;M2,所取雙孢蘑菇粉末的質(zhì)量,g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

如無特殊說明以上實驗均重復(fù)3次,結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示。采用單因素方差分析對數(shù)據(jù)進行顯著性分析,并采用Duncan法進行多重比較,顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 PBAT膜和PE膜的性能表征

薄膜的透光率、氣體透過性和力學(xué)性能等對其防護和保鮮效果至關(guān)重要,因此,研究首先對PBAT膜和PE膜的上述性能進行了測定和比較。圖1所示為PBAT膜和PE膜在紫外-可見光波長范圍內(nèi)的透過率。由圖1可看出,當(dāng)波長為300 nm以下時,PBAT對光的透過率均為0,具有極佳的阻隔性;隨著波長的增加,雖然透光率迅速增加,但仍然低于PE膜。研究表明,紫外光會導(dǎo)致雙孢蘑菇表面褐變加快[14],因此PBAT膜良好的紫外光阻隔性更有利于保持雙孢蘑菇的感官品質(zhì)。

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

2種薄膜的厚度、拉伸性能、水蒸氣透過率、氧氣透過率和表面接觸角如表2所示。與市售PE保鮮膜相比,自制PBAT膜的厚度較厚,為25 μm左右。從拉伸性能可看出,PBAT膜的拉伸強度和彈性模量均顯著低于PE膜(P<0.05),但其斷裂伸長率則為PE膜的3倍以上,說明PBAT膜更為柔軟。PBAT膜和PE膜的水接觸角均低于90°,說明二者的表面均表現(xiàn)為親水性,且PBAT膜的接觸角顯著高于PE膜(P<0.05),但PBAT膜的水蒸氣透過率卻遠高于PE膜,是其值的28倍以上,因此用于蒸騰作用較強的新鮮果蔬包裝時可及時排除包裝內(nèi)部的水蒸氣,減少水汽凝結(jié);但PBAT膜的氧氣透過率僅為PE膜的28%,說明其對氧氣的阻隔性較高,用于果蔬保鮮時可制備成打孔膜來提高其氣體透過性,以提高包裝中的O2濃度。

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

2.2 包裝頂空O2和CO2濃度

包裝頂空的O2和CO2濃度主要是由果蔬呼吸強度和包裝薄膜的氣體透過性之間的動態(tài)平衡所決定。由圖2可知,各處理組中的O2濃度均先下降后上升,在第3天達最低值后逐漸增加,而CO2濃度變化則與之相反,在第3天達到峰值后逐漸降低。其中,P0組的O2和CO2濃度波動最大,其O2濃度顯著低于其余組(P<0.05),CO2濃度則顯著高于其余組(P<0.05)。這是由于雙孢蘑菇在貯藏前期呼吸速率較高,未打孔膜包裝(P0組)的頂空O2被快速消耗,并釋放出大量CO2。而采用打孔膜包裝的各組中O2和CO2濃度變化則相對較小,尤其是打孔數(shù)最多的P12,其頂空O2濃度顯著高于PE和P6(P<0.05),而CO2濃度則顯著較低(P<0.05)?？讛?shù)均為6的PE和P6中的O2和CO2濃度在貯藏期間均無顯著差異。由此說明,包裝頂空的氣體濃度主要由包裝膜的打孔數(shù)目所決定,孔數(shù)越多,膜的透過性越好,包裝內(nèi)的O2濃度則越高,CO2濃度越低?？讛?shù)為6～12時,薄膜的氣體透過性和雙孢蘑菇的呼吸作用可共同維持包裝內(nèi)部氣體成分的動態(tài)平衡。而包裝內(nèi)部穩(wěn)定適宜的O2和CO2濃度不僅能夠減緩果蔬的呼吸速率,減少營養(yǎng)物質(zhì)的消耗,也能避免因CO2濃度過高而導(dǎo)致的無氧呼吸[3]。

a-O2濃度;b-CO2濃度圖2 各組樣品中頂空O2和CO2濃度隨貯藏時間的變化Fig.2 Variations of O2 and CO2 concentration in the headspace of each group during storage注:相同貯藏時間的數(shù)據(jù)標(biāo)記不同小寫字母表示組間差異 顯著(P<0.05)(下同)。

2.3 失重率和感官評價

雙孢蘑菇的質(zhì)量損失主要是由呼吸作用對干物質(zhì)的消耗和蒸騰作用散失的水分而導(dǎo)致[15]。如圖3所示,貯藏期間P0、P6和P12組的失重率幾乎無組間差異,但均顯著高于PE組(P<0.05)。這可能是由于PBAT膜的水蒸氣透過率大大高于PE膜(表2),包裝內(nèi)部的水分不斷遷移至包裝外,加快了雙孢蘑菇的失水,同時也說明包裝內(nèi)的水蒸氣主要是通過膜材滲透到外環(huán)境,而不是通過膜上的孔散失。由圖4各組樣品的外觀可看出,貯藏至第9天時,PE膜表面出現(xiàn)了大量的凝結(jié)水,同時該組雙孢蘑菇也發(fā)生了明顯褐變和腐爛,說明即使對PE保鮮膜進行了打孔處理,其較強的表面親水性和過高的水蒸氣阻隔性仍然會導(dǎo)致凝結(jié)水的出現(xiàn),雖然有助于降低雙孢蘑菇的失重,但也為微生物的生長繁殖提供了適宜的條件,進而導(dǎo)致雙孢蘑菇品質(zhì)的迅速下降[16]。而PBAT膜所具有的良好水蒸氣透過性則較好地避免了這一問題,因此也可顯著抑制其所包封的雙胞蘑菇出現(xiàn)褐變,有助于維持其感官品質(zhì)。如圖5所示,貯藏12 d時,PE組雙孢蘑菇的異味、色澤和整體可接受度評分均為各組中最低,而P0和P6組的各項評分均較高,其中整體可接受度評分比PE組分別提高了17.53%和15.96%。綜上,PE組雙孢蘑菇雖然具有最低的失重率,但在貯藏后期感官品質(zhì)急劇下降,而P0和P6組則能較好地維持其感官品質(zhì),提高其商品性。

圖3 各組雙孢蘑菇的失重率隨貯藏時間的變化Fig.3 Variations of the weight loss of Agaricus bisporus in each group during storage

圖4 貯藏期間各組雙孢蘑菇的外觀變化Fig.4 Appearance changes of Agaricus bisporus in each group during storage

圖5 各組雙孢蘑菇貯藏12 d后的感官評分Fig.5 Sensory evaluation scores of Agaricus bisporus of each group on the 12th day of storage

2.4 白度與硬度

白度是衡量雙孢蘑菇采后品質(zhì)和貨架期的重要指標(biāo)之一。由圖6-a所示,各組樣品的白度均隨貯藏時間的延長而逐漸下降,尤其是第6～9天下降最快。貯藏前6 d各組樣品的白度差異較小,貯藏9 d后,P0組和P6組的白度顯著高于PE組和P12組(P<0.05),與2.3中感官評價的結(jié)果較為一致。這可能是由于PE組膜表面凝結(jié)了較多的水蒸氣,包裝內(nèi)濕度較高,容易滋生微生物,使得菌蓋表面損傷,加劇酶促反應(yīng)導(dǎo)致白度下降[17]。P12組雖未出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象,但由于孔數(shù)較多使得內(nèi)部O2含量顯著高于其他各組(P<0.05),導(dǎo)致雙孢蘑菇的采后生理活動較為活躍,褐變加速,白度下降較快。

硬度反映了雙孢蘑菇的軟化程度,也是衡量其采后品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。如圖6-b所示,各組雙孢蘑菇的硬度均隨著貯藏時間的延長而下降。其中,P0組與P6組始終保持了顯著高于其他組的硬度(P<0.05),而PE組的硬度則較低。貯藏12 d時,P0組與P6組的硬度仍高于PE組在第6天時的硬度,說明與PE膜相比,采用PBAT膜包封可將雙孢蘑菇的軟化進程至少延緩6 d。這可能是因為PE組內(nèi)部濕度較高,有利于微生物的生長繁殖[18],導(dǎo)致雙孢蘑菇發(fā)黏變軟硬度下降。同時,有研究發(fā)現(xiàn)較高的CO2濃度有利于保持雙孢蘑菇的硬度[19],因此P0組較高的頂空CO2濃度可能也是其軟化較慢的原因之一。

2.5 抗壞血酸和總酚含量

抗壞血酸能有效清除自由基,對雙孢蘑菇中的活性氧起到防御作用,減少了自由基對細(xì)胞膜的氧化損傷[20-21]。如圖7-a所示,在貯藏期間各組雙孢蘑菇的抗壞血酸含量均逐漸下降,但P0組和P6組的含量始終顯著高于其他組(P<0.05)。PE和P12組雖然在第3～9天時保持了較為穩(wěn)定的抗壞血酸含量,但第12天時其含量急劇下降至8 mg/kg以下,而同期的P0組和P6組的含量分別為9.61 mg/kg和9.24 mg/kg。這可能是因為PE組包裝內(nèi)高濕度環(huán)境導(dǎo)致微生物的生長加快,使得其對抗壞血酸的消耗增加[22];P12組由于膜的孔數(shù)較多,內(nèi)部O2濃度較高,雙孢蘑菇呼吸作用較強,對抗壞血酸的消耗也較多;而包裝頂空O2濃度較為穩(wěn)定的P0組和P6組則較好地抑制了雙孢蘑菇中抗壞血酸在貯藏后期的快速流失。

a-抗壞血酸含量;b-總酚含量圖7 各組雙孢蘑菇的抗壞血酸和總酚含量隨貯藏期間的變化Fig.7 Variations of the content of ascorbic acid and total phenolic of Agaricus bisporus in each group during storage

總酚作為一種具有強抗氧化能力的物質(zhì),其含量與雙孢蘑菇的抗氧化能力密切相關(guān)。如圖7-b所示,在貯藏期間,各組雙孢蘑菇的總酚含量整體呈先上升后下降的趨勢,這與ZHANG等[23]的研究結(jié)果一致。雙孢蘑菇中總酚含量的持續(xù)上升可能是因為去根脅迫誘導(dǎo)了苯丙氨酸解氨酶活性的提高,貯藏后期由于多酚氧化酶活性升高以及總酚參與自由基的清除而不斷被消耗,因此含量逐漸降低[24]。各組樣品中,P6組的總酚含量在貯藏期間整體變化較為平緩,這可能是因為打孔數(shù)為6的PBAT膜為包裝內(nèi)的雙孢蘑菇提供了較為適宜和穩(wěn)定的O2和CO2濃度以及適宜的濕度環(huán)境,有利于適當(dāng)抑制其采后呼吸并延緩微生物的生長速率,進而防止了酚類物質(zhì)受外界因素刺激而導(dǎo)致的波動[25]。

3 結(jié)論

本研究比較了PBAT膜和PE膜的性能差異,并考察了2種膜以及PBAT膜打孔數(shù)對雙孢蘑菇貯藏品質(zhì)的影響。結(jié)果表明,與PE膜相比,PBAT膜具有較高的紫外線阻隔性和水蒸氣透過性,在用于雙孢蘑菇保鮮時,可有效防止包裝膜出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。同時,P0和P6組包裝內(nèi)具有適宜的氣體環(huán)境,雖然雙孢蘑菇的失重率較高,但能維持較高的感官品質(zhì)、硬度和抗壞血酸含量,同時P6組還保持了較為穩(wěn)定的總酚含量。因此,與傳統(tǒng)PE保鮮膜相比,可完全生物降解的PBAT膜雖然氣體阻隔性較高,但可通過打孔來調(diào)節(jié)其氣體透過性,在果蔬采后貯藏保鮮中具有較好的應(yīng)用前景。