聚乳酸/聚丁二酸-己二酸丁二酯可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花的保鮮效果

蔣金勇，唐海兵，欒東磊，李 立*

（上海海洋大學食品學院，食品熱加工工程技術研究中心，上海 201306）

西蘭花（Brassica oleracea L.）又名青花菜、綠菜花，富含人體所必需的VC、蛋白質、抗氧化及抗癌成分，深受消費者的喜愛。由于西蘭花采后呼吸強度大、代謝旺盛，在常溫下容易發黃、失水、喪失葉綠素[1]。所以在西蘭花的生產加工過程中，如何保持其品質、抑制其呼吸強度及延緩生命活動，進而延長其貨架期，成為當今的研究熱點。

茶樹精油（tea tree essential oil，TTO）為桃金娘科（Myr-taceae）白千層屬（Melaleuca）植物互葉白千層（Melaleuca alternifolia）的葉和枝條末梢經水蒸氣蒸餾而得的無色至淡黃色精油。研究表明，添加茶樹精油的果蔬具有較好的抗菌活性，能有效抑制果蔬表面的微生物，降低其腐敗率。生姜精油（ginger essential oil，GEO）是生姜根莖的提取物，是經超臨界二氧化碳萃取、水溶處理后，所得到的一種淡黃色可流動的液體，其主要成分是倍半萜烯類碳水化合物、氧化倍半萜烯[2-3]。兩種天然的植物精油均能夠作為食品的保鮮劑，可有效延長果實的貯藏壽命，具有取代化學殺菌劑而成為新型生物保鮮劑的潛力，起到綠色保鮮的效果。

聚乳酸（polylactic acid，PLA）又稱為聚丙交脂，是以小麥、玉米等一些植物中提取的淀粉為原料，再經酶分解、乳酸菌發酵后所得到的高純度PLA樹脂。PLA的主要原料為乳酸，且具有優良生物可降解性和較好的生物相容性，其降解產物能夠安全地參與人體代謝，已經被美國食品藥品監督管理局認可，廣泛應用于醫療手術縫合線、微球、組織修復材料等制作中[4-5]。聚丁二酸-己二酸丁二酯（poly(butylene succinate-co-adipate)，PBSA）是90年代初開發的一類脂肪族聚酯，是聚丁二酸丁二醇酯的共聚物，在添加了己二酸共聚分子后，其分子鏈的結晶度降低且柔性增加，從而更加容易實現生物降解。

目前關于可生物降解和活性包裝薄膜鮮有報道。付正義等[6]僅研究了單一純PLA薄膜對蟹味菇的保鮮效果；潘怡丹等[7]研究發現麝香草酚-PLA薄膜的活性物質能有效保持藍莓果實的質地并延長其貨架期；王維海等[8]采用氣調貯藏的方式對櫻桃進行保鮮研究，結果表明，體積分數7% O2+20% CO2能有效降低雷尼櫻桃的腐敗率，減少風味損失。

本實驗以PLA/PBSA為基材，加入擴鏈劑、抗菌成分，調控薄膜的透氣量及CO2/O2透氣比，加入的PBSA作為改性物質，能夠使改性的可降解薄膜既具非生物降解薄膜的機械性能，又具有抗氧化、自發氣調的能力，通過自發氣調，能使可降解包裝內創造出低氧、適宜體積分數的CO2環境，再加入活性成分生姜精油與茶樹精油，通過高CO2/O2透氣比與活性成分的協同作用，更好地抑制西蘭花的呼吸作用及包裝內微生物的生長，延長其貨架期。同時考察薄膜包裝微環境下O2和CO2體積的變化情況及可降解薄膜抗氧化效果，并以可溶性固形物質量分數、丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量、葉綠素含量等作為衰敗指標，輔以感官評定，來評價不同可降解薄膜的保鮮效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮西蘭花于2018年1月14日早6點采摘于上海市浦東新區泥城鎮農戶蔬菜園。

PLA 美國Nature Works公司；PBSA 日本昭和電工株式會社；擴鏈劑（TMP6000） 杭州曦茂科技有限公司；茶樹精油、生姜精油 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、無水乙醇、碳酸氫鈉、碳酸鈣、2,6-二氯靛酚、三氯乙酸、2-硫代巴比妥酸、抗壞血酸、草酸（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

LSSL-20雙螺桿擠出機、LYJ-流延機、XSS-300轉矩流變儀 上?？苿撓鹚軝C械設備有限公司；UV2100紫外-可見分光光度計 日本島津公司；XLW智能電子拉力試驗機、PERME G2/132透氣率測試儀 濟南蘭光機電技術有限公司；PERMATRAN-W MODEL1/50水蒸氣透過系數測試儀 美國Mocon公司；Checkmate 3微量殘氧儀丹麥PBI Dansensor公司；LH-T32手持式糖度計 上海精科儀器有限公司；TA Instruments Q2000差示掃描量熱儀美國Waters公司；S3400掃描電子顯微鏡 日本日立公司；超凈工作臺 美國Labconco公司。

1.3 方法

1.3.1 可降解抗氧化薄膜制備

分別制作PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA 3 種可降解薄膜，具體參考戶帥鋒等[9]的制備方法略作修改。

分別將茶樹精油、生姜精油各以3%（以薄膜總質量計，下同）的比例加入到96.8% PLA/PBSA（9∶1，m/m）樹脂顆粒中，再加入0.2%的擴鏈劑，得到TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA混合物，以PLA/PBSA樹脂顆粒為空白基膜；將這3 種混合物經充分混勻攪拌后，通過雙螺桿擠出及單螺桿流延，得到3 種對應的可降解抗氧化薄膜。

雙螺桿擠出設備1～7區溫度分別為：145、150、170、170、175、175、175 ℃，轉速為50 r/min。單螺桿擠出機各區溫度為100、140、160、175 ℃，轉速為40 r/min。

1.3.2 西蘭花包裝貯藏實驗設計

選取適宜采收花叢緊密、色澤均一，且無病蟲害的西蘭花，然后將挑選后的西蘭花樣品用鋒利的刀具切割成大小相同（50 g）的花球，分為3 個實驗組（可降解薄膜組）和1 個對照組（無薄膜包裝）共4 個組別，每組設置3 個平行。然后將實驗組分裝入不同的可降解保鮮袋（15 cm×20 cm，厚（40±3）μm）中，抽真空并注入相同的空氣，從而保證初始氣體體積分數一致。將所有組置于常溫（（24±1）℃）、相對濕度不小于95%的環境內，每天進行取樣測試，當西蘭花出現腐爛或者黃化時，則終止貯藏。

1.3.3 可降解抗氧化薄膜性能測試

斷面微觀結構的測定：取樣品于液氮中脆斷處理，然后將樣品粘貼于樣品臺，脆斷面朝上，置于離子濺射鍍膜儀內15 mA條件下噴金鍍膜60 s以提高導電性，取出，曝真空，將樣品放入腔內并設置高度及大小，在5 kV加速電壓下，電子掃描顯微鏡觀察薄膜斷面結構。

拉伸強度的測定：用切割刀將薄膜樣品裁成150 mm×15 mm的長條狀，測試環境為：溫度25 ℃、相對濕度95%，測試時，將長條狀薄膜樣品上下加緊對齊，初始夾距為50 mm，拉伸速率為50 mm/min。每組樣品薄膜測試5 次，記錄數據。

O2、CO2透過率的測定：依據GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》，用切割刀將薄膜樣品裁成直徑90 mm的圓形樣品膜，測試環境為：溫度23 ℃、相對濕度50%，將圓形樣品薄膜密封貼于氣體滲透測試儀的檢測腔內，測試薄膜的氣體透過率。每組樣品薄膜分別測試3 次，記錄數據。

水蒸氣透過系數的測定：利用水蒸氣透過系數測試儀，參考ASTM E398—13Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate of Sheet Materials Using Dynamic Relative Humidity Measurement，測試環境為：溫度37 ℃、相對濕度100%，每組薄膜分別測試3 次，記錄數據。

1.3.4 西蘭花指標測定

1.3.4.1 理化指標測定

薄膜包裝袋內CO2、O2體積分數：采用微量殘氧儀注射測定。

可溶性固形物質量分數：將西蘭花研磨成漿，濾布過濾滴在手持式折光儀上進行測定。

DPPH自由基清除能力：參考韋獻雅等[10]的方法并略修改，將3 片（每片面積為12 cm2）樣品薄膜剪碎置于含50 mL、體積分數95%乙醇溶液的錐形瓶中，在60 ℃條件下密封避光保存4～5 h后，在517 nm波長處測定吸光度。

VC含量的測定參考曹建康等[11]的方法。

葉綠素含量：取2.0 g樣品放入研缽，加少量石英砂和3 mL體積分數95%乙醇溶液，研成勻漿，再加體積分數95%的乙醇溶液10 mL，研磨至組織變白，過濾并用體積分數95%乙醇溶液定容至50 mL棕色容量瓶中，取葉綠素提取液，在645、663 nm波長處測定吸光度，以體積分數95%乙醇溶液為空白對照，具體計算參考曹建康等[11]的方法。

MDA含量：參考高雪等[12]的方法并略有修改，稱取1.0 g樣品置于研缽，加入5.0 mL 100 g/L三氯乙酸溶液，研磨成漿后，轉移至試管，再加入5.0 mL、0.67 g/100 mL硫代巴比妥酸溶液（0.1 g/mL三氯乙酸溶解），混合后在沸水浴中煮沸20 min，冷卻30 min后，5 000 r/min、4 ℃離心15 min，分別測定上清液在450、532 nm和600 nm波長處的吸光度。

所有指標測定時，將西蘭花莖、花球剪碎混合后處理，每個指標及樣品均重復3 次。

1.3.4.2 感官評定

從不同實驗室隨機選取6 名感官評定成員，通過對西蘭花的質構、色澤、氣味、腐敗情況和組織形態5 項指標進行評價，分為4 個標準級，總得分大于6 分說明西蘭花仍具商品價值。具體評分標準見下表1。

表1 西蘭花感官指標的評分標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of broccoli

1.4 數據處理與分析

使用SPSS 22.0軟件統計數據，并采用Duncan’s進行差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著，并用Origin 8.0軟件作圖

2 結果與分析

2.1 不同薄膜包裝的物理性能

由表2可知，GEO-PLA/PBSA薄膜的O2、CO2透過率和水蒸氣透過系數最高，其次為PLA/PBSA，TTO-PLA/PBSA最低。生姜精油的加入破壞了PLA分子間的氫鍵，進而提高了水蒸氣透過系數及氣體透過率。CO2/O2透氣比為30∶1時，具有較好的氣體自主調節能力，既能降低植物的呼吸作用，又能釋放包裝內的CO2[13]，而GEO-PLA/PBSA薄膜的CO2/O2的透氣比為30∶1。PLA/PBSA薄膜拉伸強度為47.28 MPa，加入生姜精油后，拉伸強度降至29.40 MPa，較好地改善了PLA材料的脆性并提升了其柔韌性。

表2 可降解抗氧化薄膜的物理性能Table 2 Physical properties of different degradable antioxidant fi lms

2.2 可降解抗氧化薄膜斷面微觀結構

圖1 可降解抗氧化薄膜斷面的微觀結構Fig. 1 Cross-sectional microstructure of degradable antioxidant fi lms

由圖1A可知，PLA/PBSA空白基膜的斷面中間光滑、平整，但兩邊較為毛糙，表明PLA與PBSA共混成膜性較好，同時與PBSA的混合也改善了純PLA樹脂加工成型性能。由圖1B、C可知，加入3%茶樹精油或3%生姜精油后，可降解薄膜的斷面變得更光滑、平整、緊湊，表明加入的活性成分能夠較好地分散在樹脂分子鏈中，且降低了大分子間的相互作用，進一步改善了加工成型性能[14]。此外，添加活性成分前、后的PLA/PBSA可降解薄膜斷面均未出現網狀結構或者出現氣泡、分子團簇現象，這也說明PLA與PBSA、生姜精油、茶樹精油均有著良好的相容性。

2.3 可降解抗氧化薄膜的DPPH自由基清除能力

圖2 可降解抗氧化薄膜的DPPH自由基清除能力Fig. 2 DPPH radical scavenging capacity of different degradable antioxidant fi lms

由圖2可知，PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA薄膜的DPPH自由基清除能力分別為36.1%、41.4%和70.0%。GEO-PLA/PBSA薄膜DPPH自由基清除能力最高，主要是因為其主要活性成分愈創木酚作為供氫體與自由基發生反應，終止了自由基的鏈式反應，使DPPH溶液褪色明顯[15]。未加入精油的PLA/PBSA薄膜具有DPPH自由基清除能力，是由于其前期熔融加工成膜過程中，為防止樹脂加工過程中材料氧化加入了抗氧化劑；但TTO-PLA/PBSA薄膜的DPPH自由基清除能力也不高，表明茶樹精油抗氧化效果較差[16]。以上結果說明，生姜精油抗氧化能力突出，能較好地抑制果蔬的氧化反應，延緩西蘭花的衰敗進程。

2.4 西蘭花貯藏過程中可降解抗氧化薄膜中O2和CO2體積分數的變化

圖3 可降解抗氧化薄膜CO2/O2調控機制Fig. 3 CO2/O2 regulation mechanism of degradable antioxidant fi lms

圖3 為GEO-PLA/PBSA組自主調節呼吸調控機制：包裝微環境中CO2和H2O能從內部釋放出去，同時少量O2從外界進來[17]。果蔬在采后貯藏的時候，由于其呼吸及蒸騰作用會向外界釋放大量水蒸氣和二氧化碳，適當地同外界交換氣體、水分能有效抑制微生物的生長[18]。對于透濕和透氣性能較好的薄膜，能夠從包裝內散發出不必要的水分，同時防止袋內CO2含量過高造成無氧呼吸，產生酸、醛、酮等中間產物，破壞果蔬的正常新陳代謝，最終加速果蔬的腐敗和微生物的滋生。

圖4 西蘭花貯藏過程中可降解抗氧化薄膜包裝內O2和CO2體積分數的變化Fig. 4 Changes in O2 and CO2 proportions in degradable antioxidant fi lm packaging during the storage of fresh-cut broccoli

由圖4可以看出，3 組包裝袋內CO2體積分數呈不斷上升的趨勢，O2體積分數不斷下降。其中PLA/PBSA組、TTO-PLA/PBSA組在第2天時，其O2體積分數就降至為0%，包裝微環境內低氧、高二氧化碳的現象主要可以歸結于較低的O2和CO2滲透系數[19]。有研究表明，氣調包裝內氣體比例為40% O2+60% CO2時，保鮮效果最佳，能顯著降低呼吸速率和乙烯釋放量[20]。生姜精油組中，O2體積分數為8.9%～12.7%，CO2體積分數為7.8%～12.6%，和最佳的氣調比例相接近，能夠更加容易地同外界交換氣體。GEO-PLA/PBSA薄膜由于其本身具有較高CO2/O2透氣比，使得膜內外CO2和O2含量維持在一個平衡狀態，有效抑制了西蘭花的呼吸作用，降低了有機物等營養物質的消耗，最終延長了鮮切西蘭花的貯藏期。

2.5 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中可溶性固形物質量分數的影響

圖5 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中可溶性固形物質量分數的影響Fig. 5 Changes in soluble solid content in fresh-cut broccoli with degradable antioxidant fi lm packaging during storage

可溶性固形物主要包括可溶性糖、可溶性蛋白質、酸、礦物質等，其質量分數是衡量果蔬是否成熟的重要指標[21]。由圖5可知，西蘭花的可溶性固形物質量分數呈先上升后下降的趨勢，主要原因是開始時包裝內相對濕度較低，促進了西蘭花的蒸騰作用，使得可溶性固形物質量分數在貯藏初期上升；貯藏3 d后，隨包裝內相對濕度增加，蒸騰作用被抑制，西蘭花的呼吸作用占據主導地位，有機物質開始分解，可溶性固形物質量分數不斷下降。其中CK組可溶性固形物質量分數從第1天后就不斷下降，第2天降至8.8%，遠低于其他組，說明該組大分子物質分解速度較快；GEO-PLA/PBSA組可溶性固形物損失較少，第7天時其質量分數仍為9.8%，說明GEO-PLA/PBSA薄膜能更好地抑制西蘭花大分子物質的分解。

2.6 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中VC含量的影響

圖6 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中VC含量的影響Fig. 6 Changes in VC content in fresh-cut broccoli with degradable antioxidant fi lm packaging during storage

VC含量是評價果蔬貯藏期間營養價值的重要指標之一，西蘭花本身VC含量很高，但容易氧化流失[22]。由圖6可以看出，隨著貯藏時間的延長，VC含量呈不斷下降的趨勢。3 種包裝均能不同程度減緩VC含量的下降，在貯藏第4天時，GEO-PLA/PBSA組VC含量為92.49 mg/100 g，PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA組含量分別是78.67、65.83 mg/100 g，而CK組含量為GEO-PLA/PBSA組的57.66%。說明與CK組相比，可降解抗氧化薄膜可有效抑制西蘭花貯藏過程中VC的損失。

2.7 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中葉綠素含量的影響

圖7 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中葉綠素含量的影響Fig. 7 Changes in chlorophyll content in fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

葉綠素是植物進行光合作用的一類重要的色素，果蔬在貯藏期間，葉綠素含量會不斷下降，進而出現萎焉發黃的現象[23-24]。由圖7可知，貯藏2 d后，GEO-PLA/PBSA組葉綠素含量均顯著高于其余組。在第5天時，GEO-PLA/PBSA、PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA組葉綠素含量分別為0.233、0.181 mg/g和0.188 mg/g，分別為初始含量的76.33%、59.34%和61.64%，此時PLA/PBSA組和CK組（0.178 mg/g）無顯著性差異（P＞0.05）。貯藏末期（7 d），GEO-PLA/PBSA組葉綠素含量仍較高，為初始含量的65.85%，主要歸功于薄膜高透濕、透氣的性能以及薄膜內抗氧化成分的釋放，明顯延緩了鮮切西蘭花內葉綠素的降解，其效果要顯著優于其他組阻隔性較高的薄膜。

2.8 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中MDA含量的影響

果蔬在后熟的過程中，細胞會發生脂質過氧化作用，MDA含量能反映細胞損傷程度[25-26]。如圖8所示，隨著貯藏時間的延長，鮮切西蘭花中MDA不斷積累，其中CK組MDA含量增長幅度最大，第7天時，CK、PLA/PBSA組和TTO-PLA/PBSA組MDA含量分別達到10.68、7.64 μmol/kg和8.55 μmol/kg，顯著高于GEO-PLA/PBSA組（5.82 μmol/kg）（P＜0.05）。隨著貯藏時間的延長，活性物質會在包裝內部緩釋，GEO-PLA/PBSA組膜中的生姜精油成分能有效抑制脂肪的氧化腐敗[27]。6 d后，加入生姜精油或茶樹精油的薄膜，其MDA含量的折線斜率開始增大，同CK組增長速率較為一致，表明此時GEO-PLA/PBSA組和TTO-PLA/PBSA組脂質過氧化程度和膜系統傷害程度增強。

圖8 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中MDA含量的影響Fig. 8 Changes in MDA content in fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

2.9 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中感官得分的影響

表3 可降解抗氧化薄膜對鮮切西蘭花貯藏過程中感官得分的影響Table 3 Changes in evaluation scores for fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

感官品質是判斷果蔬感官質量優劣的重要手段，直接影響其貨架期及居民消費欲望[28]。由表3可以看出，西蘭花的感官評分隨著貯藏時間的延長不斷下降。CK組在貯藏第1天時，由于其空氣直接接觸，呼吸作用較強且失水較多，感官得分顯著低于其他組；到第3天時，由于與空氣的長時間接觸，花球表面枯萎、氧化發黃，感官得分僅為5.25 分，已經完全失去其商品價值。PLA/PBSA和TTO-PLA/PBSA感官評定得分差異不明顯，這兩組在第3天時包裝內即出現小水珠，西蘭花因進行無氧呼吸產酸發臭而產生酸臭味，開始喪失其食用價值。而GEO-PLA/PBSA組西蘭花貯藏3 d后，色澤為淺綠且殘存清香，依舊存在商品價值，較CK組貨架期延長了2～3 d。由于生姜薄膜的高透氣率，且CO2/O2透氣比達30∶1，較好地控制了包裝微環境中氣體比例，抑制了西蘭花的呼吸強度，進而維持了其良好的感官及營養價值[29-30]。

3 討 論

果蔬在衰老的過程中，會出現自身活性氧代謝失調，誘導膜脂中的不飽和脂肪酸發生過氧化作用，導致質膜的通透性和MDA含量增加，加速果蔬衰老的進程[31]。傳統的聚乙烯包裝或者是氣調包裝，難以維持袋內O2和CO2含量穩定。傳統的氣調包裝容易造成袋內果蔬進行無氧呼吸，進而產生乙醇、乙醛等異味物質并滋生細菌，加速了果蔬的腐爛過程。自發氣調包裝與活性物質的結合的組合，不僅能有效控制保鮮袋微環境中O2和CO2的比例，降低果蔬的呼吸作用[32-33]，還能抑制細菌霉菌的生長繁殖，減緩其組織褐變進程，有效延長果蔬的貯藏期。

在本實驗中，GEO-PLA/PBSA可降解薄膜顯示出最佳的保鮮效果，其透濕和透氣性能較優，且具有高CO2/O2透氣比，能容易地與外界交換氣體、水分，使得膜內外CO2/O2的比例保持平衡。此薄膜包裝下的西蘭花進行微弱的需氧活動，降低了有機物等營養物質的消耗，同時由于生姜精油具有較強的DPPH自由基清除能力，有效延緩了葉綠素、VC的損失，抑制了MDA含量的增加，避免了細胞膜結構和功能遭到破環，保持了西蘭花的品質；與對照組相比，GEO-PLA/PBSA組西蘭花在常溫條件下貨架期延長2～3 d。但是對于可降解抗氧化薄膜是如何降低西蘭花生理代謝的機理亟待進一步的研究與討論。