Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜的抑菌性及在荸薺保鮮中的應用

王東坤，陳丁，郭娜，張方艷，朱桂蘭

(合肥師范學院 生命科學學院，安徽 合肥，230061)

食品包裝材料是影響食品貯藏期的重要因素，目前生活中常見的多為塑料包裝[1]，這種包裝材料雖然能夠減緩食品腐敗速度，延長食品貯藏期，但長期使用會對食品本身品質產生影響，還會對環境造成污染[2]，因此尋找出一種更加安全綠色的保鮮材料顯得尤為迫切。近年來，具有可降解、綠色環保等優點的可食用復合膜材料成為研究熱點[3-4]。

荸薺是一種具有較高營養和保健價值的水生植物，同時還具有消食、醒酒等功能[5]。目前，人們常用窖藏、缸藏和NaClO溶液保藏等方法對荸薺進行保鮮[6]，這一類傳統方法，具有其特有的優點，但都不易解決貯藏過程中荸薺腐敗變質和失水嚴重的問題，因此人們正在尋找一種更佳的荸薺保鮮方法。

瓜爾豆膠是以半乳甘露聚糖為主要成分的天然多糖化合物，有很好的成膜性和穩定性，能夠與其他多糖膠復配，形成復配溶液[7-8]。而結冷膠是一種成膜性能好，凝膠能力強的多糖[9-11]。將以上2種膠液按特定比例混合復配，并在混合體系中加入適量甘油，經干燥后能得到復合膜。這種復合膜，不僅是一種天然的可食用膜，不會對人體造成危害，還能夠發揮2種復配膠的協同作用，擴大其應用領域，帶來更大的收益[12]。

乳酸鏈球菌素(Nisin)是一種具有較強抑菌性的天然多肽物質，能被人體內的相關酶分解，具有很高的安全性[13]。向復合膜中添加Nisin，制備出抗菌性復合膜，能更好地滿足消費者對食品品質的要求。

本論文以結冷膠、瓜爾豆膠和Nisin為主要原料制備復合膜，測定了不同Nisin濃度下復合膜的抑菌效果，并且對荸薺進行涂膜保鮮，通過測定相關指標變化，以探究其保鮮效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

瓜爾豆膠(食品級)，江西富之源生物科技有限公司；結冷膠(食品級)，河南安銳生物科技有限公司；乳酸鏈球菌素(食品級)，洛陽奇泓生物科技有限公司；新鮮荸薺，合肥市蜀山區錦繡菜市場；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

TA-XT plus型物性測試儀，英國Stable Micro System公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 復合膜的制備

稱取0.24 g瓜爾豆膠置于磁力攪拌器上攪拌，再將0.96 g結冷膠置于蒸餾水中，放入80 ℃左右的水浴鍋中加熱攪拌，待兩者充分溶解后混合定容至60 mL，共配制6組復合膜液，再加入Nisin(Nisin的最終質量濃度為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L)于復合膜液中，同時加入一定量甘油，混合均勻倒入模具，置于60 ℃干燥箱中干燥24 h，取出備用。

1.3.2 復合膜抑菌性的測定

采用抑菌圈法[14]。

1.3.3 復合膜對荸薺保鮮試驗

用蒸餾水清洗荸薺，晾干后，隨機分成3組進行不同處理。其中，對照組不處理；膜組采用結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜處理；Nisin-膜組采用0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜處理。將不同處理的荸薺編號，裝入袋中，置于4 ℃條件下保藏，并間隔5 d取樣，檢測相關性能。

1.3.4 荸薺相關指標測定[15-16]

失重率測定：在3組中任取6個荸薺單獨放置，每隔5 d測定1次荸薺質量變化，以失重率表示，按公式(1)計算：

(1)

好果率測定：每隔5 d將各組荸薺從袋中取出，觀察并記錄荸薺果實的腐爛、霉變情況，將未發生腐爛和霉變的荸薺記為好果，計算好果率，按公式(2)計算：

(2)

質構測定：用質構分析儀對果肉進行質構分析。每組隨機選取6個荸薺，切成大小均勻的塊狀，利用標準壓縮平板探頭(SMS P/50)進行40%壓縮試驗測定。探頭測定速率是1 mm/s，自動觸發力為5 g。硬度取最高的峰值，脆度為探頭移動到第1個峰值。

果肉電導率測定：每組隨機選取6個荸薺，采用電導儀測定。

可溶性固形物含量：采用阿貝折光儀測定。

過氧化物酶(POD)活性：愈創木酚法測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件處理平均值和標準誤差，SPSS 23.0軟件進行統計學顯著性分析，origin 8.5軟件進行折線圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜的抑菌性能

根據表1可看出，Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌及面包酵母均有抑制作用，并且隨著Nisin添加量的增加，產生的抑菌圈也隨之增大，抑菌性增強。

表1 Nisin濃度對復合膜的抑菌性Table 1 Effect of Nisin on the antimicrobial activities ofthe composite film

注：同列肩標的小寫字母相同，表示其顯著性相同(P>0.05)；字母不同，則表示顯著性也不同(P<0.05)。

對于枯草芽孢桿菌與大腸桿菌，當Nisin質量濃度達到0.5 g/L時，抑菌圈達到最大，并且與其他濃度相比，具有顯著性差異(P<0.05)，此時復合膜對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的抑菌效果最強，而對于面包酵母，當Nisin質量濃度從0.3變化到0.5 g/L時，雖然抑菌圈在變大，但并不具有顯著性差異(P>0.05)，因此可認為，當Nisin質量濃度為0.3 g/L時，復合膜對面包酵母的抑菌性已達到最強。

以上現象與Nisin的抑菌機理密切相關。目前，雖然人們尚未完全清楚精準的Nisin抑菌機理，但學者們普遍認為，Nisin能夠影響細菌細胞膜的形成，它能夠造成細胞內許多物質流出，使細胞內外滲透壓被改變，造成細胞破裂死亡，從而起到抑菌作用[17-19]。并且當Nisin的質量濃度較高時，更容易造成細胞裂解，因此增加Nisin的添加量，抑菌效果更明顯。

同時，由表1可知，Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌及面包酵母的抑制作用存在差異。例如，在0.5 g/L Nisin的質量濃度下，枯草芽孢桿菌的抑菌圈大小約為7.07 mm，而大腸桿菌和面包酵母的抑菌圈大小分別約為4.53和3.78 mm，復合膜對枯草芽孢桿菌的抑制作用要明顯強于另外2種菌，而枯草芽孢桿菌是一種革蘭氏陽性菌，這符合Nisin對革蘭氏陽性菌較敏感的特性。

2.2 Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜對荸薺保鮮的影響

2.2.1 好果率

圖1顯示，隨著貯藏時間的增加，3種不同處理組的荸薺好果率均有所下降，但在貯藏期內，經結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜處理后的荸薺好果率都要高于對照組，同時0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組也高于結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組，這表明結冷膠-瓜爾豆膠膜液可以在一定程度上延緩荸薺的腐敗，對荸薺具有保鮮作用，而當在復合膜液中加入Nisin后，這種保鮮作用得到加強。這可能是因為當結冷膠-瓜爾豆膠復合膜液涂抹在荸薺表面，晾干后形成一層薄膜結構，這種結構對荸薺起到一定的保護作用，降低了荸薺與外界微生物接觸的可能性，從而達到保鮮作用，而Nisin作為一種天然抑菌劑，它能夠提高結冷膠-瓜爾豆膠復合膜的抑菌能力，加強膜的保鮮效果，延緩荸薺的腐敗速度[20-21]。

圖1 荸薺好果率的變化Fig.1 The change of good fruit rate of water chestnuts

2.2.2 失重率

隨著貯藏時間的延長，荸薺內部的水分會逐漸蒸發，導致荸薺的質量下降。由圖2可知，各方法處理后的荸薺失重率都在增加，但趨勢不同，對照組的失重率增加趨勢最明顯，而結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組的趨勢要優于對照組。這表明結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜能夠延緩荸薺失水，這可能是結冷膠與瓜爾豆膠形成的復合膜分子結構較為致密[22]，能夠有效阻止水分散失。但2個涂膜組間的差距并不明顯，這表明Nisin的加入，未能改善荸薺的失重率變化。

圖2 荸薺失重率的變化Fig.2 The change of weight loss of water chestnuts

2.2.3 質構分析

從圖3可以看出，荸薺的硬度與脆度變化呈現不同的規律，隨著貯藏時間的延長，荸薺硬度先下降后上升，而脆度則一直下降。如：從第0～15天，荸薺的硬度和脆度都有所下降，但15 d后，硬度突然上升，且在第25天，達到最大，而脆度則繼續下降，且下降速率要高于之前，這可能是由于從第15天后，荸薺果肉失水蒸發嚴重，使得荸薺果肉細胞受損加重，失去活性，進而加速了荸薺組織結構的破壞，果實表皮皺縮，導致荸薺硬度突然增大，脆度下降嚴重。

圖3 荸薺硬度和脆度的變化Fig.3 The change of hardness and brittleness of waterchestnuts

2.2.4 果肉電導率

由圖4可知，在貯藏期內，各處理組果肉的相對電導率都在上升，而相對于對照組，涂膜組的相對電導率要低。這說明在貯藏過程中，荸薺果肉細胞受到破壞，細胞膜受損變得嚴重，相對電導率開始逐漸上升，而涂膜處理能夠抑制果肉電導率的上升，表明復合膜對荸薺果肉細胞能夠起到保護作用，延緩細胞膜受損。并且0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠涂膜組的電導率要低于結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組，表明前者的作用效果要更好。

圖4 荸薺果肉相對電導率的變化Fig.4 The change of relative conductivity of water chestnuts

2.2.5 可溶性固形物含量

從圖5可以看出，隨著貯藏時間的延長，各組荸薺的可溶性固形物含量均逐漸下降。4 ℃存放的荸薺，在貯藏期內，可溶性固形物含量下降速率基本一致，變化范圍也較小；而室溫下貯藏的荸薺，在5 d后，可溶性固形物下降速率開始增大，并且結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組和0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠涂膜組的下降趨勢要稍緩和于對照組。涂膜組的可溶性固形物含量都要高于對照組。以上結果表明，荸薺在貯藏過程中可能由于呼吸作用，使得糖類被消耗，導致可溶性固形物含量下降，而對荸薺涂膜后，復合膜可能減緩了荸薺的代謝速度，使得糖類物質的消耗減慢，故可溶性固形物含量也相對較高[23]。

圖5 荸薺可溶性固形物含量的變化Fig.5 The change of soluble solids content of waterchestnuts

2.2.6 過氧化物酶(peroxidase, POD)活性

POD活性可用來反映果蔬的品質變化，在貯藏期內，果蔬的POD活性會隨著其品質的降低而下降[16]。根據圖6所示，在貯藏條件下，各組荸薺POD活性均呈下降趨勢，且降速率基本一致，沒有明顯差異，但涂膜組的POD活性要略高于對照組；從第15天開始，0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠涂膜組的荸薺POD活性下降速率明顯要緩和于另外2組，POD活性也明顯高于另外2組。以上結果表明，2種涂膜方法都可以抑制荸薺POD活性的下降，而0.5 g/L Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜的作用效果更好。

圖6 荸薺POD活性的變化Fig.6 The change of POD of water chestnuts

3 結論

(1)Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌及面包酵母均有抑制效果，并且復合膜對枯草芽孢桿菌產生的抑菌圈要明顯大于另外2種菌。

(2)涂膜組處理均能延緩荸薺品質的下降，其中Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜的作用效果要更加顯著，在4 ℃條件下，貯藏25 d后，荸薺的好果率和POD活性要明顯高于對照組和結冷膠-瓜爾豆膠膜液涂膜組，也能很好地抑制果肉相對電導率的上升，這表明Nisin-結冷膠-瓜爾豆膠復合膜可適應于荸薺的保鮮。