納米纖維素/殼聚糖復合涂膜在紅桔保鮮中的應用

余易琳，徐丹,2*，任丹,2，吳習宇,2

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400700)2(西南大學，食品貯藏與物流研究中心，重慶，400700)

柑橘果實產量豐富、風味可口、營養價值高，在全世界廣受歡迎[1]。但果實在采摘之后由于呼吸、代謝、蒸騰等作用，在貯藏過程中會出現失重、軟化、風味變差等品質劣化現象，并極易受微生物侵染而腐爛，導致嚴重的浪費和經濟損失。在果實表面涂敷可食性涂膜，可在其表面形成阻隔層，在抑制其呼吸和蒸騰作用的同時，減輕果實的機械損傷，減少微生物侵染[2-3]。與化學保鮮法相比，具有綠色環保、安全高效等特點，因此受到了廣泛關注。

殼聚糖(chitosan，CS)是自然界存量最豐富的多糖之一，具有良好的生物相容性、生物可降解性、成膜性、阻隔性以及抗菌性[4-5]，因此被認為是可食性涂膜保鮮的理想材料之一[6-8]。但CS吸濕性強、耐磨性差，在果實的呼吸和蒸騰作用下，結構易被破壞而失效。在CS基材中添加少量納米粒子，可以改善其機械性能和氣體阻隔性，從而提高CS涂膜的保鮮效果。常用的納米粒子有納米蒙脫土[9]、納米氧化硅[10]、納米銀[11]和納米二氧化鈦[12]等。但這些無機納米粒子對人體的毒性尚未明確，添加到包裝材料中可能遷移到食品中從而造成安全風險[13-15]。納米纖維素(nanocrystal cellulose，NCC)具有纖維素的骨架結構，無明顯生物毒性，價格低廉[16]，具有良好的機械性能和生物相容性[17-18]。同時，NCC具有與CS相近的結構，因此與CS有很好的相容性，可在其中均勻分散。KHNA等[19]發現將一定量NCC加入CS薄膜中，可使薄膜的抗張強度提高26%，水蒸氣透過率降低27%。因此，將NCC添加到CS復合涂膜中，有望改善復合涂膜的阻隔性和穩定性，從而影響其保鮮效果。目前，將NCC/CS復合涂膜用于柑橘的貯藏保鮮尚未見報道。因此，本研究在考察了NCC對CS獨立膜的抗張性能和透過性能影響的基礎上，將NCC/CS復合涂膜用于紅桔保鮮，探究其對紅桔在貯藏期間的腐爛率和各項品質指標的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

紅桔：采于重慶市北碚區果園；殼聚糖：脫乙酰度為90%，相對分子質量為18萬，濰坊海之源生物制品有限公司；NCC分散液：質量分數為1.05%，天津市木精靈生物科技有限公司；聚乙烯袋：14 cm×17 cm、厚度3 μm，浙江衢州市明利包裝有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 獨立膜的制備

將NCC分別按CS質量的0%、3%、6%和9%加入到體積分數為1.0%的冰醋酸水溶液中，攪拌20 min。稱取一定量的CS分別加入上述NCC分散液中使CS濃度為15 g/L。持續攪拌24 h得到均勻溶液后，超聲處理30 min即制備得到不同NCC含量的NCC/CS復合膜液。將上述膜液過濾后靜置24 h，稱取45 g倒入邊長為120 mm的方形塑料培養皿中，于40℃的烘箱中干燥16 h，制備得到獨立膜，厚度為30～40 μm。CS獨立膜記為CS-S，NCC含量為3%、6%和9%的NCC/CS復合獨立膜分別記為3NCC/CS-S、6NCC/CS-S和9NCC/CS-S。

1.3 獨立膜的表征

1.3.1 紅外光譜(FTIR)

將復合膜液稀釋后制得厚度約為1 μm的薄膜，采用紅外光譜儀(Spectrum100，美國PerkinElmer公司)的透過模式掃描。掃描范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描16次。

1.3.2 抗張性能

參照GB/T 1040.3標準，采用電子拉力機(SCW-500，濟南蘭光機電技術有限公司)進行測試。夾具間距50 mm，拉伸速度50 mm/min。每組膜至少測試10個樣品。

1.3.3 吸濕率

將獨立膜烘至恒重，稱重記為m1。在濕度為100%，溫度為25 ℃的環境中平衡24 h后，立即稱重記為m2，計算m2相對于m1增加的百分數。每組膜至少測試5個樣品。

1.3.4 水蒸氣透過系數(water vapor permeability，WVP)

參照GB/T 1037—1988標準(減重法)，采用水蒸氣透過率測試系統(W3/060，濟南蘭光機電技術有限公司)進行測試。測定前將膜在相對濕度為70%，溫度為25℃的環境中平衡24 h。測試條件為相對濕度70%，溫度25℃。

1.3.5 氧氣透過率(oxygen permeability，OP)

參照GB/T 1038—2000標準，采用壓差法氣體滲透儀(VAC-V2，濟南蘭光機電技術有限公司)進行測試。測試條件為相對濕度48%，溫度25℃。

1.4 紅桔保鮮效果測定

1.4.1 紅桔涂膜處理

在當天采摘的紅桔中選取成熟度、質量和大小一致的果實。清水洗凈后，用體積分數為70%的酒精擦拭橘皮消毒。常溫晾干后隨機分為5組，每組約100個果實。對照組不再進行任何處理，記為CK。涂膜組分別在CS膜液和NCC濃度為3%、6%和9%的NCC/CS復合膜液(NCC粉末質量分數為CS的3%、6%和9%)中浸泡2 min，取出后自然風干，分別記為CS、3NCC/CS、6NCC/CS和9NCC/CS。CS膜液和NCC/CS復合膜液的制備方法與1.2中獨立膜的膜液制備方法相同，自然晾干后，涂膜厚度為1～5 μm。將聚乙烯袋預先用直徑為6 mm的打孔器均勻打孔8次，然后放入各組果實進行單果包裝。對每個果實稱重，并記錄下初始質量m0。置于溫度為(8±3)℃，濕度為(75±10)%的環境中貯藏。每3 d從每組中隨機取出9個無損鮮果測定其品質指標。

1.4.2 腐爛率

觀察各組紅桔果實，當果實的果皮表面出現任何霉菌、腐爛、病斑或者果皮軟化呈水漬狀，即視其為爛果。記錄每組中爛果的數量，計算其占初始數量的百分數。

1.4.3 失重率

稱量當日果實質量mt，按式(1)計算失重率Δm：

(1)

1.4.4 硬度

小心去除果皮后，在果實赤道部位均勻取3點，置于TA-XI2i質構儀(SMS公司)P/50探頭下進行測試。探頭預壓速度2.00 mm/s，下壓速度1.00 mm/s，壓后上行速度5.00 mm/s，兩次壓縮間停頓3.0 s。三點測得的平均值記為該果實硬度。每組測定9個果實樣品。

1.4.5 可溶性固形物(total soluble solids，TSS)

將去皮后的果肉榨汁，紗布過濾得到果汁。采用阿貝折射儀測定果汁的TSS，結果以%表示。

1.4.6 可滴定酸(titratable acid，TA)

采用酸堿滴定法測定。取上述過濾后的果汁10 mL用去離子水稀釋至100 mL，取10 mL用質量分數為1%的NaOH溶液滴定直至出現粉紅色，且30 s內不變色，記錄下此時消耗的溶液體積，按式(2)計算果汁中的TA含量：

(2)

式中：N，NaOH溶液的摩爾濃度，mol/L-1；V，滴定樣品消耗的NaOH溶液體積，L；Vs，樣品體積，L；K，轉換系數，以檸檬酸作標準，為0.064。

1.4.7 抗壞血酸(ascorbic acid，AA)

果汁中的AA含量參照秦海容等[20]的方法測定，結果以mg/100 mL表示。

1.4.8 丙二醛(malondialdehyde，MDA)

取1 mL過濾后的果汁，加入5 mL預冷的100 g/L三氯乙酸中提取20 min，然后取2 mL混合液加入2 mL質量分數為0.67%的硫代巴比妥酸溶液。在沸水浴中煮20 min，冷卻后取上清液分別在450 nm、532 nm和600 nm處測定其吸光值，按公式(3)、(4)計算果汁中MDA的含量：

c/(μmol·L-1)=6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450

(3)

(4)

式中：c，丙二醛濃度，mol/L；OD450、OD532、OD600，分別為450 nm、532 nm、600 nm波長處的吸光度值；V，測定時樣品的總體積，mL；m，樣品質量，g。

1.4.9 總酚和類黃酮

稱取0.5 g果皮組織，加入20 mL體積分數為1%的鹽酸-甲醇溶液冷凍研磨后，在4℃環境下避光提取20 min，過濾。以1%鹽酸-甲醇溶液作空白參比調零，測定濾液在波長280 nm和325 nm處的吸光度值。

1.5 數據處理

除特別指出外，每項測試中各組樣品均重復測試3次，數據均采用平均值±均方差表示，并采用單因素ANOVA進行分析，用Duncan法進行多重比較，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 獨立膜的表征

2.1.1 紅外光譜分析

NCC凍干粉末、CS-S和6NCC/CS-S膜的紅外光譜如圖1所示。圖中可觀察到NCC的特征峰，如—OH的伸縮振動(3 200～3 600 cm-1)[21]，—CH和—CH2的伸縮振動(3 000～2 800 cm-1)與彎曲振動(1 500～1 250 cm-1)，C—O—C的伸縮振動(1 160 cm-1)[22]，以及—OH的面外彎曲振動(800 cm-1與650 cm-1)[23]。CS-S的特征峰主要為—OH和—NH2的伸縮振動(3 100～3 500 cm-1)，酰胺基I和酰胺基Ⅱ的彎曲振動(1 633 cm-1和1 538 cm-1)，C—O—C骨架的伸縮振動(1 235 cm-1)，C—O伸縮振動及—OH的彎曲振動(1 025～1 100 cm-1)。6NCC/CS-S的紅外光譜圖與CS-S較為接近，但在3 342 cm-1處出現了NCC的特征峰，說明了NCC的存在。3NCC/CS-S和9NCC/CS-S的紅外光譜圖與6NCC/CS-S相近，因此圖中未給出。

圖1 NCC凍干粉末、CS-S和6NCC/CS-S膜的紅外光譜圖

2.1.2 抗張性能

各獨立膜的抗張性能如圖2所示。當NCC的含量從3%增加至6%時，復合膜的抗張強度、斷裂伸長率和楊氏模量相較于CS-S均顯著增加。進一步增加NCC含量時，復合膜的抗張強度和斷裂伸長率則有所降低。由此說明，添加的適量NCC可提高膜的拉伸性能。其中，與CS-S相比，6NCC/CS-S的抗拉強度、斷裂伸長率和楊氏模量分別提高了60.15%、42.75%和21.49%。NCC作為高結晶度納米纖維，具有很好的力學性能，且其含有的陰離子硫酸鹽基團可與殼聚糖的陽離子胺基之間產生靜電相互作用，有利于NCC在CS基質中均勻分散并進行良好的界面應力傳遞。因此，相較于CS-S，NCC/CS復合膜的抗張性能有著顯著提升[24]。

A-抗張強度；B-斷裂伸長度；C-楊氏模量

2.1.3 吸濕率和阻隔性能

由表1數據可看出，CS-S膜具有較好的氧氣阻隔性，但水蒸氣阻隔性較差，吸濕率高。添加3%的NCC使膜的吸濕率有所上升。但增加其含量后，復合膜的吸濕率顯著下降，尤其是6NCC/CS-S，其吸濕率相較于CS-S下降了26%。這可能是該含量的NCC在CS基材中分散較好，與CS相互作用較強，減少了CS對水分子的吸附位點。但水蒸氣透過系數的數據表明，添加3%的NCC可提高CS膜的水蒸氣阻隔性，但繼續增加NCC含量卻無此效果。這可能是由于NCC和CS均為親水性材料，在高濕度環境中二者的相互作用減弱[25]，因而NCC的影響不顯著。與水蒸氣透過系數不同，當NCC添加量為3%和6%時，復合膜的氧氣透過率相較于CS膜無顯著變化，而當其含量增加至9%時，復合膜對氧氣的阻隔性顯著提高。

表1 NCC含量對獨立膜的吸濕率、水蒸氣透過系數和氧氣透過率的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 涂膜對紅桔的保鮮效果

2.2.1 紅桔的腐爛率和失重率

紅桔果實在貯藏期間的腐爛率如圖3-A所示。各組紅桔均在貯藏至第9天時出現腐爛。其中CK組的腐爛率在貯藏后期上升很快，至第15天時，腐爛率已達38.0%。而相同貯藏時間，涂膜組的腐爛率則明顯低于CK組，而復合涂膜組的腐爛率相較于CS涂膜組又進一步降低。尤其是6NCC/CS組，在15 d時的腐爛率相較于CK組降低了60.5%。隨著貯藏時間的延長，果實衰老程度逐漸增加，細胞和組織的完整性受到破壞，因此更容易受到微生物浸染[25]。CS涂膜可在果實表面形成一層致密的阻隔層，從而調節果實的呼吸作用并起到防止微生物侵染的作用，因此可顯著降低果實的腐爛率。但CS是一種親水且脆性的材料，果實表面的CS涂膜在貯藏期間可能發生結構破壞從而導致效果減弱[7]。從單膜的表征結果可看出，NCC的添加可提高復合膜的抗張性能，從而增強其結構穩定性。因此，添加了NCC的復合涂膜對果實腐爛率的抑制效果更為顯著和持久。在第12天時，涂膜果實相較于對照組更為飽滿，且表皮由于涂膜而具有較高的光澤度，尤其是NCC/CS復合組光澤度更高。

蒸騰是指水從果實內部釋放到果皮，最終以氣態形式從果實表面蒸發的現象，由果實的組織結構和氣孔行為來調節[12]。由圖3-B中的數據可看出，CS組的失重率與CK組無顯著差異，說明親水性的涂膜材料對果實蒸騰作用的抑制效果不明顯[26]。同樣，添加了NCC的涂膜組，除3NCC/CS組在0～12 d的失重率顯著高于其他組外，其余組的失重率均與CK和CS組無顯著差異。而獨立膜的表征結果也顯示，CS-S、6NCC/CS-S和9NCC/CS-S的水蒸氣透過系數間無顯著性差異。

A-腐爛率；B-失重率

2.2.2 紅桔的硬度、可溶性固形物、可滴定酸和抗壞血酸的變化

如圖4-A所示，在貯藏過程中各組果實的硬度有一定的波動，總體趨勢是隨貯藏時間的延長而降低。CK組的果實硬度在6 d后迅速下降；在貯藏15 d時，其硬度低于所有涂膜組，表明涂膜能夠有效抑制果實的軟化。已有研究表明，可食性涂膜可在果實內部維持低O2、高CO2含量的氣氛環境，從而抑制乙烯的生成，降低細胞壁降解酶的活性，因此有利于果實硬度的保持[27]。

如圖4-B所示，TSS含量在整個貯藏期間呈波動性變化。TSS作為糖的主要組成成分，在果實的呼吸過程中被消耗轉化為CO2和H2O，造成TSS含量的一定下降。同時，果實中的細胞壁水解產生多糖，淀粉水解造成單糖含量的增加，失水導致果實內部干物質含量的上升，會造成TSS含量上升[28]。涂膜給果實的表面提供了半阻隔性，降低了其呼吸速率，抑制了TSS分解。因此，在貯藏12 d后，CK組的TSS含量顯著低于涂膜組。

酸是果實呼吸作用的重要基質，隨著果實在貯藏過程中不斷呼吸消耗，其含量逐漸降低，導致果實糖酸比與風味出現變化。如圖4-C所示，各組果實的TA含量均隨貯藏期延長而降低。同時，除第9天外，CK組的TA含量與涂膜組相比均呈較低水平。這可能是由于涂膜降低了果實的呼吸速率，從而降低了其對酸的消耗，維持了較高的TA含量。

AA是果蔬的基本營養物質，與抗氧化性和酶輔助因子相關，能有效清除多種活性氧(ROS)，釋放半脫氫抗壞血酸，還原硫自由基[29]。如圖4-D所示，各組果實的AA含量均呈先上升后緩慢降低的趨勢。但在整個貯藏期間，CK組的AA含量上升速率較慢且總體低于涂膜組。而涂膜組尤其是含NCC的涂膜組在貯藏前3 d，AA含量迅速上升至較高水平而后緩慢下降。其中，6NCC/CS組在貯藏期間均能保持較高且穩定的AA含量。AA含量增加可能是由于果實的采后成熟過程、生物合成、氧化和再循環系統[30]等作用造成。但是貯藏過程中果實的抗氧化過程也會消耗AA。因此，果實中AA含量在貯藏期間產生波動是AA的生物合成和消耗共同作用的結果。涂膜果實具有較高的AA含量可能與其較低的呼吸速率導致較少的消耗有關。而果實中較高的AA含量，有利于增強果實的抗氧化作用，從而延緩果實衰老。

A-硬度；B-可溶性固形物；C-可滴定酸；D-抗環血酸

2.2.3 紅桔的丙二醛、總酚和類黃酮含量的變化

果蔬的衰老與活性氧代謝平衡(即活性氧產生與清除的動態平衡)密切相關， 活性氧過量會導致膜脂過氧化，對細胞膜產生嚴重的傷害，從而導致果實衰老。為測定膜脂在氧化應激下的完整性，以MDA作為膜損傷的直接指標，其含量越高，表明植物抵御外界逆境的能力越弱。如圖5-A所示，各組果實的MDA含量均隨貯藏時間的延長而增加。貯藏至第9天，MDA含量迅速上升，且CK組上升速度最快，顯著高于涂膜組(P<0.05)。而涂膜組中，6NCC/CS組的MDA含量在第9天后均顯著低于其他組。由此說明，復合涂膜對果實MDA的積累有具有明顯的抑制作用，有效抑制果實中活性氧的產生，延緩膜脂過氧化。

果蔬中的酚類和黃酮類化合物具有直接清除活性氧的作用，可對抗脂質氧化，提高機體的抗氧化酶活性，減少果實內部過氧化物的形成[26]。如圖5-B和5-C所示，各組紅桔中的總酚與類黃酮含量均呈先上升后下降又略有上升的趨勢。同時，在貯藏初期，涂膜組的類黃酮和總酚含量的上升幅度均高于CK組。而在貯藏15 d后，CK組的總酚與類黃酮含量仍然顯著低于涂膜組(P<0.05)，說明涂膜組果實能更好地抵抗衰老。

A-丙二醛;B-總酚;C-類黃酮

在貯藏12 d以后，含NCC復合涂膜組的丙二醛含量均顯著低于CS組，而類黃酮和總酚含量則顯著高于CS組。獨立膜表征結果可知，添加NCC可提高CS膜的機械性能，降低其吸濕性。由此可推斷相較于CS涂膜，復合涂膜的穩定性提高，因此在貯藏后期對紅桔的保鮮效果更為顯著。

3 結論

本研究首先制備了CS以及NCC/CS復合的獨立膜并對其進行了表征，發現NCC的添加有助于提高獨立膜的抗張性能，降低其吸濕率，從而有助于提高其結構穩定性。然后，將CS和NCC/CS復合涂膜用于紅桔保鮮。結果表明，雖然涂膜對紅桔在貯藏期間的失重率無顯著抑制效果，但能夠很好地降低其腐爛率。相較于CS涂膜，添加了NCC復合涂膜對紅桔腐爛的抑制效果更為顯著，尤其是6NCC/CS組的腐爛率在整個貯藏期間均保持較低水平。同時，涂膜還有利于保持紅桔的硬度，維持較高的TA和AA含量，緩解果實的膜脂過氧化，減少總酚和類黃酮的流失，從而保持果實品質，延緩衰老和腐爛的發生。因此，可通過在CS涂膜中添加NCC，改善涂膜的阻隔性和穩定性，從而進一步降低紅桔的腐爛率，提高其貯藏品質。后期將進一步探討NCC/CS復合涂膜和柑橘果實的相互作用關系，以闡明其涂膜保鮮機理。