聚乙烯醇/殼聚糖季銨鹽薄膜的制備及其對黃骨魚保鮮效果研究

(海軍工程大學基礎部,湖北武漢 430033)

黃骨魚為淡水魚,在我國分布范圍廣、產量大、性價比高,其烹飪簡單,營養豐富,作為適合保障部隊日常消耗的研究對象具有一定的代表性。目前黃骨魚主要是利用普通的聚乙烯或聚丙烯塑料袋進行包裝,或是用保鮮膜包裹,雖在一定程度上起到了隔絕空氣保鮮的目的,但是無法從源頭阻止細菌滋生。因此,亟需研發一種抑菌包裝材料用于包裹黃骨魚,延長其貨架期。

聚乙烯醇(PVA)是一種多羥基強氫鍵聚合物,具有較強的極性、耐熱性及抗靜電性,可以作為負載體固定細胞和氧、光催化劑,還可與多種材料共混,在光電阻燃、食品保鮮和醫藥醫療等領域有著廣泛的應用[1-2]。殼聚糖(CS)由甲殼素經部分脫乙酰基而成,具有很好的生物相容性和廣譜抗菌性,但其難溶解易降解。季銨鹽[3]是由烴基取代銨離子中的四個氫原子而生成的化合物,可溶于水,具有較強殺菌能力,可作為表面活性劑。殼聚糖季銨鹽(HACC)[4]是殼聚糖經化學改性而制得的殼聚糖高級衍生物,綜合了殼聚糖和季銨鹽的優點,在抗菌、成膜、吸濕保濕等性能方面都有提高。

利用有機抑菌劑改性PVA薄膜國內已有研究。四川農業大學王淑瑤[5]采用流延涂布法制備了不同質量比的殼聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA)復合薄膜,表征后發現當CS的質量分數為2.5%時,CS/PVA薄膜最具食品包裝潛力;張曉紅等[6]將鹵胺改性殼聚糖(CTS-GH)添加到PVA中制膜,當CTS-GH添加量為20%時,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有100%抑制效果。但是利用殼聚糖改性的HACC作為抑菌劑添加到PVA薄膜的制備中卻鮮有報道,本文制備了PVA/HACC抑菌薄膜,通過實驗表征其理化性質以及對黃骨魚的抑菌保鮮性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

平板計數瓊脂培養基 百思生物試劑有限公司;磷酸鹽緩沖液(PBS) 西隴科學股份有限公司;PVA-1799 分析純,日本可樂麗化工有限公司;戊二醛 分析純,天津市大茂化學試劑廠;殼聚糖季銨鹽 分析純,酷兒化學科技有限公司;黃骨魚(鮮活,150 g/條) 盒馬鮮生。

DH4000 AB型恒溫培養箱 天津市泰斯特儀器有限公司;G2X-PH.500S型高壓蒸汽滅菌器 上海躍進醫療器械有限公司;DHG-9145A型鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司;V-5600PC可見分光光度計 上海元析儀器有限公司,CMT4204微機控制電子萬能試驗機、ZYJ1251型啞鈴型制樣機 美特斯工業系統有限公司;JGW-360A接觸角測定儀 承德市成惠試驗機有限公司;Zeiss Merlin compact型掃描電子顯微鏡 德國蔡司儀器有限公司;JJ-1A型精密增力電動攪拌器 常州博遠實驗分析儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 PVA/HACC薄膜的制備 采用溶液流延法,將10 g聚乙烯醇(PVA)顆粒和100 mL蒸餾水置于燒杯中,在95 ℃加熱,并使用攪拌器以300 r/min持續攪拌約35 min至完全溶脹,加入1 mL戊二醛作為改性劑,并持續攪拌30 min,最終完全溶解得到PVA膠液。添加HACC溶液,在50 ℃下保持轉速不變攪拌20 min,得到含有HACC質量分數1%、2%和3%的PVA/HACC膠液,靜止除泡后倒在玻璃板上,用涂布器涂勻,膜厚度控制在100 μm左右,將玻璃板放置于60 ℃的烘箱中,50 min后揭膜。

1.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)表征 將薄膜樣品剪裁成2 mm×5 mm大小,采用掃描電子顯微鏡觀察薄膜表面和斷面形貌。

1.2.3 力學性能測試 參照標準GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗方法》[7],經測量薄膜厚度在100 μm左右(<1 mm),將薄膜用啞鈴型制樣機切成窄平行部分寬度6 mm,端部寬度25 mm,總長115 mm,窄平行部分長度35 mm的啞鈴型試樣,采用電子萬能試驗機在塑料-薄膜拉伸測試模式下測定薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率,設定拉伸速度為5 mm/min,每個樣品測試5次,取平均值。

1.2.4 吸水率 參照標準GB/T 1034-2008《塑料吸水性試驗方法》,將簿膜切成10 cm×10 cm方塊,在60 ℃下干燥1 h,稱重為m1,室溫下浸入蒸餾水24 h。用濾紙吸干表面,稱重為m2。每個樣品取3塊膜為一組,計算吸水率,取平均值。

式中:W為吸水率,%;m1為干膜質量,g;m2為濕膜質量,g。

1.2.5 潤濕角測試 將薄膜剪裁成5 cm×1 cm長條,采用接觸角測定儀測定表面潤濕角。測試液體為蒸餾水,滯后時間為10 s,即滴加水滴后10 s進行測試[8]。

1.2.6 透光率 將薄膜剪裁成3 cm×1 cm長條,采用紫外可見光分光光度計測定波長380～780 nm的透光率。每個樣品測試5次,取平均值。

1.2.7 魚肉的預處理 將黃骨魚宰殺后快速切取背部肌肉150 g平均放置于5組15 cm×9 cm×6 cm泡沫箱(一組為空白,其它組分別用PVA薄膜、PVA/1% HACC薄膜、PVA/2% HACC薄膜、PVA/3% HACC薄膜包裹)中,將泡沫箱置于4 ℃冰箱中,每3 d取樣測定保鮮指標[9]。

1.2.8 菌落總數的測定 參照國標GB 4789.2-2016[10],稱取1 g貯藏不同天數的魚肉樣品和9 mL PBS放置在勻漿器內均質,制成1∶10樣品勻液,放入無菌均質袋內待用。用移液器吸取1∶10樣品勻液1 mL,沿管壁緩慢注入盛有9 mL稀釋液的無菌試管中,振搖試管使其混合均勻,制成1∶100的樣品勻液。按上述操作,制備1∶1000樣品均液,每遞增一次,換用一次無菌吸頭。各吸取三個梯度的均質樣液1 mL于無菌平皿內,及時將15 mL冷卻至46 ℃的平板計數瓊脂培養基傾注平皿,轉動平皿使其混合均勻。待瓊脂凝固后,將平板翻轉,36 ℃培養48 h。記錄稀釋倍數和相應的菌落數量,菌落計數以菌落形成單位(CFU)表示。每個稀釋度做3個平皿,菌落數取3個平皿的平均值。

1.2.9 感官指標的判定 本文參照QIM評估方法[11-12]并加以調整,挑選3名從事食品領域的專業人員,應用國際基本原則[13-14],將魚肉新鮮度評價體系分為綜合評價、顏色、氣味、質地、光澤度5個剖面進行描述,考慮到綜合評價是最重要的指標,賦予權重值為2,其它剖面賦予權重1,最終感官評價評分表見表1,其中,感官剖面得分=Xi,感官評價總得分=∑Xi×M。滿分為12分,8分以下表示已不可食用[15-16]。

表1 魚肉冷藏過程中感官評價評分表Table 1 Sensory evaluation score sheet during cold storage of fish

1.3 數據處理

為了判定HACC添加量和貯藏時間的變化對肉樣菌落指標的影響,以樣本均方差值為對象,進行無交互作用的雙因素方差分析,采用MATLAB 2015b版對數據進行分析,得到HACC添加量作用的實際觀察值FT和貯藏時間作用的實際觀察值Ft。取定顯著性水平α,比較統計量的臨界值Fα與實際觀察值FT、Ft,若FT>Fα,則HACC對散布有顯著影響;若Ft>Fα,則貯藏時間對肉樣菌落指標有顯著影響。感官分析的顯著性差異分析參照菌落的顯著性差異分析[17]。

2 結果分析

2.1 薄膜表觀形貌觀察結果

由圖1(a)可知,PVA薄膜表面光滑,斷面整齊。添加1%HACC時(圖1b),薄膜的表觀形態并沒有發生多大變化。繼續按梯度添加HACC(圖1c),可以看見顆粒在表面分布密集,當添加量為3%時(圖1d),薄膜表面和截面都有不同程度的裂紋出現。這是由于HACC溶于水后會形成粘稠的膠液,HACC膠液與PVA膠液密度和粘度不同,過多的HACC膠液加入易造成兩組分膠液混合不均,烘干后的薄膜表面有明顯的深淺不一的水印痕跡,且密集地分布著HACC顆粒,有些地方存在團聚現象。

圖1 薄膜電鏡圖Fig.1 Electron micrograph of film

2.2 薄膜力學性能分析

隨著HACC的加入,PVA薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率都先增大后減小,這是因為HACC可以與聚乙烯醇形成分子間氫鍵,從而交聯形成大分子結構。HACC添加量為2%時,拉伸強度達到最大25.45 MPa,斷裂伸長率達到最大69.8%。但HACC添加量為3%時,HACC膠液與PVA膠液密度和粘度不同,過多的HACC膠液加入易造成兩組分膠液混合不均,其次粒子分布不均,出現團聚現象,降低界面效應,所以拉伸強度和斷裂伸長率減小,此時添加量達到閾值。

表2 PVA/HACC薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率Table 2 Tensile strength and elongationat break of PVA/HACC film

2.3 薄膜吸水率分析和潤濕角測試

PVA因具有大量羥基,因而具有很好的吸水性。但是吸水后會降低膜的強度,影響膜的完整性。雖然在PVA和水混溶后加了一定的戊二醛作為交聯改性劑,但并不是所有羥基都參與反應,因而研究HACC的添加對PVA薄膜吸水率的影響具有重要意義。從表3可以看出,隨著HACC的濃度增加,薄膜的吸水率減少。可能是HACC的羥基與PVA的羥基形成氫鍵,減少了羥基與水分子的作用,從而降低了薄膜的吸水能力。

表3 PVA/HACC薄膜的吸水率和潤濕角Table 3 Water absorption and wetting angle of PVA/HACC film

潤濕角是指液相與固體的接觸點處液固界面和液態表面切線夾角,是表征薄膜材料疏水能力的一個重要指標。由表3可見,PVA薄膜的潤濕角最小,為63.2°。隨著HACC增加,潤濕角呈增大趨勢。當HACC的添加量為3%時潤濕角最大,相比PVA薄膜的數值增加了40%,說明HACC添加使得薄膜的耐水能力得到了提高。

表4 HACC添加量和貯藏時間對肉樣菌落數量影響的雙因素方差分析Table 4 Two-way analysis of variance of the effect of HACC addition and storage time on the number of meaty colonies

2.4 薄膜透光率分析

透光率反映了薄膜的清晰程度,透光率越大,薄膜越清晰,對薄膜材料的研發具有重要意義。從圖2可以看出,當HACC添加量較少時,對透光率沒有太大影響,PVA/1% HACC曲線幾乎與空白組重合。當HACC添加量為2%時,透光率下降1%左右;當HACC添加量為3%時,透光率下降較明顯,這主要是HACC用量增多,在PVA膠液里發生團聚現象,粒子的平均直徑增大,當平均直徑與可見光波長相近時,光波容易在兩種物質界面發生折射,導致透明度降低[18]。

圖2 PVA/HACC薄膜的透光率Fig.2 Light transmittance of PVA/HACC film

2.5 魚肉在冷藏過程中菌落總數變化

各組魚肉冷藏過程中菌落總數的變化如圖3所示。隨著冷藏時間的增加,各組菌落總數都呈上升趨勢。空白組在第6 d菌落總數已達到6.94 lg cfu/g,即將超過國際食品微生物標準委員會(ICMSF)規定的新鮮或冷凍魚肉的最大可接受菌落總數7.00 lg cfu/g,可知不加任何防護措施的魚肉貨架期約為6 d。PVA薄膜包裹組在相同的時間菌落數量都稍低于空白組,說明薄膜的覆蓋抑制了需氧菌的生長。在第9 d,添加1%HACC組的菌落數為7.01 lg cfu/g,添加2%和3%的HACC組的菌落數分別為6.84 lg cfu/g和6.79 lg cfu/g,說明HACC從薄膜釋放到魚肉表面[19],抑制了大部分細菌的生長,從而延長魚肉的貨架期3 d左右。

圖3 冷藏魚肉不同時間段的菌落數量Fig.3 Number of colonies in frozen fish different time

為了進一步判定貯藏時間和HACC含量是否對測量結果的散布有顯著影響,對樣本均方差進行雙因素方差顯著性分析(取α=0.01),方差分析表如表4所示。F的觀測值Ft=11.22>5.95,FT=334.62>5.41。所以,HACC添加量和貯藏時間對肉樣菌落指標影響顯著。

2.6 魚肉在冷藏過程中感官品質的變化

魚肉在4 ℃下冷藏的感官評分如圖所示。由圖4可知,5組不同處理方式下魚肉的感官評分都呈下降趨勢,使用PVA薄膜處理組的感官評分高于空白組,這是因為薄膜具有一定的隔絕空氣的性能,對魚肉品質有一定的保護作用。空白組和PVA薄膜處理組在第6 d的感官評分低于可接受的8.0分,魚肉顏色暗淡無光澤,有異味,說明以這兩種方式處理大黃骨魚的貨架期低于6 d。添加使用HACC的處理組的感官評分高于普通薄膜組,說明HACC有一定的抑菌作用,添加2%和3%的HACC處理組感官評分并沒有明顯的差別,魚肉較有彈性,魚肉有魚腥味但是沒有腐敗的味道,在第9 d的感官評分都為8.0分,延長了魚肉的貨架期約3 d。因此,2%濃度的HACC已發揮抑菌保鮮的功效,無需添加更多HACC。

表5 HACC添加量和貯藏時間對肉樣感官評分影響的雙因素方差分析Table 5 Two-way analysis of variance of the effect of HACC addition and storage time on the sensory score

圖4 冷藏過程中魚肉的感官評分變化Fig.4 Changes in sensory score of fish during refrigeration

為了進一步判定貯藏時間和HACC含量是否對測量結果的散布有顯著影響,對樣本均方差進行雙因素方差顯著性分析(取α=0.01),方差分析表如表5所示。F的觀測值Ft=10.16>5.95,FT=143.34>5.41。所以,HACC添加量和貯藏時間對肉樣菌落指標影響顯著。

3 結論

采用溶液流延法制備了HACC含量不同的PVA薄膜,通過比較發現當HACC添加量為2%時,薄膜的拉伸強度為25.45 MPa,斷裂伸長率69.8%,綜合力學性能良好;吸水率20.1%,潤濕角80.2°,疏水性較好。低溫貯藏結合PVA/HACC薄膜包裝能有效抑制魚肉菌類繁殖,延長魚肉的貨架期3 d左右,且通過統計學的顯著性分析,HACC的添加對菌落總數的抑制和肉樣感官的維持具有顯著性,為貨輪和艦船出海時食品供給和貯藏提供了新的參考方向。