聚乙烯醇基SiO2/TiO2納米包裝膜制備及對雙孢菇保鮮效果

馬清華，蔡 銘*，謝春芳，楊 開，孫培龍

（浙江工業大學食品科學與工程學院，浙江 杭州 310014）

雙孢菇（Agaricus bisporus）又名白蘑菇、洋蘑菇，分布于歐洲、亞洲的溫帶地區[1]。雙孢菇是目前世界上消費量最大的食用菌之一，也是國內培養最廣、產量最大的食用菌，是我國出口創匯的主要食用菌[2]。但是，與市場上其他新鮮蔬菜相比，雙孢菇采后貨架期極短，一般只能維持3～4 d[3]。其原因是雙孢菇水分含量非常高，采后呼吸作用旺盛，導致極易失水萎蔫，同時，雙孢菇菌蓋無明顯的保護結構，易受到機械傷害和微生物污染，導致子實體褐變乃至腐爛，最終降低雙孢菇的食用品質[4]。目前，雙孢菇的采后保鮮技術主要集中在氣調保鮮、涂膜保鮮、輻照處理和臭氧保鮮等[5-8]。然而，隨著栽培方式的改進以及物流水平的提高，貯藏的要求已經從靜態保鮮轉向流通運輸環節中的動態保鮮，傳統的保鮮技術很難滿足雙孢菇等鮮活農產品的市場需求[9]。因此，開發新型包裝技術迫在眉睫。

納米保鮮技術是一種綠色、高效、節能的新型保鮮技術，在果蔬保鮮領域中已逐漸成為研究熱點。與傳統包裝材料相比，納米食品包裝材料在抑菌、抑制乙烯產生、氣體選擇透過性等方面具有明顯優勢，尤其適合鮮活農產品的保鮮貯藏[10]。據報道，采用納米包裝材料可以有效減緩金針菇的品質劣變、延長貨架期[11]。曾麗萍等[12]研制的納米TiO2聚乳酸包裝膜與純聚乳酸包裝膜相比能更好地抑制香菇呼吸作用，減緩水分流失和維持較高VC、還原糖含量，并且維持香菇的感官品質。Li Wenhui等[13]制備的TiO2聚乳酸包裝膜與低密度聚乙烯包裝膜和純聚乳酸包裝膜相比能更好地維持奶酪的質量、pH值等，且具有更好的抗菌效果。Zhang Rongmei等[14]研制的魔芋葡甘聚糖/角叉菜膠/納米SiO2包裝膜有效降低了雙孢菇的呼吸速率，延長了雙孢菇的貨架期。

本實驗研制了不同濃度的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）基SiO2/TiO2納米包裝膜，并分析其結構特性及其對雙孢菇貯藏品質的影響。從而探明納米包裝材料在雙孢菇保鮮中的應用優勢，為食用菌的保鮮提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雙孢菇（均為當天采摘）購于當地農貿市場，運送至實驗室后立即放入4 ℃冰箱內預冷24 h。削去菇柄下端帶泥部分，選擇形狀大小均勻（傘蓋直徑為（45±5）mm）、顏色潔白、無開傘、無機械損傷的雙孢菇進行實驗。

聚乙烯（polyethylene，PE）膜（厚50 μm） 廣東省佛山市雙富包裝有限公司;聚乙烯醇1799（PVA）、納米SiO2、納米TiO2上海麥克林生化科技有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海央申科技儀器有限公司;超聲波分散儀 杭州寶珀超聲波科技有限公司;SX-5000AX型實驗室涂布機 杭州大衛科教儀器有限公司;300型塑料薄膜封口機 浙江臨安斯普利電子有限公司;Vega 3 SBH型掃描電子顯微鏡捷克Tescan公司;WVTR-2505型水蒸氣透過率測試儀、GTR-7001型氣體透過率測試儀 濟南思克測試技術有限公司;微機控制電子萬能材料試驗機 上海協強儀器制造有限公司;TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司;ColorQuest XE型色差儀 美國HunterLab公司。

1.3 方法

1.3.1 涂膜液的制備

準確稱量15 g PVA溶于150 mL蒸餾水中，加入1.5 g甘油作為增塑劑，95 ℃恒溫攪拌3 h，冷卻得到PVA母液作為空白對照組，分別將PVA質量1%的納米SiO2、2%的納米SiO2、1%的納米TiO2、2%的納米TiO2分散于PVA母液中，超聲（360 W）處理45 min，得到4 種PVA納米復合溶液。

1.3.2 包裝膜的制備

將上述制得的涂膜液傾倒于實驗室涂布機上，涂成均勻的涂層，55 ℃加熱干燥1 h后揭膜，制得5 種PVA納米包裝膜，厚度為50 μm，分別標記為P0（空白對照）、S1（1%納米SiO2添加量）、S2（2%納米SiO2添加量）、T1（1%納米TiO2添加量）、T2（2%納米TiO2添加量），放入25 ℃、相對濕度53%恒溫恒濕培養箱內，平衡48 h后進行性能測試。

1.3.3 納米包裝膜結構表征

采用掃描電子顯微鏡觀察包裝膜表面的微觀結構以及納米SiO2和TiO2的分散情況。取平整的樣品薄膜，將其裁切為合適大小后粘貼在載物臺上，噴金后用掃描電子顯微鏡觀察并拍攝薄膜表面，加速電壓為15 kV，放大倍數為3 000 倍。

1.3.4 阻隔性測定

將包裝膜裁剪成直徑為76 mm的圓形樣品，用水蒸氣透過率測試儀測定水蒸氣透過量，溫度38 ℃，相對濕度90%，每個試樣測6 次，取平均值。

將包裝膜裁剪成150 mm×94 mm的條狀，用氣體透過率測試儀測定二氧化碳透過率，測試溫度為23 ℃，相對濕度為50%，每個試樣測6 次，取平均值。

1.3.5 薄膜力學性能測定

采用萬能材料試驗機測定薄膜的抗拉強度、斷裂伸長率和楊氏模量，分別沿樣品的長度和寬度方向裁取寬度為20 mm的薄膜樣品，夾距設為50 mm，拉伸速率設為200 mm/min，環境溫度為20 ℃，相對濕度50%，每個樣品測10 次，取平均值。

1.3.6 納米包裝膜對雙孢菇的貯藏效果分析

使用封口機將市售PE膜和自制的5 種納米包裝膜分別制成規格為140 mm×185 mm的包裝袋。每袋裝取雙孢菇（120±5）g，分別記為陽性對照組（PE），陰性對照組（P0）和處理組（S1、S2、T1、T2），用封口機密封保存，溫度（10±1）℃，相對濕度（90±2）%，貯藏5 d，每天進行各項指標測定，每組實驗重復3 次。測定指標包括硬度、白度、質量率、感官評價。

1.3.6.1 硬度和白度測定

雙孢菇硬度使用質構儀測定，選擇P/2型探頭，以1 mm/s測試速率穿刺蘑菇，測得硬度。白度L*值采用ColorQuest XE型色差儀進行測定。每個處理取3 個蘑菇，每個蘑菇測10 次，取其平均值。

1.3.6.2 質量損失率測定

質量損失率的測定采用差量法[15]，將剛包裝的雙孢菇稱質量，之后每隔24 h稱質量一次，按下式計算質量損失率，每組重復3 次，取平均值。

式中：m0表示雙孢菇初始質量/g;m表示雙孢菇取樣時質量/g。

1.3.6.3 感官評價

表 1 雙孢菇感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of Agaricus bisporus

參照王萍[16]、潘艷娟[17]等的方法并稍加改動，雙孢菇感官評價標準見表1。招募10 名志愿者（男女各5 名）組成評價小組對雙孢菇的形狀、顏色、氣味、質地進行綜合評價。通過加權平均原則計算樣品分值，形狀加權系數為0.2，顏色為0.2，氣味為0.3，質地為0.3，設最低分為7.5 分，低于7.5 分則失去商品流通價值。

1.4 數據統計與處理

采用Excel 2016軟件對數據進行基礎處理，采用SPSS 17.0軟件對數據進行單因素方差分析，使用鄧肯氏進行多重比較，若P＜0.05則表示差異顯著，采用Origin 9.0軟件制作圖表。

2 結果與分析

2.1 納米包裝膜的微結構特征

圖 1 不同膜的掃描電子顯微鏡圖Fig. 1 Scanning electron microscopy images of different films

由圖1A可見，未添加納米粒子的膜表面平滑無裂痕。納米粒子添加量為1%時，納米SiO2和納米TiO2粒子均勻分散在PVA中（圖1B、D）。而當納米粒子添加量為2%時，兩種納米粒子均出現嚴重的團聚現象（圖1C、E）。納米粒子的團聚可能會影響薄膜的致密性。這表明無論是SiO2還是TiO2納米粒子，在添加量為1%時相容性較好。

2.2 納米包裝膜的阻隔性

圖2為處理組納米包裝膜與未添加納米粒子的PVA膜（空白對照）、市售PE膜（陽性對照）的透氣性比較。就CO2透過率而言，PVA膜比PE膜低約1 000 倍;而對于水蒸氣透過量，PVA膜比PE膜高約100 倍。PVA分子鏈上存在大量的羥基，屬于極性聚合物，因此對非極性的CO2有較強的阻隔性，而對弱極性的水的阻隔性較差[18]。相比純PVA膜，1%納米SiO2和TiO2粒子的包裝膜水蒸氣透過量分別降低9.05%和13.96%（P＜0.05），CO2透過率分別降低35.66%和12.58%。這是由于納米SiO2、TiO2粒徑小，易分布到高分子鏈的空隙中，與PVA大分子互相結合成致密的立體網狀結構，同時SiO2、TiO2納米粒子具有很大的比表面積和很高的表面能，活性較高，可以很好地與PVA表面發生吸附作用[19]，從而增強膜的致密性，提高水的阻隔性。但是，納米粒子添加量為2%的納米包裝膜CO2透過率卻高于納米粒子添加量為1%的納米包裝膜。原因可能是在較低濃度下，納米顆粒可以更均勻地嵌入PVA大分子網狀結構中;而高濃度的納米顆粒干擾了PVA鏈的有序排列，使之趨于無序，降低了膜的結晶度，擴大了無定型區，因此增加了氣體通量[20]。

圖 2 不同膜的阻隔性能比較Fig. 2 Comparison of gas barrier properties of various films

2.3 納米包裝膜的機械性能

楊氏模量是表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量，與抗拉強度、斷裂伸長率均為表征膜材料力學性能的常用指標。圖3為不同納米復合膜的機械性能。添加量為1%的納米SiO2和納米TiO2復合膜機械性能最佳，其抗拉強度、斷裂伸長率和楊氏模量分別比純PVA膜高23.86%、1.59%、72.89%和23.41%、0.84%、96.24%。這是因為適量的納米粒子和聚合物之間良好的相互作用力產生了有效的載荷傳遞，納米粒子分擔并傳遞了載荷，使得PVA機械性能得到提高[21]，楊達[22]也得出類似結論。添加量為2%的納米復合膜與添加量為1%的納米復合膜及純PVA膜相比抗拉強度、斷裂伸長率有所降低，原因是納米粒子添加量高的納米復合膜中，粒子之間容易團聚，從而形成微米簇，有研究表明過量添加納米粒子不但起不到增強增韌的作用，反而使薄膜的機械性能降低[23]，這與黃靜等[24]得到的結論相似。但含2%納米粒子的PVA膜的楊氏模量顯著高于純PVA組（P＜0.05），說明當納米粒子添加量為2%時能一定程度減少彈性形變。

圖 3 不同膜的機械性能比較Fig. 3 Comparison of mechanical properties of various films

2.4 納米包裝膜對雙孢菇的貯藏效果

圖 4 不同種類膜處理組雙孢菇的貯藏效果Fig. 4 Preservation effects of various films on Agaricus bisporus

含水量是雙孢菇新鮮度的重要指標之一。雙孢菇在貯藏期間進行呼吸作用會分解有機物，并且蒸騰作用會造成水分流失，引發子實體萎蔫和腐爛[25]。如圖4A所示，隨貯藏時間的延長，不同包裝材料處理的雙孢菇質量損失率均上升。其中，PE膜處理的雙孢菇質量損失率始終處于較低水平，明顯低于PVA包裝膜處理組，第5天時僅為3.45%。P0組雙孢菇質量損失率最高，第5天高達17.96%。貯藏期間，不同納米包裝膜處理組雙孢菇質量損失率明顯低于P0組。貯藏3 d后S1組和T1組質量損失率的增加趨勢變緩，至第5天，S1組和T1組雙孢菇質量損失率分別為12.39%和12.06%，但二者之間差異不明顯，比純PVA包裝貯藏雙孢菇的質量損失率分別減少31.06%和32.87%。而S2組和T2組雙孢菇的質量損失率在第4天已達10.61%和12.16%，至第5天分別為13.83%和14.93%，說明S1組和T1組納米包裝膜對雙孢菇質量的保持優于S2組和T2組納米包裝膜。由膜阻隔性實驗可知，PVA包裝膜中添加納米粒子可減少水蒸氣和CO2的透過，且納米粒子添加量為1%的S1和T1組的CO2透過率低于2%的S2和T2組，能更好地抑制雙孢菇貯藏期間水分的蒸發，抑制呼吸作用，減少有機物的消耗，從而保持雙孢菇的品質。

硬度的降低是果蔬從成熟轉向衰老的特征之一。果蔬的硬度主要取決于細胞壁的機械強度和細胞的膨壓，而這兩者與其體內大分子物質和水分含量密切相關[26]。雙孢菇在不同包裝膜中的硬度變化如圖4B所示。隨貯藏時間的延長，PE組的雙孢菇硬度呈逐漸下降趨勢，第5天硬度達201.52 g，由于PE膜透水性差，蒸騰作用逸失的水分保留在包裝袋中，這為腐敗微生物提供了高濕的環境，且由于雙孢菇開傘到一定程度木質化明顯，進一步加速雙孢菇變軟[27]。P0組及4 種納米包裝膜處理組的雙孢菇硬度變化趨勢均呈先上升后下降，是因為PVA膜透水量較大導致雙孢菇貯藏前期失水較多而變硬，貯藏后期變軟是由于雙孢菇子實體進入衰老期，營養物質和細胞壁逐漸降解，細胞膨壓不斷下降[28]。此外，也有研究指出高濃度CO2有利于保持雙孢菇的硬度[29]，因此納米包裝膜組硬度較純PVA組變化幅度較小。貯藏第5天，S1、S2、T1組雙孢菇硬度值較PE組分別高13.16%、15.22%、13.05%。

雙孢菇在貯藏過程中會發生酶促褐變，使色澤由白色轉變為褐色或黑色，從而失去商業價值[30]。通常用白度（L*）表示雙孢菇表面顏色的亮度，L*值不低于86為好品質，L*值介于80～85為可接受品質[31]。由圖4C可以看出，貯藏期間雙孢菇的白度整體呈下降趨勢。PE膜、無包裝的雙孢菇白度下降迅速，在第5天白度分別降到77.41±1.86、81.62±0.79。在貯藏期間，納米包裝膜處理的蘑菇白度高于P0和PE組。不同處理組雙孢菇在包裝后0～3 d白度均保持在87以上，說明雙孢菇具有良好的色澤。第5天不同納米包裝膜處理組白度在83～86之間，處于可接受范圍。貯藏第5天，經T1膜包裝的蘑菇白度（86.18±2.63）略高于T2組（84.79±1.16）、S1組（84.23±1.06），且差異不明顯;T1、T2組顯著高于S2組（83.01±1.53），說明納米包裝膜可有效延緩雙孢菇表面顏色變暗，抑制酚類化合物氧化引起的褐變。納米TiO2包裝膜較納米SiO2包裝膜能更好地保持雙孢菇的色澤，是由于納米TiO2具有光催化抗菌性能[32]，能抑制雙孢菇表面微生物的生長從而維持其白度，這與邱松山[33]、解淑慧[34]等的研究結果相似，其分別將納米TiO2用于荸薺、沙糖橘保鮮，有效延緩了褐變。

感官評價得分能直觀反映雙孢菇的商品價值。雙孢菇采后易發生褐變、開傘、脫水萎蔫，并且容易受到微生物侵染導致腐敗，通過感官評價可了解不同包裝膜對雙孢菇的實際保鮮效果。如圖4D所示，在貯藏期間，PE組、P0組與處理組雙孢菇的感官評價得分差異明顯。第2天，PE組膜內壁便出現細微水珠，并且蘑菇發生褐變，P0組和4 種納米膜包裝的雙孢菇子實體出現變硬的現象，這是膜具有一定的透水量造成的[35]。至第4天，PE組雙孢菇出現開傘現象，并產生異味;P0組輕微開傘，褐變加重;而4 種納米膜組均出現菌柄伸長、產生少量氣生菌絲的現象。4 種納米膜CO2透過率最低，導致包裝袋內的CO2濃度相對較高，抑制雙孢菇的開傘、褐變與腐敗[36]。至貯藏第5天，PE組雙孢菇品質最差，如圖4E所示，在貯藏的第5天，PE包裝袋內壁布滿水珠，是水蒸氣透過量較低所致，雙孢菇表面的水分為微生物提供了適宜生存的環境，致使褐變嚴重、產生腐臭氣味。由于納米TiO2具有抗菌作用，T1組雙孢菇綜合評分較高，整個貯藏期間未出現腐敗現象。這與Li Wenhui等[13]的研究結果相似，用添加納米TiO2的聚乳酸包裝膜保藏奶酪，菌落總數顯著低于不加納米粒子的聚乳酸包裝膜。Fang Donglu等[11]報道經納米包裝處理的金針菇感官評價優于普通包裝。

3 結 論

通過在PVA中添加不同量的SiO2和TiO2納米粒子來賦予PVA膜一定的功能性，改善PVA膜的透氣性及增強機械性能。相比添加量為2%的SiO2/TiO2納米粒子，添加量為1%的SiO2/TiO2納米粒子能夠更均勻地分散在PVA膜中，降低水蒸氣的透過量，增加抗拉強度、斷裂伸長率和降低楊氏模量。

PVA基納米包裝膜對雙孢菇具有較好的自發氣調保鮮效果。與純PVA相比，1% SiO2、1% TiO2納米包裝膜能明顯降低雙孢菇的質量損失率。納米粒子的添加改變了包裝袋內氣體成分，與PE包裝膜相比保持了雙孢菇較高的硬度及白度。通過感官綜合評價，1%的TiO2納米PVA包裝膜對雙孢菇的保鮮效果最好。