生物可降解殼聚糖復合膜的制備及其在雞胸肉中的保鮮應用

歐陽銳，盛瀟瀟，王燕珈，林淵智，2，陳文韜，2，施源德，*

（1.福建師范大學福清分校，福建福清350300；2.食品軟塑包裝技術福建省高校工程研究中心，福建福清350300；3.現代設施農業福建省高等學校工程研究中心，福建福清350300）

抗菌食品包裝材料是指將天然抗菌劑加入到成膜材料中，并通過抗菌劑在包裝內部的緩釋來形成長期穩定的抗菌濃度，從而對包封對象產生抗菌或者抑菌效果，達到延長食品保鮮期限的目的[1-2]。我國的可降解抗菌食品包裝材料起步相對較晚，但發展迅速[3]。如：曾少甫等[4]將肉桂醛添加到殼聚糖膜中并應用在鮮豬肉冷藏試驗中，研究發現肉桂醛的加入增強了抗菌膜在抑制微生物生長和延緩蛋白質腐敗方面的性能；劉光發等[5]研究一種含肉桂精油和檸檬草精油抗菌膜對甜櫻桃保鮮效果的影響，研究表明添加肉桂精油和檸檬草精油的抗菌膜明顯抑制了甜櫻桃的腐爛速度。

在可降解抗菌食品包裝基底高分子可降解材料中，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）作為一種水溶性的可降解高分子聚合物，其分子上有大量游離的羥基，具有良好的親水性能和成膜性能，但存在耐水性差、吸濕性大以及容易滋生細菌等問題，因此PVA常需要進行交聯或混合等改性。殼聚糖（chitosan，CS）是一種安全無毒、可降解、生物相容性良好、具有廣譜抑菌性等特點的天然高分子聚合物，具有良好成膜性，常用于PVA等高分子材料共混改性[6]。目前，天然抗菌劑具有廣譜抗菌性、安全及無毒等特點而廣受關注，其中，肉桂醛（cinnamaldehyde，CIN）是肉桂精油的主要成分，是一種很好的天然抗菌劑，對食品中的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有很好的抑制效果[7]。茶多酚（tea polyphenol，TP）是茶葉中多酚類物質的總稱，具有較強的抗氧化作用和抑菌效果，其多酚結構能形成穩定的氫鍵結構，是一種安全高效的天然抑菌劑[8]。目前，可降解抗菌包裝膜研究主要集中在天然抗菌劑的使用和篩選方面，然而單一天然抗菌劑存在穩定性較差、抗菌壽命短、易分解等缺點，此外根據食品抗菌柵欄理論，研究多種天然抗菌劑協同抗菌效果以及基底膜載體對抗菌劑負載作用能進一步提高膜的抗菌性能和降低成本[9]。

因此，在天然抗菌劑復配研究基礎上[10]，本項目以殼聚糖和聚乙烯醇為基底膜材料，以肉桂醛和茶多酚為抗菌劑，分析抗菌劑的配比對復合膜的機械性能以及抗菌性能的影響，并探索其保鮮雞胸肉的效果，期望為開發復合型天然抗菌劑薄膜提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雞胸肉：福州鮮宰市售；茶多酚（食品級，純度為98%）：深圳恒生生物科技有限公司；聚乙烯醇（生化試劑，1788）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；肉桂醛（分析純）：上海展云化工有限公司；吐溫-80、冰乙酸、甘油、硼酸等（均為分析純）、殼聚糖（脫乙酰度80.0～95.0）、營養瓊脂（生物試劑）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

K9840型自動凱氏定氮儀：濟南海能儀器股份有限公司；UV-2700紫外可見分光光度計：日本島津公司；UUS-439A-1-G2超低溫冰箱：新加坡ESCO科技有限公司；XLWPC智能電子拉力試驗機：濟南賽成電子科技有限公司；DZF-6050真空干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

預處理雞胸肉→取肉→切片→瀝干→復合膜真空包裝→3℃冷藏→樣品測試1.3.2 試劑制備

1.3.2.1 乳液制備

將30 g PVA溶于蒸餾水中，于80℃恒溫加熱攪拌溶解，得到質量分數為10%的PVA溶液，備用；稱取6 g CS，加入適量質量分數為2%的乙酸溶液，25℃下攪拌至溶解，得到質量分數為3%的CS溶液，備用；向CIN加入吐溫-80（CIN體積的15%），再加入適量無水乙醇，在25℃下攪拌混勻，得CIN微乳液，置于密封瓶中待用。稱取適量TP溶于水-乙醇混合溶液中，攪拌加熱溶解制備TP溶液，備用。

1.3.2.2 復合膜制備

將CS與PVA溶液（體積比6∶4）共混，添加甘油作為增塑劑，60℃加熱攪拌至充分混合，然后加入5%的CIN和TP（以PVA干重計），并根據不同質量比（1 ∶1、2∶1、3∶1、4∶1）混合成復合膜共混液，繼續加熱攪拌0.5 h后靜置消泡，取50 mL共混液倒在模具中，在60℃恒溫干燥箱干燥9 h成膜，獲得復合膜，置入密封袋待用，同時，制備空白對照組。

1.3.3 試驗分組

試驗組（CIN-TP-CS/PVA組）：雞胸肉+CIN-TPCS/PVA 復合膜（質量比 1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1）；對照組（CS/PVA組）：雞胸肉+CS/PLA復合膜；空白組：雞胸肉（無包封）。

1.3.4 分析方法

1.3.4.1 膜厚度測定

根據GB/T 6672-2001《塑料薄膜和薄片厚度測定機械測量法》，用薄膜測厚儀測試膜的厚度（添加抗菌劑前后各組復合膜基本保持在30 μm左右厚度，因此不影響對比測試效果）。

1.3.4.2 機械性能測試

根據GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的測定第1部分：總則》，用電子拉力測試機測試抗拉強度和斷裂伸長率。

1.3.4.3 pH值測定

根據GB/T 5009.237-2016《食品安全國家標準食品pH值的測定》用酸度計測出濾液pH值。

1.3.4.4 揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值的測定

根據GB/T 5009.228-2016《食品安全國家標準食品中揮發性鹽基氮的測定》中的自動凱氏定氮儀法。

1.3.4.5 感官指標

參考GB 2707-2016《食品安全國家標準鮮（凍）畜、禽產品》進行雞胸肉的感官評分指標設計見表1，各指標的感官評定分值在0～10之間；10分代表最佳品質，0分代表最差品質[11]。

表1 雞胸肉新鮮度感官評分項目及標準Table 1 Chicken breast freshness and sensory evaluation criteria project

1.3.4.6 抑菌圈抗菌性

參照文獻[12]的方法，使用瓊脂擴散法研究復合膜對革蘭氏陰性菌代表——大腸桿菌（E.coli）的抗菌活性。首先將濾紙裁成直徑為6 mm的圓片，放置于紫外光下滅菌若干小時，用移液槍將10 μL成膜液移至備好的濾紙片上干燥成膜，移取100 μL濃度為108CFU/mL的試驗菌懸液均勻涂布在瓊脂平板上，然后將預制的濾紙片貼于瓊脂平板的表面，將該平板倒置后，放置在37℃培養箱中培養24 h，用卡尺測定濾紙片周圍的抑菌圈直徑（含濾紙片直徑），取均值。

圖1 CS膜、PVA膜、CS/PVA復合膜、CIN-TP-CS/PVA復合膜的紅外光譜圖Fig.1 The FTIR spectra of the CS，PVA，CS/PVA and CIN-TPCS/PVA films

1.4 數據處理

每組試驗重復3次，試驗數據數據以平均值±標準差表示，繪圖采用Origin 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 紅外光譜分析

CS膜、PVA 膜、CS/PVA 復合膜、CIN-TP-CS/PVA復合膜的紅外光譜圖見圖1。

如圖1所示，從CIN-TP-CS/PVA和CS/PVA的譜峰比較可知，CS/PVA復合膜中的3 280.72 cm-1處的NH伸縮振動吸收峰向高波數方向移動至3 300.70 cm-1處，這可能是由于CS的氨基與CIN的醛基之間發生席夫堿反應[13]；同時CIN-TP-CS/PVA復合膜在946.46cm-1處出現了一個新的吸收峰，這是因為PVA和CIN之間形成了C-O-C環醚鍵[14]；此外，譜峰上的1 561 cm-1左右的羥基峰有所減弱，這可能是PVA和CS中的部分羥基與CIN的醛基發生羥醛縮合反應或者可能是與TP中酚羥基形成強氫鍵，從而導致PVA和CS中羥基數量減少[12]，上述反應作用會限制CS和PVA分子鏈的運動，可能對膜的微觀結構和物理性能產生影響。

2.2 機械性能分析

研究CIN與TP的配比對CIN-TP-CS/PVA復合膜的機械性能的影響見圖2。

圖2 不同配比抗菌劑對復合膜抗拉強度和斷裂伸長率的影響Fig.2 Effect of CIN and TP ratio on the tensile strength and elongation at break of the films

如圖2所示，無添加抗菌劑的CS/PVA復合膜的抗拉強度為1.985 MPa，隨著CIN和TP的添加比增大，CIN-TP-CS/PVA復合膜的抗拉強度增加，平均抗張力增大，當CIN與TP比值為4∶1（質量比）時，達到最大的平均抗拉強度4.902 MPa；而斷裂伸長率減小，使得CIN-TP-CS/PVA復合膜的韌性減弱。膜的抗拉強度和斷裂伸長率與膜的微觀分子結構和分子間作用力有關，因此，這可能是CIN與基底膜材料之間的交聯作用使得復合膜內部變成網狀結構，限制了膜材料的分子鏈的運動[15]，從而導致膜的柔性下降、斷裂伸長率減小；另一方面，CIN及TP中部分的親水基與CS中的親水基作用，增強了膜內部分子間的作用力，增加了基底膜的應力，從而使得膜的抗拉強度增加[16]。

2.3 貯藏期間TVB-N含量變化

研究CIN與TP配比對復合膜在3℃冷藏條件下包封雞胸肉貯藏期間TVB-N值的變化見圖3。

如圖3所示，將空白組、CS/PVA膜對照組以及添加不同配比的CIN和TP的CS/PVA膜包封的雞胸肉置于3℃冷藏條件下貯藏，空白組的TVB-N含量迅速增加，貯藏到第6天TVB-N值為20.05 mg/100 g超過二級鮮度20 mg/100 g成為變質肉[5]，而對照組在第6天TVB-N值為17.98 mg/100 g，還處于二級鮮度內，這可能是由于CS本身具有一定程度抑制雞胸肉中的微生物生長繁殖的作用；同時可知所有試驗組TVB-N曲線都低于空白組和對照組，這與CIN和TP能有效抑制細菌繁殖降低TVB-N的產生有關，試驗組第8天才超過二級鮮度，且與空白組和對照組對比，貨架期延長了2 d。當CIN∶TP的比值為4∶1（質量比）時TVB-N含量上升最慢，保鮮效果最佳，這可能與CIN和TP兩者在復合膜中有不同釋放速率有關系[17-18]。

圖3 各試驗組對雞胸肉在貯藏期間TVB-N含量的影響Fig.3 Effect of different groups on TVB-N content of chicken breast during storage

2.4 貯藏期間pH值變化

研究CIN與TP的配比對復合膜在3℃冷藏條件下包封雞胸肉的pH值變化趨勢的影響見圖4。

圖4 各試驗組對雞胸肉pH值的影響Fig.4 Effect of different groups on pH content of chicken breast

如圖4所示，與空白組、對照組比較可知，貯藏過程所有曲線都是先下降后上升，這種變化是由于以下原因：雞肉組織剛開始主要是無氧呼吸過程中肌糖原的無氧糖酵解產生乳酸，以及三磷酸腺苷分解產生磷酸，乳酸和磷酸的積累導致pH值降低，此后，由于雞胸肉中微生物蛋白酶和雞肉蛋白酶的分泌，促使雞胸肉中的蛋白質被分解為氨基酸和多肽類，并進一步被分解成氨和胺，導致pH值逐漸升高[19]。圖中曲線趨勢可知空白組pH值上升較快，第4天pH值為6.41，已屬于次鮮肉，第6天pH值為6.89，已成為變質肉（pH值＞6.7），而從曲線可知對照組和4組試驗組都對雞胸肉的腐敗有一定的抑制作用，相對空白組，其中對照組都在第7天變質，pH值為6.87，貨架期延長了1 d；而試驗組中最優的是4∶1（質量比）組，其第7天pH值為6.51，仍屬于次鮮肉，第8天才變質，此時pH值為6.81，貨架期延長了2 d。

2.5 感官品質分析

研究CIN與TP配比對復合膜在3℃冷藏條件下包封雞胸肉貯藏期間感官品質變化見圖5。

圖5 不同試驗組對及雞胸肉的感官評分Fig.5 Sensory score of different groups of chicken breast

研究CIN與TP的配比對復合膜在3℃冷藏條件下包封雞胸肉的感官評分，如圖5所示，隨著貯藏時間增加，4組試驗組的感官評分值都明顯高于對照組和空白組，且空白組的整體感官指標變化最快，在第6天時雞胸肉的已經無光澤、變色、湯汁已有明顯異味，而4組試驗組整體感官指標變化最慢在0～6 d期間感官曲線整體趨勢比較平穩，其中4∶1（質量比）試驗組曲線變化相對其他試驗組最平穩，這可能與不同配比抗菌劑的緩釋速率和機制差異有關[20]，4∶1（質量比）試驗組在第6天時表皮還有色澤，較為明亮，湯汁還有一定香味，可見添加CIN和TP的復合膜能較好地保持雞胸肉的品質，這是由于CIN和TP對微生物生長和脂質氧化能起到較好抑制作用，從而延緩雞胸肉的腐敗。

2.6 復合膜抗菌性分析

圖6為CIN-TP-CS/PVA[4∶1（質量比）試驗組為例]、CIN-CS/PVA、TP-CS/PVA以及CS/PVA復合膜對大腸桿菌的抑菌效果圖。

從圖6可知CIN-TP-CS/PVA復合膜比CIN-CS/PVA、TP-CS/PVA以及CS/PVA復合膜的抑菌圈更明顯，其抑菌圈直徑均值分別為9.27 mm和8.91、7.85、7.04 mm，此外，無膜液空白濾紙測試無抑菌圈，說明復配CIN和TP的CS/PVA復合膜中的抑菌劑擴散到試驗菌懸液中抗菌效能更好，這可能與抗菌劑對大腸桿菌的有效抗菌濃度的持續性以及CIN與TP的抗菌機理不同有關[21]，另外基底膜對抗菌劑的相互作用也會影響膜中游離態抗菌劑的含量及其擴散濃度[12]。

圖6 CS/PVA、TP-CS/PVA復合膜和CIN-CS/PVA、CIN-TP-CS/PVA復合膜對大腸桿菌的抗菌作用Fig.6 Inhibitory activety of CS/PVA，TP-CS/PVA，CIN-CS/PVA and CIN-TP-CS/PVA composite film against E.coli

3 結論

本文以殼聚糖和聚乙烯醇為膜基底材料，研究肉桂醛和茶多酚的添加配比對復合膜的機械性能以及抗菌和保鮮性能等的影響。結果表明：添加肉桂醛和茶多酚的復合膜在一定程度上導致膜的斷裂伸長率降低、韌性減弱，但同時也使得膜的抗拉強度提高，抗變形能力增大，且在3℃貯藏條件下，相對其他對照組，肉桂醛與茶多酚添加質量比為4∶1時的復合膜保存雞胸肉的TVB-N值和pH值最低，貯藏期間的色澤和風味最好，說明了復合抗菌劑能較好地抑制雞胸肉的腐敗，相對無包裹復合膜的雞胸肉貨架期延長了2d。