改性聚乙烯醇與聚丙烯復(fù)合包裝對(duì)餅干的防潮及抑菌性研究

陳祖國(guó),李紹菁,楊菁卉,柴莉,楊福馨

(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)

蔓越莓(Vacciniummacrocarpon)[1-2]富含黃酮類化合物如花青素、原花青素等多酚物質(zhì),對(duì)人體健康大有益處[3-4]。大量臨床醫(yī)學(xué)研究表明,蔓越莓是一種天然抗菌保健水果,是防治泌尿系統(tǒng)各種細(xì)菌感染、尿道炎、膀胱炎的最佳自然食療法[5-7],其對(duì)大腸桿菌、幽門螺桿菌和白色念珠菌等具有很好的抑制作用[8-10]。蔓越莓含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,因此蔓越莓餅干深受廣大消費(fèi)者的喜愛[11]。

目前,餅干的包裝方式多選擇HDPE薄膜、復(fù)合聚丙烯(polypropylene,PP)盒與紙袋[12],不利于餅干的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和長(zhǎng)期保存。因此尋找一種具有抑菌性和高阻隔性的復(fù)合薄膜,對(duì)餅干的長(zhǎng)期保存具有深遠(yuǎn)的意義。本試驗(yàn)選擇高阻隔性可降解材料聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)[13],對(duì)其進(jìn)行抑菌性改性作為內(nèi)層包裝,PP薄膜作為外層包裝,構(gòu)成復(fù)合包裝,研究抑菌性復(fù)合包裝對(duì)蔓越莓餅干貨架期的影響。同時(shí),觀察改性薄膜的阻隔性、相容性、疏水疏油性、抑菌性,并分析蔓越莓餅干保存期間質(zhì)量、質(zhì)構(gòu)變化、菌落總數(shù)和感官評(píng)定,得出適用于蔓越莓餅干的保存方法,從而為蔓越莓餅干防潮抑菌提供安全、有效的包裝材料和技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1799型聚乙烯醇,上海精析化工科技有限公司;聚丙烯樹脂,中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司;羥丙基甲基纖維素(hydroxypropyl methyl cellulose,HPMC),天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;脫氫乙酸鈉,南通奧凱生物技術(shù)開發(fā)有限公司;蔓越莓餅干,自購(gòu)(同一批次生產(chǎn)的新鮮餅干,無(wú)防腐劑);食用油,自購(gòu)(食用植物調(diào)和油,保質(zhì)期內(nèi));大腸桿菌(Escherichiacoli,ATCC 25922)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,CCTCC AB 91093),農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海);胰蛋白胨大豆肉湯、胰蛋白胨大豆瓊脂、平板計(jì)數(shù)瓊脂,青島高科園海博生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA3104 N型電子天平(分度值0.1 mg),上海菁海儀器有限公司;W-B-31D型水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀,廣州西唐機(jī)電科技有限公司;Model2/22型氣體滲透測(cè)試儀,美國(guó)膜康有限公司;SU5000型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,Hitachi(日立)公司;FR-900C型自動(dòng)薄膜封口機(jī),溫州市寧駿包裝機(jī)械有限公司;TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)Stable Micro Systems公司;VS-1300L-U型超凈工作臺(tái),青島翌宏儀器有限公司;MIR154型恒溫培養(yǎng)箱,日本三洋電機(jī)生物醫(yī)藥株式會(huì)社。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高阻隔抑菌防潮改性薄膜的制備

參考QURESHI等[14]的方法,并稍做修改[15],將用蒸餾水淘洗干凈并50 ℃烘干10 h后的PVA顆粒,按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%與蒸餾水在溫度為60 ℃、轉(zhuǎn)速800 r/min的水浴中恒溫溶脹2 h;然后按表1配方加入抑菌劑脫氫乙酸鈉,升溫至95 ℃,恒溫?cái)嚢? h;冷卻降溫至60 ℃,接入增稠劑、穩(wěn)定劑、分散劑HPMC,于60 ℃條件下攪拌6 h;再次冷卻降溫至30 ℃,繼續(xù)攪拌8 h,使膠體溶液充分混合,制得抗菌液。將抗菌液在50 ℃條件下流延成膜,制得抗菌薄膜,烘干2 h,備用。

表1 高阻隔抑菌防潮改性薄膜配方設(shè)計(jì) 單位：%

1.3.2 外層包裝的制備

參考隋越等[16]的方法,將聚丙烯母粒用蒸餾水淘洗干凈,并在60 ℃條件下烘干10 h,然后加入到已經(jīng)流延干凈的流延機(jī)中,熔融擠出成膜,其中流延機(jī)各加熱區(qū)的溫度分別為170、175、180、185、175、175 和175 ℃,轉(zhuǎn)速為40 r/min。

1.3.3 保鮮實(shí)驗(yàn)

蔓越莓餅干為面包房現(xiàn)做,大小基本一致[規(guī)格為(6±0.5)×(6±0.5) cm,質(zhì)量為(15±1) g],并于當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室。設(shè)置8個(gè)實(shí)驗(yàn)組:1個(gè)空白裸露組,7個(gè)有A～F與PP薄膜復(fù)合包裝組,每組設(shè)置3個(gè)平行,稱取每塊餅干的質(zhì)量,并做好記錄。對(duì)有薄膜包裝的組,每組制備7×3=21個(gè)PP包裝袋[規(guī)格為12 cm×12 cm,厚度為(50±3) μm],每組制備6×3=18個(gè)改性薄膜包裝袋[規(guī)格為9 cm×9 cm,厚度為(70±3) μm],記錄薄膜信息與預(yù)保存時(shí)間(第4、8、12、16、20、24、28天)。對(duì)餅干進(jìn)行裝袋(表2),熱封合,放置在餐盤中,統(tǒng)一保存在相對(duì)濕度90%,溫度28 ℃的恒溫恒濕箱內(nèi),存放28 d。每4 d取樣,觀察并測(cè)定餅干相應(yīng)的理化和生化性質(zhì)[17]。

表2 對(duì)餅干的復(fù)合包裝方式Table 2 Composite packaging methods for biscuits

1.3.4 高阻隔抑菌防潮薄膜的性能測(cè)試及表征

1.3.4.1 阻隔性能測(cè)試

氧氣透過(guò)率參考ASTM D1434—82中的方法進(jìn)行測(cè)試[18]。設(shè)置測(cè)試儀腔內(nèi)相對(duì)濕度為65%,試驗(yàn)溫度為25 ℃;測(cè)試樣品厚度,然后用模具將樣品裁剪成規(guī)定樣,黏附在透氣腔上并夾緊后,放入透氣腔內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)樣品分別測(cè)試6次,記錄數(shù)據(jù),并求平均值。

水蒸氣透過(guò)率參數(shù)ASTM E96—05中的方法[19],薄膜的水蒸氣透過(guò)率使用透濕儀測(cè)試。實(shí)驗(yàn)之前,向透濕杯中添加適量蒸餾水,保證滲透濕度為100%,使用模具將待測(cè)樣品按照透濕杯的形狀裁剪后,鎖定在樣品透濕杯上,測(cè)試有效面積為33 cm2,測(cè)試溫度設(shè)定為38 ℃,干燥側(cè)濕度為10%,測(cè)定方式為減重法。每組樣品3個(gè)平行,取平均值。

1.3.4.2 掃描電子顯微鏡

采用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡來(lái)觀察改性薄膜的斷面與平面微觀結(jié)構(gòu)。先將改性薄膜用液氮脆斷得到橫截面,用導(dǎo)電膠粘貼試樣,橫截面朝上,放置于離子濺射鍍膜儀內(nèi)進(jìn)行噴金處理60 s,取出置于觀測(cè)腔內(nèi),在6 kV的測(cè)試電壓下進(jìn)行測(cè)試[20-21]。

1.3.4.3 接觸角測(cè)試

選取裁剪為8 cm×1 cm的薄膜樣品,橫向固定在儀器載物臺(tái)上,在薄膜表面用量程為1 mL的注射器滴下大約20 μL(一滴)的食用油。快速記錄食用油與薄膜接觸1 s內(nèi)的接觸角大小,同一個(gè)樣品測(cè)試5個(gè)平行,求取平均值[22-23]。

1.3.4.4 改性薄膜的抑菌性能測(cè)試

抑菌圈法可以用來(lái)表征抑菌薄膜的抑菌效果。該實(shí)驗(yàn)在超凈工作臺(tái)內(nèi)的無(wú)菌條件下完成。參考ZHANG等[24]的方法,將裁得直徑為8 mm的薄膜圓片用紫外滅菌1 h;待倒入適量胰蛋白胨大豆瓊脂培養(yǎng)基凝固后,分別吸取100 μL濃度為2×107CFU/mL的大腸桿菌或金黃色葡萄球菌,再用滅菌后的三角玻璃涂布棒涂布均勻,使菌液擴(kuò)散完全。用無(wú)菌鑷子將薄膜圓片有序的貼敷在對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)皿上,倒置在37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h,抑菌直徑減去圓片直徑,記為抑菌圈直徑,每組樣品做5個(gè)平行,求取平均值。

1.3.5 餅干保存貯存期間的指標(biāo)測(cè)試

1.3.5.1 質(zhì)量變化測(cè)定

運(yùn)用稱重法,根據(jù)公式(1)計(jì)算樣品的質(zhì)量變化率:

(1)

1.3.5.2 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

使用TA.XT plus型質(zhì)構(gòu)儀的2次咀嚼測(cè)試法(TPA)測(cè)定貯存第0、4、8、12、16、20、24、28 天餅干的四角與中心位置的質(zhì)構(gòu)。選用探頭為P/36R型,測(cè)前速度3.0 mm/s,測(cè)試速度1.0 mm/s,測(cè)后速度3.0 mm/s,感應(yīng)力為5 g,2次壓縮間隔5 s;每組樣品測(cè)定2個(gè)平行,每個(gè)樣品測(cè)定5次,求取平均值[25-26]。

1.3.5.3 菌落總數(shù)測(cè)定

按照GB 4789.2—2016《食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定》的方法,使用天平準(zhǔn)確稱取10.0 g貯存后的餅干,與90 mL生理鹽水在無(wú)菌均質(zhì)袋中均質(zhì)拍打3 min,得到樣品勻漿。用移液槍吸取1 mL勻漿注入無(wú)菌培養(yǎng)皿,再倒入(45±3) ℃的平板計(jì)數(shù)瓊脂,在平面上順時(shí)針、逆時(shí)針各搖晃3圈分散菌液。培養(yǎng)基冷卻定型后,倒置在37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)48 h,計(jì)算菌落數(shù)。每組樣品3個(gè)平行,取平均值。

1.3.5.4 感官評(píng)價(jià)

參考LEKJING等[27]的方法,并稍作修改。由12人組成感官評(píng)定小組,通過(guò)對(duì)餅干的外觀、質(zhì)地、口感進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并取平均值,分為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí),綜合得分在4級(jí),說(shuō)明餅干仍具有商品價(jià)值。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 蔓越莓餅干的感官評(píng)定Table 3 Sensory evaluation of cranberry biscuit

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

使用SPSS 24軟件進(jìn)行顯著性分析,P<0.05為顯著性水平,并用Origin 9.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻隔性能

薄膜的阻隔性能是衡量薄膜氣密性的重要指標(biāo)之一。高阻隔抑菌防潮改性薄膜的阻隔性能如表4所示。6組薄膜的O2透過(guò)率與水蒸氣透過(guò)率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),E組改性薄膜具有最低的O2透過(guò)率與水蒸氣透過(guò)率。這是因?yàn)镠PMC、脫氫乙酸鈉與PVA具有良好的相容性,增強(qiáng)了薄膜中的分子間氫鍵作用力,使改性薄膜的致密性得到加強(qiáng),從而降低了改性薄膜透氧性和透濕性。

表4 改性薄膜的阻隔性能Table 4 Barrier property of modified film

2.2 掃描電子顯微鏡結(jié)果分析

圖1為高阻隔抑菌防潮改性薄膜的橫斷面與平面微觀結(jié)構(gòu)。A組為PVA空白基膜,橫斷面A1顯示粗糙致密,平面A2顯示有些許裂痕,這說(shuō)明PVA分子間具有很好的氫鍵作用力,但PVA薄膜脆性較強(qiáng),易出現(xiàn)裂痕。B組為HPMC改性PVA薄膜,橫斷面B1致密且光滑,平面B2無(wú)裂痕,但有些許凹槽、空洞,這是因?yàn)镠PMC與PVA具有較強(qiáng)的相容性,但混合不均勻,導(dǎo)致HPMC在薄膜中有堆積。C、D、E、F組為脫氫乙酸鈉與HPMC共同改性PVA薄膜,橫斷面均致密且光滑,但E組薄膜的平面E2排布最為有序且致密,說(shuō)明該組試驗(yàn)中,0.9%的HPMC與6%的脫氫乙酸鈉共同改性PVA具有最好的相容性。

2.3 接觸角測(cè)試分析

圖2為高阻隔抑菌防潮改性薄膜的食用油的接觸角測(cè)量值。PP薄膜對(duì)食用油的接觸角為64.575°,A、B、C、D、F組薄膜對(duì)食用油的接觸角,相比PP薄膜均有所降低,E組薄膜對(duì)食用油的接觸角為66.736°,與PP薄膜相比略微增加。總體而言,A～F組薄膜的食用油接觸角呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且添加了脫氫乙酸鈉的C～F組,均比A組薄膜的接觸角有所增大。說(shuō)明PVA具有良好的耐油性,隨著HPMC的加入,薄膜的疏油性降低,但加入脫氫乙酸鈉后,改性薄膜的疏油性增強(qiáng)了,且E組改性薄膜的疏油性與PP薄膜相近。這是因?yàn)槊摎湟宜徕c與HPMC相互作用,使得PVA改性薄膜表現(xiàn)出更低的表面能,產(chǎn)生疏油效果。

圖1 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of films

圖2 薄膜的接觸角Fig.2 Contact angle of films

2.4 改性薄膜的抑菌性能

圖3為高阻隔抑菌防潮改性薄膜的抑菌效果。

圖3 改性薄膜的抑菌效果Fig.3 Antibacterial effect of modified films

A組與B組的抑菌圈為0,說(shuō)明PVA與HPMC均沒有對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌產(chǎn)生抑菌效果。C～F組,當(dāng)添加脫氫乙酸鈉時(shí),隨著脫氫乙酸鈉濃度的增加,改性薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果逐漸增強(qiáng),且E組與F組的抑菌效果相近。

2.5 蔓越莓餅干的質(zhì)量變化

圖4為不同包裝保存過(guò)程中蔓越莓餅干質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況。第1組(裸露組)蔓越莓餅干的質(zhì)量大量增加,28 d時(shí),質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)到34.93%;第2組(PP包裝組)蔓越莓餅干的質(zhì)量略有增加,28 d時(shí),質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)到1.98%;第3～8組,為改性薄膜與PP薄膜的復(fù)合包裝組,28 d時(shí),蔓越莓餅干的質(zhì)量增長(zhǎng)率最高為0.83%,最低為0.59%(第7組),明顯低于PP薄膜包裝。這是由于第7組有較低的水蒸氣透過(guò)率,阻礙了水分的穿透,從而降低了蔓越莓餅干的質(zhì)量增長(zhǎng)率。

圖4 蔓越莓餅干的質(zhì)量變化率Fig.4 Quality change rate of cranberry biscuit

2.6 蔓越莓餅干的質(zhì)構(gòu)

圖5為蔓越莓餅干在不同保存條件下,硬度和脆性隨時(shí)間變化的情況。蔓越莓餅干的硬度和脆性隨保存時(shí)間均逐漸變差。但與第2組即PP包裝組相比,復(fù)合包裝組的蔓越莓餅干在28 d內(nèi),蔓越莓餅干的硬度和脆性下降明顯變緩,說(shuō)明改性薄膜在一定程度上抑制了蔓越莓餅干口感的裂變。這是因?yàn)閮?nèi)層改性薄膜含有脫氫乙酸鈉和HPMC,能夠在一定程度上阻礙了水分和空氣的穿透,維持了蔓越莓餅干的組織結(jié)構(gòu),從而延緩了品質(zhì)裂變。

a-硬度;b-脆性圖5 蔓越莓餅干的質(zhì)構(gòu)變化Fig.5 Texture changes of cranberry biscuit

2.7 蔓越莓餅干的菌落分析

表5為蔓越莓餅干在不同保存條件下,菌落總數(shù)隨時(shí)間變化的情況。根據(jù)GB 7100—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 餅干》規(guī)定的微生物限量標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)餅干的菌落總數(shù)不超過(guò)1×104CFU/g時(shí)符合要求。

由表5可知,該試驗(yàn)環(huán)境下,第1組(裸露組)、第2組(PP包裝組)、第3組和第4組的餅干,由于適宜的溫度和水分活度,菌落總數(shù)急劇增加,保存4 d后,菌落總數(shù)明顯超過(guò)限量標(biāo)準(zhǔn)。第5～8組,由含有脫氫乙酸鈉的復(fù)合薄膜進(jìn)行包裝,阻止了外界微生物的侵入,同時(shí)通過(guò)緩釋作用使包裝內(nèi)環(huán)境處于抑菌狀態(tài),對(duì)菌落的生長(zhǎng)起到了較強(qiáng)的抑制作用,保證了蔓越莓餅干在28 d保存時(shí)間內(nèi),菌落總數(shù)均未達(dá)標(biāo),抑菌作用顯著。

表5 蔓越莓餅干的菌落總數(shù)變化Table 5 Changes in total viable count in cranberry biscuit

2.8 蔓越莓餅干的感官評(píng)價(jià)

圖6為蔓越莓餅干在不同保存條件下,感官品質(zhì)隨時(shí)間變化的情況。蔓越莓餅干保存期間,外觀、香味和口感等感官品質(zhì)會(huì)隨著水分活度的增大和微生物的侵蝕發(fā)生變化,這也是各組餅干的感官評(píng)價(jià)等級(jí)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的原因。第1組餅干的感官評(píng)價(jià)等級(jí)明顯下降,水分活度和微生物使餅干的品質(zhì)變的惡劣,失去了原有的口感和香味。第28天時(shí),第1～4組,評(píng)價(jià)等級(jí)均低于3級(jí),已經(jīng)失去了商品價(jià)值;第5～8組,評(píng)價(jià)等級(jí)均高于3級(jí),其中最優(yōu)質(zhì)的為第7組,較第2組(PP包裝組)貨架期延長(zhǎng)20 d。

圖6 蔓越莓餅干保存過(guò)程中的感官評(píng)價(jià)Fig.6 Sensory evaluation of cranberry biscuits during storage

3 結(jié)論

由薄膜微觀結(jié)構(gòu)得知,HPMC、脫氫乙酸鈉與PVA間具有良好的相容性。在相對(duì)濕度為90%,溫度為28 ℃的恒溫恒濕條件下,PVA、HPMC、脫氫乙酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、0.9%、6%的改性薄膜與PP薄膜復(fù)合制成的包裝,對(duì)餅干的保鮮效果最佳,與PP包裝相比,貨架期延長(zhǎng)了20 d,其改性膜最具阻隔性,O2透過(guò)率和水蒸氣透過(guò)率分別為(0.144±0.016 7)cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)、(1.274±0.008 9) g/(m2·h)。復(fù)合包裝組相較于裸露組和PP包裝組,餅干的防潮性和質(zhì)構(gòu)均明顯提高,有利于餅干的運(yùn)輸與保藏。改性薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性明顯,結(jié)合餅干保藏期間的菌落總數(shù)與感官評(píng)價(jià)分析,第28天時(shí),裸露組和PP包裝組均失去了商品價(jià)值,添加脫氫乙酸鈉改性的復(fù)合包裝組仍可食用,具有商品價(jià)值。并且E組對(duì)食用油的接觸角略優(yōu)于PP薄膜,與PP薄膜復(fù)合包裝餅干,對(duì)餅干的保鮮效果最佳。