改性聚乙烯醇與聚丙烯復合包裝對餅干的防潮及抑菌性研究

陳祖國,李紹菁,楊菁卉,柴莉,楊福馨

(上海海洋大學 食品學院,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,對人體健康大有益處[3-4]。大量臨床醫學研究表明,蔓越莓是一種天然抗菌保健水果,是防治泌尿系統各種細菌感染、尿道炎、膀胱炎的最佳自然食療法[5-7],其對大腸桿菌、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養成分,因此蔓越莓餅干深受廣大消費者的喜愛[11]。

目前,餅干的包裝方式多選擇HDPE薄膜、復合聚丙烯(polypropylene,PP)盒與紙袋[12],不利于餅干的遠距離運輸和長期保存。因此尋找一種具有抑菌性和高阻隔性的復合薄膜,對餅干的長期保存具有深遠的意義。本試驗選擇高阻隔性可降解材料聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)[13],對其進行抑菌性改性作為內層包裝,PP薄膜作為外層包裝,構成復合包裝,研究抑菌性復合包裝對蔓越莓餅干貨架期的影響。同時,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量、質構變化、菌落總數和感官評定,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。

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),天津市凱通化學試劑有限公司;脫氫乙酸鈉,南通奧凱生物技術開發有限公司;蔓越莓餅干,自購(同一批次生產的新鮮餅干,無防腐劑);食用油,自購(食用植物調和油,保質期內);大腸桿菌(Escherichiacoli,ATCC 25922)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,CCTCC AB 91093),農業部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海);胰蛋白胨大豆肉湯、胰蛋白胨大豆瓊脂、平板計數瓊脂,青島高科園海博生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

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型水蒸氣透過率測試儀,廣州西唐機電科技有限公司;Model2/22型氣體滲透測試儀,美國膜康有限公司;SU5000型熱場發射掃描電鏡,Hitachi(日立)公司;FR-900C型自動薄膜封口機,溫州市寧駿包裝機械有限公司;TA.XT Plus型質構儀,英國Stable Micro Systems公司;VS-1300L-U型超凈工作臺,青島翌宏儀器有限公司;MIR154型恒溫培養箱,日本三洋電機生物醫藥株式會社。

1.3 試驗方法

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,按照質量分數為12%與蒸餾水在溫度為60 ℃、轉速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 ℃,恒溫攪拌4 h;冷卻降溫至60 ℃,接入增稠劑、穩定劑、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計 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,然后加入到已經流延干凈的流延機中,熔融擠出成膜,其中流延機各加熱區的溫度分別為170、175、180、185、175、175 和175 ℃,轉速為40 r/min。

1.3.3 保鮮實驗

蔓越莓餅干為面包房現做,大小基本一致[規格為(6±0.5)×(6±0.5) cm,質量為(15±1) g],并于當天帶回實驗室。設置8個實驗組:1個空白裸露組,7個有A～F與PP薄膜復合包裝組,每組設置3個平行,稱取每塊餅干的質量,并做好記錄。對有薄膜包裝的組,每組制備7×3=21個PP包裝袋[規格為12 cm×12 cm,厚度為(50±3) μm],每組制備6×3=18個改性薄膜包裝袋[規格為9 cm×9 cm,厚度為(70±3) μm],記錄薄膜信息與預保存時間(第4、8、12、16、20、24、28天)。對餅干進行裝袋(表2),熱封合,放置在餐盤中,統一保存在相對濕度90%,溫度28 ℃的恒溫恒濕箱內,存放28 d。每4 d取樣,觀察并測定餅干相應的理化和生化性質[17]。

表2 對餅干的復合包裝方式Table 2 Composite packaging methods for biscuits

1.3.4 高阻隔抑菌防潮薄膜的性能測試及表征

1.3.4.1 阻隔性能測試

氧氣透過率參考ASTM D1434—82中的方法進行測試[18]。設置測試儀腔內相對濕度為65%,試驗溫度為25 ℃;測試樣品厚度,然后用模具將樣品裁剪成規定樣,黏附在透氣腔上并夾緊后,放入透氣腔內進行測試。每個樣品分別測試6次,記錄數據,并求平均值。

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

1.3.4.2 掃描電子顯微鏡

采用熱場發射掃描電鏡來觀察改性薄膜的斷面與平面微觀結構。先將改性薄膜用液氮脆斷得到橫截面,用導電膠粘貼試樣,橫截面朝上,放置于離子濺射鍍膜儀內進行噴金處理60 s,取出置于觀測腔內,在6 kV的測試電壓下進行測試[20-21]。

1.3.4.3 接觸角測試

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?？焖儆涗浭秤糜团c薄膜接觸1 s內的接觸角大小,同一個樣品測試5個平行,求取平均值[22-23]。

1.3.4.4 改性薄膜的抑菌性能測試

抑菌圈法可以用來表征抑菌薄膜的抑菌效果。該實驗在超凈工作臺內的無菌條件下完成。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,使菌液擴散完全。用無菌鑷子將薄膜圓片有序的貼敷在對應的培養皿上,倒置在37 ℃恒溫箱中培養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個平行,求取平均值。

1.3.5 餅干保存貯存期間的指標測試

1.3.5.1 質量變化測定

運用稱重法,根據公式(1)計算樣品的質量變化率:

(1)

1.3.5.2 質構測定

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

1.3.5.3 菌落總數測定

按照GB 4789.2—2016《食品國家安全標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》的方法,使用天平準確稱取10.0 g貯存后的餅干,與90 mL生理鹽水在無菌均質袋中均質拍打3 min,得到樣品勻漿。用移液槍吸取1 mL勻漿注入無菌培養皿,再倒入(45±3) ℃的平板計數瓊脂,在平面上順時針、逆時針各搖晃3圈分散菌液。培養基冷卻定型后,倒置在37 ℃恒溫箱中培養48 h,計算菌落數。每組樣品3個平行,取平均值。

1.3.5.4 感官評價

參考LEKJING等[27]的方法,并稍作修改。由12人組成感官評定小組,通過對餅干的外觀、質地、口感進行綜合評價并取平均值,分為4個標準等級,綜合得分在4級,說明餅干仍具有商品價值。具體評價標準如表3。

表3 蔓越莓餅干的感官評定Table 3 Sensory evaluation of cranberry biscuit

1.4 數據處理分析

使用SPSS 24軟件進行顯著性分析,P<0.05為顯著性水平,并用Origin 9.1對數據進行擬合作圖。

2 結果與分析

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透過率與水蒸氣透過率呈現先下降后上升的趨勢,E組改性薄膜具有最低的O2透過率與水蒸氣透過率。這是因為HPMC、脫氫乙酸鈉與PVA具有良好的相容性,增強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,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構。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,這說明PVA分子間具有很好的氫鍵作用力,但PVA薄膜脆性較強,易出現裂痕。B組為HPMC改性PVA薄膜,橫斷面B1致密且光滑,平面B2無裂痕,但有些許凹槽、空洞,這是因為HPMC與PVA具有較強的相容性,但混合不均勻,導致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,說明該組試驗中,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量值。PP薄膜對食用油的接觸角為64.575°,A、B、C、D、F組薄膜對食用油的接觸角,相比PP薄膜均有所降低,E組薄膜對食用油的接觸角為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先增加后降低的趨勢,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了,且E組改性薄膜的疏油性與PP薄膜相近。這是因為脫氫乙酸鈉與HPMC相互作用,使得PVA改性薄膜表現出更低的表面能,產生疏油效果。

圖1 薄膜的微觀結構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,說明PVA與HPMC均沒有對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌產生抑菌效果。C～F組,當添加脫氫乙酸鈉時,隨著脫氫乙酸鈉濃度的增加,改性薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果逐漸增強,且E組與F組的抑菌效果相近。

2.5 蔓越莓餅干的質量變化

圖4為不同包裝保存過程中蔓越莓餅干質量隨時間的變化情況。第1組(裸露組)蔓越莓餅干的質量大量增加,28 d時,質量增長率達到34.93%;第2組(PP包裝組)蔓越莓餅干的質量略有增加,28 d時,質量增長率達到1.98%;第3～8組,為改性薄膜與PP薄膜的復合包裝組,28 d時,蔓越莓餅干的質量增長率最高為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率,阻礙了水分的穿透,從而降低了蔓越莓餅干的質量增長率。

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

2.6 蔓越莓餅干的質構

圖5為蔓越莓餅干在不同保存條件下,硬度和脆性隨時間變化的情況。蔓越莓餅干的硬度和脆性隨保存時間均逐漸變差。但與第2組即PP包裝組相比,復合包裝組的蔓越莓餅干在28 d內,蔓越莓餅干的硬度和脆性下降明顯變緩,說明改性薄膜在一定程度上抑制了蔓越莓餅干口感的裂變。這是因為內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構,從而延緩了品質裂變。

a-硬度;b-脆性圖5 蔓越莓餅干的質構變化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,菌落總數隨時間變化的情況。根據GB 7100—2015《食品安全國家標準 餅干》規定的微生物限量標準,當餅干的菌落總數不超過1×104CFU/g時符合要求。

由表5可知,該試驗環境下,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,菌落總數急劇增加,保存4 d后,菌落總數明顯超過限量標準。第5～8組,由含有脫氫乙酸鈉的復合薄膜進行包裝,阻止了外界微生物的侵入,同時通過緩釋作用使包裝內環境處于抑菌狀態,對菌落的生長起到了較強的抑制作用,保證了蔓越莓餅干在28 d保存時間內,菌落總數均未達標,抑菌作用顯著。

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

2.8 蔓越莓餅干的感官評價

圖6為蔓越莓餅干在不同保存條件下,感官品質隨時間變化的情況。蔓越莓餅干保存期間,外觀、香味和口感等感官品質會隨著水分活度的增大和微生物的侵蝕發生變化,這也是各組餅干的感官評價等級均呈現下降趨勢的原因。第1組餅干的感官評價等級明顯下降,水分活度和微生物使餅干的品質變的惡劣,失去了原有的口感和香味。第28天時,第1～4組,評價等級均低于3級,已經失去了商品價值;第5～8組,評價等級均高于3級,其中最優質的為第7組,較第2組(PP包裝組)貨架期延長20 d。

圖6 蔓越莓餅干保存過程中的感官評價Fig.6 Sensory evaluation of cranberry biscuits during storage

3 結論

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