肉桂精油抗菌包裝紙對甜櫻桃防腐保鮮效果的影響

趙亞珠，郝曉秀，劉光發，高翔

1(天津職業大學 包裝與印刷工程學院，天津，300410)2(天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津，300457)3(宏觀世紀(天津)科技股份有限公司，天津，301700)

甜櫻桃因味道甜美營養豐富深受人們喜愛，其營養物質有糖分、維生素C、花青素、有機酸、單寧和黃烷醇等[1]。甜櫻桃原產于歐洲和西亞，現廣泛分布在世界各地[2]。我國甜櫻桃年產量約4.2萬t[3]，在貯藏過程中極易腐爛和軟化[4]。引起甜櫻桃腐爛的因素有微生物、高呼吸、水分損失和軟化，其中微生物是導致甜櫻桃腐爛的重要原因。甜櫻桃主要致腐菌為灰霉、褐腐病菌、枝孢霉、匍枝根霉和青霉病等[5]。目前在甜櫻桃貯藏中常用一些化學合成殺菌劑，存在一定耐藥性且對人體健康存在安全風險，因此，更加安全和綠色的防腐保鮮技術成為今后研究方向。

部分天然抗菌劑(肉桂精油、牛至精油、殼聚糖)[6-9]對很多食源性致病菌具有較強抑制作用，且對人體安全性較高。TOKATLI等[10]研究了殼聚糖可食用涂膜對甜櫻桃理化和微生物品質的影響，發現殼聚糖涂層可有效抑制甜櫻桃中總嗜溫需氧菌、酵母和霉菌的生長。ARABPOOR等[11]通過離子凝膠法制備了一種殼聚糖包埋野刺芹(EryngiumcampestreL.)精油的納米顆粒，在甜櫻桃果實表面涂上一層薄的該涂層可顯著降低甜櫻桃的微生物數量。張倩等[12]將肉桂精油涂布于吸附紙上，在常溫下對甜櫻桃進行熏蒸處理，可抑制甜櫻桃的腐爛。抗菌涂膜成分是否存在由遷移引起的食品安全風險，如何提升精油涂布紙的緩釋抑菌效果，仍需進一步研究。本實驗以肉桂精油、殼聚糖和埃洛石納米管等為主要原料，采用涂布法制備一種抗菌紙，結合帶孔隔離紙實現對甜櫻桃的防腐保鮮應用，為果蔬活性包裝材料的研制及應用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜櫻桃，選取當天從天津市某果園采摘的外觀、硬度及顏色相近，九成熟的紅燈甜櫻桃。肉桂精油(反式肉桂醛82.2%)，江西恒誠天然香料油有限公司；殼聚糖，青島弘海生物技術有限公司；埃洛石納米管，靈壽縣南昱礦產品加工廠；聚乙烯(polyethylene，PE)保鮮膜，O2和CO2透過率分別為1.02×104～2.49×104cm3/(m2·d·atm)和0.77×105～1.9×105cm3/(m2·d·atm)，透濕率為17.4～42.6 g/(m2·d)，脫普日用化學品公司。

1.2 儀器與設備

JT-C均質機，漯河市金田試驗設備研究所；GY-3水果硬度計，衢州艾普計量儀器公司；WS114 折光度測試儀，上海測維光電技術公司；JSM-IT300 LV掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，日本電子株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 抗菌紙制備

將10 g殼聚糖在90 ℃水浴中攪拌溶解于200 mL蒸餾水，冷卻至60 ℃后依次添加2 mL甘油、2 mL吐溫80，2 000 r/min攪拌3 min，獲得質地均勻的殼聚糖溶液。取2 g埃洛石納米管分別與2、4、6、8、10 mL肉桂精油充分混合攪拌，獲得負載肉桂精油的埃洛石納米管，將其在60 ℃條件下分別加入200 mL殼聚糖溶液中，使肉桂精油體積分數分別為1%、2%、3%、4%、5%，使用均質機10 000 r/min均質3 min，隨后倒入燒杯，用PE保鮮膜密封，獲得肉桂精油-埃洛石納米管-殼聚糖涂布乳液。

裁剪尺寸為30 cm×20 cm的食品包裝原紙若干，采用涂布棒將涂布乳液均勻涂布在原紙上，38 ℃烘干，雙層涂布。將肉桂精油體積分數為1%、2%、3%、4%和5%的抗菌紙依次標記為T1、T2、T3、T4和T5，原紙為對照組，記為control。各組抗菌紙中涂層厚度為(20±3) μm。

1.3.2 抗菌紙中精油負載材料的微觀結構表征

為研究抗菌紙中埃洛石納米管對精油的負載作用，采用SEM觀察埃洛石納米管在負載肉桂精油前后微觀結構的變化。將肉桂精油和埃洛石納米管按質量比1∶1混合、攪拌、研磨后置于60 ℃烘箱干燥24 h。空白埃洛石納米管也按同樣方法干燥24 h。取干燥后的空白埃洛石納米管和負載肉桂精油的埃洛石納米管置于SEM樣品臺上固定，然后進行噴金處理，再采用SEM觀察其微觀結構。

1.3.3 抗菌紙的抑菌性能測試

參考楊玉函等[13]的方法進行菌種活化和培養基制備。霉菌和細菌分別使用PDA和NA培養基，使用無菌生理鹽水調節菌懸液濃度為1×106CFU/mL。將抗菌紙裁切成直徑為25 mm的圓形試樣，紫外滅菌30 min。在培養基表面涂0.1 mL菌懸液，在培養皿蓋中心放置抗菌紙圓形試樣，將培養皿倒置孵化一定時間后測抑菌圈直徑(霉菌28 ℃，48 h；細菌37 ℃，24 h)。

1.3.4 抗菌紙對甜櫻桃的保鮮處理

稱取100～110 g甜櫻桃，放于聚丙烯(polypropylene，PP)托盤內，在甜櫻桃上方依次放1層帶孔隔離紙(孔徑3 mm，孔距5～8 mm)和抗菌紙(原紙為對照組)，隨后纏繞1層PE保鮮膜。將甜櫻桃實驗樣品分為6組，根據所用原紙/抗菌紙依次記為control、T1、T2、T3、T4和T5，每組設24個托盤為平行試樣。所有試樣置于室溫條件下[(27±2) ℃，相對濕度(50±10)%)]貯藏7 d，每1 d進行1次指標測試。

1.3.5 甜櫻桃指標測試

感官評價：參考ABDIPOUR等[14]的方法對甜櫻桃進行感官評價。選10名經培訓的消費者(5男，5女，年齡18～30歲)為評價員，主要針對甜櫻桃的外觀、顏色、味道、氣味給出整體接受度的打分，采用5分制(5～1分依次代表：優、好、較好、較差、差)。腐爛率：腐爛果粒數與總果粒數的百分比值。菌落總數：參照GB4789.2—2016中的方法進行，采用PCA瓊脂培養菌落。質量損失率：每次測量時甜櫻桃試樣的質量損失量與其初始質量的百分比值。硬度：采用水果硬度計測定。可溶性固形物：參照NY/T 2637—2014中的方法測試，將甜櫻桃果肉研碎，紗布過濾后取漿汁，采用折射儀測試。

1.4 數據分析

所有實驗樣品準備3個平行樣，用SPSS 17.0進行單因素方差分析，P< 0.05 差異顯著。

2 結果與分析

2.1 抗菌紙中精油負載材料的SEM分析

埃洛石是一種具有中空管腔結構的天然納米材料，長度200～1 500 nm，外徑50～75 nm，內徑10～30 nm[15]，可高效負載活性成分，且具有較好的生物相容性。圖1-a為天然埃洛石納米管的SEM圖，為細長棒狀結構。圖1-b為負載肉桂精油的埃洛石納米管SEM圖，負載肉桂精油后埃洛石納米管的形態發生了明顯的變化。與圖1-a相比，圖1-b中的所有埃洛石納米管的直徑均明顯變大，呈現出質地較均勻的光滑棒狀結構，這是因為埃洛石納米管具有中空管腔結構，在負載肉桂精油之后，埃洛石納米管的微觀形態發生了變化。

a-埃洛石納米管；b-負載肉桂精油的埃洛石納米管圖1 埃洛石納米管及其負載肉桂精油后的SEM圖Fig.1 SEM image of halloysite nanotubes and halloysite nanotubes loaded with cinnamon essential oil

2.2 抗菌紙對6種供試微生物的抑菌效果

不同濃度肉桂精油抗菌紙對供試微生物的抑菌效果見圖2。在6種供試微生物中，抗菌紙對灰霉抑菌作用最強，肉桂精油體積分數為1%時抑菌圈直徑為36 mm，體積分數為5%時抑菌圈直徑上升至75 mm。5%(體積分數)肉桂精油抗菌紙可明顯抑制4種霉菌和金黃色葡萄球菌的生長(圖3)，對青霉、根霉、交鏈孢霉、金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑分別是63.8、48.6、41.2、31和25 mm。肉桂精油針對細菌和霉菌的抑制作用可歸因于破壞細胞的形態和結構，導致細胞重要成分泄漏，破壞細胞代謝等。ZHANG等[16]研究了負載肉桂精油的介孔二氧化硅納米粒子針對毛霉屬的作用機制，發現在添加最低抑菌濃度的肉桂精油-介孔二氧化硅納米粒子后，菌體的細胞膜通透性、活性氧(reactive oxygen，ROS)含量、可溶性糖和丙二醛含量均發生明顯變化，細胞成分發生滲漏，并伴隨著菌絲形態被破壞，部分基因被上調，孢子萌發和生長被抑制。ZHANG等[17]研究了肉桂精油對大腸桿菌等細菌的作用機制，發現最低殺菌濃度的肉桂精油可導致細胞發生破壞，致使細胞內電解質、蛋白質和核酸發生泄漏，還可引起細菌代謝活性降低，并發現與大腸桿菌相比，金黃色葡萄球菌更敏感，與本實驗結果吻合?？咕垖?種供試霉菌的抑菌圈直徑顯著大于(P<0.05)2種供試細菌，這說明該抗菌紙更適合于主要致腐菌為上述4種霉菌的食品/農產品的防腐保鮮。

圖2 抗菌紙對供試微生物的抑制效果Fig.2 Antimicrobial activity of antimicrobial paper against test microorganisms

a-大腸桿菌；b-金黃色葡萄球菌；c-青霉；d-根霉；e-灰霉；f-交鏈孢霉圖3 精油體積分數為5%的抗菌紙對供試微生物的抑菌圈Fig.3 Inhibition zone of antimicrobial paper against test microorganisms with cinnamon essential oil at concentration of 5% (volume ratio)

2.3 抗菌紙對甜櫻桃防腐保鮮效果的影響

2.3.1 抗菌紙對甜櫻桃感官品質的影響

感官品質直接影響消費者的購買決定[18]，其中氣味是水果中糖、酸和芳香物質的結合，被認為是水果最具感官特性的參數[14]。不同抗菌紙處理對甜櫻桃感官評價分值的影響見圖4。貯藏期間，由于甜櫻桃的外觀、顏色、味道、氣味等發生改變，所有甜櫻桃試樣的感官分值逐漸降低。在各組試樣中，對照組分值下降速率最快，其原因是微生物的快速繁殖導致甜櫻桃的外觀和氣味出現了不利變化。T1處理組甜櫻桃的感官分值下降趨勢較快，在貯藏3 d后分值降為2.5分，其原因是T1抗菌紙中抗菌成分較少，防腐抑菌作用微弱。在各組試樣中，T4處理組甜櫻桃的感官分值最高，在貯藏6 d后仍為3分，該組甜櫻桃不僅維持了較好的口感和氣味，其外觀質量也優于其他處理組(圖5)。隨著精油含量的增加，T5處理組甜櫻桃的腐爛高于T4組，這是因為T5抗菌紙中精油成分含量過高，反而加速了甜櫻桃的腐爛。此前有研究[19]表明當抗菌膜中抗菌劑成分超過一定劑量時，抗菌膜對甜櫻桃果皮產生了藥害。在各組試樣中，未觀察到明顯的藥害現象，這是由于在抗菌紙與甜櫻桃之間放置了一層帶孔隔離紙，既能避免甜櫻桃和抗菌紙直接接觸而導致的藥害現象，又能起到防腐保鮮作用。

圖4 抗菌紙處理對甜櫻桃感官評價分值的影響Fig.4 Effect of different antimicrobial paper treatments on sensory evaluation score of sweet cherries during storage

a-control;b-T1;c-T2;d-T3;e-T4;f-T5圖5 貯藏6 d后的甜櫻桃照片Fig.5 Photos of sweet cherries after six days of storage

2.3.2 抗菌紙對甜櫻桃腐爛率的影響

灰霉在貯藏過程中對甜櫻桃造成極大的腐爛損耗[20]。貯藏期間，甜櫻桃腐爛率均逐漸增高(圖6)，其中對照組甜櫻桃的腐爛率最高，貯藏6 d后腐爛率達50%。T1～T5處理組中甜櫻桃腐爛率顯著低于對照組(P<0.05)，經過6 d的貯藏，腐爛率集中在8%～30%，腐爛率從高到底依次為T1、T5、T2、T3、T4處理組。T4處理組甜櫻桃的腐爛率在貯藏4 d后仍為0%，貯藏6 d后僅為8%。結合感官評價分值，T4抗菌紙可延長甜櫻桃貨架壽命約3 d。T4抗菌紙可明顯降低甜櫻桃的腐爛，其原因是由于肉桂精油對很多食源性致腐微生物具有很強的抑制作用[6]，抗菌紙的抑菌效果數據也證實了該結論。此前有部分研究工作利用肉桂精油來降低甜櫻桃的腐爛。張倩等[12]將肉桂精油涂布于吸附紙上，在常溫下用于甜櫻桃的防腐保鮮，經過6 d貯藏后腐爛率為16.68%，優于對照組60.3%的腐爛率。劉光發等[19]使用肉桂精油和檸檬草精油復配與聚乙烯醇等原料制備了一種抗菌膜，降低了甜櫻桃的腐爛率。以上研究說明肉桂精油在制備可有效抑制甜櫻桃腐爛的活性材料方面具有很好的潛力。

圖6 抗菌紙對甜櫻桃腐爛率的影響Fig.6 Effect of different antimicrobial paper treatments on decay rate of sweet cherries during storage

2.3.3 抗菌紙對甜櫻桃菌落總數的影響

貯藏期間，所有甜櫻桃菌落總數逐漸增高(圖7)，其中對照組增加最快，貯藏6 d后達4.91 lgCFU/g。T3 和T4 處理組試樣的菌落總數較低，貯藏6 d后菌落總數分別為4.09 lgCFU/g和3.7 lgCFU/g。與甜櫻桃腐爛率變化規律類似，T1和T5處理組的菌落總數低于對照組，但顯著高于T3和T4處理組(P<0.05)。其原因是抗菌紙涂層中1%(體積分數)肉桂精油含量太低，從抗菌紙中釋放的抑菌成分不足以有效抑制甜櫻桃中菌落的生長，而T5處理組中5%(體積分數)肉桂精油也無法有效抑制菌落總數的上升，這是因為高濃度的精油可能會對甜櫻桃表皮造成損傷。HASSENBERG等[5]也得到類似的結論，例如采用乙酸蒸氣在20 ℃熏蒸甜櫻桃，當乙酸溶液質量濃度為9 mg/L時，貯藏5 d后需氧嗜溫細菌總數高于3 mg/L和6 mg/L處理組，甚至高于對照組。TOKATLI等[10]發現可食用殼聚糖涂膜能抑制甜櫻桃中總嗜溫需氧菌、總嗜冷需氧菌、總大腸菌群、酵母菌和霉菌的菌落數量。本研究表明抗菌紙中活性成分的添加劑量需針對被包裝產品進行定量研究。

圖7 抗菌紙對甜櫻桃菌落總數的影響Fig.7 Effect of different antimicrobial paper treatments on total viable count of sweet cherries during storage

2.3.4 抗菌紙對甜櫻桃質量損失率的影響

質量損失率是衡量水果保鮮程度的一項重要指標[11]。水果在貯藏期間的質量損失主要是由于蒸騰作用和呼吸過程引起的水分流失[21]造成的，因此果皮的質地特性對質量損失率起著重要作用[22]。各處理組甜櫻桃質量損失率隨貯藏時間的變化見圖8。所有處理組中甜櫻桃的質量損失率都隨著時間的延長而增加，T5處理組和對照組樣品比其他組樣品擁有相對較高的質量損失率，其中T5組試樣的質量損失率最高(3.39%)，甚至高于對照組(3.11%)。與對照組相比，T1～T4組試樣的質量損失率較低，其中T4組質量損失率最低，貯藏6 d后僅為2.04%。其原因可能是T4抗菌紙中抗菌劑的劑量可較好地保持甜櫻桃的果皮質地屬性。此前也有文獻報道采用抗菌劑熏蒸方式抑制甜櫻桃質量損失率的上升，例如BOZKURT等[22]采用汽化的丙酮酸乙酯可有效減少各測試組甜櫻桃樣品的質量損失。

圖8 抗菌紙對甜櫻桃質量損失率的影響Fig.8 Effect of different antimicrobial paper treatments on weight loss of sweet cherries during storage

2.3.5 抗菌紙對甜櫻桃硬度的影響

硬度可反映甜櫻桃的組織結構，是體現甜櫻桃果實新鮮度的主要參數[11]。如圖9所示，甜櫻桃的初始硬度為2.45 kg/cm2，在整個貯藏期間所有甜櫻桃試樣的硬度逐漸降低，其中對照組下降最明顯，貯藏6 d后硬度僅為1.79 kg/cm2。合適劑量的活性抗菌紙可以延緩甜櫻桃果實的軟化，經T2、T3和T4抗菌紙處理的甜櫻桃在貯藏6 d后硬度分別為2.23、2.27和2.29 kg/cm2，顯著高于對照組(P< 0.05)。ABDIPOUR等[14]采用紫外線處理甜櫻桃也出現了延緩甜櫻桃果實軟化的現象。這是因為生物活性化合物可以抑制果實軟化過程，從而維持甜櫻桃細胞壁的穩定性[21]。然而T1和T5抗菌紙對于維持甜櫻桃硬度并不明顯，其原因是T1抗菌紙中抗菌劑成分太少對于抑制果實軟化作用不明顯，而T5抗菌紙中高濃度的抑菌劑影響了甜櫻桃果實表皮的組織結構，進而造成了果實硬度的下降。

圖9 抗菌紙對甜櫻桃硬度的影響Fig.9 Effect of different antimicrobial paper treatments on firmness of sweet cherries during storage

2.3.6 抗菌紙對甜櫻桃可溶性固形物的影響

可溶性固形物是與消費者接受度和水果質量相關的重要屬性[23]。葡萄糖、果糖、山梨糖醇和蔗糖是甜櫻桃中可溶性固形物的主要糖類化合物[24]。各組甜櫻桃可溶性固形物含量在貯存期間顯示出上升趨勢(圖10)。甜櫻桃在貯存期間往往會顯示可溶性固形含量物增加的趨勢[25]，可溶性固形物的增加與失水、成熟或軟化過程有關，而這又是由于酶活性增加和膨壓降低所致[14]。各組樣品可溶性固形物數值位于13.0～15.0，抗菌紙對甜櫻桃可溶性固形物的變化沒有顯著作用。SHARMA等[26]用己醛和甲基環丙烯噴灑甜櫻桃，也未引起可溶性固形物的變化。焦中高等[27]采用短波紫外線輻照甜櫻桃也發現了類似的現象，紫外線對甜櫻桃進行殺菌處理未能引起可溶性固形物的顯著變化。

圖10 甜櫻桃可溶性固形物的變化Fig.10 Changes in total soluble solids of sweet cherries during storage

3 結論

埃洛石納米管可對肉桂精油進行有效負載，負載肉桂精油后的埃洛石納米管直徑均明顯變大，呈現光滑棒狀結構?？咕埧娠@著抑制4種霉菌的生長，當肉桂精油體積分數≥2%時抑菌圈直徑≥26 mm?？咕垖?種供試細菌的抑制作用相對較弱。與對照組相比，肉桂精油體積分數為4%的抗菌紙可顯著延緩甜櫻桃腐爛率和菌落總數的上升趨勢，可減少甜櫻桃的質量損失，能較好地保持甜櫻桃感官品質和硬度，可延長甜櫻桃貨架壽命約3 d。由于在抗菌紙與甜櫻桃之間放置了一層帶孔隔離紙，所有甜櫻桃均未觀察到抗菌劑引起的明顯藥害作用。本實驗制備的抗菌紙還可應用至其他果蔬的防腐保鮮。針對被包裝產品探尋抗菌劑的最佳使用量，提升持久緩釋抑菌效果，以及實施多種保鮮技術的聯合應用將是今后果蔬防腐保鮮的研究重點。