海藻酸鈉-殼聚糖-茶末復合膜的制備及其對葡萄的保鮮效果

陳順心，劉海波，朱靜，徐楷博，徐亞強，陳龍，陳亞藍

（信陽農林學院食品學院，河南信陽 464000）

隨著食品行業的發展，人們要求食品更多地保證其天然性、綠色化。保鮮膜在食品保鮮中起到了非常重要的作用，可以有效阻止微生物的侵染，阻隔空氣中的灰塵，延長食品保鮮期[1]。目前，市售保鮮膜材料以聚乙烯為主，存在降解速度慢、環境不友好等缺點。因此研制出可降解、生物安全、環境友好的成膜基材意義重大。

殼聚糖（chitosan，CS）及其衍生物[2-5]、海藻酸鈉（sodium alginate，SA）[6-9]具有成膜性好、安全性高等特點，但單獨使用存在膜液流動性差、韌性差等問題。研究表明，將成膜基材共混復合并添加功能性成分如茶多酚、茶多糖等[10-13]，可以使膜的機械性能、理化性能、阻隔性能等得到改善。茶葉中茶多酚具有較強的抗氧化作用，可與多糖、蛋白等以共價鍵和非共價鍵結合，使其抗氧化作用增強[14-17]。晏晶等[18]利用茶多酚-殼聚糖復合膜對紅葡萄進行保鮮，貯藏期顯著延長。郝子娜等[19]制作出茶多酚-海藻酸鈉可食復合涂膜對草魚進行保鮮，有效地抑制了魚肉的劣變，保鮮效果良好。

因此，為提高茶多酚復合膜的保鮮能力，使其得到廣泛應用，本研究采用綠茶茶末、食品級殼聚糖及海藻酸鈉制備可食性保鮮膜，運用單因素及正交試驗確定海藻酸鈉-殼聚糖-茶末復合膜的最佳配比，并對所制備的膜進行保鮮應用，旨在為茶末廢棄物的綜合利用和開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

信陽毛尖廢棄茶末：河南省信陽市老崗茶園；新鮮帶蒂葡萄：市售。

1.2 主要試劑和設備

殼聚糖、海藻酸鈉（食品級）：鄭州億之源化工產品有限公司；丙三醇、冰乙酸、無水氯化鈣：天津市大茂化學試劑廠；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基（potato dextrose agar，PDA）（生物試劑）：北京奧博星生物技術有限公司；鉬酸銨：天津市北辰區方正試劑廠；草酸：天津市化學試劑三廠；乙二胺四乙酸二鈉：天津市致遠化學試劑有限公司；硫酸：開封市芳晶化學試劑有限公司；硝酸：天津市科密歐化學試劑有限公司；鄰苯二酚、檸檬酸、偏磷酸：國藥集團化學試劑有限公司；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉：鄭州派尼化學試劑廠；愈創木酚：天津市登峰化學試劑廠；過氧化氫：汕頭市茂城利發化工有限公司。以上試劑除特殊說明外，均為分析純試劑。

DZKW-0-2 電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器有限公司；A390 紫外可見分光光度：翱藝儀器（上海）有限公司；TG16 高速離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；WYT 型糖度計：成都豪創光電儀器有限公司；CP214 電子天平：奧豪斯儀器（上海）有限公司；JC101-2A 電熱恒溫鼓風干燥箱：上海躍進醫療器械廠；SHP 生化培養箱：北京中興偉業世紀儀器有限公司；TMS-PRO 質構儀：北京盈盛恒泰科技有限責任公司；LDZM-80L-Ⅲ立式高壓蒸汽滅菌器：上海申安醫療器械廠；WYA-2S 手持折光儀：上海申光儀器儀表有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 SA-CS-茶末復合膜的制備

復合膜的制備參照蘭文婷等[8]的方法，并略作修改，工藝流程見圖1。

圖1 SA-CS-茶末復合膜的制備Fig.1 Preparation of SA-CS-tea powder composite membrane

1.3.2 單因素和正交試驗設計

以復合膜的水分含量、DPPH 自由基清除率、抑菌圈直徑、厚度和抗拉伸強度為指標，選擇茶末添加量、殼聚糖添加量、海藻酸鈉添加量進行單因素試驗，設置茶末添加量為0、0.5%、1.0%、1.5% 和2.0%；殼聚糖添加量為0.12%、0.20%、0.32%、0.48% 和0.60%；海藻酸鈉添加量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。

在單因素試驗基礎上，進行L9（34）正交試驗，確定SA-CS-茶末復合膜最佳添加量，因素水平設計見表1，由于單因素試驗中海藻酸鈉添加量采用0.5%間隔進行試驗，結果不顯著（p＞0.05），因此正交試驗間隔添加量設置為1.0%。

表1 L9（34）正交試驗因素水平設計Table 1 L9（34）factors and levels of the orthogonal test

1.4 SA-CS-茶末復合膜性質測定

1.4.1 復合膜厚度測定

將SA-CS-茶末復合膜對折4 次即16 層，用精度為0.02 mm 的游標卡尺取3 個不同位置點測定，平均值為膜的厚度（mm）。

1.4.2 復合膜水分含量的測定

將復合膜剪成20 mm×20 mm 的正方形，稱其質量記為M1（g），然后將其置于稱量瓶中稱質量記為M2（g），在105 ℃鼓風干燥至恒重，于干燥器中冷卻至室溫，稱質量記為M3（g）[17]，水分含量（h，%）計算公式如下。

1.4.3 復合膜機械性能的測定

采用質構儀測量膜的抗拉強度，復合膜的大小為10 mm×50 mm，探頭測試條件：測試速度60 mm/min，起始力為0.1 N，拉伸距離為40 mm，抗拉伸強度σ（MPa）計算公式如下。

式中：p為最大負荷、斷裂負荷、屈服負荷，N；b為試樣寬度，mm；d為試樣厚度，mm。

1.4.4 復合膜抗氧化的測定

參考汲雪寧[13]的方法測定DPPH 自由基清除率。準確稱取3.94 mg DPPH 試劑于棕色容量瓶中用無水乙醇定容至50 mL，混合均勻，得到濃度為0.2 mmol/L DPPH 儲備液，置于4 ℃冰箱備用。

準確稱量復合膜12.50 mg 放入燒杯中，加10 mL水，90 ℃水浴加熱30 min 溶解復合膜，冷卻至常溫，轉移到25 mL 的容量瓶中，定容、搖勻，靜置30 min。取2 mL 上清液加入2 mL DPPH 溶液，測定其吸光度記為Ai，取2 mL 上清液和2 mL 無水乙醇測定其吸光度記為Aj，取2 mL 蒸餾水加入2 mL DPPH 儲備液測定其吸光度記為A0，分別重復3 次，DPPH 自由基清除率（X，%）計算公式如下。

1.4.5 復合膜抑菌性的測定

參照陳桂蕓等[5]的方法測定復合膜抑菌性。以黑曲霉為指示菌，采用雙層平板法測定復合膜溶液對黑曲霉的抑制作用。先倒入15 mL PDA，凝固后再倒入15 mL PDA，涂布0.46×106CFU/mL 的孢子液500 μL，待完全吸收后打孔（9 mm），加入500 μL 1.3.1 方法中制備的膜液，37 ℃培養48 h，測定抑菌圈直徑（mm），以無菌蒸餾水為空白對照[3]。

1.5 葡萄新鮮度表征

1.5.1 保鮮試驗預處理

準備4 個儲藏瓶，放入121 ℃高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌15 min，冷卻至室溫后再放入50 ℃烘箱中烘干備用。挑選成熟度、色度、大小一致的健康帶蒂葡萄，用剪刀減去果蒂后分別在4 個儲藏瓶中放入20 顆葡萄，記錄質量（g）。將儲藏瓶按儲藏條件分為4 組：1）敞口；2）保鮮膜（厚度100 μm，耐熱溫度110 ℃）；3）封口膜（厚度127 μm，耐熱溫度100 ℃）；4）復合膜。其中后3 組再用封口膜包裹膜及瓶口，保證封閉狀態，在室溫下儲藏0～16 d，每隔4 d 測定失重率、可溶性固形物含量等指標。

1.5.2 失重率

參考劉晨霞等[20]的方法，按照如下公式計算失重率（S，%），計算公式如下。

式中：A1為貯存前葡萄質量，g；A2為貯存后葡萄質量，g。

1.5.3 果實中可溶性固形物含量測定

可溶性固形物含量采用手持折光儀進行測量，隨機取3 個葡萄為1 組，取平均值。

1.5.4 腐爛率

參考張婷渟等[21]的方法計算葡萄腐爛率（F，%），葡萄上出現斑點，菌絲均判定為腐爛果實。

F=M/N× 100

式中：M為腐爛的果粒；N為總果粒。

1.5.6 葡萄中VC含量的測定

參考李軍[22]的鉬藍比色法測定VC含量。

1.5.7 多酚氧化酶和過氧化物酶活性測定

參考黃赫雁等[23]和李忠光等[24]的方法進行多酚氧化酶和過氧化物酶活性測定。

1.6 數據處理

所有試驗設置3 個平行，結果以平均值±標準差表示。使用Excel 2019 分析數據及制圖、SPSS 分析差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 茶末添加量

茶末添加量對復合膜性能的影響見表2。

表2 茶末添加量對復合膜性能的影響Table 2 Effect of tea powder concentration on property of composite membrane

由表2 可知，不同茶末添加量制得的復合膜水分含量均低于40%。復合膜具有一定吸水性，當復合膜水分含量超過一定水分含量，有利于微生物的生長繁殖，失去保鮮特性；低水分含量能抑制食品的化學變化和微生物生長繁殖。40%以下水分含量不利于絕大多數微生物的生長[25-26]。

茶末中富含茶多糖、茶多酚等功能成分，對復合膜DPPH 自由基清除率有一定影響。不同茶末添加量制得的復合膜DPPH 自由基清除率隨茶末添加量的增加先上升后趨于平穩。當茶末添加量大于1.0% 時DPPH 自由基清除率無顯著性變化。

隨著茶末添加量的增加，復合膜的抑菌圈直徑先增加后趨于平穩。當茶末添加量超過1.0%時，復合膜的抑菌圈直徑變化趨于平穩。

隨著茶末添加量的增加，復合膜厚度和抗拉伸強度均呈增加趨勢，當茶末的添加量超過1.0%時，各指標增幅趨于穩定。

綜上所述，綜合考慮經濟成本，SA-CS-茶末復合膜較為適宜茶末添加量為1.0%，因此選擇茶末添加量0.5%、1.0%、1.5%進行正交優化試驗。

2.1.2 海藻酸鈉添加量

海藻酸鈉添加量對復合膜性能的影響見表3。

表3 海藻酸鈉添加量對復合膜性能的影響Table 3 Effect of sodium alginate concentration on property of composite membrane

由表3 可知，隨著海藻酸鈉添加量增加，水分含量呈下降趨勢且均低于40%，不利于絕大多數微生物的生長；DPPH 自由基清除率基本不變，無顯著性差異；海藻酸鈉添加量為0.5%～1.0% 時，其機械性能較差。因此，選取海藻酸鈉添加量的最佳范圍為1.5%～2.5%；復合膜的抑菌圈直徑隨著海藻酸鈉添加量增加逐漸增大，海藻酸鈉添加量2.0% 和2.5% 抑菌圈直徑較大，分別為15.32 mm 和16.71 mm，結合厚度、機械性能和水分含量的結果，海藻酸鈉最佳添加量為2.0%。

綜上所述，SA-CS-茶末復合膜較為適宜海藻酸鈉添加量為2.0%，因此選擇海藻酸鈉添加量1.0%、2.0%、3.0%進行正交優化試驗。

2.1.3 殼聚糖添加量

殼聚糖添加量對復合膜性能的影響見表4。

表4 殼聚糖添加量對復合膜性能的影響Table 4 Effect of chitosan concentration on property of composite membrane

由表4 可知，隨著殼聚糖添加量增加，水分含量呈下降趨勢且均低于40%，不利于絕大多數微生物的生長。當殼聚糖添加量為0.12%～0.20%時，其機械性能較差，殼聚糖添加量大于0.32%時，機械性能提升且趨于穩定。結合經濟效益，殼聚糖最佳添加量為0.32%。通過差異性分析可知，殼聚糖添加量對DPPH 自由基清除率無較大影響。當殼聚糖添加量大于等于0.32%時，復合膜抑菌圈直徑無明顯變化，因此，殼聚糖最佳添加量為0.32%。當殼聚糖濃大于0.32% 時，復合膜的抗拉伸強度無顯著性變化，但殼聚糖添加量為0.32% 時，抑菌效果較好，因此殼聚糖最佳添加量為0.32%。綜上所述，選擇殼聚糖添加量為0.22%、0.32%、0.42%進行正交優化試驗。

2.2 SA-CS-茶末復合膜正交試驗結果

2.2.1 DPPH 自由基清除率的正交試驗

不同因素添加量對復合膜DPPH 自由基清除率的正交試驗結果見表5。

由表5 可知，各因素對SA-CS-茶末復合膜DPPH自由基清除率的影響程度依次為C＞A＞B，即茶末添加量影響最大，其次為海藻酸鈉添加量，殼聚糖添加量影響最小。正交試驗中，DPPH 自由基清除率最強的為A2B1C2（96.56%）。由于正交試驗優化得出的最優組合為A1B1C3，故需進行驗證試驗。通過驗證，A1B1C3組合制得的SA-CS-茶末復合膜DPPH 自由基清除率為96.24%，低于正交9 組試驗中最優結果，因此SA-CS-茶末復合膜對DPPH 自由基清除率最佳的工藝條件為A2B1C2。

2.2.2 復合膜厚度的正交試驗

不同因素添加量對復合膜厚度的正交試驗結果見表6。

表6 復合膜厚度的正交試驗結果Table 6 Orthogonal test of thickness of composite membrane

當殼聚糖和海藻酸鈉添加量分別為0.22% 和1.0% 時制備的薄膜，膜成型效果較差，容易斷裂。隨著復合膜厚度增加，膜的機械性能、抗氧化性能和抑菌性均有所增加。所以，最大選擇膜厚度為最佳結果。由表6 可知，各因素對SA-CS-茶末復合膜厚度的影響程度依次為A＞C＞B，海藻酸鈉添加量影響最大，其次為茶末添加量，殼聚糖添加量影響最小。正交試驗中，復合膜厚度最大的為A3B1C3（0.066 mm）。正交試驗優化得出的最優組合為A3B2C3與A3B1C3結果不同，故需進行驗證試驗。通過驗證，A3B2C3組合制得的SA-CS-茶末復合膜的厚度為0.070 mm，優于正交試驗中A3B1C3，因此制作SA-CS-茶末復合膜過程中厚度最佳的工藝條件為A3B2C3。

2.2.3 復合膜抗拉伸強度的正交試驗

不同因素添加量對復合膜抗拉伸強度的正交試驗結果見表7。

表7 復合膜抗拉伸強度的正交試驗結果Table 7 Orthogonal test of tensile strength of composite membrane

由表7 可知，各因素對SA-CS-茶末復合膜抗拉伸強度的影響程度依次為C＞A＞B，茶末添加量影響最大，其次為海藻酸鈉添加量，殼聚糖添加量影響最小。正交試驗中，復合膜抗拉伸強度最大的組合為為A3B1C3（4.90 MPa），正交試驗優化得出的最優組合也為A3B1C3，試驗結果相同，因此制作SA-CS-茶末復合膜過程中抗拉伸強度最佳的工藝條件為A3B1C3。

2.2.4 復合膜抑菌性的正交試驗

不同因素添加量對復合膜抑菌性的正交試驗結果見表8。

表8 復合膜抑菌性的正交試驗數據Table 8 Orthogonal test of bacteriostatic activity of composite membrane

由表8 可知，各因素對SA-CS-茶末復合膜抑菌性的影響程度依次為A＞C＞B，海藻酸鈉添加量影響最大。正交試驗中，復合膜抑菌性最好的為A2B2C3（19.1 mm）。由于正交試驗優化得出的最優組合為A2B3C3，故需進行驗證試驗。通過驗證，A2B3C3組合制得的SA-CS-茶末復合膜的抑菌圈直徑為18.3 mm，低于A2B2C3試驗結果，因此抑菌效果最佳的工藝條件為A2B2C3。

2.2.5 正交試驗綜合分析

由于不同指標對應的最優參數組合不一致，需要進行綜合平衡[27]，結果如表9所示。

表9 綜合平衡結果Table 9 Integrated balance results

從表9 可以看出，海藻酸鈉添加量對復合膜厚度和抗拉伸強度以A3水平為最好，對DPPH 自由基清除率和抑菌性以A2水平為最好。其中復合膜厚度主要影響制膜效果、抗拉伸強度、抗氧化能力和抑菌性能，在DPPH 自由基清除率和抑菌性較好的基礎上，抗拉伸強度的極差又不是影響最大的因素，因此，海藻酸鈉添加量以A2水平（2.0%）為較優配方；殼聚糖添加量對復合膜DPPH 自由基清除率和抗拉伸強度以B1水平最好，對厚度和抑菌性以B2水平最好，但殼聚糖各指標的極差都最小，表明殼聚糖添加量是影響最小的因素，因此，殼聚糖添加量以B1水平（0.22%）為較優配方，且具有較好的經濟效益；茶末添加量對厚度、抗拉伸強度、抑菌性以C3水平最好，對DPPH 自由基清除率以C2水平最好，但C3水平在正交試驗中高于C2水平，且二者相差結果不大。因此，茶末添加量取C3（1.5%）水平最好。

因此，最佳的試驗方案是A2B1C3，即海藻酸鈉、殼聚糖、茶末的添加量分別為2.0%、0.22% 和1.5%。其DPPH 自由基清除率為96.44%，厚度為0.041 mm，抗拉伸強度為1.9 MPa，抑菌圈直徑為18.6 mm。

2.3 復合膜保鮮效果的影響

2.3.1 果實失重率

果實失重率見圖2。

圖2 果實失重率Fig.2 Weight loss of the fruit

由圖2 可知，室溫保存16 d 時，SA-CS-茶末復合膜處理組的失重率比未覆膜組低1.26%，但高于保鮮膜（3.49%）和封口膜（2.58%）處理組，表明復合膜處理能夠降低果實的失重率，但與保鮮膜處理組和封口膜處理組相比效果還不理想，原因是復合膜有一定的透氣性，水蒸氣蒸發散失，而保鮮膜、封口膜不透氣，水蒸氣無法溢出，因此失重率低。

2.3.2 果實腐爛率

葡萄腐爛率如圖3所示。

圖3 果實腐爛率Fig.3 Rotting of the fruit

由圖3 可知，葡萄室溫保存16 d，復合膜組的腐爛率為23%，未覆膜、保鮮膜和封口膜組的腐爛率分別57%、37%和70%，封口膜組腐爛率較高是由于氣密性好，瓶內水蒸氣含量較高，導致大量霉菌生長。復合膜的失重率雖然比封口膜組、保鮮膜組的高，但是透氣性較好，且抑制了霉菌的生長，所以腐爛率比較低，因此復合膜可以更好的保鮮葡萄，降低葡萄被微生物感染的概率。

2.3.3 果實中可溶性固形物

果實在儲藏期間淀粉等物質會分解為小分子糖，使果實的糖度增加[20]。葡萄可溶性固形物變化如圖4所示。

圖4 果實可溶性固形物含量Fig.4 Sugar content of the fruit

由圖4 可知，隨著貯藏時間的延長，可溶性固形物含量增加，但復合膜處理組的可溶性固形物含量低于未覆膜、保鮮膜和封口膜處理組，表明復合膜處理組能夠有效抑制果實貯藏期間的生理活動。

2.3.4 果實中VC含量

果實VC含量如圖5所示。

圖5 果實VC 含量Fig.5 VC content of the fruit

VC在葡萄貯藏過程中會逐漸氧化分解，導致VC含量下降。由圖5 可知，隨著貯藏時間的延長，VC含量逐漸減少，貯藏4 d，未覆膜、保鮮膜、封口膜和復合膜組的VC含量分別為5.8、6.1、6.2 mg/100 g 和6.7 mg/100 g，貯藏4 d 后各組的VC含量下降速率增大，貯藏16 d，復合膜組的VC含量高于其他處理組，表明復合膜能夠有效的抑制葡萄中VC的分解。

2.3.5 果實中多酚氧化酶活性

果實多酚氧化酶活性見圖6。

圖6 果實多酚氧化酶活性Fig.6 Activity of polyphenol oxidase of the fruit

由圖6 所知，隨著貯藏時間的延長，葡萄果實中的多酚氧化酶活性整體呈現先增大后減小趨勢。果實貯藏至12 d，未覆膜組的多酚氧化酶活性增加了62%，保鮮膜處理組增加了59%，封口膜處理組上升了38%，而復合膜組上升了22%，貯藏16 d，復合膜組多酚氧化酶活性低于其他處理組，說明復合膜處理有效抑制了葡萄多酚氧化酶活性，延緩了葡萄的褐變。

2.3.6 果實中過氧化物酶活性

果實過氧化物酶活性見圖7。

圖7 果實過氧化物酶活性Fig.7 Activity of peroxidase of the fruit

由圖7 可知，貯藏前4 d 各組的過氧化物酶活性均呈上升趨勢；貯藏4～8 d，未覆膜組過氧化物酶活性下降，其余3 組均上升；貯藏8～16 d，各組過氧化物酶活性均開始下降。整個貯藏過程中復合膜組的過氧化物酶活性始終比其他組的活性高，說明復合膜處理能夠有效維持葡萄中過氧化物酶的活性，使葡萄貯藏時間更長。

3 結論

通過單因素試驗和正交試驗確定SA-CS-茶末復合膜最佳制備工藝為海藻酸鈉添加量2.0%、殼聚糖添加量0.22%、茶末添加量1.5%，此條件下制得的復合膜DPPH 自由基清除率為96.44%，厚度為0.041 mm，抗拉伸強度為1.9 MPa，抑菌圈直徑為18.6 mm。此工藝制備復合膜具有較好的抗氧化、抑菌特性，有一定的韌性。與未覆膜組、保鮮膜組、封口膜組相比，SA-CS-茶末復合膜能夠有效降低葡萄的腐爛率、抑制VC含量下降、延緩可溶性固形物含量上升，并有效地抑制了多酚氧化酶活性，延緩果實褐變，提高了果實過氧化物酶活性，延緩果實衰老。因此，認為SA-CS-茶末復合膜在一定程度上對葡萄具有保鮮效果。