二維納米材料/多糖復合薄膜及其在果蔬采后保鮮上的研究進展

趙敏孜,曾凱芳,2,阮長晴,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(西南大學 食品貯藏與物流研究中心,重慶,400715)

當前,傳統包裝及化學處理仍是果蔬保鮮采用的主要方法,然而這些保鮮技術已經逐漸不符合人們對于食品包裝無毒、綠色、可降解的要求[1]。因此,近年來以多糖為代表的天然聚合物薄膜由于其可降解、來源廣泛等優點而被廣泛研究和應用。

多糖薄膜具有可食用性、良好的成膜特性和氣體阻隔性,部分多糖還具有抗菌活性,涂覆于果蔬表面后可以通過延緩呼吸作用和抑制微生物生長來維持果蔬品質和延長保質期[2]。但此類薄膜在阻隔、力學等性能的不足限制了其發展。二維納米材料因其較大長徑比、高比表面積和部分材料具有的抗氧化活性和抗菌活性,而展現出獨特優勢[3]。將其加入多糖中可有效提升各項性能,進一步減少果蔬水分喪失,維持果蔬品質,防止微生物侵害。近年來關于二維納米材料/多糖復合薄膜的研究及報道逐漸增多,成為果蔬保鮮領域的研究熱點之一。

1 多糖基薄膜

多糖是一種天然生物材料,來源豐富,廣泛存在于自然界中,按其來源可分為植物源多糖、動物源多糖及微生物多糖。多糖基薄膜是指由相對分子質量高的多糖類物質(如纖維素及其衍生物、果膠、海藻酸鹽、殼聚糖等)為成膜基質,通過分子內和分子間的氫鍵等相互作用形成的網狀結構薄膜,對二氧化碳和氧氣具有選擇滲透性。多糖基薄膜具有較高的生物相容性、親水性和可生物降解性并且安全無毒,故其在果蔬采后保鮮上具有較廣泛的研究和應用。

1.1 植物源多糖

1.1.1 纖維素

纖維素是地球上最豐富的天然高分子化合物,是植物細胞壁的主要成分,主要從木漿中獲得,也可從其他植物中提取,如玉米棒或莖、大豆皮、甘蔗渣、小麥秸稈、竹子等。

纖維素是D-葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵組成的大分子多糖,每條鏈的重復單元數取決于其來源[4]。纖維素的衍生物多用于制備天然的可食性薄膜,主要包括甲基纖維素、羧丙基甲基纖維素和羧甲基纖維素等。但由于其具親水性,纖維素衍生物薄膜的水蒸氣阻隔性較差。在果蔬保鮮中,汪開拓等[5]用羥丙基甲基纖維素薄膜顯著延緩了楊梅果實采后衰老進程并維持其果實品質和風味。此外,纖維素可與其他聚合物混合制備復合薄膜用于果蔬采后貯藏保鮮,如將纖維素與聚乳酸制備的薄膜應用在鮮切西紅柿上可以提供更好的抗氧化性能,提高西紅柿品質[6]。

1.1.2 淀粉

淀粉是一種天然聚合物,存在于多種植物中,包括小麥、玉米、水稻、豆類和馬鈴薯等。根據植物來源的不同,淀粉顆粒的形狀、大小、結構和化學成分各不相同。淀粉主要分為直鏈淀粉和支鏈淀粉,直鏈淀粉和支鏈淀粉在結構和分子質量上的差異導致了它們的分子性質和成膜性的不同。

淀粉薄膜由于其高度有序的氫鍵網絡結構而具有優異的氧阻隔性能。其中直鏈淀粉和支鏈淀粉在交替層中形成結晶和非結晶區域,因此,通過提高材料中的結晶度或更高含量的支鏈淀粉來改善阻隔性能。與傳統的合成聚合物相比,淀粉基薄膜也存在一些缺點：伸長率較低,機械性能較差。在果蔬保鮮中,常通過改性、變性等以改善性能,增強保鮮效果。劉瑾瑾等[7]研究了馬鈴薯變性淀粉薄膜應用于早酥梨的最佳配方,薄膜涂覆的早酥梨腐爛指數、黃化指數顯著降低。除了改性,淀粉也常與其他多糖、蛋白質等制備復合薄膜[8]。ZHAO等[9]制備的殼聚糖/單寧酸/玉米淀粉雙層薄膜將香蕉的貯存期由3 d延長至6 d,失重減少了14%。

1.1.3 果膠

果膠是植物細胞的主要成分之一,是D-半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵組成的一種陰離子多糖[10]。果膠的分子質量、酯化度和乙酰酯化度決定了果膠的特性,包括膠凝、質地特性和穩定性。

果膠基薄膜具有優異的力學性能,對油脂、香氣和氧氣有良好的阻隔作用,并應用于新鮮果蔬的保鮮,如鱷梨、蘋果、杏、栗子、漿果、番石榴、甜瓜、木瓜、桃子、核桃、胡蘿卜和番茄[11]。但果膠薄膜的耐濕性較差、伸長率低、易碎,一般通過添加增塑劑來改善其性能。此外,由于果膠不具有抗菌特性,且純果膠制備的薄膜可能會促進微生物生長,因此研究中常在果膠基薄膜里加入活性物質,如精油、抗菌劑等,提高其抗菌性能。

1.1.4 海藻酸鹽

海藻酸鹽是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸 以(1-4)鍵連接而成的聚陰離子型線性共聚物。海藻酸鹽可以形成透明、均勻的高質量薄膜。且因其對油脂和氧氣的滲透性較低,海藻酸鹽基薄膜可以延緩各種果蔬的脂質氧化,從而降低失重和抑制微生物生長[12]。同樣,海藻酸鹽基薄膜也具有水蒸氣阻隔性差、防潮性不足等缺點,通過與其他多糖的復合可以更有效地維持果蔬品質。FAN等[13]制備的果膠/海藻酸鈉/黃原膠復合薄膜對鮮切馬鈴薯有優異的保鮮作用,可以抑制馬鈴薯的褐變。范騰等[14]以海藻酸鈉、明膠、硬脂酸鈉制備的復合薄膜可以有效延緩鮮切胡蘿卜白化。

1.2 動物源多糖

1.2.1 殼聚糖

殼聚糖可通過甲殼素的堿性N-脫乙酰作用制得[15],甲殼素廣泛存在于甲殼類動物和昆蟲的外骨骼中,可以大量從海產品工業的廢物中提取[16]。殼聚糖可溶解于稀酸(鹽酸和乙酸)溶液中以制備薄膜,因其具有無毒、生物相容性、生物降解性、抗菌活性和抗氧化活性,可有效應用于食品保鮮[17]。殼聚糖對細菌和真菌具有廣譜抑菌活性,不同分子質量的抗菌糖具有不同的抗菌原理。具有較高分子質量的殼聚糖通過抑制細胞膜運輸養分和降低細胞膜通透性來抑制微生物;具有較低分子質量的殼聚糖用作陽離子聚合物,可以穿透微生物細胞膜并與 DNA、RNA 和其他細胞間生物分子結合,干擾微生物代謝,例如mRNA合成[18]。目前已有研究證實純殼聚糖薄膜可以維持果蔬的品質,延長果蔬保質期[19-20]。雖然殼聚糖薄膜具有優越的性能,但由于其對水蒸氣的高度滲透性限制了殼聚糖薄膜的應用,加入交聯劑[21]或與其他成分復合可以有效改善這個缺陷。

1.3 微生物多糖

相較于其他來源的多糖,微生物多糖可以在工業規模上高產量獲得[22]。在食品包裝和果蔬保鮮上,普魯蘭多糖和黃原膠是最常用的微生物多糖[23]。

1.3.1 普魯蘭多糖

普魯蘭多糖是一種胞外微生物多糖,由糖苷鍵連接的麥芽糖單元組成。普魯蘭多糖具有很強可塑性,不用添加增塑劑和穩定物質就可以制備薄膜,其顯著特點是透氣性低于其他材料,普魯蘭多糖薄膜近年來已經廣泛用于食品保鮮[24]。郄梓含等[25]通過美拉德交聯提高了普魯蘭多糖薄膜的阻隔性能及抗氧化性,有望保護果蔬免于氧化,同時已經有研究報道了普魯蘭多糖及其復合膜可以有效維持草莓[26]、蘑菇[27]等果蔬的品質。

1.3.2 黃原膠

黃原膠是一種陰離子多糖,由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸單元組成。有研究報道了黃原膠薄膜可以延長梨[28]和蘋果[29]的保質期。然而純黃原膠制備的薄膜機械性能差,與其他聚合物如羧甲基纖維素或明膠混合制備復合薄膜可以提升機械性能[30]。

2 二維納米材料復合的多糖基薄膜

前文中已經提到了多糖基薄膜大都存在阻濕、抗水性差、機械強度低等問題,在應用中與合成高分子聚合物相比仍存在一定差距,因此多糖基薄膜的研究由單一膜向復合膜發展。多糖之間的復合以及與其他成分如脂質、蛋白質的復合,可以一定程度改善其性能不足,而納米材料因其獨特性質使其加入具有提升多糖薄膜性能的潛力。

納米粒子可以根據幾何形狀和納米范圍內的維度來區分,三維尺寸均為納米量級的納米材料被稱為零維納米材料,主要包括球形納米顆粒如納米二氧化硅、納米銀、蠟質納米球等;三維尺寸中只有2個維度處于納米量級材料稱為一維納米材料,如碳納米管、纖維素納米棒等;三維尺寸只有1個維度為納米量級的材料稱為二維納米材料,如納米黏土、石墨烯等片層型材料。二維納米材料具有分層結構,它的厚度往往小于5 nm,而橫向尺寸可以超過100 nm,因其具有的高橫縱比和高比表面積以及獨特的表面化學性質而備受關注。在食品包裝領域,將聚合物與二維納米材料組合,可以提高阻隔性能、機械強度、熱性能并能賦予薄膜一定的功能(如抗菌活性)[31],這為二維納米材料在多糖中的應用及解決多糖基薄膜存在的問題提供了理論支撐。

2.1 二維納米材料

目前最常應用于多糖復合薄膜的二維納米材料包括層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide,LDH)、層狀硅酸鹽(如蒙脫土)以及石墨烯等。

2.1.1 LDH

LDH是一類由帶負電荷的陰離子(層間陰離子)和帶正電荷的金屬氫氧化物(主體層板)所構成的層狀化合物,由納米量級的二維層板縱向有序排列形成的三維晶體結構,其層板由二價和三價金屬的氫氧化物組成,層間的陰離子以靜電引力、氫鍵、離子鍵等方式與主體層板相連。層板骨架帶有正電荷,層間陰離子與之平衡,整體對外呈現電中性。由于LDH具有多級層狀結構和較大的長徑比,在多糖薄膜中能形成“磚墻”結構以延長氣體小分子的流通路徑(圖1),因此將其添加到多糖基薄膜中可以改善其阻隔性能。一些LDH還表現出抗菌活性,如ZnAl水滑石[32],這使得LDH在果蔬采后保鮮應用中具有廣闊前景。

圖1 二維納米材料/多糖復合薄膜截面中“磚墻結構”

2.1.2 蒙脫土

蒙脫土是一種黏土礦物,由2個氧化硅四面體組成,氫氧化鋁或氫氧化鎂八面體位于之間,并共享氧原子[3]。蒙脫土具有低表面積的片層結構,因此在薄膜中,蒙脫土可以單層均勻地分散并嵌入聚合物基質中,從而獲得高磚墻結構。由于蒙脫土的小顆粒尺寸、大長徑比和極大的比表面積,其在多糖基薄膜中形成類似圖1所示的結構,使得摻雜有蒙脫土的復合薄膜具有更佳的阻隔效果,降低氣體滲透性[3]。

2.1.3 石墨烯

石墨烯具有重復的六方蜂窩晶格結構,它的性質取決于二維晶格,晶格中的碳原子通過s鍵與其他3個相鄰的碳原子相互連接,使得石墨烯具有優異的機械性能。在復合薄膜中引入石墨烯可形成冗長通道,且存在石墨烯與多糖基質間的非鍵合作用力的影響,導致復合膜的力學性能[33]和阻隔性能[34]都得到顯著改善。同時也有研究發現氧化石墨烯可以改善薄膜的光學和抗紫外線性能,并對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現出優異的抗菌活性[35]。

2.2 二維納米材料/多糖復合薄膜的制備方法

將二維納米材料添加進多糖中制備復合薄膜從而提升薄膜性能,這一方法是否有效不僅與二維納米材料的性質有關,還與制備薄膜的方法有關。二維納米材料通常會以插層或剝層的方式分散在薄膜基質中,插層和剝層的程度是改善阻隔性能的重要因素。剝層程度越高意味著二維納米材料越有序,由此制得的薄膜便越理想。不同的薄膜制備方法、多糖的性質及配方等都可能會影響二維納米材料在多糖中的形貌,導致二維納米材料在多糖中以分散、聚集或被插層打開的方式等狀態存在,從而影響薄膜的性能。研究表明,雖然加入二維納米材料可以改善聚合物的性能,但當其含量較高時會造成納米材料的團聚,團聚會引起復合薄膜不透明度的增加并造成阻隔性能的下降[36]。

2.2.1 溶液澆鑄法

溶液澆鑄法是制備薄膜最簡單的方法之一。溶液澆鑄是基于Stroke 定理,聚合物(多糖)溶于溶液,二維納米材料分散在相同或不同溶液中,將2種或2種以上的溶液混合并澆鑄在平板上通過蒸發溶劑得到薄膜[37]。MONDRAGN等[38]通過溶液澆鑄法制備了淀粉/蒙脫土復合薄膜,發現納米復合材料的應力峰值和楊氏模量隨黏土含量的增加而增加。

2.2.2 熔融共混法

熔融共混法是通過擠出機等儀器手段將熔融的聚合物(多糖)與納米材料進行均勻混合來制備多糖基納米復合薄膜的方法。CHIVRAC等[39]通過熔融共混法制得改性蒙脫土復合薄膜,發現通過添加有機改性蒙脫土可使復合薄膜的剛性增加,而斷裂伸長率并未改變。

2.2.3 逐層組裝法

逐層組裝是指基于聚合物和納米材料交替吸附在基底上來實現自下而上制備具有“磚墻結構”復合薄膜的方法。逐層組裝通常是通過強靜電相互作用使得具有相反電荷的成分連續沉積而實現的。通過這種方法,可以避免納米材料在基體中聚集,實現納米材料的高水平分散,獲得具有各自優勢和特性的各種層。同時這種方法能夠使薄膜擁有較強的氧氣阻隔性能。WANG等[40]通過逐層組裝制備了LDH與羧甲基纖維素的復合薄膜,表現出優異的氣體阻隔性能。

上述幾種二維納米材料/多糖薄膜的制備方法各有優劣：溶液涂覆法簡單易操作,但容易造成納米材料因分散度降低而發生團聚,且不易大規模生產;熔融共混法操作簡單,適合于大規模制備,但由于融化態溫度較高,可能造成復合薄膜變形和力學性能的下降;逐層組裝法具有組裝材料種類豐富、可控性強等優點,但制備過程較其他方法更耗時。

3 二維納米材料/多糖復合薄膜于果蔬采后保鮮的應用

3.1 二維納米材料/多糖復合薄膜的保鮮機制

果蔬的采后損失主要是由機械損傷、水分流失造成的自然收縮、不利的貯藏條件、蟲害、霉菌等微生物的入侵等原因造成的。微生物生長和氧化變質是新鮮果蔬采后品質下降的2個主要原因。延長新鮮果蔬保質期的關鍵取決于3個因素：一是減少水分流失;二是延緩衰老的生理過程;三是減少微生物的入侵。

二維納米材料/多糖復合薄膜的果蔬保鮮機制主要包含2個方面：一方面體現在阻隔性能的提升上。基于NIELSEN[41]提出的繞道理論模型,片層狀的二維納米材料由于具有極高的橫縱比,加入多糖基質中會形成類似于“磚墻”的復合結構,使得氣體分子在薄膜中的擴散路徑延長,得以降低氣體滲透性。因此在果蔬保鮮中,復合薄膜可以延緩水蒸氣和氧氣的擴散,抑制果蔬的采后蒸騰作用和呼吸作用。

另一方面體現在部分二維納米材料具有抑菌活性。許多二維納米材料,如石墨烯,可以通過滲透到細胞膜中破壞其結構從而使得微生物失活,起到抑菌作用[31]。同時二維納米材料因其表面特性而被用于制造功能性納米復合材料,例如通過表面電荷效應結合金屬,將具有抑菌性的金屬納米粒子固定在二維納米粘土表面,從而賦予其抑菌活性。將此類二維納米材料與多糖制備復合薄膜,可以有效抑制微生物的入侵,保持果蔬的采后品質。

3.2 二維納米材料/多糖復合薄膜對果蔬采后品質的影響

3.2.1 失重

果蔬采后失重會嚴重影響其銷售品質,造成失重的主要原因是其貯藏過程中的蒸騰作用及呼吸作用,二維納米材料/多糖復合薄膜處理的果蔬能一定程度抑制蒸騰作用并降低其呼吸作用,故而可較好地控制果蔬采后失重。大量研究表明在果蔬表面涂覆薄膜可以有效降低其采后失重率。劉曉菲等[42]采用殼聚糖和5%(質量分數)蒙脫土制備復合薄膜應用于枇杷果實的涂膜保鮮,研究發現相較于未處理組,殼聚糖/蒙脫土薄膜組的失重率降低了約50%,與殼聚糖涂膜相比失重率也有所降低。MADHUSHA等[43]成功將抗壞血酸-層狀雙氫氧化物(ascorbic acid-layered double hydroxide,AA-LDHs)插層入海藻酸鹽中并涂覆在草莓表面,發現涂有藻酸鹽-AA-LDHs 復合薄膜的草莓可以在冰箱中保存長達 15 d,并且與對照組相比,失重率顯著降低。GORRASI等[44]研發了基于果膠的LDH-水楊酸復合薄膜并應用于杏果實,顯示出較好的阻隔性能,在相同條件下失重率最低并有效防止了霉菌的入侵,從而延長了貯藏時間。AZEREDO等[45]在海藻酸鹽-針葉漿果泥中添加蒙脫土制備復合薄膜。相較于未添加蒙脫土的復合薄膜和添加纖維素晶須的復合薄膜,涂覆該膜的針葉櫻桃貯藏7 d 后的失重率為4.36%,顯著低于未處理組的11.13%和未添加納米填料組的7.19%。XU等[46]發現加入不透水納米片的蒙脫土能夠顯著提高殼聚糖薄膜的水蒸氣阻隔性能,復合涂膜應用于柑橘涂膜保鮮貯藏的研究表明其可以減少柑橘的質量損失,而薄膜的阻隔性能很大程度上受蒙脫土劑量的影響,在薄膜中加入1%(質量分數)MMT對減少柑橘的失重上顯示出最顯著的效果。

3.2.2 營養物質

新鮮果蔬中含有豐富的糖類、維生素、多酚類等營養物質,也是衡量果蔬品質的重要化學指標。二維納米材料/多糖復合薄膜處理在降低果蔬呼吸作用的過程中能減緩果蔬的衰老及其營養物質的損耗,維持果實的食用價值。劉曉菲等[42]研究了殼聚糖/蒙脫土復合薄膜對枇杷營養成分的影響,發現復合薄膜顯著延緩了總酸、總糖的降低速率,并通過減少氧氣透過降低了果實的呼吸作用,維生素C和多酚含量顯著高于對照組。MADHUSHA等[43]發現海藻酸-AA-LDH復合薄膜包覆的草莓的可滴定酸度下降率和有機酸的最大保留率顯著降低,抗壞血酸的降低速率明顯低于對照組。這一發現證實了多糖薄膜可以有效地將水果內部的有機酸和抗壞血酸保存一段時間。同時薄膜中的抗壞血酸可被氧氣氧化,因此氧氣的滲透性較低,延緩了草莓的呼吸作用。AZEREDO等[45]發現經蒙脫土-海藻酸鹽-針葉漿果泥復合薄膜處理的針葉櫻桃在貯藏7 d后抗壞血酸的下降率為6.45%,遠低于對照組的22.69%,說明復合薄膜可以極好地保留抗壞血酸,延緩櫻桃的衰老。XU等[46]發現含有1%蒙脫土的殼聚糖薄膜在整個貯藏期間保持著較高的有機酸含量,并在第11天時達到最高值,有機酸含量為商用保鮮劑的2倍,證實了CS/MMT 薄膜通過減緩水果的呼吸速率顯著減少了有機酸的消耗。GUIMARES等[47]制備的蒙脫土/淀粉薄膜對鮮切胡蘿卜的抗氧化活性、有機酸、總酚類物質都有更好的維持作用。

3.2.3 貨架期

果蔬采后貯藏過程中易受致病微生物的侵染而腐爛,具有抗菌性能的二維納米材料/多糖復合薄膜不僅能阻隔致病微生物侵染果蔬,還能抑制致病微生物在果蔬表面的生長,從而延長其處理過的果蔬的采后貯藏貨架期。WU等[48]將納米銀粒子嵌入鋰皂石夾層中,制備的新型殼聚糖復合薄膜表現出良好的抗菌活性,涂覆薄膜的荔枝在25 ℃,75%相對濕度條件下貯存7 d仍未腐爛,相較商業保鮮膜表現出更好的貯藏效果。HE等[49]制備的蒙脫土/ε-聚賴氨酸/羧甲基纖維素薄膜對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和真菌表現出良好的抗菌活性,并能將草莓保質期延長2 d。PAIVA等[50]制備的氧化石墨烯/殼聚糖薄膜可以有效抑制微生物生長,延長甜瓜的貯藏期。

4 問題與展望

雖然與傳統塑料薄膜相比,多糖基薄膜具有可降解無污染、來源廣泛、可食用等優點,二維納米材料的添加也能一定程度上改善薄膜的機械、熱和阻隔性能,同時還能通過與多種材料復合賦予薄膜例如抗菌性能、多功能性、除氧能力、酶固定化和生物傳感等主動特性。但大多數二維納米材料/多糖復合薄膜的防水性較差,與合成塑料相比機械強度和柔韌性較差。其次多糖基二維納米復合膜的生產仍處于實驗室階段,生產成本高、生產環節難以工業化等都阻礙著復合薄膜的商業化,因此還需要進一步改善薄膜性能,尋找新的或更好的大規模生產方法。

目前對于納米材料的毒性效應的研究仍存在高度不確定性。雖然大多數研究表明二維納米材料/多糖復合薄膜應用于果蔬可食用,但納米金屬氧化物、蒙脫土等在納米尺度上是否存在安全性問題仍需持續關注。