[00138974]鲜切雷竹笋涂膜保鲜关键技术

课题来源： 本课题是根据2010年7月湖北瑞发生物工程股份有限公司提出的技术需求,由湖北瑞发生物工程股份有限公司主持,联合武汉轻工大学完成的横向项目。项目实施期间,获得了湖北省自然科学基金重点项目（2010CBB02601）资助。 背景： 壳聚糖又称壳糖胺、几丁聚糖、脱乙酰基甲壳质等,英文名称为Chitosan,化学名称为“聚N-乙酰葡萄糖胺”,简称聚葡萄糖胺。壳聚糖在自然界储量丰富,其含量仅次于纤维素。 壳聚糖膜有一定的机械强度,大小会受壳聚糖浓度影响,在一定条件下,膜的拉伸强度会随壳聚糖浓度的增加而增加。成膜液中壳聚糖浓度太低会导致揭膜困难,浓度太高则会导致膜液脱气困难,制得的膜凹凸不平。壳聚糖膜的O2透过率和CO2透过率的比值均小于1,能在一定程度上控制果蔬周围微环境中的气体浓度,使果蔬呼吸强度下降,故可用于保鲜果蔬。壳聚糖膜的水蒸汽透过率（WVP）也比较低,包裹在食品表面可以阻止果蔬水分蒸发,延缓萎蔫。壳聚糖还具有抑菌作用,随着壳聚糖脱乙酰度的增加,壳聚糖的抗菌效果逐渐增强。以大肠杆菌为试验菌种会发现随着壳聚糖脱乙酰度的增高,细菌培养液的浊度减小,表明壳聚糖抗大肠杆菌活性会随着其脱乙酰度的提高而增强。壳聚糖膜的性能主要受其脱乙酰度和分子量、pH、添加剂的种类和数量等因素的影响。 目前,有关壳聚糖膜的研究较多,主要包括其成膜性能及保鲜功能的应用研究。很多学者通过添加蛋白质、多糖等大分子物质或纳米材料与壳聚糖进行复配,或是将壳聚糖进行纳米改性制备复合膜,拟期增强薄膜的机械性能、透水透气性能等。Zhong等研究了壳聚糖野葛淀粉的共混性,结果表明二者具有较好的融合能力,形成的膜机械性能和溶解性较好,水分吸附性能较低,且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有一定的抑制作用。闻燕等制备了壳聚糖纳米TiO2复合膜,测试了其力学性能、透光率、WVP,用傅立叶红外光谱仪（FTIR）,XRD及透射电镜（TEM ）表征了其结构,结果表明：纳米TiO2表面的大量羟基和壳聚糖分子有较强的氢键作用,二者之间有一定的共混能力。Gabriela等用层层自组装（layer-by-layer self-assembly,LBL）方法研制出了一种壳聚糖纳米膜,并利用石英晶体损耗检验微量平衡（QCM-D）技术对其成膜机理进行了研究,结果表明其最适pH接近生理值,水溶性的壳聚糖能够在中性pH下帮助纳米膜多层结构的形成。 壳聚糖与蛋白复合膜的报道不多,已报道的有壳聚糖-乳清蛋白复合膜、壳聚糖-明胶复合膜、壳聚糖-大豆蛋白复合膜和壳聚糖-玉米醇溶蛋白复合膜等,主要研究了复合膜的相容性及其成膜条件和特性,结果表明壳聚糖与以上几种蛋白质均有较好的相容性,形成的膜机械性质和透水性能均有一定的改善。 然而,目前人们对于壳聚糖与植物蛋白制备的复合膜的研究较多,对于一些优质的动物蛋白的研究相对较少,主要是由于植物蛋白价格低于动物蛋白。如果我们能够充分利用工业上的一些动物蛋白副产物来作为与壳聚糖复配的一种原料,既能够充分发挥动物蛋白优良的营养特性,也能相应的减少成本,拓宽相关产业链条,更能为可持续保鲜领域的发展提供一些技术支持。 壳聚糖在果蔬保鲜的机理主要表现在以下几个方面：首先形成保护膜,抑制果蔬表面生理活性,进而延缓细胞衰老,减弱呼吸速率,减缓代谢速率,减少病菌侵染,从而起到保鲜的作用。长期以来,我国主要应用气调和化学方法进行果蔬保鲜,但常规方法消耗大,费用高,所以无毒、可降解的壳聚糖保鲜剂已经成为人们研究和开发的热点。用壳聚糖-淀粉涂膜液在常温（15～25 ℃）下保鲜布林,可以较好地改善样品的可食用性,进而延长其货架期3～7 d。华淑南等将1.5%的壳聚糖与1.0%对羟基苯甲酸混合制成涂膜剂处理带壳的竹笋,将处理后的竹笋在4 ℃、相对湿度为95%条件下贮藏25 d,竹笋的失重率和纤维素含量得到了显著的抑制,保鲜效果较好。Ghaouth等将壳聚糖膜应用于草莓保鲜,在13 ℃下贮藏29 d,涂膜组草莓的腐烂率仅为20％,而对照组则高达82％,结果证明壳聚糖涂膜能够在一定程度下抑制草莓腐烂率。王兰菊等研究了壳聚糖对鲜切山药的涂膜保鲜方法,实验结果表明在4±1 ℃储藏条件下,涂膜组鲜切山药的色泽较鲜明、褐变程度较小,多酚氧化酶（PPO）活性及可溶性糖含量均有所降低。几组不同成分浓度的涂膜液对鲜切山药的涂膜效果来看,1%壳聚糖与0.5%抗坏血酸复合的涂膜液保鲜效果较好,其货架期可比对照有效延长5 d。 目前,壳聚糖保鲜膜的应用还有一定的局限性,由于某些果蔬的果皮表面为蜡质层,表面能较低,使得壳聚糖涂膜液对果皮润湿性差,从而降低涂膜效率,影响壳聚糖膜液的保鲜效果。为此需添加适量的润湿剂来改善润湿性能。如何改善壳聚糖溶液的润湿性能,使之能够在果皮上均匀铺展,是一个亟待解决的问题。然而水果贮藏过程中,壳聚糖膜的结晶度逐渐增大,很可能导致果蔬表皮膜的龟裂现象,影响保鲜效果,这一问题也严重制约了壳聚糖膜在果蔬保鲜中的应用 乳清蛋白是奶酪工业的副产物,富含多种必需氨基酸,有较佳的营养和成膜能力,可以形成透明、有弹性的高分子膜,并且该膜对氧气、芳香物质和油脂的阻隔能力也较好。乳清蛋白是一种球蛋白,分子内部有许多隐藏的-OH和-SH。加热会使蛋白质的三级结构发生变化、内部的-SH和-OH暴露出来,促进分子间S-S的形成,进而成膜。一般来讲,乳清浓缩蛋白和乳清分离蛋白（WPI）是制造乳清蛋白膜常用的材料。Mchugh等研究制备乳清蛋白膜时发现,要想制备性能较好的乳清蛋白可食用膜,加热处理是非常必要的。张慧芸等研究了乳清浓缩蛋白一茁霉多糖一阿魏酸复合膜的成膜条件。结果表明：茁霉多糖和阿魏酸能够显著提高乳清浓缩蛋白膜的性能,其最优工艺条件为成膜温度80 ℃,pH9.0,阿魏酸添加量200 mg/100 mL,茁霉多糖添加量150 mg/100 mL。Ferreira等对壳聚糖-乳清蛋白复合膜微观形态特征及二级结构变化进行分析,结果表明在较低的pH（3-5）条件下,壳聚糖与乳清蛋白分子有较好的相容性,随着乳清蛋白含量增加时,复合膜的力学性能、透水性能和剥离性能逐渐变差,透明度逐渐减小,黏度渐渐变大。周琦等通过测定壳聚糖-乳清蛋白复合膜（CWF）的拉伸强度（TS）、断裂延伸率（E）、WVP、透光率,对其成膜的工艺条件进行了优化,最优条件为CTS脱乙酰度90%、分子量30万,pH3,甘油添加量1.5%,WPI浓度0.5%。扫描电子显微镜（SEM）试验显示CWF的横截面更规则、均匀,结构明显改善,且外观为均匀半透明膜。FTIR试验表明CTS、WPI在制备CWF时不是简单的叠加,而是在其分子内部及分子之间形成了强烈的相互作用。 乳清蛋白可食性膜具有较低的透水率和透氧率,透明度较好,机械强度较高,并且具有良好的伸缩性。另外,其对大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等也有较好的抑制作用。乳清蛋白膜对鲜切果蔬的保鲜有非常显著的作用。张占璐等研究了乳清浓缩蛋白与多糖、脂类等复配制成的复合膜性质,并将其对樱桃番茄、草莓、大枣和柑橘等果蔬进行了涂膜保鲜实验,该膜对草莓和樱桃番茄的保鲜效果较好,经涂膜后的樱桃番茄能够在28±3 ℃的条件下保藏15 d,烂果率和失重率累计小于10%,并且较好地保留了新鲜樱桃番茄的可食用性。涂膜后的草莓在10 ℃下可保藏10 d,失水仅6%左右。但该膜对于大枣和柑橘等的保鲜效果较差,说明不同的果蔬适宜的涂膜液配方均有所不同,这与每种果蔬的生理特性及膜分子性质有关。田丰伟等采用乳清蛋白膜与酶法改性的乳清蛋白膜分别对核桃仁进行涂膜试验,结果发现两种涂膜方式均可降低核桃仁在贮藏期间的脂肪酸值和过氧化值,说明涂膜能够有效改善核桃仁的可食用性能。 TiO2俗称钛白粉,无毒、无味且无刺激性、稳定性好,不易分解,在食品包装、机械保护漆、化妆品防晒剂等领域广泛应用。TiO2有三种晶型,包括锐钛矿型、金红石型和板钛矿型,其中锐钛矿型和金红石型TiO2均有杀菌消毒的作用,且锐钛矿型杀菌效果优于金红石型。目前常用的TiO2多为超细的TiO2,效果更佳的是处于纳米级的TiO2。纳米级的TiO2因尺寸小、比表面积大,具有小分子效应、表面效应和宏观隧道效应等不同于常规固体的新特性,这些特有的性质是现今的研究热点。但TiO2粒子达到纳米级后,微小的粒径和强极性使得粒子容易在介质中凝聚,不易分散,使得实际应用时难于发挥纳米粒子的小分子效应。为克服这一缺点,必须对纳米TiO2进行表面改性,降低粒子表面张力,增加纳米粒子与其他聚合物大分子的相容性,提高其在各种介质中的分散性,制备出具有新功能的纳米复合物。表面改性方法可分为表面物理吸附、包覆改性和表面化学改性。表面化学改性方法由于简便易行、价廉而效果好被普遍采用。其主要原理是在颗粒表面形成一层分子膜以阻碍颗粒之间的接触,增大颗粒间距,避免形成化学键和架桥羟基,同时降低粒子的表面张力,起到一定的空间位阻作用。 纳米TiO2具有抗菌杀毒、吸收紫外线、自清洁、阻隔性良好等常规TiO2不具有的特殊性质,能够应用于果蔬保鲜。目前,利用纳米TiO2与其他高分子复合制膜进行果蔬保鲜的研究比较多。施春荧将纳米TiO2通过不同的方法添加到聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等聚合物中混合制膜,对不同薄膜的机械性能、透气性能及抗菌性能进行了研究,实验结果表明纳米粒子在聚合物中分散性较好,均能达到纳米级分散。随着纳米TiO2含量的增加,各种薄膜的机械性能均先升高后下降,气体透过率亦有不同程度的降低,抗菌性也有不同程度的增加。在纳米TiO2/聚乙烯薄膜包装条件下,毛叶枣的保鲜时间常温可达18d,冷藏条件下更是延长到58 d。张显策等采用溶胶-凝胶法制备了壳聚糖/纳米TiO2复合膜,优化了制备工艺参数并采用热重分析仪（TGA）、FTIR对该膜的微观特性进行了表征,实验结果表明,壳聚糖/纳米TiO2复合膜比纯壳聚糖膜具有更好的稳定性。袁志等制备了壳聚糖纳米TiO2复合膜,并用其对嫩姜进行了涂膜保鲜实验。结果表明,涂膜处理后嫩姜的维生素和姜辣素含量比不涂膜的嫩姜分别提高了23%、26%,说明壳聚糖纳米TiO2复合膜有利于延长果蔬的保鲜时间。 果蔬采摘后的生命活动主要是呼吸作用,实质是在各种酶促反应作用下发生的缓慢生物氧化与还原的过程。果蔬的保鲜在很大程度上都依赖于水分是否适宜,理想的保鲜材料应当在最少破坏果蔬正常代谢的基础上,维持并延缓其生命活动。果蔬最常用的包装技术是气调包装技术（MAP）,但由于对包装环境内部的气体组分要求严格,应用效果并不理想,因此研究更为高效低成本的果蔬产品包装材料显得尤为迫切,具有非常重要的经济价值及社会意义。 目前,由于涂膜保鲜技术的经济实用、安全可靠,现已成为国内外研究的热点。但在实际应用中仍存在着一些问题,如涂覆效果不佳、膜厚不均匀等。其中涂膜液在果蔬表皮的涂覆困难。一般果皮表面都有一层蜡质物,会直接影响涂膜液在其上的涂覆效果,由此影响涂膜液原有的保鲜效果。为了增强涂膜液与果蔬表皮的浸润性能,须降低界面之间的接触角,较好的方法是向溶液中加入适量的表面活性剂。周昕向壳聚糖溶液中添加不同的表面活性剂,例如甘油、十二烷基二甲基氧化胺（OA）、TW20和TW40,研究了它们对壳聚糖溶液与涂蜡玻片的界面接触角影响。结果表明TW20与TW40对接触角的降低有显著影响,且随着TW20浓度的增加,溶液的接触角渐趋下降。大部分的报道都是通过研究界面之间的接触角变化来衡量某种表面活性剂是否适用于添加入涂膜液中,但有关这类物质对膜性能的影响却鲜见报道。同时,对于加入表面活性剂的涂膜液在发挥保鲜作用的过程中,润湿剂所产生的效果并未与涂膜液本身产生的效果区分开来,这些均是需要解决的问题。新鲜竹笋常用的保鲜方法主要有冷藏法、气调法和化学保鲜法。冷藏与气调保鲜成本过高,化学保鲜剂（如亚硫酸钠等）过量使用容易污染竹笋。采用涂膜保鲜的好处在