王 凱,李 巍,吳 考,肖 滿,姜發(fā)堂,倪學文

(湖北工業(yè)大學 生物工程與食品學院,湖北武漢 430068)

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山梨酸鉀對魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的性能和抑菌效果的影響

王 凱,李 巍,吳 考,肖 滿,姜發(fā)堂,倪學文*

(湖北工業(yè)大學 生物工程與食品學院,湖北武漢 430068)

本文以魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白為基材,制備了不同山梨酸鉀添加量的復合膜,研究了復合膜的理化性能和抑菌效果。結(jié)果表明,添加不同含量山梨酸鉀對復合膜的膜厚沒有顯著影響(p>0.05),復合膜的水蒸氣透過率和透光性隨著山梨酸鉀添加量的增加而降低。復合膜的斷裂伸長率隨著山梨酸鉀添加量的增加而顯著增大(p<0.05),當其含量為12%時,復合膜的斷裂伸長率為36.02%,是未添加山梨酸鉀復合膜的1倍;當添加6%的山梨酸鉀時,復合膜的拉伸強度最大,為58.78 MPa。隨著山梨酸鉀添加量的增加,復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌的抑菌效果明顯增強。當山梨酸鉀添加量為12%時,魚肉在4 ℃儲藏時的貨架期可延長4 d。復合膜適合應用在食品保鮮包裝。

復合膜,山梨酸鉀,抑菌,理化性能

以天然生物大分子(蛋白質(zhì)、多糖、脂類等)為基材,經(jīng)過一系列成膜工序,通過高分子之間的相互作用,可形成性能優(yōu)良的可降解膜材料[1-2]。魔芋葡甘聚糖(konjac glucanmannan;KGM)是一種水溶性多糖,原料來源豐富,有較好的成膜性能,但是耐水性和阻濕性差。玉米醇溶蛋白(zein)含有大量非極性氨基酸,具有較強的疏水性,但其形成的膜較脆[3-6]。前期研究表明KGM和zein共混制備的復合膜具有優(yōu)良的力學性能和阻隔性能,在食品包裝鄰域有較好的應用前景[7]。

將抑菌劑添加到包裝膜中,抑菌劑可以緩慢釋放,達到長時間抑菌的效果[8];也能夠逐漸減少或代替食品中鹽、糖或防腐劑等的加入,更好地保持食品的營養(yǎng)和風味[9]。鄧雯瑾等[10]將百里香精油抗菌涂層包裝膜包裝鮮切生菜,與4 ℃的低溫貯藏結(jié)合時,可將鮮切生菜的貨架期延長至5 d。童佩等[11]將五倍子提取物加入到魔芋葡甘聚糖/乙基纖維素復合膜,4 ℃儲藏條件下,魚肉的貨架期延長了3 d。將抑菌劑加入到KGM/zein復合膜能夠拓寬其應用領(lǐng)域和研究價值。

山梨酸鉀(potassium sorbate)是一種不飽和脂肪酸鹽,它可以被人體的代謝系統(tǒng)吸收而迅速分解,在人體內(nèi)基本無殘留,其毒性為食鹽的1/2,是國際衛(wèi)生組織和糧農(nóng)組織推薦的高效安全的酸性防腐保鮮劑,在接近中性(pH=6.0～6.5)的食品環(huán)境中仍然具有較好的防腐效果,具備很好的水溶性[12-13]。山梨酸鉀對霉菌、酵母菌和好氧性細菌均有較好的抑制效果,其有效濃度對食品的風味沒有影響,廣泛應用于食品、飲料、煙草、農(nóng)藥、化妝品等行業(yè)[14]。本文以魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白為基材,添加不同含量的山梨酸鉀制備復合膜,研究了不同山梨酸鉀添加量對復合膜的膜厚、透光性、機械性能和水蒸氣透過率的影響,考察了復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌的抑菌效果,以及包裹魚肉后的保鮮作用,以期為山梨酸鉀/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合抗菌膜在食品包裝領(lǐng)域的應用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

KGM 湖北強森魔芋有限公司;zein 北京百靈威科技有限公司;山梨酸鉀、甘油、乙醇(AR)、司盤-80(CP) 國藥集團化學試劑有限公司;白鰱 武漢市南湖菜市場,挑選1.5～2 kg的無病、大小相近的鮮活白鰱;大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌 2代菌種,上海魯微科技有限公司。

CH-1-S型質(zhì)構(gòu)分析儀 美國FTC;千分手式薄膜測厚儀 上海六菱儀器廠;UV2550紫外可見分光光度計 日本島津;FE20酸度計 上海METTLER TOLEDO;SW-CJ-1FD型潔凈工作臺 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;YX280A型滅菌鍋 上海三申醫(yī)療器械有限公司;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;JJ-1型增力電動攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;GZX-9030MBE鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合膜的制備 稱取0.9 g的KGM,加入到100 mL雙蒸水中,在60 ℃水浴攪拌1.5 h后,司盤-80按zein質(zhì)量的25%(w/w)加入,繼續(xù)攪拌30 min,得到KGM水溶膠。將0.1 g的zein加入到20 mL的80%(v/v)乙醇中,甘油按總固形物質(zhì)量(1 g)的20%(w/w)加入,在25 ℃攪拌15 min,得到zein溶液。將zein溶液緩慢加入到高速攪拌(1000 r/min)的KGM水溶膠中,在60 ℃水浴攪拌30 min,得到共混成膜液[7]。待成膜液冷卻到50 ℃,分別按總固形物質(zhì)量加入3%、6%、9%和12%(w/w)山梨酸鉀,繼續(xù)共混30 min,將成膜液倒入直徑為14 cm×14 cm的玻璃平板中,置于50 ℃的烘箱中干燥12～15 h,揭膜。將制備好的復合膜置于(25±1) ℃的干燥器中平衡48 h,備用。

1.2.2 復合膜性能測定

1.2.2.1 膜厚度 含3%,6%,9%和12%的山梨酸鉀復合膜和空白對照組(不含山梨酸鉀)的復合膜裁成10 mm×50 mm的長條,在待測膜上均勻選取5個點,用千分尺測量其厚度,取其平均值。

1.2.2.2 水蒸氣透過率 參考文獻[11]的方法,稱取3 g無水CaCl2置于25 mm×40 mm稱量瓶中,用復合膜密封,放入底部有飽和NaCl溶液(提供環(huán)境相對濕度75%)的干燥器中,溫度為25 ℃。為確保溶液一直處于飽和狀態(tài),應有少量未溶的NaCl固體。每24 h測稱量瓶的重量,直至達到平衡(最后兩次測量的增重<5%)。水蒸汽透過率(WVP;mg·cm-2·d-1)按照下面公式計算:

4.塑造科研團隊文化，為科技創(chuàng)新營造良好氛圍。一是突出創(chuàng)新導向，構(gòu)建提高創(chuàng)新能力和創(chuàng)新效率的長效機制，相繼出臺學習型激勵制度、科研獎勵辦法、職稱量化評審制度等，發(fā)揮政策導向作用，充分激勵科研人員投身科技創(chuàng)新的積極性和主動性。二是突出制度導向。采油院對原有的各項規(guī)章制度進行梳理，把文化理念融入到具體的規(guī)章制度中。三是突出基層導向，營造良好的基層家文化氛圍，推進文化落地，提升科研團隊的凝聚力和戰(zhàn)斗力。四是突出品牌導向。實施品牌戰(zhàn)略是推進企業(yè)文化與經(jīng)營管理相融合、提高綜合競爭力的最佳著力點。

式(1)

式(1)中:wf和w0分別為稱量瓶最終和起始質(zhì)量,mg;d為天數(shù),d;s為膜片的有效面積,s=4.5216 cm2。

1.2.2.3 透光性 復合膜裁成10 mm×50 mm的長條,貼于可見分光光度計的比色皿內(nèi)壁上,在600 nm波長下測定復合膜的吸光度。不透明度的計算公式:Op=A600/a,式中:A600為膜在600 nm處的吸光度,a為膜厚度(mm)[15]。

1.2.2.4 力學性能 復合膜力學性能按國標 《GB/T 13022-1991 塑料薄膜拉伸強度性能實驗方法》 進行測定,測定復合膜的拉伸強度(TS)和斷裂伸長率(EAB)。測試速度為5 mm/min,夾具間距離為30 mm,每個試樣重復測量5次,取平均值。按下列公式計算復合膜的TS和EAB:

式(2)

式(2)中:TS為拉伸強度,MPa;P為最大負荷即拉力,N;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。

式(3)

式(3)中:EAB為斷裂伸長率,%;L0為試樣原始標線距離,mm;L為試樣斷裂時標線間的距離,mm。

1.2.3 復合膜抑菌性能測定 抑菌效果通過抑菌圈法測定[14],在無菌操作下將膜裁剪成直徑7 mm的圓片待用。將含菌量約106cfu/mL的細菌培養(yǎng)液0.1 mL(金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌)倒入牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上,在培養(yǎng)基表面涂抹均勻后放置5 min;然后將裁剪好的復合膜放置在培養(yǎng)基表面,在37 ℃培養(yǎng)24 h,用十字交叉法測定抑菌圈大小。

1.2.4 魚肉儲藏實驗 選取鮮活白鰱魚5條,用75%乙醇擦凈刀具和案板,取其脊背上的白肉。每份20 g,用復合膜密封包裝魚肉,并用無膜包裝的魚肉作為對照。置于4 ℃冰箱中保存,取樣測定魚肉在不同儲存時間的pH和菌落總數(shù)。

1.2.4.1 pH測定 參考文獻[16]的方法,稱取5 g肉樣并切碎,加入10 mL生理鹽水,混合后用均質(zhì)機處理3～5 min,測定其pH。

1.2.4.2 菌落總數(shù)測定 按照GB 4789.2-2010進行稀釋平板計數(shù)法測定。使用瓊脂培養(yǎng)基,取5 g魚肉,加入45 mL無菌生理鹽水,混合后用均質(zhì)機均質(zhì)2 min,取1 mL再加入9 mL無菌生理鹽水,制成1∶100的樣液。同理進行10倍遞增稀釋,依次制成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8的樣品勻液。選擇10-6、10-7和10-8濃度的樣液,吸取1 mL到滅菌的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基上。同時,吸取1 mL無菌生理鹽水加入到培養(yǎng)基中作空白對照組。將所有的培養(yǎng)基置于25 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),24 h后,選取菌落數(shù)在30～300 CFU的樣品,計算菌落總數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實驗至少重復測定3次,取平均值±SD。采用Origin 9和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 山梨酸鉀添加量對復合膜機械性能的影響

圖1 不同山梨酸鉀添加量的復合膜的膜厚(a)、斷裂伸長率和拉伸強度(b)Fig.1 Thickness(a),EAB and TS(b)of blend films with different potassium sorbate content

由圖1a可知,膜厚隨著山梨酸鉀含量的增加而不斷增大,這可能是因為隨著山梨酸鉀含量的增大使膜液中固形物含量的增多引起膜的厚度增加[17],但數(shù)據(jù)無顯著性差異(p>0.05)。山梨酸鉀對膜TS和EAB的影響見圖1b,隨著山梨酸鉀含量的增加,TS先上升后降低。當添加6%的山梨酸鉀時,復合膜TS最大,為58.78 MPa,與未添加山梨酸鉀的復合膜相比增加了38.34%,這可能是小分子物質(zhì)山梨酸鉀的加入使分子間交聯(lián)更加緊密,膜TS也隨之增大,但添加量增加到一定程度會破壞分子間相互作用,使膜TS降低[8]。而復合膜的EAB則隨著山梨酸鉀含量的增加顯著性增大(p<0.05),當添加12%的山梨酸鉀時,復合膜的EAB為36.02%,與未添加山梨酸鉀的復合膜相比增大1倍,這可能是因為小分子的山梨酸鉀加入,打亂了原有大分子鏈KGM和zein之間緊密的連接,使膜的結(jié)構(gòu)松散;同時,山梨酸鉀的易吸潮性使得增塑的作用更加明顯,導致EAB增大[18]。

2.2 山梨酸鉀添加量對復合膜水蒸汽透過率的影響

低的水蒸氣透過率是延長食品貨架期的重要條件。由圖2可知,隨山梨酸鉀含量的增加,復合膜的水蒸氣透過率顯著下降(p<0.05)。未添加山梨酸鉀的復合膜WVP為8.35 mg·cm-2·d-1,而山梨酸鉀含量12%的復合膜WVP降至5.16 mg·cm-2·d-1,降低了38.2%。這可能是由于山梨酸鉀分子中的羧基與zein蛋白質(zhì)分子中的氨基通過氫鍵結(jié)合,增加了復合膜的致密性,使水分子難以在膜中擴散,從而提高了對水蒸氣的阻隔性[19]。因此,山梨酸鉀的加入能夠降低復合膜的水蒸氣透過率,使其對食品起到更好的保護作用。

圖2 不同山梨酸鉀添加量的復合膜的水蒸氣透過率Fig.2 Water vapor permeability of blend films with different potassium sorbate content

2.3 山梨酸鉀添加量對復合膜透光性的影響

包裝材料的透光性是反映包裝產(chǎn)品外觀的重要指標,通過不透明度反應膜的透光性,不透明度越大其透光性越差。由表1可知,隨著山梨酸鉀含量的增加,膜的透光性顯著性降低(p<0.05)。這可能是因為,復合膜透光性受到山梨酸鉀添加量的影響,隨著山梨酸鉀含量的增加,山梨酸鉀會相互聚集,使光線無法通過,從而導致復合膜透光性的下降[20]。

表1 不同山梨酸鉀含量復合膜的透光性Table 1 Transparency of blend films with different potassium sorbate content

注:a、b、c、d、e表示不同山梨酸鉀含量條件下各指標的差異性,相同表示差異不顯著,不同則表示差異顯著(p<0.05)，表2同。

2.4 復合膜的抑菌效果

包載不同含量山梨酸鉀的復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽胞桿菌的抑菌效果如表2,抑菌圈大小為7 mm表示沒有抑菌效果(樣品直徑d=7 mm)。不添加山梨酸鉀的復合膜對三種菌完全沒有抑菌作用。隨著山梨酸鉀含量的增大,復合膜抑菌圈直徑不斷增大,說明山梨酸鉀和KGM/zein共混成膜后是具有抑菌活性的[14]。當山梨酸鉀含量為12%時,24 h后對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽胞桿菌的抑菌圈可達11.52、9.22、26.34 mm,這是因為山梨酸鉀能與微生物酶系統(tǒng)中的巰基結(jié)合,破壞重要酶系的作用,達到抑制微生物增殖和防腐的效果[13]。復合膜對三種菌的抑菌效果依次是蠟樣芽孢桿菌>大腸桿菌>金黃色葡萄球菌。因為山梨酸鉀極易吸潮,更多含量山梨酸鉀的復合膜成膜后不能使用,因此本研究的山梨酸鉀最大含量為12%[9]。

表2 不同山梨酸鉀含量復合膜的抑菌效果Table 2 Antibacterial activity of blend films with different potassium sorbate content

2.5 包裹魚肉儲藏期品質(zhì)變化

圖3 不同山梨酸鉀添加量的復合膜包裝魚肉4 ℃儲藏的pH變化Fig.3 pH of different packaging films with different potassium sorbate content during 4 ℃ storage

2.5.1 pH pH是判斷肉腐敗程度的一項重要參考指標,肉類產(chǎn)品腐敗越快其pH上升會越快。如圖3所示,在冷藏期內(nèi),魚肉的pH均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,這是因為魚體死亡后糖原酵解成乳酸,使pH逐漸降低,達到最低點,隨著蛋白質(zhì)等分解產(chǎn)生的堿性物質(zhì),pH會不斷上升[16]。如圖3可知,新鮮宰殺的魚肉pH為6.87,空白組pH在第2 d達到最低值,而復合膜包裹的魚肉在第4 d達到最低值,復合膜中山梨酸鉀的含量越高,魚肉的pH越低。pH最小值出現(xiàn)的時間不同是因為微生物生長速率不一樣,微生物生長快會產(chǎn)生較多的氨以及胺類等堿性物質(zhì),可以中和魚肉產(chǎn)生的乳酸,表現(xiàn)為pH高[11]。用含有山梨酸鉀復合膜包裹的魚肉,既有山梨酸鉀的抑菌作用,又有復合膜隔絕環(huán)境作為屏障,微生物生長速度慢,其分解蛋白而產(chǎn)生的堿性物質(zhì)不足以和乳酸中和,所以pH明顯低于空白組。山梨酸鉀含量為12%的復合膜包裹的魚肉pH最低,抑菌效果最好。

2.5.2 菌落總數(shù) 魚肉中細菌總數(shù)可以反映魚類的腐敗程度。從圖4可知,復合膜的抑菌效果隨山梨酸鉀含量的增加而越來越明顯,未用復合膜包裝的魚肉菌落總數(shù)明顯高于采用復合膜處理的樣品。出現(xiàn)上述結(jié)果首先是由于復合膜對魚肉起到一層保護屏障的作用,避免了細菌對魚肉的侵害;另外復合膜中山梨酸鉀添加量越多魚肉菌落總數(shù)越少,說明山梨酸鉀表現(xiàn)出明顯的抑菌作用,有效控制了細菌的繁殖[15]。隨著儲藏時間的延長,各組魚肉的細菌總數(shù)逐漸上升。如圖4所示,新鮮魚肉的菌落總數(shù)為(2.92±0.05) lg(CFU/g),儲藏至第6 d時,空白對照組的魚肉組菌落總數(shù)超過GB 18406.4-2001規(guī)定的細菌總數(shù)應不大于6 lg(CFU/g)的標準。山梨酸鉀含量12%的復合膜在儲藏10 d時菌落總數(shù)(6.201±0.13) lg(CFU/g)才超過標準,與對照組相比,菌落總數(shù)超標時間延遲了4 d。

圖4 不同山梨酸鉀添加量的復合膜包裝魚肉4 ℃儲藏時的菌落總數(shù)變化Fig.4 Total number of colonies of different packaging films with different potassium sorbate content during 4 ℃ storage

3 結(jié)論

KGM/zein復合膜中加入山梨酸鉀后,對復合膜的膜厚沒有顯著影響,山梨酸鉀的加入對水蒸氣和光線增加了膜的阻隔作用,水蒸氣透過率和透光性隨山梨酸鉀含量的增加而降低,復合膜的拉伸強度在6%山梨酸鉀添加量時達到最大,為58.78 MPa,復合膜的EAB則隨著山梨酸鉀添加量的增加顯著增大(p<0.05),當山梨酸鉀含量為12%時,復合膜的EAB為36.02%。山梨酸鉀的添加量對復合膜的抑菌效果有明顯影響,隨著山梨酸鉀含量的增加,復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和蠟樣芽孢桿菌的抑菌效果顯著增強。將含有山梨酸鉀的復合膜用于魚肉冷藏保鮮,以菌落總數(shù)為參考指標,山梨酸鉀含量為12%時,與空白對照組相比,4 ℃儲藏條件下菌落總數(shù)超標時間延遲了4 d。因此山梨酸鉀/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合抗菌膜在食品保鮮上具有一定的應用前景。

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Effect of potassium sorbate on properties and antibacterial effect of konjac glucomannan/zein composite films

WANG Kai,LI Wei,WU Kao,XIAO Man,JIANG Fa-tang,NI Xue-wen*

(Food and Pharmaceutical Engineering Department,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

In this paper,konjac glucomannan and zein were used as the substrate,together with additions of antimicrobial agent(potassium sorbate)at different content to prepare composite films,and the physicochemical properties and antibacterial effect of the composite films were studied. The results showed that the addition of potassium sorbate had no significant effect on the composite films thickness(p>0.05)and the water vapor transmission rate and transparency of the composite films decreased with the increased potassium sorbate content. The elongation at break of the composite films increased significantly with the increased potassium sorbate content(p<0.05),and when the content of the composite film was 12%,the elongation at break was 36.02%,one times larger than that of composite film without potassium sorbate. When the addition of potassium sorbate was 6%,the tensile strength of the composite film was the highest,which was 58.78 MPa. With the increased the potassium sorbate content,the antibacterial effect of the composite films onEscherichiacoli,StaphylococcusaureusandBacilluscereuswas significantly enhanced. When the potassium sorbate content was 12%,it could prolong the shelf life of fish for 4 days at 4 ℃. The composite films was suitable to be used in food fresh-keeping packaging.

composite films;potassium sorbate;bacteriostasis;physicochemical properties

2017-01-16

王凱(1991-)，男，碩士，研究方向：食品化學及天然高分子材料，E-mail:18062693368@163.com。

*通訊作者:倪學文(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：食品化學及天然高分子材料，E-mail:nixuewen@126.com。

湖北省自然科學基金面上項目(2014CFB587)；湖北省科技支撐計劃項目(2014BBB019)。

TS255.3

A

1002-0306(2017)11-0276-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.044