秦海容，徐丹，劉琴

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)

柑橘具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和可口的味道，是世界上最受歡迎的水果之一，而中國是世界上柑橘的原產(chǎn)地和主要生產(chǎn)地之一[1]。目前，大多數(shù)柑橘類水果在中國都是以鮮果的形式消費(fèi)。但柑橘類水果易受微生物侵染和機(jī)械損傷，而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，近年來國內(nèi)外研究者們在柑橘采后處理方面已經(jīng)進(jìn)行了大量應(yīng)用研究[3-7]。研究表明，多糖類可食性材料包括淀粉[8]、改性纖維素[9]、動植物膠[10]、殼聚糖[11]等可在果實(shí)表面形成半透膜，適度抑制果實(shí)呼吸，來起到延緩果實(shí)成熟并減少營養(yǎng)成分損失等作用。其中，殼聚糖(chitosan, CS)因其良好的生物相容性和生物降解性、較好的抗菌性和成膜性等性能[12]，對柑橘[13]、荔枝[14]、櫻桃[15]、蘋果[16]和草莓[17]等多種水果均有良好的保鮮作用。

在殼聚糖等聚合物基材中進(jìn)一步添加納米蒙脫土[18]、納米二氧化硅[19]、納米銀[20]和納米二氧化鈦[21]等納米粒子，則可提高其涂膜的穩(wěn)定性，調(diào)控氣體透過性，或增加抗菌性和抗氧化性，以達(dá)到提高保鮮效果的目的[17]。納米金剛石(nanodiamond, ND)是單個直徑為3～10 nm的一種新型納米粒子，具有良好的機(jī)械性能，耐熱性和生物相容性[22]。因此，已有研究將納米金剛石制成抗微生物劑[23]并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，其在制藥和食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用也成為了研究熱點(diǎn)。

但目前關(guān)于涂膜保鮮的研究幾乎都只關(guān)注了果實(shí)在貯藏期間的品質(zhì)變化，卻很少關(guān)注涂膜本身的變化。果實(shí)的采后生理活動可能對涂膜的結(jié)構(gòu)造成影響，而涂膜結(jié)構(gòu)的變化則會影響涂膜保鮮效果的持久性。因此，本試驗(yàn)將納米金剛石加入殼聚糖中對新鮮紅桔進(jìn)行涂膜，在考察該復(fù)合涂膜對柑橘品質(zhì)影響的同時(shí)，采用掃描電鏡定期觀察涂膜在紅桔貯藏過程中的微觀形貌變化，以初步探討二者間的關(guān)聯(lián)。

1 材料與方法

1.1 材料

紅桔(C.tangerineHort. ex Tanaka)從重慶北碚的柑橘種植園采摘。殼聚糖，脫乙酰度為90%，分子質(zhì)量為18萬，購于濰坊海之源生物制品有限公司；純度為98.3%的納米金剛石,購于河源中聯(lián)納米科技有限公司；尺寸為14 cm × 17 cm、厚度約為3 μm的聚乙烯袋，購于浙江衢州市明利包裝有限公司；分析純乙酸和次氯酸鈉，購于成都科隆化工有限公司；咪鮮胺活性成分含量為25%的乳狀保鮮劑，購于重慶雙豐化工制造有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 涂膜液的制備

稱取一定量的殼聚糖粉末溶解在體積分?jǐn)?shù)為1%的乙酸水溶液中并在常溫下攪拌24 h，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的殼聚糖涂膜液。將納米金剛石粉末(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為殼聚糖的2%)加入至制備好的1.5%殼聚糖溶液中，超聲處理30 min后，攪拌24 h得到均一的殼聚糖/納米金剛石復(fù)合涂膜溶液。

1.3 果實(shí)涂膜

將當(dāng)天采摘的紅桔運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，選取質(zhì)量、成熟度和大小一致的果實(shí)，清水清洗后，用體積分?jǐn)?shù)為2%的次氯酸鈉水溶液浸泡消毒處理3 min，再置于空氣中晾干。然后，將它們隨機(jī)分為對照組(CK)，市售保鮮劑處理組(FA)，純殼聚糖涂膜組(CS)和殼聚糖/納米金剛石復(fù)合涂膜組(CS/ND)，每組約120個果實(shí)。CK組不再進(jìn)行任何處理，F(xiàn)A組用濃度為5%的商業(yè)保鮮劑浸泡2 min。CS組和CS/ND組分別在上述制備的殼聚糖涂膜液和殼聚糖/納米金剛石復(fù)合涂膜液中浸泡2 min，取出后晾干。以上4組紅桔處理后立即稱重，并用聚乙烯袋進(jìn)行單果包裝，置于溫度為(10±3)℃，濕度為(65±10)%的環(huán)境中貯藏。每隔1 d從每組中隨機(jī)選擇5～10個無損鮮果，測定果實(shí)品質(zhì)。

1.4 紅桔的品質(zhì)及生理指標(biāo)的測定

1.4.1 質(zhì)量損失率的測定

所有果實(shí)在貯藏前稱重得到M0，貯藏期間每隔一定時(shí)間稱重得到Mt，按下式計(jì)算相對失重率。

失重率/%=(M0-Mt)/M0×100

(1)

1.4.2 抗壞血酸含量的測定

果汁中抗壞血酸(ascorbic acid, AA)的含量通過2，6-二氯酚靛酚滴定法測定。將果實(shí)榨汁，通過紗布過濾后，取10 mL果汁在容量瓶中用20 g/L草酸溶液稀釋至100 mL。取出10 mL用濃度為0.1 g/L的2，6-二氯酚靛酚溶液進(jìn)行滴定，直到出現(xiàn)粉紅色且30 s內(nèi)不變色。此時(shí)記錄下消耗的溶液體積，使用式(2)計(jì)算果汁中的AA含量，結(jié)果以mg/100 mL表示[24]。

AA含量/[mg·(100mL)-1]=

[(V1-V0)×V×p]/Vs×100

(2)

式中：V1,滴定樣品消耗的2，6-二氯酚靛酚溶液體積,mL；V0,在滴定去離子水所消耗的2，6-二氯酚靛酚溶液體積,mL；p是1 mL2，6二氯酚靛酚溶液相當(dāng)于抗壞血酸的質(zhì)量,mg/mL;V,消耗果汁的總體積,mL;Vs,用于滴定的樣品體積,mL。

1.4.3 可溶性固形物的測定

果汁中的可溶性固形物(total soluble solids, TSS)采用型號為2WAJ阿貝折射儀(上海光學(xué)儀器五廠)測定，結(jié)果以%表示。

1.4.4 可滴定酸含量的測定

果汁中的可滴定酸(titratable acid, TA)含量采用中和反應(yīng)方法測定。將10 mL果汁用煮沸的去離子水稀釋至100 mL。取稀釋液10 mL用10 g/L的NaOH溶液滴定直至出現(xiàn)粉紅色，且30 s內(nèi)不變色。此時(shí)記錄下消耗的溶液體積。使用式(3)計(jì)算果汁中的TA含量，結(jié)果以mol / L表示。

TA含量/(mol·L-1)=V×N×K/Vs

(3)

式中:N，NaOH溶液的摩爾濃度，mol/L；V，滴定樣品消耗的NaOH溶液體積，L；Vs，樣品體積，L；K是轉(zhuǎn)換系數(shù)(以檸檬酸作標(biāo)準(zhǔn))。

1.4.5 內(nèi)部CO2濃度的的測定

使用型號為PAC CHECK Model 650的頂空分析儀(美國摩康)測定。將探針小心地插入紅桔的開花端，使其到達(dá)果實(shí)的空腔部位以測定CO2濃度，記錄結(jié)果。每組至少隨機(jī)選取5個果實(shí)進(jìn)行測定。

1.4.6 腐果數(shù)的測定

定期觀察挑選出腐爛果實(shí)，記錄下數(shù)量。

1.5 果皮的表面微觀形貌觀測

從果實(shí)上小心地切下面積不超過2 cm × 2 cm的果皮，凍干后表面噴鉑，采用日本電子JEOL JEM-2100掃描電子顯微鏡(SEM)觀測果皮表面的微觀形貌。

1.6 殼聚糖和殼聚糖/納米金剛石單膜的制備與性能測定

1.6.1 單膜的制備

殼聚糖和殼聚糖/納米金剛石復(fù)合制膜液的制備方法與1.2涂膜液的方法相同。將制膜液靜置24 h后過濾，倒入圓形塑料培養(yǎng)基置于烘箱中40℃干燥18～20 h。待膜充分干燥后用1 mol/L的NaOH溶液浸泡15 min，再用去離子水清洗，室溫下干燥，置于干燥箱中備用。

1.6.2 膜性能測定

單膜的溶脹度、溶解度和拉伸性能參照劉琴等人[25]的方法測定。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為測定3次及以上的平均值，對相同貯藏時(shí)間不同處理組間的結(jié)果采用Ducan多重檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 失重率

果實(shí)失重包括失水和干物質(zhì)損耗兩方面[26]，失水主要表現(xiàn)為果實(shí)表面的蒸騰作用[27]，而干物質(zhì)損耗主要是果實(shí)自身呼吸代謝作用導(dǎo)致[28]。果實(shí)失重會影響其鮮食品質(zhì)和商品價(jià)值，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。表1所示為不同處理組紅桔的失重率在貯藏期間的變化，所有組的失重率隨貯藏時(shí)間的延長均顯著增加。貯藏時(shí)間相同時(shí)，F(xiàn)A組與CK組間失重率差異不大，說明保鮮劑處理不能顯著降低果實(shí)的損失。涂膜組中，CS組在貯藏的前3 d失重率顯著低于CK組(p<0.05)，后期則無顯著差異；而CS/ND組在貯藏的前9 d均可保持較低的失重率。研究表明，果實(shí)表面的涂膜層可在一定程度上降低果實(shí)的蒸騰速率，減少水分損失[29]。但涂膜對果實(shí)失重率的降低程度應(yīng)該與涂膜層本身的水蒸氣透過率有關(guān)。CS涂膜降低果實(shí)失重率效果的持續(xù)時(shí)間明顯短于CS/ND涂膜。由此說明，涂膜的水蒸氣阻隔性隨貯藏時(shí)間的延長可能有所降低，且2種涂膜的在效果持久性上差異較大。

表1 貯藏期間不同處理組紅桔果實(shí)的失重率Table 1 Weight loss of tangerine fruits with different treatments during storage

2.2 抗壞血酸含量

果實(shí)在采后貯藏的過程中，抗壞血酸因?yàn)楣叩暮粑饔脮粩嘞亩鴮?dǎo)致含量下降，導(dǎo)致自由基累積，加快細(xì)胞衰老[30]。圖1所示為各組紅桔中抗壞血酸含量隨貯藏時(shí)間的變化。由圖可知，隨著貯藏時(shí)間的延長，各組紅桔中抗壞血酸含量的總體變化趨勢均為先升高后降低。在貯藏前期，紅桔中抗壞血酸含量的升高可能是由于果實(shí)在采摘后有一個后熟的過程，在此階段果實(shí)中抗壞血酸的合成速率高于消耗速率[31]。但CS組和CS/ND組分別在第5天和第3天達(dá)到峰值，且最高含量均高于其余兩組。由此說明，CS和CS/ND涂膜有利于紅桔在后熟過程中抗壞血酸的合成，且減緩了抗壞血酸的消耗，有利于果實(shí)營養(yǎng)成分的保持。在貯藏7 d后，涂膜組的抗壞血酸含量則與未處理組近似，但始終高于FA組。由此說明，涂膜的對紅桔中抗壞血酸含量的保持效果優(yōu)于商業(yè)保鮮劑。

圖1 貯藏期間各組紅桔中抗壞血酸含量的變化Fig.1 Variations of AA content of tangerine fruits with different treatments during storage

2.3 可溶性固形物含量的影響

可溶性固形物的主要成分是糖，其次為少量的酸、維生素、礦物質(zhì)和果膠等。果實(shí)中可溶性固形物的含量與果實(shí)成熟度以及呼吸速率有著密切的關(guān)系，是評價(jià)其柑橘類果實(shí)內(nèi)部品質(zhì)的主要特性指標(biāo)[32]。貯藏期間各組紅桔中可溶性固形物含量的變化如圖2所示。與抗壞血酸含量的變化趨勢相似，在貯藏前期果實(shí)的后熟階段，紅桔中可溶性固形物含量先增加后降低。各處理組中，F(xiàn)A組在第3天，CS組和CS/ND組在第5天，CK組則在第9天達(dá)到峰值。在貯藏的前5 d，CS組和CS/ND組果實(shí)中可溶性固形物的含量顯著高于FA組和CK組。之后，CS組果實(shí)中可溶性固形物含量迅速下降，甚至低于CK組。而CS/ND組則下降速度緩慢，直至第11天。因此，與CK組和FA組相比，涂膜的兩組果實(shí)在貯藏的前7 d均具有較高的可溶性固形物含量。這可能也是由于涂膜處理后的果實(shí)具有較低的呼吸速率，降低了果實(shí)生理活動對可溶性固形物的消耗。而在第7天之后，該效果則逐漸減弱，與抗壞血酸含量的變化規(guī)律類似。由此進(jìn)一步說明，CS和CS/ND涂膜對果實(shí)呼吸作用的抑制程度可能會隨貯藏時(shí)間而發(fā)生變化。在貯藏11 d時(shí)，CS/ND組果實(shí)可溶性固形物含量急劇下降，可能是在貯藏后期，復(fù)合涂膜組的果實(shí)經(jīng)歷了緩慢成熟后，代謝速度加快，呼吸速率有上升的趨勢，從而對底物的消耗速度加快。

圖2 貯藏期間各組紅桔中可溶性固形物含量的變化Fig.2 Variations of TSS content of tangerine fruits with different treatments during storage

2.4 可滴定酸含量的影響

可滴定酸的主要成分是有機(jī)酸，是果實(shí)呼吸作用中酶反應(yīng)的底物[33]。因此，可滴定酸含量被認(rèn)為是評價(jià)果實(shí)呼吸速率快慢和保鮮效果優(yōu)劣的重要指標(biāo)[28]。圖3所示為貯藏期間各組紅桔中可滴定酸含量的變化。從圖中可看出，CS/ND組的可滴定酸在第3天時(shí)顯著上升，且在整個貯藏期間均維持較高水平。這表明涂膜尤其是CS/ND涂膜對紅桔的呼吸具有較強(qiáng)的抑制作用，降低了呼吸作用對可滴定酸的消耗。類似結(jié)果也見于殼聚糖對荔枝[14]的涂膜保鮮。

圖3 貯藏期間各組紅桔中可滴定酸含量的變化Fig.3 Variations of TA content of tangerine fruits with different treatments during storage

2.5 果實(shí)內(nèi)部CO2的濃度

對紅桔內(nèi)部CO2的濃度進(jìn)行監(jiān)測，則可為涂膜抑制果實(shí)與外界氣體交換的作用提供直接的證據(jù)。由圖4可知，CK組和FA組紅桔內(nèi)部CO2濃度隨著貯藏時(shí)間的延長而逐漸降低；而CS組和CS/ND組則先上升，在第3天達(dá)最大值后逐漸降低，但濃度始終高于同期的CK組和FA組。此外，在貯藏前期，CS組中的CO2濃度均略高于CS/ND組。由此說明，涂膜確實(shí)可有效減緩果實(shí)內(nèi)部CO2的逸出，說明在一定程度上能降低果實(shí)的呼吸強(qiáng)度，從而減少果實(shí)在采后由呼吸作用造成的物質(zhì)與能量的消耗[28]，但阻隔效果隨貯藏時(shí)間的延長而有所降低。由于涂膜層的氣體阻隔性，果實(shí)呼吸產(chǎn)生的CO2在果實(shí)內(nèi)部累積使其濃度較高，但過量的CO2可能會導(dǎo)致果實(shí)的厭氧呼吸，對水果的風(fēng)味和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[34]。因此，為達(dá)到較好的保鮮效果，涂膜的阻隔性不應(yīng)過高。

圖4 貯藏期間各組紅桔內(nèi)部CO2濃度的變化Fig.4 Variations of internal CO2 concentration of tangerine fruits with different treatments during storage

2.6 腐爛果個數(shù)

貯藏期間各組紅桔的果實(shí)腐爛個數(shù)如圖5所示。與CK組相比，商業(yè)保鮮劑顯著減少了紅桔的腐爛個數(shù)，但其效果隨貯藏時(shí)間的延長而逐漸減弱。在貯藏的前7 d，CS組的腐爛個數(shù)也顯著低于CK組，且與FA組接近。但在第9天，CS組中的腐爛個數(shù)迅速增加，甚至超過了CK組，可能是由于CS組中CO2濃度過高導(dǎo)致果實(shí)的無氧呼吸，因此腐爛率上升。而CS/ND涂膜組則在整個貯藏期間均保持著最低的腐爛個數(shù)。結(jié)合上述失重率與各品質(zhì)指標(biāo)的測定結(jié)果，CS涂膜對果實(shí)的水分與營養(yǎng)物質(zhì)的保持效果也僅在貯藏前期較為明顯，CS/ND涂膜則可在更長的貯藏期內(nèi)起作用。

圖5 貯藏期間各組紅桔的腐爛個數(shù)Fig.5 Rotting number of tangerine fruits with different treatments during storage

2.7 果皮表面微觀形貌的變化以及單膜的性能

圖6所示為貯藏期間果皮以及涂膜的形貌變化?？捎^察到，第0天時(shí)CK組和FA組表皮具有正常的蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)，CS組和CS/ND組表面均覆蓋致密的聚合物，且CS/ND膜中分散有微米級的納米金剛石團(tuán)聚體。隨著貯藏時(shí)間的延長，CK組表皮蠟質(zhì)層的晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，而FA組的破壞程度較輕。柑橘類果實(shí)表皮的蠟質(zhì)層是天然的保護(hù)層，有助于減少水份蒸發(fā)，保護(hù)果實(shí)免受病原體感染[29]。

CS組和CS/ND組則分別在第5天和第7天在涂膜上觀察到有微孔出現(xiàn)。該微孔剛好位于紅桔表皮的氣孔處，直徑為10 μm左右。紅桔表皮的氣孔是果實(shí)與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換以及果實(shí)蒸騰作用的途徑，也是病原體的侵入位點(diǎn)[35]。殼聚糖分子中含有大量親水性的羥基和胺基，吸濕后其機(jī)械強(qiáng)度會急劇下降。因此，涂膜的致密結(jié)構(gòu)在紅桔氣孔位置被破壞很可能是果實(shí)的蒸騰和呼吸作用所導(dǎo)致。而CS/ND組中涂膜的微孔比CS組出現(xiàn)得晚，說明納米金剛石的添加有助于保持涂膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。出現(xiàn)微孔后，涂膜的氣體阻隔性顯著下降，對果實(shí)的呼吸和蒸騰作用難以起到抑制效果，同時(shí)對病原體的屏障性能和保護(hù)能力大大降低，進(jìn)而影響涂膜處理對果實(shí)的保鮮效果[36]。CS/ND涂膜出現(xiàn)微孔的時(shí)間晚于CS則保鮮效果更為持久。由此說明，涂膜保鮮效果的持久性可能與涂膜層是否能保持其結(jié)構(gòu)完整性的能力有關(guān)。

為進(jìn)一步探討涂膜結(jié)構(gòu)變化的原因，制備了CS和CS/ND(納米金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)單膜，并對其溶脹、溶解和機(jī)械性能進(jìn)行了表征，結(jié)果如表2所示。雖然由于界面結(jié)構(gòu)不同，涂膜的結(jié)構(gòu)與性能和單膜有較大差異。但通過考查添加納米金剛石對單膜性能的影響，有利于揭示復(fù)合涂膜具有更好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原因。從表2可知，添加2%的納米金剛石使得復(fù)合膜的溶脹度和溶解度均低于殼聚糖膜，說明納米金剛石的加入降低了殼聚糖膜對水的敏感性，增強(qiáng)了其穩(wěn)定性。由于納米金剛石表面具有羥基等基團(tuán)，可與殼聚糖發(fā)生相互作用，使其結(jié)構(gòu)更為致密且減少了水分子的作用位點(diǎn)。同時(shí)，納米金剛石作為一種具有高強(qiáng)度和高硬度的無機(jī)納米粒子，也顯著提高了復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和模量。因此，在涂膜中添加納米金剛石可在一定程度上提高涂膜穩(wěn)定性，延緩微孔的出現(xiàn)。

圖6 貯藏期間不同處理下的紅桔果實(shí)的SEM圖像Fig.6 SEM images of tangerine fruits with different treatment during storage

樣品溶脹度/%溶解度/%拉伸性能拉伸強(qiáng)/MPa楊氏模量/MPa斷裂伸長率/%殼聚糖膜53．3±3．14．3±0．2a47．7±9．7b1．6±0．516．1±5．6b殼聚糖/納米金剛石復(fù)合膜52．5±2．22．6±0．3b59．9±6．4a2．0±0．325．5±7．0a

注：同一列不同小寫字母上標(biāo)表示數(shù)值間具有顯著性差異，p<0.05。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以重慶本地紅桔為供試材料，研究了殼聚糖和殼聚糖/納米金剛石復(fù)合涂膜處理對紅桔果實(shí)的保鮮效果，通過測定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)和腐爛個數(shù)，篩選出納米金剛石為2%的殼聚糖復(fù)合涂膜保鮮效果最佳。結(jié)果表明，CS涂膜和CS/ND復(fù)合涂膜因具有一定的水蒸氣和氣體阻隔性，能有效抑制紅桔的蒸騰作用和呼吸作用，達(dá)到減少水分散失和營養(yǎng)成分損失并降低腐爛率的效果。涂膜對果實(shí)的抗壞血酸和可溶性固形物含量的影響效果保持一致，在前期能有效地抑制其底物的消耗，但是在貯藏后期影響效果減弱，甚至低于低于對照組。而對可滴定酸含量來說，涂膜組在整個貯藏期內(nèi)均能有效地保持較高含量，維持果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)。從腐爛率發(fā)現(xiàn)，CS涂膜僅在貯藏前7 d有效，而復(fù)合涂膜的效果則更為持久。兩種涂膜在保鮮效果持久性上的差異可能與涂膜在貯藏期間的形貌變化有關(guān)。添加納米金剛石的復(fù)合膜具有更好的耐濕性和機(jī)械性能，因此在果實(shí)的采后呼吸和蒸騰作用下可更好地維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而其對紅桔果實(shí)的保鮮效果更持久。今后應(yīng)進(jìn)一步探討果實(shí)與涂膜間的動態(tài)作用機(jī)理，為開發(fā)高效持久的涂膜保鮮劑提供理論指導(dǎo)。

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