,2,3,4,2,3,4,*

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306; 2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海 201306; 3.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風險評估實驗室(上海),上海 201306; 4.食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(上海海洋大學(xué)),上海 201306)

人們對食品衛(wèi)生安全的關(guān)注程度和對食品品質(zhì)的要求逐年上升,對更安全、更優(yōu)質(zhì)、貨架期更長的食品的需求也逐漸增長[1]。食品活性包裝作為一種新型且極具發(fā)展?jié)摿Φ陌b技術(shù),受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。活性包裝薄膜是活性包裝的一種,是指將抗菌劑、抗氧化劑等活性物質(zhì)加入到薄膜材料中,在食品儲存過程中能夠改變包裝食品環(huán)境條件,來延長食品貨架壽命、改進感官品質(zhì)、提高食品安全性,從而維持食品質(zhì)量[2]。

活性包裝薄膜是目前食品包裝領(lǐng)域的研究熱點之一,國內(nèi)外學(xué)者在該方面做了大量的研究,其中研究較多的主要有抗菌[3]和抗氧化[4]兩種功能性活性包裝薄膜,將其應(yīng)用于食品包裝時,可以起到抑制食品中的微生物生長繁殖、脂質(zhì)氧化酸敗等作用,延緩食品品質(zhì)變化。本文綜述了活性包裝薄膜的功能特性表征與對食品保鮮作用的研究進展,主要從抗菌抗氧化活性薄膜制備、薄膜抗菌與抗氧化功能表征方法、薄膜對食品的保鮮作用三方面作了歸納總結(jié)。

1 抗菌抗氧化活性薄膜制備研究

抗菌抗氧化活性薄膜是指通過不同方法向成膜基材中添加抗菌、抗氧化等活性物質(zhì),制備得到具有抗菌、抗氧化功能的活性薄膜材料。薄膜基材和活性物質(zhì)種類繁多,其中薄膜基材主要包括石油基材料(聚乙烯、聚丙烯等)、可降解材料(聚乳酸、聚乙烯醇等)、可食性材料(多糖、蛋白質(zhì)等),抗菌抗氧化活性物質(zhì)主要有機合成化合物、天然提取化合物、無機化合物、金屬離子等。此外,薄膜制備的方法主要有擠出吹塑法、擠出流延法、溶液流延法、涂布法等[5]。

Harini等[6]用溶液流延法制備了含百里酚的活性醋酸纖維素薄膜,結(jié)果表明添加百里酚后雖然其薄膜機械性能顯著降低,但氧氣透過率、水蒸氣透過率顯著增加,且抗菌、抗氧化性能顯著提升,可應(yīng)用于食品包裝中。范飛[7]利用雙螺桿擠壓,將脫氫乙酸鈉(sodium dehydroacetate,SDT)添加到母粒低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)中制備出改性LDPE樹脂,再將尼泊金乙酯(ethylparaben,ELN)添加到改性LDPE中混勻通過吹膜機制備出薄膜,研究表明,在ELN添加量低于1.5%時,吹塑的薄膜機械性能隨ELN的添加而增強,且在1.5%時薄膜熱穩(wěn)定性較高且氧氣透過率最低,在添加量大于0.5%時薄膜對革蘭氏陰性菌抑制效果顯著增強。黨金貴等[8]將吸水性樹脂聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)與納米分子篩均勻混合,配制成具有保濕功能的涂布溶膠,采用涂布法將其與聚乙烯(polyethylene,PE)包裝復(fù)合,制備了一種新型的防霉保鮮包裝薄膜。研究表明,涂布對PE薄膜機械性能影響不大,但會降低透光性能,有效提高薄膜阻濕性和阻氣性,且分子篩質(zhì)量1%的涂布PE薄膜對番茄有較為理想的保鮮作用。

近年來,活性薄膜制備的研究傾向于使用天然提取物和生物基質(zhì)材料,并且納米材料也是近年來研究的熱點[9],主要是因為這些原料大多是生物材料而非化學(xué)合成材料,更有利于其在食品包裝中應(yīng)用,無毒無害且具有一定抗菌、抗氧化能力。另外,可食用活性薄膜也因為相似的原因被廣泛研究。

2 薄膜抑菌性能表征

薄膜的抑菌性能是活性包裝薄膜的主要功能之一,如何評價薄膜的抑菌性能是一項重要且有意義的工作。目前,國內(nèi)外評價活性包裝薄膜抑菌性能的方法較多,主要有抑菌圈法、抑菌率法、微生物生長曲線法、包裝食品直接測定法。

2.1 抑菌圈法

抑菌圈法通常是將一定尺寸的圓形薄膜置于有特定微生物的培養(yǎng)基上,通過一定時間的培養(yǎng),以薄膜周圍透明圈的直徑大小來表示薄膜的抑菌能力[10],直徑越大,表明其對該微生物的抑制能力越強。

Zheng等[11]通過抑菌圈法評價了含山蒼子油的殼聚糖/硬葉燕麥片淀粉薄膜的抑菌性能,結(jié)果顯示隨著山蒼子油含量的提高,在接種有大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的平板上,薄膜的抑菌圈直徑均明顯比對照組大,表明該薄膜有良好抑菌性能。Kumar等[12]通過抑菌圈法比較研究了二元接枝殼聚糖薄膜和對照組殼聚糖薄膜的抑菌效果,結(jié)果顯示在接種有金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和銅綠假單胞菌的平板上,前者的抑菌圈直徑均比后者大6～8 mm,表明二元接枝殼聚糖薄膜比純殼聚糖有更高的抗菌活性。王健[13]用薄膜浸泡液的牛津杯抑菌圈實驗研究了含淡竹葉提取物的殼聚糖復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果,與對照組相比,0.1%淡竹葉提取物復(fù)合包裝膜浸泡液的抑菌圈直徑顯著增大,表明該薄膜對兩種微生物有顯著抑制作用。

抑菌圈法是一種簡單直觀的抑菌性能表征方法,但其適用性受到薄膜釋放能力的限制,對于非釋放型或釋放受限的薄膜,采用該方法有時難以觀測到明顯的抑菌圈。

2.2 抑菌率法

評價薄膜抑菌能力的抑菌率測定主要有兩種方式。一是將制備好的菌液涂布在薄膜上,隔一定時間取薄膜上微生物樣本進行培養(yǎng),與初始值比較得到抑菌率[14];二是將薄膜浸于菌液,振蕩培養(yǎng)一段時間后測定菌落數(shù),與對照值比較得到抑菌率。

Han等[15]采用第一種方法研究了殼聚糖/聚乳酸(polylactic acid,PLA)薄膜對大腸桿菌的抑菌能力,研究表明殼聚糖的加入使PLA薄膜對大腸桿菌的平均抑菌率從84.9%增加到99.77%。Faithma等[16]采用第二種方法研究了PLA/納米殼聚糖薄膜對單增李斯特菌和大腸埃希氏菌的抑菌能力,研究表明隨著納米殼聚糖含量的增加,薄膜對兩種菌的抑菌率分別提高至67.09%、30.46%。

抑菌率法是一種常用的抑菌性能表征方法,抑菌效果的優(yōu)劣可以直接從數(shù)字大小判斷,但目前沒有統(tǒng)一的抑菌率計算公式或?qū)嶒灧椒?不同文獻之間的數(shù)據(jù)難以進行橫向比較。

2.3 微生物生長曲線法

微生物生長曲線法是用來表征薄膜對特定微生物抑制性能的常用方法,將薄膜浸于某特定微生物的菌液中,通過每間隔一定時間測定菌液的光密度值(optical density,OD)得到微生物的生長曲線,比較對照組和實驗組對應(yīng)不同生長曲線的走勢來衡量薄膜的抑菌性能[17]。

張昊等[18]研究了L-精氨酸改性淀粉薄膜對大腸桿菌的抑制作用,大腸桿菌的生長曲線表明相比淀粉薄膜,L-精氨酸改性淀粉薄膜使大腸桿菌對數(shù)期滯后,且精氨酸固載率大于9%時,大腸桿菌生長受到很大抑制,已觀察不到明顯生長對數(shù)期,表明精氨酸改性淀粉薄膜有明顯抑菌作用。Milovanovic等[19]研究了含不同濃度百里香酚的聚乳酸/聚己內(nèi)酯(polylactic acid/polycaprolactone,PLA/PCL)薄膜對大腸桿菌的抑制作用,大腸桿菌的生長曲線顯示含35.8%百里香酚的PLA/PCL薄膜的大腸桿菌懸液光濁度值毫無增加,表明該薄膜有優(yōu)異的抗菌活性。

微生物生長曲線法是一種定性的表征方法,不僅可以比較不同薄膜抑菌性能的優(yōu)劣,還可以進一步分析抑制微生物生長的具體階段,然而由于實驗的連續(xù)性,在缺乏儀器的情況下實驗周期長且容易引入隨機誤差。另一方面,該方法適用性受到薄膜基材溶解性的影響,若薄膜易溶,則可能導(dǎo)致OD值變化或不穩(wěn)定,對結(jié)果造成影響。

2.4 包裝食品直接測定法

以上三種薄膜抗菌性能表征方法主要是基于薄膜中抗菌活性物質(zhì)的釋放原理來實現(xiàn),但是薄膜包裝對微生物的抑制能力不僅與抗菌活性物質(zhì)的釋放相關(guān),還與薄膜對外界微生物的阻隔作用、薄膜材料和食品成分之間的相互作用有關(guān)[20]。因此,薄膜抗菌性能的表征也可以通過包裝食品直接測定。包裝食品直接測定法是將薄膜應(yīng)用于食品包裝進行貯藏實驗,以食品中微生物指標的變化來表征薄膜的抑菌性能,與對照組相比,具有抑菌性能的薄膜包裝能夠延緩食品中微生物的生長,延長貨架期。

總活菌數(shù)(total viable count,TVC)是評價食品品質(zhì)的重要指標之一[21]。包裝食品微生物測定的方法是測定食品在貯藏過程中總活菌數(shù)變化,或改變貯藏條件測定特定菌總數(shù)的變化。唐智鵬等[22]研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)薄膜對大黃魚的保鮮作用,結(jié)果表明空白和PVA薄膜包裝的大黃魚,其TVC值在12 d就已超過國際標準的7 lg CFU/g,而含納米TiO2的PVA薄膜包裝的大黃魚到第16 d才升至7.11 lg CFU/g,表明該薄膜具有抑菌活性且延長了大黃魚的貨架期約4 d。楊春香等[23]研究了聚乳酸活性薄膜對三文魚的保鮮作用,研究表明對照組三文魚TVC值增長速率顯著高于添加了香芹酚和百里香酚的PLA活性薄膜包裝的三文魚,貯藏至9 d時該活性薄膜包裝的三文魚TVC值達到2.66 lg CFU/g,而對照組TVC值已超過了可接受范圍,表明該薄膜具有良好抗菌活性,且延長了三文魚保質(zhì)期3～4 d。

對薄膜抗菌性能的表征因薄膜中抗菌活性成分的釋放而受到限制,容易因活性成分在不同溶劑中的溶解度不同而造成體外抗菌實驗的結(jié)果無法相互比較,因此需要將活性薄膜應(yīng)用在食品包裝中,進一步評價其抗菌性能。另外很多文獻使用的抗菌檢測標準不統(tǒng)一,甚至是定制的,這也使得不同材料和活性成分的抗菌性能難以比較和評估[3]。

3 薄膜抗氧化性能表征

薄膜的抗氧化性能是活性包裝薄膜的另一主要功能。目前,國內(nèi)外評價活性包裝薄膜抗氧化性能的方法主要有自由基清除法、鐵離子還原/抗氧化能力法和包裝食品直接測定法。

3.1 自由基清除法

自由基清除能力評價被認為是測定物質(zhì)抗氧化能力的標準方法之一[24],采用的自由基主要有1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)[25]、2,2′-連氮基-雙-3-乙基苯并二氫噻唑啉-6-磺酸(ABTS)[26]等,通常以自由基清除率來表示[27],自由基清除率越大,表明薄膜抗氧化性能越好。Talón等[28]采用DPPH自由基清除實驗并計算了IC50(將初始DPPH濃度降低至50%所必需的量),研究了含百里香提取物的殼聚糖/淀粉薄膜的抗氧化性能,結(jié)果表明與對照組相比,含百里香提取物薄膜的抗氧化能力顯著提升,并且其抗氧化性能隨著百里香提取物含量的增加而增強。Calatayud等[29]采用ABTS自由基清除實驗研究了乙烯-乙烯醇共聚物(Ethylene-vinyl alcohol copolymer,EVOH)薄膜中可可提取物的釋放,結(jié)果表明抗氧化劑在模擬物中的溶解度越高,在食品中預(yù)期的釋放越多,且含有可可提取物的EVOH薄膜對H2O2誘導(dǎo)的氧化過程具有抗氧化活性。

3.2 鐵離子還原/抗氧化能力法(ferric reducing/antioxidant power,FRAP)

FRAP法測定總抗氧化能力的原理是酸性條件下抗氧化物可以還原Fe3+-TPTZ產(chǎn)生藍紫色的Fe2+-TPTZ,隨后在593 nm測定吸光度,即可作為樣品中的總抗氧化能力指標,通常以FRAP值表示[30],FRAP值越大,表明薄膜抗氧化能力越強。Kurek等[31]應(yīng)用FRAP法研究了殼聚糖薄膜的抗氧化性能,結(jié)果表明藍莓、黑莓提取物的加入可使薄膜的抗氧化能力顯著提升。Jancikova等[32]應(yīng)用FRAP法研究了紅藻膠/水解明膠/迷迭香提取物復(fù)合薄膜的抗氧化性能,結(jié)果表明從干葉中提取的迷迭香提取物含量越多,活性薄膜的FRAP值越高,抗氧化能力越強。

3.3 包裝食品直接測定法

與2.4類似,以上兩種薄膜抗氧化性能表征方法主要基于薄膜抗氧化活性物質(zhì)的釋放原理而實現(xiàn),但活性薄膜的抗氧化能力不僅與抗氧化活性物質(zhì)的釋放有關(guān),還與薄膜對氧氣的阻隔、薄膜材料與食品成分之間的相互作用有關(guān)。因此薄膜抗氧化性能的表征可通過包裝食品直接測定。將薄膜應(yīng)用于食品包裝進行貯藏實驗,以脂類氧化指標來表征薄膜的抗氧化性能[33],與對照組相比,具有抗氧化性能的薄膜包裝能夠延緩食品中脂類氧化、延長其貨架期[34]。

過氧化值(peroxide value,PV)和硫代巴比妥酸活性物質(zhì)(thiobarbituric acid reactive substances,TBARS)是脂類氧化常用的分析手段,分別作為一級、二級氧化產(chǎn)物的指標[35]。Veiga-santos等[36]通過測定貯藏期間棕櫚油的PV值變化,研究了含有可可-咖啡的木薯淀粉薄膜的抗氧化效果,結(jié)果表明在45 d的貯藏期里,含有可可-咖啡的木薯淀粉薄膜包裝的棕櫚油的PV值相對于對照組上升緩慢得多,表明這種薄膜具有抗氧化活性,有效抑制了棕櫚油的氧化。楊輝[37]通過測定貯藏期間草魚的硫代巴比妥酸值(thiobarbituric acid,TBA)變化,研究了含有植物精油的乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)活性包裝膜對草魚的抗氧化效果,結(jié)果表明在冷藏4～8 d的草魚中,實驗組的TBA值顯著低于對照組,表明該EVOH薄膜具有抗氧化活性,可有效抑制草魚品質(zhì)劣化。

除了PV值和TBARS值,也有一些學(xué)者較深入地測定分析食品的其他脂質(zhì)氧化指標來研究薄膜的抗氧化性能,如游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)和對茴香胺值(p-aminoanisole value,p-AV)。Romotowska等[38]測定了印度醋栗醬/甲基纖維素復(fù)合膜包裝烤腰果在貯藏期間的FFA含量變化,研究表明加入了印度醋栗醬的復(fù)合薄膜可顯著減緩FFA濃度的升高,延緩了烤腰果的脂質(zhì)氧化,可將烤腰果的保質(zhì)期延長約90 d。Abreu等[39]測定了含有大麥殼的活性薄膜包裝冷凍大西洋鮭的p-AV值隨貯藏時間的變化,研究表明實驗組的p-AV值相比對照組顯著降低,且在最初的一個月尤為明顯,表明活性薄膜可延緩冷凍鮭魚的脂肪氧化,延長其保質(zhì)期。

與抗菌性能的表征類似,活性薄膜的抗氧化性能表征也因薄膜中抗氧化成分的釋放而受到限制,其在不同溶劑中的釋放程度和溶解度不同[40],這大大影響了體外抗氧化實驗的準確性和實用性。另外,在每個獨立研究中,即使應(yīng)用了相同的體外抗氧化表征方法,其結(jié)果也因為實驗條件的不同而難以進行橫向比較[41]。因此還需要將活性薄膜應(yīng)用在食品包裝中,以進一步評價其抗氧化性能[42]。

4 活性薄膜對食品的保鮮作用研究

4.1 抗菌作用

近年來,國內(nèi)外有不少著眼于活性薄膜的抗菌活性并將其應(yīng)用于食品保鮮包裝的研究。曾麗萍等[43]研究了含有檸檬精油(lemon essential oil,LEO)和納米TiO2+Ag的聚乳酸(PLA)抗菌薄膜及其對冷卻肉的保鮮效果,結(jié)果表明添加了檸檬精油和納米TiO2+Ag的PLA薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有顯著抑菌作用,將其應(yīng)用于冷卻豬肉的保鮮包裝可有效抑制冷卻豬肉中微生物生長,將冷卻豬肉保鮮期從4 d延長至12 d。Gao等[44]研究了可釋放異硫氰酸丙烯酯(allyl isothiocyanate,AIT)蒸汽的抗菌聚乳酸(PLA)薄膜及其對中國小白菜的保鮮效果,結(jié)果顯示AIT-PLA薄膜可在4、10 ℃下顯著抑制白菜中總需氧菌的生長,顏色變化和葉綠素損失也被降低,延長了白菜的貨架期約15 d,表明AIT-PLA薄膜有良好抗菌活性。歐麗娟[45]研究了殼聚糖、玉米醇溶蛋白、天然植物精油三元復(fù)合膜對冷鮮牛肉的保鮮效果,結(jié)果表明精油與殼聚糖和玉米醇溶蛋白有協(xié)同抗菌作用,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有明顯抑菌效果,將四種天然精油添加到殼聚糖和玉米醇溶蛋白的復(fù)合保鮮液膜中應(yīng)用于冷鮮牛肉的包裝貯藏,結(jié)果表明含檸檬精油和葡萄籽油的三元復(fù)合膜可顯著抑制微生物生長,使牛肉在4 ℃條件下貨架期延長至20 d。

4.2 抗氧化作用

對活性薄膜抗氧化活性的應(yīng)用,主要著眼于抑制食品中脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化腐敗。有研究表明,抑制脂類氧化與抑制蛋白質(zhì)氧化有一定相關(guān)性[46]。

Nilsuwan等[47]研究了含有表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)的單、雙層魚明膠薄膜及其應(yīng)用于雞皮油的抗氧化包裝效果,結(jié)果顯示在30 d的貯藏期內(nèi),加入EGCG的雙層明膠薄膜所包裝樣品的揮發(fā)性醛、酮含量、PV值、TBA值和FFA值均比對照組低,并且兩者的脂肪酸組成還揭示了含有EGCG的雙層明膠薄膜可有效保護多不飽和脂肪酸免于氧化,表明其對雞皮油有較好的保護作用。Wang等[48]研究了負載了花青素(anthocyanins,ACNs)的殼聚糖鹽酸鹽/羧甲基殼聚糖(chitosan hydrochloride/carboxymethyl chitosan,CHC/CMC)納米復(fù)合物的明膠薄膜及其對橄欖油的氧化保護效果,結(jié)果表明該復(fù)合膜對DPPH自由基有很強的清除活性,為87.3%,在橄欖油56 d的貯藏期內(nèi),活性薄膜包裝橄欖油的PV值增長顯著低于對照組,表明該薄膜具有脂質(zhì)抗氧化活性,可用于延長高脂食品保質(zhì)期的功能性可食膜。Cao等[49]研究了含殼聚糖/乳鏈菌肽/沒食子酸涂層的高氧氣調(diào)包裝對豬腰肉抗氧化保鮮的應(yīng)用,結(jié)果表明活性涂層氣調(diào)包裝組樣品的TBARS值上升速度顯著低于對照組,且總巰基含量降低速度也明顯低于對照組,延長了豬腰肉的貯藏期約5 d,表明該活性涂層氣調(diào)包裝同時延緩了豬腰肉脂肪和蛋白質(zhì)的氧化,具有良好的抗氧化活性。

5 結(jié)語

抗菌和抗氧化活性包裝薄膜是國內(nèi)外食品包裝領(lǐng)域的研究熱點,已有許多研究表明活性包裝薄膜具有抑制食品中的微生物生長繁殖、脂質(zhì)氧化酸敗等作用,從而延長食品貨架期?；钚园b薄膜抗菌和抗氧化功能特性的表征方法多種多樣,但一定程度上受到薄膜基材和活性物質(zhì)的釋放程度、速率的影響和制約。對活性包裝薄膜的抗菌和抗氧化特性的表征目前沒有統(tǒng)一的標準,并且不同文獻在具體實驗方法和結(jié)果分析上不盡相同,導(dǎo)致文獻之間難以相互比較。在今后的研究中,規(guī)范并統(tǒng)一表征方法的數(shù)據(jù)分析標準是一項重要且有意義的工作。目前針對活性包裝薄膜的抗菌、抗氧化保鮮作用,對不同的活性物質(zhì)及其薄膜制備的方法已經(jīng)有相當數(shù)量的研究,但對薄膜的抗菌、抗氧化機理的研究還不多見,活性物質(zhì)釋放程度、速率對不同微生物以及對食品中脂肪、蛋白質(zhì)的影響也研究尚淺。因此,薄膜中活性物質(zhì)的釋放對食品基質(zhì)的影響以及薄膜的抗菌、抗氧化機理是今后主要的研究方向。