歐陽(yáng)銳，俞俊穎，林淵智，項(xiàng)雷文，施源德*

（1.福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福清 350300；2.食品軟塑包裝技術(shù)福建省高校工程研究中心，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)福建省高等學(xué)校工程研究中心，福建省-印尼海洋食品聯(lián)合研發(fā)中心，福建 福清 350300）

魚(yú)丸等魚(yú)糜制品內(nèi)含脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等物質(zhì)容易氧化變質(zhì)[1]，一般通過(guò)保鮮膜包裝并置于冷藏環(huán)境，來(lái)延長(zhǎng)保鮮期，常見(jiàn)包裝膜主要是阻隔氧氣和水分，且基本是石油基衍生材料，存在降解時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境污染大等問(wèn)題[2]。因此，研究具有生物可降解性和抗菌功能的食品包裝膜，對(duì)延長(zhǎng)食品貯藏期和減少環(huán)境污染具有重要意義。

近幾年，構(gòu)建抗菌緩釋體系是抗菌包裝材料的研究熱點(diǎn)。其中，將微膠囊技術(shù)應(yīng)用在天然抗菌劑緩釋體系中，具有適用性廣和緩釋效果好的特點(diǎn)[3-4]，該技術(shù)通常是以半透性的高分子材料為壁材，將一些易氧化、易揮發(fā)的物質(zhì)包裹，制成微米或納米的小粒子，得到緩釋材料。張家濤等[5]研究茶多酚復(fù)合涂膜對(duì)美國(guó)紅魚(yú)魚(yú)片的保鮮性能，發(fā)現(xiàn)幾種茶多酚微膠囊復(fù)合涂膜，都能形成抗菌劑緩釋體系，能有效抑制魚(yú)片中微生物的生長(zhǎng)。付秋瑩等[6]以百里香精油為芯材，多孔淀粉為壁材，采用銳孔-凝固法成功制備具有優(yōu)異緩釋效果的微膠囊。

生物可降解包裝材料是指在自然界中的微生物作用下（真菌、細(xì)菌等），能逐漸解體，最終降解成CO2、H2O、無(wú)機(jī)鹽等[7-8]的材料。其中，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是一種水溶性可降解高分子，其透明度、光澤度、抗靜電性能較好，但是其阻隔性能較差[9]。而殼聚糖（chitosan，CS）是一種無(wú)毒、生物可降解的天然高分子抑菌劑，常用于聚乙烯醇等高分子改性，是一種良好的成膜助劑[10]。課題組在前期研究發(fā)現(xiàn)CS和PVA二者共混制備可降解薄膜，能保留薄膜的優(yōu)良力學(xué)性能以及透明度，且能提高薄膜的阻隔性能[11-12]。因此，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)微膠囊技術(shù)包埋不同的天然抗菌劑，并將微膠囊融入生物可降解膜中，有望構(gòu)建良好緩釋性能的食品保藏抗菌材料。

本文分別以香芹酚、百里香酚、牛至油作為芯材，以 β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）作為壁材，通過(guò)飽和水溶液法來(lái)合成精油微膠囊，再將合成的微膠囊添加到CS與PVA復(fù)配為基底的抗菌膜中（CS/PVA），制成具有緩釋性能的可降解抗菌膜，分析抗菌膜的力學(xué)性能、阻隔性能以及對(duì)魚(yú)丸的保鮮性能，以期為魚(yú)糜制品的新型緩釋包裝材料開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

β-環(huán)糊精（分析純）：上海泰坦科技股份有限公司；百里香酚、香芹酚、牛至油、吐溫-80、乙酸、甘油、1799聚乙烯醇（均為分析純）：上海麥克林生化科技有限公司；殼聚糖（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甲基紅、溴甲酚綠（均為分析純）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

紅外光譜儀（Nicolef LS10）、傅里葉紅外光譜儀（Nicolet 380）：美國(guó)熱電公司；智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)（XLWPC）：濟(jì)南賽成有限公司；熱重分析儀（TGS-3A）：廈門紅辰科技有限公司；凱式定氮儀（K9840型）：濟(jì)南海能儀器股份有限公司；生化培養(yǎng)箱（SPX-150-B-Z）：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；手輪立式壓力蒸汽滅菌鍋（LDZX-50KBS）：上海申安醫(yī)療器械廠。

1.2 方法

1.2.1 魚(yú)丸的制作工藝

魚(yú)丸的制作方法參考文獻(xiàn)[13]。

1.2.2 精油微膠囊的制備

采用飽和水溶液法，參考文獻(xiàn)[14]的方法制備β-CD精油微膠囊。

1.2.3 CS/PVA基底膜的制備

將1 g CS加入乙酸溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%）中，充分?jǐn)嚢璐茫粚VA與蒸餾水以1∶10（質(zhì)量比）完全溶解待用；將CS乙酸溶液與PVA水溶液以3∶2（體積比）進(jìn)行共混，并添加適量甘油和吐溫-80后，在60℃下加熱攪拌1 h得到混合成膜液，超聲消泡，取一定量成膜液倒入模具中，在60℃烘箱中干燥9 h，獲得CS/PVA膜[11]。

1.2.4 微膠囊/CS/PVA膜的制備

取一定量微膠囊抗菌劑（PVA干重20%）用無(wú)水乙醇溶解后，加入基底混合成膜液，超聲消泡；取一定量成膜液倒在模具中，在60℃烘箱中干燥9 h，獲得抗菌膜[15]。此方法制得以下3種β-CD包埋的微膠囊抗菌膜：香芹酚β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（香芹酚膜）；百里香酚β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（百里香酚膜）；牛至油β-CD微膠囊/CS/PVA抗菌膜（牛至油膜）。

1.3 試驗(yàn)分組

用微膠囊抗菌膜封裝品相均一的新鮮魚(yú)丸，并在常溫（25.0±0.5）℃下進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。試驗(yàn)組：A為魚(yú)丸+香芹酚膜；B為魚(yú)丸+百里香酚膜；C為魚(yú)丸+牛至油膜；對(duì)照組：D為魚(yú)丸+CS/PVA膜；E為魚(yú)丸（無(wú)覆膜）。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 機(jī)械性能測(cè)試

參照GB/T 1040.1—2018《塑料拉伸性能的測(cè)定第1部分：總則》，測(cè)試抗菌膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.4.2 透氣性能的測(cè)試

參照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法壓差法》測(cè)試抗菌膜的氣體透過(guò)量。

1.4.3 感官指標(biāo)的評(píng)定

參照GB 10136—2015《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)物性水產(chǎn)制品》，制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[16]。評(píng)價(jià)人員由10人組成，對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，感官評(píng)分取平均值。魚(yú)丸感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 魚(yú)丸感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Fish balls freshness and sensory evaluation criteria project

1.4.4 pH值測(cè)定

參照GB 5009.237—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品pH值的測(cè)定》，采用酸度計(jì)測(cè)定其pH值。

1.4.5 抑菌性能測(cè)定

參照瓊脂擴(kuò)散法，研究抗菌膜對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陰性菌（金黃色葡萄球菌）的抑菌試驗(yàn)[17]，其中抑菌圈直徑包含濾紙（直徑16 mm）。

1.4.6 揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVBN）值的測(cè)定

參照GB 5009.228—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中揮發(fā)性鹽基氮的測(cè)定》，采用半自動(dòng)凱氏定氮儀法測(cè)定魚(yú)丸的TVB-N值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 9.0軟件繪制曲線，所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 微膠囊的性能分析

2.1.1 微膠囊的紅外光譜

β-CD、百里香酚和3種微膠囊的傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscop，F(xiàn)TIR），如圖 1所示。

圖1 微膠囊的紅外光譜Fig.1 The FTIR spectra of essential oil microcapsules

如圖1所示，在曲線a中β-CD的-OH和C-O-C伸縮振動(dòng)峰，分別出現(xiàn)在3 340 cm-1和1 030 cm-1處[18]。在曲線b中百里香酚的FTIR光譜中，可觀察到百里香酚芳香環(huán)上的C=C拉伸振動(dòng)峰和C-O的伸縮振動(dòng)峰，分別出現(xiàn)在1 870 cm-1左右和1 100 cm-1左右[19]。曲線c為物理混合的百里香酚和β-CD的紅外圖譜，圖中較好地保留了β-CD和百里香酚的特征峰，其峰的振動(dòng)強(qiáng)度與β-CD和百里香酚相比，峰形變化不大。而紅外光譜圖中百里香酚微膠囊的曲線d，除了有β-CD的特征峰以外，與百里香酚曲線b相比存在一定的差異，主要是1 870、1 100 cm-1處的2個(gè)峰強(qiáng)度有所減弱或者消失[20]，這可能是百里香酚的苯環(huán)通過(guò)疏水作用進(jìn)入β-CD的空腔中，這表明百里香酚/β-CD微膠囊成功制得。同理可知，牛至油/β-CD抗菌微膠囊和香芹酚/β-CD微膠囊也成功制備。

2.1.2 微膠囊的熱重分析

β-CD、百里香酚和3種微膠囊的熱重曲線，如圖2所示。

圖2 微膠囊的TG圖Fig.2 TG curve of microcapsules

由圖2中可知，曲線a（β-CD）出現(xiàn)2個(gè)失重區(qū)，第一個(gè)區(qū)域在100℃附近，可能是β-CD空腔中有少量的水分受熱后損失；第二個(gè)區(qū)域?yàn)棣?CD受熱分解，即在315℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生熱降解，到350℃時(shí)基本結(jié)束。而曲線b（百里香酚）只有一個(gè)失重區(qū)，在75℃左右就開(kāi)始失重，在180℃左右，完全受熱分解。與百里香酚和β-CD相比，曲線c百里香酚/β-CD微膠囊熱重曲線明顯不同，在100℃之前處于緩慢失重狀態(tài)，這可能是β-CD空穴中的結(jié)晶水被百里香酚占據(jù)，導(dǎo)致100℃之前的結(jié)晶水失重過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)，而后緩慢失重可能是百里香酚精油的釋放導(dǎo)致，直至β-CD的熱降解階段，可知β-CD包裹百里香酚揮發(fā)時(shí)長(zhǎng)，熱穩(wěn)定性更好[21]。香芹酚/β-CD微膠囊在300℃左右開(kāi)始熱降解，而牛至油/β-CD微膠囊在200℃左右就開(kāi)始熱降解。綜上，3種精油微膠囊中精油與β-CD作用都較為牢固，能使得精油的揮發(fā)性降低，達(dá)到良好的緩釋效果。

2.2 抗菌膜的性能分析

2.2.1 抗菌膜的機(jī)械性能

圖3為在抗菌微膠囊相同添加量下，3種抗菌膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比圖。

圖3 抗菌膜的機(jī)械性能Fig.3 Mechanical properties of antibacterial films

由圖3可知，與CS/PVA膜（未添加微膠囊）相比，添加微膠囊后3種抗菌膜的拉伸強(qiáng)度均有所下降，斷裂伸長(zhǎng)率都增加。其中牛至油膜和百里香酚膜的拉伸強(qiáng)度下降較多，而香芹酚膜的拉伸強(qiáng)度下降最少，這可能是微膠囊的加入能起到增塑作用，減小了分子間的作用力，柔性增加，拉伸強(qiáng)度降低；同時(shí)，百里香酚膜的斷裂伸長(zhǎng)率增加最多，這可能與添加的微膠囊顆粒（精油/β-CD）在膜中分散程度不同引起的[18]。因此，精油抗菌膜的斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)CS/PVA膜有所提高，且百里香酚膜力學(xué)性能最佳，說(shuō)明添加的抗菌微膠囊能提高膜的延展性。

2.2.2 抗菌膜的阻隔性能

圖4為3種抗菌膜和空白對(duì)照組的氣體透過(guò)系數(shù)。

圖4 抗菌膜的氣體透過(guò)系數(shù)Fig.4 Gas permeability of antibacterial films

由圖4可知，氧氣的透過(guò)系數(shù)相差不大，表明CS/PVA膜的阻隔性較好，而二氧化碳的透過(guò)系數(shù)變化比較明顯。與對(duì)照組（CS/PVA膜）相比，添加微膠囊后抗菌膜的二氧化碳透過(guò)系數(shù)都有所下降，這可能是適量微膠囊加入膜中，能延長(zhǎng)二氧化碳分子在CS/PVA基底膜中的擴(kuò)散路徑。其中，牛至油膜二氧化碳透過(guò)系數(shù)下降最多，其次是百里香酚膜，下降最少的是香芹酚膜，這可能原因是百里香酚/β-CD微膠囊粒徑最小，且在膜中分布更加均勻，使得二氧化碳分子在抗菌膜中的擴(kuò)散路徑更長(zhǎng)，導(dǎo)致二氧化碳分子的透過(guò)系數(shù)更低[21]。

2.2.3 抗菌膜的紅外光譜分析

圖5為抗菌膜和空白組膜的紅外光譜圖。

圖5 抗菌膜的紅外光譜Fig.5 The FTIR spectra of antibacterial films

由圖5可知，4條曲線在3000cm-1左右出現(xiàn)了PVA的C-H的彎曲振動(dòng)峰，在3 500cm-1左右的特征峰對(duì)應(yīng)的是PVA的-OH伸縮振動(dòng)峰。1 422、1 660 cm-1為殼聚糖酰胺的特征吸收峰[22]，983 cm-1附近的吸收峰是PVA與植物精油之間形成的環(huán)醚鍵，這種交聯(lián)作用限制了CS/PVA分子鏈的運(yùn)動(dòng)[23]，會(huì)影響抗菌膜的穩(wěn)定性以及阻隔性能。

2.3 抗菌膜對(duì)魚(yú)丸的保藏效果影響

2.3.1 貯藏期間感官評(píng)分的變化

圖6為不同膜封裝魚(yú)丸在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過(guò)程中的感官評(píng)分曲線。

圖6 貯藏過(guò)程中魚(yú)丸的感官評(píng)分Fig.6 Sensory score of fish balls during storage

由圖6可知，在前2 d，不同膜包裹的魚(yú)丸的感官評(píng)分幾乎相同，但隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，不同膜封裝的魚(yú)丸的感官評(píng)分曲線有明顯差異，在第4天時(shí)，無(wú)包覆膜和CS/PVA膜的感官評(píng)分下降比較明顯，且CS/PVA的感官評(píng)分高于無(wú)包覆膜，這可能是CS和PVA本身的抑菌官能團(tuán)的作用。在第5天，3種抗菌膜包裹的魚(yú)丸的感官品質(zhì)相對(duì)較為穩(wěn)定，評(píng)分曲線下降較為平緩，感官評(píng)分明顯高于無(wú)抗菌膜包裹的魚(yú)丸，這可能與抗菌膜中微膠囊內(nèi)抗菌劑的緩釋效果有關(guān)[24-25]，即在貯藏后期抗菌劑還能維持較高的濃度，從而延緩魚(yú)丸變質(zhì)。其中，采用香芹酚膜包覆的魚(yú)丸的感官評(píng)分稍優(yōu)于另外2種抗菌膜，而無(wú)膜包覆的魚(yú)丸感官評(píng)分最低。制備的3種植物精油微膠囊抗菌膜的緩釋保鮮效果都比較明顯，能延長(zhǎng)魚(yú)丸貨架期。

2.3.2 貯藏期間pH值的變化

圖7為不同膜封裝魚(yú)丸的在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過(guò)程中的pH值曲線。

圖7 貯藏過(guò)程中魚(yú)丸pH值的變化Fig.7 Changes of pH of fish balls during storage

由圖7可知，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，pH值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)轸~(yú)丸中微生物繁殖并分解蛋白質(zhì)，產(chǎn)生了堿性化合物，引起pH值上升[11]。從第2天開(kāi)始pH值下降，這可能與魚(yú)丸中淀粉等的水解產(chǎn)物發(fā)生無(wú)氧降解，以及微生物利用糖類產(chǎn)生乳酸等有關(guān)。貯藏時(shí)間為4 d～5 d時(shí)，有添加微膠囊的抗菌膜的pH值下降幅度較小，這可能是微膠囊中植物精油緩慢釋放，抑制了細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，從而減小pH值的降低幅值[21]，其中，香芹酚膜組的pH值變化幅度最小，無(wú)包覆保鮮袋組的pH值變化的幅度最大。

2.3.3 貯藏期間TVB-N值的變化

圖8為不同膜封裝的魚(yú)丸在常溫（25.0±0.5）℃下貯藏過(guò)程中TVB-N的變化曲線。

由圖8可知，前2 d所有試驗(yàn)組的TVB-N值變化程度都較為接近，在貯藏第2天后，3組精油微膠囊膜包裹的魚(yú)丸TVB-N值曲線斜率較小，可能是微膠囊中抗菌劑的緩釋出來(lái)抑制了魚(yú)丸中微生物的繁殖，減少魚(yú)丸TVB-N值的產(chǎn)生[19]，其中香芹酚膜包裹魚(yú)丸TVBN值曲線斜率最小，其它TVB-N值的曲線斜率增大順序：百里香酚膜＞牛至油膜＞CS/PVA膜＞無(wú)包裹組，這與上述pH值的結(jié)果一致，且在貯藏第5天的時(shí)候無(wú)包裹組保鮮效果超過(guò)30 mg/100 g，魚(yú)丸已經(jīng)明顯腐敗。

圖8 貯藏過(guò)程中魚(yú)丸TVB-N值的變化Fig.8 TVB-N changes of fish balls during storage

2.4 抗菌膜的抑菌性能

圖9分別是抗菌膜對(duì)大腸桿菌和革蘭氏陰性菌的抑菌效果圖，表2是抑菌圈直徑的均值。

圖9 大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈Fig.9 The inhibition zone of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

表2 抗菌膜抑菌圈數(shù)值Table 2 Antibacterial film inhibition zone value

結(jié)合圖9和表2可知，4組抗菌膜對(duì)金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽(yáng)性菌）的抑菌效果都較好，且都要優(yōu)于對(duì)大腸桿菌（革蘭氏陰性菌）。其中，香芹酚膜對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制效果最好，而牛至油膜和百里香酚膜對(duì)大腸桿菌的抑制效果次之，CS/PVA膜抑制效果最差，這是因?yàn)榫臀⒛z囊的在培養(yǎng)基中有效抗菌濃度及其對(duì)不同菌的抗菌機(jī)理不同有關(guān)。

3 結(jié)論

本文成功制備了β-CD包裹的香芹酚、百里香酚、牛至油3種微膠囊，并將微膠囊添加到殼聚糖和聚乙烯醇復(fù)配的基底膜中，研究添加不同種類的微膠囊對(duì)抗菌膜的力學(xué)性能和抗菌性能的影響。結(jié)果表明，在添加等質(zhì)量抗菌劑膠囊（PVA干重20%）的情況下，相對(duì)CS/PVA膜，3種微膠囊添加到基底膜中，都使得膜的斷裂伸長(zhǎng)率增加，拉伸強(qiáng)度下降，阻隔性能增強(qiáng)，其中百里香酚膜力學(xué)性能和阻隔性能最佳。此外，3組精油抗菌膜在常溫（25.0±0.5）℃下真空封裝魚(yú)丸，由魚(yú)丸貯藏期間TVB-N值、pH值和感官評(píng)分變化可知，添加香芹酚/β-CD微膠囊的抗菌膜緩釋抑菌效果最好，該研究有望為天然抗菌劑合成微膠囊抗菌膜，并應(yīng)用在食品保鮮方面提供實(shí)踐參考，同時(shí)也有利于減少石油基塑料對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。