聚乳酸/聚丁二酸-己二酸丁二酯可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花的保鲜效果

蒋金勇，唐海兵，栾东磊，李 立*

（上海海洋大学食品学院，食品热加工工程技术研究中心，上海 201306）

西兰花（Brassica oleracea L.）又名青花菜、绿菜花，富含人体所必需的VC、蛋白质、抗氧化及抗癌成分，深受消费者的喜爱。由于西兰花采后呼吸强度大、代谢旺盛，在常温下容易发黄、失水、丧失叶绿素[1]。所以在西兰花的生产加工过程中，如何保持其品质、抑制其呼吸强度及延缓生命活动，进而延长其货架期，成为当今的研究热点。

茶树精油（tea tree essential oil，TTO）为桃金娘科（Myr-taceae）白千层属（Melaleuca）植物互叶白千层（Melaleuca alternifolia）的叶和枝条末梢经水蒸气蒸馏而得的无色至淡黄色精油。研究表明，添加茶树精油的果蔬具有较好的抗菌活性，能有效抑制果蔬表面的微生物，降低其腐败率。生姜精油（ginger essential oil，GEO）是生姜根茎的提取物，是经超临界二氧化碳萃取、水溶处理后，所得到的一种淡黄色可流动的液体，其主要成分是倍半萜烯类碳水化合物、氧化倍半萜烯[2-3]。两种天然的植物精油均能够作为食品的保鲜剂，可有效延长果实的贮藏寿命，具有取代化学杀菌剂而成为新型生物保鲜剂的潜力，起到绿色保鲜的效果。

聚乳酸（polylactic acid，PLA）又称为聚丙交脂，是以小麦、玉米等一些植物中提取的淀粉为原料，再经酶分解、乳酸菌发酵后所得到的高纯度PLA树脂。PLA的主要原料为乳酸，且具有优良生物可降解性和较好的生物相容性，其降解产物能够安全地参与人体代谢，已经被美国食品药品监督管理局认可，广泛应用于医疗手术缝合线、微球、组织修复材料等制作中[4-5]。聚丁二酸-己二酸丁二酯（poly(butylene succinate-co-adipate)，PBSA）是90年代初开发的一类脂肪族聚酯，是聚丁二酸丁二醇酯的共聚物，在添加了己二酸共聚分子后，其分子链的结晶度降低且柔性增加，从而更加容易实现生物降解。

目前关于可生物降解和活性包装薄膜鲜有报道。付正义等[6]仅研究了单一纯PLA薄膜对蟹味菇的保鲜效果；潘怡丹等[7]研究发现麝香草酚-PLA薄膜的活性物质能有效保持蓝莓果实的质地并延长其货架期；王维海等[8]采用气调贮藏的方式对樱桃进行保鲜研究，结果表明，体积分数7% O2+20% CO2能有效降低雷尼樱桃的腐败率，减少风味损失。

本实验以PLA/PBSA为基材，加入扩链剂、抗菌成分，调控薄膜的透气量及CO2/O2透气比，加入的PBSA作为改性物质，能够使改性的可降解薄膜既具非生物降解薄膜的机械性能，又具有抗氧化、自发气调的能力，通过自发气调，能使可降解包装内创造出低氧、适宜体积分数的CO2环境，再加入活性成分生姜精油与茶树精油，通过高CO2/O2透气比与活性成分的协同作用，更好地抑制西兰花的呼吸作用及包装内微生物的生长，延长其货架期。同时考察薄膜包装微环境下O2和CO2体积的变化情况及可降解薄膜抗氧化效果，并以可溶性固形物质量分数、丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量、叶绿素含量等作为衰败指标，辅以感官评定，来评价不同可降解薄膜的保鲜效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜西兰花于2018年1月14日早6点采摘于上海市浦东新区泥城镇农户蔬菜园。

PLA 美国Nature Works公司；PBSA 日本昭和电工株式会社；扩链剂（TMP6000） 杭州曦茂科技有限公司；茶树精油、生姜精油 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、无水乙醇、碳酸氢钠、碳酸钙、2,6-二氯靛酚、三氯乙酸、2-硫代巴比妥酸、抗坏血酸、草酸（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

LSSL-20双螺杆挤出机、LYJ-流延机、XSS-300转矩流变仪 上海科创橡塑机械设备有限公司；UV2100紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；XLW智能电子拉力试验机、PERME G2/132透气率测试仪 济南兰光机电技术有限公司；PERMATRAN-W MODEL1/50水蒸气透过系数测试仪 美国Mocon公司；Checkmate 3微量残氧仪丹麦PBI Dansensor公司；LH-T32手持式糖度计 上海精科仪器有限公司；TA Instruments Q2000差示扫描量热仪美国Waters公司；S3400扫描电子显微镜 日本日立公司；超净工作台 美国Labconco公司。

1.3 方法

1.3.1 可降解抗氧化薄膜制备

分别制作PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA 3 种可降解薄膜，具体参考户帅锋等[9]的制备方法略作修改。

分别将茶树精油、生姜精油各以3%（以薄膜总质量计，下同）的比例加入到96.8% PLA/PBSA（9∶1，m/m）树脂颗粒中，再加入0.2%的扩链剂，得到TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA混合物，以PLA/PBSA树脂颗粒为空白基膜；将这3 种混合物经充分混匀搅拌后，通过双螺杆挤出及单螺杆流延，得到3 种对应的可降解抗氧化薄膜。

双螺杆挤出设备1～7区温度分别为：145、150、170、170、175、175、175 ℃，转速为50 r/min。单螺杆挤出机各区温度为100、140、160、175 ℃，转速为40 r/min。

1.3.2 西兰花包装贮藏实验设计

选取适宜采收花丛紧密、色泽均一，且无病虫害的西兰花，然后将挑选后的西兰花样品用锋利的刀具切割成大小相同（50 g）的花球，分为3 个实验组（可降解薄膜组）和1 个对照组（无薄膜包装）共4 个组别，每组设置3 个平行。然后将实验组分装入不同的可降解保鲜袋（15 cm×20 cm，厚（40±3）µm）中，抽真空并注入相同的空气，从而保证初始气体体积分数一致。将所有组置于常温（（24±1）℃）、相对湿度不小于95%的环境内，每天进行取样测试，当西兰花出现腐烂或者黄化时，则终止贮藏。

1.3.3 可降解抗氧化薄膜性能测试

断面微观结构的测定：取样品于液氮中脆断处理，然后将样品粘贴于样品台，脆断面朝上，置于离子溅射镀膜仪内15 mA条件下喷金镀膜60 s以提高导电性，取出，曝真空，将样品放入腔内并设置高度及大小，在5 kV加速电压下，电子扫描显微镜观察薄膜断面结构。

拉伸强度的测定：用切割刀将薄膜样品裁成150 mm×15 mm的长条状，测试环境为：温度25 ℃、相对湿度95%，测试时，将长条状薄膜样品上下加紧对齐，初始夹距为50 mm，拉伸速率为50 mm/min。每组样品薄膜测试5 次，记录数据。

O2、CO2透过率的测定：依据GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》，用切割刀将薄膜样品裁成直径90 mm的圆形样品膜，测试环境为：温度23 ℃、相对湿度50%，将圆形样品薄膜密封贴于气体渗透测试仪的检测腔内，测试薄膜的气体透过率。每组样品薄膜分别测试3 次，记录数据。

水蒸气透过系数的测定：利用水蒸气透过系数测试仪，参考ASTM E398—13Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate of Sheet Materials Using Dynamic Relative Humidity Measurement，测试环境为：温度37 ℃、相对湿度100%，每组薄膜分别测试3 次，记录数据。

1.3.4 西兰花指标测定

1.3.4.1 理化指标测定

薄膜包装袋内CO2、O2体积分数：采用微量残氧仪注射测定。

可溶性固形物质量分数：将西兰花研磨成浆，滤布过滤滴在手持式折光仪上进行测定。

DPPH自由基清除能力：参考韦献雅等[10]的方法并略修改，将3 片（每片面积为12 cm2）样品薄膜剪碎置于含50 mL、体积分数95%乙醇溶液的锥形瓶中，在60 ℃条件下密封避光保存4～5 h后，在517 nm波长处测定吸光度。

VC含量的测定参考曹建康等[11]的方法。

叶绿素含量：取2.0 g样品放入研钵，加少量石英砂和3 mL体积分数95%乙醇溶液，研成匀浆，再加体积分数95%的乙醇溶液10 mL，研磨至组织变白，过滤并用体积分数95%乙醇溶液定容至50 mL棕色容量瓶中，取叶绿素提取液，在645、663 nm波长处测定吸光度，以体积分数95%乙醇溶液为空白对照，具体计算参考曹建康等[11]的方法。

MDA含量：参考高雪等[12]的方法并略有修改，称取1.0 g样品置于研钵，加入5.0 mL 100 g/L三氯乙酸溶液，研磨成浆后，转移至试管，再加入5.0 mL、0.67 g/100 mL硫代巴比妥酸溶液（0.1 g/mL三氯乙酸溶解），混合后在沸水浴中煮沸20 min，冷却30 min后，5 000 r/min、4 ℃离心15 min，分别测定上清液在450、532 nm和600 nm波长处的吸光度。

所有指标测定时，将西兰花茎、花球剪碎混合后处理，每个指标及样品均重复3 次。

1.3.4.2 感官评定

从不同实验室随机选取6 名感官评定成员，通过对西兰花的质构、色泽、气味、腐败情况和组织形态5 项指标进行评价，分为4 个标准级，总得分大于6 分说明西兰花仍具商品价值。具体评分标准见下表1。

表1 西兰花感官指标的评分标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of broccoli

1.4 数据处理与分析

使用SPSS 22.0软件统计数据，并采用Duncan’s进行差异显着性分析，P＜0.05表示差异显着，并用Origin 8.0软件作图

2 结果与分析

2.1 不同薄膜包装的物理性能

由表2可知，GEO-PLA/PBSA薄膜的O2、CO2透过率和水蒸气透过系数最高，其次为PLA/PBSA，TTO-PLA/PBSA最低。生姜精油的加入破坏了PLA分子间的氢键，进而提高了水蒸气透过系数及气体透过率。CO2/O2透气比为30∶1时，具有较好的气体自主调节能力，既能降低植物的呼吸作用，又能释放包装内的CO2[13]，而GEO-PLA/PBSA薄膜的CO2/O2的透气比为30∶1。PLA/PBSA薄膜拉伸强度为47.28 MPa，加入生姜精油后，拉伸强度降至29.40 MPa，较好地改善了PLA材料的脆性并提升了其柔韧性。

表2 可降解抗氧化薄膜的物理性能Table 2 Physical properties of different degradable antioxidant fi lms

2.2 可降解抗氧化薄膜断面微观结构

图1 可降解抗氧化薄膜断面的微观结构Fig. 1 Cross-sectional microstructure of degradable antioxidant fi lms

由图1A可知，PLA/PBSA空白基膜的断面中间光滑、平整，但两边较为毛糙，表明PLA与PBSA共混成膜性较好，同时与PBSA的混合也改善了纯PLA树脂加工成型性能。由图1B、C可知，加入3%茶树精油或3%生姜精油后，可降解薄膜的断面变得更光滑、平整、紧凑，表明加入的活性成分能够较好地分散在树脂分子链中，且降低了大分子间的相互作用，进一步改善了加工成型性能[14]。此外，添加活性成分前、后的PLA/PBSA可降解薄膜断面均未出现网状结构或者出现气泡、分子团簇现象，这也说明PLA与PBSA、生姜精油、茶树精油均有着良好的相容性。

2.3 可降解抗氧化薄膜的DPPH自由基清除能力

图2 可降解抗氧化薄膜的DPPH自由基清除能力Fig. 2 DPPH radical scavenging capacity of different degradable antioxidant fi lms

由图2可知，PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA、GEO-PLA/PBSA薄膜的DPPH自由基清除能力分别为36.1%、41.4%和70.0%。GEO-PLA/PBSA薄膜DPPH自由基清除能力最高，主要是因为其主要活性成分愈创木酚作为供氢体与自由基发生反应，终止了自由基的链式反应，使DPPH溶液褪色明显[15]。未加入精油的PLA/PBSA薄膜具有DPPH自由基清除能力，是由于其前期熔融加工成膜过程中，为防止树脂加工过程中材料氧化加入了抗氧化剂；但TTO-PLA/PBSA薄膜的DPPH自由基清除能力也不高，表明茶树精油抗氧化效果较差[16]。以上结果说明，生姜精油抗氧化能力突出，能较好地抑制果蔬的氧化反应，延缓西兰花的衰败进程。

2.4 西兰花贮藏过程中可降解抗氧化薄膜中O2和CO2体积分数的变化

图3 可降解抗氧化薄膜CO2/O2调控机制Fig. 3 CO2/O2 regulation mechanism of degradable antioxidant fi lms

图3 为GEO-PLA/PBSA组自主调节呼吸调控机制：包装微环境中CO2和H2O能从内部释放出去，同时少量O2从外界进来[17]。果蔬在采后贮藏的时候，由于其呼吸及蒸腾作用会向外界释放大量水蒸气和二氧化碳，适当地同外界交换气体、水分能有效抑制微生物的生长[18]。对于透湿和透气性能较好的薄膜，能够从包装内散发出不必要的水分，同时防止袋内CO2含量过高造成无氧呼吸，产生酸、醛、酮等中间产物，破坏果蔬的正常新陈代谢，最终加速果蔬的腐败和微生物的滋生。

图4 西兰花贮藏过程中可降解抗氧化薄膜包装内O2和CO2体积分数的变化Fig. 4 Changes in O2 and CO2 proportions in degradable antioxidant fi lm packaging during the storage of fresh-cut broccoli

由图4可以看出，3 组包装袋内CO2体积分数呈不断上升的趋势，O2体积分数不断下降。其中PLA/PBSA组、TTO-PLA/PBSA组在第2天时，其O2体积分数就降至为0%，包装微环境内低氧、高二氧化碳的现象主要可以归结于较低的O2和CO2渗透系数[19]。有研究表明，气调包装内气体比例为40% O2+60% CO2时，保鲜效果最佳，能显着降低呼吸速率和乙烯释放量[20]。生姜精油组中，O2体积分数为8.9%～12.7%，CO2体积分数为7.8%～12.6%，和最佳的气调比例相接近，能够更加容易地同外界交换气体。GEO-PLA/PBSA薄膜由于其本身具有较高CO2/O2透气比，使得膜内外CO2和O2含量维持在一个平衡状态，有效抑制了西兰花的呼吸作用，降低了有机物等营养物质的消耗，最终延长了鲜切西兰花的贮藏期。

2.5 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中可溶性固形物质量分数的影响

图5 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中可溶性固形物质量分数的影响Fig. 5 Changes in soluble solid content in fresh-cut broccoli with degradable antioxidant fi lm packaging during storage

可溶性固形物主要包括可溶性糖、可溶性蛋白质、酸、矿物质等，其质量分数是衡量果蔬是否成熟的重要指标[21]。由图5可知，西兰花的可溶性固形物质量分数呈先上升后下降的趋势，主要原因是开始时包装内相对湿度较低，促进了西兰花的蒸腾作用，使得可溶性固形物质量分数在贮藏初期上升；贮藏3 d后，随包装内相对湿度增加，蒸腾作用被抑制，西兰花的呼吸作用占据主导地位，有机物质开始分解，可溶性固形物质量分数不断下降。其中CK组可溶性固形物质量分数从第1天后就不断下降，第2天降至8.8%，远低于其他组，说明该组大分子物质分解速度较快；GEO-PLA/PBSA组可溶性固形物损失较少，第7天时其质量分数仍为9.8%，说明GEO-PLA/PBSA薄膜能更好地抑制西兰花大分子物质的分解。

2.6 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中VC含量的影响

图6 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中VC含量的影响Fig. 6 Changes in VC content in fresh-cut broccoli with degradable antioxidant fi lm packaging during storage

VC含量是评价果蔬贮藏期间营养价值的重要指标之一，西兰花本身VC含量很高，但容易氧化流失[22]。由图6可以看出，随着贮藏时间的延长，VC含量呈不断下降的趋势。3 种包装均能不同程度减缓VC含量的下降，在贮藏第4天时，GEO-PLA/PBSA组VC含量为92.49 mg/100 g，PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA组含量分别是78.67、65.83 mg/100 g，而CK组含量为GEO-PLA/PBSA组的57.66%。说明与CK组相比，可降解抗氧化薄膜可有效抑制西兰花贮藏过程中VC的损失。

2.7 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中叶绿素含量的影响

图7 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中叶绿素含量的影响Fig. 7 Changes in chlorophyll content in fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

叶绿素是植物进行光合作用的一类重要的色素，果蔬在贮藏期间，叶绿素含量会不断下降，进而出现萎焉发黄的现象[23-24]。由图7可知，贮藏2 d后，GEO-PLA/PBSA组叶绿素含量均显着高于其余组。在第5天时，GEO-PLA/PBSA、PLA/PBSA、TTO-PLA/PBSA组叶绿素含量分别为0.233、0.181 mg/g和0.188 mg/g，分别为初始含量的76.33%、59.34%和61.64%，此时PLA/PBSA组和CK组（0.178 mg/g）无显着性差异（P＞0.05）。贮藏末期（7 d），GEO-PLA/PBSA组叶绿素含量仍较高，为初始含量的65.85%，主要归功于薄膜高透湿、透气的性能以及薄膜内抗氧化成分的释放，明显延缓了鲜切西兰花内叶绿素的降解，其效果要显着优于其他组阻隔性较高的薄膜。

2.8 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中MDA含量的影响

果蔬在后熟的过程中，细胞会发生脂质过氧化作用，MDA含量能反映细胞损伤程度[25-26]。如图8所示，随着贮藏时间的延长，鲜切西兰花中MDA不断积累，其中CK组MDA含量增长幅度最大，第7天时，CK、PLA/PBSA组和TTO-PLA/PBSA组MDA含量分别达到10.68、7.64 μmol/kg和8.55 μmol/kg，显着高于GEO-PLA/PBSA组（5.82 μmol/kg）（P＜0.05）。随着贮藏时间的延长，活性物质会在包装内部缓释，GEO-PLA/PBSA组膜中的生姜精油成分能有效抑制脂肪的氧化腐败[27]。6 d后，加入生姜精油或茶树精油的薄膜，其MDA含量的折线斜率开始增大，同CK组增长速率较为一致，表明此时GEO-PLA/PBSA组和TTO-PLA/PBSA组脂质过氧化程度和膜系统伤害程度增强。

图8 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中MDA含量的影响Fig. 8 Changes in MDA content in fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

2.9 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中感官得分的影响

表3 可降解抗氧化薄膜对鲜切西兰花贮藏过程中感官得分的影响Table 3 Changes in evaluation scores for fresh-cut broccoli with different degradable antioxidant fi lm packaging during storage

感官品质是判断果蔬感官质量优劣的重要手段，直接影响其货架期及居民消费欲望[28]。由表3可以看出，西兰花的感官评分随着贮藏时间的延长不断下降。CK组在贮藏第1天时，由于其空气直接接触，呼吸作用较强且失水较多，感官得分显着低于其他组；到第3天时，由于与空气的长时间接触，花球表面枯萎、氧化发黄，感官得分仅为5.25 分，已经完全失去其商品价值。PLA/PBSA和TTO-PLA/PBSA感官评定得分差异不明显，这两组在第3天时包装内即出现小水珠，西兰花因进行无氧呼吸产酸发臭而产生酸臭味，开始丧失其食用价值。而GEO-PLA/PBSA组西兰花贮藏3 d后，色泽为浅绿且残存清香，依旧存在商品价值，较CK组货架期延长了2～3 d。由于生姜薄膜的高透气率，且CO2/O2透气比达30∶1，较好地控制了包装微环境中气体比例，抑制了西兰花的呼吸强度，进而维持了其良好的感官及营养价值[29-30]。

3 讨 论

果蔬在衰老的过程中，会出现自身活性氧代谢失调，诱导膜脂中的不饱和脂肪酸发生过氧化作用，导致质膜的通透性和MDA含量增加，加速果蔬衰老的进程[31]。传统的聚乙烯包装或者是气调包装，难以维持袋内O2和CO2含量稳定。传统的气调包装容易造成袋内果蔬进行无氧呼吸，进而产生乙醇、乙醛等异味物质并滋生细菌，加速了果蔬的腐烂过程。自发气调包装与活性物质的结合的组合，不仅能有效控制保鲜袋微环境中O2和CO2的比例，降低果蔬的呼吸作用[32-33]，还能抑制细菌霉菌的生长繁殖，减缓其组织褐变进程，有效延长果蔬的贮藏期。

在本实验中，GEO-PLA/PBSA可降解薄膜显示出最佳的保鲜效果，其透湿和透气性能较优，且具有高CO2/O2透气比，能容易地与外界交换气体、水分，使得膜内外CO2/O2的比例保持平衡。此薄膜包装下的西兰花进行微弱的需氧活动，降低了有机物等营养物质的消耗，同时由于生姜精油具有较强的DPPH自由基清除能力，有效延缓了叶绿素、VC的损失，抑制了MDA含量的增加，避免了细胞膜结构和功能遭到破环，保持了西兰花的品质；与对照组相比，GEO-PLA/PBSA组西兰花在常温条件下货架期延长2～3 d。但是对于可降解抗氧化薄膜是如何降低西兰花生理代谢的机理亟待进一步的研究与讨论。