魔芋甘聚糖-海藻酸鈉復(fù)合涂膜對生姜的保鮮性能

楊麗麗 葛永紅 門衍玉 王健源 孫 彤* 勵建榮

（1 渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧省食品安全重點實驗室 遼寧錦州121013 2 生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 遼寧錦州121013 3 渤海大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 遼寧錦州121013）

生姜（Zingiber officinale Roscoe）又名姜、姜根，常見調(diào)味植物，是兼具“藥食同源”特性的傳統(tǒng)中藥之一[1]。生姜貯藏和銷售過程中存在褐變、腐爛等問題，導(dǎo)致生姜品質(zhì)下降，嚴(yán)重縮短其貨架期[2]。常用的生姜貯藏保鮮方法包括窖藏法、埋藏法、井窖貯藏、澆水貯藏及O2/CO2氣調(diào)法。這些方法雖能在一定程度上保持生姜的品質(zhì)，但受環(huán)境溫濕度、氣體比例和生姜自身含水量及其機(jī)械損傷的影響較大。涂膜保鮮是果蔬貯藏的主要輔助技術(shù)。天然多糖因具有安全性、天然性和可降解性[3]等特點，而成為近年的研究熱點。海藻酸鈉（sodium alginate，SA）無毒、無味，具有良好的保濕性、成膜性、穩(wěn)定性和可生物降解性，且其成本低，在食品工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)有廣泛應(yīng)用[4-5]。目前，SA 涂膜已用于芒果[6]、冬棗[7]等果蔬的保鮮。魔芋甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種可再生的天然高分子化合物，溶于水后能形成高黏度的假塑性溶液，具有黏性高、穩(wěn)定性好、成膜性好等優(yōu)點，在可食用膜方面具有廣闊的應(yīng)用前景[8-10]。有研究表明，KGM 涂膜可有效延長白沙枇杷[11]、藍(lán)莓[12]、草莓[13]等果蔬的貨架期。單一涂膜保鮮效果不理想，復(fù)合涂膜可使各種膜成分發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補(bǔ)單一涂膜的不足，因而其具有更廣闊的應(yīng)用前景[14]。有研究表明，SA 和KGM復(fù)配體系有協(xié)同作用，兩者混合得到的復(fù)合膜具有較高的黏度[15]。Fan 等[16]通過改性KGM 與羧甲基殼聚糖、氧化石墨烯制得具有優(yōu)異抗壓輕度的三元共混水凝膠。杜剛等[17]研究發(fā)現(xiàn)含有魔芋精粉和抗壞血酸的SA 復(fù)合涂膜劑能有效提高櫻桃、李子和番茄好果率，抑制呼吸作用，降低水分蒸騰。

為獲得對生姜具有良好保鮮性能的復(fù)合涂膜，本文研究原料比例對KGM/SA 復(fù)合涂膜微結(jié)構(gòu)、理化性能及保鮮性能的影響，旨在為可食性膜的應(yīng)用研究提供參考，為生產(chǎn)實踐提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜：產(chǎn)地為山東昌邑。其它試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

Scimitar 2000 NearFT-IR Spectromter 傅里葉變換紅外光譜儀，美國安捷倫公司；Rigaku Utima IV-X 射線粉末衍射儀，日本理學(xué)；TA-XTPLUS 質(zhì) 構(gòu) 儀，Stable Micro Systems 公 司；UV-2250 紫外-可見光光度計，尤尼柯儀器有限公司；721N 型可見光分光度計，美國瓦里安公司；SK6210HP 超聲波清洗器，上?？瞥瑢?dǎo)儀器有限公司；CYES-II 型O2/CO2氣體測定儀，上海嘉定學(xué)聯(lián)實業(yè)有限公司；DGG-9053AD 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；CJJ79-1 型磁力加熱攪拌器，威瑞科教儀器有限公司；LRH-150生化培養(yǎng)箱，上海恒科技有限公司；AG135 電子分析天平，Mettler Toledo 公司。

1.3 SA 涂膜及KGM/SA 復(fù)合涂膜的制備、表征及理化性能測定

1.3.1 SA 涂膜及KGM/SA 復(fù)合涂膜的制備 常溫下將0.6%的KGM 溶液與1.0%的SA 溶液分別按體積比KGM ∶SA=0 ∶1，1 ∶2，1 ∶1，2 ∶1 的比例混合，充分?jǐn)嚢韬?，?00 mL 涂膜液中加入0.1 mL甘油，攪拌均勻，于30 ℃恒溫條件下超聲脫氣10 min 至溶液中無氣泡。取40 mL 涂膜液在20 cm×20 cm 亞克力板上流延成膜，30 ℃恒溫干燥，揭膜，置于干燥器中，24 h 后測定其各項性能。

1.3.2 KGM/SA 復(fù)合涂膜的表征 采用KBr 壓片法測定不同條件下復(fù)合涂膜的FT-IR 光譜。采用X 射線粉末衍射儀對復(fù)合涂膜進(jìn)行X 射線衍射分析。

1.3.3 涂膜理化性能的測定

1.3.3.1 涂膜機(jī)械性能測定 采用TA-XT-PLUS質(zhì)構(gòu)儀測量涂膜的拉伸強(qiáng)度（σt）和斷裂伸長率（εt）。樣品的長和寬分別為70 mm 和20 mm，夾具之間距離為40 mm。

式中：σt——拉伸強(qiáng)度，MPa；P——涂膜拉伸斷裂時的拉力，N；b——試樣的寬度，mm；d——試樣的厚度，mm；εt——斷裂伸長率，%；L0——試樣的原始長度，mm；L——試樣斷裂時的長度，mm。

1.3.3.2 涂膜水蒸氣透過量測定 采用失重法。在溫度30 ℃條件下，在稱量瓶中盛入不超過2/3的蒸餾水，用復(fù)合膜包住稱量瓶口，密封，置于30℃烘箱中，每隔12 h 稱量1 次稱量瓶的質(zhì)量，連續(xù)測量3 次。按下式計算膜的水蒸氣透過率：

式中：WVTR——水蒸氣透過量，g/（h·m2）；△m——稱量瓶質(zhì)量減少量，g；A——膜的面積，m2；t——測定時間，h。

1.3.3.3 涂膜透O2、CO2性測定 參考GB1038-70 《塑料薄膜透氣性試驗方法》 并作修改。采用CYES-Ⅱ型氧/二氧化碳?xì)怏w測定儀測定O2/CO2濃度，并計算膜的O2、CO2透過率，每組重復(fù)平行測定3 次。

式中：CDP——CO2透過率，cm2/（d·kPa）；OP——O2透過率，cm2/（d·kPa）；A——膜的有效透氣面積，cm2；d——膜的平均厚度，cm；△P——測定時膜兩側(cè)的氣體壓差；VO2——24 h 的穩(wěn)定透氧氣體積，mL；VCO2——24 h 的穩(wěn)定透二氧化碳?xì)怏w積，mL。

1.3.3.4 涂膜透光性測定 剪成比色皿大小的涂膜，粘貼在比色皿架上，測定波長450 nm 處的透光率，以“透光率×厚度”表示測定結(jié)果。

1.4 生姜保鮮性能測定

將生姜自然晾干。選用大小相似、無病蟲害的生姜，隨機(jī)分成若干組，分別用不同原料比例的KGM/SA 復(fù)合膜液浸泡5 min，自然風(fēng)干，于13 ℃（±1.0 ℃）、相對濕度90%～95%的條件下貯藏待用。

1.4.1 失重率和呼吸強(qiáng)度 采用重量法測定生姜涂膜前、后的質(zhì)量，計算失重率[11]。用密封袋將一定質(zhì)量的生姜密封，采用CYES-Ⅱ型氧/二氧化碳?xì)怏w測定儀每20 min 測定1 次O2/CO2濃度，計算生姜的呼吸強(qiáng)度，單位為mg CO2/（kg·h）。

1.4.2 總酚和類黃酮含量 參照Pirie 等[18]的方法?？偡雍坑谩鱋D280/g FW 表示；類黃酮含量用△OD325/g FW 表示。

1.4.3 酶活性 多酚氧化酶（PPO）和過氧化物酶（POD）活性測定參照Gong 等[19]和Liu 等[20]的方法；苯丙氨酸解氨酶活性（PAL）測定參照丁薪源[21]方法。多酚氧化酶和過氧化物酶活性均用U/g 表示，苯丙氨酸解氨酶活性用U/g FW 表示。

1.4.4 抗壞血酸（AsA）、可溶性總糖和可滴定酸（TA）含量 生姜抗壞血酸（AsA）含量參照楊艷杰等[22]的方法，采用分光光度法測定，以AsA μg/g FW 表示；可溶性總糖含量參照Zeng 等[23]的方法，采用蒽酮比色法測定，以%表示；可滴定酸（TA）含量采用NaOH 堿滴定法測定，以mol/L 表示。

每個試驗數(shù)據(jù)均采用3 次平行試驗的平均值，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 KGM/SA 復(fù)合涂膜結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 KGM/SA 復(fù)合涂膜的FT-IR 及XRD 分析由圖1（1）可見，不同比例KGM/SA 復(fù)合涂膜的FT-IR 譜圖中，3 500～3 300 cm-1的寬吸收峰是由-OH 伸縮振動引起的。2 933 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于C-H 的伸縮振動，2 354 cm-1處的吸收峰是空氣中CO2的吸收峰。1 647 cm-1處的吸收峰是由C=O 伸縮振動引起的，為KGM 的-OH 基團(tuán)與SA的-COO 基團(tuán)的相互作用的結(jié)果。1 620 cm-1與1 404 cm-1處的吸收峰是SA 結(jié)構(gòu)中對稱的-COONa 伸縮振動引起的，1 120，1 040 cm-1與1 030 cm-1處的吸收峰是C-O-C 的彎曲振動峰。對于不同比例的SA 和KGM 涂膜，隨著KGM 的增加，涂膜中C=O 的伸縮振動增強(qiáng)，-OH 伸縮振動明顯減弱?？赡苁怯捎赟A 與KGM 發(fā)生酯化作用，-COO 基團(tuán)吸收峰增強(qiáng)。

由圖1可見，單一的SA 涂膜無X 射線衍射峰出現(xiàn)，當(dāng)加入KGM 制備成復(fù)合涂膜時，樣品在2θ 角為20.0°處出現(xiàn)衍射峰，各峰的高度和寬度不一。劉毅等[24]對KGM 進(jìn)行X 射線衍射分析，KGM在20.9°處呈現(xiàn)出尖銳且較大的衍射強(qiáng)度的吸收峰。當(dāng)KGM∶SA=1∶2 和2∶1 時，特征峰的強(qiáng)度較強(qiáng)，說明SA 與KGM 分子間相互作用較弱。當(dāng)KGM ∶SA=1 ∶1 時，特征峰強(qiáng)度明顯減弱，表明KGM 與SA 分子間發(fā)生酯化作用，KGM 的晶體結(jié)構(gòu)被破壞。這與劉毅[24]對KGM 酯化改性后X 衍射結(jié)果一致。

圖1 KGM/SA 復(fù)合膜的FT-IR（a）和XRD（b）圖Fig.1 FT-IR spectrum（a）and XRD patterns（b）of KGM/SA composite coatings

2.1.2 KGM/SA 復(fù)合涂膜的理化性能分析 由表1可見，隨著KGM 添加量的增大，復(fù)合涂膜的斷裂伸長率有所改善，而拉伸強(qiáng)度顯著降低。其中，KGM 與SA 質(zhì)量比為2 ∶1 涂膜的斷裂伸長率最高，說明在SA 涂膜中增加KGM 可改善涂膜的柔韌性，而其抗拉伸能力下降。這可能是KGM 影響SA 分子間氫鍵相互作用，使SA 分子之間鍵聯(lián)強(qiáng)度降低。

涂膜的透水性低，生姜中水分不易流失，涂膜的保鮮效果就好。低O2透過性和較高CO2通透性有利于涂膜微氣調(diào)環(huán)境的形成，抑制需氧微生物的繁殖和生長。由表1可見，隨著KGM 的增加，復(fù)合涂膜的透水性和氧氣通透性有較大改善。其中，KGM 和SA 質(zhì)量比為2∶1 涂膜的透水、透O2性能改善顯著（P＜0.05），而其對CO2通透性的改善不顯著（P＞0.05）。KGM 和SA 質(zhì)量比為1∶1 與1∶2涂膜的透水透O2性差異不顯著（P＞0.05）。可能是加入KGM 改變了SA 膜的親水性，KGM 與SA 結(jié)合后，改變了SA 的晶體結(jié)構(gòu)，在膜內(nèi)形成具有選擇性的微孔結(jié)構(gòu)，提高了復(fù)合膜的透過性。

膜的透光性表示分子間的相容性，透光性越大，分子間的相容性越強(qiáng)。由表1數(shù)據(jù)可知，SA 單一膜的透光性最大，而KGM/SA 復(fù)合涂膜透光性略有下降。可能是由于KGM 與SA 在性質(zhì)上存在一定的差異，分子間相容性較差，涂膜液經(jīng)干燥，膜表面比較粗糙，影響涂膜的透光性。

試驗結(jié)果表明，KGM 的加入對SA 膜的理化性能有一定影響，一些性能被改善，某些性能出現(xiàn)降低的趨勢。其中，SA 膜與KGM∶SA=2∶1 膜的各項理化性能最佳。

表1 KGM/SA 不同比例復(fù)合膜的理化性能Table1 The physicochemical properties of KGM/SA composite coatings with different proportion

2.2 KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜的保鮮性能

2.2.1 對失重率和呼吸強(qiáng)度的影響 果蔬的失重主要包括水分和干物質(zhì)的損耗，水分損耗主要是果蔬表面的蒸騰作用，而干物質(zhì)損耗主要是其自身的呼吸代謝作用[25]。由圖2a 可見，在整個貯藏期間，生姜的失重率逐漸增大，且KGM/SA 復(fù)合涂膜組失重率均低于SA 涂膜組。貯藏前6 d 生姜失重率的上升速度較大，這可能由于貯藏前期生姜的呼吸作用消耗糖、有機(jī)酸、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)。另外，鮮切生姜的蒸騰作用強(qiáng)，水分散失較大。后期生姜失重率的上升速度減緩，這是因為后期呼吸強(qiáng)度減弱，生姜失重率上升速度減緩。由圖2b 可知，貯藏期間，復(fù)合涂膜組與SA 涂膜組生姜的呼吸強(qiáng)度變化趨勢基本一致，在貯藏前6 d，呼吸強(qiáng)度先降低后升高，隨著貯藏時間的延長，呼吸強(qiáng)度先下降后緩慢上升。這可能由于貯藏前期經(jīng)過涂膜處理的生姜表面形成一層薄膜，阻礙了生姜與氧氣的接觸，降低了呼吸強(qiáng)度，而貯藏后期膜內(nèi)形成高CO2環(huán)境，從而抑制其呼吸強(qiáng)度。試驗結(jié)果表明，復(fù)合膜能夠有效改善單一SA 膜的不足，更好地抑制細(xì)胞的呼吸作用，降低生姜的失重率，其中以KGM 和SA 質(zhì)量比為2∶1 的涂膜效果最好。

圖2 KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜失重率（a）和呼吸強(qiáng)度（b）的影響Fig.2 The influence of KGM/SA composite film on the weight loss（a）and respiration intensity（b）of the ginger

2.2.2 對可溶性總糖、TA 和AsA 含量的影響 可滴定酸含量高、低直接影響鮮切生姜的食用品質(zhì)[26]。糖類和有機(jī)酸是果蔬呼吸的底物，在呼吸過程中被分解并釋放出熱量，使果蔬含糖量和含酸量在貯藏過程中不斷下降[27]。由圖3a 可見，在貯藏過程中，生姜中可溶性總糖的含量不斷降低。與SA 涂膜處理的生姜相比，復(fù)合涂膜生姜中可溶性總糖含量較高?？赡苁琴A藏前期生姜呼吸消耗糖的同時果實中淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，使得可溶性總糖含量下降緩慢，后期隨著果實衰老和呼吸作用，可溶性糖消耗量逐漸加快。圖3b 顯示貯藏期間生姜TA 含量波動幅度較大，結(jié)合呼吸強(qiáng)度和失重率變化，貯藏前期高呼吸強(qiáng)度消耗大量的糖類，使生姜中的有機(jī)酸游離出來，導(dǎo)致TA 含量有一定幅度的上升。貯藏后期生姜失水嚴(yán)重以及呼吸作用消耗TA，TA 含量曲線呈先降后升趨勢。試驗結(jié)果表明，復(fù)合涂膜處理均能抑制生姜中糖和TA 的代謝，其中KGM 和SA 質(zhì)量比為2∶1 的涂膜處理效果明顯。整個貯藏期間，不同處理組生姜中的AsA 含量逐漸下降。由圖3c 可見，貯藏9 d時所有處理組AsA 含量均降至最低值，小幅度上升之后AsA 含量急劇下降。與SA 組相比，各復(fù)合涂膜處理組AsA 含量普遍較高，這說明復(fù)合涂膜可有效減少貯藏過程中抗壞血酸的損失，較好地保持生姜品質(zhì)。

圖3 KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜可溶性總糖（a）、TA（b）和AsA（c）含量的影響Fig.3 The influences of KGM/SA composite coatings on the total soluble sugar（a），titratable acid（b）and AsA（c）contents of the ginger

2.2.3 對酶活性的影響 PPO 和POD 是鮮切果蔬發(fā)生褐變程度的重要指標(biāo)，屬于氧化還原酶類。過氧化氫的存在，易引起酚類和類黃酮的氧化聚合而導(dǎo)致組織褐變[28]。由圖4a，4b 可見，貯藏前期生姜中的PPO 活性總體呈先降低后升高的趨勢。由于生姜組織受損，所以其PPO 活性初期較高，隨后生姜切面愈合，PPO 活性下降。保鮮第12 天，生姜中PPO 活性降至最低值。貯藏后期生姜中PPO 活性急劇上升，可能是因為生姜組織細(xì)胞衰老，PPO 與酚類物質(zhì)的空間隔離被打破，生姜中PPO 活性又出現(xiàn)增大趨勢[29]。POD 活性在貯藏前期上升，第6 天出現(xiàn)最大值。隨著貯藏時間延長，POD 活性不斷下降，可能由于涂膜保鮮前期，培養(yǎng)箱中氧氣濃度大，使POD 活性增強(qiáng)。隨后生姜部分部位發(fā)芽，促使呼吸作用增強(qiáng)，生姜細(xì)胞內(nèi)氧氣含量降低，POD 活性隨之降低。保鮮后期生姜細(xì)胞組織不斷衰老，因而POD 活力又呈上升趨勢。

PAL 是參與酚類物質(zhì)合成的關(guān)鍵酶，抑制PAL 活性可以減少導(dǎo)致果蔬褐變物質(zhì)的形成。由圖4c 可見，在生姜涂膜保鮮前期，PAL 活性下降，第9 天出現(xiàn)最低值，隨后PAL 的活性急劇上升。SA 組生姜中的PAL 活性在保鮮期間變化幅度較大，并一直維持在較高值。貯藏后期生姜中部分部位的呼吸作用增強(qiáng)，苯丙烷類代謝速度加快，促使PAL 活性上升，產(chǎn)生較多的酚類植保素等來減輕外界環(huán)境的影響[30]，減慢生姜的衰老速度。

以上試驗結(jié)果均表明，與單一SA 膜相比，復(fù)合膜對生姜的保鮮效果好，其中以KGM 和SA 質(zhì)量比為2∶1 的涂膜的保鮮效果最佳。

圖4 KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜PPO（a），POD（b），PAL（c）活性影響Fig.4 The influences of KGM/SA composite film on ginger’s activity of PPO（a），POD（b）and PAL（c）

2.2.4 對總酚和類黃酮含量的影響 總酚和類黃酮是苯丙烷代謝的產(chǎn)物，可反映果實的抗氧化活性。由圖5可知，生姜的總酚、類黃酮含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，第12 天升均至最大值。其中SA 組中的總酚、類黃酮含量高于復(fù)合涂膜組。這可能是SA 本身易溶于水，分子分散性好，加之生姜表皮中含豐富的酚類及類黃酮類物質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗氧化生物活性。涂膜后能夠有效抑制氧氣進(jìn)入生姜的細(xì)胞內(nèi)，因而有效抑制了生姜的氧化速度和微生物對生姜的影響，減緩了生姜的衰老。貯藏后期隨著生姜細(xì)胞組織的衰老，總酚及類黃酮類物質(zhì)不斷被氧化，導(dǎo)致其含量下降。

圖5 KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜總酚（a）和類黃酮（b）含量的影響Fig.5 The influences of KGM/SA composite coatings on the content of total phenol（a）and flavonoid（b）contents of the ginger

3 結(jié)論

1）與單一SA 膜相比，復(fù)合膜表現(xiàn)出更優(yōu)的機(jī)械性能。SA 與KGM 分子氫鍵結(jié)合強(qiáng)度大。KGM的添加能顯著提高SA 膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、透水性和透氣透光性等指標(biāo)。

2）KGM/SA 復(fù)合涂膜對生姜的保鮮效果明顯。與單一SA 涂膜相比，復(fù)合涂膜可顯著降低貯藏過程中生姜的失重率、呼吸強(qiáng)度，降低PAL、PPO 和POD 活性，減緩生姜AsA、TA、可溶性總糖含量的下降，從而延緩生姜的衰老。

3）不同比例KGM/SA 復(fù)合涂膜均對生姜起到一定的保鮮作用。其中，KGM 和SA 質(zhì)量比為2∶1 的復(fù)合膜表現(xiàn)出最優(yōu)的性能。該復(fù)合涂膜制作方便，成膜性較好，可均勻覆蓋生姜表面，成本較低，適用于實際生產(chǎn)中生姜的貯藏。