百里香精油抗菌包裝紙箱對草莓保鮮效果的影響

趙亞珠，郝曉秀，孟婕，張然，劉光發(fā)

1(天津職業(yè)大學(xué) 包裝與印刷工程學(xué)院，天津，300410) 2(天津科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300222)

草莓營養(yǎng)價值極高，但是成熟草莓在貯藏、運輸和銷售過程中極易霉變和腐爛[1]。引起草莓采后腐爛的微生物主要有灰霉菌(Botrytiscinerea)和匍枝根霉(Rhizopusstolonifer)[2]，目前主要采用化學(xué)防腐劑處理草莓的采后腐爛問題，但是殘留的化學(xué)防腐劑對人體健康存在一定安全風險。百里香精油作為一種天然植物精油，其抑菌性已被一些研究成果證實并報道[3-4]，其主要成分被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)列為食品添加劑，對人體安全風險小。然而，由于百里香的品種、產(chǎn)地氣候環(huán)境、提取工藝、生產(chǎn)廠家等因素，精油成分及其性質(zhì)會呈現(xiàn)很大差異，本實驗選取3種不同廠家的百里香精油，測試其抑菌效果，通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀鑒定其主要化學(xué)成分，將優(yōu)選出的百里香精油與大豆分離蛋白制備成納米乳液涂布于瓦楞紙箱上，制成抗菌包裝紙箱，并研究其對草莓的防腐保鮮效果。本實驗主要研究了百里香精油抑菌效果和精油成分含量的關(guān)系，并對百里香精油抗菌包裝紙箱在草莓防腐保鮮中的實際應(yīng)用進行了探索，為新型抗菌包裝箱的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草莓，天津市某草莓農(nóng)場；1號百里香精油，江西恒誠天然香料油公司；2號百里香精油，深圳國鑫香精香料公司；3號百里香精油，吉安市青原區(qū)綠源天然香料油提煉廠；大豆分離蛋白，西安大豐收生物科技公司；馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)培養(yǎng)基，北京奧博星生物技術(shù)公司；吐溫-80，天津博迪化工公司；青霉、灰霉、根霉、交鏈孢霉，天津科技大學(xué)菌種保藏中心；瓦楞紙板(A楞，下同)，華耐包裝材料(天津)公司；PP托盤，超市。

ME203天平，梅特勒公司；CU5-200涂布機，德國Sumet Sastems Gmbh公司；JT-C均質(zhì)機，漯河金田試驗設(shè)備研究所；GC-MS QP2010氣相色譜質(zhì)譜儀，日本島津公司； KQ-800DE超聲波清洗器，昆山市超聲儀器公司；GY-2水果硬度計，蘇州市金戈檢測設(shè)備公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 三種百里香精油抑菌效果測試

參照文獻[5]方法對3種不同廠家的百里香精油進行抑菌效果測試，菌懸液涂布量為100 μL，菌懸液濃度約為1×107CFU/mL，濾紙片直徑6 mm，精油添加量10 μL，測量的抑菌圈直徑包括濾紙片。

1.2.2 百里香精油成分分析

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分別對3種廠家的百里香精油進行成分分析。參考HUANG等[6]的方法并進行調(diào)整，采用DB-5MS色譜柱，進樣口溫度250 ℃，分流比10∶1。色譜柱升溫條件：初始溫度60 ℃，保持3 min，后以8 ℃/min升至250 ℃，保持10 min；質(zhì)譜條件：離子源溫度220 ℃，掃描范圍m/z43～500，檢索NIST 11質(zhì)譜庫。采用正己烷將百里香精油稀釋1 000倍，進樣量為0.4 μL，精油各成分的相對含量采用其峰面積的百分含量表示。

1.2.3 優(yōu)選百里香精油抗菌紙箱制備

參考MOGHIMI等[7]的方法并進行相應(yīng)修改，將3號百里香精油用蒸餾水配制體積分數(shù)分別為3%、4%、5%的稀釋液，隨后分別加入吐溫-80(添加量與百里香精油相同體積)和大豆分離蛋白(使其質(zhì)量濃度為140 g/L)，采用800 W超聲處理60 min制得納米乳劑，均質(zhì)機勻漿3 min備用。

打樣機自制瓦楞紙箱，托盤尺寸(190 mm×120 mm×10 mm)，每箱放置4個托盤，將涂布液均勻涂布于箱坯內(nèi)壁，晾干后備用。

1.2.4 抗菌紙箱對草莓的保鮮應(yīng)用

草莓處理：選4組草莓樣品，分別記為CK、C、D、E。CK為空白對照組；選用3號百里香精油用于草莓保鮮，C組采用精油濃度3%；D組采用精油濃度4%；E組采用精油濃度5%。每個托盤放置(125±5)g草莓，每個紙箱放置4個托盤。各草莓樣品貯藏在室溫條件下[(26±2)℃，RH(45%±5%)]。

感官質(zhì)量評價：參考ADAY等[8]的方法進行感官評價，挑選9名18～25周歲的學(xué)生作為評判員，評判員從草莓的整體外觀、風味等方面進行綜合打分。以9分制原則進行計分，9 分為優(yōu)秀，7 分為很好，5 分為好(可以進行銷售的臨界分值)，3 分為一般(限制食用)，1 分為差(完全不可食用)。

腐爛率：草莓有腐爛汁水流出或長有霉斑時認為草莓腐爛,腐爛率按公式(1)計算：

(1)

失重率：用天平稱取草莓質(zhì)量，按公式(2)計算：

(2)

可溶性固形物含量：使用手持折射儀測定5次，計算平均值。

硬度：在草莓最大直徑處1周隨機取3個測試點，使用硬度計進行測試。

菌落總數(shù)：參照GB 4789.2—2016測定。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS Statistics 17.0 進行實驗數(shù)據(jù)顯著性分析，P<0.05時存在顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種百里香精油的抑菌效果

3種百里香精油對4種供試霉菌的抑菌效果見圖1。3種百里香精油均有很強的抑菌效果，其中3號百里香精油抑菌效果最顯著，對青霉、灰霉、根霉的抑菌圈直徑均超過70 mm，對交鏈孢霉的抑菌圈直徑為25 mm。2號百里香精油對灰霉、青霉、交鏈孢霉、根霉的抑菌圈直徑分別是31、26、21、10 mm，略高于1號百里香精油(其對應(yīng)的抑菌圈直徑分別是29、24、14、8 mm)。3號百里香精油對4種供試霉菌抑菌效果顯著強于1號和2號百里香精油(P<0.05)。當抑菌圈直徑超過20 mm時可認為具有強抑菌活性[9]，可見3號百里香精油對4種供試霉菌均具有強抑菌活性。3種百里香精油對4種供試霉菌的抑菌效果存在顯著差異，這是由于不同廠家的百里香精油的成分存在差異。關(guān)于百里香精油對霉菌抑菌機理的研究較少，但是其對細菌的抑菌作用機制已有較深入的研究。MOGHIMI等[7]報道了百里香納米乳劑可破壞大腸桿菌的細胞膜，致使核酸、鉀離子、蛋白質(zhì)等重要成分從細胞膜內(nèi)泄漏至細胞外，最終導(dǎo)致大腸桿菌死亡。SARENGAOWA等[10]發(fā)現(xiàn)百里香精油處理李斯特菌可抑制鞭毛的合成，阻止鞭毛的運動，并引起李斯特菌的部分結(jié)構(gòu)崩潰。

圖1 三種百里香精油對霉菌的抑菌效果Fig.1 Antimicrobial activity of 3 kinds of thymeessential oils against molds

2.2 三種百里香精油的成分分析

由于不同地區(qū)生長的植物種類、氣候環(huán)境等因素不同，會導(dǎo)致不同廠家的百里香精油成分存在差別，并對其抑菌效果影響很大，本實驗對3種不同廠家的百里香精油進行成分鑒定。通過GCMS Postrun Analysis軟件檢索NIST 11標準質(zhì)譜庫進行化學(xué)成分相似度比對，并研究分析文獻[11-12]鑒定出3種百里香精油的主要成分見表1。百里香酚和香芹酚廣泛存在于百里香、牛至等植物精油中，對很多食源性細菌和霉菌均具有強抑制作用[13-14]。1號、2號、3號百里香精油中百里香酚和香芹酚的峰面積和百分數(shù)分別為16.03%、27.09%、75.62%。由于3號百里香精油中百里香酚和香芹酚總含量高于1號和2號百里香精油，所以3號百里香精油的抑菌效果明顯優(yōu)于1號和2號百里香精油，這與3種百里香精油的抑菌效果實測數(shù)據(jù)相一致。

表1 三種百里香精油的主要成分 單位：%

2.3 抗菌紙箱對草莓保鮮效果的影響

2.3.1 不同濃度百里香精油對草莓感官品質(zhì)的影響

草莓的感官品質(zhì)不僅影響消費者的購買心理，甚至直接決定草莓的貨架壽命。不同濃度百里香精油對草莓感官評價如圖2所示。在貯藏期間，草莓的感官分值逐漸降低。CK組草莓感官品質(zhì)下降最快，貯藏2 d 時，大部分草莓長有霉菌。由于C、D、E組紙箱中涂覆有抗菌成分，草莓的整體外觀強于CK組，C、D組草莓風味與CK組無明顯差異，E組草莓表皮具有可以感知的精油氣味。D組草莓較E組保鮮效果更加良好，原因為E組紙箱中精油濃度過高，導(dǎo)致草莓和果莖表皮產(chǎn)生了一定的藥害，從而導(dǎo)致草莓表面出現(xiàn)損傷，主要表現(xiàn)為草莓果皮泛白，果梗部位出現(xiàn)輕微褐變，導(dǎo)致感官分數(shù)低于D組。綜合比較，D組感官評價分數(shù)最高，優(yōu)于其他各組(P<0.05)。韓林等[15]采用砂仁精油在4 ℃冷藏條件下對草莓果實進行浸泡處理也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，當砂仁精油濃度達到320 μg/mL時對草莓產(chǎn)生了藥害作用。

圖2 不同濃度百里香精油對草莓感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on sensory quality of strawberries

2.3.2 不同濃度百里香精油對草莓腐爛率的影響

草莓的主要致腐霉是灰霉，在草莓的貯藏過程中，應(yīng)盡量降低灰霉的繁殖速率。不同濃度百里香精油抗菌紙箱對草莓腐爛率的影響見圖3。

圖3 不同濃度百里香精油對草莓腐爛率的影響Fig.3 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on decay rate of strawberries

CK組草莓腐爛率在貯藏期內(nèi)迅速增加，明顯高于其他各組(P<0.05)，貯藏2 d后，腐爛率高達70%。而其他3組抗菌紙箱對草莓的腐爛具有一定的抑制作用，主要是由于從紙箱抗菌涂層中緩釋出來的精油成分百里香酚和香芹酚可抑制草莓致腐霉菌的生長，其中D組草莓在第1天時腐爛率最低，僅為8.67%，均低于其他各組。E組草莓腐爛率高于C、D組，其原因是E組紙箱中較高濃度的百里香精油揮發(fā)成分導(dǎo)致了草莓表皮損壞，從而使草莓表皮霉菌更容易生長繁殖。結(jié)果表明，合適濃度的精油抗菌紙箱可有效抑制草莓的腐爛，過高濃度和過低濃度的精油都無法有效抑制草莓的腐爛，甚至會出現(xiàn)負作用。綜合比較，百里香精油濃度為4%的D組抗菌紙箱可有效延緩草莓的腐爛。黃巍等[16]將丁香精油涂布紙箱用于水蜜桃保鮮可以降低水蜜桃的腐爛，這說明植物精油抗菌紙箱在降低水果腐爛方面具有一定的潛力。

2.3.3 不同濃度百里香精油對草莓失重率的影響

水從水果到環(huán)境的遷移是貯藏過程中水果失重的主要原因[17]。而水果果皮的質(zhì)地特性對水分蒸發(fā)的影響起著重要的作用[18]。不同濃度百里香精油對草莓失重率的影響見圖4。在貯藏期間，4組抗菌紙箱包裝的草莓失重率均逐漸上升，其中CK組草莓失重率上升最快，在第3天時草莓的失重率已達到12.8%。D組抗菌紙箱包裝的草莓失重率上升速率低于其余3組，在第3天時失重率為8.5%，顯著低于對照組(P<0.05)，這是因為抗菌紙箱中釋放出來的精油成分通過抑制草莓致腐霉菌減少了霉菌對草莓果皮的侵害，更好的表皮強度特性可減少草莓水分的損失。BOZKURT等[18]用汽化丙酮酸乙酯處理櫻桃時也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，殺菌劑熏蒸處理水果提供了更好的果皮強度特性，延緩了失重率的上升。

圖4 不同濃度百里香精油對草莓失重率的影響Fig.4 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on weight loss of strawberries

2.3.4 不同濃度百里香精油對草莓可溶性固形物含量的影響

可溶性固形物是決定水果質(zhì)量和消費者可接受性的重要因素[8]。不同濃度百里香精油對草莓可溶性固形物的影響見圖5。各組抗菌紙箱包裝草莓的可溶性固形物在貯藏初期呈現(xiàn)上升趨勢，隨后出現(xiàn)下降的趨勢。貯藏初期的上升是由于在存儲過程中高級多糖酶解為單糖，后期的降低可歸因于呼吸作用、糖和其他可溶性營養(yǎng)成分作為真菌生長的底物被消耗掉[19]。從圖5可看出，各處理組草莓的可溶性固形物含量無明顯的變化規(guī)律，可以認為抗菌紙箱對草莓的可溶性固形物含量無顯著影響。SERAPIAN等[19]和MAJEED等[20]先前的研究表明，輻照殺菌對草莓的可溶性固形物含量無顯著差異。儲恬予等[21]采用草果精油在4 ℃對草莓保鮮處理時未發(fā)現(xiàn)對草莓的可溶性固形物產(chǎn)生顯著影響。綜上分析，防腐殺菌處理手段對草莓的可溶性固形物含量無明顯影響。

圖5 不同濃度百里香精油對草莓可溶性固形物的影響Fig.5 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on total soluble solids of strawberries

2.3.5 不同濃度百里香精油對草莓菌落總數(shù)的影響

微生物安全性是非深加工食品保存需要考慮的最重要因素之一[22]。草莓貯藏期間的菌落總數(shù)見圖6。草莓的菌落總數(shù)在儲藏期內(nèi)迅速增加。草莓的初始菌落總數(shù)為2.68 lg CFU/g，經(jīng)過1 d后，草莓的菌落總數(shù)明顯上升，其中對照組草莓的菌落總數(shù)上升最迅速，在第2天時菌落總數(shù)為6.70 lg CFU/g。3組抗菌紙箱中草莓的菌落總數(shù)均低于對照組草莓，其中D組紙箱中草莓菌落總數(shù)最低，在第2天結(jié)束時為6.05 lg CFU/g，到第4天時增長為8.40 lg CFU/g。草莓菌落總數(shù)的增長趨勢說明D組抗菌紙箱中的抗菌成分能夠抑制草莓菌落的生長繁殖。而E組紙箱內(nèi)草莓的菌落總數(shù)高于D組，是由于E組紙箱抗菌涂層釋放出過高濃度的精油成分造成了草莓果皮組織的損傷，致使霉菌繁殖更快，菌落總數(shù)上升迅速，這與草莓的腐爛率增長趨勢一致。GUERREIRO等[23]采用檸檬醛果膠可食用涂膜處理草莓時也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，與對照組相比，1.0%果膠和0.15%檸檬醛組成的涂膜液可以降低草莓的菌落總數(shù)，但是高濃度涂膜液(1.0%果膠和0.3%檸檬醛)反而不利于控制草莓的菌落總數(shù)，這是由于高濃度檸檬醛造成了草莓表皮細胞的損傷所致。

圖6 不同濃度百里香精油對草莓菌落總數(shù)的影響Fig.6 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on the total viable count of strawberries

2.3.6 不同濃度百里香精油對草莓硬度的影響

如圖7所示，隨著草莓的進一步成熟，果肉逐漸變軟，硬度逐漸降低。草莓在貯藏初期硬度值為1.56 kg/cm2，CK組紙箱內(nèi)草莓硬度下降最快，尤其是第1天時硬度值下降為1.16 kg/cm2，到第2天時，CK組草莓硬度已低于1.00 kg/cm2?？咕埾浒b可以延緩草莓硬度降低，其中D組紙箱包裝的草莓硬度下降速度最慢。水果硬度是重要的食品質(zhì)量屬性和參數(shù)，與細胞壁強度和細胞間黏附有關(guān)[24]。KETSA等[25]認為硬度值的下降是因為果膠甲酯酶，多聚半乳糖醛酸酶、β-半乳糖苷酶和纖維素酶對胞間層和細胞壁造成酶促分解。D組紙箱中草莓的硬度高于對照組草莓，主要原因是D組紙箱中的百里香酚、香芹酚可以有效抑制霉菌對草莓細胞壁強度和穩(wěn)定性的破壞，而高濃度的百里香精油處理草莓會破壞細胞壁穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致細胞損傷和失水。GANI等[26]用超聲的殺菌方式處理草莓時也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，合適的超聲劑量和超聲處理時間有利于硬度的保持，當超聲處理時間為40 min和60 min時草莓硬度反而下降。

圖7 不同濃度百里香精油對草莓硬度的影響Fig.7 Effect of different concentrations of thyme essentialoil on fruit firmness of strawberries

3 結(jié)論

本實驗研究了3種百里香精油的化學(xué)成分和抑菌效果，結(jié)果表明1號、2號、3號百里香精油的百里香酚和香芹酚的峰面積百分數(shù)之和分別為16.03%、27.09%、75.62%，3號百里香精油對4種供試霉菌的抑菌作用強于1號和2號精油，該結(jié)果證實了百里香酚和香芹酚含量直接影響百里香精油的抑菌效果。在室溫條件下體積分數(shù)為4%的3號百里香精油抗菌紙箱可以明顯降低草莓的腐爛率和菌落總數(shù)，對于維持草莓感官質(zhì)量和硬度指標也具有一定的作用。本實驗研究結(jié)果表明以天然植物精油為抗菌劑制備抗菌紙箱用于草莓的防腐保鮮具有較好的應(yīng)用前景。