王詩瑤,辛鎮(zhèn)忠,王 連,王 愈

(山西農(nóng)業(yè)大學 食品科學與工程學院,山西 晉中030800)

太谷梨棗為鼠李科棗屬,其果實似梨形,為棗中的名貴鮮食品種;但因梨棗全紅時為雨季,常導致其開裂、腐爛、發(fā)霉。為減少太古梨棗裂果、壞果,提升品質和商品性,故在其半紅期采摘,并進行貯藏保鮮。目前,鮮棗的貯藏技術還不夠完善,導致大部分鮮棗無法進行長途運輸和銷售,嚴重影響其產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。常見的鮮棗貯藏方式有低溫保鮮法[1]、氣調保鮮法[2]、涂膜保鮮法[3]、減壓保鮮法[4]和輻照保鮮法[5]。

殼聚糖(chitosan)是一種具有獨特分子結構的天然多糖類生物大分子,其具有安全無毒、生物可降解性、成膜性好、生物相容性好、抑菌等優(yōu)點,廣泛應用于可食膜、生物可降解用膜和果蔬涂膜保鮮等方面[6-7]。Zhang等[8]通過用殼聚糖結合納他霉素對采后甜櫻桃進行涂膜保鮮,發(fā)現(xiàn)該處理能夠保持果實品質、抑制真菌、降低甜櫻桃腐爛率。Sun等[9]研究發(fā)現(xiàn),ε-聚賴氨酸與殼寡糖組合能夠誘導采后番茄中水楊酸、苯丙氨酸和茉莉酸水平增加,提高氨裂解酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性,降低過氧化氫酶活性和脫落酸、赤霉素水平,從而延長采后番茄貨架期,但是在廣譜機械強度應用上仍略顯不足。因此對殼聚糖這種韌性材料進行改性顯得尤為重要。

分子篩是一種人工合成的具有篩選分子作用的水合硅鋁酸鹽或天然分子篩,它在結構上有許多孔徑均勻的孔道和排列整齊的孔穴,不同孔徑的分子篩把不同大小和形狀的分子分開。beta分子篩被廣泛應用于烷基化、加氫裂解等工業(yè)過程[10];因其具有高比表面積,分子動力學直徑大于乙烯,同時具有很強的吸附水、氧氣、二氧化碳等分子的能力[11],用于水果保鮮可以起到良好的氣調作用。Mukhopadhyay等[12]將分子篩與殼聚糖偶聯(lián),發(fā)現(xiàn)分子篩的加入增強了膜的親水性和膜的通量,隨著分子篩用量的增加,膜通量增加,這是由于膜的孔隙率和親水性得到改善。Taaca等[13]發(fā)現(xiàn),將分子篩與殼聚糖偶聯(lián),可以顯著提高膜的水熱穩(wěn)定性。因此,將分子篩-殼聚糖偶聯(lián)物用于水果保鮮,具有可觀前景。

目前關于鮮棗膜貯藏保鮮的研究較多,但尚未見到分子篩-殼聚糖偶聯(lián)物對山西地方特色鮮食梨棗采后生理與貯藏品質的影響報道。本研究將自制納米殼聚糖與自制beta分子篩偶聯(lián),獲得一種具有氣調作用的類核殼結構新型復合保鮮膜劑,探究其對太谷梨棗的保鮮效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

太谷梨棗:于2021年9月25日采摘于山西省晉中市太谷區(qū)小白鄉(xiāng)萬畝棗園,選取大小均勻、成熟度為40%～60%的半紅期梨棗,低溫運送到冷庫緩沖間,溫度為(5±1)℃,濕度78%±1%,放置1 d消除田間熱;然后挑選有果柄、無傷口的梨棗置于溫度(0±1)℃,濕度78%±1%的冷庫中備用。

氫氧化鈉(分析純)、四乙基氫氧化銨(分析純)、偏鋁酸鈉(分析純)、殼聚糖(分析純)、氣相二氧化硅(分析純)、三聚磷酸鈉(分析純)購自上海麥克林生化有限公司;酚酞(分析純)、甲醇(分析純)、冰乙酸(分析純)、亞硝酸鈉(分析純)購自天津市北辰區(qū)方正試劑廠;2,6-二氯酚靛酚(分析純)購自上海藍季科技發(fā)展有限公司;抗壞血酸(分析純)購自天津市恒興化學試劑制造有限公司;草酸(分析純)購自天津市大茂化學試劑廠;蘆丁標準品(分析純)購自上海如吉生物科技發(fā)展有限公司;硝酸鋁(分析純)購自天津市華東試劑廠。

1.2 儀器與設備

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,杭州瑞佳精密科學儀器有限公司;100 mL高壓反應釜,上海常澤化工科技有限公司;SX-2.5-10型箱式電阻爐一體機,北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;DHG-9070A型電熱鼓風干燥機,上海一恒科學儀器有限公司;D/max-2500型X射線粉末衍射儀,日本理學公司;SU-1500型掃描電子顯微鏡,日本日麗公司;JEM-1011型透射電子顯微鏡,日本電子株式會社公司;XY-L150型電生功能滅菌水生成器,寶雞新宇光機電有限責任公司;PR224ZH/E型電子天平,奧豪斯儀器(常州)有限公司;DDS-307A型電導率儀,上海儀電科學儀器股份有限公司;KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;RE2000A型旋轉蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器廠;P4型紫外可見分光光度計,上海美譜達儀器有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀,美國尼高力公司。

1.3 原料處理

1.3.1 beta分子篩的制備

量取3.70 mL去離子水和4.60 mL四乙基氫氧化銨逐步加入聚四氟乙烯內襯中,攪拌均勻后加入0.75 mL 4 mol·L-1的NaOH溶液,加入0.25 g偏鋁酸鈉后25 ℃攪拌30 min;最后加入1.50 g氣相二氧化硅,于25 ℃攪拌60 min,得到白色硅鋁凝膠。將凝膠置于100 mL高壓反應釜中擰緊,于電熱鼓風干燥箱(140 ℃)晶化3 d,取出,依次經(jīng)過冷卻、離心、干燥,得到分子篩原粉。將分子篩原粉放入箱式電阻爐一體機,設置程序:0～300 ℃,120 min;300 ℃,120 min;300～550 ℃,120 min;500 ℃,300 min,進行焙燒,得到beta分子篩。

1.3.2 改性納米殼聚糖的制備

稱取3.29 g去乙酰殼聚糖加入到250 mL體積分數(shù)2%的冰乙酸溶液中,在適宜轉速下攪拌30 min。同一時間稱取6.2 g三聚磷酸鈉(SSTP),加入250 mL去離子水配置成溶液,攪拌速度200 r·min-1,攪拌時間30 min。適宜轉速下,將三聚磷酸鈉溶液逐滴加入去乙酰殼聚糖溶液中,室溫攪拌24 h。靜置混合溶液,待其分離后拋棄上層清液,余下的白色黏稠沉淀在3 000 r·min-1條件下離心3 min。倒去離心管上清液,取下層白色沉淀用去離子水反復洗滌,抽濾7次后置于真空干燥箱中干燥,得到納米改性殼聚糖。

1.3.3 保鮮膜劑的制備

取1 g上述自制分子篩溶解于100 mL體積分數(shù)為2%的冰乙酸中,分別稱取1、1.25、1.5、1.75 g改性納米殼聚糖緩慢加入上述的混制液中,蓋好燒杯以防溶液蒸發(fā),磁力攪拌器攪拌24 h,調節(jié)pH到中性。取50個聚乙烯(PE)保鮮袋,用5 mm打孔器在每個保鮮袋相同位置上打9個孔,用于果實呼吸。

將挑選好的梨棗隨機分成50份,每份500 g。再將50份梨棗平均分成5組,每組10份。將分好組的梨棗分別放入以上4種溶液和蒸餾水中浸泡涂膜2 min,然后20 ℃室溫干燥,裝入提前打孔的PE保鮮袋中,置于溫度(0±1) ℃,相對濕度(78±1)%的冷庫中。貯藏期間每10 d每個處理各取1份測定理化指標,取果肉中段平行測定3次。

1.4 品質指標測定

1.4.1 果實硬度

使用TMS-Pro型質構儀測定[14],每個樣品重復測定3次。探頭:2 mm圓柱形;力量感應元量程:100 N;探頭回升到樣品表面上的高度:5 mm;擠壓距離:7 mm;檢測速度:60 mm·min-1;起始力:0.4 N;2次壓縮測試之間的停隔時間為3 s。

1.4.2 細胞膜通透性

每組取3個果實,在中線附近去皮。用5 mm打孔器取果肉組織,用小刀平均切4份,每份大約2 mm厚,置于20 mL蒸餾水中;用數(shù)控超聲波清洗器超聲1 h,冷卻至室溫后用電導率儀測定電導率γ1,煮沸15 min后冷卻至室溫,再測1次電導值γ0。以煮沸前后電導率的比值γe表示細胞膜通透性[15],每次每組果肉中段平行測定3次。

(1)

1.4.3 可溶性固形物含量

使用手持測糖儀測定,每組取3個果實,取每組果肉中段平行測定3次[16]。

1.4.4 失重率

失重率采用稱重法[17]測定。將原先稱好的500 g果實經(jīng)過一段時間的貯藏保鮮后,稱其質量,并重復測定3次。

(2)

式(2)中:rm為果實失重率;m1為果實貯藏前的質量;m2為果實貯藏后的質量。

1.4.5 呼吸速率

采用靜置法測定。稱取500 g果實,置于密封帶蓋保鮮盒中,靜置2 h后利用氣體分析儀測定保鮮盒中的CO2體積分數(shù),測定結束利用排水法測定果實體積。計算公式為:

(3)

式(3)中:rr表示呼吸速率,單位mg·(kg·h)-1;C為CO2體積分數(shù),單位%;V1為密封盒體積,單位L;V2為樣品體積,單位L;t為測定時間,單位h;m為樣品鮮重,單位kg。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 23軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,采用Duncan’s多重比較法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。黃酮標準曲線采用Excel軟件作圖,數(shù)據(jù)采用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 beta分子篩的晶體結構和形貌

圖1-A是在掃描角度2θ為5°～40°、角度間隔8°條件下得到的beta分子篩的X射線衍射圖譜(XRD)。在典型的beta結構2θ=7.8°和2θ=22.4°處出現(xiàn)了2個最顯著的衍射峰值,而且無任何雜晶峰出現(xiàn),說明合成的beta分子篩為純相結構。由圖1-B可以看出:波數(shù)573 cm-1處為硅氧的T-O彎曲振動峰;2 854 cm-1和2 928 cm-1處是C—H的伸縮振動峰;3 440 cm-1和1 632 cm-1處的紅外峰歸結于分子篩表面—OH和—COOH的彎曲振動;在1 090 cm-1和1 229 cm-1處有較強的吸收峰,這是beta骨架中O-Si-O的非對稱伸縮振動峰[18]。從圖1-C可以觀察到beta分子篩的形狀呈現(xiàn)不規(guī)則的橢球形,是由細小納米晶粒組合成的團聚體,多數(shù)beta分子篩的粒徑在500 nm左右。粗糙的表面形貌有利于進一步擴大比表面積,便于實現(xiàn)氣調保鮮作用。從圖1-D中可以觀察到整個晶體中包含有大量的微孔孔道,這些孔道高度連通并且連續(xù)延伸到了孔道表面。

對beta分子篩進行N2吸附-脫附測試,圖2為beta分子篩的N2吸附脫附曲線和與之對應的微孔孔徑分布曲線、全孔孔徑分布曲線。其中,采用NLDFT方法計算累積孔容和孔徑分布(PSD),而微孔孔徑分布則是從吸附曲線中由HK模型計算所得到。由N2吸附-脫附曲線得知,在相對壓力為0

圖2 Beta分子篩的N2吸附脫附曲線(A)、相對應的微孔分布曲線(B)和全孔孔徑分布曲線(C)Fig.2 N2 adsorption and desorption curve (A), corresponding micropore size distribution curve (B) and corresponding full-pore distribution curve (C) of beta molecular sieve

2.2 復合膜劑的表征

如圖3-A所示,去乙酰殼聚糖的XRD圖譜在21°處出現(xiàn)一個特征峰,這可能與殼聚糖的半結晶結構有關,聚合物分子之間存在強烈的分子間氫鍵。本研究的納米殼聚糖XRD圖譜在2θ=26°附近出現(xiàn)一個寬峰,這是殼聚糖納米顆粒中被稱為“肌腱”水合多形體的多態(tài)結構的特征衍射峰[20]。

A,去乙酰殼聚糖和納米殼聚糖的X射線粉末衍射圖;B,beta分子篩和納米殼聚糖不同比例復配所得復合保鮮劑的X射線粉末衍射圖,a、b、c、d的質量比分別為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75;C,復合膜劑的紅外光譜圖。A, XRD diagram of acetyl chitosan and nano-chitosan; B, XRD pattern of composite preservative prepared by mixing different mass ratios of beta zeolite and nano-chitosan, mass ratios of a, b, c, d are 1∶1, 1∶1.25, 1∶1.5, 1∶1.75, respectively; C, Infrared spectrum of the composite film agent.圖3 殼聚糖和復合保鮮劑的結構Fig.3 Structure of chitosan and compound preservative

如圖3-B中a、b、c、d曲線所示,在不同比例樣品的XRD衍射圖譜中,廣角XRD均有明顯的BEA結構特征衍射峰(2θ=7.76°,2θ=22.6°),其中所有曲線都含有納米殼聚糖和beta分子篩的特征衍射峰,但所有曲線相較于beta分子篩焙燒前的XRD圖峰值均有所降低,表明復配以后的beta分子篩被包裹在殼聚糖網(wǎng)狀結構中,出現(xiàn)了衍射峰掩蔽的現(xiàn)象。其中,b曲線峰值降低幅度適中,表明此比例的分子篩被納米殼聚糖包裹效果最好;而且b曲線的雜峰相對其他曲線較少,表明此比例復配得到的樣品具有良好的晶相結構。因此,殼聚糖與分子篩質量比為1∶1.5進行復配得到的復合膜劑晶體結構最好,無雜晶相。

為進一步觀測復合膜劑的結構組成,對分子篩和殼聚糖1∶1.5配比所得的樣品進行紅外光譜分析,攝譜范圍為4 000～400 cm-1,結果如圖3-C所示。571、625、794、1 092 cm-1處均為beta分子篩的特征骨架振動峰,3 469 cm-1處為硅酸鹽Si—OH中—OH的伸縮振動帶;在3 435 cm-1附近有一條強而寬的吸收峰,為殼聚糖中(N—H)、(O—H)和-NH2的振動峰;在2 928～2 865 cm-1的拉伸振動是由于殼聚糖內NHCOCH中存在甲基、CH3OH中存在亞甲基、吡喃糖環(huán)中存在甲烯基(—CH)引起的;在1 640 cm-1處為酰胺I(N-H)吸收峰。這一系列殼聚糖特征峰值的出現(xiàn)表明殼聚糖包裹于beta分子篩中。

2.3 保鮮性能測試

2.3.1 復合涂膜對果實硬度和失重率的影響

硬度反映出果實的質構特性,與細胞壁成分和細胞壁降解酶活性有關。果實采后硬度一般有2種變化,即果實硬化和軟化[21],常見的為果實軟化,其主要原因是細胞壁結構和成分的變化。如圖4-A所示,每個處理組中梨棗的硬度都隨著貯藏時間的延長而下降,從整體上看,beta分子篩與殼聚糖復配后處理的梨棗硬度比陰、陽對照組有顯著(P<0.05)提高,beta分子篩與殼聚糖的質量比為1∶1.5時效果最好;尤其是在第40～50天時,beta分子篩與殼聚糖的質量比為1∶1.5處理的梨棗硬度為8.07 N,而beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1、1∶1.25、1∶1.75,以及蒸餾水和無任何處理的梨棗硬度分別為7.16、7.45、7.34、4.83、4.18 N。第70天時,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.5處理的梨棗硬度為4.99 N,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1、1∶1.25、1∶1.75,以及蒸餾水和無任何處理的梨棗硬度分別為3.96、4.11、4.33、2.33、1.92 N。綜上,貯藏70 d時,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.5時處理效果最好。

果蔬貯藏期間的失重主要由蒸騰作用的水分流失和呼吸作用的糖和酸類消耗所致,造成果皮萎蔫、質地松軟等。如圖4-B所示,隨著貯藏時間的延長,梨棗的失重率呈上升趨勢。對照組從第10天開始出現(xiàn)失重情況,而beta@殼聚糖處理的梨棗在第30天時開始出現(xiàn)失重情況。在第40天時,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.5處理的梨棗失重率為1.22%;而beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1、1∶1.25、1∶1.75,以及蒸餾水和無任何處理的梨棗失重率分別為1.69%、1.43%、1.55%、4.76%和5.54%;第70天時,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.5處理的梨棗失重率為2.45%,而beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1、1∶1.25、1∶1.75,以及蒸餾水和無任何處理的梨棗失重率分別為3.46%、3.00%、3.41%、6.22%和6.44%。綜上,貯藏70 d時,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.5時處理效果最好。

2.3.2 復合涂膜對果實可溶性固形物含量和細胞膜透性的影響

可溶性固形物含量可以反映果實的成熟情況,也與果實的呼吸速率有關[22]。如圖5-A所示,梨棗的可溶性固形物含量隨著貯藏時間的延長呈先增加后降低的趨勢,與對照組相比,用beta分子篩與殼聚糖復配處理的梨棗可溶性固形物含量峰值延遲出現(xiàn)且峰值較高,陽性對照組和陰性對照組的梨棗在第10天達到峰值,分別為19.89%和18.74%,然后迅速下降,第70天可溶性固形物含量最低,為13.00%和12.67%;而用beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75處理的梨棗可溶性固形物含量在第20天達到峰值,分別為21.99%、22.32%、22.80%和22.65%;在第70天,這4種處理的梨棗可溶性固形物含量分別為14.11%、14.67%、15.12%和15.77%。綜上,采用beta分子篩與殼聚糖復配處理可以有效增加梨棗可溶性固形物含量,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.75時效果最好。

圖5 貯藏期間太谷梨棗果實可溶性固形物含量和細胞膜通透性的變化Fig.5 Changes of soluble solids content and cell membrane permeability of Taigu pear jujube during storage

細胞膜通透性是衡量細胞內含物擴散到細胞外的一項重要生理指標,可以反映細胞膜完整性。隨著貯藏時間的延長,細胞衰老程度加劇,細胞膜通透性增大[23]。如圖5-B所示,每個處理太谷梨棗的細胞膜通透性都隨著貯藏時間的延長而增加。陽性對照組和陰性對照組的太谷梨棗細胞膜通透性變化最大,分別由第0天的20.48%升高到第70天的92.8%和95.29%;beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1～1∶1.75處理的太谷梨棗細胞膜通透性從原來的20.48%分別升高到70.19%、66.79%、69.15%、72.25%?？傮w上,beta分子篩與殼聚糖質量比為1∶1.25處理的太谷梨棗細胞膜通透性增幅最小。由此說明,beta分子篩與殼聚糖復合膜具有氣調保鮮的作用,而beta分子篩和殼聚糖的質量比對細胞膜完整性具有調節(jié)作用。

2.3.3 復合涂膜對太谷梨棗果實呼吸速率的影響

太谷梨棗是呼吸躍變型果實,其呼吸高峰即表示果實達到成熟[24]。如圖6所示,太谷梨棗的呼吸速率呈先下降后上升再下降的趨勢。在第0天時,太谷梨棗的呼吸速率為55.12 mg·kg-1·h-1,隨后出現(xiàn)下降趨勢,可能是因為田間熱沒有完全去除,仍有部分田間熱影響使其有較高的呼吸速率。隨后呼吸速率從第10天開始上升,陰性、陽性對照組在第30天時達到頂峰,表明梨棗的生理代謝速率較高,加速了果實營養(yǎng)物質的消耗,不利于貯藏保鮮。beta@殼聚糖保鮮涂層處理的梨棗在第40天才達到峰值。呼吸速率達到峰值可能是因為半紅期的太谷梨棗達到成熟狀態(tài),呼吸較為活躍;隨后呼吸速率越來越低,即處于衰老狀態(tài)。整體上看,beta@殼聚糖保鮮涂層處理的太谷梨棗在前30 d呼吸速率一直處于最低水平,不同配比的4種處理均比對照組的呼吸速率低,說明beta@殼聚糖保鮮涂層可以抑制太谷梨棗的呼吸速率,70 d的貯藏期內,beta分子篩和殼聚糖的質量比為1∶1.5時效果最好。

圖6 貯藏期間太谷梨棗果實呼吸速率的變化Fig.6 Changes of respiratory rate of Taigu pear jujube during storage

3 結論與討論

新鮮的太谷梨棗呼吸速率大,會消耗大量葡萄糖等有機物[25],從而降低果實貯藏品質。水分是梨棗生理生化反應的溶劑,也是梨棗維持正常生理活動的重要物質之一,梨棗失水越大營養(yǎng)成分流失越嚴重,同時新鮮度也開始下降;因此,抑制呼吸速率可以有效提高太谷梨棗貯藏品質[26]。在70 d的貯藏期內,beta分子篩和殼聚糖質量比為1∶1.5的保鮮涂層處理的太谷梨棗呼吸速率明顯較陽性、陰性對照組低,說明呼吸速率得到了有效抑制;而硬度、失重率、細胞膜通透性、可溶性固形物含量的變化趨勢均與呼吸速率有關系,這是由于殼聚糖分子側鏈上含有大量羧基,一方面可以和分子篩形成有效化學結合,一方面負電荷之間的互斥作用,可使殼聚糖分子空間延展性增強,同時親水基團具有親水作用,使殼聚糖對梨棗果實內水分子具有很強的吸附性,可減緩果實水分的散失,從而降低失重率;另外,分子篩具有較大的比表面積,對氣體的調節(jié)具有顯著作用,起到了物理保鮮的效果,使得呼吸速率得到有效抑制。綜上,beta@殼聚糖保鮮膜劑具有氣體選擇性,所形成的微氣調環(huán)境可抑制果實的呼吸作用,降低果實內營養(yǎng)物質的轉化、消耗,從而延長果實貯藏期。

本研究將自制納米殼聚糖與自制beta分子篩偶聯(lián),以beta分子篩為核相、納米殼聚糖為殼層,獲得了一種新型具有氣調作用的類核殼結構復合保鮮膜劑,這種復合保鮮膜劑能有效延長梨棗的貯藏時間,beta分子篩和殼聚糖的最佳質量比為1∶1.5。