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肉桂精油抗菌包装纸对甜樱桃防腐保鲜效果的影响

花匠小妙招
2025-01-01 11:13

1(天津职业大学包装与印刷工程学院，天津，300410)2(天津科技大学轻工科学与工程学院，天津，300457)3(宏观世纪(天津)科技股份有限公司，天津，301700)

摘要为解决甜樱桃容易腐烂的问题，以肉桂精油、壳聚糖和埃洛石等为原料，制备一种涂布抗菌纸。采用扫描电镜观察埃洛石纳米管负载肉桂精油的微观结构，并研究抗菌纸对6种食源性致腐微生物的抑菌效果。将抗菌纸结合带孔隔离纸在室温条件[(27±2) ℃，相对湿度(50±10)%)]下对甜樱桃进行保鲜应用，研究其对甜樱桃感官品质、腐烂率、菌落总数、硬度、质量损失率和可溶性固形物的影响。结果表明，埃洛石纳米管在负载肉桂精油后直径明显变大，呈现光滑棒状结构；当肉桂精油体积分数≥2%时，抗菌纸对4种霉菌均具有较强抑制作用，对2种细菌的抑制作用低于霉菌。与对照组相比，精油体积分数为4%的抗菌纸可显著降低甜樱桃腐烂率,减缓菌落总数和质量损失率的上升，同时保持甜樱桃感官品质和硬度，可延长甜樱桃货架寿命约3 d。肉桂精油抗菌纸在甜樱桃防腐保鲜方面具有良好的应用价值。

甜樱桃因味道甜美营养丰富深受人们喜爱，其营养物质有糖分、维生素C、花青素、有机酸、单宁和黄烷醇等[1]。甜樱桃原产于欧洲和西亚，现广泛分布在世界各地[2]。我国甜樱桃年产量约4.2万t[3]，在贮藏过程中极易腐烂和软化[4]。引起甜樱桃腐烂的因素有微生物、高呼吸、水分损失和软化，其中微生物是导致甜樱桃腐烂的重要原因。甜樱桃主要致腐菌为灰霉、褐腐病菌、枝孢霉、匍枝根霉和青霉病等[5]。目前在甜樱桃贮藏中常用一些化学合成杀菌剂，存在一定耐药性且对人体健康存在安全风险，因此，更加安全和绿色的防腐保鲜技术成为今后研究方向。

部分天然抗菌剂(肉桂精油、牛至精油、壳聚糖)[6-9]对很多食源性致病菌具有较强抑制作用，且对人体安全性较高。TOKATLI等[10]研究了壳聚糖可食用涂膜对甜樱桃理化和微生物品质的影响，发现壳聚糖涂层可有效抑制甜樱桃中总嗜温需氧菌、酵母和霉菌的生长。ARABPOOR等[11]通过离子凝胶法制备了一种壳聚糖包埋野刺芹(Eryngium campestre L.)精油的纳米颗粒，在甜樱桃果实表面涂上一层薄的该涂层可显著降低甜樱桃的微生物数量。张倩等[12]将肉桂精油涂布于吸附纸上，在常温下对甜樱桃进行熏蒸处理，可抑制甜樱桃的腐烂。抗菌涂膜成分是否存在由迁移引起的食品安全风险，如何提升精油涂布纸的缓释抑菌效果，仍需进一步研究。本实验以肉桂精油、壳聚糖和埃洛石纳米管等为主要原料，采用涂布法制备一种抗菌纸，结合带孔隔离纸实现对甜樱桃的防腐保鲜应用，为果蔬活性包装材料的研制及应用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甜樱桃，选取当天从天津市某果园采摘的外观、硬度及颜色相近，九成熟的红灯甜樱桃。肉桂精油(反式肉桂醛82.2%)，江西恒诚天然香料油有限公司；壳聚糖，青岛弘海生物技术有限公司；埃洛石纳米管，灵寿县南昱矿产品加工厂；聚乙烯(polyethylene，PE)保鲜膜，O2和CO2透过率分别为1.02×104～2.49×104 cm3/(m2·d·atm)和0.77×105～1.9×105 cm3/(m2·d·atm)，透湿率为17.4～42.6 g/(m2·d)，脱普日用化学品公司。

1.2 仪器与设备

JT-C均质机，漯河市金田试验设备研究所；GY-3水果硬度计，衢州艾普计量仪器公司；WS114 折光度测试仪，上海测维光电技术公司；JSM-IT300 LV扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)，日本电子株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 抗菌纸制备

将10 g壳聚糖在90 ℃水浴中搅拌溶解于200 mL蒸馏水，冷却至60 ℃后依次添加2 mL甘油、2 mL吐温80，2 000 r/min搅拌3 min，获得质地均匀的壳聚糖溶液。取2 g埃洛石纳米管分别与2、4、6、8、10 mL肉桂精油充分混合搅拌，获得负载肉桂精油的埃洛石纳米管，将其在60 ℃条件下分别加入200 mL壳聚糖溶液中，使肉桂精油体积分数分别为1%、2%、3%、4%、5%，使用均质机10 000 r/min均质3 min，随后倒入烧杯，用PE保鲜膜密封，获得肉桂精油-埃洛石纳米管-壳聚糖涂布乳液。

裁剪尺寸为30 cm×20 cm的食品包装原纸若干，采用涂布棒将涂布乳液均匀涂布在原纸上，38 ℃烘干，双层涂布。将肉桂精油体积分数为1%、2%、3%、4%和5%的抗菌纸依次标记为T1、T2、T3、T4和T5，原纸为对照组，记为control。各组抗菌纸中涂层厚度为(20±3) μm。

1.3.2 抗菌纸中精油负载材料的微观结构表征

为研究抗菌纸中埃洛石纳米管对精油的负载作用，采用SEM观察埃洛石纳米管在负载肉桂精油前后微观结构的变化。将肉桂精油和埃洛石纳米管按质量比1∶1混合、搅拌、研磨后置于60 ℃烘箱干燥24 h。空白埃洛石纳米管也按同样方法干燥24 h。取干燥后的空白埃洛石纳米管和负载肉桂精油的埃洛石纳米管置于SEM样品台上固定，然后进行喷金处理，再采用SEM观察其微观结构。

1.3.3 抗菌纸的抑菌性能测试

参考杨玉函等[13]的方法进行菌种活化和培养基制备。霉菌和细菌分别使用PDA和NA培养基，使用无菌生理盐水调节菌悬液浓度为1×106 CFU/mL。将抗菌纸裁切成直径为25 mm的圆形试样，紫外灭菌30 min。在培养基表面涂0.1 mL菌悬液，在培养皿盖中心放置抗菌纸圆形试样，将培养皿倒置孵化一定时间后测抑菌圈直径(霉菌28 ℃，48 h；细菌37 ℃，24 h)。

1.3.4 抗菌纸对甜樱桃的保鲜处理

称取100～110 g甜樱桃，放于聚丙烯(polypropylene，PP)托盘内，在甜樱桃上方依次放1层带孔隔离纸(孔径3 mm，孔距5～8 mm)和抗菌纸(原纸为对照组)，随后缠绕1层PE保鲜膜。将甜樱桃实验样品分为6组，根据所用原纸/抗菌纸依次记为control、T1、T2、T3、T4和T5，每组设24个托盘为平行试样。所有试样置于室温条件下[(27±2) ℃，相对湿度(50±10)%)]贮藏7 d，每1 d进行1次指标测试。

1.3.5 甜樱桃指标测试

感官评价：参考ABDIPOUR等[14]的方法对甜樱桃进行感官评价。选10名经培训的消费者(5男，5女，年龄18～30岁)为评价员，主要针对甜樱桃的外观、颜色、味道、气味给出整体接受度的打分，采用5分制(5～1分依次代表：优、好、较好、较差、差)。腐烂率：腐烂果粒数与总果粒数的百分比值。菌落总数：参照GB4789.2—2016中的方法进行，采用PCA琼脂培养菌落。质量损失率：每次测量时甜樱桃试样的质量损失量与其初始质量的百分比值。硬度：采用水果硬度计测定。可溶性固形物：参照NY/T 2637—2014中的方法测试，将甜樱桃果肉研碎，纱布过滤后取浆汁，采用折射仪测试。

1.4 数据分析

所有实验样品准备3个平行样，用SPSS 17.0进行单因素方差分析，P < 0.05 差异显著。

2 结果与分析

2.1 抗菌纸中精油负载材料的SEM分析

埃洛石是一种具有中空管腔结构的天然纳米材料，长度200～1 500 nm，外径50～75 nm，内径10～30 nm[15]，可高效负载活性成分，且具有较好的生物相容性。图1-a为天然埃洛石纳米管的SEM图，为细长棒状结构。图1-b为负载肉桂精油的埃洛石纳米管SEM图，负载肉桂精油后埃洛石纳米管的形态发生了明显的变化。与图1-a相比，图1-b中的所有埃洛石纳米管的直径均明显变大，呈现出质地较均匀的光滑棒状结构，这是因为埃洛石纳米管具有中空管腔结构，在负载肉桂精油之后，埃洛石纳米管的微观形态发生了变化。

a-埃洛石纳米管；b-负载肉桂精油的埃洛石纳米管
图1 埃洛石纳米管及其负载肉桂精油后的SEM图
Fig.1 SEM image of halloysite nanotubes and halloysite
nanotubes loaded with cinnamon essential oil

2.2 抗菌纸对6种供试微生物的抑菌效果

不同浓度肉桂精油抗菌纸对供试微生物的抑菌效果见图2。在6种供试微生物中，抗菌纸对灰霉抑菌作用最强，肉桂精油体积分数为1%时抑菌圈直径为36 mm，体积分数为5%时抑菌圈直径上升至75 mm。5%(体积分数)肉桂精油抗菌纸可明显抑制4种霉菌和金黄色葡萄球菌的生长(图3)，对青霉、根霉、交链孢霉、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别是63.8、48.6、41.2、31和25 mm。肉桂精油针对细菌和霉菌的抑制作用可归因于破坏细胞的形态和结构，导致细胞重要成分泄漏，破坏细胞代谢等。ZHANG等[16]研究了负载肉桂精油的介孔二氧化硅纳米粒子针对毛霉属的作用机制，发现在添加最低抑菌浓度的肉桂精油-介孔二氧化硅纳米粒子后，菌体的细胞膜通透性、活性氧(reactive oxygen，ROS)含量、可溶性糖和丙二醛含量均发生明显变化，细胞成分发生渗漏，并伴随着菌丝形态被破坏，部分基因被上调，孢子萌发和生长被抑制。ZHANG等[17]研究了肉桂精油对大肠杆菌等细菌的作用机制，发现最低杀菌浓度的肉桂精油可导致细胞发生破坏，致使细胞内电解质、蛋白质和核酸发生泄漏，还可引起细菌代谢活性降低，并发现与大肠杆菌相比，金黄色葡萄球菌更敏感，与本实验结果吻合。抗菌纸对4种供试霉菌的抑菌圈直径显著大于(P<0.05)2种供试细菌，这说明该抗菌纸更适合于主要致腐菌为上述4种霉菌的食品/农产品的防腐保鲜。

图2 抗菌纸对供试微生物的抑制效果
Fig.2 Antimicrobial activity of antimicrobial
paper against test microorganisms

a-大肠杆菌；b-金黄色葡萄球菌；c-青霉；d-根霉；
e-灰霉；f-交链孢霉
图3 精油体积分数为5%的抗菌纸对供试微生物的抑菌圈
Fig.3 Inhibition zone of antimicrobial paper against
test microorganisms with cinnamon essential oil at
concentration of 5% (volume ratio)

2.3 抗菌纸对甜樱桃防腐保鲜效果的影响

2.3.1 抗菌纸对甜樱桃感官品质的影响

感官品质直接影响消费者的购买决定[18]，其中气味是水果中糖、酸和芳香物质的结合，被认为是水果最具感官特性的参数[14]。不同抗菌纸处理对甜樱桃感官评价分值的影响见图4。贮藏期间，由于甜樱桃的外观、颜色、味道、气味等发生改变，所有甜樱桃试样的感官分值逐渐降低。在各组试样中，对照组分值下降速率最快，其原因是微生物的快速繁殖导致甜樱桃的外观和气味出现了不利变化。T1处理组甜樱桃的感官分值下降趋势较快，在贮藏3 d后分值降为2.5分，其原因是T1抗菌纸中抗菌成分较少，防腐抑菌作用微弱。在各组试样中，T4处理组甜樱桃的感官分值最高，在贮藏6 d后仍为3分，该组甜樱桃不仅维持了较好的口感和气味，其外观质量也优于其他处理组(图5)。随着精油含量的增加，T5处理组甜樱桃的腐烂高于T4组，这是因为T5抗菌纸中精油成分含量过高，反而加速了甜樱桃的腐烂。此前有研究[19]表明当抗菌膜中抗菌剂成分超过一定剂量时，抗菌膜对甜樱桃果皮产生了药害。在各组试样中，未观察到明显的药害现象，这是由于在抗菌纸与甜樱桃之间放置了一层带孔隔离纸，既能避免甜樱桃和抗菌纸直接接触而导致的药害现象，又能起到防腐保鲜作用。

图4 抗菌纸处理对甜樱桃感官评价分值的影响
Fig.4 Effect of different antimicrobial paper treatments on
sensory evaluation score of sweet cherries during storage

a-control;b-T1;c-T2;d-T3;e-T4;f-T5
图5 贮藏6 d后的甜樱桃照片
Fig.5 Photos of sweet cherries after six days of storage

2.3.2 抗菌纸对甜樱桃腐烂率的影响

灰霉在贮藏过程中对甜樱桃造成极大的腐烂损耗[20]。贮藏期间，甜樱桃腐烂率均逐渐增高(图6)，其中对照组甜樱桃的腐烂率最高，贮藏6 d后腐烂率达50%。T1～T5处理组中甜樱桃腐烂率显著低于对照组(P<0.05)，经过6 d的贮藏，腐烂率集中在8%～30%，腐烂率从高到底依次为T1、T5、T2、T3、T4处理组。T4处理组甜樱桃的腐烂率在贮藏4 d后仍为0%，贮藏6 d后仅为8%。结合感官评价分值，T4抗菌纸可延长甜樱桃货架寿命约3 d。T4抗菌纸可明显降低甜樱桃的腐烂，其原因是由于肉桂精油对很多食源性致腐微生物具有很强的抑制作用[6]，抗菌纸的抑菌效果数据也证实了该结论。此前有部分研究工作利用肉桂精油来降低甜樱桃的腐烂。张倩等[12]将肉桂精油涂布于吸附纸上，在常温下用于甜樱桃的防腐保鲜，经过6 d贮藏后腐烂率为16.68%，优于对照组60.3%的腐烂率。刘光发等[19]使用肉桂精油和柠檬草精油复配与聚乙烯醇等原料制备了一种抗菌膜，降低了甜樱桃的腐烂率。以上研究说明肉桂精油在制备可有效抑制甜樱桃腐烂的活性材料方面具有很好的潜力。

图6 抗菌纸对甜樱桃腐烂率的影响
Fig.6 Effect of different antimicrobial paper treatments on
decay rate of sweet cherries during storage

2.3.3 抗菌纸对甜樱桃菌落总数的影响

贮藏期间，所有甜樱桃菌落总数逐渐增高(图7)，其中对照组增加最快，贮藏6 d后达4.91 lgCFU/g。T3 和T4 处理组试样的菌落总数较低，贮藏6 d后菌落总数分别为4.09 lgCFU/g和3.7 lgCFU/g。与甜樱桃腐烂率变化规律类似，T1和T5处理组的菌落总数低于对照组，但显著高于T3和T4处理组(P<0.05)。其原因是抗菌纸涂层中1%(体积分数)肉桂精油含量太低，从抗菌纸中释放的抑菌成分不足以有效抑制甜樱桃中菌落的生长，而T5处理组中5%(体积分数)肉桂精油也无法有效抑制菌落总数的上升，这是因为高浓度的精油可能会对甜樱桃表皮造成损伤。HASSENBERG等[5]也得到类似的结论，例如采用乙酸蒸气在20 ℃熏蒸甜樱桃，当乙酸溶液质量浓度为9 mg/L时，贮藏5 d后需氧嗜温细菌总数高于3 mg/L和6 mg/L处理组，甚至高于对照组。TOKATLI等[10]发现可食用壳聚糖涂膜能抑制甜樱桃中总嗜温需氧菌、总嗜冷需氧菌、总大肠菌群、酵母菌和霉菌的菌落数量。本研究表明抗菌纸中活性成分的添加剂量需针对被包装产品进行定量研究。

图7 抗菌纸对甜樱桃菌落总数的影响
Fig.7 Effect of different antimicrobial paper treatments on
total viable count of sweet cherries during storage

2.3.4 抗菌纸对甜樱桃质量损失率的影响

质量损失率是衡量水果保鲜程度的一项重要指标[11]。水果在贮藏期间的质量损失主要是由于蒸腾作用和呼吸过程引起的水分流失[21]造成的，因此果皮的质地特性对质量损失率起着重要作用[22]。各处理组甜樱桃质量损失率随贮藏时间的变化见图8。所有处理组中甜樱桃的质量损失率都随着时间的延长而增加，T5处理组和对照组样品比其他组样品拥有相对较高的质量损失率，其中T5组试样的质量损失率最高(3.39%)，甚至高于对照组(3.11%)。与对照组相比，T1～T4组试样的质量损失率较低，其中T4组质量损失率最低，贮藏6 d后仅为2.04%。其原因可能是T4抗菌纸中抗菌剂的剂量可较好地保持甜樱桃的果皮质地属性。此前也有文献报道采用抗菌剂熏蒸方式抑制甜樱桃质量损失率的上升，例如BOZKURT等[22]采用汽化的丙酮酸乙酯可有效减少各测试组甜樱桃样品的质量损失。

图8 抗菌纸对甜樱桃质量损失率的影响
Fig.8 Effect of different antimicrobial paper treatments on
weight loss of sweet cherries during storage

2.3.5 抗菌纸对甜樱桃硬度的影响

硬度可反映甜樱桃的组织结构，是体现甜樱桃果实新鲜度的主要参数[11]。如图9所示，甜樱桃的初始硬度为2.45 kg/cm2，在整个贮藏期间所有甜樱桃试样的硬度逐渐降低，其中对照组下降最明显，贮藏6 d后硬度仅为1.79 kg/cm2。合适剂量的活性抗菌纸可以延缓甜樱桃果实的软化，经T2、T3和T4抗菌纸处理的甜樱桃在贮藏6 d后硬度分别为2.23、2.27和2.29 kg/cm2，显著高于对照组(P < 0.05)。ABDIPOUR等[14]采用紫外线处理甜樱桃也出现了延缓甜樱桃果实软化的现象。这是因为生物活性化合物可以抑制果实软化过程，从而维持甜樱桃细胞壁的稳定性[21]。然而T1和T5抗菌纸对于维持甜樱桃硬度并不明显，其原因是T1抗菌纸中抗菌剂成分太少对于抑制果实软化作用不明显，而T5抗菌纸中高浓度的抑菌剂影响了甜樱桃果实表皮的组织结构，进而造成了果实硬度的下降。

图9 抗菌纸对甜樱桃硬度的影响
Fig.9 Effect of different antimicrobial paper treatments on
firmness of sweet cherries during storage

2.3.6 抗菌纸对甜樱桃可溶性固形物的影响

可溶性固形物是与消费者接受度和水果质量相关的重要属性[23]。葡萄糖、果糖、山梨糖醇和蔗糖是甜樱桃中可溶性固形物的主要糖类化合物[24]。各组甜樱桃可溶性固形物含量在贮存期间显示出上升趋势(图10)。甜樱桃在贮存期间往往会显示可溶性固形含量物增加的趋势[25]，可溶性固形物的增加与失水、成熟或软化过程有关，而这又是由于酶活性增加和膨压降低所致[14]。各组样品可溶性固形物数值位于13.0～15.0，抗菌纸对甜樱桃可溶性固形物的变化没有显著作用。SHARMA等[26]用己醛和甲基环丙烯喷洒甜樱桃，也未引起可溶性固形物的变化。焦中高等[27]采用短波紫外线辐照甜樱桃也发现了类似的现象，紫外线对甜樱桃进行杀菌处理未能引起可溶性固形物的显著变化。

图10 甜樱桃可溶性固形物的变化
Fig.10 Changes in total soluble solids of
sweet cherries during storage

3 结论

埃洛石纳米管可对肉桂精油进行有效负载，负载肉桂精油后的埃洛石纳米管直径均明显变大，呈现光滑棒状结构。抗菌纸可显著抑制4种霉菌的生长，当肉桂精油体积分数≥2%时抑菌圈直径≥26 mm。抗菌纸对2种供试细菌的抑制作用相对较弱。与对照组相比，肉桂精油体积分数为4%的抗菌纸可显著延缓甜樱桃腐烂率和菌落总数的上升趋势，可减少甜樱桃的质量损失，能较好地保持甜樱桃感官品质和硬度，可延长甜樱桃货架寿命约3 d。由于在抗菌纸与甜樱桃之间放置了一层带孔隔离纸，所有甜樱桃均未观察到抗菌剂引起的明显药害作用。本实验制备的抗菌纸还可应用至其他果蔬的防腐保鲜。针对被包装产品探寻抗菌剂的最佳使用量，提升持久缓释抑菌效果，以及实施多种保鲜技术的联合应用将是今后果蔬防腐保鲜的研究重点。

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