PBAT/PLLA薄膜对白鳞蘑菇的保鲜效果

白鳞蘑菇(Agaricus bernardii)是一种菌盖灰棕色、有类似鱼鳞条纹、菌褶纯黑的野生食用菌,其营养价值优于平菇和香菇[1],驯化后的白磷蘑菇深受消费者的喜爱。食用菌较高的生理代谢活性、较强的呼吸强度和较脆弱的表面组织是导致其快速腐烂的原因[2]。

常见的食用菌采后保鲜方法主要包括低温贮藏、物理保鲜、气调贮藏及化学保鲜等。气调包装是一种较经济和有效的保鲜手段,自发气调包装(equilibrium modified atmosphere packaging,EMAP)优势是无需充入气体,只需选用具有一定气体透过性的薄膜,利用包装材料的气体选择透过性与果蔬呼吸速率之间的相互作用自行调节包装袋内气体微环境[3]。

由于环境问题,近年来生物可降解聚合物在食品包装薄膜制备中的应用越来越受到重视。聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯[poly(butylene adipate terephthalate),PBAT]是一种具有较优的断裂伸长率和环境友好型材料[4],其力学性能与聚乙烯(polyethylene,PE)相近,具有广泛的应用前景。王志洲等[5]研究表明PBAT/聚己内酯(polycaprolactone,PCL)30%(PCL添加比例)共混薄膜包装双孢菇,可形成适宜稳定的气体组分,可有效抑制褐变,维持其良好的感官和营养价值,有效延长贮藏期。但PBAT因其黏性较大,易发生黏连现象,为了能够较好地应用于食品包装领域,需对其进行改性以提高包装性能。共混改性是常用的改性方法之一,对PBAT改性方面已有大量研究[6-7]。

左旋聚乳酸[poly(L-lactic acid),PLLA]的合成原料乳酸可完全由生物发酵取得,其具有良好的相容性,较高的强度,在生物医疗和食品包装中得到广泛的应用。然而,PLLA断裂伸长率较低,抗外力冲击能力差[8]。因此,许多学者将PLLA和PBAT制成共混材料,提高两者相容性,达到性能互补的目的,PBAT和PLLA共混改性方面的研究主要集中在其熔融结晶行为、流变行为、生物降解性能及力学性能等方面[9-10]。当共混材料作为自发气调薄膜应用于生鲜果蔬包装时,薄膜的气体阻隔性能是至关重要的,需满足延长保鲜期的微环境气体浓度要求,从而达到保鲜的目的。前期研究表明随着PLLA的添加,共混薄膜的O2和CO2透过性能逐渐降低,当PLLA含量增加到30%时,O2透过系数(PO2)和CO2透过系数(PCO2)分别较PBAT薄膜降低了34.2%和70.8%,CO2/O2透过比(PCO2/PO2)由纯PBAT的10.20降低为4.52,提高了薄膜阻透性能[11]。

本研究以PBAT/PLLA系列共混薄膜作为自发气调包装材料,研究在低温贮藏条件下PBAT/PLLA共混薄膜对白鳞蘑菇保鲜效果的影响,为PBAT/PLLA共混薄膜在延长白鳞蘑菇货架期的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

未开伞成熟度白鳞蘑菇子实体,锡林浩特市白音锡勒生物科技有限公司,4 ℃冷藏条件下预冷；PBAT,数均分子量(number average molecular weight,Mn)≈1.7×105,杭州鑫富科技有限公司；PLLA,4032D,美国Nature Works公司；PE,Mn≈1.0×105,东莞市樟木头龙城塑料经营部；通过PPT-3/SJ2-20-250型双螺杆挤出流延拉伸机组(广州市普同实验分析仪器有限公司)制备PE和PBAT/PLLA X%(X为PLLA的添加比例)气调包装薄膜[厚度(25±5)μm],制备方法同文献[11],其余化学试剂均为分析纯。

6600型顶空气体分析仪,英国Systech Instruments公司；GY-2硬度计,北京市恒宇科技有限公司；SC—3610型低速离心机,安徽中科中佳有限公司；UV-2450型紫外分光光度计,日本岛津公司；JA-5003B型电子天平,海精天电子仪器有限公司；SC-300型立式冷藏柜,青岛海尔电冰柜有限公司；DBF-900型多功能薄膜封口机,温州市鼎力包装机械制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 白鳞蘑菇预处理及气调包装的制备

将PE和PBAT/PLLA(10%、20%、30%)薄膜制成25 cm×20 cm大小气调包装袋。在袋内放入(120±5)g的预冷白鳞蘑菇,无任何包装为对照组,实验组依次命名为CK组、PE组、PBAT/PLLA 10%组、PBAT/PLLA 20%组及PBAT/PLLA 30%组。贮藏条件为4 ℃,相对湿度为90%,间隔3 d从每处理组取3个包装袋样品进行相关指标分析,以白鳞蘑菇无商品价值作为试验终点。

1.2.2 白鳞蘑菇包装内部顶空气体组成

使用顶空气体分析仪直接测定包装内的气体成分,每组分别设置3个平行样。

1.2.3 白鳞蘑菇贮藏期间感官评分

感官评定需要8名食品专业学生(男女比例为1∶1)依据表1对贮藏期间白鳞蘑菇进行评分,感官评分标准参照石启龙等[12]的方法并进行适当修改,具体评分表见表1。

表1 白鳞蘑菇感官评分标准

Table 1 Sensory evaluation criteria of A.bernardii

注：评分<6分,即为失去商业价值

1.2.4 失重率的测定

用称重法测定失重率,计算如公式(1)所示：

失重率

(1)

1.2.5 硬度的测定

硬度采用GY-2型硬度计进行测试。随机从各包装袋内抽取3个平行样,菌盖部位采用去皮刀去除表皮,取3个点测定硬度,取平均值。

1.2.6 丙二醛(malondialdehyde,MDA)的测定

参照曹建康等[13]的方法,准确称取1 g菇肉,加入2 mL 10 g/100 mL三氯乙酸(trichloroacetic acid,TCA)和少量石英砂研磨至匀浆,再加入8 mL TCA进一步研磨,离心后取上清液2 mL,加入6 mg/mL 叔丁醇(tertiary butanol,TBA)溶液混匀,于沸水浴上反应15 min,迅速冷却后再离心,取上清液测其OD450、OD532和OD600值,MDA浓度计算如公式(2)所示,MDA含量计算如公式(3)所示：

c=6.45×OD532-OD600-0.56×OD450

(2)

MDA含量

(3)

式中：OD450、OD532、OD600分别代表450、532、600 nm处的吸光度值；c,MDA浓度,μmol/L；V,提取液体积,L；m,蘑菇菇肉鲜重,g。

1.2.7 可溶性糖的测定

可溶性糖含量的测定参照YE等[14]的方法并稍作修改。1.0 g菇肉研磨匀浆后转入25 mL刻度试管中,加入适量蒸馏水,在沸水浴中提取30 min,冷却过滤,残渣重新提取2次后定容至100 mL。可溶性糖的显色反应体系由提取液0.5 mL、蒸馏水1.5 mL、0.09 g/mL苯酚溶液1 mL和浓硫酸5 mL组成,在室温反应30 min,485 nm处测定吸光度值,得到标准曲线方程为：Y=0.006 0X-0.076 4,R2=0.999 0。

1.2.8 可溶性蛋白的测定

参照考BRADFORD等[15]的方法测定可溶性蛋白含量。称取2 g菇肉,加入5 mL蒸馏水研磨匀浆后,于低温离心20 min,收集上清液为可溶性蛋白提取液。显色反应体系：0.5 mL样品液,加入考马斯亮蓝溶液5 mL,混匀放置2 min,测定595 nm处吸光值进行含量换算,标准曲线方程为：Y=0.006 5X+0.119 6,R2=0.999 8。

1.2.9 总酚的测定

总酚的测定以没食子酸制作标准曲线,称取1 g菇肉,加入少许预冷的体积分数1%盐酸-甲醇溶液,冰浴研磨匀浆转入20 mL刻度试管中,用1%盐酸-甲醇溶液定容,于4 ℃避光提取20 min,过滤后于280 nm处测定吸光度值,没食子酸标准曲线方程为：Y=0.284 4X+0.018 3,R2=0.999 3。

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件对数据进行初步整理,用SPSS 20.0软件进行统计分析,采用单因素方差(one-way analysis of variance)分析进行差异显著性检验,并采用邓肯氏(Duncan,s)法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 白鳞蘑菇内部顶空气体组成变化

包装内部适宜的气体组分浓度对果蔬贮藏保鲜至关重要,利用气调的方式,适当提高贮藏环境中的CO2浓度并降低O2浓度可以有效抑制生鲜农产品的呼吸作用。食用菌的呼吸速率较高,其呼吸消耗大量O2并释放CO2。贮藏期间包装环境内的气体变化规律见图1。由图1-a可知,白鳞蘑菇包装内部O2体积分数在整个贮藏期间呈现降低的趋势。在第3天至第9天贮藏期内,PE组的O2体积分数(0.05%～0.07%)显著高于其余3个包装组(P<0.05)。这主要是由于PE具有较优异的氧气透过性能,其氧气透过率(oxygen transmission rate，OTR)能达到6 018 m3/(m2·d),高于PBAT/PLLA系列薄膜[11],能及时补充贮藏过程中消耗的O2含量。而在贮藏后期持续降低为0.01%左右,接近于其余3组(P>0.05)。而PBAT/PLLA 10%、20%、30%共混薄膜从第3天开始包装内部达到了一种相对平衡状态至贮藏结束,O2体积分数为0.01%～0.02%,各组别之间均无显著性差异(P>0.05)。各包装组在避免无氧呼吸的前提下,能较好地降低白鳞蘑菇的呼吸作用。

图1-b为各包装组内部CO2随贮藏时间的变化规律,在前3 d由于O2含量充分,呼吸作用较高,各包装组的CO2浓度迅速升高,PBAT/PLLA 30%组能达到7.60%,显著高于其他3组(P<0.05)。从第3天开始,由于产生的CO2的呼吸抑制和O2浓度减少的双重作用下,致使呼吸代谢趋于平缓,达到了一个相对稳定的动态平衡。贮藏期第3天起PBAT/PLLA 30%组的CO2体积分数(4.85%～7.6%)高于PE(4.55%～5.40%)、PBAT/PLLA 10%(3.355%～5.20%)及PBAT/PLLA 20%组(4.0%～6.30%)。这主要由于各类薄膜的CO2透过性能的差异性导致的,PE、PBAT/PLLA 10%及PBAT/PLLA 20%薄膜CO2透过量相比PBAT/PLLA 30%较大[11],致使包装内部的CO2易排出包装袋外,形成较低的CO2浓度,而PBAT/PLLA 30%由于较低的CO2透过量,形成较高CO2浓度。

a-O2体积分数；b-CO2 体积分数

图1 贮藏期间各包装组内部O2和CO2体积分数变化

Fig.1 The variation of O2 and CO2 contents in all package groups during storage

总体而言,PBAT/PLLA 30%组的气体浓度可以有效地保持白鳞蘑菇的品质。这说明PBAT/PLLA 30%薄膜是一种合适的EMAP材料,可以将内部气体调节到相对合适的水平来延长白鳞蘑菇保鲜期。此结果与JALIFA等[16]的结果相一致,虽然试验期内处理组O2体积分数低于1%,但在整个贮藏期内,可以较好地保留佛罗里达香菇的品质特性。

2.2 白鳞蘑菇感官评分变化

感官品质是能直接体现品质好坏的指标之一。图2为白鳞蘑菇贮藏过程中感官评分的变化规律,整个贮藏期内各处理组感官评分均呈现降低的趋势。CK组由于失水导致的开伞、萎蔫及氧化褐变问题,贮藏第6天,感官评分降到5.35分,显著低于其他包装组(P<0.05),失去商品价值。反观包装组,第9天时PE、PBAT/PLLA 10%、PBAT/PLLA 20%、PBAT/PLLA 30%组感官评分依次为6.65、7.6、8、8.45分,PBAT/PLLA 30%组感官评分显著高于PE、PBAT/PLLA 10%组(P<0.05),PBAT/PLLA 20%组显著高于PE组(P<0.05),各处理组感官评分均在可接受范围内。第12天时PE和PBAT/PLLA 10%组感官评分显著低于PBAT/PLLA 20%组和PBAT/PLLA 30%组(P<0.05),PE组由于严重的结露现象,开始变软和产生异味,感官评分降低为5.45分,而PBAT/PLLA 10%组由于较高的失水率导致代谢紊乱,加速了品质变坏进程,感官评分降低为5.78分,失去商品价值。贮藏15 d时,PBAT/PLLA 20%组感官评分降低为5.65分,失去商品价值,而PBAT/PLLA 30%组仍然在商品可接受范围内(6.1分)。分析原因可能在于PBAT/PLLA 30%薄膜在包装袋内部形成相对较高的CO2环境,增加其对微生物的抗性[17],较好地保持了感官品质。

图2 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇感官评分

Fig.2 Sensory scores of A.bernardii in each treatment group during storage

从图3可知,除了PBAT/PLLA 30%组外,其他处理组在贮藏后期菌柄发生严重的褐变现象,而PBAT/PLLA 30%组显著减缓了白鳞蘑菇的褐变程度,在15 d的贮藏期内保持了蘑菇的感官状态。

a-贮藏期间新鲜状态；b-CK组第6天；c-PE组第12天；d-PBAT/PLLA 10%组第12天；e-PBAT/PLLA 20%组第15天；f-PBAT/PLLA 30%组第15天

图3 贮藏期间白鳞蘑菇表面和切面图

Fig.3 Surface and cross-section digital camera image of A.bernardii

2.3 白鳞蘑菇失重率的变化

食用菌在贮藏过程中的失重主要是由于菇体水分的蒸发及生理代谢消耗部分营养物质造成的。由图4可见,白鳞蘑菇贮藏期间,失重率均呈上升趋势,CK组由于食用菌多孔表面结构加上无任何外界保护,第6天失重率达到16.10%,显著高于各包装组(0.46%～3.76%)(P<0.05)。

图4 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇的失重率

Fig.4 Weight loss of A.bernardii in each treatment group during storage

包装组之间进行比较发现,PE组失重率在整个贮藏期间均在1%以下,显著低于其他3组(P<0.05),主要是由于PE薄膜较低的水蒸气透过性能,包装膜的低水蒸气透过率与食用菌的高蒸腾作用相结合,使包装袋内部湿度处于接近饱和状态,这是失重率较小的原因[14]。整个贮藏后期PBAT/PLLA系列薄膜失重率呈现显著性差异(P<0.05),失重率由高到低的顺序为PBAT/PLLA 10%组(12.67%)>PBAT/PLLA 20%组(10.49%)>PBAT/PLLA 30%组(9.81%)。贮藏期第15天,PBAT/PLLA 30%组能够抑制失重率的上升,保持白鳞蘑菇的品质。

2.4 白鳞蘑菇硬度的变化

果蔬在贮藏期间的硬度变化是判断贮藏期限和产品竞争力的一个重要指标。各处理组白鳞蘑菇的硬度变化如图5所示。CK组硬度在第6天时由11.75上升到14.35 kg/cm2,主要是由于其较高的失重率导致的干瘪,显著高于各包装组(P<0.05)。各包装组硬度随着贮藏期的延长均呈现下降的趋势,主要是由于营养成分的损失,菌丝收缩和中央液泡的破坏[18]。贮藏期3～6 d,PE组硬度(10.70～11.5 kg/cm2)显著高于PBAT/PLLA系列薄膜(P<0.05),主要是由于PE组较低的失重率,能最大限度地减少失重所引起的呼吸代谢的改变。但从第9天开始,PE组由于较高的湿度产生结露现象,菇体组织出现软化腐烂,从而硬度降低,显著低于其他包装组(P<0.05)。在贮藏末期,PBAT/PLLA 30%的硬度(9.00 kg/cm2)高于其他2组PBAT/PLLA系列薄膜(7.20 和8.45 kg/cm2),分别比PBAT/PLLA 10%和PBAT/PLLA 20%组高出20.0%和6.1%,说明PBAT/PLLA 30%组适当的内部微气氛可能会减缓白鳞蘑菇的代谢,延缓结构破坏,延迟硬度下降。

图5 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇的硬度

Fig.5 Firmness of A.bernardii in each treatment group during storage

2.5 白鳞蘑菇丙二醛的变化

丙二醛由氧化应激反应所引起,是脂质过氧化的评价指标。各包装组白鳞蘑菇MDA含量随贮藏期间的变化趋势如图6所示。所有处理组均呈现上升趋势,在贮藏期前6 d,CK组的MDA含量显著高于各包装组(P<0.05)。贮藏前期各包装组MDA上升比较缓慢,从第6天开始呈现明显的上升趋势,主要是由于采后食用菌呼吸作用持续进行,使活性氧自由基增加,而有关活性氧清除剂减少,活性氧生成清除系统动态平衡遭到破坏,造成大量活性氧的积累,使细胞内部发生酶促脂质氧化,从而导致MDA含量不断上升[19]。MDA含量由高到低的顺序为PE>PBAT/PLLA 10%>PBAT/PLLA 20%>PBAT/PLLA 30%组。这一结果表明,PBAT/PLLA 30%气调包装内部形成的相对高的CO2浓度能够抑制膜脂过氧化,减少MDA的积累,延缓食用菌的衰老。

图6 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇的MDA含量

Fig.6 MDA content of A.bernardii in each treatment group during storage

2.6 白鳞蘑菇可溶性糖的变化

采收后的食用菌由于缺少培养基的营养供应,菇体的生命代谢只能依靠自身的营养物质维持,糖类物质转化为单糖来供给代谢及转化成其他物质。各处理组可溶性糖的变化规律如图7所示。在贮藏前3 d各处理组可溶性糖均呈现下降的趋势。为了满足采后菇体呼吸代谢进程,在第3～6天可溶性糖呈现升高趋势,此结果与HAMMOND等[20]的研究结果相一致。随着贮藏时间的延长,褐变现象发生,可溶性糖再次呈现下降趋势。此结果与姜天甲等[21]的研究结果相一致。

图7 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇的可溶性糖含量

Fig.7 Soluble sugar of A.bernardii in each treatment group during storage

各个包装组之间比较发现,PBAT/PLLA 30%组可溶性糖含量显著高于其他3组(P<0.05),贮藏第15天可溶性糖比PE、PBAT/PLLA 10%及PBAT/PLLA 20%组分别高出38.82%、27.05%及16.47%。

2.7 白鳞蘑菇可溶性蛋白的变化

食用菌在采后生理代谢过程中,菇体的部分蛋白质会在蛋白酶的作用下分解为小分子多肽和氨基酸,以保证食用菌的代谢进程[22]。此外游离氨基酸由于参与细胞代谢和几丁质的合成,因此在贮藏过程中不会积累氨基酸[23]。如图8可知,整个贮藏期内,可溶性蛋白均呈现下降的趋势。CK组由于蒸腾作用导致较高的生理代谢活动,贮藏期第6天,CK组可溶性蛋白含量比各包装组降低39.1%～46.3%,显著低于各包装组(P<0.05)。贮藏后期各包装组之间比较发现,PE组可溶性蛋白含量最低(0.29～0.31 mg/g),可能与包装袋内严重结露导致的微生物生长相关,研究表明微生物生长会加速蛋白质和脂肪酸的分解代谢[24]。贮藏期第3天起PBAT/PLLA 30%组可溶性蛋白(0.35～0.64 mg/g)高于PE(0.22～0.58 mg/g)、PBAT/PLLA 10%(0.29～0.60 mg/g)及PBAT/PLLA 20%组(0.31～0.63 mg/g),表明PBAT/PLLA 30%能够抑制生理代谢活动,减少可溶性蛋白的消耗。

图8 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇可溶性蛋白含量

Fig.8 The content of soluble protein of A.bernardiiin each treatment group during storage

2.8 白鳞蘑菇总酚的变化

酚类物质的氧化是影响采后食用菌品质的主要因素。在本研究中,新鲜状态白鳞蘑菇总酚含量为15.76 mg/g FW。表明食用菌是一种为人体提供适宜酚类和抗氧化物质的营养来源。如图9所示,总酚含量在整个贮藏期内呈现下降趋势。贮藏期第6天,CK组由于较严重的褐变现象,其总酚含量相比新鲜状态降低了61.16%,含量显著低于各包装组(P<0.05)。在贮藏第15天各包装组之间比较发现,PE、PBAT/PLLA 10%、PBAT/PLLA 20%及PBAT/PLLA 30%组的总酚分别比第0天分别降低了66.43%、52.32%、51.71%及42.01%。PBAT/PLLA系列3组薄膜显著高于PE组(P<0.05)。研究表明,褐变主要是由酪氨酸酶氧化酚类化合物引起的[25],本研究结果表明PBAT/PLLA 30%组相比其他处理组具有较低程度的褐变现象产生,与图3的结果相一致。

图9 贮藏期间各处理组白鳞蘑菇总酚含量

Fig.9 The content of total phenolic of A.bernardiiin each treatment group during storage

3 讨论

食用菌由于其较高的呼吸速率,较快的生理代谢速度,极易发生劣变。包装方式是影响果蔬品质和贮藏期的关键因素,近年来气调包装在果蔬保鲜中的应用越来越受到重视。LIU等[26]研究PLA/聚三甲基碳酸酯(PTMC)/硅酸镁锂(0%、1%、2%、3%)复合薄膜对双孢菇保鲜效果,发现复合膜包装袋内CO2含量显著低于对照组聚乙烯(PE)薄膜,O2含量各组间无显著性差异,PLA/PTMC/L2和PLA/PTMC/L3能较好地维持双孢菇品质,在贮藏期12 d结束后仍有较好的商品价值。李志啸等[27]在包装材料中添加纳米材料制备了一种纳米PE包装袋,结果显示,与普通PE材料相比,纳米包装材料的CO2含量、双孢菇褐变度、纤维素、木质素含量分别降低了10.5%、2.3%、15.2%和22.2%(P<0.05),能较好地抑制相关酶活性的上升,较好地保持了双孢菇贮藏品质,延长了贮藏时间[27]。

本试验中探讨了生物可降解PBAT/PLLA共混薄膜在白鳞蘑菇气调保鲜上的可行性,结果表明PBAT/PLLA 30%共混薄膜能够使包装内平衡状态形成低O2(0.01%～0.02%)、高CO2(4.85%～5.15%)环境。相比其他处理组能够较好地抑制其呼吸作用。食用菌相比其他果蔬具有较强的呼吸和蒸腾作用,在贮藏过程中通过不断消耗自身营养物质来维持生理代谢,使其色泽、质构、鲜重及风味等发生变化。整个贮藏期内PBAT/PLLA 30%共混薄膜相比其他包装组能较好地保持可溶性蛋白(0.35 mg/g)、可溶性糖(0.85%)、总酚含量(9.14 mg/g),较好地抑制营养成分的流失。研究表明,硬度的降低是食用菌从成熟转向衰老的特征之一,贮藏后期食用菌子实体进入衰老期,营养物质和细胞壁逐渐降解,子实体逐渐变软。本研究中随着贮藏时间的延长,PE组硬度降低趋势较为明显,由初始状态的11.75 kg/cm2降低为贮藏后期6.35 kg/cm2,这主要是PE薄膜透水性较差,结露导致高湿环境为腐败微生物提供条件所致。相比PE组,PBAT/PLLA包装组的硬度变化幅度较小,PBAT/PLLA各处理组之间相比,PBAT/PLLA 30%共混薄膜能够保持较高硬度含量,研究指出高浓度的CO2浓度有利于保持双孢菇的硬度[28],本实验中PBAT/PLLA 30%共混薄膜CO2体积分数(4.85%～7.6%)高于PE(4.55%～5.40%)、PBAT/PLLA 10%(3.355%～5.20%)及PBAT/PLLA 20%组(4.0%～6.30%),本实验研究结果与其相一致。说明PBAT/PLLA 30%共混薄膜有利于保持白鳞蘑菇贮藏期质地。

4 结论

生物可降解PBAT/PLLA 30%气调包装膜对白鳞蘑菇具有较好的自发气调保鲜效果。在贮藏期气体平衡状态时CO2体积分数(4.85%～7.6%)高于其他处理组,能够延缓营养成分(可溶性蛋白、可溶性糖及总酚)的下降速度,减缓失重率和MDA的增加,贮藏期15 d内较好地保持了白鳞蘑菇质地和外观品质,具有较大的应用前景。