聚乙烯醇活性薄膜對大黃魚保鮮效果及品質動態監控

唐智鵬,陳晨偉,2,3,謝 晶,2,3,4,*,勵建榮

(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306; 2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306; 3.上海海洋大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心,上海 201306; 4.上海冷鏈裝備性能與節能評價專業技術服務平臺,上海 201306; 5.渤海大學食品科學與工程學院,遼寧錦州 121013)

大黃魚(Pseudosciaenacrocea)為暖水性近海集群洄游魚類,是中國最重要的海洋養殖魚類之一,由于其肉質細膩、味道鮮美,同時極具藥用價值,深受廣大消費者的熱愛[1]。新鮮大黃魚的高水分含量、高pH和富含營養成分等特點使其成為在運輸貯藏過程中易腐敗變質的產品之一[2]。大黃魚保鮮過程中的腐敗通常是由于外界氧氣的侵入及微生物生長代謝活動而導致的脂質氧化和魚自溶引起的蛋白質降解,極大地縮短了貨架期[3-4]。目前國內外研究者為了有效地延長大黃魚的保質期,通常使用生物保鮮劑[5]、冰藏保鮮法[6]和臭氧處理法[7],而以聚乙烯醇為基材的智能抗菌抗氧化包裝薄膜對大黃魚的保鮮效果未曾涉及。

聚乙烯醇(poly(vinyl)alcohol,PVA)作為一種具有良好機械性能、優異成膜性和無毒無害性等特點的生物可降解高聚物材料,在食品包裝、生物醫學、建筑等[8-11]領域已被廣泛應用。納米二氧化鈦(nanometer titanium dioxide,nano-TiO2)因其具有優異的化學穩定性、無毒無害性和熱穩定性等優點而被廣泛地應用在制藥、化妝品和建筑行業,同時作為一種納米抗菌活性物質,在食品包裝行業也受到廣泛的關注[12-14]。國內外應用的抗氧化活性物質有很多,如茶多酚、維生素E和番茄紅素等,但這些物質的應用多局限于抗氧化功能[15-17]。而本文使用的花青素(Anthocyanins,ANT)是一種特殊的抗氧化物質,不僅能夠有效地清除自由基[18-19],同時有研究表明,花青素作為添加劑加入到薄膜中,能夠有效地響應環境pH而作為一種特殊的顏色指示器使用[20-21],因此愈來愈多的研究者更傾向于使用這類具有特殊功能的活性物質。

基于先前對PVA/納米TiO2活性薄膜和PVA/納米TiO2/花青素活性薄膜物理化學性能的研究,結果表明納米TiO2和花青素能賦予PVA薄膜優秀的抗菌抗氧化性能,并且研究還表明添加過多的活性物質會影響到薄膜整體的物理機械性能[22]。本研究將納米TiO2的抗菌性能和花青素的顯色抗氧化性能相結合,使用PVA/納米TiO2/花青素薄膜包裝大黃魚,研究了包裝貯藏過程中大黃魚的感官品質變化、脂質過氧化(TBA)、菌落總數(TVC)、揮發性鹽基氮(TVB-N)、pH和由于大黃魚魚肉pH改變而引起的薄膜動態色差變化,以此探討此智能抗菌抗氧化包裝薄膜的保鮮效果和品質動態監控能力,為今后開發智能包裝薄膜提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

鮮活大黃魚(均重約500 g/條) 中國上海蘆潮港水產品批發市場,挑選鮮活的大黃魚,泡沫箱保溫條件下在0.5 h內運回實驗室;聚乙烯醇樹脂(PVA)1799型聚合度(醇解度99%) 上海精析化工科技有限公司;納米TiO230 nm銳鈦型納米顆粒 上海邁特化工有限公司;紫薯花青素(ANT,純度為30%) 西安全奧生物科技有限公司;甘油、鹽酸、氧化鎂、氫氧化鈉 分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

BSA224S型分析天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;HWS28型電熱恒溫水浴鍋、DZF-600A型真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;Kjeltee8400型凱氏定氮儀 福斯中國有限公司;H-2050R型高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;CR-400型色彩色差計 日本柯尼卡美能達。

1.2 實驗方法

1.2.1 包裝薄膜的制備

1.2.1.1 PVA膠液、PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液的制備 參考Chen等[23]的方法并稍作修改。將22 g PVA樹脂顆粒和200 mL蒸餾水置于燒杯中,在95 ℃加熱并使用玻璃棒持續攪拌直至完全溶脹,加入1 mL甘油作為增塑劑并持續攪拌30 min,最終完全溶解得到PVA膠液。

將納米TiO2(相對于PVA干質量的1%，w/w)混入PVA膠液中,于室溫下磁力攪拌2 h直至納米TiO2均勻分散在溶液中,最終制備得到PVA-納米TiO2共混膠液。

將紫薯花青素(相對于PVA干質量的3%，w/w)溶解于50 mL HCl(pH=3)置于100 mL錐形瓶中,并在室溫下磁力攪拌2 h。最終制備得到ANT溶液,錐形瓶用鋁箔包裹并置于陰涼處保存。

1.2.1.2 PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜和PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜的制備 將PVA膠液倒在恒溫加熱器的玻璃板上,玻璃板溫度調至60 ℃。采用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液于玻璃平板上,經預實驗得出烘干50 min后能較好地揭膜,所制備得到的PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝在高阻隔鋁箔袋中備用。

將PVA-納米TiO2共混膠液和ANT溶液混合,在40 ℃下磁力攪拌20 min,然后將ANT-PVA-TiO2共混膠液置于(23±1) ℃的真空干燥箱1 d以除去氣泡。將制備得到的共混膠液倒在恒溫加熱器的玻璃板上,玻璃板溫度調至60 ℃,陳嬋等[24]研究表明ANT在70 ℃條件下依舊保持穩定。采用間隙高度相同的拉桿均勻涂覆膠液于玻璃平板上,經預實驗得出烘干40 min后能較好地揭膜,所制備得到的PVA活性薄膜包裝在高阻隔鋁箔袋中備用,標記為PVA(1% TiO2,3% ANT)。

1.2.2 大黃魚預處理和包裝保鮮 將鮮活大黃魚(每條大黃魚均重約500 g)運回實驗室,用冰猝死后,快速切取一條大黃魚背部肌肉(180±5) g,再從中取(80±5) g魚肉放入4 ℃冰箱中保存,用作包裝保鮮或空白使用。包裝保鮮組,用制備得到的PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜密封包裝魚樣后擺放到無菌托盤中,并置于4 ℃冰箱中;空白不做任何處理直接擺放到無菌托盤中,并置于4 ℃冰箱中。分別于0、4、8、12、16、20 d后取樣測定保鮮指標,每種指標做三組平行。

1.2.3 感官評定 參考宋智等[25]評估方法并加以調整,由5名經過水產品質量培訓的專業人員組成評估小組從大黃魚的皮膚、眼、鰓、體表和肌肉彈性等作為指標進行感官評定,具體評分細則見表1,評分結果取平均值。滿分為9分,6分以下表示已不可食用。

表1 大黃魚感官評分表Table 1 Sensory evaluationTable of Pseudosciaena crocea

1.2.4 脂質過氧化(TBA)的測定 參考李婷婷等[26]和Wu等[27]的TBA測定方法,取10 g攪碎的魚肉加入到25 mL 7.5%的三氯乙酸溶液中混勻,使用離心機在4 ℃以8000 r/min離心10 min,取上層清液5 mL并加入5 mL 0.02 mol/L的硫代巴比妥酸溶液,將混合溶液置于80 ℃的恒溫水浴鍋中加熱40 min,冷卻至室溫測其在532 nm下的吸光度。TBA值(mg/kg)以丙二醛的質量分數表示，具體按照TBA檢測試劑盒說明書進行操作及計算。

1.2.5 菌落總數(TVC)的測定 菌落總數參考GB 4789.2-2016 食品安全國家標準《食品微生物學檢驗菌落總數測定》中的平板計數法[28]。

1.2.6 揮發性鹽基氮(TVB-N)的測定 參考凱氏定氮的原理[29],利用Kjeltec8400自動凱氏定氮儀對魚肉樣品的TVB-N含量進行測定。準確稱取5 g絞碎魚肉于消化管,加入1 g氧化鎂,加入50 mL蒸餾水搖勻,上機檢測。

1.2.7 pH和動態色差變化測定 pH測定參考GB/T 5009.45-2003水產品衛生標準的分析方法中的pH-酸度計法[30],分別于0、4、8、12、16、20 d取樣,測其pH。

使用色差儀測定PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜由于響應魚樣pH改變而發生的動態色差變化,并利用照片分析。以白色標準板作為背景進行測試,一式三份,其中測定的薄膜顏色參數L*值是亮度(黑-白),a*值是紅色(綠色-紅色),b*值是黃色(藍色-黃色)。色差(ΔE)表示如下等式:

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]0.5

1.3 數據處理

實驗數據顯著性分析采用SPSS 19.0軟件,結果以平均值±標準偏差表示,數據曲線利用Origin Pro V8.5 軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 大黃魚保鮮過程中感官品質的變化

在4 ℃貯藏期間不同包裝處理對大黃魚感官評分的影響如圖1所示。從圖1中可觀察到在貯藏期間,3組不同處理方式下大黃魚的感官評分都呈現下降趨勢,使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜處理組高于空白,這主要是因為使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝大黃魚能夠避免大黃魚與氧氣直接接觸,相對于空白的保鮮效果更好,但空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜處理組在第12 d的感官評分都降至5.33分,大黃魚肉質表現出暗淡色和紋理較清晰,并且伴隨著腥臭味,已低于感官可接受度(<6分),說明以這兩種方式處理大黃魚的貨架期低于12 d。采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理組的感官評分下降趨勢明顯低于相同貯藏期的空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜處理組,在第12 d的感官評分為6.67分,大黃魚肉仍呈淡白色,肉質較有彈性,紋理清晰,且魚肉雖有魚腥味但沒有腐敗臭味,整體感官評分仍處于可接受范圍,直到第16 d的感官評分才低至5.33分。因此從感官分析來看,經PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理的大黃魚,其貨架期相對于空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜處理組可延長約4 d。戴志遠等[31]使用二氧化碳和氮氣氣調包裝大黃魚,并且研究表明能夠在4 ℃貯藏期間,大黃魚的貨架期可達到15 d。但氣調包裝大黃魚一方面技術成本過高,另一方面在貯藏空間上也遠遠高于本研究的包裝技術,其在運輸貯藏過程中,整體是否能保證不漏氣也是一大考慮因素。

圖1 不同包裝處理對大黃魚在4℃貯藏期間感官評分的影響Fig.1 Effects of different packages on sensory scores of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.2 大黃魚保鮮過程中脂質過氧化的變化

TBA值已被廣泛用作評價水產品(尤其是高脂魚類)中脂類氧化程度,通過測定脂質過氧化產物丙二醛的含量,可了解脂質過氧化的情況,TBA值會隨著脂肪氧化程度的增加而升高[32]。圖2顯示了在4 ℃貯藏期間不同包裝處理對大黃魚TBA值的影響,從圖中可以看出,隨著貯藏時間的增加,3組不同處理方式下大黃魚的TBA值都呈現上升趨勢。其中空白TBA上升最快,主要是因為空白魚肉中的脂肪與氧氣不斷接觸,隨著貯藏時間的增加,其氧化酸敗程度越來越嚴重,導致TBA值的快速上升;PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝處理組由于能夠在一定程度上阻礙了魚肉和氧氣的接觸,減緩了魚肉脂質氧化的速度,故其TBA上升速度較空白要緩慢;而采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理組的TBA上升趨勢最為緩慢,一方面是因為PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜通過結合花青素,使活性薄膜具有了良好的抗氧化能力,而納米TiO2的加入也賦予活性薄膜優良的氧氣阻隔性能,Alateyah等[33]的研究也表明向薄膜中摻入納米TiO2能有效阻隔氧氣從薄膜一側穿到另一側。在這雙重有利因素作用下,一方面PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜不斷釋放花青素作用在魚肉表面以清除氧自由基,另一方阻隔魚肉與外界氧氣的接觸,極大地降低了魚肉脂質過氧化的速度,從而有效地延長了大黃魚的貨架期。沈潔等[34]采用醋酸纖維素/原花青素薄膜包裝新鮮豬油,結果表明花青素會從薄膜中緩慢釋放到豬油中,使其具有優秀的抗氧化性能,能有效延長食品的貨架期。王玉婷等[35]使用茶多酚、殼聚糖和檸檬酸復合保鮮大黃魚,且研究表明其貨架期不超過15 d。相對于使用保鮮劑保鮮大黃魚,本研究使用的包裝技術保鮮,在一定程度上不僅避免了魚肉被保鮮劑染色或染味,且能夠避免魚肉與氧氣的直接接觸,具有更好的保鮮效果。

圖2 不同包裝處理對大黃魚在4℃貯藏期間TBA值的影響Fig.2 Effects of different packages on TBA values of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.3 大黃魚保鮮過程中菌落總數的變化

圖3顯示了在4 ℃貯藏過程中不同處理方式下大黃魚菌落總數的變化,隨著貯藏時間的增加,3組不同處理方式下大黃魚的菌落總數都呈現上升趨勢?？瞻缀蚉VA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝處理組在第12 d的菌落總數分別達到了7.14lg cfu/g和7.03lg cfu/g,已超過新鮮魚類中的可接受菌落總數上限7lg cfu/g[36],結果表明在這兩種處理方式下的大黃魚的貨架期為12 d,這主要是因為隨貯藏時間的增加,魚肉中的細菌不斷生長繁殖,直接導致了魚肉的腐敗變質。采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理的大黃魚在第12 d的菌落總數達到6.37lg cfu/g,還處在可接受范圍之內,到第16 d的菌落總數還未到7.00lg cfu/g,這主要是因為一方面納米TiO2從活性薄膜中釋放到魚肉表面,因其優良的抗菌性能抑制了魚肉中細菌的生長,Lian等[37]將納米TiO2結合到PVA/殼聚糖薄膜中,通過抑菌圈實驗證明了該薄膜的抗菌活性隨著納米TiO2濃度增加而增強,且通過模擬液釋放實驗,研究表明納米TiO2能從薄膜中緩慢釋放出來。另一方面由于PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜具有優異的氧氣阻隔性能,極大地抑制了好氧類細菌的生長,因而使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝大黃魚能有效地延長大黃魚的貨架期。

圖3 不同包裝處理對大黃魚在4℃貯藏期間菌落總數的影響Fig.3 Effects of different packages on total viable counts(TVC)of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.4 大黃魚保鮮過程中揮發性鹽基氮的變化

揮發性鹽基氮(TVB-N)是動物類食品中蛋白質分解而產生的的氨及胺類等堿性含氮物質,其含量越高,表明氨基酸被破壞的越多,是指示食品貨架期的重要指標之一[38]。圖4顯示了不同處理方式下大黃魚在4 ℃貯藏期間TVB-N值的變化,3種不同處理方式下大黃魚的初始TVB-N值為13.97～14.17 mg·N/100 g,且隨著貯藏時間的增加,都呈現上升趨勢?？瞻缀蚉VA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝處理組在第12 d的TVB-N值分別達到了31.17和29.8 mg·N/100 g,在30 mg·N/100 g的TVB-N值可接受標準下已達到或超出可食用界限[39]。PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理組在第12 d的TVB-N值為23.43 mg·N/100 g,處于二級鮮度范圍(一級鮮度:TVB-N值≤13 mg·N/100 g;二級鮮度:TVB-N值≤30 mg·N/100 g)[40],在第16 d達到29.2 mg·N/100 g,達到二級鮮度的上限,表明使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理的大黃魚,其貨架期為16 d。這是因為TVB-N在水產品中主要是通過細菌作用產生[41],而PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在包裝處理大黃魚的過程中,能有效地抑制魚肉中細菌的生長繁殖,從而控制魚肉中TVB-N的產生速率,延長了大黃魚的貨架期。

圖4 不同包裝處理對大黃魚在4℃貯藏期間TVB-N值的影響Fig.4 Effects of different packages on TVB-N values of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.5 大黃魚保鮮過程中pH和包裝薄膜動態色差的變化

圖5反映了4 ℃貯藏期間大黃魚在3種處理方式下pH的變化,且整體呈現先下降后升高的V型趨勢,這主要是因為在貯藏前期,魚肉中發生了糖酵解反應,使糖原迅速分解成丙酮酸,然后形成乳酸而導致魚肉pH降低[42]。貯藏中期至后期,魚肉中微生物繁殖,大量蛋白質和其他營養物質分解并產生一些堿性產物而使得魚肉的pH逐漸升高[43]。新鮮大黃魚的初始pH為6.65～6.66,空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝處理組在第4 d的pH分別為6.64和6.59,低于初始值,這是因為以這兩種方式處理的大黃魚在第4 d已處于貯藏中期,魚肉中乳酸的形成已經結束,并且蛋白質等營養物質已開始分解產生堿性物質,魚肉中pH已處于逐漸上升階段。通過采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理的大黃魚pH在第4 d降至6.37,相對于空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包裝處理組有明顯的差異,且延長了貯藏前期魚肉中乳酸形成時間。在貯藏4～20 d時,3種處理方式下的大黃魚pH都呈現不斷升高的趨勢,但采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理組的上升趨勢明顯低于空白和純PVA薄膜包裝處理組,這主要是因為PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在包裝貯藏大黃魚的過程中不斷釋放花青素和納米TiO2至魚肉表面,有效地阻隔魚肉和氧氣的接觸,起到了明顯的保鮮作用。結果表明,使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理大黃魚能夠延長貯藏前期乳酸形成時間和抑制在貯藏中后期魚肉中蛋白質等營養物質的分解速度,有效地延長了大黃魚的貨架期。

圖5 不同包裝處理對大黃魚在4℃貯藏期間pH的影響Fig.5 Effects of different packages on pH of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在4 ℃包裝貯藏大黃魚期間的動態色差變化如圖6所示,使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝大黃魚,在貯藏過程中薄膜依次表現為灰棕色(0 d)、紅棕色(4 d)、淡紅棕色(8 d)、肉色(12 d)、灰色(16 d)和深灰色(20 d),依次響應大黃魚20 d貯藏過程中魚肉pH的變化。結合表2可知,薄膜的亮度(L*)先減小后增大,紅度(a*)先增大后減小,黃度(b*)先增大后減小再增大,這主要是由于在第0 d包裝大黃魚,薄膜的起始顏色保留為原始的灰棕色,在0～4 d貯藏過程中,由于大黃魚魚肉中乳酸的形成,使魚肉的pH逐漸降低,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜中的花青素響應環境pH的變化,從而發生薄膜的動態色差變化,a*值(紅度)和b*值(黃度)顯著增加(p<0.05),L*值(亮度)顯著降低(p<0.05),薄膜表現為紅棕色,其相對于0 d的色差(ΔE)也顯著增大(p<0.05)。在4～16 d貯藏過程中,魚肉中蛋白質等營養物質逐漸分解為堿性物質,魚肉的pH逐漸升高,薄膜開始逐漸向原始的薄膜顏色(灰棕色)變化,故第8 d薄膜表現為淡紅棕色,第12 d薄膜表現為肉色和第16 d薄膜表現為灰色,a*值(紅度)和b*值(黃度)顯著減小(p<0.05),L*值(亮度)顯著增加(p<0.05),薄膜ΔE值(色差)相對于0 d也逐漸降低。在16～20 d貯藏過程中,大黃魚魚肉的pH已超過7,薄膜變為深灰色,其a*值(紅度)和L*值(亮度)逐漸降低,而b*值(黃度)和ΔE值(色差)明顯升高。結果表明在20 d的貯藏過程中,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜通過薄膜顏色的動態色差變化能真實地反映出大黃魚魚肉pH的變化,可以作為大黃魚貨架期的顏色指示標志。Liu等[20]也制備了一種花青素、淀粉和PVA的復合薄膜,并用其包裝牛乳,結果表明該薄膜對牛乳顯示出良好的顏色指示,能智能監控牛乳中pH的變化。雖然國內外保鮮大黃魚的研究有很多[44-45],但是以本研究的這種具有智能響應貯藏期間大黃魚pH變化而導致薄膜本身顏色變化的研究,還未曾有過報道。這不僅提供了活性薄膜本身有效地保鮮性能,也賦予了活性薄膜另一種對大黃魚“智能監控”的性能。

表2 4 ℃貯藏過程中活性包裝薄膜的顏色參數(L*,a*,b*和ΔE值)Table 2 Color parameters(the values of L*,a*,b* and ΔE)of active packaging film during 4 ℃ refrigerated storage

圖6 4℃貯藏期間活性包裝薄膜動態顏色變化Fig.6 Corresponding dynamic color changes of the active packaging film during 4 ℃ storage

3 結論

在4 ℃貯藏期間,采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包裝處理大黃魚能有效地抑制魚肉中細菌的生長繁殖、脂肪氧化和氨基酸分解,相對于空白能延長貨架期4 d。且在20 d貯藏期間,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜能通過可見的顏色變化很好地反應大黃魚魚肉中pH的改變,具體表現為灰棕色(0 d)、紅棕色(4 d)、淡紅棕色(8 d)、肉色(12 d)、灰色(16 d)和深灰色(20 d)。本研究相對于其他常規保鮮大黃魚技術,其優點在于不僅能有效地延長大黃魚貨架期,還能夠在貯藏過程中,通過可見的薄膜顏色變化,直觀地了解大黃魚的品質變化,具有集智能監控和活性包裝為一體的優異性能。本研究的制膜工藝還相對手動化,若想要投入生產,還需改善制膜工藝,提高效益;此外對于PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜中活性物質從薄膜向大黃魚表面的釋放機制還需進一步研究。