多糖-納米材料復合涂層在水果保鮮中的研究進展

肖移聰，劉軍*，馬夢亞，馬文梅，姜薇，艾斯卡爾·吐爾遜， 古麗菲熱·伊力哈木，秦新政，艾合買提江·艾海提*

1(新疆大學 生命科學與技術學院，新疆 烏魯木齊，830052)2(新疆農業科學院 微生物應用研究所，新疆 烏魯木齊，830091)

水果在采摘后由于自身的呼吸作用會不斷消耗其體內的營養物質，從而降低水果自身的品質。前人研究表明，果蔬的衰老與活性氧(reactive oxygen species,ROS)代謝平衡密切相關，ROS代謝平衡控制著ROS的產生和清除以及酚類物質的合成和氧化的動態平衡[1]。過量的ROS可導致膜脂質過氧化，從而嚴重損害細胞膜，造成水果變軟，在色澤上出現令人不滿意的變化。水果在儲存過程中還會受到來自外部環境的威脅，如致病菌和儲存條件。在不受控制的儲藏條件和病原性微生物的感染下都會造成水果過早變質和儲存壽命變短[2]。對于水果的存儲環節，現有的保鮮工藝和保鮮技術較為復雜，成本較高，因此新的包裝保鮮材料和技術的研發引起相關領域工作者的重視。

對于水果的保鮮，使用可食性薄膜或涂層來提高氣體或水的選擇滲透性，可在水果表面營造一個低O2高CO2的氣體環境，抑制其呼吸速率[3]。一些生物大分子物質如多糖、纖維素等具有良好的成膜性能[4-5]。其中，大部分多糖都是天然抗菌劑，具有無毒、可生物降解、廣譜性等優點，適用于水果保鮮[6]。但多糖具有親水性，因此多糖普遍存在抗水蒸氣性能低、機械性能較差等缺點[7]，而納米材料具有獨特的力學性能，因此添加納米材料來改善多糖類生物聚合膜的性能是一種很有前景的方法。最近有研究表明，添加納米材料可以很好地提高多糖類生物聚合膜的物理、機械和氣體阻隔性能[8]。KANMANI等[9]在瓊脂、角叉菜膠和羧甲基殼聚糖中添加納米氧化鋅顆粒，然后采用溶劑澆鑄法制備納米復合薄膜。添加納米ZnO增強了薄膜的顏色、紫外線阻隔性、水分含量、疏水性、伸長率和熱穩定性，同時降低了水蒸氣透過率、拉伸強度和彈性模量。已有研究表明，含有檸檬醛納米乳液、納米TiO2、納米復合材料Ag/TiO2的涂層有助于延長鮮切甜瓜和哈密瓜等水果的采后貨架期[10-12]。因此，本文將圍繞多糖納米復合涂層保鮮技術在水果中的研究應用現狀進行總結和分析，為多糖納米保鮮技術在水果中的應用提供依據。

1 多糖納米復合涂層的保鮮機理

根據前人的研究發現，水果儲存期縮短的主要原因是水果本身的呼吸作用和來自外界病原菌的侵染。多糖涂層可以選擇性地允許氣體透過，這使得它對氣體具有良好的阻隔性，能夠在涂層水果內形成改良的大氣條件，即使將周圍環境與涂層食品之間的氣體轉移速度降至最低，呼吸速率也不會完全終止，這使被涂布后的水果以較低的速率進行有氧呼吸，衰老過程也以較低的速率發生，因此，水果的保質期得到了延長。除此之外多糖還具有廣泛抗菌性能，這也阻擋了來自外界病原菌的浸染。盡管基于多糖的涂層提供了出色的氣體阻隔性，但它的親水性、阻隔性較差。因此，有必要提高多糖基涂層的阻水能力和其他性能，以增加其作為食品涂層的功能。將納米材料摻入多糖中可為涂層提供出色的機械和阻隔性能，而且納米材料還具有優異的抗菌活性。最近研究表明，納米材料可以破壞細胞壁的正常功能，使蛋白質失活以及通過形成ROS誘導生物大分子發生氧化鏈式反應，直接破壞細胞的生理結構；另一方面，納米顆粒具有顯著的正Zeta電位，有助于與細胞膜相互作用，從而破壞細胞膜，影響質膜的傳遞通道，導致細胞死亡[13]，從而增強了涂層的抗菌性。比如納米AgO可以釋放出穿透細胞壁并與細胞質成分發生反應的Ag+[14](圖1)。涂層還可以降低揮發性物質的損失以及最大限度減少水果的物理損傷。因此在整個保鮮過程中，多糖/納米材料復合涂層可以延長水果的保鮮期，一方面是由于涂層在水果表面形成的膜可以營造一個低O2高CO2的環境，使水果的呼吸作用受到抑制；另一方面是多糖/納米材料的協同作用增強了涂層的抗菌性能，因此能夠更好地抵擋來自外來病原菌的侵染。

1-通過靜電吸引，納米銀附著到細胞表面，破壞細胞壁， 與細胞膜相互作用；2-誘導自由基的產生，滲透性發生變化， 細胞內容物泄漏；3-與DNA相互作用，破壞DNA結構； 4-抑制蛋白質合成和功能圖1 納米銀抗菌活性機理圖[14]。Fig.1 antibacterial activity mechanism of nano silver, Cited in[14]

2 多糖納米復合材料在水果儲存中的應用

2.1 殼聚糖

殼聚糖具有可降解性、來源廣泛、抗菌活性等許多優良特性，使其在包括食品工業的許多領域中都得到廣泛的應用[15-16]。殼聚糖薄膜可作為食品包裝材料，特別是與其他成膜材料結合使用時[17]，對各種食品具有良好的保護作用。最近殼聚糖/納米SiO2涂層被應用于草莓[18]和新鮮龍眼[19]的保鮮，實驗結果表明，殼聚糖/納米SiO2涂層保鮮效果優于單一的殼聚糖涂層。經殼聚糖/納米SiO2涂層處理的草莓和龍眼，其失重和呼吸速率顯著降低，硬度、顏色和其本身的營養物質得到了更好地保持，從而減緩了果實的失水和成熟過程。左海根等[20]研究了殼聚糖/納米TiO2復合涂層對香蕉保鮮的影響。實驗結果表明，殼聚糖/納米TiO2涂層可以有效減少果皮的褐變，減緩香蕉的成熟進程，在儲存16 d時，未處理的香蕉明顯腐爛，且內部肉質軟爛并有明顯異味，但經過處理的香蕉表皮雖然變黑但是其內部果肉肉質緊實，無明顯異味。楊華等[21]研究了不同濃度下(0.1、0.3 g/L)納米TiO2/殼聚糖復合膜對芒果在儲存過程中的保鮮效果，結果表明，該復合涂層可以顯著降低芒果的失重以及維持較好的硬度，在儲存過程中芒果的營養物質如可溶性固形物和維生素C也得到很好的保持。這是由于涂層在水果皮表面形成低O2高CO2的微環境，較低的O2含量，可以抑制水果的呼吸作用，削弱水果的新陳代謝，降低了與水果硬度相關酶的活性和果膠物質轉換速度，從而延緩水果果實的軟化以及降低營養成分的損耗。雖然殼聚糖/納米TiO2復合膜都具有保鮮效果，但當納米TiO2含量為0.03%時，涂層的保鮮效果最佳。

ARROYO等[22]研究了殼聚糖/納米ZnO涂層對番石榴貨架期的影響。研究了在相對濕度為80%、溫度為(21±1)℃的環境下儲存20 d的番石榴的變化情況。結果表明，殼聚糖/納米ZnO涂層可以減少番石榴的質量損失，延緩其成熟進程。從成熟度來說經過涂層處理的番石榴擁有更低的成熟度(可溶性固形物/可滴定酸)，這是由于殼聚糖/納米ZnO涂層在番石榴表面形成一層較為致密的膜，這層膜與果皮之間形成了一個低O2高CO2的環境，抑制其呼吸作用從而延緩了番石榴成熟。未涂層番石榴從第12天起就已經出現損傷，而涂層果實直至儲存結束后也未出現損傷。LAVINIA等[23]研究了殼聚糖/納米ZnO涂層對鮮切木瓜的保鮮效果，經過涂層的木瓜在儲存4 d后仍然可以安全食用，未涂層的木瓜微生物含量超過了印尼食品與藥物管理局(Badan Pengawas Obatdan Makanan)規定的微生物計數最大限值(5.00 lg CFU/g)。實驗結果表明，殼聚糖/納米ZnO之間協同作用可以增強涂層的抗菌活性，該復合涂層可以通過減少微生物生長來保持鮮切木瓜的質量。

2.2 海藻酸鈉

海藻酸鹽是褐藻和海藻中含量最豐富的多糖之一。藻酸鹽具有良好的生物降解性、生物相容性和無毒等優點，具有作為活性包裝材料的潛力[24-25]。

李曉宇等[26]觀察了海藻酸鈉/納米TiO2涂層在常溫下對鮮水蜜桃的保鮮效果。結果表明，經過涂層的水蜜桃在儲存8 d后的感官評分要高于未涂層的水蜜桃，被涂層的水蜜桃本身的香味也得到了很好的保持，果實的腐爛率較少、微生物生長受到了抑制。此外納米TiO2的加入使復合膜的透氣性降低，使果皮與涂層之間維持在一個較高的CO2濃度，而且納米TiO2在紫外光的照射下可以將乙烯分解成CO2和水，因此被涂層的果實呼吸峰值比未涂層的出現的要晚，這表明涂層對水蜜桃的成熟有一定的控制作用。郭欣等[27]的研究也探索了海藻酸鈉/納米TiO2涂層在番木瓜上的應用，但研究主要集中在番木瓜果實采后軟化的機理上，將1.0%海藻酸鈉與0.1%納米TiO2混合制備成涂抹液，將番木瓜浸泡在該涂層中5 min，晾干之后裝入聚乙烯袋中。將番木瓜置于溫度28 ℃、相對濕度為80%的環境下儲存12 d。實驗結果表明，海藻酸鈉/納米TiO2涂層可以有效地維持番木瓜的硬度，有效地抑制采后番木瓜果實細胞壁中原果膠的降解，延緩可溶性果膠的生成。經過海藻酸鈉/納米TiO2涂層處理的番木瓜，其體內參與細胞壁代謝的關鍵性酶，如多聚半乳糖醛酸酶、果膠甲酯酶和β-半乳糖苷酶等活性降低，從而維持果實完整的細胞壁結構，延緩果實軟化，延長采后番木瓜貨架期。

EMAMIFAR等[28]研究了海藻酸鈉/納米ZnO涂層以及在冷藏條件下對草莓貨架期的影響。經過涂層的草莓儲存在1 ℃和相對濕度為95%的冰箱中，持續20 d。結果表明，經過涂層處理的草莓表現出更低的微生物生長、質量損失，這表明水果表面的蒸騰作用和呼吸速率降低。另外經過處理之后的草莓表現出更高的硬度，這可能是由于CO2在水果內部的積累導致了對水果軟化酶的抑制。其最根本的原因是由于納米ZnO的加入改變了海藻酸鈉涂層的力學性能，使其形成的膜更為致密，阻礙了CO2的排出。納米涂層草莓可溶性固形物總量增加較少，總酸、抗壞血酸、花青素和多酚含量下降幅度較小，說明涂層可以控制果實成熟度。涂層草莓過氧化物酶活性的升高幅度較小，超氧化物歧化酶活性的降低幅度較小，說明涂層草莓能夠更好地抵御各種傷害或脅迫。感官評價還表明，與未涂層的草莓相比，涂層草莓具有更好的可接受性。

2.3 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素是一種線性、長鏈、水溶性陰離子多糖，可用作水果涂層材料[29]。羧甲基纖維素涂層在實際應用中可以保持水果在儲存過程中的質量，最近有研究表明羧甲基纖維素涂層可以延長鮮切蘋果[30]、梨[31]和草莓[32]的貨架期。出于對羧甲基纖維素成膜性能的考慮，KOUSHESH SABA等[33]研究了羧甲基纖維素/納米ZnO復合涂層對石榴的保鮮效果。涂層果實在4 ℃和相對濕度為90%的條件下儲存12 d。結果表明，直至貯藏結束，涂層處理的果實微生物生長速度一直較低。這得益于納米ZnO在儲存過程中起到的抑菌、殺菌作用。此外，與未涂層的果實相比涂層處理的果實在整個儲藏期間，其硬度、可溶性固形物和維生素C都表現出更好的狀態。這是由于納米ZnO的添加顯著改善了羧甲基纖維素膜的氣體阻隔性能，降低了果實的呼吸速率，從而延長其儲存的時間。

2.4 其他類多糖

蜂膠是蜜蜂從樹木的芽、皮或其他植物的幼苗上采集樹脂，并混合了蜂蠟、花粉、β-葡萄糖苷酶等物質而制成的[34]。蜂膠因其具有較強的抗菌殺菌性、抗氧化性以及較好的成膜性能，在近幾年受到人們的廣泛關注。張蓓[35]研究了蜂膠/納米SiO2涂層在4 ℃下對圣女果保鮮的影響。圣女果在4 ℃和相對濕度為65%～70%的環境下儲存18 d，實驗結果表明，蜂膠/納米SiO2涂層可以降低圣女果的失重率和硬度，此外經過涂層處理的圣女果在第9天時才開始腐爛，未處理的圣女果在第6天就已經有明顯的腐爛。而對于圣女果的呼吸峰值而言，涂層處理的圣女果比未處理的晚了3 d，且呼吸峰值低于未處理的圣女果。被涂層的圣女果可溶性固形物以及維生素C和可滴定酸在儲存期間得到了較好的保護，這都表明圣女果的成熟進程被減緩。

果膠是一種復雜的多糖，存在于植物細胞壁中，由于其具有無毒、生物相容性和可生物降解的特性而成為食品包裝行業的熱點之一[36]。ROMADHAN等[37]研究了果膠/納米ZnO復合安全涂料在楊桃上的應用。實驗結果表明，涂層和未涂層的楊桃在失重率方面沒有明顯的差異，這可能是由于果膠所含有的親水基團太多和納米ZnO的添加量太小造成的。此外，在儲存過程中楊桃果實褐變指數降低、紅度值增加、物理損傷減少。在貯藏期結束前，涂層的楊桃仍可食用，而未涂層的楊桃則不能食用。

卡拉膠是一種來源于紅藻，具有凝膠形成和增稠能力的多糖。因其具有優良的成膜潛力[38]，卡拉膠已作為一種安全的涂料被廣泛應用。MEINDRAWAN等[39]研究了卡拉膠結合納米ZnO對芒果的保鮮。涂層溶液由0.8 g卡拉膠、0.5 mL甘油和不同濃度(0%、0.5%、1%)的納米ZnO組成，將芒果在20 ℃和相對濕度為61%的環境下儲存20 d。被涂層的芒果在儲存期間失重率減少，這是由于卡拉膠中加入了納米ZnO改善了水分阻隔性。與未涂膜的芒果相比，該復合涂層不能保持芒果的硬度。這可能是因為在涂層生產過程中，氧化鋅納米顆粒聚集的形成可能會影響涂層的阻隔能力，并且有許多因素會導致芒果軟化，而這種軟化不受涂層的抑制。芒果的總酸度隨著儲存時間的增加而降低，這種現象是由成熟過程中檸檬酸降解引起的，而且涂層可降低呼吸速率并減少液泡中有機酸作為呼吸基質的使用，該結果也得到了CO2產量測定結果的支持。對照組芒果的CO2產量比經過涂布處理的芒果高。同時，ZnO納米顆粒有助于改善涂層性能，尤其是在蒸騰過程中抑制O2和CO2的交換，該研究表明涂層可以維持芒果的貨架期。在整個儲存過程中，當納米ZnO的用量為10 g/L時保鮮效果最佳。這是由于適當的納米ZnO的添加量可以使納米ZnO均勻分散在卡拉膠溶液中，使膜的性能達到最佳，從而使膜具有更好的水蒸氣和氧氣的透過性。

王芳[40]利用余甘多糖的還原性來合成納米銀粒子，從而生產出余甘多糖/納米銀復合涂層，將荔枝在涂層溶液中浸泡3 min，待自然晾干后裝入PVC包裝盒中，然后儲存在不同的溫度(25、4 ℃)下。在儲存過程中，儲存溫度為25 ℃的荔枝從好果率上看僅可儲存5 d，但在4 ℃下的荔枝可貯藏21 d?？梢姕囟仁怯绊懤笾Υ嫫诘囊粋€重要的因素。但在4 ℃下經過涂層處理的果實的失重率和褐變指數相較于同溫度下儲存的對照組更低，果實的外觀保持地更好。對于果實的營養品質來說，同溫度下經過涂層處理的荔枝在可溶性固形物含量上以及口感上均優于未處理的對照組。因此，低溫是延長水果保鮮期的良好方法，但低溫結合涂層處理的保鮮效果要強于單一的低溫儲存。

3 納米顆粒作為復合涂層材料的安全性問題

3.1 遷移性問題

納米技術應用于食品包裝至今還不到20年，但是由于納米材料尺寸、表面結構、化學組成等特性，在食品包裝上出現了許多具有新功能的包裝材料如抗菌活性包裝[41]。食品包裝是食品生產的重要組成部分，隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，消費者對健康問題的關注程度越來越高。食品包裝材料的遷移程度和安全性是人們關注的重點問題。

目前，納米包裝材料對人體健康的危害主要是由于納米顆粒向食物中遷移，AVELLA等[42]最先研究了納米粒子從納米復合材料向包裝食物的遷移，此后BUMBUDSANPHAROKE等[43]通過不同食品模擬物研究了低密度聚乙烯-納米ZnO復合膜中納米ZnO的遷移。結果表明，在模擬的脂肪食物中沒有檢測到鋅，而納米ZnO在模擬的酸性食物中的遷移率最高。此外，還發現納米ZnO在模擬的酸性食物中溶解度最高。這一結果與曹國洲等[44]研究結果相似，他借助掃描電鏡發現納米材料在不同的模擬物中的遷移量不一樣：酸性食物>水性食物>油性食物>酒類食物。HAFTTANANTAN等[45]研究了不同溫度下(30、45、60 ℃)商用聚丙烯/納米ZnO復合材料中納米ZnO在蒸餾水、體積分數4%的乙酸和正庚烷中的遷移率。結果表明，隨著時間的延長，納米ZnO顆粒遷移的數量也在增加，高溫條件下納米ZnO遷移速率最高。另外，還發現納米ZnO在乙酸和正庚烷上擁有更高的遷移率。根據目前的研究結果，納米顆粒的遷移主要與食品屬性、溫度、接觸時間等因素有關，日后也需要更多的實驗探究納米顆粒的遷移規律，為其日后的應用提供一定的科學依據。

3.2 毒性問題

納米復合涂層直接與水果果皮接觸，已有大量的研究證明納米材料用于水果涂膜后會發生遷移，因此了解納米材料遷移到水果中的毒性作用，對保證食品的安全及消費者的健康有著至關重要的作用。水果涂層中的納米材料主要通過口腔進入，進而對人體的器官造成一定傷害[46]。納米顆粒的毒理主要包括：氧化應激、炎癥反應以及氧化損傷[47]。BARKHORDARI等[48]的研究專門測試了納米ZnO(30～70 nm)對人類精子細胞的毒性作用。實驗表明納米ZnO通過劑量和接觸時間的方式導致精子細胞死亡。當濃度高達100 μg/mL的ZnO納米粒子與精子一起孵育90 min，導致細胞死亡不到10%。陳艾婕[49]以納米ZnO和納米TiO2對Wistar大鼠進行舌體滴注，結果表明納米顆?？赏ㄟ^味覺神經通路導致神經中樞毒性，引起大腦組織氧化損傷，降低學習記憶和認知能力。熊雰等[50]研究發現不同尺寸的納米ZnO可增強乳酸脫氫酶的釋放率，改變細胞膜通透性，使細胞膜受損，同時又可抑制堿性磷酸酶的活性，影響細胞分化程度。此外，WAHAB等[51]將ZnO 納米顆粒引入惡性細胞(T98G和KB)和非惡性細胞(HEK)。結果表明，ZnO納米顆粒對T98G細胞的生長有抑制作用，對KB細胞有中度抑制作用，對正常HEK細胞毒性最小。NAMVAR等[52]用小鼠的正常成纖維細胞測試了ZnO納米顆粒的毒性。結果表明納米ZnO(100 μg/mL)對小鼠的正常成纖維細胞沒有顯示任何毒性。

4 結論

食品包裝的主要功能是保護食品免受物理、生物和化學的影響。食品包裝保存食品的能力是通過延緩食品變質，保存和延長食品加工帶來的有益影響，通過提高保質期來保存食品的質量和安全。復合涂層應用于水果屬于食品包裝的一種。隨著社會與經濟的發展，許多水果已經在世界范圍內商業化，水果的需求量也在逐年增加。然而，水果的易腐性使其在采摘后很容易腐爛變質，尤其是水果在長途運輸時。傳統的保鮮方法如冷鏈運輸、聚乙烯薄膜包裝，能耗大又不環保，因此需要一種既環保又經濟的保鮮材料。多糖是一種廣泛存在于自然界的一種高分子聚合物，它具有生物可降解性、抗菌和抗真菌活性以及成膜性等特點，因此廣泛應用于水果保鮮。但由于其成膜的力學性能較差，因此常需在多糖中加入納米顆粒來增強其力學性能和抗菌性。納米技術雖應用于食品包裝不到20年，但發展迅速，已出現多種具有特殊性能的食品包裝材料，因此在水果保鮮方面，多糖/納米復合涂層具有廣闊的市場前景。當多糖/納米復合涂層直接涂布在水果表皮，納米材料會通過遷移進入果皮，然后通過食用進入人體。故納米復合涂層的安全性和適用性還需持續關注。