Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的抑菌性及在荸荠保鲜中的应用

王东坤，陈丁，郭娜，张方艳，朱桂兰

(合肥师范学院 生命科学学院，安徽 合肥，230061)

食品包装材料是影响食品贮藏期的重要因素，目前生活中常见的多为塑料包装[1]，这种包装材料虽然能够减缓食品腐败速度，延长食品贮藏期，但长期使用会对食品本身品质产生影响，还会对环境造成污染[2]，因此寻找出一种更加安全绿色的保鲜材料显得尤为迫切。近年来，具有可降解、绿色环保等优点的可食用复合膜材料成为研究热点[3-4]。

荸荠是一种具有较高营养和保健价值的水生植物，同时还具有消食、醒酒等功能[5]。目前，人们常用窖藏、缸藏和NaClO溶液保藏等方法对荸荠进行保鲜[6]，这一类传统方法，具有其特有的优点，但都不易解决贮藏过程中荸荠腐败变质和失水严重的问题，因此人们正在寻找一种更佳的荸荠保鲜方法。

瓜尔豆胶是以半乳甘露聚糖为主要成分的天然多糖化合物，有很好的成膜性和稳定性，能够与其他多糖胶复配，形成复配溶液[7-8]。而结冷胶是一种成膜性能好，凝胶能力强的多糖[9-11]。将以上2种胶液按特定比例混合复配，并在混合体系中加入适量甘油，经干燥后能得到复合膜。这种复合膜，不仅是一种天然的可食用膜，不会对人体造成危害，还能够发挥2种复配胶的协同作用，扩大其应用领域，带来更大的收益[12]。

乳酸链球菌素(Nisin)是一种具有较强抑菌性的天然多肽物质，能被人体内的相关酶分解，具有很高的安全性[13]。向复合膜中添加Nisin，制备出抗菌性复合膜，能更好地满足消费者对食品品质的要求。

本论文以结冷胶、瓜尔豆胶和Nisin为主要原料制备复合膜，测定了不同Nisin浓度下复合膜的抑菌效果，并且对荸荠进行涂膜保鲜，通过测定相关指标变化，以探究其保鲜效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

瓜尔豆胶(食品级)，江西富之源生物科技有限公司；结冷胶(食品级)，河南安锐生物科技有限公司；乳酸链球菌素(食品级)，洛阳奇泓生物科技有限公司；新鲜荸荠，合肥市蜀山区锦绣菜市场；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

TA-XT plus型物性测试仪，英国Stable Micro System公司。

1.3 试验方法

1.3.1 复合膜的制备

称取0.24 g瓜尔豆胶置于磁力搅拌器上搅拌，再将0.96 g结冷胶置于蒸馏水中，放入80 ℃左右的水浴锅中加热搅拌，待两者充分溶解后混合定容至60 mL，共配制6组复合膜液，再加入Nisin(Nisin的最终质量浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g/L)于复合膜液中，同时加入一定量甘油，混合均匀倒入模具，置于60 ℃干燥箱中干燥24 h，取出备用。

1.3.2 复合膜抑菌性的测定

采用抑菌圈法[14]。

1.3.3 复合膜对荸荠保鲜试验

用蒸馏水清洗荸荠，晾干后，随机分成3组进行不同处理。其中，对照组不处理；膜组采用结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理；Nisin-膜组采用0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理。将不同处理的荸荠编号，装入袋中，置于4 ℃条件下保藏，并间隔5 d取样，检测相关性能。

1.3.4 荸荠相关指标测定[15-16]

失重率测定：在3组中任取6个荸荠单独放置，每隔5 d测定1次荸荠质量变化，以失重率表示，按公式(1)计算：

(1)

好果率测定：每隔5 d将各组荸荠从袋中取出，观察并记录荸荠果实的腐烂、霉变情况，将未发生腐烂和霉变的荸荠记为好果，计算好果率，按公式(2)计算：

(2)

质构测定：用质构分析仪对果肉进行质构分析。每组随机选取6个荸荠，切成大小均匀的块状，利用标准压缩平板探头(SMS P/50)进行40%压缩试验测定。探头测定速率是1 mm/s，自动触发力为5 g。硬度取最高的峰值，脆度为探头移动到第1个峰值。

果肉电导率测定：每组随机选取6个荸荠，采用电导仪测定。

可溶性固形物含量：采用阿贝折光仪测定。

过氧化物酶(POD)活性：愈创木酚法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件处理平均值和标准误差，SPSS 23.0软件进行统计学显著性分析，origin 8.5软件进行折线图的绘制。

2 结果与分析

2.1 Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的抑菌性能

根据表1可看出，Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母均有抑制作用，并且随着Nisin添加量的增加，产生的抑菌圈也随之增大，抑菌性增强。

表1 Nisin浓度对复合膜的抑菌性Table 1 Effect of Nisin on the antimicrobial activities ofthe composite film

注：同列肩标的小写字母相同，表示其显著性相同(P>0.05)；字母不同，则表示显著性也不同(P<0.05)。

对于枯草芽孢杆菌与大肠杆菌，当Nisin质量浓度达到0.5 g/L时，抑菌圈达到最大，并且与其他浓度相比，具有显著性差异(P<0.05)，此时复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌的抑菌效果最强，而对于面包酵母，当Nisin质量浓度从0.3变化到0.5 g/L时，虽然抑菌圈在变大，但并不具有显著性差异(P>0.05)，因此可认为，当Nisin质量浓度为0.3 g/L时，复合膜对面包酵母的抑菌性已达到最强。

以上现象与Nisin的抑菌机理密切相关。目前，虽然人们尚未完全清楚精准的Nisin抑菌机理，但学者们普遍认为，Nisin能够影响细菌细胞膜的形成，它能够造成细胞内许多物质流出，使细胞内外渗透压被改变，造成细胞破裂死亡，从而起到抑菌作用[17-19]。并且当Nisin的质量浓度较高时，更容易造成细胞裂解，因此增加Nisin的添加量，抑菌效果更明显。

同时，由表1可知，Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母的抑制作用存在差异。例如，在0.5 g/L Nisin的质量浓度下，枯草芽孢杆菌的抑菌圈大小约为7.07 mm，而大肠杆菌和面包酵母的抑菌圈大小分别约为4.53和3.78 mm，复合膜对枯草芽孢杆菌的抑制作用要明显强于另外2种菌，而枯草芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌，这符合Nisin对革兰氏阳性菌较敏感的特性。

2.2 Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对荸荠保鲜的影响

2.2.1 好果率

图1显示，随着贮藏时间的增加，3种不同处理组的荸荠好果率均有所下降，但在贮藏期内，经结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜处理后的荸荠好果率都要高于对照组，同时0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组也高于结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组，这表明结冷胶-瓜尔豆胶膜液可以在一定程度上延缓荸荠的腐败，对荸荠具有保鲜作用，而当在复合膜液中加入Nisin后，这种保鲜作用得到加强。这可能是因为当结冷胶-瓜尔豆胶复合膜液涂抹在荸荠表面，晾干后形成一层薄膜结构，这种结构对荸荠起到一定的保护作用，降低了荸荠与外界微生物接触的可能性，从而达到保鲜作用，而Nisin作为一种天然抑菌剂，它能够提高结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的抑菌能力，加强膜的保鲜效果，延缓荸荠的腐败速度[20-21]。

图1 荸荠好果率的变化Fig.1 The change of good fruit rate of water chestnuts

2.2.2 失重率

随着贮藏时间的延长，荸荠内部的水分会逐渐蒸发，导致荸荠的质量下降。由图2可知，各方法处理后的荸荠失重率都在增加，但趋势不同，对照组的失重率增加趋势最明显，而结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组的趋势要优于对照组。这表明结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜能够延缓荸荠失水，这可能是结冷胶与瓜尔豆胶形成的复合膜分子结构较为致密[22]，能够有效阻止水分散失。但2个涂膜组间的差距并不明显，这表明Nisin的加入，未能改善荸荠的失重率变化。

图2 荸荠失重率的变化Fig.2 The change of weight loss of water chestnuts

2.2.3 质构分析

从图3可以看出，荸荠的硬度与脆度变化呈现不同的规律，随着贮藏时间的延长，荸荠硬度先下降后上升，而脆度则一直下降。如：从第0～15天，荸荠的硬度和脆度都有所下降，但15 d后，硬度突然上升，且在第25天，达到最大，而脆度则继续下降，且下降速率要高于之前，这可能是由于从第15天后，荸荠果肉失水蒸发严重，使得荸荠果肉细胞受损加重，失去活性，进而加速了荸荠组织结构的破坏，果实表皮皱缩，导致荸荠硬度突然增大，脆度下降严重。

图3 荸荠硬度和脆度的变化Fig.3 The change of hardness and brittleness of waterchestnuts

2.2.4 果肉电导率

由图4可知，在贮藏期内，各处理组果肉的相对电导率都在上升，而相对于对照组，涂膜组的相对电导率要低。这说明在贮藏过程中，荸荠果肉细胞受到破坏，细胞膜受损变得严重，相对电导率开始逐渐上升，而涂膜处理能够抑制果肉电导率的上升，表明复合膜对荸荠果肉细胞能够起到保护作用，延缓细胞膜受损。并且0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的电导率要低于结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组，表明前者的作用效果要更好。

图4 荸荠果肉相对电导率的变化Fig.4 The change of relative conductivity of water chestnuts

2.2.5 可溶性固形物含量

从图5可以看出，随着贮藏时间的延长，各组荸荠的可溶性固形物含量均逐渐下降。4 ℃存放的荸荠，在贮藏期内，可溶性固形物含量下降速率基本一致，变化范围也较小；而室温下贮藏的荸荠，在5 d后，可溶性固形物下降速率开始增大，并且结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组和0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的下降趋势要稍缓和于对照组。涂膜组的可溶性固形物含量都要高于对照组。以上结果表明，荸荠在贮藏过程中可能由于呼吸作用，使得糖类被消耗，导致可溶性固形物含量下降，而对荸荠涂膜后，复合膜可能减缓了荸荠的代谢速度，使得糖类物质的消耗减慢，故可溶性固形物含量也相对较高[23]。

图5 荸荠可溶性固形物含量的变化Fig.5 The change of soluble solids content of waterchestnuts

2.2.6 过氧化物酶(peroxidase, POD)活性

POD活性可用来反映果蔬的品质变化，在贮藏期内，果蔬的POD活性会随着其品质的降低而下降[16]。根据图6所示，在贮藏条件下，各组荸荠POD活性均呈下降趋势，且降速率基本一致，没有明显差异，但涂膜组的POD活性要略高于对照组；从第15天开始，0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶涂膜组的荸荠POD活性下降速率明显要缓和于另外2组，POD活性也明显高于另外2组。以上结果表明，2种涂膜方法都可以抑制荸荠POD活性的下降，而0.5 g/L Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的作用效果更好。

图6 荸荠POD活性的变化Fig.6 The change of POD of water chestnuts

3 结论

(1)Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌及面包酵母均有抑制效果，并且复合膜对枯草芽孢杆菌产生的抑菌圈要明显大于另外2种菌。

(2)涂膜组处理均能延缓荸荠品质的下降，其中Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜的作用效果要更加显著，在4 ℃条件下，贮藏25 d后，荸荠的好果率和POD活性要明显高于对照组和结冷胶-瓜尔豆胶膜液涂膜组，也能很好地抑制果肉相对电导率的上升，这表明Nisin-结冷胶-瓜尔豆胶复合膜可适应于荸荠的保鲜。