生姜精油微胶囊薄膜包装对秋葵保鲜效果的影响

宋文龙，李洋洋，郜海燕，黄泳斐，李立*

1(上海海洋大学 食品学院，食品热加工工程技术研究中心,上海， 201306)2(浙江省农业科学院,浙江 杭州，310021)

黄秋葵(Abelmoschusesculentus(Linn.)Moench)原产于印度，富含蛋白质、不饱和脂肪酸、维生素、矿物质和黄酮、多糖等人体不可或缺的营养物质[1]。黄秋葵作为人类最佳保健蔬菜之一，具有很高的食用价值和药用价值。黄秋葵不但可以抗疲劳、帮助消化、治疗胃炎和胃溃疡、保护皮肤和胃黏膜的功效，还可以预防甚至医治皮肤癌[2]。但黄秋葵果实皮薄，气孔发达，采后呼吸强度大，容易失水软化而失去商品价值，常温下放置1～3 d 黄秋葵便会腐败变质[3]。

目前果蔬的保鲜方法主要有气调贮存、冷藏贮存、热处理保鲜、化学保鲜剂处理、涂膜保鲜、生物保鲜等方法[4]。常见的活性抗菌包装是将抗菌剂通过在包装材料上掺入、涂布、固定或表面改性[5]等方法来制备，与普通包装相比，活性包装通过表面或内部的抗氧化剂的释放作用于食品，从而吸收、清除或释放、发射特定物质[6]，控制包装袋中微环境，达到抗氧化保鲜的目的。

精油是从特定植物部分提取的油性芳香和挥发性液体。许多种精油具有抗真菌、抗病毒、抗氧化等生物特性[7]，如茶树精油、生姜精油、薄荷精油、茴香精油、牛至精油和肉桂精油等。在这些精油中，生姜精油是从植物姜的根部提取的，它是世界上使用最广泛的香料之一，具有很强的抗菌和抗氧化活性[8]。但生姜精油不稳定性，具有水不溶性和改变食品特征味道的感官特性。喷雾干燥微囊化目前已成为一项关键技术，通过改变芳香族物质(例如香精油)的液态来提高稳定性[9]。因此，将精油包封到微囊中是克服这些缺点的有效替代方法之一[10]。

本研究使用微胶囊化技术，将生姜精油包埋于壳聚糖-明胶微囊中，并将生姜精油微囊加入LDPE/EVA薄膜中，壳聚糖作为一种非迁移性抗菌物质，生姜精油作为迁移性抗菌物质，它们相互结合可以增强微胶囊精油的抗菌性能。微囊化增强了精油在薄膜中的稳定性，保护精油免受不良环境的影响，使精油可以缓慢释放作用于秋葵保鲜。使用扫描电子显微镜观察生姜精油微囊的添加对LDPE/EVA薄膜性能的影响，同时考察薄膜包装微环境下O2和CO2体积的变化情况，并以低场核磁共振技术来评价不同薄膜包装下秋葵的水分含量，辅以失重率、丙二醛含量等作为衰败指标，来评价不同活性薄膜对秋葵的保鲜效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料

乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA-EV460)，日本三井化学有限公司(日本)；低密度聚乙烯(LDPE)Q814，中石化上海石油化工股份有限公司；壳聚糖(脱乙酰度>95%，分子质量75 kDa)，国药集团化学试剂有限公司；生姜精油(GEO，超临界CO2萃取;密度0.890～0.928)，吉安市中香天然植物有限公司；秋葵(当天采摘，加冰袋运输)，三亚仙然鲜水果店；明胶乙酸、吐温-80、无水乙醇(均为分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；丙二醛(MDA)测定试剂盒(TBA法)，南京建成生物工程有限公司。

1.2 仪器与设备

BSA 型分析天平，梅特勒-托利多仪器有限公司；FJ200-SH数显高速分散均质机，上海标本模型厂；HWS12电热恒温水浴锅，上海一恒；UV-2300型紫外-可见分光光度计，紫柯仪器(上海)有限公司；TA-XT Plus 质构仪，英国Stable Micro System公司；C-MAG HS4磁力搅拌器，德国IKA；Quanta-200扫描电子显微镜，荷兰FEI公司；YC-300L冰箱，中科美菱；LSSHJ-20双螺杆挤出装置、LYJ-流延机装置，上海科创橡胶塑机械设备有限公司；CheckMate9900顶空气体分析仪、丹圣(上海)贸易有限公司；PERMATRAN-W1/50G水蒸气透过率测试仪、美国膜康有限公司；喷雾干燥机、上海乔跃有限公司；NMI20核磁共振分析仪，上海纽迈电子科技有限公司。

1.3 生姜精油微胶囊活性控释薄膜的制备

1.3.1 生姜精油微囊的制备

依照WANG[11]等的方法，略有修改。进行单因素实验，确定生姜精油微囊的最佳制备条件，壳聚糖和明胶质量比为1∶1，芯壁质量比为1∶1，pH为5.5, 喷雾干燥进风温度为120 ℃。壳聚糖溶液和明胶溶液按1∶1的质量比充分混合搅拌，得到连续相稳定溶液，然后向其中逐滴加入生姜精油并迅速搅拌分散，10 000 r/min下高速均质20 min，所得的乳液稳定后通过低温喷雾干燥机进行喷雾干燥，喷雾干燥的进风温度设定为120 ℃，风量为3 m3/min，设定蠕动泵进料转速为17 r/min。并以相同条件制备未加入生姜精油的空白微囊。

1.3.2 生姜精油微胶囊薄膜的制备

将LDPE、EVA先在80 ℃的烘箱内烘3 h，按照A组(85%LDPE、15%EVA)、B组(83.3%LDPE、14.7%EVA、2%空白微球)、C组(83.3%LDPE、14.7%EVA、2%生姜精油微囊)3种方案中树脂与微囊的比例，通过双螺杆挤出装置进行共混改性，再经单螺杆流延制得生姜精油微胶囊薄膜。

双螺杆挤出设备1～7区温度分别为145、150、155、160、165、165、165 ℃，转速为45 r/min。单螺杆挤出机各区温度为120、150、160、165、170、170、170 ℃，转速为45 r/min。

1.3.3 扫描电子显微镜测

采用Quanta-200扫描电子显微镜观察微球及薄膜断面的微观结构。先将薄膜样品浸没在液氮中进行脆断，用导电胶黏贴微囊和脆断后的薄膜，脆断面向上，后放于离子溅射镀膜仪内进行喷金处理喷金镀膜60 s以提高导电性，在5 kV加速电压下，电子扫描显微镜观察薄膜断面结构。

1.3.4 拉伸强度测试及水蒸气透过率和氧气透过率测试

参考国标GB/T1040.3—2006 塑料：拉伸性能的测定对薄膜拉伸强度进行测定。用切割刀将薄膜样品裁成150 mm×15 mm的长条状，测试时，将长条状薄膜样品上下加紧对齐，初始夹距为50 mm，拉伸速率为50 mm/min。每组样品测定5次，取平均值。

通过PERMATRAN-W1/50G水蒸气透过率测试仪，在相对湿度为100%，温度为37.8 ℃条件下测定，每组样品测定3次，取平均值。

通过PERME G2/132 压差法气体渗透仪，参考 GB/T 1038—2000，设置试验温度为23 ℃，将薄膜样品裁成Φ97 mm 圆形试样进行实验，将圆形样品薄膜密封贴于气体渗透测试仪的检测腔内，每组样品测定3次，取平均值。

1.4 秋葵样品制备

将空白薄膜，负载空白微球薄膜和生姜精油微囊薄膜分别热封制袋，袋子规格12 cm×20 cm，随机挑选采摘的秋葵(6个一组)进行称重后，装入制备好的薄膜袋内，包装袋标有薄膜信息及天数(第2、4、6、8、10、12天)，分为3个实验组(薄膜组)和1个对照组(无薄膜包装)共4 个组别，每组设置3 个平行。将保鲜袋抽真空并注入相同的空气，从而保证初始气体体积分数一致，封口后对包装袋进行编号，CK组为对照裸露组，直接暴露在空气中，A、B、C组分别为空白薄膜组、负载空白微球薄膜组和生姜精油微囊薄膜组，将4组秋葵置于(4±1) ℃环境下进行保鲜实验。

1.5 不同包装袋内O2和CO2含量的变化

采用顶空分析仪，在每个样品袋打开包装之前将测试针头垂直扎入袋内进行测定，测定包装袋内的O2和CO2含量并记录，每组测3个平行，结果以百分比表示并取平均值。

1.6 秋葵的失重率

在低温贮存期间，每隔2 d测定秋葵的质量，每组秋葵测量3次，单位为g。结果计算如公式(1)所示：

(1)

1.7 秋葵的丙二醛

采用试剂盒(TBA法)(南京建成生物工程研究所)测定。

1.8 秋葵低场核磁及核磁共振成像的测定

将秋葵拆袋，每组3个平行中各选取1个体积质量相当的秋葵，使用MesoMR23-040H-I核磁共振成像分析仪，利用 CPMG 脉冲序列测量样品的T2横向弛豫时间，将样品置于磁场中心位置的射频线圈的中心，利用FID信号调节共振中心频率，然后进行CPMG脉冲序列扫描试验。其中共振频率为21.7 MHz，磁体强度0.55 T，线圈直径为60 mm。试验参数为 CPMG：主频SF(MHz)=21；偏移频率O1(kHz)=171 982.46； 90°脉冲射频脉宽P1(μs)= 20.00；180°脉冲射频脉宽 P2(μs)= 40；信号采样点数TD=1 000 080；重复采集等待时间 TW(ms)=5 000；重复采集次数NS=4；回波时间NECH(ms)=5 000。

利用L-NMI成像软件成像。核磁成像参数设置：重复采样间隔时间TR=2 000 ms，回波时间TE=200 ms，反转恢复序列T1_IR(ms)=20 ms，杂合序列Hase Size=192。

1.9 数据处理

实验数据显著性分析采用 SPSS 19.0 软件，通过ANOVA进行方差的单向分析，结果以平均值±标准偏差表示，P<0.05表示差异显著，每组实验平行进行 3 次，用平均值进行统计分析数据曲线，利用 Origin 2018 软件绘制。

2 结果与分析

2.1 微囊表观形貌

图1为微胶囊表面形貌的扫描电子显微图像。由图1可以明显看出，无论是未负载精油的空白微囊还是生姜精油微胶囊都为球形形态，且分散性好，微囊之间无粘连，微囊表面有类似于脑状的褶皱结构，这和TOKROV等[12]通过喷雾干燥得到的壳聚糖微囊结构一致，这种形貌有利于提高微胶囊的比表面积。图1-c和图1-d中生姜精油微胶囊分散性比空白微胶囊差，微胶囊的表面有些凹陷，相对于空白微球，生姜精油微球褶皱相对较浅，可能是由于微囊中精油的存在，使微囊更加圆润，形状更趋于球形。生姜精油微囊壁材外表没有明显的裂缝，这说明生姜精油通过喷雾干燥法被很好地包埋进微囊中。

a，b-空白微胶囊；c，d-生姜精油微胶囊图1 微胶囊的扫描电子显微镜图Fig.1 Scanning electron microscopy of microcapsules

2.2 不同薄膜拉伸性能、O2透过率和水蒸气透过率的分析

由表1可以看出A组薄膜的O2透过率最低，添加有微胶囊的活性薄膜组均显著提高了O2的透过率。B组薄膜的O2透过率较空白A组提高了22.14%，C组薄膜的O2透过率较空白A组提高23.09%。由此可见，随着微胶囊的加入，分散到树脂基材中，可能存在微胶囊颗粒之间团聚现象，微胶囊与树脂基材之间相容性降低，树脂基质和微胶囊连接处有孔隙，利于O2在薄膜基质中快速流通，降低了阻隔性。负载微胶囊组的B组和C组薄膜的水蒸气透过率值分别为(2.62±1.127)和(2.60±1.607) g/(m·Pa·s)，添加了微胶囊的活性薄膜的水蒸气透过率值比空白薄膜A组略有增大，这可能是因为微胶囊的壁材存在亲水基团，水分子更容易吸附在薄膜之上，有利于水分子的通过。各薄膜横纵方向上的抗拉强度和断裂伸长率差异比较大。将微胶囊(B组和C组)添加到LDPE/EVA树脂基材(A组)中降低了膜的拉伸性能，该结果可能是由于添加到树脂基材中的微胶囊颗粒之间存在部分堆积团聚，此外，聚合物基质与基质中的微胶囊颗粒之间差的界面黏附也可能引起聚合物基质中出现了裂缝[13]。

表1 不同薄膜拉伸性能、氧气透过率和水蒸气透过率Table 1 Tensile properties, Oxygen transmission rate and Water vapor transmission rate of different film

注：同列之间的不同上标字母表示显著差异(P<0.05)

2.3 薄膜的形貌分析

图2为不同活性薄膜的断面扫描电子显微图。微胶囊直接添加进薄膜基材中的内部分散情况可以直接从图中观察。由图2-a可以看出LDPE和EVA共混制备的薄膜断面平整光滑，并且致密连续，这表明按照配方比例制备的LDPE和EVA相混情况良好。随着空白微胶囊的添加，带有生姜精油微囊的LDPE/EVA薄膜组在断面结构上，与空白LDPE/EVA组相比，薄膜的横截面可以明显观察到微胶囊的共混相容的情况。由图2-b可以看到空白微胶囊附着在薄膜的内部结构中，微胶囊与薄膜内部并未紧密相容，存在一定的孔隙，生姜精油微胶囊结构保持完整未坍塌。负载生姜精油微胶囊的薄膜组(图2-c)可以看出，微胶囊完全嵌在薄膜内部，同时微胶囊壁与树脂接触周边也存在明显的孔隙，导致相容性不好。总的来说，成膜分散体是稳定的，微胶囊囊壁未发现共混后破碎的情况，微胶囊很好的独立分散在薄膜的结构中，没有大面积的团聚出现。

a-空白LDPE/EVA薄膜；b-负载空白微球的LDPE/EVA薄膜；c-负载生姜精油微囊的LDPE/EVA薄膜图2 薄膜断面形貌图和实物图Fig.2 Surf section morphology and practicality picture of films

2.4 秋葵保鲜指标测定

2.4.1 袋内气体含量变化

由薄膜的O2透过率可知，B、C组薄膜较A组薄膜O2透过率更大，从而与外部环境的气体交换更加容易，从而更容易维持包装内外气体交换的动态平衡[14]。有研究表明，气调包装内气体体积比为V(O2)∶V(CO2)为2∶3时，保鲜效果最佳，能显著降低呼吸速率和乙烯释放量[15],3组包装中，生姜精油C组O2含量维持在19.3%～22.3%，CO2含量维持在1.8%～2.7%，与最佳气调比例相接近。由图3-a可以看出，随着贮藏时间的延长，3组包装中O2含量逐渐降低。对照A组的O2含量从22.9%下降到11.6%。B、C组活性薄膜由于有微胶囊的存在，薄膜的O2透过率较大，秋葵进行有氧呼吸使袋内O2含量减少，外部O2透过薄膜进入内包装，补充部分O2，自发进行调节[16]。图3-b显示，CO2含量随贮藏时间的延长而上升，最后达到一个平衡。在12 d内，排除果蔬的个体差异，3组包装袋内的CO2含量整体都呈现上升趋势，A组包装袋内CO2含量高于其他组，CO2含量上升至4.3%，而B、C组包装中CO2含量只上升至3.6%和2.7%。这可能是由于A组薄膜CO2的透过率较小，这使得秋葵呼吸放出的CO2在包装内部累积，造成CO2含量的增加。生姜精油C组12 d时，O2含量维持在19%左右，CO2含量维持在2.7%左右，与最佳的气调比例相接近，能够有效抑制了秋葵的呼吸作用，降低了有机物等营养物质的消耗，最终延长了秋葵的贮藏期。

2.4.2 失重率

3组包装中秋葵在整个贮藏期间包装的秋葵果实的质量损失逐渐增加[17](图4)。对照A组在贮藏期第12天失重率达到了0.72%，而B组和C组的秋葵失重率则分别达到了0.68%和0.63%。然而在前6 d的贮藏期，对照A组与其他2组之间没有发现失重率的显著差异。在贮藏7 d后，A组的失重率明显增大，表现出较高的质量损失。秋葵在贮藏后期失重率增加，这是因为秋葵参与自身代谢活动，成熟度增加，果实软化，微生物开始生长，这些都会导致秋葵更快的失重。比较A组和B组，含生姜精油微胶囊的C组在贮藏时期通过控制释放生姜精油，秋葵在含有内挥发性精油的环境中，有效地降低了秋葵因为蒸腾作用引起的水分流失[18]及微生物繁殖导致的品质损失，将失重率维持在较低的水平，这进一步说明了控释微胶囊的效果。对于B组而言，由于空白微胶囊本身就具有一定的抗菌吸水性，在12 d的贮藏期间对延缓果实失重率的增加也具有预期的效果。

A-空白LDPE/EVA薄膜；B-负载空白微球的LDPE/EVA薄膜；C-负载生姜精油微囊的LDPE/EVA薄膜(下同)图3 不同包装对秋葵O2和CO2含量变化的影响Fig.3 Effect of different packaging on the oxygen content and carbon dioxide content of okra

图4 不同包装对秋葵失重率变化的影响Fig.4 Effect of different packaging on the weight loss rate of okra

2.4.3 丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量

MDA是膜脂过氧化的重要产物之一[19]，通过测定不同包装内秋葵的MDA含量可以判断秋葵脂质过氧化的程度大小[20]。图5表示不同贮藏时间内MDA含量的变化。在贮藏前期，4组秋葵的MDA含量都有并没有太明显变化，在第6天时秋葵MDA含量开始呈明显上升趋势。第8天时，C组秋葵的MDA含量低于裸露组和A组，B组的MDA含量达到0.24 μmol/g，C组的MDA含量为0.25 μmol/g，尽管3组秋葵的MDA含量都随时间的延长而增加，但是对照组、A组的MDA含量明显高于B、C两组。在贮藏后期到第12天时，B组和C组的MDA含量接近，分别为0.94 μmol/g和0.63 μmol/g。总体而言，C组负载有生姜精油微胶囊组的活性包装能够减缓秋葵MDA的积累，延缓果实衰老进程。

图5 不同包装对秋葵对秋葵丙二醛含量的影响Fig.5 Effect of different packaging on okra malondialdehyde content in okra

2.4.4 秋葵横向弛豫时间T2图谱

横坐标为横向弛豫时间，代表水分的流动性，弛豫时间越大水分的流动性越强；纵坐标为信号幅值，代表信号幅值越大水分含量越高。3个波峰从左至右分别代表结合水、半结合水和自由水，大多数食品中含有2～3种水分，一般认为，0～10 ms为结合水，10～100 ms为不易流动水，100～1000 ms为自由水。图6分别为对照组、A、B、C组秋葵弛豫时间，由图6可以看出对照组、A、B、C组秋葵在贮藏前后均有3种水分，其中自由水的含量最高，其次为不易流动水，结合水的含量最少。贮藏结束后，秋葵的各种水分整体都有减少，其中结合水最为明显，左移幅度较大，不易流动水次之，自由水最小，弛豫时间均向左移动，说明秋葵水分都有减少趋势。秋葵从采摘到最后腐烂大约经过3个阶段，开始阶段到完全成熟阶段，完全成熟到软化阶段，软化阶段到腐烂阶段。图6可以看出，采摘后2 d左右约为秋葵开始阶段到完全成熟阶段，此阶段秋葵采摘后还未完全达到成熟，自由水逐渐变少，结合水、不易流动水增加，秋葵逐渐达到成熟，2～6 d为软化阶段，此阶段细胞壁的果胶和纤维素降解之后，开始释放内部的水分，使自由水开始增大，结合水，不易流动水减少，6 d后秋葵进入腐烂阶段，水分快速流失，3种水分均呈现减少趋势，秋葵呈现失水皱缩状态，参考秋葵失重率可以看出，6 d后秋葵失重率下降幅度明显增加，秋葵进入软化和腐烂阶段。

a-对照组；b-A组；c-B组；d-C组图6 不同包装对秋葵水分含量的影响Fig.6 Effect of different packaging on water content of okra

2.4.5 不同的LDPE/EVA膜下秋葵的LF-NMR图谱

图7为不同组的秋葵MRI分析得到的伪彩图和秋葵的保鲜效果图。质子密度反映的是组织间质子密度弛豫时的差别，一般而言，伪彩图蓝色表示质子密度低，水分含量低，伪彩图颜色越深(越黄或越红)，表明氢质子密度越大，该部分的水含量越高。秋葵水分变化除秋葵自身细胞壁中果胶和纤维素的降解外，起主要作用的是微生物的繁殖。蔬菜随着储藏天数的增加，水分逐渐减少。由图7-a可知，3组秋葵的图像亮度(颜色)随着贮藏天数的增加颜色都在变浅，A、B组中约6 d蓝色部分几乎覆盖整个图像，C、D组相对A组变蓝时间要相对推后一些，排除果蔬之间差异及秋葵检测时损伤的影响， D组较A、B组变蓝时间更长，能够更好地保持秋葵中的水分，说明D组能够更好起到抑菌作用，从而减缓微生物作用，使秋葵能够更长时间维持高品质状态。

a-LF-NMR图谱；b-保鲜效果图7 不同薄膜保鲜下秋葵的 LF-NMR图谱和保鲜效果图Fig.7 LF-NMR map and appearance of okra

3 结论

2%壳聚糖/明胶/生姜精油微胶囊的LDPE/EVA活性膜保鲜在(4±1)℃时具有最佳的保存效果，并且具有最佳的水蒸气和气体渗透性，这使得包装微环境中CO2(1.8%～2.7%)和O2(19.3%～22.3%)的体积分数相对平衡，从而减少了秋葵营养损失。生姜精油具有高抗氧化能力，可有效抑制MDA含量的增加，并防止细胞膜的结构和功能的破坏。秋葵的衰老和腐败可以通过LF-NMR方法直观地观察到。2%壳聚糖/明胶/生姜精油微胶囊的LDPE/EVA活性膜组的基团的质子密度图的颜色为浅蓝色，保存效果最佳。在高透湿性、透气性和抗氧化性的协同作用下，延长了秋葵的贮藏时间，并保持了秋葵的品质。