一種自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層及其製備方法與流程
2023-05-13 20:32:41
本發明涉及果蔬保鮮技術領域，具體涉及一種自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層及其在果蔬上的製備方法。
背景技術：
隨著社會的經濟發展以及人們對生活物質要求的提高，人們越來越多的選擇均衡飲食，水果蔬菜的消費量也隨之受到越來越多的關注。由於本身的新陳代謝作用以及人為的影響，果蔬在採摘後易腐壞，以鮮切蘋果為例，被切分以後，鮮切蘋果失去了天然的保護層，水果組織表層受到損傷，水分蒸騰作用顯著增加[1]；而且由於多酚氧化酶(PPO)的存在，鮮切蘋果極易發生褐變，鮮切蘋果這些外觀和營養成分上的變化都嚴重降低了消費者的興趣[2，3，4]，因此果蔬保鮮具有非常更重要的意義。果蔬表面的塗膜處理可以減少果蔬水分喪失和果蔬失重，保持其色澤、新鮮度和飽滿度，有效地保持果蔬的外觀品質，從而有效地延長果蔬的採後壽命。可食用膜是一種可以食用的具有包裝保護功能的薄膜，它們不會汙染環境，同時能很好地滿足消費者的需求。[5]可食用保鮮塗層對於各種食品貨架期的延長具有非常重要的意義，[6，7]受到越來越多的關注。
殼聚糖(chitosan，CS)，化學名稱β-(1，4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是甲殼素在一定程度脫乙醯化的產物，是自然界中唯一帶正電荷的天然高分子，存在於蝦、蟹殼中，殼聚糖有良好的成膜性、生物相容性、生物可降解性和抗菌性[8]，不溶於水，溶於稀酸，已經被廣泛應用於塗膜保鮮、可食用膜和生物可降解用膜等。在酸性條件下，聚陽離子殼聚糖-NH2被質子化成-NH3+，從而帶有正電荷[9]，其電荷密度高，可以和許多聚陰離子形成離子複合物，如形成自組裝超薄膜和水凝膠。殼聚糖形成的薄膜能緩解果實內外氣體交換，提高果內CO2/O2比值，抑制果實呼吸，減少水分散失，提高果蔬抗病菌侵染能力，延緩果蔬完熟衰老進程。Lilian Abugoch等將殼聚糖、有機葵諾亞蛋白質、葵花油混合製備可食用膜，探究了這種可食用膜在4℃下對新鮮藍莓的保鮮效果，發現這種殼聚糖複合膜延緩了藍莓的成熟並抑制了藍莓硬度的降低，同時，還能抑制細菌的生長。[10]
氯化鈣及其水合物和溶液在食品製造、醫學和生物學等多個方面均有重要的應用價值。鈣能降低水果呼吸強度、保持果實的硬度、影響吲哚乙酸的輸送受阻進而影響乙烯的產生。作為一種食品配料，氯化鈣可起到多價螯合劑和固化劑的作用，能與殼聚糖中含有的大量自由氨基和羥基形成穩定的螯合物。氯化鈣能夠在蘋果保鮮中實現較好的抗褐變效果，並且能通過減少氧氣透過量實現果蔬保鮮。[11]Souza等的研究發現，把CaCl2加入到殼聚糖塗層中起到了很好的草莓保鮮效果，因為草莓的硬度、重量的降低都得到了抑制，同時，這種塗層具有很好的抑菌效果。[12]
羧甲基纖維素鈉(Sodium Carboxymethycellulose，CMC)是一種聚陰離子的線性高聚物，CMC上的羧甲基-COOH在溶液中形成-COO-，帶有負電荷，可以用於層層組裝技術製備多糖類超薄自組裝膜，[13]羧甲基纖維素價格便宜，成膜性能好，具有良好的生物相容性、可降解性和親水性。Arnon等發現生物可降解的CMC/CS雙層自組裝塗層在橘子上能提高橘子的光澤度並能抑制水果硬度的降低。[14]
層層自組裝(Layer-by-layer self-assembly，LbLSA)是利用逐層交替沉積的方法，藉助各層分子間的弱相互作用(如靜電引力、氫鍵、配位鍵等)，使層與層自發地締和形成結構完整、性能穩定、具有某種特定功能的分子聚集體或超分子結構的過程，是製備尺寸、組成、滲透性和表面功能等性質可調控的多層膜及微膠囊的主要方法。靜電層層自組裝技術(靜電交替沉積技術)是近年來發展的層層自組裝技術，主要以離子間的靜電作用作為成膜驅動力，利用這種方法可以控制自組裝膜的結構和厚度，並且由於靜電相互作用的非特異性，可以輕易地將生物功能大分子、導電聚合物、感光聚合物引入到薄膜中去，形成具有生物功能、導電功能和光活性的薄膜。
技術實現要素：
技術問題：本發明所解決的技術問題是：提供一種成本較低，保鮮效果優良且無毒的智能自修復抗菌保鮮塗層以及這種保鮮塗層的製備方法。
技術方案：本發明基於靜電層層自組裝原理製備自修復可食用果蔬保鮮塗層，通過殼聚糖與纖維素鹽之間陰陽離子靜電沉積作用製備出可食用的果蔬保鮮塗層。陽離子由經濟實用的CS提供，陰離子由CMC提供。由於本發明的作用主要是通過改變所保護對象的呼吸作用等來保存其水分、質量，各類水果與蔬菜由於本身結構上的差異，呼吸作用等會不一樣，只需改變保鮮塗層在被保護果蔬表面的厚度(改變溶液濃度和組裝層數即可實現)等相關性能即可將本發明應用於各種果蔬的保鮮。
本發明的自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層由殼聚糖、氯化鈣和羧甲基纖維素鈉製成。所述殼聚糖濃度為1-10mg/ml，氯化鈣濃度為1-10mg/ml，羧甲基纖維素鈉濃度為1-10mg/ml；將殼聚糖與氯化鈣以1∶2的比例混合，再與羧甲基纖維素鈉組裝成塗層。
本發明的自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層的製備方法採用層層自組裝的方法，具體如下：
1).在含1％醋酸的水中準確配製1-10mg/ml殼聚糖，同時配製1-10mg/ml氯化鈣、1-10mg/ml羧甲基纖維素鈉溶液；
2).將殼聚糖-氯化鈣溶液以1∶2的體積混合形成聚陽離子溶液，常溫下靜置30min；
3).將準備好的果蔬先放在羧甲基纖維素鈉溶液浸泡5-10min，撈起；
4).再放入步驟2)的聚陽離子溶液中5-10min，撈起；
5).重複步驟3)、步驟4)N次，則在果蔬表面製備了N+1層自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層。
有益效果：本發明提供一種智能自修復果蔬保鮮塗層，使用時不需再添加另外的凝膠劑和交聯劑等；
塗層的製備對果蔬的形貌大小沒有要求，可以實現多個維度的組裝；
CS與CMC之間陰陽離子靜電沉積作用製備出可食用的果蔬保鮮塗層，能夠很好地保持果蔬質量以及延長其貨架期；
該塗層具有很好的自修復效果，在受到外界損傷後能在水的刺激下快速修復損傷，修復效率能達到89.4％；
改塗層具有很好的抗菌效果，能100％殺死沙門氏桿菌，對大腸桿菌的抑菌率也能達到95％，同時，對金黃色葡萄球菌、李斯特菌的抑菌率能達到65％以上。
具體實施方式
本發明自修復抗菌可食用果蔬保鮮塗層由殼聚糖、氯化鈣和羧甲基纖維素鈉製成。所述殼聚糖濃度為1-10mg/ml，氯化鈣濃度為1-10mg/ml，羧甲基纖維素鈉濃度為1-10mg/ml；將殼聚糖與氯化鈣以1∶2的比例混合，再與羧甲基纖維素鈉組裝成塗層。
下面以蘋果切片為例，對本發明的製備方法及其使用方法進行敘述：
實施例1
選擇成熟度適當、無病蟲害、無機械損傷的蘋果。將蘋果去皮去核，切成大小均勻的蘋果切片，在蘋果切片上以浸泡的方式進行層層自組裝，進而製備自修復可食用保鮮塗層。塗層過程如下：
1.在含1％醋酸的水中準確配製1-10mg/ml CS、1-10mg/mlCaCl2、1-10mg/ml CMC溶液，分別用一定體積的容器盛放；
2.將相同濃度的CS和CaCl2溶液以1∶2的體積混合，常溫下靜置30min；
3.準備新鮮的蘋果，去皮去核，切成大小均勻的蘋果切片，一部分作為對照，不做任何處理，一部分用於塗膜處理；
4.實驗組蘋果切片在聚陰離子CMC溶液中浸泡5min後，撈起；
5.在CS-CaCl2溶液中浸泡5min，即在蘋果切片製備了(CMC/CS-CaCl2)1的單層塗層；
6.重複這兩個步驟2次，即製備了(CMC/CS-CaCl2)3的3層塗層；
7.將塗膜了塗層後的蘋果平穩放置於容器內，常溫下保存。
在塗膜結束後，將蘋果切片放置在容器內常溫存放。24h後對蘋果切片的理化指標進行探究，發現包覆有塗層的蘋果切片的褐變度得到明顯降低，相對於對照組，塗層抑制了蘋果的重量降低、硬度降低、新陳代謝以及維生素C損失。
實施例2
製備與實施例1中相同的溶液，準備乾淨的玻璃片，按照實施例1中的步驟在玻片上製備3層塗層，製備完成後，將塗層在常溫下靜置直至乾燥。
探究塗層在基底上的自修復性能：用乾淨的小刀在塗層上劃「十」字，使劃痕深入到基底表面，在劃痕上滴加一滴水，觀察塗層的修復情況。結果發現，滴水以後，塗層具有一定的流動性，隨著水分的蒸發乾燥，塗層表面的平整度基本恢復到原狀。將修復前後的塗層從玻片基底上揭下來，測試塗層的機械性能，計算塗層的修復效率，發現製備的3層塗層抗拉強度修復效率達到了89.4％。
實施例3
探究塗層的抗菌性，將在玻片上製備好的塗層與細菌培養液混合，過夜培養，通過平板計數法計算菌落數，進而計算塗層的抑菌率。結果發現塗層對沙門氏桿菌的抑菌率達到了100％，對大腸桿菌的抑菌率達到95％，而對金黃色葡萄球菌和李斯特菌的抑菌率都能達到65％以上。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。