聚乙烯醇活性薄膜对大黄鱼保鲜效果及品质动态监控

唐智鹏,陈晨伟,2,3,谢 晶,2,3,4,*,励建荣

(1.上海海洋大学食品学院,上海 201306; 2.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306; 3.上海海洋大学食品科学与工程国家级实验教学示范中心,上海 201306; 4.上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台,上海 201306; 5.渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013)

大黄鱼(Pseudosciaenacrocea)为暖水性近海集群洄游鱼类,是中国最重要的海洋养殖鱼类之一,由于其肉质细腻、味道鲜美,同时极具药用价值,深受广大消费者的热爱[1]。新鲜大黄鱼的高水分含量、高pH和富含营养成分等特点使其成为在运输贮藏过程中易腐败变质的产品之一[2]。大黄鱼保鲜过程中的腐败通常是由于外界氧气的侵入及微生物生长代谢活动而导致的脂质氧化和鱼自溶引起的蛋白质降解,极大地缩短了货架期[3-4]。目前国内外研究者为了有效地延长大黄鱼的保质期,通常使用生物保鲜剂[5]、冰藏保鲜法[6]和臭氧处理法[7],而以聚乙烯醇为基材的智能抗菌抗氧化包装薄膜对大黄鱼的保鲜效果未曾涉及。

聚乙烯醇(poly(vinyl)alcohol,PVA)作为一种具有良好机械性能、优异成膜性和无毒无害性等特点的生物可降解高聚物材料,在食品包装、生物医学、建筑等[8-11]领域已被广泛应用。纳米二氧化钛(nanometer titanium dioxide,nano-TiO2)因其具有优异的化学稳定性、无毒无害性和热稳定性等优点而被广泛地应用在制药、化妆品和建筑行业,同时作为一种纳米抗菌活性物质,在食品包装行业也受到广泛的关注[12-14]。国内外应用的抗氧化活性物质有很多,如茶多酚、维生素E和番茄红素等,但这些物质的应用多局限于抗氧化功能[15-17]。而本文使用的花青素(Anthocyanins,ANT)是一种特殊的抗氧化物质,不仅能够有效地清除自由基[18-19],同时有研究表明,花青素作为添加剂加入到薄膜中,能够有效地响应环境pH而作为一种特殊的颜色指示器使用[20-21],因此愈来愈多的研究者更倾向于使用这类具有特殊功能的活性物质。

基于先前对PVA/纳米TiO2活性薄膜和PVA/纳米TiO2/花青素活性薄膜物理化学性能的研究,结果表明纳米TiO2和花青素能赋予PVA薄膜优秀的抗菌抗氧化性能,并且研究还表明添加过多的活性物质会影响到薄膜整体的物理机械性能[22]。本研究将纳米TiO2的抗菌性能和花青素的显色抗氧化性能相结合,使用PVA/纳米TiO2/花青素薄膜包装大黄鱼,研究了包装贮藏过程中大黄鱼的感官品质变化、脂质过氧化(TBA)、菌落总数(TVC)、挥发性盐基氮(TVB-N)、pH和由于大黄鱼鱼肉pH改变而引起的薄膜动态色差变化,以此探讨此智能抗菌抗氧化包装薄膜的保鲜效果和品质动态监控能力,为今后开发智能包装薄膜提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

鲜活大黄鱼(均重约500 g/条) 中国上海芦潮港水产品批发市场,挑选鲜活的大黄鱼,泡沫箱保温条件下在0.5 h内运回实验室;聚乙烯醇树脂(PVA)1799型聚合度(醇解度99%) 上海精析化工科技有限公司;纳米TiO230 nm锐钛型纳米颗粒 上海迈特化工有限公司;紫薯花青素(ANT,纯度为30%) 西安全奥生物科技有限公司;甘油、盐酸、氧化镁、氢氧化钠 分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

BSA224S型分析天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;HWS28型电热恒温水浴锅、DZF-600A型真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;Kjeltee8400型凯氏定氮仪 福斯中国有限公司;H-2050R型高速冷冻离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;CR-400型色彩色差计 日本柯尼卡美能达。

1.2 实验方法

1.2.1 包装薄膜的制备

1.2.1.1 PVA胶液、PVA-纳米TiO2共混胶液和ANT溶液的制备 参考Chen等[23]的方法并稍作修改。将22 g PVA树脂颗粒和200 mL蒸馏水置于烧杯中,在95 ℃加热并使用玻璃棒持续搅拌直至完全溶胀,加入1 mL甘油作为增塑剂并持续搅拌30 min,最终完全溶解得到PVA胶液。

将纳米TiO2(相对于PVA干质量的1%，w/w)混入PVA胶液中,于室温下磁力搅拌2 h直至纳米TiO2均匀分散在溶液中,最终制备得到PVA-纳米TiO2共混胶液。

将紫薯花青素(相对于PVA干质量的3%，w/w)溶解于50 mL HCl(pH=3)置于100 mL锥形瓶中,并在室温下磁力搅拌2 h。最终制备得到ANT溶液,锥形瓶用铝箔包裹并置于阴凉处保存。

1.2.1.2 PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜和PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜的制备 将PVA胶液倒在恒温加热器的玻璃板上,玻璃板温度调至60 ℃。采用间隙高度相同的拉杆均匀涂覆胶液于玻璃平板上,经预实验得出烘干50 min后能较好地揭膜,所制备得到的PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装在高阻隔铝箔袋中备用。

将PVA-纳米TiO2共混胶液和ANT溶液混合,在40 ℃下磁力搅拌20 min,然后将ANT-PVA-TiO2共混胶液置于(23±1) ℃的真空干燥箱1 d以除去气泡。将制备得到的共混胶液倒在恒温加热器的玻璃板上,玻璃板温度调至60 ℃,陈婵等[24]研究表明ANT在70 ℃条件下依旧保持稳定。采用间隙高度相同的拉杆均匀涂覆胶液于玻璃平板上,经预实验得出烘干40 min后能较好地揭膜,所制备得到的PVA活性薄膜包装在高阻隔铝箔袋中备用,标记为PVA(1% TiO2,3% ANT)。

1.2.2 大黄鱼预处理和包装保鲜 将鲜活大黄鱼(每条大黄鱼均重约500 g)运回实验室,用冰猝死后,快速切取一条大黄鱼背部肌肉(180±5) g,再从中取(80±5) g鱼肉放入4 ℃冰箱中保存,用作包装保鲜或空白使用。包装保鲜组,用制备得到的PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜密封包装鱼样后摆放到无菌托盘中,并置于4 ℃冰箱中;空白不做任何处理直接摆放到无菌托盘中,并置于4 ℃冰箱中。分别于0、4、8、12、16、20 d后取样测定保鲜指标,每种指标做三组平行。

1.2.3 感官评定 参考宋智等[25]评估方法并加以调整,由5名经过水产品质量培训的专业人员组成评估小组从大黄鱼的皮肤、眼、鳃、体表和肌肉弹性等作为指标进行感官评定,具体评分细则见表1,评分结果取平均值。满分为9分,6分以下表示已不可食用。

表1 大黄鱼感官评分表Table 1 Sensory evaluationTable of Pseudosciaena crocea

1.2.4 脂质过氧化(TBA)的测定 参考李婷婷等[26]和Wu等[27]的TBA测定方法,取10 g搅碎的鱼肉加入到25 mL 7.5%的三氯乙酸溶液中混匀,使用离心机在4 ℃以8000 r/min离心10 min,取上层清液5 mL并加入5 mL 0.02 mol/L的硫代巴比妥酸溶液,将混合溶液置于80 ℃的恒温水浴锅中加热40 min,冷却至室温测其在532 nm下的吸光度。TBA值(mg/kg)以丙二醛的质量分数表示，具体按照TBA检测试剂盒说明书进行操作及计算。

1.2.5 菌落总数(TVC)的测定 菌落总数参考GB 4789.2-2016 食品安全国家标准《食品微生物学检验菌落总数测定》中的平板计数法[28]。

1.2.6 挥发性盐基氮(TVB-N)的测定 参考凯氏定氮的原理[29],利用Kjeltec8400自动凯氏定氮仪对鱼肉样品的TVB-N含量进行测定。准确称取5 g绞碎鱼肉于消化管,加入1 g氧化镁,加入50 mL蒸馏水摇匀,上机检测。

1.2.7 pH和动态色差变化测定 pH测定参考GB/T 5009.45-2003水产品卫生标准的分析方法中的pH-酸度计法[30],分别于0、4、8、12、16、20 d取样,测其pH。

使用色差仪测定PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜由于响应鱼样pH改变而发生的动态色差变化,并利用照片分析。以白色标准板作为背景进行测试,一式三份,其中测定的薄膜颜色参数L*值是亮度(黑-白),a*值是红色(绿色-红色),b*值是黄色(蓝色-黄色)。色差(ΔE)表示如下等式:

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]0.5

1.3 数据处理

实验数据显著性分析采用SPSS 19.0软件,结果以平均值±标准偏差表示,数据曲线利用Origin Pro V8.5 软件绘制。

2 结果与分析

2.1 大黄鱼保鲜过程中感官品质的变化

在4 ℃贮藏期间不同包装处理对大黄鱼感官评分的影响如图1所示。从图1中可观察到在贮藏期间,3组不同处理方式下大黄鱼的感官评分都呈现下降趋势,使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜处理组高于空白,这主要是因为使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装大黄鱼能够避免大黄鱼与氧气直接接触,相对于空白的保鲜效果更好,但空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜处理组在第12 d的感官评分都降至5.33分,大黄鱼肉质表现出暗淡色和纹理较清晰,并且伴随着腥臭味,已低于感官可接受度(<6分),说明以这两种方式处理大黄鱼的货架期低于12 d。采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理组的感官评分下降趋势明显低于相同贮藏期的空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜处理组,在第12 d的感官评分为6.67分,大黄鱼肉仍呈淡白色,肉质较有弹性,纹理清晰,且鱼肉虽有鱼腥味但没有腐败臭味,整体感官评分仍处于可接受范围,直到第16 d的感官评分才低至5.33分。因此从感官分析来看,经PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理的大黄鱼,其货架期相对于空白和使用PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜处理组可延长约4 d。戴志远等[31]使用二氧化碳和氮气气调包装大黄鱼,并且研究表明能够在4 ℃贮藏期间,大黄鱼的货架期可达到15 d。但气调包装大黄鱼一方面技术成本过高,另一方面在贮藏空间上也远远高于本研究的包装技术,其在运输贮藏过程中,整体是否能保证不漏气也是一大考虑因素。

图1 不同包装处理对大黄鱼在4℃贮藏期间感官评分的影响Fig.1 Effects of different packages on sensory scores of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.2 大黄鱼保鲜过程中脂质过氧化的变化

TBA值已被广泛用作评价水产品(尤其是高脂鱼类)中脂类氧化程度,通过测定脂质过氧化产物丙二醛的含量,可了解脂质过氧化的情况,TBA值会随着脂肪氧化程度的增加而升高[32]。图2显示了在4 ℃贮藏期间不同包装处理对大黄鱼TBA值的影响,从图中可以看出,随着贮藏时间的增加,3组不同处理方式下大黄鱼的TBA值都呈现上升趋势。其中空白TBA上升最快,主要是因为空白鱼肉中的脂肪与氧气不断接触,随着贮藏时间的增加,其氧化酸败程度越来越严重,导致TBA值的快速上升;PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装处理组由于能够在一定程度上阻碍了鱼肉和氧气的接触,减缓了鱼肉脂质氧化的速度,故其TBA上升速度较空白要缓慢;而采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理组的TBA上升趋势最为缓慢,一方面是因为PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜通过结合花青素,使活性薄膜具有了良好的抗氧化能力,而纳米TiO2的加入也赋予活性薄膜优良的氧气阻隔性能,Alateyah等[33]的研究也表明向薄膜中掺入纳米TiO2能有效阻隔氧气从薄膜一侧穿到另一侧。在这双重有利因素作用下,一方面PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜不断释放花青素作用在鱼肉表面以清除氧自由基,另一方阻隔鱼肉与外界氧气的接触,极大地降低了鱼肉脂质过氧化的速度,从而有效地延长了大黄鱼的货架期。沈洁等[34]采用醋酸纤维素/原花青素薄膜包装新鲜猪油,结果表明花青素会从薄膜中缓慢释放到猪油中,使其具有优秀的抗氧化性能,能有效延长食品的货架期。王玉婷等[35]使用茶多酚、壳聚糖和柠檬酸复合保鲜大黄鱼,且研究表明其货架期不超过15 d。相对于使用保鲜剂保鲜大黄鱼,本研究使用的包装技术保鲜,在一定程度上不仅避免了鱼肉被保鲜剂染色或染味,且能够避免鱼肉与氧气的直接接触,具有更好的保鲜效果。

图2 不同包装处理对大黄鱼在4℃贮藏期间TBA值的影响Fig.2 Effects of different packages on TBA values of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.3 大黄鱼保鲜过程中菌落总数的变化

图3显示了在4 ℃贮藏过程中不同处理方式下大黄鱼菌落总数的变化,随着贮藏时间的增加,3组不同处理方式下大黄鱼的菌落总数都呈现上升趋势。空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装处理组在第12 d的菌落总数分别达到了7.14lg cfu/g和7.03lg cfu/g,已超过新鲜鱼类中的可接受菌落总数上限7lg cfu/g[36],结果表明在这两种处理方式下的大黄鱼的货架期为12 d,这主要是因为随贮藏时间的增加,鱼肉中的细菌不断生长繁殖,直接导致了鱼肉的腐败变质。采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理的大黄鱼在第12 d的菌落总数达到6.37lg cfu/g,还处在可接受范围之内,到第16 d的菌落总数还未到7.00lg cfu/g,这主要是因为一方面纳米TiO2从活性薄膜中释放到鱼肉表面,因其优良的抗菌性能抑制了鱼肉中细菌的生长,Lian等[37]将纳米TiO2结合到PVA/壳聚糖薄膜中,通过抑菌圈实验证明了该薄膜的抗菌活性随着纳米TiO2浓度增加而增强,且通过模拟液释放实验,研究表明纳米TiO2能从薄膜中缓慢释放出来。另一方面由于PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜具有优异的氧气阻隔性能,极大地抑制了好氧类细菌的生长,因而使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装大黄鱼能有效地延长大黄鱼的货架期。

图3 不同包装处理对大黄鱼在4℃贮藏期间菌落总数的影响Fig.3 Effects of different packages on total viable counts(TVC)of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.4 大黄鱼保鲜过程中挥发性盐基氮的变化

挥发性盐基氮(TVB-N)是动物类食品中蛋白质分解而产生的的氨及胺类等碱性含氮物质,其含量越高,表明氨基酸被破坏的越多,是指示食品货架期的重要指标之一[38]。图4显示了不同处理方式下大黄鱼在4 ℃贮藏期间TVB-N值的变化,3种不同处理方式下大黄鱼的初始TVB-N值为13.97～14.17 mg·N/100 g,且随着贮藏时间的增加,都呈现上升趋势。空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装处理组在第12 d的TVB-N值分别达到了31.17和29.8 mg·N/100 g,在30 mg·N/100 g的TVB-N值可接受标准下已达到或超出可食用界限[39]。PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理组在第12 d的TVB-N值为23.43 mg·N/100 g,处于二级鲜度范围(一级鲜度:TVB-N值≤13 mg·N/100 g;二级鲜度:TVB-N值≤30 mg·N/100 g)[40],在第16 d达到29.2 mg·N/100 g,达到二级鲜度的上限,表明使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理的大黄鱼,其货架期为16 d。这是因为TVB-N在水产品中主要是通过细菌作用产生[41],而PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在包装处理大黄鱼的过程中,能有效地抑制鱼肉中细菌的生长繁殖,从而控制鱼肉中TVB-N的产生速率,延长了大黄鱼的货架期。

图4 不同包装处理对大黄鱼在4℃贮藏期间TVB-N值的影响Fig.4 Effects of different packages on TVB-N values of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

2.5 大黄鱼保鲜过程中pH和包装薄膜动态色差的变化

图5反映了4 ℃贮藏期间大黄鱼在3种处理方式下pH的变化,且整体呈现先下降后升高的V型趋势,这主要是因为在贮藏前期,鱼肉中发生了糖酵解反应,使糖原迅速分解成丙酮酸,然后形成乳酸而导致鱼肉pH降低[42]。贮藏中期至后期,鱼肉中微生物繁殖,大量蛋白质和其他营养物质分解并产生一些碱性产物而使得鱼肉的pH逐渐升高[43]。新鲜大黄鱼的初始pH为6.65～6.66,空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装处理组在第4 d的pH分别为6.64和6.59,低于初始值,这是因为以这两种方式处理的大黄鱼在第4 d已处于贮藏中期,鱼肉中乳酸的形成已经结束,并且蛋白质等营养物质已开始分解产生碱性物质,鱼肉中pH已处于逐渐上升阶段。通过采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理的大黄鱼pH在第4 d降至6.37,相对于空白和PVA(0% TiO2,0% ANT)薄膜包装处理组有明显的差异,且延长了贮藏前期鱼肉中乳酸形成时间。在贮藏4～20 d时,3种处理方式下的大黄鱼pH都呈现不断升高的趋势,但采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理组的上升趋势明显低于空白和纯PVA薄膜包装处理组,这主要是因为PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在包装贮藏大黄鱼的过程中不断释放花青素和纳米TiO2至鱼肉表面,有效地阻隔鱼肉和氧气的接触,起到了明显的保鲜作用。结果表明,使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理大黄鱼能够延长贮藏前期乳酸形成时间和抑制在贮藏中后期鱼肉中蛋白质等营养物质的分解速度,有效地延长了大黄鱼的货架期。

图5 不同包装处理对大黄鱼在4℃贮藏期间pH的影响Fig.5 Effects of different packages on pH of Pseudosciaena crocea during 4 ℃ storage

PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜在4 ℃包装贮藏大黄鱼期间的动态色差变化如图6所示,使用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装大黄鱼,在贮藏过程中薄膜依次表现为灰棕色(0 d)、红棕色(4 d)、淡红棕色(8 d)、肉色(12 d)、灰色(16 d)和深灰色(20 d),依次响应大黄鱼20 d贮藏过程中鱼肉pH的变化。结合表2可知,薄膜的亮度(L*)先减小后增大,红度(a*)先增大后减小,黄度(b*)先增大后减小再增大,这主要是由于在第0 d包装大黄鱼,薄膜的起始颜色保留为原始的灰棕色,在0～4 d贮藏过程中,由于大黄鱼鱼肉中乳酸的形成,使鱼肉的pH逐渐降低,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜中的花青素响应环境pH的变化,从而发生薄膜的动态色差变化,a*值(红度)和b*值(黄度)显著增加(p<0.05),L*值(亮度)显著降低(p<0.05),薄膜表现为红棕色,其相对于0 d的色差(ΔE)也显著增大(p<0.05)。在4～16 d贮藏过程中,鱼肉中蛋白质等营养物质逐渐分解为碱性物质,鱼肉的pH逐渐升高,薄膜开始逐渐向原始的薄膜颜色(灰棕色)变化,故第8 d薄膜表现为淡红棕色,第12 d薄膜表现为肉色和第16 d薄膜表现为灰色,a*值(红度)和b*值(黄度)显著减小(p<0.05),L*值(亮度)显著增加(p<0.05),薄膜ΔE值(色差)相对于0 d也逐渐降低。在16～20 d贮藏过程中,大黄鱼鱼肉的pH已超过7,薄膜变为深灰色,其a*值(红度)和L*值(亮度)逐渐降低,而b*值(黄度)和ΔE值(色差)明显升高。结果表明在20 d的贮藏过程中,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜通过薄膜颜色的动态色差变化能真实地反映出大黄鱼鱼肉pH的变化,可以作为大黄鱼货架期的颜色指示标志。Liu等[20]也制备了一种花青素、淀粉和PVA的复合薄膜,并用其包装牛乳,结果表明该薄膜对牛乳显示出良好的颜色指示,能智能监控牛乳中pH的变化。虽然国内外保鲜大黄鱼的研究有很多[44-45],但是以本研究的这种具有智能响应贮藏期间大黄鱼pH变化而导致薄膜本身颜色变化的研究,还未曾有过报道。这不仅提供了活性薄膜本身有效地保鲜性能,也赋予了活性薄膜另一种对大黄鱼“智能监控”的性能。

表2 4 ℃贮藏过程中活性包装薄膜的颜色参数(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

图6 4℃贮藏期间活性包装薄膜动态颜色变化Fig.6 Corresponding dynamic color changes of the active packaging film during 4 ℃ storage

3 结论

在4 ℃贮藏期间,采用PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜包装处理大黄鱼能有效地抑制鱼肉中细菌的生长繁殖、脂肪氧化和氨基酸分解,相对于空白能延长货架期4 d。且在20 d贮藏期间,PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜能通过可见的颜色变化很好地反应大黄鱼鱼肉中pH的改变,具体表现为灰棕色(0 d)、红棕色(4 d)、淡红棕色(8 d)、肉色(12 d)、灰色(16 d)和深灰色(20 d)。本研究相对于其他常规保鲜大黄鱼技术,其优点在于不仅能有效地延长大黄鱼货架期,还能够在贮藏过程中,通过可见的薄膜颜色变化,直观地了解大黄鱼的品质变化,具有集智能监控和活性包装为一体的优异性能。本研究的制膜工艺还相对手动化,若想要投入生产,还需改善制膜工艺,提高效益;此外对于PVA(1% TiO2,3% ANT)薄膜中活性物质从薄膜向大黄鱼表面的释放机制还需进一步研究。