CMC-Na负载ε-PL/黄芩黄酮总苷元缓释保鲜涂膜研制

张子璇，张晓虎，王婷婷

(商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西秦岭特色生物资源产业技术研究院，陕西 商洛 726000)

引言

黄芩(ScutellariabaicalensisGeorgi.)是唇形科黄芩属植物，系常用大宗中药材，于《神农本草经》中被列为上品[1,2]。黄芩性寒、味苦，以其根入药，有泻实火、治热毒、止血安胎之效。黄芩中的有效成分以黄芩苷、汉黄芩苷、黄芩素、汉黄芩素等黄酮类化合物为主，具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗氧化、神经元保护等药理活性作用，研究表明，黄芩提取物对果蔬水分损失和VC的氧化有明显抑制作用[3]。其中，黄芩黄酮总苷元的生物活性及利用率高于黄芩苷，且更易吸收，抑菌及药理作用更强[4-9]。

ε-聚赖氨酸(ε-PL)是一种具有抑菌功效的多肽类物质，可在人体内分解为必需氨基酸之一的赖氨酸，是目前微生物类防腐剂中的一种营养型防腐剂，具有极高的安全性，ε-PL常作为抑菌剂制备复合缓释膜应用于食品保鲜[10～13]。羧甲基纤维素(carboxymethy lcellulose，CMC)是一种水溶性纤维素醚，通常以其钠盐形式被广泛应用于食品、医药等行业；CMC-Na因其较好的安全性、良好的水溶性以及成膜特性，常作为涂膜材料应用于果蔬贮藏保鲜[14～18]。

近年来，受化学防腐剂安全问题的影响，探索研发低毒、高效的天然防腐剂依然是食品防腐保鲜领域前沿研究的热点方向，欧阳秋飞等[19]、汪青波等[20]、Azeredo G.A.等[21]、Imiiag A等[22]研究均表明中草药提取液具有增强果蔬防腐保鲜的能力。而单一中草药如本文所选用的黄芩，尽管其提取物具有抑菌谱广、有效抑制多种病原微生物生长的特点，但单独用于防腐保鲜具有一定的局限性，因此通常与其他防腐保鲜物质复配后用于食品保鲜，发挥复合防腐剂的协同作用[23,24]。

本研究选取“五大商药”之一的黄芩作为原材料，采用黄芩自生酶酶解的方法，提取黄芩中的黄酮苷元类物质，辅以ε-PL、壳聚糖和CMC-Na复合制成缓释保鲜涂膜，利用响应面法优化配方，并用于黄瓜保鲜试验，以期对以黄芩黄酮总苷元为原料制备复合缓释涂膜应用于果蔬保鲜提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂 主要材料：黄芩(2019年9月采于陕西省商洛市商州区黄芩种植基地)，当日产新鲜黄瓜(购于商洛市商州区蔬菜市场)，大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌(2020年4月购于上海鲁微科技有限责任公司)。

主要试剂：ε-聚赖氨酸(食品级)、壳聚糖(脱乙酰度≥85)、羧甲基纤维素钠(食品级)、D101型大孔树脂、95%乙醇、盐酸溶液、NaOH溶液、丙酮溶液、蒸馏水。

1.1.2 仪器设备

表1 实验主要仪器设备

1.2 方法

1.2.1 原料预处理 取黄芩完整根部，冲洗后去其皮及须根，80℃杀青20 min，60℃烘干48 h至恒重，粉碎过5目筛，将粗粉置于干燥广口瓶中密封备用。

1.2.2 黄芩黄酮总苷元提取 黄芩黄酮总苷元提取参照刘云华等[25]的方法，提取流程如下：黄芩粗粉→称重→黄芩酶液制备→黄芩苷提取→酶解→沉淀→减压干燥。

1.2.3 黄芩黄酮总苷元的抑菌实验 确定黄芩黄酮总苷元的抑菌性，并确定最低抑菌浓度[26,27]。

1.2.4 单因素试验设计 选择鲜嫩色青、细长均匀、无机械损伤、无弯勾的黄瓜，随机抽取1根测定黄瓜新鲜度指标。将其余黄瓜随机分成20组，每组4根，分别刷涂不同浓度黄芩黄酮总苷元(0、0.2、0.4、0.6、0.8%)、ε-PL(0、2.0、4.0、6.0、8.0%)、CTS(0、0.5、1.0、1.5、2.0%)、CMC-Na(0、0.5、1.0、1.5、2.0%)溶液，在25℃、相对湿度65%条件下贮藏16 d，每隔4 d从各组抽取1根黄瓜，测定烂果率、失重率、VC含量，并与CK组对比，分别探讨4个因素的缓释保鲜效果。

1.2.5 黄瓜新鲜度指标测定 主要有:

(1)烂果率：烂果率%=(腐烂果实质量/总果实质量)×100%

(2)失重率：失重率%=[(原重-实重)/原重]×100%

(3)VC含量：采用紫外分光光度法测定[28]。

(4)感官品质

表2 黄瓜感官品质评价标准

1.2.6 响应面试验设计 基于单因素试验结果，以三个影响较显著的因素为自变量，以黄瓜感官评价分值为响应值(K)，利用Design-Expert8.0.6软件，设计3因素3水平试验，进行数据分析，优化复合缓释涂膜配方。

2 结果与分析

2.1 黄芩黄酮总苷元抑菌实验

由表3可知，黄芩黄酮总苷元对金黄色葡萄球菌的抑菌效果最强，所选浓度抑菌圈直径最高时可达18.6 mm；大肠埃希氏菌次之，抑菌直径为14.3 mm；对枯草芽孢杆菌的抑菌性相对较弱，直径为11.2 mm。

表3 黄芩黄酮总苷元抑菌效果 (mm)

2.2 单因素实验结果与分析

2.2.1 黄芩黄酮总苷元浓度对黄瓜贮藏新鲜度的影响 由图1可知，黄瓜果实随保藏时间的延长逐渐腐烂，与CK组相比，其余不同浓度黄芩黄酮总苷元涂膜组腐烂速度明显较缓。CK组在贮藏8 d时，烂果率超过20%，而此时其余各涂膜组烂果率仅为10%左右；贮藏16 d时，CK组烂果率高达59.31%，其余各组相对来说腐烂率较低；由图2可知，随贮藏时间的延长，黄瓜果实质量逐渐减少，与CK组相比，不同浓度黄芩黄酮总苷元涂膜处理在一定程度上可减缓黄瓜质量的减少。贮藏16 d时，0.4%黄芩黄酮总苷元涂膜组失重率仅为12.34%，而此时CK组高达28.88%；由图3可知，黄瓜初始VC含量约为15 mg/100 g左右，随着贮藏时间的延长，各组黄瓜VC含量均减少，贮藏16 d时，CK组VC含量已低至4.23 mg/100 g，而各涂膜组VC含量的减少速度均在一定程度上有所减缓，其中浓度为0.4%的黄芩黄酮总苷元涂膜组VC含量在贮藏16 d时仍可达10.02 mg/100 g，与其余组相比，减缓作用较明显。综上分析，浓度为0.4%的黄芩黄酮总苷元涂膜组对降低失重率的效果较优。

图1 不同浓度黄芩黄酮总苷元对黄瓜烂果率的影响

图2 不同浓度黄芩黄酮总苷元对黄瓜失重率的影响

图3 不同浓度黄芩黄酮总苷元对黄瓜VC含量的影响

2.2.2 ε-PL浓度对黄瓜贮藏新鲜度的影响 由图4可知，经不同浓度ε-PL涂膜处理对黄瓜的腐烂速度均有不同程度的减缓。在CK组贮藏16 d烂果率高达59.31%时，其余各组均低于CK组；由图5可知，不同浓度ε-PL涂膜处理在一定程度上可减缓黄瓜质量的减少。减缓效果随ε-PL浓度的增加而增强，当浓度达到6%时，失重率的减缓效果较其他组更为明显，该浓度下贮藏16 d时，失重率仅为13.98%；由图6可知，随着贮藏时间的延长，各组黄瓜VC含量从初始的15 mg/100 g左右逐渐减少，贮藏16 d后，与CK组相比，该组试验其余各组VC含量的减少速度均在一定程度上有所减缓，浓度为6%的ε-PL涂膜组VC含量减少速度最慢，综上分析，6%的ε-PL浓度即为单因素时ε-PL的最优水平。

图4 不同浓度ε-PL对黄瓜烂果率的影响

图5 不同浓度ε-PL对黄瓜失重率的影响

图6 不同浓度ε-PL对黄瓜VC含量的影响

2.2.3 壳聚糖浓度对黄瓜贮藏新鲜度的影响 由图7可知，与CK组相比，随贮藏时间延长，不同浓度壳聚糖(CTS)涂膜组黄瓜的腐烂率均小于CK组，其中浓度为1.0%的CTS涂膜组对黄瓜腐烂速度的减缓效果较其他组来说更为明显；由图8可知，与CK组相比，不同浓度CTS涂膜处理对黄瓜质量的减少速度均起到不同程度的作用，贮藏16 d时，CTS浓度为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的失重率分别为13.53%、11.49%、12.97%、14.94%，最低11.49%的失重率对应1.0%的CTS浓度；由图9可知，各组黄瓜VC含量均呈减少趋势，该组试验结果表明，浓度为1.0%的CTS涂膜组VC含量减少速度最慢，综上分析，浓度为1.0%CTS对黄瓜VC含量的减少有比较明显的减缓作用。

图7 不同浓度CTS对黄瓜烂果率的影响

图8 不同浓度CTS对黄瓜失重率的影响

图9 不同浓度CTS对黄瓜VC含量的影响

2.2.4 CMC-Na浓度对黄瓜贮藏新鲜度的影响 由图10可知，CMC-Na涂膜组均可降低黄瓜的烂果率，与CK组贮藏8 d烂果率超过20%时，其余各CMC-Na涂膜组烂果率仅为10%左右，且浓度为1.5%的涂膜组烂果率最低，贮藏16 d时，烂果率最低组CMC-Na浓度仍为1.5%；由图11可知，与CK组相比，不同浓度CMC-Na涂膜处理对黄瓜质量的减少速度有一定程度的减缓作用，其中，浓度为1.5%的CMC-Na涂膜组对降低失重率的效果较为明显；由图12可知，随着贮藏时间的延长，各组黄瓜VC含量均有不同程度减少，表明不同浓度CMC-Na涂膜对于黄瓜VC含量有不同程度的保存效果，且浓度为1.5%的CMC-Na涂膜组VC含量在贮藏16 d后最高，可达9.47 mg/100 g。综上分析，1.5%的CMC-Na浓度为该试验组的最优水平。

图10 不同浓度CMC-Na对黄瓜烂果率的影响

图11 不同浓度CMC-Na对黄瓜失重率的影响

图12 不同浓度CMC-Na对黄瓜VC含量的影响

单因素实验可得：0.4%黄芩黄酮总苷元、6%ε-PL、1.0%CTS以及1.5%CMC-Na为较优水平，影响因素顺序为：黄芩黄酮总苷元含量>CMC-Na含量>CTS含量>ε-PL含量。

2.3 响应面实验结果与分析

2.3.1 响应面设计方案及结果

表4 响应面实验方案及结果

2.3.2 回归分析 利用软件对响应面实验结果数据进行分析，得到以编码因子表示的最终方程为：K=+14.08+1.54* A+2.12* B+1.70* C+0.42* A * B+1.01* A * C+1.59* B * C-2.89* A2-5.33* B2-4.40* C2

由表5可知，该实验所建立的二次多项模型，p模型<0.0001，具有高度显著性。p失拟项=0.0678(>0.05)，不显著，表明无失拟因素存在。其中除交互项(AB)作用不显著外，其余各项均为p<0.0001，及这些因素对响应值(K)影响显著，且对响应值(K)的影响绝不是简单线性关系。

表5 回归模型系数显著性检验结果

由表6可知，R2(回归模型系数)=0.9992，R2Adj(校正系数)=0.9952，说明该模型能反映99.52%的响应面变化，C.V(变异系数)=1.68%，说明该模型与实际值差异较小。综上可知该模型可分析及预测最佳复合缓释保鲜涂膜配方。

表6 回归模型方差分析结果

2.3.3 响应面分析 由图13可知，当CTS浓度在0.78%～1.45%时，感官评价达到最佳，黄瓜保鲜效果最显著；当黄芩黄酮总甘元浓度在0.34%～0.67%时，感官评价达到最佳，黄瓜保鲜效果最显著。因此，黄芩黄酮总苷元浓度对黄瓜复合缓释保鲜涂膜配方影响效果较显著。

(a) (b)图13 黄芩黄酮总苷元与CTS交互作用对黄瓜感官评价影响的等高线图和响应曲面

由图14可知，当CMC-Na浓度在1.45%～1.72%时，感官评价达到最佳，黄瓜保鲜效果最显著；当黄芩黄酮总苷元浓度在0.34%～0.71%时，感官值达到最大，黄瓜保鲜效果最佳。因此，合适的黄芩黄酮总苷元浓度对黄瓜复合缓释保鲜涂膜配方影响效果均显著。

(a) (b)图14 黄芩黄酮总苷元与CMC-Na交互作用对黄瓜感官评价影响的等高线图和响应曲面

由图15可知，当CMC-Na浓度在1.44%～1.75%时，黄瓜感官值达到最大，黄瓜保鲜效果最显著；当CTS浓度在0.93%～1.28%时，感官值达到最大，黄瓜保鲜效果最显著。因此，合适的CMC-Na浓度对黄瓜复合缓释保鲜涂膜配方影响效果较显著。

(a) (b)图15 CTS与CMC-Na交互作用对黄瓜感官评价影响的等高线图和响应曲面

2.3.4 回归模型验证实验

由软件分析得出最优复合保鲜膜配方为：黄芩黄酮总苷元浓度0.57%、CTS浓度0.92%、CMC-Na浓度1.47%、ε-PL浓度6%，在此条件下将黄瓜贮藏16 d，由图16可知，优化后的保鲜涂膜配方对黄瓜烂果率、失重率的增长速度以及VC含量的减少速度均有显著效果；验证实验的黄瓜感官值为14.11，与预测值14.17基本拟合。

(a) (b) (c)图16 验证实验黄瓜保鲜相关指标对比

3 结论与讨论

3.1 结论

以商洛中草药黄芩中的黄酮苷元类成分、聚赖氨酸、壳聚糖以及羧甲基纤维素钠为原料制备复合缓释保鲜涂膜，并对黄瓜进行保鲜研究，得出以下结论：

(1)通过单因素实验分析黄瓜新鲜度指标数据表明：对黄瓜新鲜度影响最显著的三个因素为黄芩黄酮总苷元、CTS和CMC-Na。

(2)基于单因素实验结果，采用响应面法得到最优复合缓释保鲜剂配方为：黄芩黄酮总苷元浓度0.57%、CTS浓度0.92%、CMC-Na浓度1.47%、ε-PL浓度6%，在此条件下，将黄瓜室温贮藏16 d，优化后的保鲜涂膜配方对黄瓜烂果率、失重率的增长速度以及VC含量的减少速度均有显著效果，16 d时黄瓜感官评价值为14.11，表明该优化配方的保鲜效果最好。

3.2 讨论

(1)研究选用商洛黄芩为原材料，提取以黄芩素为主的苷元类成分，保证了较强的药理作用，并利用其自身黄芩酶将黄芩苷转化为黄芩素，在克服苷元类成分较少的同时，更好的使有效成分发挥作用。

(2)研究将黄芩黄酮总苷元与CTS、CMC-Na和ε-PL制备天然复合缓释保鲜涂膜应用于黄瓜贮藏保鲜，利用中草药抗氧化、壳聚糖和CMC-Na成膜抗菌性等特点以及ε-PL可作为营养型防腐剂的优势，克服单一涂膜剂所存在的保鲜效果不佳的劣势，同时在常温条件下测定新鲜度指标，并与CK组相比保鲜效果显著，涂膜组能够在一定程度上维持黄瓜的新鲜度，对黄瓜的色泽与脆度均起到了一定的保护作用。

(3)由于时间设置所限，本实验存在黄芩苷转移率相对较低、涂膜时在黄瓜表面形成的涂膜层不均匀，无法探究膜的厚度、延伸性、抗拉性等问题，均会影响其保鲜效果。建议在今后研究中应当注意，优化黄芩黄酮总苷元提取工艺，提高黄芩苷转化率；对在黄瓜表面形成的涂膜层进行机械强度等指标测定，以期为黄芩黄酮总苷元为原料制备的复合缓释保鲜膜提供参考。