光敏性壳聚糖基复合膜在南美白对虾保鲜中的应用.pdf

吴双杰，智锦锦，王德华，等.光敏性壳聚糖基复合膜在南美白对虾保鲜中的应用 J.食品工业科技，2023，44（21）：367372.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020016WUShuangjie,ZHIJinjin,WANGDehua,etal.ApplicationofPhotosensitiveChitosan-basedCompositeFilmsinthePreservationofLitopenaeus vannameiJ.ScienceandTechnologyofFoodIndustry,2023,44(21):367372.(inChinesewithEnglishabstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023020016 贮运保鲜 光敏性壳聚糖基复合膜在南美白光敏性壳聚糖基复合膜在南美白对虾保鲜中的应用对虾保鲜中的应用吴双杰，智锦锦，王德华，任鹏飞，李兆杰，薛长湖，唐庆娟*（中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛266003）摘要：-本文旨在研究一种复合膜-光动力技术的保鲜模式应用于南美白对虾，延缓对虾品质劣化。以壳聚糖为成膜基质，分别负载姜黄素、姜黄素/壳聚糖颗粒，制备了姜黄素（PsC）和姜黄素/壳聚糖颗粒（PsG）复合膜，探究了两种复合膜的光敏特性，及其介导光动力杀菌（PsC-L/PsG-L）对南美白对虾的保鲜作用。分别使用 PsC 膜和 PsG膜覆盖南美白对虾，经 420nmLED 光源照射 10min 后，在 4 贮藏 04d。贮藏期间，通过测定南美白对虾菌落总数、挥发性盐基氮、pH、质构、游离氨基酸等理化指标的变化，综合评价复合膜的保鲜作用。结果表明，在 4d的贮藏时间内，PsG-L 与 PsC-L 可以影响南美白对虾菌落总数的生长。PsG-L 可抑制南美白对虾 TVB-N 和 pH 的上升，延缓质地软化，保鲜效果优于 PsC-L。PsG-L 处理在 2d 的贮藏时间内，保留鲜味氨基酸和降低苦味氨基酸含量的效果优于 PsC-L。两种复合膜均具有光敏特性，在 420nm 波长的光源驱动下具有光动力抑菌保鲜作用，对南美白对虾具有良好的保鲜效果。本研究成果为光动力非热杀菌技术在水产品保鲜中推广应用提供了支撑。关键词：光动力，复合膜，姜黄素，壳聚糖，南美白对虾本文网刊:中图分类号：TS254.4文献标识码：A文章编号：10020306（2023）21036706DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2023020016ApplicationofPhotosensitiveChitosan-basedCompositeFilmsinthePreservationofLitopenaeusvannameiWUShuangjie，ZHIJinjin，WANGDehua，RENPengfei，LIZhaojie，XUEChanghu，TANGQingjuan*（CollegeofFoodScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China）Abstract：The purpose of this paper was to study the application of a fresh preservation mode of composite film-photodynamictechnologytodelaythequalitydeteriorationofLitopenaeus vannamei.Compositefilms(PsCandPsG)werepreparedbyloadingcurcuminandcurcumin/chitosangranules,respectively,ontochitosanasthefilm-formingmatrix.ForthepreservationofLitopenaeus vannamei,thephotosensitivecharacteristicsoftwocompositefilmsandtheirmediatedphotodynamicsterilization(PsC-L/PsG-L)wereexplored.Litopenaeus vannameiwascoveredbyPsCfilmsandPsGfilms,respectively,andkeptthemat4for04daysafterirradiatingthemwitha420nmLEDlightsourcefor10minutes.Throughoutthestorageperiod,thepreservationimpactofthecompositefilmswasexaminedcomprehensivelybyassessingthechangesinphysicochemicalindicatorssuchastotalbacterialcolony,volatilesaltnitrogen,pH,texture,andfreeaminoacidsinLitopenaeus vannamei.ResultsindicatedthatPsG-LandPsC-LmightalterthedevelopmentofmicroorganismofLitopenaeus vannamei over a 4 day storage period.PsG-L inhibited the increase of TVB-N and pH in Litopenaeusvannamei,delayedtexturesoftening,andhadagreaterpreservationeffectthanPsC-L.Overa2daystorageperiod,PsG-LtreatmentwasmoresuccessfulthanPsC-Linpreservingfreshaminoacidsandreducingtheamountofbitteraminoacids.Bothcompositefilmsexhibitphotosensitivequalitiesandphotodynamicinhibitionoffreshnessinducedbyalightsource收稿日期：20230206基金项目：国家自然科学基金项目（31871867）。作者简介：吴双杰（1999），男，硕士研究生，研究方向：食品科学与人类健康，E-mail：。*通信作者：唐庆娟（1971），女，博士，教授，研究方向：食品科学与人类健康，E-mail：。第44卷第21期食品工业科技Vol.44No.212023年11月ScienceandTechnologyofFoodIndustryNov.2023withawavelengthof420nm,andtheyeffectivelypreserveLitopenaeus vannamei.Thesefindingsgivesupportforthepromotionanddeploymentofphotodynamicnon-thermalsterilizingtechnologyinthepreservationofaquaticproducts.Keywords：photodynamic；compositefilm；curcumin；chitosan；Litopenaeus vannamei南美白对虾因其高蛋白、低脂肪的特性，受到广大消费者的青睐，产量和消费量逐年上升，2022 年产养殖量达到 210 万吨1。目前，在运输及贮藏过程中，虾头黑变、微生物生长抑制不充分、营养成分流失严重是存在的主要问题23。为达到较好的贮藏效果，在低温条件下，复合气调保鲜、保鲜膜、生物制剂等方法用于保藏南美白对虾已逐渐成为趋势4。单一成分的食品保鲜膜其功能存在局限性，负载不同类型的天然活性物质可提升薄膜的抑菌性、结构强度等56。以壳聚糖为成膜基质，添加姜黄素、花青素等天然成分，开发具有新的功能、可食用可降解、安全无毒的包装材料，有取代塑料基保鲜膜的可能性710。光动力技术是一种利用可见光、光敏剂、氧气对食源性致病菌产生抑菌效果的非热杀菌技术1112。已有报道将此技术应用在缢蛏13、虾仁14、牡蛎15等水产品的保鲜上，延长了贮藏期。但是，姜黄素等光敏剂（photosensitizer，Ps）具有较强的着色能力，影响食品的颜色品质，限制了此技术的推广应用1617。将天然光敏剂加入薄膜中并介导光动力技术是一种具有良好发展前景的食品保鲜新思路。本研究将姜黄素（curcumin，C）、姜黄素/壳聚糖颗粒（curcumin-chitosangranule，G）作为功能物质，壳聚糖作为成膜基质，制备得到两种复合膜（PsC/PsG），进而构建复合膜-光动力杀菌体系，并将其应用于南美白对虾的保鲜。该研究评估了两种光敏性复合膜的功能特性，以期拓展光动力技术在食品领域的应用形式，丰富南美白对虾的保鲜方案。1材料与方法1.1材料与仪器南美白对虾购自于青岛金海利达水产市场；姜黄素纯度98%，西安圣青生物有限公司；壳聚糖脱乙酰度 90%，上海源叶生物科技有限公司；平板计数琼脂青岛海博生物技术有限公司；氧化镁天津光复科技发展有限公司；其他化学试剂国产分析纯试剂。NR60CP 型多功能色差仪深圳三恩时科技有限公司；HZQ-X100 电热恒温培养箱上海精宏实验设备有限公司；8400 型全自动凯氏定氮仪美国福斯公司；ST3100 型 pH 计美国奥豪斯仪器有限公司；Model680 型酶标仪美国Bio-Rad 公司；TMS-TOUCH 型质构仪FTC 公司；L-8900 全自动氨基酸分析仪日本日立公司。1.2实验方法1.2.1姜黄素/壳聚糖颗粒制备参照郑育18、LI等19的方法，稍作改进，将 2mL2mg/mL 姜黄素溶液（curcumin,CUR）加入 8mL2.5mg/mL 壳聚糖（chitosan,CTS）溶液中，磁力搅拌 5min，滴加 1%三聚磷酸钠（TPP）溶液 400L，使 CTS:CUR:TPP=5:1:1（m:m:m），磁力搅拌 30min 后得姜黄素/壳聚糖颗粒溶液。1.2.2光敏性复合膜制备参照 CHEN 等20的方法进行改进，取 0.4mg/mL 姜黄素溶液，加入 1%壳聚糖溶液（0.3%甘油）中，使姜黄素浓度为 8g/mL，超声脱气 15min 后，倒入 1212cm 模具中，40干燥 8h，得 PsC 膜。取 1.2.1 所得颗粒溶液替换姜黄素溶液，其他操作同 PsC 膜的制备，得 PsG 膜。两种膜避光干燥处保存。1.2.3复合膜经光照后的颜色变化在光照功率 10W、膜-光间距 15cm 的条件下，照射不同时间（0、2、5、10、15、20min），使用色差计检测膜的颜色变化。1.2.4样品处理购买鲜活南美白对虾，加冰猝死后，随机分为三组（每组 363g），在无菌器皿中放入三只虾，分别用市售 PE 保鲜膜（plasticwrap,PW）、PsC、PsG 膜覆盖器皿，减少膜与样品的接触。PsC、PsG 膜覆盖南美白对虾后使用 420nmLED 光源照射（膜-光动力参数：光照功率 10W，膜-光间距 15cm，光照时间 10min，光功率密度为 60mW/cm2）。处理后各组样品均置于 4 冰箱中保存。在 0、1、2、3、4d 取出贮藏样品，进行各指标的检测。1.2.5菌落总数的测定按照 GB4789.2-2016食品微生物学检验-菌落总数测定进行测定，在每个取样日，将样品绞碎，取 5g 虾肉置于 45mL 的无菌生理盐水中，浸泡 30min 后，取每个样品 1mL，进行梯度稀释，取三个合适梯度的稀释液 100L 涂布平板，37 培养 72h 后计数。1.2.6挥发性盐基氮、pH 的测定参照 GB/T5009.228-2016食品中挥发性盐基氮的测定中自动凯氏定氮仪法测定挥发性盐基氮（TVB-N），取 10g 虾肉在 75mL 去离子水中浸泡 30min 后，上机测定。按照 GB5009.237-2016食品 pH 值的测定的方法测定 pH，取 2g 虾肉与去离子水混合（1:9，m:m），均质后静置 30min，测定上清液 pH。1.2.7质构的测定取三只对虾，剪取与虾头相近的第二节肌肉，采用质构仪测定其质构数据，取参数设定为：触发类型 Auto（自动）、测试速率 60mm/min、力量感应元量程为 100N、起始力为 0.5N、形变百分量为 50%，纵向压缩，两次压缩之间停留时间为 5s。压缩探头为不锈钢 P/36R 圆柱形。1.2.8游离氨基酸的测定取贮藏 2d 的样品绞碎，准确称量 2g 虾肉于安瓿瓶中，加入 15mL0.02mol/L368食品工业科技2023 年11月HCl，充分均质后超声 5min，5000r/min，4 离心10min，收取上清液。将剩余残渣加入 10mL0.02mol/L 稀盐酸后搅拌，5000r/min，4 离心 5min，合并上清液，定容至 50mL。定容后移取 2mL，加入 2mL体积分数 5%磺基水杨酸溶液，10000r/min，4 离心 10min，上清液过 0.22m 水系滤膜于液相小瓶中，上机测定。1.3数据处理实验进行三次重复，数据处理及统计采用 SPSS25.0 进行分析，结果以平均值标准偏差表示，方差分析采用 Duncan 的方法，P0.05 表示差异显著。2结果与分析2.1420nmLED 光源照射对复合膜色值影响研究经光照射，姜黄素易分解，导致色值发生变化21。PsC 和 PsG 膜经 420nmLED 光源照射后色值变化如图 1 所示。照射前，PsC 和 PsG 膜的 L*值分别为44.740.31 和 46.240.21，a*值分别为1.180.13 和1.640.11，b*值分别为 8.400.09 和 7.980.06。照射后，两种膜的 L*和 a*无明显变化，b*的变化趋势不同。PsC 和PsG 膜的L*值分别为45.210.38 和47.070.21；a*值分别为1.090.06 和1.500.02；PsC 膜的 b*值在 8.298.58 范围内波动，b*变化与光照时间无明显关系；PsG 膜的 b*值明显下降，随光照时间延长，b*由 7.980.06 下降到 6.890.07。结果表明，PsC和 PsG 膜初始 b*不同，这可能与两种膜中游离姜黄素的含量不同有关22。通过离子交联法，姜黄素被包封在壳聚糖与三聚磷酸钠形成的体系中，导致 PsG膜中的游离姜黄素含量减少。此外，PsG 膜相较 PsC膜更易在 420nm 光源的照射下发生色值变化，这种不同的色度变化说明两种膜介导光动力的能力及光敏特性可能具有差异。109b*光照时间(min)876025101520PsC-LPsG-L图1复合膜经光照 20min 内颜色的变化Fig.1ColorchangeofPsCandPsGover20minofillumination注：PsC-L 为姜黄素/壳聚糖膜介导光动力，PsG-L 为姜黄素-壳聚糖/壳聚糖膜介导光动力。2.2复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾品质的影响2.2.1不同处理方式对冷藏南美白对虾菌落总数的影响南美白对虾在冷藏期间，伴随着微生物的滋生，腐败希瓦氏菌、气单胞菌等腐败菌的生长易引起虾肉的腐败23，从而产生食品安全问题4。复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的菌落总数的影响如图 2 所示。各组菌落总数在 4d 内均未超过限值6lg（CFU/g）。在贮藏过程中，PW 组菌落总数前期增长较快，且整体菌落总数值较高。PW、PsG-L 组在第 4d 有菌落总数较高，分别为 5.870.02、5.950.00lg（CFU/g），PsC-L 组在第 3d 的菌落总数值最高，为 5.880.04lg（CFU/g）。结果表明，相较 PW，PsC-L、PsG-L 处理可显著抑制贮藏前期南美白对虾菌落总数的生长，且 PsG-L 延缓菌落总数生长的效果较优。保鲜膜无抑菌活性，所以在 1d 的贮藏时间内，其菌落总数急剧上升，而由于其阻隔性能较好，贮藏环境中气体成分变化可能造成其菌落总数在 1d后先下降后持续上升24。PsC-L 和 PsG-L 膜依靠壳聚糖、姜黄素及光动力的抑菌活性可延缓菌落总数的增长2526，PsC 膜中壳聚糖、姜黄素在南美白对虾表面的释放可能使其菌落总数在 4d 下降27，而PsG 膜较为稳定，活性成分迁移较少。76菌落总数(lg CFU/g)贮藏时间(d)54301234PWPsC-LPsG-La a ababbabbbaab b图2复合膜介导光动力对冷藏南美白对虾的菌落总数的影响Fig.2Effectofcompositemembrane-mediatedphotodynamicsontotalnumbersofcoloniesinrefrigeratedshrimp注：PW 为保鲜膜，PsC-L 为姜黄素/壳聚糖膜介导光动力，PsG-L 为姜黄素-壳聚糖/壳聚糖膜介导光动力；同一贮藏时间不同字母表示差异显著，P1 时，表明该呈味成分能独立对食品的滋味产生重要贡献，TAV 值越高，该化合物对食物整体口味的贡献越大35。本研究中对贮藏 2d 的南美白对虾的游离氨基酸含量进行了测定，结果如表 1 所示。在三组中检测到 11 种游离氨基酸，除甘氨酸外，PsC-L 组样品的游离氨基酸含量高于其他两组，PsG-L 组与 PW 组差异较小。由游离氨基酸含量计算得 TAV 值，结果如表 2 所示，其中，谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸和精氨酸的 TAV1，在PsC-L 组中谷氨酸、丙氨酸的 TAV 极显著高于另两组（P0.01），PsG-L 组谷氨酸的 TAV 显著高于 PW组（P0.05），这对样品的鲜味影响较大。结果提示，370食品工业科技2023 年11月在贮藏 2d 后，PsC-L 组样品的蛋白质降解较多，游离氨基酸含量增加。而相较 PW 组，PsG-L 处理可延缓鲜/甜味游离氨基酸的降解及苦味氨基酸的生成。3结论对比市售保鲜膜，在 2d 的贮藏时间内，PsC-L处理可以产生更好的保鲜效果，而贮藏后期，保鲜效果变差。在 4d 的贮藏时间内，PsG-L 处理可以影响菌落总数的生长，显著延缓 TVB-N、pH 的上升，延缓虾的质地软化。在 2d 的贮藏时间内，相较 PW 处理，PsG-L 处理可延缓鲜味氨基酸的降解，减少苦味氨基酸的生成。总之，PsG-L 处理可有效延缓南美白对虾的品质劣化，将姜黄素/壳聚糖颗粒添加到壳聚糖膜中介导光动力相比姜黄素与壳聚糖混合后介导光动力在保鲜效果上有显著提升。薄膜保鲜与光动力复合应用在水产品保鲜是可行的。参考文献1农业农村部渔业渔政管理局,全国水产技术推广总站,中国水产学会.2023 中国渔业统计年鉴M.北京：中国农业出版社,2023：2224.FisheriesAdministrationofMinistryofAgricul-ture and Rural Affairs,National Fisheries Technology 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304.4217.97 299.845.63丙氨酸（Ala）甜/鲜（+）138.428.80161.987.23144.665.81精氨酸（Arg）苦/甜（+）296.0517.33 296.3819.07 277.862.90甲硫氨酸（Met）苦/甜/硫（）6.442.4810.404.366.553.23异亮氨酸（Ile）苦（）8.491.7312.751.269.401.98亮氨酸（Leu）苦（）12.081.1716.170.7113.951.35苯丙氨酸（Phe）苦（）3.420.424.591.613.630.15赖氨酸（Lys）苦（）26.241.6028.241.8524.270.53组氨酸（His）甜/苦（）10.170.5911.580.6010.620.42表2呈味强度值Table2Tasteactivityvalues氨基酸滋味属性味觉阈值TAVPWPsC-LPsG-L天冬氨酸（Asp）鲜（+）1000.050.00 0.080.010.070.00谷氨酸（Glu）鲜（+）301.950.15 2.380.14*2.150.04*甘氨酸（Gly）甜/鲜（+）1102.910.20 2.770.162.730.05丙氨酸（Ala）甜/鲜（+）602.310.15 2.700.12*2.410.10精氨酸（Arg）苦/甜（+）505.920.35 5.930.385.560.06甲硫氨酸（Met）苦/甜/硫（）300.210.08 0.350.150.220.11异亮氨酸（Ile）苦（）900.090.02 0.140.010.100.02亮氨酸（Leu）苦（）1900.060.01 0.090.000.070.01苯丙氨酸（Phe）苦（）300.110.01 0.150.050.120.01赖氨酸（Lys）苦（）500.520.03 0.560.040.490.01组氨酸（His）甜/苦（）200.510.03 0.580.030.530.02注：显著性分析以PW组为对照组，“*”为P0.01，“*”为P0.05。第44卷第21期吴双杰，等：光敏性壳聚糖基复合膜在南美白对虾保鲜中的应用37113林以琳,李世洋,赖丹宁,等.姜黄素介导光动力减菌技术对缢蛏的保鲜效果J.农业工程学报，2020，36（16）：320326.LINYL,LISY,LAIDN,etal.Effectsofcurcumin-mediatedofanti-microbial photodynamic technology on preservation of rezorclamJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngi-neering，2020，36（16）：320326.14王凡.基于光动力技术的明胶/壳聚糖/姜黄素抑菌复合膜的制备及其对虾仁品质的影响D.上海：上海海洋大学,2022.WANGF.Developmentofgelatin/chitosan/curcuminantibacteri-alcompositefilmbasedonphotodynamictechnologyanditseffectonthequalityofshrimpsD.Shanghai：ShanghaiOceanUniversi-ty,2022.15WUJ,HOUW,CAOB,etal.Virucidalefficacyoftreat-ment with photodynamically activated curcumin on murine 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