基于西瓜、香蕉和橙皮果胶的可食用薄膜比较：对冷藏牛大腿肉保质期的改善作用

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：Comparison of Watermelon, Banana, and Orange Peel Pectin-Based Edible Films: Shelf Life Improvement of Chilled Beef Thigh Meat

本研究通过比较西瓜、香蕉和橙皮提取的pectin基可食用膜对牛排肉保鲜效果，发现橙皮膜在机械性能、微生物抑制及化学保鲜方面最优，有效延长保质期并保持感官品质。

　　本研究旨在比较三种由西瓜、香蕉和橙皮提取的果胶基可食用薄膜（2%浓度）在冷藏条件下对牛肉大腿肉保鲜效果的影响。实验选取了西瓜果胶薄膜（WMPP）、香蕉果胶薄膜（BPP）和橙皮果胶薄膜（OPP）三种材料，分别对牛肉样品进行包装处理，并在9天的储存期内监测其品质变化。研究结果表明，OPP薄膜在保鲜效果上表现最为突出，其不仅具备良好的机械性能，还能有效抑制微生物生长和化学变化，从而延长牛肉的货架期。此外，OPP薄膜在感官评价中也表现出较高的接受度，保持了牛肉的色泽、气味和整体可接受性，使得其在储存过程中保持良好状态。研究还涉及了薄膜的制备过程、物理化学特性分析以及微生物和化学指标的测定，为后续的保鲜研究提供了理论依据和实践参考。

### 一、引言

牛肉作为人类饮食中重要的蛋白质来源，富含必需氨基酸、B族维生素（尤其是维生素B12）、铁、锌和磷等营养成分，这些成分在维持身体健康、促进新陈代谢、增强免疫力以及保持骨骼健康方面发挥着关键作用。然而，由于牛肉含有较高的水分和蛋白质，同时也为微生物提供了适宜的生长环境，因此其在储存过程中容易发生腐败变质。微生物的繁殖和酶的分解作用会导致牛肉的气味、颜色和质地发生变化，从而降低其食用价值和安全性。因此，如何有效延长牛肉的货架期成为食品科学领域的重要课题。

随着人们对食品安全和环境保护意识的提高，传统塑料包装材料的使用受到越来越多的限制。相比之下，可食用薄膜因其可降解性、良好的物理性能以及对气体和水分的阻隔能力，逐渐成为替代塑料包装的理想选择。可食用薄膜不仅可以减少环境污染，还能在食品包装过程中提供额外的保护，防止外界污染和氧化反应。此外，一些农业废弃物，如水果皮、蔬菜叶等，富含生物活性物质，如果胶、纤维素、多酚类化合物和精油等，这些物质在食品加工和包装中具有广泛的应用前景。

果胶是一种复杂的多糖类物质，主要存在于水果皮中，具有良好的凝胶性能和气体阻隔能力。其化学结构由α-1,4-糖苷键连接的半乳糖醛酸单元组成，能够形成稳定的三维网络结构，从而有效阻止氧气渗透，延缓食品的氧化反应。果胶的甲基化程度（MD）对它的物理化学性质具有重要影响，MD较高的果胶通常具有更强的机械性能和更灵活的凝胶能力，能够更好地应用于食品包装。因此，不同来源的果胶在物理性能和功能特性上存在差异，这使得它们在食品保鲜中的应用效果也有所不同。

在当前的研究中，研究人员首次对三种常见农业废弃物来源的果胶基可食用薄膜（西瓜果胶、香蕉果胶和橙皮果胶）在冷藏条件下的保鲜效果进行了比较。研究重点包括：（1）薄膜的机械性能，如拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率；（2）薄膜对牛肉微生物腐败的抑制作用；（3）薄膜对牛肉化学变化的抑制效果；（4）薄膜对牛肉感官特性的影响，如气味、颜色和整体可接受性。通过这些研究，可以为食品包装材料的选择提供科学依据，并探索农业废弃物在食品保鲜中的潜在应用价值。

### 二、材料与方法

#### 2.1 材料

实验中使用了甘油、甲醇、乙醇、硫酸、硼酸、氢氧化钠、盐酸、氧化镁、蛋白质试剂、平板计数琼脂（PCA）、亚紫红胆盐葡萄糖琼脂（VRBA）、玫瑰红氯霉素选择性琼脂（RBCSA）和胰蛋白水等化学试剂，这些试剂均从德国默克公司购得。此外，实验还使用了扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等设备，用于分析果胶的结构和化学组成。

#### 2.2 果胶提取

实验中所用的西瓜、香蕉和橙皮均来自伊朗哈马丹市的果汁加工厂。收集的果皮在常温下晾干2周后，使用微波（900 W，60 s）进行预处理，随后将样品粉碎并保存在-18°C的低温环境中。将粉碎后的果皮与水按1:25的比例混合，并将pH值调节至2。混合物在90°C下以250 rpm的速度搅拌2小时，之后通过布氏漏斗过滤，将滤液与两倍体积的95%乙醇混合，并在冷藏条件下保存24小时。接着进行离心（3000 rpm/15 min），收集沉淀物，并用乙醇清洗三次。最终将提取的果胶通过滤纸过滤，干燥至45°C，并保存在-18°C的低温冰箱中，供后续实验使用。

#### 2.3 扫描电子显微镜（SEM）图像

为了进一步分析果胶的微观结构，提取的果胶样品被放置在铜制支架上，并用金进行涂层处理。使用加速电压为10 kV的SEM设备对样品进行观察，并在300×、500×和1000×的放大倍数下拍摄图像。SEM图像可以直观地展示果胶的表面结构和颗粒分布情况，有助于评估其物理性能和应用潜力。

#### 2.4 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

FTIR是一种用于分析材料化学结构和功能基团的重要技术。在实验中，采用KBr压片法对果胶样品进行FTIR分析，并使用PerkinElmer公司生产的FTIR系统（System 2000）进行测试。将少量果胶样品与KBr按1:100的比例混合，并压制成厚度约为1 mm的薄片。随后将样品放置在FTIR设备的检测区域，进行红外光谱扫描，范围为400至4000 cm?1，分辨率设置为4 cm1。通过红外光谱的吸收情况，可以分析果胶分子的化学键振动特性，从而判断其化学结构和组成。

#### 2.5 果胶薄膜制备

将果胶（2%）粉末溶解于蒸馏水中，作为薄膜的基材。甘油（1.5% W/V）被用作薄膜的增塑剂，以改善其柔韧性和延展性。将最终混合物在50°C下搅拌2小时，然后倒入聚乙烯模具中。薄膜溶液在40°C、相对湿度为40%的恒温恒湿箱中干燥24小时，以形成稳定的薄膜结构。制备好的薄膜被剥离并保存在干燥器中，等待后续实验使用。

#### 2.6 薄膜的机械性能分析

为了评估果胶薄膜的机械性能，实验使用了Zwick公司的拉伸强度测试仪（Z 2.5）。将薄膜样品切割成5×1 cm2的尺寸，并在55% RH（钙硝酸盐）和常温条件下进行预处理。测试过程中，设备的两个夹具之间的初始距离为30 mm，夹具移动速度为0.83 mm/s。通过这些测试，可以测定薄膜的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率等关键指标，从而评估其在食品包装中的适用性。

#### 2.7 薄膜厚度测量

薄膜厚度的测量使用了印度Baker公司的数字千分尺。在薄膜的不同位置（通常为5个点）进行测量，并计算平均值作为最终的厚度数据。厚度是衡量薄膜性能的重要指标之一，因为它直接影响薄膜的保护能力和保鲜效果。较薄的薄膜可能更容易受到外界污染，而较厚的薄膜则可能在使用过程中增加成本。

#### 2.8 处理样品的准备

实验中选取了8块新鲜的股四头肌（quadriceps femoris），来自伊朗哈马丹市的肉类供应商中心。将这些肉块在完全无菌的条件下切割成10 g的小块，并分别用西瓜果胶、香蕉果胶和橙皮果胶薄膜进行包装。随后将这些样品在4°C±1°C的冷藏条件下储存9天，并在第0天、第3天、第6天和第9天分别进行微生物、化学和感官特性分析。这种时间点的设置有助于全面了解不同薄膜对牛肉保鲜效果的影响。

#### 2.9 微生物分析

为了评估不同薄膜对牛肉微生物腐败的抑制作用，实验使用了 stomacher 设备对样品进行处理。将10 g的样品与90 mL的稀释液混合，并在250 rpm的速度下搅拌60秒。随后进行系列稀释，并在PCA培养基上培养，以检测中温菌和嗜冷菌的数量。在37°C下培养24小时以评估中温菌的数量，在7°C下培养10天以评估嗜冷菌的数量。VRBA培养基用于检测肠杆菌科细菌的数量，RBCSA培养基用于检测酵母和霉菌的数量。所有菌落的数量以log10 CFU/g的形式进行报告，以方便比较不同处理组之间的差异。

#### 2.10 化学测试

##### 2.10.1 pH值测定

为了评估不同薄膜对牛肉化学变化的影响，实验使用了pH计对样品的pH值进行测定。将5 g的样品与25 mL的蒸馏水混合，并在室温下搅拌30秒。使用Denver公司的pH计进行测量，以评估样品的酸碱度变化。pH值的变化可以反映样品在储存过程中的腐败程度，较低的pH值通常意味着样品的酸度增加，这可能是由于微生物代谢活动或脂肪氧化反应所致。

##### 2.10.2 总挥发性碱氮（TVB-N）测定

TVB-N是衡量样品腐败的一个重要指标，通常用于评估肉类在储存过程中的品质变化。实验中采用Fernández等提出的方法对TVB-N进行测定。将10 g的样品、300 mL的蒸馏水和2 g的氧化镁放入蒸馏瓶中，并加热至沸腾。蒸馏过程中，产生的挥发性碱氮被收集在含有2%硼酸的25 mL溶液中。当硼酸溶液由红色变为绿色时，停止蒸馏，并通过硫酸（0.1 N）进行滴定，以测定TVB-N的含量。TVB-N的含量可以反映样品在储存过程中的蛋白质分解程度，较高的TVB-N值通常意味着样品的腐败程度较高。

#### 2.11 感官分析

为了评估不同薄膜对牛肉感官特性的影响，实验邀请了20名实验室培训过的感官评价人员，其中包括10名男性和10名女性，年龄在25至35岁之间。这些评价人员在肉制品评估方面具有丰富的经验，并在培训会议上学习了肉制品的感官特征。实验中将样品放置在白色瓷盘中，评价人员在不知情的情况下对样品进行盲测，并根据3位随机数字进行编码。新鲜肉被作为参考标准，以确保评价的客观性。评价人员对样品的气味、颜色和整体可接受性进行了评分，评分范围为1至5分，其中1分为“非常不愉快”，2分为“不愉快”，3分为“可接受”，4分为“愉快”，5分为“非常愉快”。评分低于3分的样品被视为不可接受，这表明其在储存过程中可能已经发生明显的品质变化。

#### 2.12 统计分析

为了确保实验结果的可靠性，所有实验均重复进行三次。为了比较不同处理组之间的均值差异，实验采用SPSS软件（IBM SPSS Statistics 21）进行方差分析（ANOVA）和Tukey检验，以确定统计显著性（p ≤ 0.05）。所有实验数据均以均值±标准误差（SEs）的形式进行表示，以提高结果的可比性和准确性。

### 三、结果与讨论

#### 3.1 提取果胶的SEM图像

实验中拍摄的SEM图像显示，OPP果胶具有更光滑、更平坦和更均匀的表面结构，这可能与其较高的甲基化程度有关。相比之下，BPP和WMPP果胶的表面结构则较为粗糙，颗粒分布不均。SEM图像可以直观地展示果胶的微观结构，有助于理解其物理性能和功能特性。此外，一些研究也表明，标准果胶（如柑橘果胶）在SEM图像中表现出更光滑和均匀的表面结构，这与OPP果胶的结构特征相似。

#### 3.2 果胶薄膜的机械性能

实验测定的果胶薄膜的机械性能数据显示，OPP薄膜的拉伸强度和杨氏模量分别为0.56 MPa和19.67 MPa，而BPP和WMPP薄膜的拉伸强度分别为0.56 MPa和0.45 MPa，杨氏模量分别为14.19 MPa和17.41 MPa。断裂伸长率方面，OPP薄膜为2.99%，BPP为4.01%，WMPP为4.50%。这些数据表明，OPP薄膜在机械性能上表现最为优异，具有更高的强度和更好的延展性，这可能与其较高的甲基化程度有关。

#### 3.3 果胶薄膜的厚度

实验中测量的果胶薄膜厚度数据显示，BPP薄膜的厚度为0.21 mm，OPP薄膜的厚度为0.04 mm，WMPP薄膜的厚度为0.45 mm。这些数据表明，BPP薄膜的厚度最大，而OPP薄膜的厚度最小。薄膜的厚度是影响其物理性能和功能特性的重要因素，较厚的薄膜可能具有更好的阻隔能力，但同时也可能增加使用成本。因此，在选择果胶薄膜时，需要在厚度与性能之间进行权衡。

#### 3.4 微生物分析结果

在第9天的微生物分析结果中，OPP薄膜包装的牛肉样品的总菌落数（TVC）最低，为6.03 log CFU/g，而BPP和WMPP薄膜包装的样品分别为6.59 log CFU/g和6.86 log CFU/g。相比之下，对照组（未包装的样品）的TVC为8.01 log CFU/g。这些数据表明，OPP薄膜对微生物的抑制作用最强，能够有效延缓牛肉的腐败过程。此外，OPP薄膜包装的样品在嗜冷菌、肠杆菌科细菌、霉菌和酵母的数量上也表现出最低的值，分别为6.18 log CFU/g、5 log CFU/g、3 log CFU/g，而BPP和WMPP薄膜包装的样品分别为6.88 log CFU/g、6.32 log CFU/g和4.44 log CFU/g、4.96 log CFU/g。这些结果进一步验证了OPP薄膜在微生物抑制方面的优势。

#### 3.5 化学分析结果

在第9天的化学分析结果中，OPP薄膜包装的牛肉样品的pH值最低，为5.81，而BPP和WMPP薄膜包装的样品分别为5.98和6.11。TVB-N含量方面，OPP薄膜包装的样品最低，为16.3 mg N/100 g，而BPP和WMPP薄膜包装的样品分别为21.5 mg N/100 g和22.3 mg N/100 g。对照组的TVB-N含量为8.01 log CFU/g。这些数据表明，OPP薄膜能够有效延缓牛肉的蛋白质分解和脂肪氧化反应，从而保持其新鲜度和品质。

#### 3.6 感官分析结果

在第9天的感官分析中，OPP薄膜包装的牛肉样品在气味、颜色和整体可接受性方面均获得了较高的评分，分别为≥3分，而BPP和WMPP薄膜包装的样品评分分别为6.88、6.32和4.44 log CFU/g，以及6.59、6.86 log CFU/g。对照组的评分则较低，为8.01 log CFU/g。这些结果表明，OPP薄膜在感官特性方面表现最佳，能够保持牛肉的原有风味和外观，使其在储存过程中保持较高的食用价值。

#### 3.7 结论

综合上述实验结果，OPP薄膜在机械性能、微生物抑制和化学变化控制方面均表现出优异的性能，能够有效延长牛肉的货架期。相比之下，BPP和WMPP薄膜在这些方面表现相对较弱，尤其是在微生物抑制和化学变化控制方面。此外，OPP薄膜在感官特性方面也表现出较高的接受度，能够保持牛肉的原有风味和外观，使其在储存过程中保持良好的食用价值。因此，OPP薄膜被认为是目前最有效的食品包装材料之一，能够满足食品保鲜的多方面需求。

通过本研究，不仅验证了不同来源的果胶在食品包装中的应用潜力，还为农业废弃物的资源化利用提供了新的思路。果胶基可食用薄膜作为一种环保、可降解的包装材料，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化果胶的提取和薄膜制备工艺，以提高其机械性能和保鲜效果，同时探索其在其他食品中的应用可能性。此外，还可以结合其他天然成分，如纤维素、多酚类化合物等，以增强果胶薄膜的性能，使其在食品包装中发挥更大的作用。