基于PLA的抗菌复合薄膜与低能X射线照射对草莓品质和货架期的影响

《Foods》：Effects of PLA-Based Antimicrobial Composite Films and Low-Energy X-Ray Irradiation on the Quality and Shelf Life of Strawberries

　　

草莓是一种营养丰富的水果，但货架期短且采后损失严重。在本研究中，研究人员评估了在4°C储存期间，使用活性聚乳酸（PLA）/明胶（G）基薄膜（负载精油（EOs）和/或银纳米粒子（AgNPs））包装，并结合0.5 kGy低能（L-E）X射线进行栅栏处理后，草莓的品质和货架期。结果表明，添加EOs、AgNPs或其组合使薄膜的拉伸强度（TS）从16.70 MPa降低至6.65–10.01 MPa，断裂伸长率（Eb）从215.4%增加至218.2–398.2%。薄膜的氧气透过率（OTR）从219.7 cm³/m²·day增加至274.8–298.6 cm³/m²·day，这促进了用于平衡气调包装（EMAP）的气体选择性薄膜的发展。商业对照组（聚对苯二甲酸乙二醇酯翻盖盒）在第8天观察到20%的腐烂率（主要货架期标准），PLA/G-AgNPs薄膜组在第9天，PLA/G-EOs薄膜组和PLA/G-EOs+AgNPs薄膜组在第10天。活性薄膜与L-E X射线照射的联合应用（PLA/G/EOs+AgNPs+I）将达到20%腐烂率的时间延长至第13天，而经照射的商业对照组为第9天。储存6–9天后实现了EMAP，气体组成约为13–14% O₂和8–9% CO₂。EOs、含AgNPs薄膜和L-E X射线照射的联合处理防止了草莓的硬度和可溶性固形物损失。照射处理后草莓的红色度及其总酚/花青素含量增加，并在储存期间保持显著高于未照射样品（p ≤ 0.05）。本研究证明了活性PLA/G薄膜与L-E X射线照射结合在延长新鲜草莓货架期和保持品质方面的有效性。

草莓是全球广泛消费的高营养价值水果，富含花青素、酚酸和维生素C等生物活性成分，但其非呼吸跃变特性、娇嫩表皮易受损伤，导致采后极易被根霉（*Rhizopus stolonifer*）等病原菌侵染，货架期极短。传统聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）翻盖盒包装虽广泛使用，但高水蒸气阻隔性易导致包装内水汽凝结、促进霉菌生长，且无法有效控制气体成分，造成塑料污染与食品浪费。为此，研究人员旨在开发一种基于聚乳酸（PLA，一种生物可降解塑料）和明胶（G，一种蛋白质）的活性复合薄膜，通过负载精油（EOs，具有抗菌活性的天然提取物）和银纳米粒子（AgNPs，具有抗菌作用的金属纳米颗粒），并结合低能（L-E）X射线（一种非热加工技术）照射，以延长草莓货架期并保持品质。该研究发表于《Foods》期刊。

研究人员通过熔融共混并热压制备了PLA/G基抗菌薄膜，添加精油（EOs）和/或银纳米粒子（AgNPs），并设计带有活性薄膜窗口的PET翻盖盒包装新鲜草莓（购自加拿大魁北克拉瓦尔当地超市），部分样品再接受0.5 kGy低能X射线照射，在4°C储存27天，系统评估薄膜的理化与抗菌性能及草莓的品质变化。

**主要结果如下：**

**3.1 Biopolymer Packaging Film Properties（生物聚合物包装薄膜性能）**
- **3.1.1 Water Solubility（水溶性）**：通过水溶性测试，所有薄膜水溶性均低（1.15–1.59%），添加EOs后略有增加，但变化极微，适于高水分水果包装。
- **3.1.2 Films’ Appearance and Mechanical Properties（薄膜外观与机械性能）**：视觉观察发现活性薄膜颜色改变（AgNPs使薄膜呈浅棕色，EOs使薄膜呈黄色不透明）。机械测试表明，添加AgNPs、EOs或其组合使拉伸强度（TS）显著降低（从16.70 MPa降至6.65–10.01 MPa），断裂伸长率（Eb）显著增加（从215.4%增至385.8–398.2%），表明材料更具弹性，这归因于EOs的塑化作用。
- **3.1.3 WVP（水蒸气透过率）**：水蒸气透过率（WVP）测试显示，活性薄膜的WVP从1.74增至1.90–1.93 g·mm/m²·day·kPa，有助于防止水汽凝结，但需平衡水果脱水。
- **3.1.4 OTR（氧气透过率）**：氧气透过率（OTR）从219.8增至274.9–298.7 cm³/m²·day，有利于建立平衡气调包装（EMAP），避免草莓厌氧呼吸。
- **3.1.5 Water Contact Angle (WCA)（水接触角）**：水接触角（WCA）测量显示，添加AgNPs使薄膜表面更亲水（WCA降低），而添加EOs则提高疏水性（WCA升至82.45°）。
- **3.1.6 FTIR Analysis（傅里叶变换红外光谱分析）**：FTIR光谱未发现新共价键，表明EOs和AgNPs与PLA/G基体之间仅存在范德华力等物理相互作用。
- **3.1.7 TGA（热重分析）**：TGA分析表明，AgNPs提高了薄膜的热稳定性（最大分解温度T_max从339°C升至348°C），而EOs对此影响不显著。
- **3.1.8 DSC（差示扫描量热分析）**：DSC显示活性薄膜的玻璃化转变温度（T_g）降低（从47.8°C降至40.1–44.3°C），表明分子链运动性增强，且PLA相保持非晶态。
- **3.1.9 Antimicrobial Activity（抗菌活性）**：琼脂扩散试验表明，活性薄膜对根霉（*R. stolonifer*）、黑曲霉（*A. niger*）、大肠杆菌O157:H7（*E. coli* O157:H7）和金黄色葡萄球菌（*S. aureus*）均具有抑制能力，抑制容量（IC）为18.79–54.21%，其中EOs+AgNPs组合效果最佳。

**3.2 Quality Parameters of Strawberries（草莓品质参数）**
- **3.2.1 Visual Appearance and Decay Rate（视觉外观与腐烂率）**：通过定期观察记录，活性薄膜显著延缓了草莓表面霉变和软化。20%腐烂率（货架期主要标准）在商业对照组为第8天，PLA/G-AgNPs组为第9天，PLA/G-EOs及PLA/G-EOs+AgNPs组为第10天；结合X射线照射后，PLA/G/EOs+AgNPs+I组延长至第13天。50%和100%腐烂率也呈现类似趋势，显示联合处理效果最优。
- **3.2.2 Weight Loss（失重）**：所有样品失重低于6%，X射线照射组失重显著更低，归因于呼吸速率降低。
- **3.2.3 Headspace Gas Composition（顶空气体组成）**：通过气体分析仪监测，PLA/G包装系统在6–9天后达到EMAP稳态，O₂维持在13–16%，CO₂为6–9.5%，而PET包装内O₂降至2–5%引发厌氧危险。X射线照射进一步使O₂水平升高、CO₂降低，表明呼吸代谢被抑制。
- **3.2.4 pH（pH值）**：pH值在储存期间保持稳定（3.4–3.57），活性薄膜延缓了pH上升，与有机酸保留有关。
- **3.2.5 Surface Color（表面颜色）**：色差仪测定显示，X射线照射后草莓红色度（a*值）在第6–9天显著增加（从26.64升至27.1–30.30），可能与苯丙氨酸解氨酶（PAL）激活促进花青素合成有关；后期下降但照射组仍高于未照射组。
- **3.2.6 Firmness（硬度）**：质地分析仪穿刺测试表明，活性薄膜与X射线联合处理显著减缓了硬度下降，PLA/G-EOs+AgNPs+I组在储存第6天仍保持0.67 N，而商业对照组降至0.50 N。
- **3.2.7 Total Soluble Solids (TSS)（可溶性固形物）**：TSS先升后降，联合处理组在第18天仍维持约8.00 °Brix，高于对照组，表明糖分代谢被延缓。
- **3.2.8 Biochemical Analyses（生化分析）**：总酚含量（TPC）和花青素含量在照射后显著增加，照射组TPC在第6天达244.2 mg GAE/100 g，花青素在第9天达173.5 mg CGE/L，且储存后期仍保持较高水平。维生素C（总抗坏血酸TAA）含量随时间下降，但活性薄膜组显著高于商业对照组；照射导致初始TAA轻微降低，但储存期间差异不显著。

**讨论与结论**：本研究开发的PLA/G基活性薄膜结合低能X射线照射，通过优化薄膜的气体与水分透过性、发挥EOs与AgNPs的抗菌作用以及X射线抑制呼吸代谢，成功延缓了草莓腐烂、保持硬度、色泽及营养品质，形成有效的EMAP环境。尽管存在未单独研究照射效应、未进行迁移实验及感官评价等局限，但该复合体系为延长草莓货架期提供了可持续的替代方案。研究结论如下：本研究证明了所开发的PLA/G基生物活性薄膜（含有EOs和AgNPs）与低能X射线照射在保持草莓品质和延长货架期方面的有效性。AgNPs的添加增强了薄膜的热稳定性，且未显著影响机械或阻隔性能。含有EOs和/或AgNPs的PLA/G基薄膜对根霉（*R. stolonifer*）具有抗真菌活性，与低能X射线联合使用显著延缓了真菌生长并保持了果实品质。PLA/G基包装维持了最佳内部气体条件（O₂ 13–14%，CO₂ < 10%），有效降低了呼吸速率、延缓了衰老。这些条件改善了硬度、颜色、可溶性固形物和pH的保持。照射样品中总酚和花青素含量增加，可能归因于照射诱导的PAL酶活化。总维生素C含量随时间保持，可能源于代谢降低。这些发现突出了使用含有EOs和AgNPs的PLA基薄膜与低能X射线在延长草莓采后货架期、同时保持其理化和营养品质方面的效果。尽管取得了令人鼓舞的结果，但本研究存在一些局限性，例如未单独研究照射效应、未进行AgNPs和EOs的迁移研究，未来工作应解决这些不足，并在工业储存条件下评估包装系统的长期性能，同时进行正式的感官评价。总之，所开发的PLA基生物活性复合薄膜为传统包装系统提供了一种潜在可持续的替代方案。