蛋清蛋白基薄膜用于保持鲜切大蒜品质的潜力

《Foods》：Potential of Egg White Protein-Based Films for Maintaining the Quality of Fresh-Peeled Garlic

　　

鲜切大蒜瓣是一种非常方便的即烹产品；然而，其高度易腐性要求包装系统能够在保持大蒜品质的同时满足对更可持续材料的需求。本研究评估了鲜切大蒜瓣在冷藏（5 °C）条件下，于微孔气调包装（MAP）系统中的品质演变，该系统由以蛋清蛋白（EWP）基薄膜（未涂层（EWP-U）或蜂蜡涂层（EWP-BW））密封的托盘组成。研究人员将其性能与商业聚乳酸（PLA）和定向聚丙烯（OPP）薄膜进行了比较。EWP基包装生成了约7% O₂和15% CO₂的内部气氛，在此条件下，与气氛更接近空气的其他包装系统相比，鲜切大蒜瓣的真菌腐败延迟、酵母菌和霉菌生长减少、表面变色减轻。然而，EWP-U薄膜包装的大蒜瓣重量损失增加。与EWP薄膜相比，EWP-BW薄膜中应用的疏水涂层改善了水蒸气阻隔性能，从而减少了大蒜瓣观察到的重量损失，但增加了真菌腐败。这些结果表明，优化的包装系统应结合EWP-BW薄膜提供的较低水蒸气透过率与EWP-U包装中实现的内部气体组成。因此，只要通过包装的有效O₂和CO₂透过率得到适当调整以生成更有利的改良气氛，EWP-BW薄膜就有望成为保持鲜切大蒜瓣品质的生物基替代品。

**论文解读：蛋清蛋白基薄膜在鲜切大蒜气调包装中的应用研究**

**研究背景与问题**

大蒜（*Allium sativum*）因其抗氧化、抗炎、抗菌及免疫增强等健康功效而备受关注，其独特风味源于含硫化合物（如大蒜素和蒜氨酸）。鲜切大蒜瓣作为一种即烹产品，在零售和餐饮市场中日益普及，因其节省加工时间、减少废弃物并免去除皮工序。然而，鲜切过程去除了大蒜的保护层，导致其货架期大幅缩短——完整蒜头在低温下可保存9个月以上，而鲜切蒜瓣仅约2-3周。为延长货架期，通常采用气调包装（MAP）结合冷藏的方法，推荐的气体组成一般为低O₂（约3%）和中等CO₂（约15%），以减缓变色、褐变、风味损失及微生物活动。但MAP通常依赖石油基塑料包装，引发全球对塑料污染和环境负担的担忧。近年来，生物基材料（如蛋白质基聚合物）因其优异的成膜性、氧气阻隔性能及功能性添加剂负载能力而受到关注，其中蛋清蛋白（EWP）资源丰富、营养高且加工特性良好。然而，EWP薄膜的亲水性导致其水蒸气阻隔性差、机械脆性及对湿度敏感，限制了其应用。为克服这些局限，研究人员探索了多层膜结构，例如将蜂蜡（BW）作为疏水层涂覆在EWP薄膜上，以结合蛋白质与蜡的互补优势。尽管EWP薄膜的理化性质已有大量研究，但其在真实MAP食品包装中的应用极少，尤其是通过压缩模塑（更接近工业塑料加工工艺）制备的EWP多层薄膜用于MAP的潜力尚未被探索。本研究旨在填补这一空白，评估基于EWP的薄膜（未涂层及蜂蜡涂层）用于鲜切大蒜瓣MAP的可行性。

**研究内容与结论**

本研究由研究人员开展，开发了基于EWP的薄膜，并通过压缩模塑制备，部分薄膜进一步涂覆蜂蜡（EWP-BW）。研究人员将这些薄膜密封于微孔MAP系统中，与商业PLA和OPP薄膜进行对比，在5 °C下冷藏储存28天，系统监测鲜切大蒜瓣的气体成分、重量损失、真菌腐败、颜色、质地、酚类物质、辛辣风味及微生物指标。研究结论表明：EWP基包装（尤其是未涂层EWP-U）能生成约7% O₂和15% CO₂的内部气氛，有效延缓真菌腐败、减少酵母菌和霉菌生长、减轻表面变色，但EWP-U薄膜导致较高的重量损失；蜂蜡涂层（EWP-BW）显著降低了水蒸气透过率，减少重量损失，但增加了真菌腐败。因此，优化包装系统需同时考虑气体组成（低O₂/高CO₂）与水分阻隔性能。研究论文发表在《Foods》，具有重要意义：为鲜切大蒜提供了一种可替代石油基包装的生物基方案，并揭示了多层蛋白质-蜡膜设计的关键平衡点。

**关键技术方法**

研究人员主要采用以下关键技术方法：（1）**压缩模塑法**制备EWP薄膜，将EWP粉末、甘油和水按1:0.5:0.5（w/w）混合，在130 °C、150 bar下热压5分钟，随后20 °C冷却5分钟；（2）**蜂蜡涂覆**：将EWP薄膜浸入70 °C熔融蜂蜡中5秒，获得双面涂层；（3）**微孔气调包装系统**：所有薄膜（除对照外）均用0.6 mm直径针头进行5个微穿孔，基于González-Buesa等模型估算等效穿孔直径；（4）**呼吸速率测定**：采用Arduino-based密闭系统，监测O₂和CO₂分压，并拟合Michaelis-Menten动力学模型；（5）**品质指标分析**：包括重量损失（称重法）、真菌腐败（目视计数）、颜色（CIELAB色空间）、质地（压缩和剪切试验）、总酚含量（Folin-Ciocalteu法）及酚类谱（UHPLC-MS/MS）、微生物计数（PCA和DRBC培养基）。样本来源：鲜切大蒜瓣（cv. ajo morado espa?ol）购自Ajós Torres（西班牙Alpartir），储存于4.7 °C、66.5% RH条件下不超过24小时。

**研究结果**

**3.1 薄膜的阻隔与光学性质**
**3.1.1 氧气和水蒸气渗透性**：EWP-U薄膜的氧气渗透性（OP）强烈依赖于相对湿度（RH），在0% RH时为0.12×10^-18 kg·m·m^-2·s^-1·Pa^-1，在90% RH时升至22.76×10^-18，呈指数增长；EWP-BW薄膜的OP对RH不敏感，保持在2.04-2.53×10^-18之间，与PLA薄膜（2.18-2.78×10^-18）无显著差异，但低于OPP薄膜（11.0-11.93×10^-18）。水蒸气渗透性（WVP）方面，EWP-U从30% RH的0.81×10^-13升至90% RH的8.45×10^-13；EWP-BW的WVP降低约两个数量级（4.0-1.8×10^-15），且对RH不敏感，显著低于PLA（0.81-1.28×10^-14），但高于OPP（≈3×10^-16）。
**3.1.2 光学性质**：EWP-U薄膜在600 nm透过率（T600）为65.8%，呈半透明；EWP-BW薄膜的T600仅6.2%，几乎不透明，而OPP和PLA的T600均>80%。

**3.2 鲜切大蒜瓣的呼吸动力学**
通过Michaelis-Menten模型拟合，得到O₂消耗的最大呼吸速率V_mO2 = 15.846 mL·kg^-1·h^-1，半饱和分压K_mO2 = 0.025 atm；CO₂产生的V_mCO2 = 11.118 mL·kg^-1·h^-1，K_mCO2 = 0.010 atm。呼吸速率主要由O₂可用性决定，CO₂浓度无显著影响。

**3.3 包装内气体成分演变**
EWP-U包装的等效穿孔直径最小（60 μm），导致气体交换受限，O₂浓度下降最多、CO₂积累最多；EWP-BW、PLA和OPP的等效直径分别为125、210和150 μm，气体成分演变较温和；对照（C）保持接近空气的成分。从第21天起，O₂下降和CO₂上升加速，可能与微生物代谢相关。

**3.4 鲜切大蒜在MAP中的品质**
**3.4.1 重量损失**：EWP-U薄膜包装导致最大重量损失（28天后11.55%），因其高WVP；OPP薄膜损失最小（<1.5%）；PLA和EWP-BW居中。EWP-BW的疏水涂层显著降低了重量损失。
**3.4.2 真菌腐败**：EWP-U包装内28天未见真菌腐败，归因于低O₂/高CO₂及低RH；EWP-BW、PLA、OPP包装中真菌腐败随水蒸气阻隔性提高而增加；对照包装腐败最严重，因气体成分接近空气且高RH。
**3.4.3 颜色**：储存期间L*降低、a*和b*增加，表明褐变；EWP-U包装的颜色变化最小（ΔE* = 3.26），接近视觉感知阈值；对照包装颜色变化最大。
**3.4.4 质地**：前14天质地无显著变化；OPP包装保持初始质地最佳，与其低重量损失一致；EWP-U包装虽重量损失大但质地未显著下降，表明低O₂/高CO₂有助于保持质地。
**3.4.5 酚类物质与蒜氨酸（UHPLC-MS/MS）**：总酚含量在28天内无显著变化；EWP-U包装中蒜氨酸峰强度高于其他包装，尤其在21和28天后，表明低O₂/高CO₂减缓了蒜氨酸的酶促转化，有助于保持辛辣风味。
**3.4.6 微生物计数**：EWP-U和EWP-BW包装中酵母菌和霉菌计数在28天内无明显增加，而PLA、OPP和对照包装增加约2 Log CFU·g^-1；好氧嗜温菌和嗜冷菌在EWP基包装中初期增长较慢，但最终计数（5.5-6.1 Log CFU·g^-1）与其他包装无显著差异。
**3.4.7 包装与储存时间对品质的影响大小**：双因素方差分析的部分η²热图显示，包装类型对重量损失影响最大，储存时间对嗜冷菌计数影响最大，且包装×时间交互作用显著。

**讨论与结论**

**总结讨论**：研究结果表明，未涂层EWP薄膜通过生成低O₂/高CO₂气氛有效控制了真菌腐败和颜色劣变，但高WVP导致重量损失成为商业应用的主要障碍。蜂蜡涂层显著改善了水蒸气阻隔性，降低了重量损失，但增加了真菌腐败风险，这可能与涂层后内部RH升高有关。因此，单独改善水分阻隔性不足，还需优化微孔模式以生成适宜的气体组成。EWP-BW薄膜在调整有效O₂和CO₂透过率后，有望成为石油基包装的可行替代品，但需进一步评估生产成本、可扩展性、热封性能及工业兼容性。

**研究结论**（翻译原文结论部分）：本研究中获得的结果表明，使用基于生物基材料的微孔MAP系统保持鲜切大蒜瓣品质是可行的。尽管EWP薄膜的水分阻隔性较低，但包装内建立的O₂降低、CO₂富集的气氛有助于将鲜切大蒜的多个品质相关参数维持在接近空气气氛的商业包装系统所达到的水平。然而，未涂层EWP薄膜包装的大蒜瓣重量损失高于其他材料包装，这是一个商业相关的缺点，并突显了改善这些蛋白质基薄膜水分阻隔性能的必要性。通过在EWP薄膜两侧应用蜂蜡涂层，这一问题得到显著缓解，该涂层降低了水蒸气渗透性，从而限制了产品重量损失。总体而言，结果表明仅改善EWP薄膜的水分阻隔性是不够的；还必须优化微孔模式以生成O₂和CO₂浓度适宜于保持鲜切大蒜瓣品质的改良气氛。因此，只要生成的内部气氛能够延迟真菌腐败、减少酵母菌和霉菌生长并减轻表面变色，适当设计的微孔EWP-BW包装就是储存即烹鲜切大蒜瓣的一种有前景的石油基包装生物基替代品。然而，其工业实施需要进一步研究。特别是，未来研究应评估薄膜生产和蜂蜡涂层的成本与可扩展性、制造和微孔工艺在工业规模上的可重复性、薄膜的热封性能以及薄膜与现有商业包装设备和加工速度的兼容性。这些方面将决定将所提出的包装系统转移至工业应用的技术和经济可行性。