抗菌食品包装材料是指将天然抗菌剂加入到成膜材料中，并通过抗菌剂在包装内部的缓释来形成长期稳定的抗菌浓度，从而对包封对象产生抗菌或者抑菌效果，达到延长食品保鲜期限的目的[1-2]。我国的可降解抗菌食品包装材料起步相对较晚，但发展迅速[3]。如：曾少甫等[4]将肉桂醛添加到壳聚糖膜中并应用在鲜猪肉冷藏试验中，研究发现肉桂醛的加入增强了抗菌膜在抑制微生物生长和延缓蛋白质腐败方面的性能；刘光发等[5]研究一种含肉桂精油和柠檬草精油抗菌膜对甜樱桃保鲜效果的影响，研究表明添加肉桂精油和柠檬草精油的抗菌膜明显抑制了甜樱桃的腐烂速度。
在可降解抗菌食品包装基底高分子可降解材料中，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）作为一种水溶性的可降解高分子聚合物，其分子上有大量游离的羟基，具有良好的亲水性能和成膜性能，但存在耐水性差、吸湿性大以及容易滋生细菌等问题，因此PVA常需要进行交联或混合等改性。壳聚糖（chitosan，CS）是一种安全无毒、可降解、生物相容性良好、具有广谱抑菌性等特点的天然高分子聚合物，具有良好成膜性，常用于PVA等高分子材料共混改性[6]。目前，天然抗菌剂具有广谱抗菌性、安全及无毒等特点而广受关注，其中，肉桂醛（cinnamaldehyde，CIN）是肉桂精油的主要成分，是一种很好的天然抗菌剂，对食品中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很好的抑制效果[7]。茶多酚（tea polyphenol，TP）是茶叶中多酚类物质的总称，具有较强的抗氧化作用和抑菌效果，其多酚结构能形成稳定的氢键结构，是一种安全高效的天然抑菌剂[8]。目前，可降解抗菌包装膜研究主要集中在天然抗菌剂的使用和筛选方面，然而单一天然抗菌剂存在稳定性较差、抗菌寿命短、易分解等缺点，此外根据食品抗菌栅栏理论，研究多种天然抗菌剂协同抗菌效果以及基底膜载体对抗菌剂负载作用能进一步提高膜的抗菌性能和降低成本[9]。
因此，在天然抗菌剂复配研究基础上[10]，本项目以壳聚糖和聚乙烯醇为基底膜材料，以肉桂醛和茶多酚为抗菌剂，分析抗菌剂的配比对复合膜的机械性能以及抗菌性能的影响，并探索其保鲜鸡胸肉的效果，期望为开发复合型天然抗菌剂薄膜提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
鸡胸肉：福州鲜宰市售；茶多酚（食品级，纯度为98%）：深圳恒生生物科技有限公司；聚乙烯醇（生化试剂，1788）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；肉桂醛（分析纯）：上海展云化工有限公司；吐温-80、冰乙酸、甘油、硼酸等（均为分析纯）、壳聚糖（脱乙酰度80.0～95.0）、营养琼脂（生物试剂）：国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
K9840型自动凯氏定氮仪：济南海能仪器股份有限公司；UV-2700紫外可见分光光度计：日本岛津公司；UUS-439A-1-G2超低温冰箱：新加坡ESCO科技有限公司；XLWPC智能电子拉力试验机：济南赛成电子科技有限公司；DZF-6050真空干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 工艺流程
预处理鸡胸肉→取肉→切片→沥干→复合膜真空包装→3℃冷藏→样品测试1.3.2 试剂制备
1.3.2.1 乳液制备
将30 g PVA溶于蒸馏水中，于80℃恒温加热搅拌溶解，得到质量分数为10%的PVA溶液，备用；称取6 g CS，加入适量质量分数为2%的乙酸溶液，25℃下搅拌至溶解，得到质量分数为3%的CS溶液，备用；向CIN加入吐温-80（CIN体积的15%），再加入适量无水乙醇，在25℃下搅拌混匀，得CIN微乳液，置于密封瓶中待用。称取适量TP溶于水-乙醇混合溶液中，搅拌加热溶解制备TP溶液，备用。
1.3.2.2 复合膜制备
将CS与PVA溶液（体积比6∶4）共混，添加甘油作为增塑剂，60℃加热搅拌至充分混合，然后加入5%的CIN和TP（以PVA干重计），并根据不同质量比（1 ∶1、2∶1、3∶1、4∶1）混合成复合膜共混液，继续加热搅拌0.5 h后静置消泡，取50 mL共混液倒在模具中，在60℃恒温干燥箱干燥9 h成膜，获得复合膜，置入密封袋待用，同时，制备空白对照组。
1.3.3 试验分组
试验组（CIN-TP-CS/PVA组）：鸡胸肉+CIN-TPCS/PVA 复合膜（质量比 1 ∶1、2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1）；对照组（CS/PVA组）：鸡胸肉+CS/PLA复合膜；空白组：鸡胸肉（无包封）。
1.3.4 分析方法
1.3.4.1 膜厚度测定
根据GB/T 6672-2001《塑料薄膜和薄片厚度测定机械测量法》，用薄膜测厚仪测试膜的厚度（添加抗菌剂前后各组复合膜基本保持在30 μm左右厚度，因此不影响对比测试效果）。
1.3.4.2 机械性能测试
根据GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的测定第1部分：总则》，用电子拉力测试机测试抗拉强度和断裂伸长率。
1.3.4.3 pH值测定
根据GB/T 5009.237-2016《食品安全国家标准食品pH值的测定》用酸度计测出滤液pH值。
1.3.4.4 挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值的测定
根据GB/T 5009.228-2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》中的自动凯氏定氮仪法。
1.3.4.5 感官指标
参考GB 2707-2016《食品安全国家标准鲜（冻）畜、禽产品》进行鸡胸肉的感官评分指标设计见表1，各指标的感官评定分值在0～10之间；10分代表最佳品质，0分代表最差品质[11]。
表1 鸡胸肉新鲜度感官评分项目及标准
Table 1 Chicken breast freshness and sensory evaluation criteria project
指标 好（10分～8分） 较好（7.9分～6分） 一般（5.9分～4分） 较差（3.9分～2分） 差（1.9分～0分）外观 淡黄色，表皮和切面有色泽，无变色颜色发白，无光泽，变色 颜色很白，无光泽，变色严重状态 不黏手，富有弹性 微黏手，有弹性 较黏手，略有弹性 很黏手，弹性差 非常黏手，弹性非常差气味 鲜鸡肉清香，无异味 稍有鸡肉清香，无异味 稍有鸡肉清香，略带异味 清香消失，有异味 有很强烈的异味肉汤 透明澄清，有甜味，有香味 稍浑，香味淡 较为浑浊，香味较淡 浑浊，无香味 肉质腐败于汤，有异味颜色略发白，表皮和切面稍有色泽，无变色颜色发白，几乎无光泽，轻微变色
1.3.4.6 抑菌圈抗菌性
参照文献[12]的方法，使用琼脂扩散法研究复合膜对革兰氏阴性菌代表——大肠杆菌（E.coli）的抗菌活性。首先将滤纸裁成直径为6 mm的圆片，放置于紫外光下灭菌若干小时，用移液枪将10 μL成膜液移至备好的滤纸片上干燥成膜，移取100 μL浓度为108CFU/mL的试验菌悬液均匀涂布在琼脂平板上，然后将预制的滤纸片贴于琼脂平板的表面，将该平板倒置后，放置在37℃培养箱中培养24 h，用卡尺测定滤纸片周围的抑菌圈直径（含滤纸片直径），取均值。
图1 CS膜、PVA膜、CS/PVA复合膜、CIN-TP-CS/PVA复合膜的红外光谱图
Fig.1 The FTIR spectra of the CS，PVA，CS/PVA and CIN-TPCS/PVA films
1.4 数据处理
每组试验重复3次，试验数据数据以平均值±标准差表示，绘图采用Origin 9.0软件。
2 结果与分析
2.1 红外光谱分析
CS膜、PVA 膜、CS/PVA 复合膜、CIN-TP-CS/PVA复合膜的红外光谱图见图1。
如图1所示，从CIN-TP-CS/PVA和CS/PVA的谱峰比较可知，CS/PVA复合膜中的3 280.72 cm-1处的NH伸缩振动吸收峰向高波数方向移动至3 300.70 cm-1处，这可能是由于CS的氨基与CIN的醛基之间发生席夫碱反应[13]；同时CIN-TP-CS/PVA复合膜在946.46cm-1处出现了一个新的吸收峰，这是因为PVA和CIN之间形成了C-O-C环醚键[14]；此外，谱峰上的1 561 cm-1左右的羟基峰有所减弱，这可能是PVA和CS中的部分羟基与CIN的醛基发生羟醛缩合反应或者可能是与TP中酚羟基形成强氢键，从而导致PVA和CS中羟基数量减少[12]，上述反应作用会限制CS和PVA分子链的运动，可能对膜的微观结构和物理性能产生影响。
2.2 机械性能分析
研究CIN与TP的配比对CIN-TP-CS/PVA复合膜的机械性能的影响见图2。
图2 不同配比抗菌剂对复合膜抗拉强度和断裂伸长率的影响
Fig.2 Effect of CIN and TP ratio on the tensile strength and elongation at break of the films
如图2所示，无添加抗菌剂的CS/PVA复合膜的抗拉强度为1.985 MPa，随着CIN和TP的添加比增大，CIN-TP-CS/PVA复合膜的抗拉强度增加，平均抗张力增大，当CIN与TP比值为4∶1（质量比）时，达到最大的平均抗拉强度4.902 MPa；而断裂伸长率减小，使得CIN-TP-CS/PVA复合膜的韧性减弱。膜的抗拉强度和断裂伸长率与膜的微观分子结构和分子间作用力有关，因此，这可能是CIN与基底膜材料之间的交联作用使得复合膜内部变成网状结构，限制了膜材料的分子链的运动[15]，从而导致膜的柔性下降、断裂伸长率减小；另一方面，CIN及TP中部分的亲水基与CS中的亲水基作用，增强了膜内部分子间的作用力，增加了基底膜的应力，从而使得膜的抗拉强度增加[16]。
2.3 贮藏期间TVB-N含量变化
研究CIN与TP配比对复合膜在3℃冷藏条件下包封鸡胸肉贮藏期间TVB-N值的变化见图3。
如图3所示，将空白组、CS/PVA膜对照组以及添加不同配比的CIN和TP的CS/PVA膜包封的鸡胸肉置于3℃冷藏条件下贮藏，空白组的TVB-N含量迅速增加，贮藏到第6天TVB-N值为20.05 mg/100 g超过二级鲜度20 mg/100 g成为变质肉[5]，而对照组在第6天TVB-N值为17.98 mg/100 g，还处于二级鲜度内，这可能是由于CS本身具有一定程度抑制鸡胸肉中的微生物生长繁殖的作用；同时可知所有试验组TVB-N曲线都低于空白组和对照组，这与CIN和TP能有效抑制细菌繁殖降低TVB-N的产生有关，试验组第8天才超过二级鲜度，且与空白组和对照组对比，货架期延长了2 d。当CIN∶TP的比值为4∶1（质量比）时TVB-N含量上升最慢，保鲜效果最佳，这可能与CIN和TP两者在复合膜中有不同释放速率有关系[17-18]。
图3 各试验组对鸡胸肉在贮藏期间TVB-N含量的影响
Fig.3 Effect of different groups on TVB-N content of chicken breast during storage
2.4 贮藏期间pH值变化
研究CIN与TP的配比对复合膜在3℃冷藏条件下包封鸡胸肉的pH值变化趋势的影响见图4。
图4 各试验组对鸡胸肉pH值的影响
Fig.4 Effect of different groups on pH content of chicken breast
如图4所示，与空白组、对照组比较可知，贮藏过程所有曲线都是先下降后上升，这种变化是由于以下原因：鸡肉组织刚开始主要是无氧呼吸过程中肌糖原的无氧糖酵解产生乳酸，以及三磷酸腺苷分解产生磷酸，乳酸和磷酸的积累导致pH值降低，此后，由于鸡胸肉中微生物蛋白酶和鸡肉蛋白酶的分泌，促使鸡胸肉中的蛋白质被分解为氨基酸和多肽类，并进一步被分解成氨和胺，导致pH值逐渐升高[19]。图中曲线趋势可知空白组pH值上升较快，第4天pH值为6.41，已属于次鲜肉，第6天pH值为6.89，已成为变质肉（pH值＞6.7），而从曲线可知对照组和4组试验组都对鸡胸肉的腐败有一定的抑制作用，相对空白组，其中对照组都在第7天变质，pH值为6.87，货架期延长了1 d；而试验组中最优的是4∶1（质量比）组，其第7天pH值为6.51，仍属于次鲜肉，第8天才变质，此时pH值为6.81，货架期延长了2 d。
2.5 感官品质分析
研究CIN与TP配比对复合膜在3℃冷藏条件下包封鸡胸肉贮藏期间感官品质变化见图5。
图5 不同试验组对及鸡胸肉的感官评分
Fig.5 Sensory score of different groups of chicken breast
研究CIN与TP的配比对复合膜在3℃冷藏条件下包封鸡胸肉的感官评分，如图5所示，随着贮藏时间增加，4组试验组的感官评分值都明显高于对照组和空白组，且空白组的整体感官指标变化最快，在第6天时鸡胸肉的已经无光泽、变色、汤汁已有明显异味，而4组试验组整体感官指标变化最慢在0～6 d期间感官曲线整体趋势比较平稳，其中4∶1（质量比）试验组曲线变化相对其他试验组最平稳，这可能与不同配比抗菌剂的缓释速率和机制差异有关[20]，4∶1（质量比）试验组在第6天时表皮还有色泽，较为明亮，汤汁还有一定香味，可见添加CIN和TP的复合膜能较好地保持鸡胸肉的品质，这是由于CIN和TP对微生物生长和脂质氧化能起到较好抑制作用，从而延缓鸡胸肉的腐败。
2.6 复合膜抗菌性分析
图6为CIN-TP-CS/PVA[4∶1（质量比）试验组为例]、CIN-CS/PVA、TP-CS/PVA以及CS/PVA复合膜对大肠杆菌的抑菌效果图。
从图6可知CIN-TP-CS/PVA复合膜比CIN-CS/PVA、TP-CS/PVA以及CS/PVA复合膜的抑菌圈更明显，其抑菌圈直径均值分别为9.27 mm和8.91、7.85、7.04 mm，此外，无膜液空白滤纸测试无抑菌圈，说明复配CIN和TP的CS/PVA复合膜中的抑菌剂扩散到试验菌悬液中抗菌效能更好，这可能与抗菌剂对大肠杆菌的有效抗菌浓度的持续性以及CIN与TP的抗菌机理不同有关[21]，另外基底膜对抗菌剂的相互作用也会影响膜中游离态抗菌剂的含量及其扩散浓度[12]。
图6 CS/PVA、TP-CS/PVA复合膜和CIN-CS/PVA、CIN-TP-CS/PVA复合膜对大肠杆菌的抗菌作用
Fig.6 Inhibitory activety of CS/PVA，TP-CS/PVA，CIN-CS/PVA and CIN-TP-CS/PVA composite film against E.coli
3 结论
本文以壳聚糖和聚乙烯醇为膜基底材料，研究肉桂醛和茶多酚的添加配比对复合膜的机械性能以及抗菌和保鲜性能等的影响。结果表明：添加肉桂醛和茶多酚的复合膜在一定程度上导致膜的断裂伸长率降低、韧性减弱，但同时也使得膜的抗拉强度提高，抗变形能力增大，且在3℃贮藏条件下，相对其他对照组，肉桂醛与茶多酚添加质量比为4∶1时的复合膜保存鸡胸肉的TVB-N值和pH值最低，贮藏期间的色泽和风味最好，说明了复合抗菌剂能较好地抑制鸡胸肉的腐败，相对无包裹复合膜的鸡胸肉货架期延长了2d。
[1]Vermeiren L，Devlieghere F，van Beest M，et al.Developments in the active packaging of foods[J].Trends in Food Science&Technology，1999，10(3)：77-86
[2] Tariq S，Wani S，Rasool W，et al.A comprehensive review of the antibacterial，antifungal and antiviral potential of essential oils and their chemical constituents against drug-resistant microbial pathogens[J].Microbial Pathogenesis，2019，134：103580
[3] 高红芳.植物精油抗菌包装膜研究进展[J].食品研究与开发，2020，41(9)：200-206
[4] 曾少甫，胡长鹰，匡衡峰，等.肉桂醛在壳聚糖复合活性包装膜中的释放及在鲜猪肉冷藏中的应用[J].食品科学，2018，39(9)：182-189
[5] 刘光发，司汶，高文华，等.肉桂/柠檬草精油抗菌膜对甜樱桃的保鲜效果[J].包装工程，2018，39(7)：65-71
[6] 张立挺，蒋子文，高磊，等.壳聚糖明胶可食用复合膜的制备与抗菌性能研究[J].食品研究与开发，2020，41(6)：106-111，180
[7] QinY，Yan J，Lu H，et al.Effect of chitosan film incorporated with tea polyphenol on quality and shelf life of pork meat patties[J].International Journal of Biological Macromolecules，2013，61(10)：312-316
[8]Naveena B M，Muthukumar M，Sen A R，et al.Use of cinnamaldehyde as a potential antioxidant in ground spent hen meat[J].Journal of Food Processing and Preservation，2014，38(4)：1911-1917
[9] Appendini P，Hotchkiss J H.Review of antimicrobial food packaging[J].Innovative Food Science&Emerging Technologies，2002，3(2)：113-126
[10]欧阳锐，王志辉，李立鹏，等.生物保鲜液结合真空包装对鲭鱼保鲜的影响[J].食品与机械，2019，35(11)：141-144，170
[11]范碧琴，刘少伟，周士琪，等.不同冻藏条件对鸡胸肉品质特性的影响[J].食品工业科技，2018，39(15)：291-297
[12]高红芳.基于肉桂醛/聚乙烯醇抗菌包装膜体系构建及缓释调控研究[D].西安.陕西科技大学，2018
[13]金晓晓，王江涛，白洁.壳聚糖与肉桂醛的缩合反应制备席夫碱及其抑菌活性研究[J].高校化学工程学报，2010，24(4)：645-650[14]刘文龙，晏宸然，危梦，等.抗菌剂对食品可降解包装材料聚乳酸膜抗菌性的影响[J/OL].现代食品科技：1-6[2020-04-09].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1620.TS.20200116.1014.004.html
[15]张蓉，王淑瑶，王毅豪，等.聚乳酸-壳聚糖-茶多酚复合膜的制备及其性能[J].工程塑料应用，2017，45(6)：46-51
[16]Atarés L，Bonilla J，Chiralt A.Characterization of sodium caseinatebased edible films incorporated with cinnamon or ginger essential oils[J].Journal of Food Engineering，2010，100(4)：678-687
[17]Doyle A A，Stephens J C.A review of cinnamaldehyde and its derivatives as antibacterial agents[J].Fitoterapia，2019，139：104405
[18]陈晨伟，段恒，贺璇璇，等.茶多酚改性对聚乙烯醇膜吸湿特性及抗氧化活性的影响[J].食品科学，2016，37(1)：40-44
[19]施源德，蔡碧云，欧阳锐，等.茶多酚流化冰对鲭鱼品质的影响[J].食品工业，2018，39(9)：53-57
[20]Tonyali B，McDaniel A，Amamcharla J，et al.Release kinetics of cinnamaldehyde，eugenol，and thymol from sustainable and biodegradable active packaging films[J].Food Packaging and Shelf Life，2020，24：100484
[21]蒋硕.改性抗菌聚乙烯醇薄膜的性能及其对冷藏鳊鱼和鲜切山药贮藏期间品质影响的研究[D].上海：上海海洋大学，2015