柠檬醛纳米乳的制备及其在柑橘涂膜保鲜中的应用

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柑橘(Citrus sinensis L.Osbeck)果实在采后贮藏过程中不断进行着呼吸和蒸腾作用,导致其品质下降,且果实极易被微生物侵染产生病害,因此损失率较高。我国目前采用的贮藏保鲜处理方式主要为施用化学杀菌剂,但是存在易产生抗药性、具有药物残留风险等缺点。因此,开发安全无毒的天然抗菌剂以减少或代替化学杀菌剂的使用受到了广泛的关注。柠檬醛作为一种天然的植物源挥发性物质,具有杀虫趋避和广谱杀菌作用,但其疏水性强、易挥发、气味浓烈等特点极大地限制了其在食品保鲜中的应用。采用纳米乳对其进行包封,不仅可较好地解决以上问题,而且可增强其抗菌能力,调控其释放速率,因而对于推动其在柑橘果实保鲜中的实际应用具有重要价值。本研究以海藻酸钠(sodium alginate,SA)为壁材和成膜剂,柠檬醛(citral)为芯材,通过高压微射流技术制备水包油(O/W)型柠檬醛纳米乳涂膜液,以砂糖桔和红桔为例,考察了其对柑橘果实的保鲜效果。首先,以纳米乳粒径和多分散系数(polymer dispersity index,PDI)为评价指标,采用单因素试验对玉米油含量、表面活性剂含量和微射流次数进行优化,确定纳米乳的最佳制备工艺;然后,在最佳工艺下制备柠檬醛纳米乳对其进行结构、性能和柠檬醛释放行为的表征;再次,进一步将柠檬醛纳米乳制备成薄膜,对其结构、性能和缓释性等进行表征;最后,将制备的柠檬醛纳米乳分别应用于砂糖桔和红桔,考察其对果实贮藏品质及抗氧化酶活性的影响,探究其对柑橘类果实的贮藏保鲜效果。主要研究结论如下:(1)通过单因素试验确定出柠檬醛纳米乳的最佳制备工艺为:海藻酸钠质量分数为1%,玉米油与柠檬醛的质量比为7:4,表面活性剂与总油相的质量比为2:4,微射流次数为3次。此时,制备的柠檬醛纳米乳粒径为160.72±5.95nm,PDI为0.265±0.008。在此工艺下制备的不同柠檬醛质量浓度的纳米乳溶液(0.1%C-NE、0.3%C-NE、0.5%C-NE)均为弱碱性,纳米乳液滴均为粒径小于200nm的O/W型圆球状,PDI均小于0.3,电位均在-50m V左右,具有良好的分散性和稳定性。(2)制备得到的柠檬醛纳米乳溶液在砂糖桔和红桔表面的接触角均低于纯海藻酸钠溶液,表明其可较好地润湿果皮表面。纳米乳具有良好的自由基清除能力,可抑制指状青霉(Penicillium digitatum)和意大利青霉(Penicillium italicum)的生长,且抗氧化和抗菌能力随纳米乳中柠檬醛含量的增加而增强。纳米乳对不同质量浓度的柠檬醛的包封率均大于90%,且可缓慢持续地释放柠檬醛。纳米乳中的柠檬醛浓度越高,其释放速率越高;纳米乳中的柠檬醛浓度相同时,温度越高,其释放越快。采用零级释放动力学、一级释放动力学、Higuchi和Ritger-Peppas模型分别对不同温度下各纳米乳中柠檬醛的释放曲线进行拟合,结果表明Ritger-Peppas模型对各释放曲线均有较高的拟合度,且柠檬醛主要以非菲克扩散的形式释放。(3)采用柠檬醛质量分数分别为0.1%、0.3%和0.5%的纳米乳(0.1%C-NE、0.3%C-NE、0.5%C-NE)制备纳米乳薄膜,并对其进行表征。扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、差示扫描量热(Differential scanning calorimetry,DSC)和X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等结果表明,过量的海藻酸钠成为了薄膜的基材,纳米乳则以液滴方式均匀分散在膜中将柠檬醛成功包封,且提高了薄膜的结晶度和热稳定性。由于疏水性油相柠檬醛的引入,纳米乳薄膜的水蒸气透过性和吸湿率均低于纯海藻酸钠薄膜。纳米乳薄膜中柠檬醛保留率波动范围为15%~25%,膜中的柠檬醛释放速率同样随温度升高而加快,但在相同温度下,薄膜中的柠檬醛释放速率高于纳米乳溶液。零级释放动力学、一级释放动力学、Higuchi和Ritger-Peppas四种模型中,同样是Ritger-Peppas模型对薄膜中柠檬醛的释放曲线拟合度最高,其释放机制仍以非菲克扩散为主。(4)采用0.1%C-NE、0.3%C-NE、0.5%C-NE纳米乳溶液分别对砂糖桔果实进行短时浸泡处理,并以纯海藻酸钠处理组(SA)、柠檬醛质量分数为0.3%的柠檬醛溶液处理组(0.3%C)和未处理组(BG)作为对照,在14°C下贮藏并定期进行指标测定。结果表明,与SA组和BG组相比,各纳米乳处理组果实具有较低的呼吸强度、失重率和腐烂率。其中,对果实腐烂抑制效果最好的为0.3%C-NE处理,该组果实在14 d贮藏期内果实的腐烂率均为0。同时,纳米乳处理有助于保持果实中的抗坏血酸含量,减少丙二醛的积累,且0.3%C-NE组在贮藏后期相较于其他组保持了更高的过氧化物酶(peroxidase,POD)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性。(5)采用相同浓度的柠檬醛纳米乳溶液对红桔进行处理,在14°C下贮藏并监测其贮藏品质变化。结果表明,纳米乳处理同样可显著抑制红桔的呼吸作用,降低果实失重率,并维持贮藏前期果实硬度。其中,0.3%C-NE组和0.5%C-NE组果实的腐烂率最低且组间无显著性差异(p﹥0.05)。同时,纳米乳处理有助于延缓红桔果实中抗坏血酸含量、可滴定酸含量的下降,维持可溶性固形物含量和总酚含量,从而提高红桔的贮藏品质。与SA组和BG组相比,各处理组在红桔贮藏期间均能减少丙二醛的积累,防止果皮膜脂受损进而延缓果实衰老,且纳米乳处理组效果优于0.3%C组,尤其是0.3%C-NE组表现最佳。纳米乳处理还有助于增强红桔果皮中的POD、SOD和苯丙氨酸解氨酶(phenylalamine ammonia lyase,PAL)活性,提高果实的防御能力。综上而言,本研究采用海藻酸钠对柠檬醛进行包封,制备粒径为纳米级、尺寸均匀、可在水中稳定分散的O/W型纳米乳,其可缓慢稳定地释放出柠檬醛以发挥抗氧化和抗菌效果,对砂糖桔和红桔进行涂膜处理后可较好地降低果实的腐烂率,并保持其贮藏品质。因此,本研究制备的柠檬醛纳米乳具有较好的缓释效果,在柑橘类果实的采后贮藏保鲜中具有较大的应用潜力,同时也为易挥发、不稳定活性物质的实际应用提供了解决策略和应用参考。
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