Effect of 1-MCP Controlled Release Packaging Paper on Storage Quality of Apricot Fruit
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摘要: 本文以1-甲基环丙烯（1-Methylcyclopropene, 1-MCP）为保鲜剂，将其与不同比例的乙基纤维素（Ethyl cellulose ether，EC）和聚丙烯酸（Polyacrylic acid，PAA）混合匀浆后涂布至纸基上制成1-MCP可控缓释包装纸，研究其释放机制，并利用制作的1-MCP可控缓释包装纸处理在2 ℃下贮藏的赛买提杏，研究1-MCP可控缓释包装纸对杏果实贮藏过程中呼吸强度、硬度、可滴定酸、可溶性固形物、果皮颜色、商品率的影响，以期得到一种能有效延长杏果实贮藏期的保鲜纸。结果表明，在95% RH，2 ℃和80%聚丙烯酸的条件下，1-MCP粉末的颗粒塌陷使气体缓慢释放，释放机制参数为0.49，释放速率随着PAA含量的升高而增大。1-MCP可控缓释包装纸能抑制杏果实呼吸强度高峰的到来，延缓硬度、可滴定酸和可溶性固形物含量的降低，并保持果皮颜色。说明1-MCP可控缓释包装纸能有效保持在低温环境下贮藏的杏果实品质，并为1-MCP可控缓释包装纸运用到其它果蔬的贮藏中提供一定的参考。Abstract: In this paper, 1-methylcyclopropene (1-MCP) controlled release packaging paper was prepared by mixing 1-methylcyclopropene with different proportions of ethyl cellulose ether (EC) and polyacrylic acid (PAA) and then coating it on the paper base. The release mechanism was studied. Saimaiti apricot fruits stored at 2 ℃ were treated with 1-MCP controlled release packaging paper. The effects of 1-MCP controllable slow-release packaging paper on respiratory intensity, hardness, titratable acid, soluble solids, peel color and commodity rate of apricot fruit during storage were studied in order to obtain a kind of fresh-keeping paper which could effectively prolong the storage period of apricot fruit. The results showed that under the conditions of 95% RH, 2 ℃ and 80% polyacrylic acid (PAA), the particle collapse of 1-MCP powder made the gas release slowly, and the release mechanism parameter was 0.49, and the release rate increased with PAA content. Controlled release 1-MCP-coated paper could inhibit the arrival of the peak of respiration intensity of apricot fruit, delay the decrease of hardness, titratable acid and soluble solid content, and maintain the color of peel. The results showed that controlled release 1-MCP-coated paper could effectively maintain the quality of apricot fruits stored in low temperature environment, and would provide some reference for the application of controlled release 1-MCP-coated paper to the storage of other fruits and vegetables.
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Keywords:
- active coated /
- 1-methylcyclopropene /
- release coated paper /
- quality /
- storage
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杏（Prunus armeniaca L.）是一种典型的呼吸跃变型水果，采收后能很快达到呼吸高峰，并迅速软化，从而限制了杏果实的采后贮藏期[1-2]。如今，使用乙烯抑制剂来延缓果实的成熟是现在的普遍做法，1-甲基环丙烯（1-Methylcyclopropene，1-MCP）作为一种乙烯受体的抑制剂，具有延缓果实成熟和采后软化、减少冷害、提高抗病性等多种功能[3-5]。研究发现，用1.0 μL·L−1 1-MCP熏蒸处理杏果实并冷藏可抑制杏果实的呼吸速率，延缓呼吸强度峰值的到来，延缓杏果实的软化过程并保持杏果实可接受的硬度，有效延长杏果实的采后贮藏期[6-7]。
目前，1-MCP主要是通过熏蒸的方式来处理果蔬，而将1-MCP与包装材料相结合的简便易行的活性包装方法也正在研究中，含1-MCP的水果保鲜活性包装的开发也获得了越来越多的关注[8]。1-MCP粉末可以嵌入包装材料中，从而提高1-MCP对氧气、温度和水分的稳定性[9]。Vicente等[10]开发了一种含有1-MCP的大豆蛋白可降解生物膜，发现这种生物膜延迟了番茄的软化和果胶的增溶作用，减少了腐烂率和番茄红素的积累，这使得其可以作为一种合适的番茄采后包装方法。Ariyanto等[8]使用紫胶作为涂料生产了一种1-MCP涂层纸，研究发现，在4 ℃时，将苹果存储在放入1-MCP涂层纸后的带孔膨胀聚苯乙烯（EPS）盒中会抑制乙烯的产生并延长苹果的保质期。
将1-MCP做成缓释包装材料，并通过果蔬自身呼吸作用产生的湿度使1-MCP从包装材料中缓慢释放出来的方法，是一种经济又方便的做法。可控缓释包装纸中1-MCP的动态释放主要受湿度的影响，湿度通过吸湿机制影响1-MCP的释放速率常数[8,10]。但是，关于包装纸中1-MCP释放规律、释放速率的研究及其对果蔬等农产品质量影响的研究非常有限[11]。因此，通过简易的方法制造一种能结合各种水果在贮藏期间不同要求来调控缓释速率的1-MCP可控缓释包装纸，能有望改善水果的常规包装方式，并在水果贮藏的经济和时间方面做出贡献。
本项工作将1-MCP粉末和不同比例的聚丙烯酸（Polyacrylic acid，PAA）、乙基纤维素（Ethyl cellulose ether，EC）混合匀浆后涂布制成1-MCP涂布纸，通过观察1-MCP在纸基上的持续释放行为和释放过程来选取一种合适比例制成1-MCP可控缓释包装纸应用于赛买提杏果实的冷藏，并分析1-MCP可控缓释包装纸对杏果实在低温贮藏期间品质的影响。探讨1-MCP可控缓释包装纸应用于杏果实采后贮运的可行性，同时为1-MCP可控缓释包装纸应用于其他呼吸跃变型果实提供一定依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
赛买提杏 于6月20日在新疆伊宁市当地的果园采摘，采摘时挑选没有受到损伤且大小形状相似的杏果实，以确保杏果实的形状，颜色和大小的一致性，杏果实在采摘后于24 h内运输至实验室，并在冷藏室（5 ℃，95% RH）中预冷24 h后开始进行后续处理；1-MCP 为有效成分0.14%的1-MCP/α-环糊精复合物，美国AgroFresh公司；乙基纤维素 化学纯，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、异丙醇 分析纯，天津市鑫铂特化工有限公司；过硫酸铵、丙烯酸 分析纯，天津市福晨化学试剂厂；氢氧化钠 分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。
FEI Quanta 250扫描电子显微镜 美国俄勒冈州希尔斯伯勒FEI公司；SP-3240A气相色谱仪 北京北分瑞利分析仪器（集团）有限公司；ASU-2超声波清洁机 日本ASONE株式会社；KFC-20型全自动微量水分测定仪 山东淄博艾吉电气有限公司；三恩驰SC-10色差仪 深圳市三恩驰科技有限公司；GY-4硬度计 中国乐清市艾德堡仪器有限公司；折光仪 日本爱宕光学工厂有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 1-MCP可控缓释包装纸的制作
前期实验表明，直接使用乙基纤维素成膜时，1-MCP乙基纤维素膜干燥时间较长，会导致有效成分1-MCP损失较大，而直接使用聚丙烯酸制成的缓释膜极脆易碎，导致缓释膜不易保存，所以考虑将其涂布在纸上制成1-MCP可控缓释包装纸。
分别将0.5 g的1-MCP/α-环糊精复合物添加到1.6 g不同比例的乙基纤维素和聚丙烯酸中（20%、40%、60%、80%，以PAA含量计算），溶于40 mL的99%乙醇（V/V），然后使用超声波清洁机溶解并分散以制成1-MCP浆液。
使用常规辊将1-MCP浆液均匀涂布到200 cm2含90%以上纤维素的牛皮纸上，使每张2 cm×5 cm牛皮纸中包含0.025 g 1-MCP粉末。然后将1-MCP涂布纸放入干燥箱中，在50 ℃下干燥75 min以蒸发掉溶剂，从而制得1-MCP可控缓释包装纸。真空包装1-MCP可控缓释包装纸，并将其存放在干燥器中直至使用。
1.2.2 1-MCP可控缓释包装纸形态的观察
通过扫描电子显微镜分别观察刚干燥完成时（0 h）和在相对湿度为95%的密闭空间内放置24 h后的1-MCP可控缓释包装纸中1-MCP粉末形态。喷涂金后，将1-MCP可控缓释包装纸的样品放置在样品架上，调节样品高度（样品不应高于样品架的上边缘），然后将其固定，抽真空后开始拍摄。通过扫描电镜图进行对比，观察1-MCP粉末前后的形态变化。
1.2.3 1-MCP在纸基上的释放行为
1-MCP响应湿度变化的释放实验方法参考Ariyanto等[8]和Rodríguez-Pérez等[12]的方法并进行改进。处理组：分别将包含约0.025 g 1-MCP粉末不同PAA含量（20%、40%、60%、80%）的1-MCP可控缓释包装纸（2 cm×5 cm）放在密封容器中的样品架上。对照组：将0.025 g 1-MCP粉末加入到含有10 mL蒸馏水的培养皿中，将培养皿放在密封容器中的样品架上作为熏蒸处理。密闭容器底部放置饱和硝酸钾溶液使密闭容器空间中产生所需的95% RH，并使用KFC-20型全自动微量水分测定仪测量相对湿度。将所有密闭容器置于2 ℃的温度下存储。
1-MCP使用顶空气相色谱检测法检测：每隔6 h用气密注射器通过密闭容器顶部的橡胶隔垫将容器中部的气体抽出，然后将其快速注入到配备有火焰电离检测器（FID）和KB-TVOC毛细管柱（100%二甲基聚硅氧烷（PDMS），30 m×320 μm，1 μm）的气相色谱仪中，测定1-MCP含量。进样器、检测器及柱温分别为130、150和100 ℃，载气流速为25 mL/min，氢气流速为20 mL/min，空气流速为300 mL/min，进样量为0.2 mL。
1-MCP从纸基上释放的释放动力学行为可通过数学模型Avrami方程进行模拟[8,13-14]：
R=MtM∞=1−exp[−(kt)n] (1) 式中：Mt和M∞是在时间t（s）和无限时间处转移的物质的总量，g；R是释放率，%；为了缩短实验时间，将蒸馏水中释放的1-MCP粉末的量用作实验中转移的物质总量。k是1-MCP释放速率常数[s−1]；t是释放时间[s]；n是释放机制的参数[−]。k越大，1-MCP的释放过程越快[15-16]。
1.2.4 1-MCP可控缓释包装纸处理杏果实
将杏果实随机分组并放入密封袋中，每袋杏果实重1 kg。基于前人对1-MCP处理杏果实的研究[6,17]，在装有杏果实的密封袋中放入1-MCP可控缓释包装纸（2 cm×5 cm，1.0 μL·L−1 l-MCP）作为处理组；对照组则在含有杏果实的密封袋中放入同样规格的牛皮纸。将各组在2 ℃和95%的相对湿度的环境中密封放置4 d后，在密封袋两侧各打一个直径为1 mm的小孔并继续贮藏过程。
贮藏期间每7 d取样一次，分析1-MCP可控缓释包装纸对储存期间杏果实理化性质的影响。
1.2.5 杏果实呼吸速率和理化指标的测定
1.2.5.1 杏果实呼吸速率的测定
根据程曦等[18]的研究，使用“静置”方法，根据CO2吸收的基础，将杏果实在贮藏期间的呼吸速率变化确定为CO2 mg·kg−1·h−1。
1.2.5.2 杏果实理化指标的测定
果实硬度的测定：参照张梦媛等[19]的方法，沿每个果实赤道线取3个隔着相同距离的点，用装有标准硬度计探针（SS，直径5 mm）的硬度计测量每个杏果实3个点的硬度，取平均值。
可溶性固形物含量的测定：参考张鹏等[20]的方法并做修改，将杏果实打浆后取匀浆用4层纱布过滤，取滤液0.2 mL使用折光仪直接测量可溶性固体SSC，结果表示为°Brix。
可滴定酸含量的测定：参考曹建康等[21]的方法，用0.1 mol/L NaOH滴定分析可滴定酸度（TA）。
每个处理中使用10个水果，重复3遍。
1.2.6 杏果实色泽的测定
用比色计测量杏果实表面的颜色。每组随机取10个杏果实沿赤道以120°的间隔选择3个点进行测量，重复3次。水果的颜色由L*（亮度）、a*（a*值表示红绿色度，a*值为正代表红色，a*值越大表示颜色越红）和b*（b*值表示黄蓝色度，b*值为正代表黄色，b*值越大表示颜色越黄）评估。
1.2.7 杏果实商品率的测定
杏果实中具有商业价值的杏果实数量定义为杏果实的商品率，具有商业价值的杏果实标准：腐烂率<10%[腐烂率（%）=（腐烂个数/总个数）×100]，褐变面积<20%（褐变面积按果皮已经褐变的面积占果皮面积的百分比计算），并具有独特的杏果实味（成立10人的品评小组，评价两种处理杏果实香气和味感特征）。
1.3 数据处理
所有实验均进行三次重复实验，数据表示为平均值和标准差。使用Tukey的HSD（显着差异）检验对数据进行分析，采用SPSS ver. 18.0软件进行统计分析（SPSS Inc., Chicago, Il, USA）。
2. 结果与分析
2.1 1-MCP可控缓释包装纸的微观形态
图1显示了在95% RH湿度下不同时间时1-MCP可控缓释包装纸的结构和形态。图1(a)显示了1-MCP粉末的颗粒在开始时仍保持完整的形态，但是在24 h后，1-MCP粉末在95% RH时变成聚集颗粒图1(b)。这种聚集塌陷现象表明，水分渗透到1-MCP粉末中并改变其结构。
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图 1 涂有1-MCP的纸张在不同时间的形态注：(a)：0 h（1000×）；(b)：24 h（1000×）。Figure 1. Morphology of paper coated with 1-MCP at different time聚丙烯酸通常用作吸水剂，其通过吸收水分而引起环糊精表面的破裂，从而引起1-MCP的释放[22-23]。Ariyanto等[8]的研究也有着类似的发现，水分子影响1-MCP涂布纸基紫胶溶液的变化结构，水分的吸收改变并破裂了环糊精的表面，并且1-甲基环丙烯包合物粉末（1-methylcyclopropene inclusion complex，1-MCP IC）的颗粒在80% RH下变成聚集颗粒。说明PAA作为一种吸水剂，它吸收环境中的水分会导致α环糊精表面破裂，从而改变1-MCP可控缓释包装纸中封装的1-MCP粉末的形态结构，从而触发1-MCP的释放。而不同PAA和EC比例的涂层可以控制水分的吸附和渗透，因此可以利用不同PAA比例控制1-MCP的释放速率，从而制造出符合需要的1-MCP可控缓释包装纸。
2.2 1-MCP可控缓释包装纸的释放特性
图2显示了1-MCP从涂布纸中的释放特性，在95% RH和2 ℃的冷库条件下。1-MCP粉末在遇到水后会迅速释放出来，而涂布纸中1-MCP会随着时间的推移而逐步释放出来，最终80%含量及丙烯酸的涂布纸在95% RH下36 h会达到释放终点（6 h内浓度变化不超过5%），其释放总量为粉末释放总量的83%，这可能是由于生产涂布纸时涂布和分散等操作过程中造成的损失以及测试过程中的损耗。
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图 2 1-MCP熏蒸和不同PAA含量可控缓释包装纸中1-MCP的累计释放率Figure 2. 1-MCP cumulative release rate of 1-MCP fumigation and different PAA content controlled release paper在RH 95%和2 ℃下1-MCP的释放参数机制n约为0.49，通过绘制从Avrami方程中获得的lg k与PAA含量的关系，图3拟合了在不同PAA含量条件下1-MCP气体从缓释纸中释放的速率常数。lgk=0.017x−4.24（ RAdj2=0.90）。较高的PAA浓度将增加牛皮纸的1-MCP气体释放速率[23-24]。Soottitan-tawat等[15]获得了类似的结果，其发现水分活度对胶囊风味剂的释放速率有影响，随着颗粒表面水分含量的增加，风味物质从基质中的释放速率也随之增加。1-MCP缓释纸纸基溶液的释放行为响应吸水分子聚丙烯酸的逐渐变化，从而可以开发出可控制的水果缓释功能包装。
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图 3 不同PAA含量可控缓释包装纸中1-MCP的释放速率常数Figure 3. Release rate constants of 1-MCP controlled-release packaging paper with different PAA contents2.3 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实呼吸强度的影响
杏果实是一种呼吸跃变型果实，呼吸强度是反映该果实食用品质和贮藏特性的关键指标[25]。如图4所示，对照组（CK）和1-MCP可控缓释包装纸处理组的杏果实均出现了呼吸跃变，但是开始时间和呼吸高峰不同。对照组的杏子呼吸高峰出现在第14 d，而1-MCP可控缓释包装纸处理组的杏子呼吸峰出现在第21 d，该峰比对照组的峰值低31.4%（在第14 d）。说明处理组既可以抑制杏果实呼吸代谢速率，又可以推迟呼吸高峰的到来。王瑞庆等[26]的研究表明，1-MCP熏蒸处理可以延迟赛买提杏果实贮藏期间呼吸速率，推迟呼吸高峰的出现。1-MCP可控缓释包装纸处理也可以释放出1-MCP，延缓杏果实的衰老。
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2.4 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实硬度、可溶性固形物和可滴定酸含量的影响
硬度是评价果实品质的重要基础指标，可作为衡量杏果实贮运特性的重要参数[27]。图5(a)显示，在冷藏期间，杏的硬度显示出逐渐降低的趋势。对照杏的硬度从存储开始时的12.86 N降低到第35 d的4.2 N，用1-MCP可控缓释包装纸处理的杏果实的硬度为7.2 N，比对照提高了71.43%。结果表明在2 ℃下处理35 d后，1-MCP可控缓释包装纸处理能显著抑制水果硬度的降低（P<0.05）。范新光等[6]和吴斌等[28]在1-MCP对杏紧实度的研究中有着相类似的结果，因为1-MCP处理抑制了杏果实的乙烯生成并延迟了软化过程。
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图 5 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实贮藏期间硬度（a）、SSC（b）和可滴定酸（c）含量的影响Figure 5. Effect of 1-MCP controlled-release packaging paper on the hardness（a）, SSC（b） and titratable acid（c） content of apricot fruit during storage图5(b)显示了在各种处理下的杏果实储存过程中可溶性固体的变化模式是相似的。SSC在预存储期间逐渐增加，然后在达到最大值后逐渐减少。1-MCP可控缓释包装纸处理的杏果实在贮藏时可溶性固形物变化范围小于对照组，贮藏期末可溶性固形物的含量为12.5%。在第14 d，1-MCP可控缓释包装纸处理组与对照组的果实之间可溶性固形物含量的差异达到了显著水平（P<0.05）。贮藏结束时，1-MCP保鲜纸组与对照组的果实可溶性固形物无显著性差异（P˃0.05）。说明1-MCP可控缓释包装纸处理能有效地延迟了SSC的降低。
可滴定酸含量直接影响果实的酸度和口感，其主要来源于果实中的有机酸，一般果实发育完成后有机酸含量最高，随着成熟与衰老其含量呈下降趋势，主要原因是由于有机酸的分解大于合成，作为基质参与呼吸和糖异生作用等[29]。如图5(c)所示，在整个贮藏期间，杏的TA显示出总体下降的趋势。1-MCP可控缓释包装纸处理组中TA的降低率低于对照组，表明1-MCP可控缓释包装纸处理组中TA的降低被从纸基中释放出来的1-MCP有效抑制，这与Serradilla等[30]用1-MCP熏蒸甜樱桃和Melnyk等[31]熏蒸苹果的结果类似。
2.5 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实颜色的影响
果皮色泽的变化是反映果实的成熟度及新鲜度，也是消费者在购买时衡量的重要指标。而果蔬在采后贮藏中，往往由于呼吸作用，外观表皮颜色会出现失绿发黄、果皮颜色暗淡等现象[7]。L*值反映为杏的果皮光泽度。杏L*值的变化示于图6(a)。冷藏到第7 d时，对照组杏果实的L*值显著增加（P<0.05），1-MCP可控缓释包装纸处理的杏无明显变化。7 d后，对照杏的L*值明显下降，而1-MCP处理杏的L*值变化相对较小。在储存结束时（35 d），经1-MCP可控缓释包装纸处理后，杏的L*显著高于对照（P<0.05）。这表明1-MCP可控缓释包装纸处理可以保持杏皮的亮度。
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图 6 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实表面色度L*值（a）、a*值（b）和b*值（c）的影响Figure 6. Effect of 1-MCP controlled-release packaging paper on the L* value (a), a* value (b) and b* value (c) of the surface color of apricot fruita*值可表示果实成熟衰老过程颜色由绿到红的变化。b*值表示从蓝到黄的变化。图6(b)~6(c)可见，随着果实贮藏时间的延长，对照杏的a*和b*值显著增加（P<0.05），表明果实颜色经历了从绿色到红色的过程。1-MCP可控缓释包装纸处理延迟了a*和b*值的上升速度（P<0.05），表明其对水果颜色的保存（绿色）具有显着影响。
2.6 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实商品率的影响
商品率是储存和保存的最终含义。图7显示，杏果实储存35 d后，对照组的商品率是45.7%，而1-MCP可控缓释包装纸处理的商品率大于92%。表明1-MCP可控缓释纸处理可以有效地保持杏在冷藏期间的商业价值。
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图 7 1-MCP涂布纸处理对冷藏期间杏的商品率的影响Figure 7. Effect of 1-MCP coated paper treatment on rate of apricot during cold storage3. 结论
1-MCP可控缓释包装纸在95%RH和2 ℃的冷藏条件下，缓释纸上1-MCP粉末的结构会逐渐崩溃形成聚集颗粒，同时缓慢释放1-MCP气体。通过研究不同PAA含量制作的1-MCP可控缓释包装纸中1-MCP的释放过程发现，在PAA含量为80%的情况下，1-MCP气体从纸基中释放的释放机制参数为0.49；其释放速率随着PAA含量的升高而增大，其原因可能是由于聚丙烯酸的吸水性能比乙基纤维素更好。研究发现，1-MCP可控缓释包装纸在杏果实的低温贮藏过程中有效释放了1-MCP气体，并能显著抑制杏果实的呼吸代谢速率，延缓杏果实硬度以及TSS和TA的降低，有效缓减杏果实果皮颜色（L*、a*、b*）的变化，并保持商品率，提高杏果实的贮藏品质，综上所述，1-MCP可控缓释包装纸可以替代1-MCP熏蒸来提升杏果实的贮藏品质。且可以依据1-MCP可控缓释包装纸中聚丙烯酸含量变化对1-MCP释放速率的影响，根据果蔬的具体情况将1-MCP可控缓释包装纸的释放速率进行相应调整，从而有望成为一种更加简便快捷的方法应用到更多呼吸跃变型果蔬的贮运中。1-MCP处理浓度的选择基于前人使用1-MCP熏蒸杏时采用的参数[6,17]，为了获得最佳和/或最经济的商业保存效果，应进一步研究1-MCP处理不同果蔬时的时间和浓度。
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图 1 涂有1-MCP的纸张在不同时间的形态
注：(a)：0 h（1000×）；(b)：24 h（1000×）。
Figure 1. Morphology of paper coated with 1-MCP at different time
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图 2 1-MCP熏蒸和不同PAA含量可控缓释包装纸中1-MCP的累计释放率
Figure 2. 1-MCP cumulative release rate of 1-MCP fumigation and different PAA content controlled release paper
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图 3 不同PAA含量可控缓释包装纸中1-MCP的释放速率常数
Figure 3. Release rate constants of 1-MCP controlled-release packaging paper with different PAA contents
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图 5 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实贮藏期间硬度（a）、SSC（b）和可滴定酸（c）含量的影响
Figure 5. Effect of 1-MCP controlled-release packaging paper on the hardness（a）, SSC（b） and titratable acid（c） content of apricot fruit during storage
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图 6 1-MCP可控缓释包装纸对杏果实表面色度L*值（a）、a*值（b）和b*值（c）的影响
Figure 6. Effect of 1-MCP controlled-release packaging paper on the L* value (a), a* value (b) and b* value (c) of the surface color of apricot fruit
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