食品用CO2敏感型指示卡研究

胡云峰 陳君然 賀業(yè)鑫 胡晗艷 崔瀚元

（天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全省部共建教育部重點實驗室1，天津 300457）（天津市食品加工工程中心2，天津 300457）

食品用CO2敏感型指示卡研究

胡云峰1，2陳君然1賀業(yè)鑫1胡晗艷1崔瀚元2

（天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全省部共建教育部重點實驗室1，天津 300457）（天津市食品加工工程中心2，天津 300457）

本研究以食品包裝中二氧化碳含量作為監(jiān)控指標(biāo)，以二氧化碳敏感型指示劑甲基紅和溴百里酚藍與成膜材料甲基纖維素、甘油，混合制得氣敏性凝膠，并以棉質(zhì)纖維紙為基材制備指示卡。結(jié)果表明：在甲基紅與溴百里酚藍質(zhì)量之比為3∶2，質(zhì)量濃度為5%的指示溶液中添加適量的甲基纖維素、甘油后，以一定的溶液量涂布于棉質(zhì)纖維紙上可制得準(zhǔn)確顯示二氧化碳含量的指示卡；采用響應(yīng)面分析法得到甲基纖維素添加量、甘油添加量和溶液量的最佳參數(shù)為：甲基纖維素1.72 g／100 g；甘油4.27 g／100 g；溶液量11.39 mL。將最佳組合進行驗證，測得色差的平均值為1.93，與預(yù)測值1.84十分接近。并通過實際應(yīng)用驗證發(fā)現(xiàn)該指示卡與13個二氧化碳濃度具有顯著顏色變化點，各點具有明顯的顏色界限，通過肉眼即可觀察分辨，具有較高的實用性。

食品 二氧化碳 指示卡 紙質(zhì)

智能包裝是指在普通包裝基礎(chǔ)上增加智能技術(shù)，使其對產(chǎn)品周邊及內(nèi)部環(huán)境因素具有“調(diào)控”、“識別”和“分析”能力的包裝［1－3］。其通過監(jiān)測包裝食品的環(huán)境條件，獲得食品在運輸和貯藏期間品質(zhì)和安全性信息，警示食品品質(zhì)劣變，延長食品貨架期以及維持食品新鮮度，這種包裝非常有利于食品質(zhì)量安全控制及食品營養(yǎng)價值保留［4－6］。近幾年，歐美發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)研發(fā)出了大量非常實用的“功能材料型”智能包裝新產(chǎn)品，其中指示型智能包裝是全球范圍內(nèi)的熱點課題［7］。Rukchon［8］以氨氣為指示源，將溴百里酚藍與酚紅的混合溶液涂覆于聚酰胺／線性低密度聚乙烯（PA／LLDPE）薄膜上，研制出雞肉新鮮度指示卡。Pacquita［9－10］則運用溴甲酚綠混合液涂覆于聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄板上作為指示卡，指示判定魚肉的新鮮度。Nop winyuwong［11］根據(jù)甜點中微生物的生長會導(dǎo)致二氧化碳含量的變化原理，將溴百里酚藍與甲基紅的混合溶液涂覆于PA／LLDPE薄膜上，研制出甜點新鮮度指示卡。我國已取得多項研究成果，如喬磊等［12］以揮發(fā)性鹽基氮作為品質(zhì)監(jiān)控指標(biāo)，研制出堿性脂肪酶型時間溫度指示器。谷雪蓮等［13］根據(jù)菌落總數(shù)和酸度作為依據(jù)得出時間－溫度－貨架期曲線，開發(fā)出預(yù)測牛乳貨架期的時間－溫度指示器。

本研究以二氧化碳作為監(jiān)控指標(biāo)，運用二氧化碳敏感型指示劑與成膜材料甲基纖維素混合制得氣敏性薄膜，并以棉質(zhì)纖維紙為基材制備二氧化碳含量指示卡，以期用于指示袋裝食品的新鮮度的智能包裝產(chǎn)品的開發(fā)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

溴百里酚藍（分析純）、甲基紅（分析純）：天津市化學(xué)試劑三廠；甘油（分析純）：天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 指示標(biāo)簽制備工藝流程

指示溶液→加熱→加入增塑劑甘油→攪拌→加入甲基纖維素→磁力攪拌至自然冷卻→離心脫泡→與基材棉質(zhì)纖維紙整合→晾干→成品。

1.2.2 棉質(zhì)纖維紙變指示卡制作條件的單因素試驗

取50 mL以質(zhì)量比3∶2的甲基紅和溴百里酚藍復(fù)配成的質(zhì)量濃度為5%的溶液于燒杯中，加入一定量甘油，水浴70℃時加入一定量的甲基纖維素，取出燒杯，迅速在磁力攪拌器下不斷高速攪拌使其形成均勻甲基纖維素凝膠溶液。取一定量凝膠液倒在裝有棉質(zhì)纖維紙片的平皿上（直徑90 mm），自然晾干。甲基纖維素添加量對指示卡的影響：甘油定量5 mL／100 mL，溶液量 10 ml，甲基纖維素添加量：1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 g／100 mL；甘油添加量對指示卡的影響：甲基纖維素定量1.8 g／100 mL，溶液量 12 ml，甘油添加量：3、4、5、6、7、8 mL／100 mL；溶液量對指示卡的影響：甘油定量5 mL／100 mL，甲基纖維素定量1.8 g／100 mL，溶液量：10、12、14、16、18、20 mL。

1.2.3 工藝優(yōu)化試驗

以甲基纖維素濃度，甲基纖維素、甘油添加量比例，溶液量3個因素作為考察對象，采用響應(yīng)面分析法安排試驗，并以指示卡的顏色與甲基紅∶溴百里酚藍＝3∶2（m∶m），質(zhì)量濃度為5%的溶液的色差作響應(yīng)值，獲取最適工藝參數(shù)［14－15］。

1.2.4 指示卡的應(yīng)用試驗

采用最優(yōu)工藝作出的指示卡，作不同濃度梯度的CO2含量充氣變色試驗，進行L*、a*、b*值分析，進行指示卡的應(yīng)用試驗［16］。

1.2.5 色差值的測定

在做好的指示卡上隨機取5個點，用色差計測定顏色L*、a*、b*值，取平均值作色差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲基纖維素添加量對指示卡的影響

由圖1可以看出，隨甲基纖維素濃度的升高，純指示液顏色色差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，甲基纖維素濃度為1.3 g／100 g時，色差值接近25，觀察標(biāo)簽顏色，其顏色偏黃，原因是甲基纖維素濃度過低，制得的膜過薄，鎖不住水分，導(dǎo)致變色指示劑無法顯現(xiàn)在中性pH下應(yīng)有的綠色。在甲基纖維素濃度達到1.7 g／100 g時，標(biāo)簽顯示出原指示溶液顯示的綠色，但白度要偏大，色彩沒有那么濃郁。甲基纖維素含量為2.1 g／100 g時，膜顏色偏棕綠色，由于甲基纖維素中含有大量疏水性的甲基集團，使得膜表面的親水基團減少，膜表面泛棕黃色，中間又呈綠色，感官不一致。由圖1可知樣品濃度為2.1 g／100 g時與選定標(biāo)準(zhǔn)對比又顯現(xiàn)出來較大的色差。所以響應(yīng)面試驗選取了甲基纖維素濃度為1.6～1.8 g／100 g。

圖1 甲基纖維素單因素試驗結(jié)果

2.2 甘油添加量對指示卡的影響

在一定的相對濕度下，膜的水分含量是由膜聚合物的親水性決定的。甘油作為一種親水性增塑劑加入甲基纖維素膜中，膜平衡時的水分含量會隨著甘油含量升高而升高［17］，由圖2可以看出，在甘油添加量較小時，膜平衡后的色差較指示液顏色的色差值較高，超過5.0，隨著甘油含量增加，色差逐漸減小，甘油添加量達到4 g／100 g時，色差便可以控制在2.0以下。但是，在試驗中發(fā)現(xiàn)，甘油含量達到6 g／100 g時，做出的標(biāo)簽過于柔軟，潮濕不成形。雖然色差偏離程度變化不大，但感官不佳，所以在響應(yīng)面試驗中，選取甘油添加量為3～5 g／100 g。

圖2 甘油添加量單因素試驗結(jié)果

2.3 溶液量對指示卡的影響

圖3 溶液量單因素試驗結(jié)果

由圖3可知，在溶液量為10～12 mL時，制得的標(biāo)簽顏色與純指示液顏色之間存在色差最小值，當(dāng)溶液量小于10mL時，標(biāo)簽顏色綠中泛黃，原因是此時膜液平鋪在平皿中，制得的膜較薄，水分子在很容易擴散出去，指示劑在缺少水分的條件下便會向黃色偏移。10～12 mL時，制得的膜具有了一定的厚度，能夠起到阻止膜內(nèi)水分過量向外擴散的作用。在12～14 mL時也有同樣的色差最小值，但從膜的厚度來看，隨著倒板量的增加，膜的厚度增大，其變色時間會相對延長，靈敏度逐漸降低，所以，綜合考慮在響應(yīng)面試驗中選擇了10～12 mL的倒膜量作為此因素的水平。

2.4 響應(yīng)面設(shè)計方案及結(jié)果分析

采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法進行試驗設(shè)計，分析因素與設(shè)計見表1，響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表 2［18－19］。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計的因素與水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

各因素經(jīng)過回歸擬合，得到回歸方程：

式中：Y為 dE*ab；X1為甲基纖維素添加量／g／100 g；X2為甘油添加量／g／100 g；X3為溶液量／mL。

由表3可以看出，對色差dE*ab構(gòu)建的模型顯著性較高（P值＜0.000 1），該模型的擬合性較好，可以作為分析和預(yù)測色差dE*ab的一個途徑。由P值可知，三因素對響應(yīng)值色差的影響順序為：溶液量＞甘油添加量＞甲基纖維素濃度，模型中一次項和二次項都有較高的顯著性，說明各個因子對響應(yīng)值之間的影響不只是簡單的線性關(guān)系，二次項也有較大影響，其中交互項X1X2較顯著，其他2組不顯著，失擬項（Lack of Fit）的F值很小。最終去掉方程的不顯著項，得到最終的回歸方程為：

表3 方差分析表

2.5 試驗因素間的交互影響

由響應(yīng)面圖4～圖6可知，該模型存在最小值即穩(wěn)定點。將該回歸方程分別對因素X1、X2和X3求偏導(dǎo)，并且令導(dǎo)數(shù)等于0，得到的最佳點為：X1＝0.214；X2＝0.274；X3＝0.393。換算為真實值為：甲基纖維素添加量1.72 g／100 g；甘油添加量4.27 g／100 g；溶液量 11.39 mL；色差值為 1.84。為了比較預(yù)測值和實驗值之間的差距，將最佳組合進行驗證試驗，5次平行試驗之后測得色差的平均值為1.93，十分接近預(yù)測值，說明利用響應(yīng)面法優(yōu)化穩(wěn)定指示標(biāo)簽初始顏色工藝得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠，該模型具有一定的可信度。

圖4 甲基纖維素－甘油添加比例響應(yīng)面圖

圖5 甘油添加量－溶液量響應(yīng)面圖

圖6 甲基纖維素濃度－溶液量響應(yīng)面圖

2.6 指示卡的實用性驗證試驗

對響應(yīng)面法優(yōu)化后的工藝做出的指示卡，作濃度梯度的CO2含量充氣變色試驗，觀察選出其中13組肉眼可分辨的指示卡，進行L*、a*、b*值分析，得出13個色階列如表4。

各樣品顏色在L*a*b*空間的3D位點見圖7。根據(jù)圖7觀察13個樣品的空間位點離散程度，可以看出按色差變化等級表選出的樣品點離散性好，樣品間具有明顯的顏色界限，各顏色界限可通過肉眼進行觀察分辨，說明該指示卡對于二氧化碳濃度的指示具有較高的實用性。

表4 13種CO2濃度對應(yīng)標(biāo)簽顏色的L*、a*、b*值

圖7 各樣品顏色在L*a*b*空間的3D位點圖

3 結(jié)論

3.1 以質(zhì)量之比為3∶2的甲基紅和溴百里酚藍復(fù)配成的質(zhì)量濃度為5%的溶液為指示劑，以成品顏色與原指示劑溶液的色差作響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析優(yōu)化：最終確定甲基纖維素添加量1.72 g／100 g；甘油添加量4.27 g／100 g；溶液量11.39 mL為制作指示標(biāo)簽的最佳工藝組合。將最佳組合進行驗證，測得色差的平均值為1.93，十分接近預(yù)測值。

3.2 通過指示卡的實用性驗證試驗，發(fā)現(xiàn)制得的指示卡其顏色變化顯著點對應(yīng)的CO2濃度分別是：0、1.8%、2.5%、4.1%、5.8%、8.3%，10.1%、12.7%、26%、41.1%、50.5%、78.1%、84.6%、100%，樣品間具有明顯的顏色界限，通過肉眼即可觀察分辨，具有較高的實用性，可用于果蔬、肉制品等包裝中二氧化碳含量的監(jiān)測，從而指示產(chǎn)品的新鮮度。但由于制取指示卡的指示劑在缺少水分的條件下會向黃色偏移，且容易受外界二氧化碳的影響，因此指示卡在使用前需密閉保存以防止水分散失及外界條件干擾。

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Development of CO2－Sensitive Indicator Card for Packaging Food

Hu Yunfeng1，2Chen Junran1He Yexin1Hu Hanyan1Cui Hanyuan2

（Key Laboratory of Food Nutrition and Safety，Ministry of Education，Tianjin University of Science and Technology1，Tianjin 300457）（Tianjin Food Engineering Center2，Tianjin 300457）

Carbon dioxide has been used in food packing as a monitor control index and the indicator card for food freshness has also been prepared in advance.The indicator card mainly included CO2－sensitive indicators（the methyl red，bromothymol blue）and gas sensitive gel prepared by mixing methyl cellulose，glycerol and fibre paper.The results showed that one kind of indicator card which expressed an exact carbon dioxide content with addition of moderate methyl cellulose and glycerol in solution was formulated with 5% （m／m）of methyl red and bromothymol blue（3∶2，m／m）；the mixture was coated on a piece of fibre paper；the indicator could be obtained.The optimum parameter was obtained with response surface method.The optimum parameters were as follows：additive amount of methylcellulose 1.72 g／100 g，glycerol 4.27 g／100 g，and the amount of the solution 11.39 mL.The optimum

parameter has been validated.The average value of chromatic aberration was1.93 which was very close to the predicted value.By practical application，the card had distinct color change point with 13 different concentration of carbon dioxide.Each point had obvious color boundaries to show a satisfied practicability of the indicator cards.

food，Carbon dioxide，indicator card，papery

TS255.3

A

1003－0174（2015）04－0125－05

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2011BAD 24B01）

2013－12－19

胡云峰，女，1966年出生，研究員，農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工技術(shù)