淀粉-羧甲基纖維素鈉-花青素指示膜的制備及在魚(yú)肉鮮度指示中的應(yīng)用

蔣光陽(yáng)，侯曉艷，任 文，吳賀君，黎杉珊，申光輝，陳安均，王章英，張志清,*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院作物研究所，廣東 廣州 510640）

近年來(lái)，食品智能包裝由于能追蹤實(shí)時(shí)食品安全而備受關(guān)注。智能包裝旨在掌握和提供有關(guān)包裝食品的安全性、對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)或決定保質(zhì)期的信息[1]?；ㄇ嗨厥且环N安全無(wú)毒對(duì)人體無(wú)危害的水溶性色素，且對(duì)pH值的變化十分敏感。目前國(guó)內(nèi)外均有將紅甘藍(lán)、黑豆、藍(lán)莓和紫薯花青素等作為食品智能包裝的天然指示劑的研究報(bào)道[2-3]。魚(yú)肉在貯藏過(guò)程中，由于蛋白質(zhì)的變性以及分解會(huì)產(chǎn)生許多揮發(fā)性含氮化合物，從而導(dǎo)致魚(yú)肉pH值快速升高，從而引起花青素色澤變化，因此常作為花青素指示膜應(yīng)用的受試材料。Zhai Xiaodong等[4]將玫瑰茄花青素作為指示劑，淀粉和聚乙烯醇作為成膜基材制備指示膜，并用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)肉的新鮮度，指示膜顏色由紅色變?yōu)闇\藍(lán)色。Huang Shaoyun等[5]將紫草根提取物作為指示劑，添加到成膜基材瓊脂中用于實(shí)時(shí)檢測(cè)魚(yú)肉的新鮮度，隨著魚(yú)肉貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，指示膜的顏色由原來(lái)的紅色變?yōu)樗{(lán)色，結(jié)合揮發(fā)性鹽基氮（tolal volatile basic nitrogen，TVB-N）表明此時(shí)指示膜為藍(lán)色時(shí)魚(yú)肉已經(jīng)腐敗變質(zhì)。

為很好地固定天然花青素，并考慮食品的安全性，研究許多無(wú)毒和可生物降解的天然材料，例如淀粉、羧甲基纖維素鈉、果膠[6]、瓊脂等[7]。其中馬鈴薯淀粉價(jià)格低廉且成膜性優(yōu)異，被廣泛用于可降解薄膜的制作，但是單一的成膜基材制備出的薄膜性能較差，為了改善其機(jī)械性能將2 種或多種天然聚合物相結(jié)合[8]。根據(jù)課題組前期報(bào)道，將馬鈴薯淀粉、羧甲基纖維素鈉、魔芋葡甘露聚糖兩兩混合為成膜基材制備指示膜，研究結(jié)果表明3 種混合物中馬鈴薯淀粉和羧甲基纖維素鈉混合后相容性好，2 種成膜基材混合后能夠形成氫鍵，并有較好的性能[9]。但指示膜的綜合性能（力學(xué)性能、水溶性、顏色）都未達(dá)到最優(yōu)。

本研究以馬鈴薯淀粉和羧甲基纖維素鈉為成膜基材，通過(guò)添加紫薯花青素，采用流延方法制備指示膜，利用單因素試驗(yàn)研究成膜材料比例、花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膜性能的影響，結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)分析優(yōu)化和建立各因素間的數(shù)學(xué)模型，得到制備淀粉-羧甲基纖維素鈉-花青素（starch-sodium carboxymethyl celluloseanthocyanin，SCA）指示膜的最佳制備工藝條件，并將制備出最優(yōu)的指示膜進(jìn)行表征及用于魚(yú)肉新鮮度檢測(cè)研究，以期為天然花青素指示膜應(yīng)用于食品貨架期監(jiān)測(cè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所提供；活草魚(yú)（每尾約1 kg） 市購(gòu)；馬鈴薯淀粉 寧夏萬(wàn)里淀粉有限公司；羧甲基纖維素鈉、甘油、無(wú)水乙醇（分析純）成都科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京永光明醫(yī)療儀器有限公司；RE-200B型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；Ultra型掃描電子顯微鏡 卡爾·蔡司股份公司；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀北京微訊超技儀器技術(shù)有限公司；is10型傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)Thermo Fisher公司；Q200 DSC差示掃描量熱儀 美國(guó)TA儀器公司；UV-3100N紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海美普達(dá)儀器有限公司；SC-10便攜式色差儀 蘇州欣美和儀器有限公司；D8 X射線衍射儀德國(guó)Bruker公司；自制有機(jī)成膜板。

1.3 方法

1.3.1 紫薯花青素的提取

將紫薯片烘至恒質(zhì)量，粉碎過(guò)篩。將體積分?jǐn)?shù)40%乙醇溶液作為提取劑，并按照料液比1∶10（g/mL），60 ℃水浴攪拌3 h，濾液在50 ℃避光旋蒸得到花青素濃縮液，凍干得到紫薯花青素粉[7]。

1.3.2 SCA指示膜的制備

將6 g馬鈴薯淀粉溶于100 mL蒸餾水中，95 ℃攪拌糊化15 min后備用；取1.2 g羧甲基纖維素鈉溶于100 mL蒸餾水中備用；按照適當(dāng)?shù)谋壤旌? 種溶液，并依次加入適量甘油，適量紫薯花青素粉，均質(zhì)后，將混合液真空-超聲除去氣泡后，倒入自制有機(jī)成膜板中，45 ℃烘箱中烘干成膜。揭膜后置于相對(duì)濕度（55±1）%、溫度（25±1）℃的恒溫恒濕箱中平衡48 h后測(cè)指示膜性能。

1.3.3 SCA指示膜的制備優(yōu)化

1.3.3.1 單因素試驗(yàn)

按1.3.2節(jié)的制備工藝流程，對(duì)其中馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比、紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)按表1設(shè)計(jì)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，所有試驗(yàn)至少重復(fù)3 次取平均值。

表1 單因素試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels used in single factor experiments

1.3.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)，將馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比、紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為試驗(yàn)因素，以指示膜抗拉伸強(qiáng)度（tensile strength，TS）、斷裂伸長(zhǎng)率（elongation at break，EAB）、水溶性、顏色（a值）的性能綜合評(píng)分作為響應(yīng)值進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels used in response surface analysis

1.3.4 SCA指示膜的性能及結(jié)構(gòu)表征

1.3.4.1 SCA指示膜的指標(biāo)測(cè)定

力學(xué)性能測(cè)定：參照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能測(cè)定》膜厚度進(jìn)行測(cè)定[10]，并通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定SCA指示膜的抗拉強(qiáng)度（tensile strength，TS）和EAB，將膜裁剪為80 mm×15 mm的薄條，初始距離50 mm，速率50 mm/min。每組指示膜測(cè)試10 個(gè)平行樣品，TS、EAB按式（1）、（2）計(jì)算：

式中：F為膜斷裂時(shí)張力/N；b為膜寬度/mm，H為膜厚度/mm；D為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度/mm；L為膜的初始長(zhǎng)度/mm。

水溶性測(cè)定：參照鄒小波等[11]的方法。將SCA指示膜放在105 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量W1（g）然后浸泡在50 mL蒸餾水中，24 h后倒出浸泡液，再次放入105 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量并稱取質(zhì)量為W2（g），每組重復(fù)測(cè)定3 次。根據(jù)式（3）計(jì)算水溶性：

顏色測(cè)定：利用手持色差儀測(cè)定出指示膜的顏色（a值）。

指示膜物理性能綜合指標(biāo)評(píng)定：運(yùn)用隸屬度綜合評(píng)分法和主成分分析法相結(jié)合確實(shí)指示膜性能指標(biāo)的綜合評(píng)分。其中，主成分分析主要用于各指標(biāo)權(quán)重的確定。隸屬度根據(jù)式（4）、（5）計(jì)算：

式中：P為隸屬度；Ai為對(duì)應(yīng)指標(biāo)值；Amax為對(duì)應(yīng)指標(biāo)最大值；Amin為對(duì)應(yīng)指標(biāo)最小值。

對(duì)于正效應(yīng)的TS、EAB、a值運(yùn)用式（4）計(jì)算；負(fù)效應(yīng)的水溶性運(yùn)用式（5）計(jì)算[12]。

指示膜物理性能綜合分S，按式（6）計(jì)算：

式中：P1～P4分別為T(mén)S、EAB、水溶性和a值的隸屬度值；a1～a4別為4 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.4.2 SCA指示膜的表征

傅里葉變換紅外光譜分析：將樣品烘干后，利用is10型傅里葉變換紅外光譜儀記錄樣品的紅外光譜，掃描范圍為650～4 000 cm-1。

掃描電鏡分析：通過(guò)掃描電鏡記錄SCA指示膜的橫截面結(jié)構(gòu)并拍照，將2 cm×2 cm SCA指示膜試樣干燥后，利用液氮將SCA指示膜凍裂噴金，加速電壓為7 kV。

X射線衍射：用X射線衍射儀測(cè)得SCA指示膜X射線衍射的圖像，掃描速率6°/min，掃描范圍0°～55°[13]。

1.3.5 SCA指示膜的應(yīng)用

將去皮后的魚(yú)肉切成10 g/塊并去刺備用，將SCA指示膜裁成大小為4 cm×4 cm的小塊并覆蓋在魚(yú)肉上一起放入培養(yǎng)皿中，用保鮮膜包裹并置于25 ℃恒溫恒濕條件下，根據(jù)GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測(cè)定》測(cè)定魚(yú)肉的TVB-N值[14]；根據(jù)GB 4789.2—2016《食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)的測(cè)定》測(cè)定魚(yú)肉的菌落總數(shù)[15]；根據(jù)GB/T 9695.5—2008《肉與肉制品 pH的測(cè)定》測(cè)定魚(yú)肉的pH值[16]；同時(shí)對(duì)指示膜的顏色變化進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

結(jié)果以 ±s表示，使用SPSS 20.0、Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用方差分析（ANOVA）顯著性差異（P＜0.05），評(píng)價(jià)不同平均值之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 SCA指示膜制備條件的優(yōu)化

2.1.1 各成膜組分對(duì)指示膜性能的影響

圖1 各成膜組分對(duì)指示膜性能的影響Fig. 1 Effect of film-forming materials on properties of indicator films

如圖1a所示，隨著淀粉與羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比的減小TS呈逐漸上升的趨勢(shì)，EAB呈逐漸下降趨勢(shì)。Ghanbarzadeh等[17]提高羧甲基纖維素鈉濃度，降低淀粉濃度，同樣發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜的TS增加EAB降低。這可能是羧甲基纖維素鈉與淀粉都具有較好的相容性，共混成膜時(shí)，形成了分子間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致指示膜的TS增高。EAB的降低是由于淀粉中支鏈淀粉含量較高，淀粉占比較少，同時(shí)減少了分子中的支鏈結(jié)構(gòu)，糊化后形成結(jié)晶容易，因而制備的指示膜柔軟度較低，降低了膜的EAB[18]。隨著羧甲基纖維素鈉的占比增加，指示膜的水溶性先降低后增加，馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比為7∶3時(shí)，水溶性達(dá)到最低值18.1%，水溶性的降低歸因于淀粉和羧甲基纖維素鈉指示膜分子新的排列，使兩者之間形成了很強(qiáng)的氫鍵作用力，質(zhì)量比為6∶4時(shí)指示膜的水溶性大幅度增加，由于羧甲基纖維素鈉的分子鏈中含有大量的親水基團(tuán)—OH和—COOH，導(dǎo)致指示膜放入水中易溶解，羧甲基纖維素鈉的含量不斷增加，水溶性也不斷上升[19]。指示膜的a值隨著質(zhì)量比的上升不斷變大，紅色越來(lái)越深，淀粉和羧甲基纖維素鈉之間分子鏈的運(yùn)動(dòng)影響了淀粉分子的結(jié)晶度，結(jié)晶度越高，指示膜成膜基材越透明，加入的花青素顏色更容易顯現(xiàn)出來(lái)[20]。綜合上述分析當(dāng)?shù)矸叟c羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比為7∶3時(shí)可能最佳。

如圖1b所示，TS和EAB隨著紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，分別呈現(xiàn)出逐漸升高和下降的趨勢(shì)。花青素與聚合物之間通過(guò)氫鍵形成界面相互作用，紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷上升，相互作用增強(qiáng)，TS不斷升高[21]。但紫薯花青素加入后，由于天然植物花青素能抑制聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)致柔軟性降低，EAB隨之降低，本結(jié)果與Huang Shaoyun等[5]研究結(jié)果一致。紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高，指示膜的水溶性先從20.2%降低至18.54%再逐漸升高，水溶性的降低可能是由于紫薯花青素的加入使之與淀粉和羧甲基纖維素鈉分子中的親水基團(tuán)相結(jié)合，形成了分子之間作用力。當(dāng)紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，指示膜的水溶性開(kāi)始升高，由于花青素屬于親水性物質(zhì)，花青素過(guò)量添加導(dǎo)致指示膜吸水能力更強(qiáng)，從而指示膜的水溶性升高[22]。指示膜的顏色隨著紫薯花青素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加不斷加深，原因與前述結(jié)晶度變高，成膜基材透明度變高，加入紫薯花青素后顏色變深一致。綜合上述分析，選擇紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%較合適。

如圖1c所示，指示膜的TS隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高從（38.58±0.56）MPa下降到（3.67±0.38）MPa，而EAB隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高從（27.13±0.6）%升高到（71.57±0.81）%。孫海濤等[12]同樣發(fā)現(xiàn)提高甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，膜的TS不斷減小，EAB不斷增加。對(duì)于指示膜而言，甘油屬于小分子，小分子物質(zhì)很容易進(jìn)入原料的大分子鏈間，破壞原有的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致分子間作用力不斷的減弱，而增強(qiáng)了分子鏈的流動(dòng)性，使膜變得更加柔軟，同時(shí)可能由于甘油是親水性物質(zhì)將水分子保留在指示膜的成膜基質(zhì)中，水分子不僅與聚合物的羥基直接作用，還存在于聚合物鏈與甘油分子之間，分子鏈間距增大，因此指示膜的TS減弱，EAB增加[23]。膜的水溶性整體呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，甘油的親水性導(dǎo)致聚合物鏈間的分子間力降低，增加自由體積，遇水后更容易溶解在水中，從而造成指示膜的水溶性增加[24]。高丹丹等[25]也發(fā)現(xiàn)隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，膜的溶水時(shí)間減少，加快了膜的溶解速度。顏色變得更加明顯，a值不斷升高，是因?yàn)楦视褪怪甘灸傂越Y(jié)構(gòu)得到軟化，導(dǎo)致指示膜的結(jié)構(gòu)得到有效的松弛和延展，透明度增大，紫薯花青素受干擾較少，顏色顯示更加明顯。綜上分析甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)為可能的最佳配比。

2.1.2 指示膜性能綜合評(píng)分分析

為了得到綜合性能較優(yōu)的指示膜，本研究采用主成分分析法與隸屬度綜合評(píng)分法相結(jié)合確定指示膜性能的綜合評(píng)分。首先確定指示膜各性能指標(biāo)的權(quán)重，從單因素試驗(yàn)中隨機(jī)抽取9 組數(shù)據(jù)（表3）進(jìn)行主成分分析，將指示膜的TS、EAB、水溶性、a值作為分析對(duì)象，相關(guān)成分特征值、貢獻(xiàn)率及特征向量見(jiàn)表4、5。分析可知，第1主成分（2.479）和第2主成分（1.131）的特征值均大于1，第1主成分（Z1）的方差貢獻(xiàn)率為61.98%，第2主成分（Z2）的方差貢獻(xiàn)率為28.27%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為90.25%，大于85%，表明前2 個(gè)主成分能夠反映出全部指標(biāo)的信息[26]。根據(jù)表5結(jié)果可以構(gòu)建主成分與各指標(biāo)之間的線性關(guān)系式：Z1=0.934X1-0.908X2+0.69X3+0.552X4，Z2=0.209X1+0.237X2+0.652X3-0.778X4，結(jié)合各主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率以及特征向量。求得指示膜4 個(gè)指標(biāo)（TS、EAB、水溶性、a值）經(jīng)歸一化后的權(quán)重分別為0.36、0.25、0.38、0.01，結(jié)合公式（4）～（6）得到指示膜性能的綜合評(píng)分：S=0.36P1+0.25P2+0.38P3+0.01P4。

表3 主成分分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data used in principal component analysis

表4 相關(guān)成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and cumulative variance contribution rates

表5 前2 個(gè)主成分的特征向量Table 5 Eigenvectors of the first two principal components

2.1.3 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化的回歸擬合

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比（X1）、紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X2）和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X3）進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，綜合分（S）為響應(yīng)值。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，使用Design-Expert軟件將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到方程如下：S=61.02+3.85X1-2.46X2-2.51X3+2.44X1X2+0.92X1X3-6.28X2X3+3.61X12-7.35X2

2-11.6X3

2。

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Experimental design and results for response surface analysis

根據(jù)表7分析可知，回歸方程模型的P值小于0.000 1，說(shuō)明模型差異極顯著；失擬項(xiàng)P=0.158 9＞0.05，表明失擬不顯著，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定因素系數(shù)R2為0.994 4，表明模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值擬合度高，因此該模型能夠很好地對(duì)響應(yīng)值綜合分進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)?；貧w方程各項(xiàng)顯著性表明，本研究一次項(xiàng)X1、X2、X3影響均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），同時(shí)二次項(xiàng)影響極顯著，交互項(xiàng)X1X2、X2X3影響達(dá)到極顯著水平，X1X3影響不顯著，分析可知影響綜合評(píng)分的主次順序依次為X1＞X3＞X2。

表7 回歸模型的方差分析Table 7 Analysis of variance (ANOVA) of regression model

使用Design-Expert分析出指示膜的最佳工藝條件為馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比60.85∶39.15、紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.47%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.59%，預(yù)測(cè)得到指示膜的綜合分為64.26。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性和考慮實(shí)際情況，將最優(yōu)工藝修改為質(zhì)量比6∶4、紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%，在此條件下平行實(shí)驗(yàn)3 次，得出綜合分為63.8，此時(shí)對(duì)應(yīng)的TS為（21.48±0.12）MPa，EAB為（28.88±0.08）%，水溶性為（19.24±0.21）%，a值為4.95±0.02。由此可見(jiàn)綜合評(píng)分的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值比較接近，達(dá)到預(yù)測(cè)值的99.28%，表明預(yù)測(cè)結(jié)果較優(yōu)。

2.2 SCA指示膜的表征

2.2.1 SCA指示膜的傅里葉變換紅外光譜分析

如圖2所示，其中，3 318 cm-1附近為—OH鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，這與成膜原料（羧甲基纖維素鈉、淀粉、紫薯花青素粉）中含有豐富的羥基結(jié)果一致，同時(shí)在2 931 cm-1和2 922 cm-1有2 個(gè)明顯的特征峰為原料中—CH2和—CH的伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生[27]。在原料紫薯花青素粉中1 628 cm-1處的強(qiáng)吸收帶和1 524 cm-1處的特征峰歸因于C＝C芳環(huán)的彎曲振動(dòng)，與紫薯花青素粉屬于芳香族化合物有關(guān)，此外，1 256 cm-1指定為類黃酮化合物的吡喃環(huán)段，1 048 cm-1處的吸收帶歸因于芳環(huán)的C—H產(chǎn)生[28]。在淀粉原料的光譜中1 161 cm-1和1 078 cm-1可能是C—O、C—C、O—H、C—O—C的共同作用產(chǎn)生了伸縮振動(dòng)峰，而這些特征峰在馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉膜和SCA指示膜中均有體現(xiàn)[29]。馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉膜的吸收峰由原來(lái)的1 646 cm-1移至1 637 cm-1，這可能是加入紫薯花青素后與原料之間產(chǎn)生相互作用，形成了較強(qiáng)的分子之間作用力。根據(jù)光譜結(jié)果表明，原料的成分未發(fā)生改變，同時(shí)紫薯花青素粉很好地嵌入了成膜基材中。

圖2 基材及膜的紅外光譜圖Fig. 2 FT-IR spectra of film-forming materials and films

2.2.2 SCA指示膜的X射線衍射分析

圖3 原料和膜的X射線衍射圖Fig. 3 XRD spectra of film-forming materials and films

由圖3可知，淀粉在17.0°處具有很強(qiáng)的衍射峰，在15.0°、19.6°、22.1°、24.0°處具有一些弱峰，另外，在5.5°處觀察到最弱的特征峰。對(duì)于淀粉而言，通常，由于不同的晶體結(jié)構(gòu)，XRD光譜圖有3 種類型。A型淀粉在15°和23°附近有明顯的衍射峰，在17°和18°處有未分辨的雙峰；B型淀粉在約17.0°處產(chǎn)生更明顯的衍射峰，在約5.6°處產(chǎn)生特征峰，同時(shí)在約15.0°、20.0°、22.0°和24°處產(chǎn)生一些小峰；C型是A型和B型的混合物[30]。該結(jié)果表明淀粉材料是第2類（B型）淀粉。由圖3可知，羧甲基纖維素鈉的特征峰為在20.1°附近的寬峰，歸因于其特有的晶體結(jié)構(gòu)。在馬鈴薯淀粉-羧甲基纖維素鈉膜中未發(fā)現(xiàn)淀粉和羧甲基纖維素鈉的特征峰，表明淀粉與羧甲基纖維素鈉混合效果較好，同時(shí)二者的結(jié)晶區(qū)受加熱攪拌的影響。加入紫薯花青素后SCA指示膜的寬峰強(qiáng)度變大，可能歸因于紫薯花青素粉與淀粉和羧甲基纖維素鈉的羥基之間形成的氫鍵。通過(guò)圖譜分析表明各成分之間有較強(qiáng)的相互作用，打亂了各自原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而提高了指示膜的力學(xué)性能。

2.2.3 SCA指示膜的掃描電鏡分析

圖4 膜橫截面的掃描電鏡圖Fig. 4 Scanning electron micrographs of cross sections of films

由圖4可知，2 種膜的表面大部分區(qū)域平整光滑，表明物質(zhì)之間相容性好，而有輕微的顆粒狀物質(zhì)，可能是因?yàn)槌赡せ牡膱F(tuán)聚現(xiàn)象，相對(duì)而言，在SCA指示膜中橫截面表現(xiàn)更加光滑，截面出現(xiàn)沒(méi)有褶皺和紋路，表明紫薯花青素粉加入后對(duì)淀粉和羧甲基纖維素鈉之間的相容性有增強(qiáng)作用[31]。Zhang Junjun等[32]研究發(fā)現(xiàn)將玫瑰茄花青素加入兩兩混合的可降解生物聚合物基材中制備指示膜，玫瑰茄花青素改善了成膜基材的相容性，使得指示膜截面更加光滑。同時(shí)紫薯花青素粉中的酚羥基可以結(jié)合成膜基材中的羥基有效地降低了聚合物的鏈分子，從而提高了指示膜的力學(xué)性能，指示膜截面的均一性使得自由水不易從孔洞進(jìn)入指示膜內(nèi)部導(dǎo)致其水溶性降低[33]。

2.3 SCA指示膜應(yīng)用于魚(yú)肉新鮮度監(jiān)測(cè)

圖5 SCA指示膜48 h內(nèi)的顏色變化情況Fig. 5 Color change of SCA films within 48 h

圖6 魚(yú)肉存放期間膜品質(zhì)的變化Fig. 6 Changes in quality attributes during storage of fish

選擇優(yōu)化后綜合性能較優(yōu)的SCA指示膜用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)肉新鮮度。根據(jù)圖5和圖6可知，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，魚(yú)肉的TVB-N值、pH值以及菌落總數(shù)不斷上升，SCA指示膜的顏色也隨之不斷改變。魚(yú)肉的初始TVB-N為6.56 mg/100 g，根據(jù)GB 2733—2015《鮮、凍動(dòng)物性水產(chǎn)品》規(guī)定新鮮魚(yú)肉中TVB-N值應(yīng)該小于20 mg/100 g，魚(yú)肉可食用，此時(shí)SCA指示膜顯示出紅色。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)TVB-N值不斷的增大，當(dāng)貯存時(shí)間達(dá)到36 h，魚(yú)肉的TVB-N值達(dá)到21.55 mg/100 g，魚(yú)肉的pH值為7.58，菌落總數(shù)為7.3（lg（CFU/g）），表明魚(yú)肉已經(jīng)不能食用，同時(shí)SCA指示膜顯示出藍(lán)紫色，ΔE值為16.78，與魚(yú)肉新鮮時(shí)指示膜的顏色對(duì)比變化較大，肉眼可直接觀察SCA指示膜顏色的改變。當(dāng)貯存時(shí)間達(dá)到48 h時(shí)，TVB-N值、pH值以及菌落總數(shù)分別為36.79 mg/100 g、8.29、8.52（lg（CFU/g）），表明魚(yú)肉已經(jīng)完全腐敗變質(zhì)，此時(shí)SCA指示膜藍(lán)色加深，ΔE值為24.55，視覺(jué)觀察更加明顯。由在魚(yú)肉貯藏期間，TVB-N值不斷增大，色差也不斷上升，且具有線性關(guān)系，Y=0.525 6+0.020 02X，R2=0.968 61。在貯存期間，魚(yú)的新鮮度隨著微生物生長(zhǎng)和發(fā)生的生化反應(yīng)而降低，碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪被分解，產(chǎn)生許多揮發(fā)性含氮化合物，這些含氮化合物會(huì)改變魚(yú)肉pH值，從而導(dǎo)致指示膜顏色的改變[34]。因此SCA指示膜能夠用于檢測(cè)魚(yú)肉新鮮度。Huang Shaoyun等[5]提取紫草根花青素作為指示劑，將瓊脂作為成膜基材制備指示膜用于檢測(cè)魚(yú)肉新鮮度，指示膜顏色由粉紅色變成藍(lán)紫色，與本研究結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

馬鈴薯淀粉和羧甲基纖維素鈉的比例、花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)指示膜TS、EAB、水溶性，顏色（a值）共4 個(gè)指標(biāo)有不同程度的影響，減少馬鈴薯淀粉和羧甲基纖維素鈉的比例可提高指示膜的TS，降低指示膜的EAB，隨著花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升指示膜的a值不斷增大，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加顯著提高指示膜的水溶性。采用主成分分析法和隸屬度綜合評(píng)分法相結(jié)合確定指示膜的綜合評(píng)分，主成分分析法確定了前2 個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到90.250%，同時(shí)4 個(gè)指標(biāo)歸一化處理后TS、EAB、水溶性和a值4 個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重分別為0.36、0.25、0.38、0.01。通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化指示膜的最佳工藝參數(shù)為馬鈴薯淀粉和羧甲基纖維素鈉質(zhì)量比6∶4，紫薯花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，可得指示膜的綜合分為63.8，此時(shí)對(duì)應(yīng)的TS為（21.48±0.12）MPa，EAB為（28.88±0.08）%，水溶性為（19.24±0.21）%，a值為4.95±0.02。紅外光譜和X射線衍射結(jié)果分析顯示紫薯花青素很好地嵌入了成膜基材中，并使得各成分之間作用力加強(qiáng)，提高了指示膜的力學(xué)性能。掃描電鏡結(jié)果分析表明，指示膜截面平整光滑，各組分之間相容性好。利用最優(yōu)SCA指示膜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)肉新鮮度，魚(yú)肉的TVB-N值從最初的6.56 mg/100 g達(dá)到21.55 mg/100 g時(shí)，指示膜的顏色由原來(lái)的紅色變?yōu)樗{(lán)紫色，并結(jié)合pH值和菌落總數(shù)的變化，表示魚(yú)肉不再新鮮，最后指示膜變?yōu)樗{(lán)色。結(jié)果表明SCA指示膜綜合性能較優(yōu)，各組分間相容性好，且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)肉新鮮度。