基于?；ㄇ嗨氐母叻€(wěn)定性新鮮度可視化指示膜及其應(yīng)用

張俊俊，鄒小波*，宋文君，都柳孜，石吉勇*，黃曉瑋，張佳凝，李志華，劉 黎

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著人們?nèi)找嬖黾拥纳钚枨?，高品質(zhì)的冷鮮肉成為消費的主流。然而冷鮮肉在貯藏運輸?shù)倪^程中，容易受到微生物的污染和脂肪酶的催化氧化，造成肉品的腐敗變質(zhì)。而腐敗變質(zhì)后肉品危害性大，破壞性強、難以消除，嚴重增加其食品安全風(fēng)險[1]。指示型智能包裝的開發(fā)可以實現(xiàn)肉品從生產(chǎn)到消費前的各個流通環(huán)節(jié)的品質(zhì)監(jiān)控，實時獲取肉品的新鮮度情況[2]。因此，這種快速無損的檢測方法近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-4]。值得注意的是，肉品腐敗變質(zhì)后會產(chǎn)生揮發(fā)性胺類物質(zhì)，從而產(chǎn)生堿性的包裝環(huán)境。其中，pH智能指示膜是一類通過響應(yīng)環(huán)境變化后呈現(xiàn)可視化的顏色改變來反映肉類食品新鮮度信息的智能指示膜[5]?；ㄇ嗨刈鳛橐环N天然提取物，在不同的pH值下有不同的顏色變化，且天然無毒，是近年來pH智能指示膜研究的重點[6]。鄒小波等[7]通過優(yōu)選9 種不同來源的花青素作為指示劑，制備智能指示膜，最后成功用于豬肉新鮮度的指示。Liu Jingrong等[8]以黑枸杞為指示劑，κ-卡拉膠為基材，成功制備用于蝦新鮮度的指示膜。封晴霞等[9]以藍莓為指示劑，玉米淀粉和羧甲基纖維素為成膜基材，實現(xiàn)牛肉新鮮度的可視化檢測。眾所周知，花青素在光照和溫度等外界環(huán)境作用下很容易被降解，其自身不穩(wěn)定性成為智能指示膜難以進一步突破的壁壘。但有研究發(fā)現(xiàn)酰基化的花青素可以改變花青素的空間構(gòu)象，增加花青素的光熱穩(wěn)定性[10]。

本研究通過選取天然提取的玫瑰茄花青素（roselle anthocyanins，RA）作為來源，通過?；苽涓叻€(wěn)定性的花青素，再以聚乙烯醇和環(huán)糊精作為智能指示膜的基底材料，制備高穩(wěn)定性的可視化指示膜。而牛肉作為一種典型的高價值肉品，富含蛋白質(zhì)和氨基酸等多種營養(yǎng)成分[11]。本研究以牛肉為例，研究結(jié)果旨在為?；ㄇ嗨氐母叻€(wěn)定指示膜在肉類食品中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮牛肉、干玫瑰茄、塑料包裝盒、塑料培養(yǎng)皿江蘇省鎮(zhèn)江市吉麥隆超市；聚乙烯醇（mw＝1 780 kg/mol）、β-環(huán)糊精、無水乙醇、吡啶 華東器化玻有限公司；鹽酸、氯化鉀、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、甘油、乙酸國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

T6U新世紀(jì)紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；Lab-1A-50E型真空冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；Nicolet is50型傅里葉變換紅外光譜儀美國賽默飛世爾科技公司；JSM-7800型掃描電子顯微鏡 日本電子Jeol公司。TA-XT2i食品物性測試儀英國Stable Micro System公司；鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；CM2300型便攜式色差儀 日本柯尼卡美能達公司。

1.3 方法

1.3.1 花青素的酰基化

根據(jù)之前的研究方法提取得到RA[12]。將獲得的花青素作為反應(yīng)原液，乙酸作為?；噭拎ぷ鳛榇呋瘎?，花青素、乙酸和吡啶體積比為10∶5∶1，3 倍體積的體積分數(shù)75%乙醇溶液作為溶劑，于40 ℃恒溫水浴鍋中充分反應(yīng)4 h后取出，用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去未反應(yīng)的試劑，真空冷凍干燥后即可得到改性后的?；倒迩鸦ㄇ嗨兀╮oselle acylated anthocyanins，RAA）[13]。用pH 3的磷酸鹽緩沖液將?；昂蟮幕ㄇ嗨叵♂屩临|(zhì)量濃度50 mg/100 mL后，用于后續(xù)的實驗。

1.3.2 溫度和光照對花青素穩(wěn)定性影響的測定

為探究溫度對花青素的影響，取稀釋后的花青素溶液各120 mL，分裝6 份，每份20 mL，用錫箔紙避光處理后，分別置于50、60、70、80、90 ℃恒溫水浴鍋中各2 h，探究不同溫度下花青素的穩(wěn)定性；同時另取上述稀釋好的?；昂蟮幕ㄇ嗨厝芤焊? 份，每份20 mL分別置于室內(nèi)自然光照和避光環(huán)境下，每隔2 d測量花青素的保留率，實驗持續(xù)14 d，探究光照下花青素的穩(wěn)定性[10]。用pH試差法測定花青素的保留率，按式（1）計算[14]。

式中：A為貯藏過程中樣品吸光度；A0為初始樣品吸光度。

1.3.3 ?；ㄇ嗨氐淖贤?可見吸收光譜測定

通過紫外-可見分光光度計測定RAA在200～400 nm波長下的紫外光譜，觀察到在324 nm波長處出現(xiàn)了吸收峰，證明花青素被?；痆15]；取50 μL上述稀釋后的RAA溶解于4 mL pH 2～12的磷酸鹽緩沖液中，測定400～800 nm波長下的紫外-可見吸收光譜。

1.3.4 指示膜的制備

取2 g聚乙烯醇溶于50 mL的100 ℃蒸餾水中攪拌至溶解；取2 gβ-環(huán)糊精溶于50 mL的55 ℃蒸餾水中攪拌至徹底溶解。再于50 ℃下將上述兩者混合均勻后加入2 mL的甘油和基質(zhì)干質(zhì)量2%的花青素，攪拌均勻分別制得聚乙烯醇/β-環(huán)糊精/RA膜（polyvinyl alcohol/β-cyclodextrin/RA，PCR）、聚乙烯醇/β-環(huán)糊精/RAA膜（polyvinyl alcohol/β-cyclodextrin/RAA，PCRA）溶液。最后取15 mL上述溶液超聲去泡后倒入塑料培養(yǎng)皿中，于40 ℃烘干成膜[16]。

1.3.5 指示膜的表征

1.3.5.1 膜的紅外光譜測定

通過帶有ATR附件的傅里葉變換紅外光譜儀測定?；昂蠡ㄇ嗨亍⒖瞻谆啄?、PCR和PCRA指示膜的紅外透射光譜。掃描波數(shù)為650～4 000 cm－1，分辨率為2 cm－1，掃描次數(shù)為3 次[17]。

1.3.5.2 膜的微觀結(jié)構(gòu)的表征

將指示膜粘貼在電鏡臺的側(cè)面固定后噴金，通過掃描電子顯微鏡觀察PCR和PCRA指示膜的截面形貌，設(shè)定加速電壓為15 kV。

1.3.5.3 膜厚及機械性能的測定

指示膜的厚度通過電子數(shù)顯千分尺（±0.001 m）測定，隨機在膜上取3 個位置測量后取平均值。將指示膜裁剪成60 mm×20 mm長條狀，設(shè)置初始拉伸距離40 mm，拉伸速率1.0 mm/s[18]。指示膜的拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EB）分別按式（2）、（3）計算[19]。

式中：F為斷裂時的最大作用力/N；S為受力的橫截面積/m2。

式中：L1為斷裂時指示膜的長度/mm；L0為指示膜的原始長度（40 mm）。

1.3.5.4 含水率、溶脹率、水溶性和水蒸氣透過率的測定

取一定質(zhì)量（m0/g）的指示膜置于溫度為105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中，烘干至恒質(zhì)量（m1/g），則含水率（moisture content，MC）按式（4）計算[20]。

溶脹率（swelling index，SI）和水溶性（water solubility，WS）測定：將上述干燥至恒質(zhì)量的膜（m1）加入到裝有20 mL蒸餾水的燒杯后，常溫下攪拌24 h；取出指示膜并用濾紙擦干表面水分，測定指示膜的質(zhì)量為m2。測量后再將指示膜放置于105 ℃的干燥箱中再次干燥至恒質(zhì)量m3。分別按式（5）、（6）計算SI和WS[21]。

減質(zhì)量法測定指示膜的水蒸氣透過率（water vapor transmittance，WVP）：取完整的指示膜密封在包含20 mL蒸餾水的離心管中并用橡皮筋固定，置于含硅膠的平衡器中。每隔6 h測定離心管的質(zhì)量至恒定。WVP按式（7）計算[22]。

式中：Δm為離心管減少的質(zhì)量/g；x為平均膜厚/mm；t為測試間隔時間/h；S為離心管管口的截面積/mm2；ΔP為膜的內(nèi)外水蒸氣壓差/Pa，ΔP＝3 179 Pa（25 ℃）。

1.3.5.5 膜的顏色穩(wěn)定性測定

分別將指示膜置于4、25 ℃和37 ℃條件下，相對濕度為50%的恒溫恒濕箱中保存。根據(jù)CIEL*、a*和b*顏色系統(tǒng)利用便攜式色差儀測定指示膜的總色差值ΔE，其中L*值表示亮度，a*值為紅綠度，b*值為黃藍度。ΔE按式（8）計算[23]。

1.3.5.6 膜的靈敏度測定

指示膜對氨氣的靈敏度響應(yīng)測定方法根據(jù)先前的研究并作適當(dāng)?shù)男薷腫24]。首先將指示膜切成一定大小的形狀并固定在自制的亞克力材料保鮮盒內(nèi)部。用注射器吸0.1 mL 25 mol/L的氨水于保鮮盒，每隔一段時間拍攝指示膜的照片。最后利用本課題組開發(fā)的BMP圖像識別軟件，得到三通道R、G、B的顏色值，靈敏度SRGB根據(jù)式（9）計算[12]。

式中：Ra、Ga和Ba為指示膜反應(yīng)前的顏色值；Rb、Gb和Bb為反應(yīng)后的顏色值。

1.3.6 智能指示膜在牛肉新鮮度監(jiān)測中的應(yīng)用

首先將當(dāng)天購買的新鮮牛肉用無菌刀具裁剪成30 g的肉塊放入在保鮮盒中，盡量保證每塊形狀和大小相同。然后將指示膜裁剪為3 cm×3 cm的正方形固定在保鮮盒的內(nèi)表面并置于4 ℃冰箱中。每天觀察指示膜的顏色變化，并分別按照國標(biāo)GB 5009.237—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品pH值的測定》[25]和GB 5009.228—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》[26]測定牛肉的pH值和揮發(fā)性鹽基氮（total volatile base nitrogen，TVB-N）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有的實驗重復(fù)3 次，數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。P＜0.05表示差異性顯著，所有的圖表都是由Origin 2019軟件（美國Origin Lab公司）繪制和分析完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 RAA的穩(wěn)定性分析結(jié)果

為了驗證RAA的穩(wěn)定性，對比了花青素在不同溫度、光照條件下的貯藏穩(wěn)定性。由圖1A可以看出，?；昂蟮幕ㄇ嗨卦?0 ℃下的保留率幾乎沒有發(fā)生變化，仍接近100%，表明此時花青素的結(jié)構(gòu)未遭到破壞；而隨著貯藏溫度的進一步升高，RA在90 ℃下的保留率僅為57%，略低于RAA（60%）。如圖1B所示，在黑暗條件下，RAA保持較高的穩(wěn)定性；同時在光照作用下，RA降解加速，產(chǎn)生凝膠狀物質(zhì)，而RAA仍表現(xiàn)較高的保存率。有研究表明光照作用下會誘導(dǎo)花青素碳骨架發(fā)生改變，加速降解氧化的進程，破壞其結(jié)構(gòu)[27]。而當(dāng)花青素上的碳鏈骨架被?；紦?jù)后，可以延緩骨架的破壞進程，減少對其親核水攻擊的暴露位點，從而增加其穩(wěn)定性。綜上所述，酰基化處理可以有效提高花青素的溫度穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性。

圖1 酰基化對RA不同條件下穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of acylation on the stability of roselle anthocyanins under different conditions

2.2 RAA的紫外-可見吸收光譜分析結(jié)果

由圖2A可以看出，RAA的顏色從紅（pH 2～5）到藍（pH 8～10）最后到黃色（pH 11～12），這與之前研究中[28]花青素的顏色變化具有一致性，但達到顏色穩(wěn)定終點需要更長的平衡時間，也進一步驗證了其穩(wěn)定性。如圖2B所示，RAA在不同pH值下的結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致顏色和吸光度發(fā)生變化：在酸性范圍內(nèi)，RAA溶液中的花青素結(jié)構(gòu)形式主要是黃烊鹽離子，對應(yīng)的最大吸收波長為522 nm；隨著pH值增加，花青素結(jié)構(gòu)去質(zhì)子化后轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色甲堿，紅色逐漸消失；當(dāng)pH值進一步增加時，誘導(dǎo)花青素二次去質(zhì)子化形成醌型結(jié)構(gòu)，最大吸收波長偏移至580 nm，花青素變成藍紫色；pH值為11～12的極高堿性環(huán)境下，RAA發(fā)生降解；最后將紅色波段與綠色波段的最大吸收峰下的吸光度的比值（A580nm/A522nm）與pH值建立模型關(guān)系，結(jié)果表明在pH值為2～8時，其比值呈線性變化，為Y＝0.136x－0.474（R2＝0.975）；但當(dāng)pH值超過9后其線性關(guān)系消失，原因是花青素在強堿性的環(huán)境下直接被降解，顏色變?yōu)辄S色[29]。綜上，?；粌H可以提高花青素在不同pH值下的穩(wěn)定性，同時可維持其pH敏感性。

圖2 RAA溶液在pH 2～12下的顏色變化（A）和紫外-可見吸收光譜變化（B）Fig.2 Changes in color (A) and UV-vis spectrum (B) of acylated roselle anthocyanin solution at pH 2–12

2.3 智能指示膜的表征

2.3.1 指示膜的微觀結(jié)構(gòu)和傅里葉變換紅外光譜

從圖3A可以看出，PCR膜雖然表面粗糙，但沒有明顯的相分離結(jié)構(gòu)；而PCRA膜的截面較光滑，結(jié)構(gòu)更加致密（圖3B）。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是β-環(huán)糊精的主客體結(jié)構(gòu)造成。β-環(huán)糊精的環(huán)外親水和環(huán)內(nèi)疏水的空腔結(jié)構(gòu)造成了無論是?；幕ㄇ嗨剡€是未?；幕ㄇ嗨貢缓芎玫胤稚⒌骄酆衔锘字校；姆稚⑿愿每赡苁怯捎邗；ㄇ嗨馗€(wěn)定，更容易負載在聚合物基底內(nèi)腔中，因此出現(xiàn)其結(jié)構(gòu)更加致密。

從圖3C可以明顯看出，?；ㄇ嗨刂写嬖? 個區(qū)域的峰位置及強度發(fā)生改變，可進一步驗證花青素酰基化進程。其中第1個區(qū)域為3 336 cm－1（RA）→3 392 cm－1（RAA），對應(yīng)的是花青素結(jié)構(gòu)中O—H鍵的伸縮振動吸收峰強度增加[30]；第2個區(qū)域為2 936 cm－1（RA）→2 988 cm－1（RAA），對應(yīng)的是花青素中特征結(jié)構(gòu)—CH的伸縮振動加強；第3個區(qū)域為1 027 cm－1（RA）→1 073 cm－1（RAA），對應(yīng)酚類分子C—C的伸縮振動吸收峰[15]。PCRA譜圖中在1 738 cm－1處存在一個弱強度的峰對應(yīng)為芳香環(huán)架中C＝C振動，是典型的類黃酮結(jié)構(gòu)特征[31]，在含花青素的另外幾條譜圖中都能觀察到，而空白膜中沒有，表明花青素被很好地負載在基質(zhì)聚合物中?？瞻啄ぴ? 417 cm－1處對應(yīng)為有機化合物中C—H的彎曲振動峰，該峰在各組譜圖中都可以觀察到。PCR膜中1 153 cm－1處對應(yīng)基底材料的C—O—C的伸縮振動吸收峰[32]，且空白膜和PCRA中也存在同樣相應(yīng)的變化。綜上，由紅外光譜圖可知，?；昂蟮幕ㄇ嗨囟伎梢院芎玫乇回撦d在聚合物基材中。

圖3 PCR膜（A）、PCRA膜（B）的截面微觀結(jié)構(gòu)和指示膜的紅外光譜圖（C）Fig.3 Microstructure images of cross sections of PCR (A) and PCRA (B)indicator films and their FTIR spectra (C)

2.3.2 指示膜的物理性能

從表1可以明顯看出，兩組膜的物理機械性能存在顯著差異（P＜0.05），其中PCRA膜的TS（8.75 MPa）約為PCR膜（2.88 MPa）的3 倍，PCRA膜的EB（301%）約為PCR膜（205%）的1.5 倍，從微觀結(jié)構(gòu)可以看出，?；甘灸さ慕Y(jié)構(gòu)更加致密，因此其機械強度增加。且兩種指示膜的MC、SI、WS和WVP結(jié)果也存在顯著差異（P＜0.05）。從圖中可看出?；ㄇ嗨氐募尤敫纳屏酥甘灸さ乃€(wěn)定性。由于花青素本身存在著較多的親水羥基，會直接降低花青素指示膜的穩(wěn)定性；?；Y(jié)構(gòu)中形成的吡喃環(huán)可以減少其對水親核攻擊的敏感性，降低對水的吸附能力，從而進一步提高指示膜的穩(wěn)定性，因此PCRA?；さ腗C和WS減小，低于PCR[33]。與此相反，PCRA的SI和WVP顯著增加，分別為114.89%和2.06×10－6g/（m·h·Pa），表明?；蟮幕ㄇ嗨啬ぞ哂辛己玫乃€(wěn)定性，以保證在水中僅膨脹而不破裂。同時具有較高的WVP，可以很好的用作新鮮度傳感器。

表1 PCR和PCRA指示膜的物理特性Table 1 Summary of the physical properties of PCR and PCRA films

2.3.3 指示膜的響應(yīng)靈敏度和顏色穩(wěn)定性

?；昂笾甘灸Π睔獾捻憫?yīng)靈敏度如圖4A所示，隨著響應(yīng)時間的延長，指示膜從開始的粉色變成藍綠色最后變成黃色。PCR膜在響應(yīng)12 min靈敏度最高，為34.50%；而PCRA膜到24 min才達到最高值，表明?；档土嘶ㄇ嗨氐捻憫?yīng)靈敏度。由上述膜的物理特性可知，花青素的?；揎棔档推鋵λH核攻擊的敏感性，同時也降低了與氨氣結(jié)合的暴露位點，導(dǎo)致?；ㄇ嗨鼗さ捻憫?yīng)靈敏度下降。指示膜在3 種不同溫度貯藏條件下（4、25 ℃和37 ℃）的顏色變化如圖4B所示，結(jié)果表明溫度越高，指示膜的顏色變化越大，指示膜的穩(wěn)定性越低。溫度升高會造成花青素的結(jié)構(gòu)改變，造成其穩(wěn)定性下降。而PCRA膜的穩(wěn)定性略高于PCR膜，在4 ℃貯藏條件下，10 d時的顏色變化率僅為2.59%，表現(xiàn)出較高的自身穩(wěn)定性。

圖4 指示膜的響應(yīng)靈敏度（A）和指示膜在4、25、37 ℃貯藏條件下的穩(wěn)定性（B）Fig.4 Color response sensitivity of the indicator films (A) and color stability at 4,25 and 37 ℃ (B)

2.4 智能指示膜應(yīng)用于牛肉新鮮度的監(jiān)測效果

PCRA 膜表現(xiàn)出較好的響應(yīng)靈敏度和較高的自身穩(wěn)定性，以典型的高價值牛肉為例，驗證其新鮮度可視化指示功能。如圖5 A 所示，指示膜的顏色變化與牛肉品質(zhì)變化具有一致性。鮮牛肉的初始TVB-N含量為9.32 mg/100 g，此時智能指示膜的顏色為粉色；隨著貯藏時間的延長，牛肉第5 天的TVB-N含量為14.89 mg/100 g，接近GB 2707—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 鮮（凍）畜、禽產(chǎn)》[34]的限量標(biāo)準(zhǔn)（≤15 mg/100 g），此時指示膜的粉色逐漸退化，其ΔE值為6.18；牛肉在貯藏6 d的TVB-N含量為16.81 mg/100 g，表明此時牛肉已經(jīng)不新鮮，同時智能包裝膜顏色變?yōu)辄S綠色，ΔE值為9.07，由此可知，指示膜的顏色變化可有效反映牛肉的新鮮度。在牛肉貯藏第8天，TVB-N含量為30.89 mg/100 g，此時肉品呈現(xiàn)了明顯的腐敗氣味，且指示膜的顏色變化更加明顯。如圖5B所示，分別將牛肉的TVB-N含量和pH值與指示膜的色差值ΔE建立模型，其中TVB-N含量線性模型（藍色虛線）的決定系數(shù)R2為0.946 1；pH值的多項式模型（紅色虛線）的決定系數(shù)R2為0.935 2，模型精度較高。因此，該指示膜可以用于實時監(jiān)測牛肉的品質(zhì)。

圖5 牛肉貯藏期間的TVB-N含量和PCRA指示膜的ΔE值（A）及相應(yīng)牛肉的pH值、TVB-N含量和指示膜ΔE值的模型關(guān)系（B）Fig.5 ΔE value of the PCRA indicator film and TVB-N content of beef during storage (A),and correlations between pH,TVB-N content of beef and ΔE values of the PCRA indicator film (B)

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)將RA?；罂捎行岣呋ㄇ嗨氐墓庹蘸蜏囟确€(wěn)定性，同時RAA可用于肉品新鮮度指示膜的色敏材料，所制備的指示膜機械性能和貯藏穩(wěn)定性增加。最后將其用于牛肉的新鮮度監(jiān)測，結(jié)果顯示在肉貯藏的第6天，牛肉已經(jīng)開始腐敗，此時指示膜顏色由粉色變?yōu)辄S綠色，其ΔE值為9.07；且指示膜總色差值和牛肉品質(zhì)可建立模型相關(guān)關(guān)系，為智能指示膜從實驗室個體樣品走向?qū)嶋H應(yīng)用提供有效的理論指導(dǎo)。然而花青素?；笾苽涞闹甘灸れ`敏度降低，因此未來可致力于探究在增加穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上保證指示膜靈敏度的新方法。