花青素pH響應型智能包裝及其在食品新鮮度監(jiān)測中的應用

曾俊，任小娜，魏健，吳江超

1(喀什大學 生命與地理科學學院，新疆 喀什，844000)2(新疆帕米爾高原生物資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 喀什，844000)

食品在加工、流通和貯藏過程中，包裝是非常重要的一個工序。包裝的主要目的是保護食品免受外部環(huán)境的危害，延長食品的貯存期[1]。但目前常見的食品包裝并不能主動顯示食品的真實質(zhì)量信息。智能包裝是一種將智能功能與常規(guī)包裝相結(jié)合的包裝系統(tǒng)，具有感知、檢測、記錄產(chǎn)品外部或內(nèi)部變化的功能[2]。pH響應型智能包裝因其成本低、體積小、制備方便和指示效果好等優(yōu)點而備受關(guān)注。

用于pH響應的指示劑可以分為合成和天然指示劑2種類型。合成指示劑主要有甲基紅、甲酚紅、溴甲酚綠、溴甲酚紫、溴百里酚藍等[3-4]。大多數(shù)合成指示劑具有一定的毒性，難降解，對環(huán)境不友好，而且合成指示劑的使用會增加食品安全的隱患。因此，有必要尋找可再生、無毒的天然指示劑來替代合成指示劑。與合成指示劑相比，天然指示劑具有來源廣、成本低、安全性高等優(yōu)點。近年來，多種天然指示劑如花青素、姜黃素等[5]作為指示物在智能包裝中被使用[6-8]。花青素因其來源廣泛，pH響應范圍廣、安全可靠、以及具有抑菌和抗氧化等特性而被廣泛研究[9-10]。本文對花青素的來源、結(jié)構(gòu)及變色機理進行了闡述，總結(jié)了以花青素或富含花青素的提取物為指示劑的pH響應智能包裝膜的制備方法和應用，并對其應用局限性和研究方向進行了分析和展望。

1 花青素的來源及結(jié)構(gòu)

花青素是一類多酚類的黃酮化合物，廣泛存在于花、水果、蔬菜和精選谷物中，使其呈現(xiàn)出不同的顏色，如，橙色、藍色、紫色、粉色和紅色[11-12]?；ㄇ嗨氐姆肿淤|(zhì)量為400～1 200，其基本結(jié)構(gòu)是2-苯基苯并吡喃的糖基化多羥基或聚甲氧基衍生物。羥基的數(shù)量、羥基的甲基化程度以及附著在分子上的糖基的性質(zhì)和數(shù)量造成花青素在結(jié)構(gòu)上的差異[13]，同時，附著在糖上的脂肪酸或芳香酸的位置、性質(zhì)和數(shù)量同樣也影響著花青素的結(jié)構(gòu)。天然花青素主要有矢車菊素、芍藥素、牽牛花素、錦葵素、天竺葵素、飛燕草素6種[14]，其在植物中的分布為：矢車菊素50%，飛燕草素12%，芍藥素12%，天竺葵素12%，錦葵素7%和牽?；ㄋ?%[15-16]。

2 花青素的變色機理

黃酮離子是花青素的顯色基團，它對pH具有高度的敏感性和不穩(wěn)定性。在不同的pH值溶液中，由于離子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變使花青素呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)和顏色。在高酸性條件下(pH<3)，黃酮離子的存在使花青素溶液呈現(xiàn)紅色、紫色或橙色。隨著pH值的增加，黃酮離子在2號位置水化的可能性增加，羥基發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應，黃酮離子在pH值為4～5時轉(zhuǎn)化為甲醇假堿，呈現(xiàn)為無色或淡粉色，并在pH值為6～7時重新排列其結(jié)構(gòu)，形成共振穩(wěn)定的醌基形式。在pH值為7～8時醌基進一步脫質(zhì)子，形成陰離子醌基，使溶液呈現(xiàn)出藍色。在pH>8時形成查爾酮結(jié)構(gòu)，溶液顏色加深，呈現(xiàn)出深褐色[17-18]。

3 花青素pH響應型智能包裝膜的制備方法

在以花青素作為指示劑制備pH響應型智能包裝膜的研究報道中，制膜的方法主要有溶液澆鑄、靜電紡絲、納米顆粒包埋、熱壓和擠壓法等[16,19]。

3.1 溶液澆鑄法

溶液澆鑄法是制備pH響應智能包裝膜研究中使用最廣泛的方法，將配制好的膜液澆鑄在磨具上，在室溫或者特定的溫度下干燥成膜，并將成型的膜置于特定的相對濕度的環(huán)境中存放一段時間后再進行應用。該方法操作簡單，成本低，非常適合實驗室規(guī)模的制備和應用。天然花青素的熱穩(wěn)定性較低，在熱壓或擠壓過程中容易因產(chǎn)生的高溫而分解，因此，溶液澆鑄法有利于維持花青素的穩(wěn)定[20-22]。溶液澆鑄法由于成膜的時間長，處理量少，很難實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。CHEN等[23]從甘薯中提取花青素作為指示劑，采用溶液澆鑄技術(shù)制備了牛至精油-纖維素納米纖維的pH響應納米纖維包裝膜。在pH值為2～12時，納米包裝膜的顏色由紅色變化到黃色。EZATI等[24]采用溶液澆鑄法制備了富含花青素的茜草色素-殼聚糖pH響應復合膜，并用于檢測魚肉的品質(zhì)變化。在酸性條件下膜呈現(xiàn)出微黃色，隨著魚肉貯存時間的延長，膜變?yōu)闇\棕色，表明變質(zhì)開始，最后復合膜呈紫色，表明魚肉完全變質(zhì)。ZHANG等[25]基于溶液鑄造技術(shù)，研制出含游離和微膠囊包埋的桑渣提取物的車前籽膠pH響應膜。該智能膜在pH值為2～12時表現(xiàn)出較大的紅藍色差。桑渣提取物的加入使包裝膜具有較好的性能和經(jīng)濟性，是非常具有潛力的活性、pH敏感的食品包裝材料。

3.2 靜電紡絲法

靜電紡絲是一種用于制備聚合物納米纖維的技術(shù)，在強電場作用下，將不同的大分子均勻地電紡成數(shù)納米量級的超細纖維。因此，靜電紡絲法制備的納米復合纖維具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小、吸光度高等特點，是pH響應型復合膜的潛在候選材料[26-27]。DUAN等[28]采用靜電紡絲技術(shù)，以姜黃素和花青素為指示劑，普魯蘭多糖和甲殼素納米纖維為基質(zhì)，研制了主動智能的靜電紡絲納米纖維包裝膜。在pH敏感性方面，僅含有姜黃素的納米纖維膜對pH響應不敏感，僅含花青素和2種指示劑均有的納米纖維膜顏色隨著pH值的變化發(fā)生顯著變化。KUNTZLER等[29]利用靜電紡絲技術(shù)，采用螺旋藻提取物作為指示劑，以聚乳酸和聚氧化乙烯為膜液制備出智能納米纖維膜。智能膜的顏色在不同pH值下呈現(xiàn)出從棕色到綠色的變化。MAFTOONAZAD等[27]采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚乙烯醇和紅甘藍提取物的納米纖維pH感應膜，并用于評價新鮮棗果的質(zhì)量。隨著鮮棗pH值的降低，膜的顏色由紫色變成深紫色，表明鮮棗完全腐敗。

3.3 納米顆粒包埋法

花青素容易受溫度、光、pH、氧氣等因素影響而發(fā)生降解，采用納米顆?；蚣{米聚合物包埋技術(shù)，可增強其穩(wěn)定性，并提高其顏色變化的顯著性。在pH指示劑的開發(fā)中，纖維素納米纖維、結(jié)冷膠、殼聚糖、淀粉等天然生物聚合物通常作為結(jié)構(gòu)復合材料來承載和穩(wěn)定指示劑[30]。ZHANG等[31]利用殼聚糖和TiO2納米顆粒，以黑李皮提取物為pH指示劑，開發(fā)出一種pH響應食品包裝膜。在不同的pH值下，復合膜呈現(xiàn)出3種不同的顏色，pH值2～6時為紅色，pH值7～12時為藍色，pH值13時為暗黃色。殼聚糖-TiO2納米顆粒的存在有助于保護食品免受紫外和可見光的輻照，也便于觀察顏色變化。研究表明該pH響應包裝膜可用于評價易變質(zhì)食品的新鮮度或變質(zhì)程度。

3.4 熱壓、擠壓法

熱壓和擠壓法是采用熱壓機或擠壓機將含有指示劑的膜液壓縮成膜。該方法可用于包裝薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)，但在熱壓和擠壓過程中容易產(chǎn)生高溫使指示劑分解，降低其敏感性或失去指示性能。這是制約含天然指示劑的pH響應智能膜大規(guī)模生產(chǎn)的主要因素之一。URANGA等[32]將紅甘藍中分離出來的花青素與明膠混合，采用熱壓法制備活性膜。與明膠膜相比，其抗氧化活性、力學性能和疏水性均有所提高，但光學性能略有下降，水蒸氣滲透性提高。GUTIéRREZ等[33]以玉米淀粉、藍莓提取物和納米粘土為原料，采用擠壓法制備pH響應膜。擠出膜未呈現(xiàn)出良好的pH響應性能，這可能是因擠壓過程中色素的降解所致。

4 花青素pH響應型智能包裝膜在食品新鮮 度監(jiān)測中的應用

食品在貯藏的過程中，隨著食物質(zhì)量的變化，食物的pH值也會改變。因此，pH值檢測是評判食品新鮮或變質(zhì)程度的一種方法。在這方面，使用pH響應包裝是實現(xiàn)對食品質(zhì)量實時監(jiān)測的一種簡便易行的方法。食品在貯存期品質(zhì)變化時會發(fā)生一系列生物或化學反應，產(chǎn)生有機酸、揮發(fā)性含氮化合物或硫衍生物等物質(zhì)，可與指示劑作用，使指示劑呈現(xiàn)出明顯的顏色變化，以實時監(jiān)控食品品質(zhì)[34-36]。以花青素為指示劑的pH響應智能包裝已被廣泛研究應用于各類食品的包裝中。目前的研究報道主要集中在對肉制品、奶制品和水產(chǎn)品等食品的新鮮度監(jiān)測。

4.1 肉制品

pH的改變是生鮮肉腐敗變質(zhì)的一個重要的表現(xiàn)因素。揮發(fā)性胺類等是肉類在貯存過程中因微生物降解而產(chǎn)生的代謝物質(zhì)，此類代謝產(chǎn)物會導致肉制品及其包裝環(huán)境的pH發(fā)生顯著的變化[37-38]。GUO等[39]將甜菜根提取物加入西瓜皮果膠中制備pH敏感指示劑膜，并用于監(jiān)測冷藏牛肉在貯藏過程中品質(zhì)的變化。智能膜在較寬的pH值(3～10)范圍內(nèi)均表現(xiàn)出明顯的顏色響應。在對冷藏牛肉的監(jiān)控中，隨著冷藏牛肉的腐敗變質(zhì)，膜的顏色由第0天的粉紅色變?yōu)榈?天的棕色，這表明該智能膜在冷鮮牛肉品質(zhì)監(jiān)測的應用方面具有很大的潛力。ZHU等[40]采用從葡萄皮和山竹皮中提取的天然花青素為指示劑，以木薯淀粉和聚乙烯醇為基質(zhì)制備了智能pH指示膜。在豬肉貯藏期的監(jiān)測中，添加了葡萄皮花青素智能膜的顏色呈現(xiàn)出由粉色、藍色、紫色到黃色的變化，含有山竹皮花青素的智能膜的顏色顯示出淺黃色、亮黃色、綠色到深綠色的變化，表明這2種pH響應包裝膜可用于監(jiān)測豬肉的新鮮度。ZHANG等[41]通過將負載花青素的卵蛋白-海藻酸丙二醇納米復合物加入到聚乙烯醇中制備智能包裝膜，并將其應用于監(jiān)測豬肉的新鮮度。隨著豬肉新鮮度的降低，膜的顏色呈現(xiàn)出由紫紅色到深藍色的顯著變化，表明其可以用于實時監(jiān)測肉制品的新鮮度。KOSHY等[42]利用碳點和蝶豆花花青素制備出智能淀粉基生物高分子薄膜。隨著豬肉貯存時間的延長，薄膜的顏色從紫色變?yōu)榫G色。該膜具有靈敏的pH指示性，可用于檢測包裝豬肉的新鮮度。

4.2 奶制品

奶制品在貯存過程中由于微生物的降解代謝使奶制品的pH值發(fā)生變化。PIRSA等[43]采用石榴皮提取物和香蜂草精油作為活性成分，以殼聚糖為基質(zhì)制備了抗菌生物可降解復合膜并用于奶酪腐敗監(jiān)測。隨著貯藏時間的延長和貯藏溫度的升高，奶酪的pH值發(fā)生變化，因石榴皮中花青素的存在使復合膜的顏色從藍色變?yōu)榧t色，且變化是肉眼可見的，表明該復合膜可以用來估計奶酪的保質(zhì)期。MOAZAMI-GOODARZI等[44]將黑胡蘿卜花青素固定在淀粉基質(zhì)中制備了一種智能新鮮度指示標簽。制備的標簽在4、20 ℃避光和20 ℃光照條件下保存一個月后，在不同的pH值下仍具有顯著的顏色變化，且顏色具有良好的穩(wěn)定性。在對巴氏殺菌后牛奶的貯存監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，該指示標簽可以實現(xiàn)對鮮奶儲藏時開始腐敗和完全腐敗的過程監(jiān)測。

4.3 水產(chǎn)品新鮮度監(jiān)測

目前關(guān)于水產(chǎn)品新鮮度的監(jiān)測報道主要集中在魚、蝦這兩類食品中。魚和蝦在腐敗時會產(chǎn)生揮發(fā)性的含氮化合物。揮發(fā)性含氮化合物呈堿性，對pH值影響較大，因此，可采用pH敏感膜監(jiān)測這類食品中的揮發(fā)性含氮化合物的含量以實現(xiàn)對新鮮度的監(jiān)測[45]。NAGHDI等[46]向馬鈴薯淀粉膜中加入甜菜花青素制備出對pH和氨敏感的食品包裝標簽。在對鱸魚4 ℃貯存的監(jiān)測中，隨著總揮發(fā)性氮的增加，標簽的顏色從粉色變?yōu)辄S色。EZE等[47]以殼聚糖和紫莓香米的酚類提取物為原料，研制了一種多功能比色指示劑膜。該比色膜在pH值為2～12對揮發(fā)性氨有顯著的顏色變化。將其應用于鮮蝦保鮮時，該膜因蝦的變質(zhì)顏色由橙紅色變?yōu)辄S色，表明該膜具有應用于現(xiàn)場視覺檢測海鮮新鮮度的潛力。WEN等[48]以TEMPO氧化細菌纖維素為基質(zhì)，采用富含花青素的百里香和紫薯提取物作為指示劑，制備了一種智能活性膜。在對鮮蝦保鮮研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3個周期后，膜仍保持良好的抗氧化、抗菌和顯色反應性能。BAO等[49]以馬鈴薯淀粉為底物，藍莓花青素為指示劑，制備pH敏感的食品新鮮度指示膜。在4 ℃下應用于蝦的新鮮度監(jiān)測，指示膜靈敏地呈現(xiàn)出由粉紅色到淺灰色，最后到灰綠色的視覺可見的顏色變化，為蝦的新鮮度監(jiān)測提供了一種新穎、高靈敏度的方法。

4.4 花青素pH響應智能包裝膜的局限性

花青素具有來源廣泛、價格低廉、易于與殼聚糖、纖維素或淀粉等環(huán)保型水基聚合物結(jié)合的優(yōu)勢?；ㄇ嗨豴H響應膜在監(jiān)測肉類、奶制品和水產(chǎn)品等食品的新鮮度方面顯示出巨大的潛力。然而目前僅局限在實驗室規(guī)模的研究和應用。這可能是由于，首先花青素具有不穩(wěn)定性，對溫度、pH、氧氣、光等環(huán)境因素敏感，在智能膜的制備過程中易發(fā)生降解；其次，目前各種制膜工藝均存在相應的缺陷，如，溶液澆鑄、靜電紡絲和納米顆粒包埋法不適合大規(guī)模生產(chǎn)，而熱壓、擠壓法容易產(chǎn)生高溫而造成花青素的降解。這使得花青素pH響應智能包裝在實際應用方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。ZHAI等[50]利用結(jié)冷膠、明膠和紅蘿卜花青素制備出智能膜，在相對濕度75%和熒光燈下對不同溫度下貯存30 d的花青素智能膜的顏色穩(wěn)定性進行了測試。隨著膜貯藏時間的延長，紅色逐漸褪去，隨著貯藏溫度的升高，變色更加明顯?；ㄇ嗨卦诟邷叵伦兩怯捎谘趸磻推漭^低的熱穩(wěn)定性造成的，這將降低膜在監(jiān)測時的敏感性。CHAYAVANICH等[51]研究了加入紅蘿卜花青素的明膠-淀粉基智能膜的穩(wěn)定性。由于花青素的熱穩(wěn)定性較低，膜的顏色在室溫下比在冷藏溫度下更不穩(wěn)定。因此，尋找提高花青素穩(wěn)定性的方法、優(yōu)化和開發(fā)新的制膜工藝、研究提高膜的貯藏性能等，以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用將成為今后花青素pH響應智能包裝的研究方向。

5 結(jié)論

智能包裝除了具有常規(guī)包裝的功能外，還兼具對食品質(zhì)量信息監(jiān)測和反饋等功能而備受關(guān)注。pH響應型智能包裝是智能包裝中一種簡便快捷、可以無損監(jiān)測食品新鮮度的方法，為監(jiān)測和反饋食品的新鮮度和腐敗程度提供新的策略?；ㄇ嗨貋碓磸V泛、無毒、pH響應范圍寬、具有抗氧化和抑菌等功能特點，在pH響應型智能包裝中被廣泛研究?；ㄇ嗨豴H響應型智能包裝膜在對肉制品、奶制品和水產(chǎn)品的儲存期新鮮度檢測中表現(xiàn)出顯著的顏色變化，在食品新鮮度監(jiān)控方面顯示出很大的發(fā)展?jié)摿Α５怯捎诨ㄇ嗨氐牟环€(wěn)定性和當前的制膜技術(shù)不夠成熟，限制了由其制備的智能包裝在消費市場中的普遍應用，這也為今后的研究趨勢明確了方向。