咪唑鎓基聚二乙炔時(shí)間-溫度指示器的特性研究

夏遠(yuǎn)芳,曹棟

(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無(wú)錫,214122)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人們生活品質(zhì)提高,食品安全與品質(zhì)得到越來(lái)越多的關(guān)注。在食品流通過(guò)程中,溫度和時(shí)間是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素,但是難以直觀判斷,因此傳統(tǒng)標(biāo)注保質(zhì)期的方式并不能準(zhǔn)確代表其實(shí)際品質(zhì)[1]。此外,人們健康意識(shí)的增強(qiáng)使得更多的消費(fèi)者青睞于無(wú)添加、短保質(zhì)期食品,而這類產(chǎn)品往往只提供簡(jiǎn)易包裝甚至無(wú)包裝,并且很容易因貯存、運(yùn)輸不當(dāng)發(fā)生微生物污染、過(guò)氧化值超標(biāo)等食品安全問(wèn)題。因其保質(zhì)期較短,在食品安全抽檢中短保食品常出現(xiàn)檢驗(yàn)報(bào)告發(fā)出時(shí)樣品已超過(guò)保質(zhì)期的情況[2],報(bào)告結(jié)果效力存在疑問(wèn),并且不便于消費(fèi)者對(duì)食品品質(zhì)的實(shí)時(shí)判斷。時(shí)間-溫度傳感器(time-temperature indicator, TTI)可監(jiān)測(cè)、記錄和傳達(dá)食品經(jīng)歷的時(shí)間-溫度歷史[3],尤其對(duì)高溫暴露響應(yīng)靈敏,可以通過(guò)顏色變化等易感知的方式讓消費(fèi)者掌握產(chǎn)品質(zhì)量、剩余貨架期等信息。

已有報(bào)道的TTI類型包括酶型[4]、美拉德反應(yīng)型[5]、擴(kuò)散型[6]、聚合反應(yīng)型[7]等,主要應(yīng)用于冷凍和冷藏產(chǎn)品。MENG等[8]基于葡萄糖淀粉酶微膠囊開發(fā)了一種固態(tài)酶促時(shí)間溫度指示劑,在4 ℃條件下指示冷凍新鮮豬肉的時(shí)間-溫度歷史。酶型TTI在長(zhǎng)期貯藏過(guò)程中,溫度變化導(dǎo)致酶不穩(wěn)定和不可逆失活,會(huì)造成巨大成本[9]。擴(kuò)散型TTI由溫感部分與顯示部分組成,通過(guò)有色擴(kuò)散邊界移動(dòng)來(lái)指示產(chǎn)品品質(zhì)。其一端固定熔融物質(zhì)需要硬殼保護(hù)體積較大,且溫敏性低,因此純粹基于物理擴(kuò)散的TTI正逐漸被淘汰[10]。二乙炔類時(shí)間-溫度指示器顏色變化明顯,通過(guò)復(fù)配其他物質(zhì)或改性等方式調(diào)控其溫度敏感性,可操作性強(qiáng)[11],可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)定制TTI。此外,相比于溫度感知與顯示器兩部分分離的擴(kuò)散型TTI,二乙炔類指示劑同時(shí)進(jìn)行溫度感知與顯示,可制成油墨噴涂于外包裝或不干膠標(biāo)簽等形式[12-13],應(yīng)用于對(duì)食品品質(zhì)的監(jiān)測(cè),使用方便有利于商業(yè)化。聚二乙炔(polydiacetylenes, PDAs)是被研究的溫度敏感變色材料最多的化合物之一[11],目前已有聚二乙炔在時(shí)間溫度指示劑方面的相關(guān)研究。GOU等[14]在聚二乙炔的懸浮液中加入兩親性聚合物,認(rèn)為聚二乙炔/兩親性聚合物體系可以在10～50 ℃應(yīng)用于時(shí)溫色敏傳感器,但是外加物質(zhì)的體系變色速度過(guò)快,適用范圍有限。邱靈敏[15]構(gòu)建了一種由聚二乙炔脂質(zhì)體的凝膠微球和吐溫20溶液組成的TTI,可以較準(zhǔn)確地指示三文魚的貨架壽命,但是所添加的吐溫20溶液易泄露導(dǎo)致對(duì)TTI包裝要求高。

對(duì)PDAs變色機(jī)理的研究表明,可通過(guò)化學(xué)修飾改變側(cè)鏈基團(tuán)調(diào)控聚二乙炔的變色性能[16-20],以達(dá)到良好的指示性能。作為富含電子的芳香族雜環(huán)化合物, 咪唑類受體因能形成較強(qiáng)的(C-H)+…X-離子氫鍵而受到廣泛研究[21]。基于咪唑鎓基聚二乙炔開發(fā)的各類傳感器已有報(bào)道[21-23],但應(yīng)用于時(shí)溫傳感器的研究卻很少。因此,本文構(gòu)建了咪唑鎓基聚二乙炔復(fù)合體,研究時(shí)間-溫度對(duì)其變色影響。本文所提出的咪唑鎓基聚二乙炔復(fù)合體具有適用時(shí)間-溫度范圍廣、響應(yīng)靈敏、無(wú)損監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì),在實(shí)現(xiàn)連續(xù)記錄食品、藥品等產(chǎn)品經(jīng)歷的時(shí)間-溫度歷史對(duì)于品質(zhì)的影響方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

10,12-二十五二炔酸(10,12-pentacosadiynoic acid, PCDA)、1-(3-氨基丙基)咪唑、二氯甲烷、無(wú)水甲醇、乙腈、硅膠(200～300目),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;N,N’-二環(huán)己基碳二亞胺(N,N’-dicyclohexylcarbodiimide, DCC),北京伊諾凱科技有限公司,N-羥基琥珀酰亞胺(N-hydroxysuccinimide, NHS)、碘甲烷(CH3I),上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

三用紫外分析儀,邦西儀器科技(上海)有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海亞榮儀器有限公司;BCD-226SK型冰箱,青島海爾股份有限公司;UV-2450型紫外可見分光光度計(jì),日本島津公司;Avance Ⅲ 400 MHz型全數(shù)字化核磁共振波譜儀,德國(guó)布魯克公司;NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀,美國(guó)尼高力儀器公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 咪唑鎓基聚二乙炔復(fù)合體{3-methyl-1-[3-(pentacosa-10,12-diynamido)propyl]-1H-imidazol-3-ium, PCDA-IUM}的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[21],在含有0.75 g(2.01 mmol)PCDA的二氯甲烷(20 mL)溶液中,加入300 mg(2.61 mmol)NHS和600 mg(2.91 mmol)DCC。將此溶液在室溫下N2保護(hù)攪拌過(guò)夜。濾除白色沉淀物后的濾液經(jīng)旋蒸濃縮,以二氯甲烷為洗脫劑經(jīng)硅膠柱層析純化,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后得到PCDA-NHS。將PCDA-NHS加入含有500 mg(4.0 mmol)1-(3-氨基丙基)咪唑的二氯甲烷(10 mL)溶液中,室溫下攪拌反應(yīng)24 h,反應(yīng)后的混合物經(jīng)旋蒸濃縮后,通過(guò)硅膠柱層析[V(甲烷)∶V(甲醇)=97∶3]純化得到PCDA-IM中間產(chǎn)物。在含有0.25 g (0.52 mmo1)PCDA-IM的乙腈(20 mL)溶液中,加入400 mg(2.81 mmol)CH3I,將溶液在85 ℃下回流過(guò)夜。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后,得到高純度單體PCDA-IUM。

1.3.2 聚二乙炔的制備

根據(jù)文獻(xiàn)[22]方法,修改如下:稱取4.96 mg PCDA-IUM和3.75 mg PCDA,加入20 mL去離子水,將此溶液在80 ℃水浴超聲30 min,超聲完成后冷卻至室溫,過(guò)濾后的溶液在冰箱中于4 ℃自組裝至少12 h。自組裝后的溶液置于254 nm紫外光下照射3 min,聚合得到藍(lán)色的聚PCDA/PCDA-IUM(物質(zhì)的量之比為1∶1)溶液,貯存于4 ℃冰箱備用。聚PCDA、聚PCDA-IUM及其他比例的復(fù)合體依比例稱取相應(yīng)量,按照上述方法制備。

1.3.3 紅外光譜表征

聚PCDA、聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)、聚PCDA-IUM溶液經(jīng)凍干處理,得到固體樣品。使用NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀直接對(duì)固體樣品進(jìn)行光譜掃描。波長(zhǎng)范圍為650～4 000 cm-1,以空氣為背景,掃描次數(shù)為32。

1.3.4 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM的變色溫度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各取0.15 mL不同比例的聚二乙炔溶液加入裝有1.35 mL去離子水的試管中,置于不同溫度(25～80 ℃)水浴中孵育10 min,在日光條件下拍照記錄不同溫度溶液的顏色變化。通過(guò)紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定其紫外-可見吸收光譜,狹縫寬度為2.0 nm,波長(zhǎng)范圍為400～700 nm。使用比色響應(yīng)(colorimetric response, CR)表示聚二乙炔由藍(lán)向紅的顏色轉(zhuǎn)變程度,CR越大表明顏色轉(zhuǎn)變程度越大,其計(jì)算如公式(1)和公式(2)所示[24]:

(1)

(2)

式中:CR,溶液的比色響應(yīng),%;Ablue,溶液在藍(lán)相特征峰對(duì)應(yīng)的吸光度值;Ared,溶液在紅相特征峰對(duì)應(yīng)的吸光度值;PB0,溶液在初始溫度下的藍(lán)相百分比,%;PB1,溶液在不同溫度不同時(shí)間的藍(lán)相百分比,%。

1.3.5 不同濃度聚PCDA/PCDA-IUM的變色壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)用去離子水配制成0.01、0.05、0.1、0.2、0.3 mmol/L濃度體系。將不同濃度體系分別置于30、35、40 ℃水浴中,使用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量不同時(shí)間溫度的體系在640、545 nm的吸光度值,并計(jì)算CR。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚PCDA/PCDA-IUM的結(jié)構(gòu)表征

本文合成的PCDA-IUM通過(guò)1H NMR和13C NMR進(jìn)行表征,結(jié)果與先前報(bào)道基本一致[21]。1H NMR (CDCl3,600 MHz) δ (ppm):9.84 (d,J=1.7 Hz, 1H), 7.77 (t,J=1.8 Hz, 1H), 7.37 (t,J=1.9 Hz, 1H), 4.40 (t,J=6.5 Hz, 2H), 4.04 (s, 3H), 3.26 (q,J=6.0 Hz, 2H), 2.28～2.19 (m, 8H), 1.59～1.22 (m, 32H), 0.84 (t,J=7.0 Hz, 3H)。13C NMR (CDCl3,151 MHz) δ(ppm):173.870、136.105、122.219、122.170、64.246, 46.573、35.995、30.904、29.309、28.616、28.471、28.331、28.278、28.091、27.961、27.828、27.366、24.835、21.675、18.198、13.120。

2.2 比例對(duì)聚PCDA/PCDA-IUM變色溫度的影響

如圖2所示,分別是不同物質(zhì)的量之比(10∶0、6∶4、5∶5、4∶6、0∶10)的聚PCDA/PCDA-IUM經(jīng)歷不同加熱溫度后的顏色變化。PCDA含量不同,聚PCDA/PCDA-IUM變色溫度不同,因此調(diào)整復(fù)合體比例可以得到適用于不同溫度范圍的指示劑。純聚PCDA(10∶0)加熱至60 ℃變成橘紅色,這是由于溫度升高促進(jìn)聚PCDA中尾部的烷基、頭部羧基和共軛主鏈的熱運(yùn)動(dòng),分子鏈的鏈段重排,從而引發(fā)顏色轉(zhuǎn)變[24]。相比于聚PCDA與聚PCDA-IUM,復(fù)合體的變色溫度降低10～35 ℃。其中,聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)于25 ℃變成藍(lán)紫色,30 ℃變成粉紅色,該變色溫度范圍適用于多數(shù)常溫貯存、運(yùn)輸食品的流通環(huán)境溫度。并且撤去加熱條件后,顏色并未恢復(fù),說(shuō)明該體系變色不可逆。

圖2 不同比例的聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度下的照片F(xiàn)ig.2 Photographs of different ratios of poly PCDA/PCDA-IUM at different temperatures

聚二乙炔的顏色轉(zhuǎn)變通常伴隨可見光光譜從低能帶到高能帶的顯著轉(zhuǎn)變[8]。如圖3所示,分別是不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的紫外可見光譜圖。隨著溫度升高,聚二乙炔的最大吸收峰波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。聚PCDA、聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)和聚PCDA-IUM的吸收峰分別從655、640、626 nm(藍(lán)相特征峰)藍(lán)移至545 nm(紅相特征峰)左右,符合聚二乙炔由藍(lán)向紅色轉(zhuǎn)變的特征峰。在這5種比例體系中,相較于未升溫的初始對(duì)照,聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)的藍(lán)相特征峰在溫度升至30 ℃時(shí)即顯著下降(圖3-c),伴隨紅相特征峰大幅上升,對(duì)應(yīng)于圖2中在30 ℃時(shí)明顯的肉眼可見變色。

a-10∶0;b-6∶4;c-5∶5;d-4∶6;e-0∶10圖3 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的紫外光譜Fig.3 UV-Vis spectra of poly PCDA/PCDA-IUM with different molar ratios at different temperatures

為了量化5種聚二乙炔的變色結(jié)果,采用CR定量計(jì)算其顏色轉(zhuǎn)變程度。CR越大,材料的顏色轉(zhuǎn)變程度越大[24]。如圖4所示,不同比例聚二乙炔的CR在升溫的過(guò)程中逐漸增大,對(duì)應(yīng)于圖2中由藍(lán)向紅色轉(zhuǎn)變程度的增加。其中,聚PCDA、聚PCDA-IUM和聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)分別在60、45、30 ℃左右驟增;在70、50、35 ℃到達(dá)肉眼可見變色終點(diǎn),對(duì)應(yīng)值分別為23.9%、90.9%、96.2%。聚PCDA/PCDA-IUM的CR高于其他比例體系,尤其在30 ℃時(shí),說(shuō)明其變色程度更高,這與圖2拍攝記錄的變色情況一致。結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系對(duì)熱刺激響應(yīng)更靈敏,因此選擇物質(zhì)的量之比為1∶1的體系進(jìn)行后續(xù)研究。

圖4 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的CRFig.4 The CR of poly PCDA/PCDA-IUM with different molar ratios at different temperatures

2.3 濃度對(duì)聚PCDA/PCDA-IUM變色壽命的影響

如圖5所示,聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)在30～40 ℃發(fā)生明顯肉眼可見顏色轉(zhuǎn)變,不同濃度、溫度條件下,顏色轉(zhuǎn)變情況不同。但隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng),顏色都不再發(fā)生明顯變化。這表明了聚PCDA/PCDA-IUM熱致變色具有時(shí)間累積效應(yīng),存在變色壽命。以0.3 mmol/L為例,在40 ℃時(shí)加熱1 min即從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)槌燃t色,并且隨著時(shí)間延長(zhǎng),顏色不再發(fā)生明顯變化,可認(rèn)為已到達(dá)變色終點(diǎn);35 ℃時(shí)加熱1 min體系仍呈現(xiàn)紫色,直至72 h才轉(zhuǎn)變?yōu)槌燃t色;而在30 ℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌燃t色需要168 h。這是因?yàn)闇囟仍礁?聚二乙炔變色速率越快[13]。如圖5-a所示,在30 ℃條件下,聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系濃度從0.01 mmol/L提高至0.3 mmol/L,到達(dá)變色終點(diǎn)的時(shí)間從3 min延長(zhǎng)至168 h左右,推測(cè)在此基礎(chǔ)上提高體系濃度,可進(jìn)一步延長(zhǎng)變色壽命。

為了定量聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)的變色程度與時(shí)間的關(guān)系,建立了CR與時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖6所示。對(duì)于物質(zhì)的量之比為1∶1的復(fù)合體體系,40 ℃溫度較高,以致不同濃度體系的CR在1 min左右快速升至最大值并趨于穩(wěn)定;在30 ℃條件下,隨著濃度的提高,CR達(dá)到最大值的時(shí)間顯著延長(zhǎng),CR變化的趨勢(shì)與圖5記錄的顏色變化一致。進(jìn)一步證明了聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)所在環(huán)境溫度越高,變色壽命越短。恒溫條件下,通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系濃度,可以得到不同熱致變色壽命的復(fù)合體。

a-30 ℃;b-35 ℃;c-40 ℃圖6 不同濃度聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)在不同溫度的CR與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the CR values and time of poly PCDA/PCDA-IUM (1∶1) with different concentrations at different temperatures

3 結(jié)論

本文將咪唑鎓基修飾的二乙炔單體與PCDA單體復(fù)配,得到的聚二乙炔復(fù)合體顯著降低了聚PCDA的變色溫度。其中,PCDA/PCDA-IUM(1∶1)在25 ℃即可發(fā)生肉眼可見的顏色轉(zhuǎn)變,且可以通過(guò)改變比例調(diào)整變色溫度,擴(kuò)大應(yīng)用溫度范圍。聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度下的顏色變化具有時(shí)間累積效應(yīng),隨著時(shí)間的延長(zhǎng)變色程度逐漸提高,到達(dá)變色終點(diǎn)后趨于穩(wěn)定,提高聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)濃度顯著延長(zhǎng)其變色壽命。因此,其在指示長(zhǎng)保質(zhì)期產(chǎn)品的貨架期和監(jiān)測(cè)短保質(zhì)期食品的品質(zhì)變化方面都有廣泛的應(yīng)用前景。