負(fù)載天然色素的生物基智能包裝指示器研究進(jìn)展

雷 橋, 張文惠

(1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院, 上海 201306; 2.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心, 上海 201306)

智能包裝是一種能夠?qū)崿F(xiàn)智能功能(如檢測、傳感、記錄、跟蹤、通信)的包裝系統(tǒng),能促進(jìn)決策,延長貨架期,增強食品安全性,提高食品質(zhì)量,提供食品相關(guān)信息,并預(yù)警潛在風(fēng)險[1]。智能包裝不僅能提供有關(guān)產(chǎn)品本身的信息(產(chǎn)地、理論有效期、成分等),而且還能告知產(chǎn)品內(nèi)部環(huán)境的相關(guān)信息(儲存條件、頂空氣體成分、微生物生長等)。歐共體框架法規(guī)《食品接觸材料框架法規(guī)》 1935/2004、450/2009、2020中,承認(rèn)智能包裝為一類控制包裝食品狀態(tài)或周圍環(huán)境的材料和物體,該系統(tǒng)通常作為標(biāo)簽黏附、復(fù)合或印刷于食品包裝材料上,以此檢查產(chǎn)品質(zhì)量,跟蹤關(guān)鍵指標(biāo),并在整個食品供應(yīng)鏈(存儲、運輸、分銷)中提供更詳細(xì)的信息[2]。

在產(chǎn)品-包裝-環(huán)境相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)中,智能包裝旨在向制造商、零售商或消費者傳達(dá)與食品質(zhì)量相關(guān)的信息,不直接延長食品保質(zhì)期,也不具備活性包裝(active packaging)的活性成分釋放/吸收功能。因此,活性包裝被視為傳統(tǒng)食品包裝保護(hù)和保藏功能的延伸,而智能包裝被視為其通信和營銷功能的延伸[3]。

近年來,新型環(huán)保包裝材料的開發(fā)以及創(chuàng)新的包裝理念正驅(qū)動著市場,使用可生物降解和可再生材料成為保護(hù)環(huán)境、廢棄物綜合利用的必然選擇和研究熱點。為此,生物聚合物應(yīng)運而生,引領(lǐng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展。歐洲生物聚合物組織將生物聚合物定義為生物基(部分或全部)或可生物降解的塑料材料,或兼具2種特性的材料?！吧锘笔侵覆牧匣虍a(chǎn)品來源于生物質(zhì),“可生物降解”是指它可以通過環(huán)境中可用的活生物體降解為基本物質(zhì),如水、二氧化碳、甲烷、基本元素和生物質(zhì)[4]。生物聚乙烯(bio-PE)、生物聚對苯二甲酸乙二醇酯(bio-PET)、生物聚丙烯(bio-PP)等材料雖然屬于生物基,但不可生物降解;聚己二酸丁二烯-對苯二甲酸酯(PBAT)、聚乙烯醇(PVA)、聚己內(nèi)酯(PCL)等材料可生物降解但并不屬于生物基;既屬于生物基又可生物降解的材料包括多糖(淀粉、纖維素、殼聚糖等)、蛋白質(zhì)(膠原蛋白、明膠、大豆蛋白、玉米醇溶蛋白、小麥面筋等)、脂質(zhì)(脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯、米糠脂)、改性生產(chǎn)的生物基材料(醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、硝酸纖維素、再生纖維素、羧甲基纖維素、木質(zhì)纖維素產(chǎn)品、殼聚糖等)、可再生生物基單體化學(xué)合成的聚乳酸(PLA)以及由微生物或轉(zhuǎn)基因細(xì)菌產(chǎn)生的聚合物[聚羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)、聚羥基鏈烷酸酯(PHA)和細(xì)菌纖維素]等[5]。

目前,多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及其復(fù)合物已被應(yīng)用于智能包裝研究中,由這些物質(zhì)復(fù)合制備而成的材料能夠起到協(xié)同增效的作用,提高薄膜的機械性能和阻氣、阻濕性能。使用既屬于生物基又可生物降解的包裝材料能夠真正實現(xiàn)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展,以此減輕傳統(tǒng)包裝材料造成的環(huán)境、公共健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

生物基智能包裝指示器旨在直觀地傳達(dá)給消費者某種物質(zhì)是否存在,2種或多種物質(zhì)之間反應(yīng)的程度或特定物質(zhì)或一類物質(zhì)含量等有關(guān)的信息。例如,通過顏色(或顏色強度)變化或染料擴(kuò)散提供有關(guān)食物的即時信息(視覺,定性或半定量)[6];通過視覺變化報告產(chǎn)品或其環(huán)境的變化(溫度、pH值):時間-溫度指示器(TTI)、氧氣指示器、舒適指示器和新鮮度指示器等[7]。

隨著多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等可生物降解基材薄膜的研發(fā)及應(yīng)用,與之相應(yīng)的智能包裝不再局限于傳統(tǒng)的物理、化學(xué)、電化學(xué)指示器和傳感器,而是對生物傳感器提出了更深、更廣泛的需求。為此,本研究基于可生物降解的生物基薄膜載體,從天然色素指示劑成分,指示器類型、特點以及應(yīng)用等方面對近年來的生物基智能包裝指示技術(shù)展開分析。

1 天然色素類生物基智能包裝膜指示劑

指示劑被定義為通過特征變化,尤其是顏色變化來指示另一種物質(zhì)的存在、不存在,含量,或2種或多種物質(zhì)之間反應(yīng)程度的物質(zhì)。與傳感器相比,指示器不由接收器和傳感器組件組成,而是通過視覺變化直接向消費者傳達(dá)信息[8]。以新鮮度指示器為例,其原理如圖1。

圖1 生物基新鮮度指示器原理Fig.1 Principle of bio-based freshness indicator

負(fù)載天然色素的生物基指示器的主要制備工藝如圖2[9],包括輥筒流延成型、熱壓成型和平版澆注成型等方法,整個生產(chǎn)過程包括磁力攪拌、加熱溶解、混合、均質(zhì)、冷卻、擠出、澆注、流延、熱壓和干燥等系列單元操作。天然色素在適當(dāng)?shù)臏囟群蜁r間條件下均勻混合于生物基聚合物載體(糖類、蛋白質(zhì)、脂類及其復(fù)合物)中,形成成膜溶液,通過成膜溶液中溶劑的干燥蒸發(fā)成型。其中,干燥溫度受限于天然色素中活性物質(zhì)的熱敏性。流延法和熱壓法適用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn),但高溫?zé)崽幚頃μ烊簧氐姆€(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響;澆注平版法對天然色素的影響較小,但尚不能實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn),適用于實驗室研究。

圖2 生物基新鮮度指示器制備工藝Fig.2 Preparation process of bio-based freshness indicator

傳統(tǒng)包裝多使用二甲酚、溴甲酚藍(lán)、甲基紅等一些合成色素作為智能包裝指示劑[10],這類化合物存在潛在的毒性與致突變性,從健康角度出發(fā),不適用于食品包裝材料。因此,開發(fā)可再生、無毒的天然色素指示劑取代此類有毒染料潛力可期,其作為食品接觸材料不但能夠提高食品安全性,同時也滿足了消費者對安全食品的期望。絕大多數(shù)天然色素來源于植物,如花青素、葉綠素、姜黃素、甜菜素等(圖3[11])。天然色素與合成色素的對比如表1。

表1 天然色素與合成色素對比

圖3 基于天然色素的pH感應(yīng)智能指示薄膜Fig.3 pH-Sensitive smart packaging films based on natural food colorants

1.1 花青素指示劑

花青素作為一種水溶性色素,主要來源于紫甘藍(lán)、黑枸杞、藍(lán)莓等植物,是目前研究最為廣泛的植物化合物之一?；ㄇ嗨氐墓δ芎臀锢硇再|(zhì)主要受其來源多樣化的影響。目前,自然界中發(fā)現(xiàn)的花青素種類已經(jīng)高達(dá)600多種[12]?；ㄇ嗨馗鶕?jù)苯環(huán)上的取代基分為6種常見的形式:天竺葵素(pelargonidin)、矢車菊素(cyanidin)、芍藥素(peonidin)、矮牽牛素(petunidin)、飛燕草素(delphinidin)和錦葵素(malvidin)?；ㄇ嗨鼐哂械湫偷腃6-C3-C6骨架結(jié)構(gòu),根據(jù)B環(huán)上羥基和甲氧基的數(shù)目和取代基位置的不同,花青素會發(fā)生不同顏色的變化,并且結(jié)構(gòu)隨著pH值的變化而改變。圖4為花青素在不同pH值下結(jié)構(gòu)的變化[13]。當(dāng)處于強酸條件下時,花青素溶液主要以黃烊鹽離子存在,呈現(xiàn)紅色;隨著pH值的增大,C環(huán)氧上的陽離子發(fā)生水合反應(yīng),變成無色的甲醇假堿;當(dāng)pH值逐步趨于堿性時,其主要結(jié)構(gòu)為喹啉堿,從而變?yōu)樗{(lán)色/紫色;當(dāng)pH值進(jìn)一步增大時,查爾酮結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位,出現(xiàn)黃色[14]。

圖4 不同pH值時花青素結(jié)構(gòu)的變化Fig.4 Change of anthocyanin structure at different pH

因此,花青素可以作為pH指示劑,用于智能包裝中監(jiān)測食品的新鮮度。此外,花青素具有較強的抗菌和抗氧化性能,這些性能對食品包裝貯藏也發(fā)揮了重要作用。溫度、濕度、氣體、壓力、光、化學(xué)反應(yīng)(溶劑、酶、金屬離子)等環(huán)境條件也影響著花青素的變化,據(jù)此,時間-溫度指示器、氣體指示器也都有望將花青素作為指示劑使用。

1.2 葉綠素指示劑

葉綠素存在于各種綠色植物中,具有抗氧化特性和高營養(yǎng)價值,可通過清除自由基來防止細(xì)胞的氧化損傷,并通過與胃腸道結(jié)合來幫助清除致癌物,抑制癌細(xì)胞生長[15]。pH值影響下葉綠素轉(zhuǎn)化為脫鎂葉綠素是綠色蔬菜變色的關(guān)鍵原因。在結(jié)構(gòu)上,葉綠素以卟啉環(huán)為主要結(jié)構(gòu),環(huán)狀對稱四吡咯,中心金屬原子為鎂,葉綠醇疏水基易于與氧氣發(fā)生反應(yīng),并導(dǎo)致活性氧的形成,氧化其他有機化合物,包括脂類和蛋白質(zhì)等。在酸性條件下,葉綠素脫去鎂離子變成脫鎂葉綠素,顏色從綠色變成橄欖綠(圖5)。研究表明:葉綠素a和葉綠素b的分解速度會隨著pH值的降低而加快,大部分分解發(fā)生于pH值小于4時;當(dāng)pH值大于11時,葉綠素的分解速度將減慢[16]。葉綠素不但與花青素一樣可以用于食品新鮮度的監(jiān)測,也可以監(jiān)測包裝內(nèi)部的氧氣環(huán)境,作為氣體指示器的指示劑應(yīng)用于智能包裝中。

圖5 不同pH值時葉綠素結(jié)構(gòu)的變化Fig.5 Change of chlorophyll structure at different pH

1.3 姜黃素指示劑

姜黃素是一種多酚類化合物,難溶于水,易溶于有機溶劑,大多從姜科植物的根莖中提取。姜黃素是由七碳鏈(庚烷)連接2個芳基組成,2個環(huán)上都連有一個羥基和一個甲氧基取代基。姜黃素對pH值十分敏感,它會影響姜黃素的酮-烯醇平衡,見圖6。當(dāng)溶液呈酸性時,姜黃素結(jié)構(gòu)主要為酮式;當(dāng)溶液呈堿性時,主要為烯醇式[17]。酮-烯醇的平衡雖然賦予了姜黃素較高的pH值敏感性,但也成為了其穩(wěn)定性低、溶解度低的主要原因。 姜黃素可以作為新鮮度指示器的指示劑監(jiān)測食品的新鮮度。此外,溫度也對姜黃素的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,可以將姜黃素作為溫度指示劑應(yīng)用于智能包裝中。但由于姜黃素溶解度低,且顏色變化從黃色到橙紅色,不如花青素明顯,具有一定的局限性。

圖6 不同pH值時姜黃素結(jié)構(gòu)的變化Fig.6 Changes of curcumin structure at different pH

1.4 甜菜素指示劑

甜菜素是水溶性酚類色素,從甜菜根、紅火龍果、仙人掌果等植物中獲得,其中,紅火龍果皮是甜菜素的主要來源,具有抗菌、抗氧化、抗血脂和抗癌等特性[18]?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致甜菜素顏色不同,根據(jù)顏色可將其分為甜菜紅素和甜菜黃素,均由同一個前體物質(zhì)——甜菜醛氨酸分別與環(huán)多巴和氨基化合物縮合而成。不同pH值時甜菜素的結(jié)構(gòu)見圖7。甜菜素較花青素更為穩(wěn)定, pH值為3～8時,結(jié)構(gòu)不受影響,呈穩(wěn)定的紫紅色;當(dāng)pH≥8時,甜菜紅素發(fā)生水解,顏色呈黃色。除pH值外,溫度、濕度、氣體、光照、金屬離子等多種因素都會影響甜菜素的穩(wěn)定性[19]。與花青素一樣,甜菜素可以作為新鮮度指示器、時間-溫度指示器和氣體指示器的指示劑使用,同時還能賦予包裝薄膜抑菌抗氧化的功能。

圖7 不同pH值時甜菜素結(jié)構(gòu)的變化Fig.7 Change of betaine structure at different pH

2 色素類生物基智能指示器研究進(jìn)展

生物基智能指示器根據(jù)材料的功能特性分為3類:新鮮度指示器、時間-溫度指示器和氣體指示器。

2.1 生物基新鮮度指示器

2.1.1作用機理

新鮮度指示器的制備及功能見圖8[20]。新鮮度指示器由固相載體和對pH值變化敏感的染料2個重要的部分組成[21],它提供了食品中微生物生長或化學(xué)變化導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量變化的直觀信息。產(chǎn)品質(zhì)量變化使食物內(nèi)部pH值改變,而指示器顏色會隨著pH值的顯著變化而發(fā)生改變[11, 22]。微生物的生長與pH值的改變有關(guān),因為pH值的升高與降低和微生物的代謝產(chǎn)物相關(guān),如大腸桿菌在繁殖過程中產(chǎn)生甲酸等物質(zhì),在微生物實驗中也會以產(chǎn)酸產(chǎn)氣作為其培養(yǎng)成功的標(biāo)準(zhǔn);一些霉菌會分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨氣(NH3),使環(huán)境呈現(xiàn)堿性。除了微生物的作用,食品中的酶也會分解蛋白質(zhì)、糖和脂肪等物質(zhì),產(chǎn)生酸性的硫化氫(H2S)和堿性的NH3。此外,油脂酸敗等非酶作用也會使包裝環(huán)境中的pH值發(fā)生改變。由于新陳代謝和微生物的生長,果蔬、乳制品的pH值會隨著貯藏期間有機酸含量的變化而變化,而揮發(fā)性鹽基氮類化合物,如二甲胺、三甲胺、組胺、酪胺的產(chǎn)生會導(dǎo)致高蛋白食品(肉類、海鮮等)的pH值變化[23],將新鮮度指示器應(yīng)用于這些食品包裝中,可直觀地向食品制造商、零售商和消費者提供食品品質(zhì)的信息(圖9[24]),從而避免食物的浪費。

圖8 生物基新鮮度指示器的制備及功能Fig.8 Preparation and function of bio-based freshness indicator

圖9 生物基新鮮度指示器的視覺表達(dá)Fig.9 Visual representation of bio-based freshness indicators

2.1.2研究概況

一些研究使用人工合成色素作為新鮮度指示劑[25-27],雖然相較于天然色素其著色效果更好、穩(wěn)定性更高,但從消費者健康角度出發(fā)并不可取,因此,采用無毒、安全且能再生的天然色素作為新鮮度指示劑是理想的替代方案?；ㄇ嗨?、葉綠素、姜黃素、甜菜素均為對pH值敏感的色素,都能隨pH值的變化產(chǎn)生結(jié)構(gòu)及顏色的改變。

花青素在強酸條件下穩(wěn)定性較高,隨著pH值的增大,顏色逐漸偏藍(lán),并在堿性下變?yōu)辄S色,但由于花青素的來源不同,顏色的變化也不盡相同。Zhang等[28]從紫荊花中提取花青素作為染料,以殼聚糖為基材制備薄膜,在pH值從2.2升至9.0時,薄膜的顏色由紅色變?yōu)榫G色。將該薄膜應(yīng)用于豬肉和魚肉包裝實驗,發(fā)現(xiàn)pH值與豬肉和魚肉樣品的新鮮度密切相關(guān),豬肉和魚肉在25 ℃下放置12 h,薄膜顏色均無明顯改變;12 h后隨著微生物的繁殖和蛋白質(zhì)的分解,內(nèi)部環(huán)境的pH值逐漸升高,薄膜由紫色轉(zhuǎn)為棕色,其中,豬肉包裝在24 h后薄膜由棕色變?yōu)榫G色,直至48 h后完全變綠;魚肉包裝則在16 h后開始發(fā)綠, 24 h后完全變綠。You等[29]以黑加侖花青素為染料,將其加入魔芋葡甘露聚糖羧甲基纖維素復(fù)合基質(zhì)中制備智能指示膜,在pH值從 2升至12時,薄膜顏色由紅色逐漸變?yōu)辄S色,將其用于鯽魚包裝,發(fā)現(xiàn)隨著鯽魚的腐變,24 h后薄膜開始起皺;36～48 h時,薄膜由粉紫色變?yōu)闇\黃色,隨著時間的延長黃色逐漸加重?；ㄇ嗨氐募尤雽Ρ∧さ男阅芤矔a(chǎn)生影響,因其自身的功能特性,可提高薄膜的抗氧化性能,并且因花青素與成膜基質(zhì)的分子間相互作用,薄膜的交聯(lián)度增強,機械性能和熱穩(wěn)定性提高[30]。

葉綠素相較于其他色素穩(wěn)定性更強,在酸性條件下,其分子結(jié)構(gòu)中心的鎂離子被氫離子取代,形成褐色的脫鎂葉綠素,使顏色變深。Chavoshizadeh等[31]觀察到含有葉綠素的面筋膜可延長芝麻油的保質(zhì)期,還可依據(jù)顏色的改變感知油脂的氧化酸敗信號。

姜黃素比花青素更為穩(wěn)定,在堿性條件下會逐漸變紅,并且比酸性條件下更加穩(wěn)定。此外,姜黃素難溶于水的特性還能提高薄膜的耐水性。Li等[32]以大豆分離蛋白和姜黃素為原料,采用共混合pH值驅(qū)動的方法制備了不同的智能比色膜。實驗發(fā)現(xiàn)加入了姜黃素的薄膜具有更高的延展性和耐水性,并且在蝦的貯藏實驗中發(fā)現(xiàn)薄膜顏色的變化與蝦的腐敗存在關(guān)聯(lián)。

甜菜素通常比花青素穩(wěn)定,其穩(wěn)定pH值為 4～6。Kanat[33]研制了含有莧菜葉提取物的智能包裝薄膜,并將其用于監(jiān)測魚和雞肉的新鮮度,薄膜顯示顏色從紅色到黃色的明顯變化,這與pH值、揮發(fā)性鹽基氮和微生物數(shù)量的變化都具相關(guān)性。

隨著綠色包裝的發(fā)展及科技的進(jìn)步,更多先進(jìn)的生產(chǎn)工藝逐步應(yīng)用于新鮮度指示器。Aghaei等[34]利用靜電紡絲技術(shù)制備了醋酸纖維素納米纖維指示器,并將其用于監(jiān)測虹鱒魚的新鮮狀態(tài),隨著虹鱒魚的腐變,納米纖維指示器的顏色由黃色轉(zhuǎn)為紫色。近年來,電化學(xué)書寫方法已被成功應(yīng)用,Wu等[35]采用了一種在多糖薄膜上“書寫”或刻蝕的電化學(xué)方法,通過將負(fù)電位偏置在接觸殼聚糖/瓊脂糖/花青素水凝膠表面的不銹鋼絲(作為筆)上,局部產(chǎn)生的pH值變化引起花青素的顏色變化,并能在水凝膠上寫入文字和圖案等不同程序信息。水凝膠中寫入的文字或圖案,在水凝膠干燥固化后,這些信息不再發(fā)生改變。此外,發(fā)現(xiàn)該薄膜的顏色對鯽魚變質(zhì)進(jìn)程有較強的響應(yīng)性變化。

2.2 生物基時間-溫度指示器

2.2.1作用機理

在食品的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié),溫度是影響食品品質(zhì)的重要因素,物流中的高溫及溫度波動均不利于食品的儲存。 TTI用于檢測和跟蹤包裝食品在貯存和分銷過程中的質(zhì)量和安全性,判別其在儲運中是否長時間暴露于高溫下[36]。TTI可以作為食品包裝的一部分,顯示并提供在特定溫度和特定時期產(chǎn)品的質(zhì)量信息,它需要對溫度變化做出連續(xù)、清晰、不可逆的反應(yīng)[37]。TTI應(yīng)用于智能包裝時,消費者可以通過顏色的改變等視覺信息判斷食品是否變質(zhì)。TTI的工作原理見圖10[8]。

圖10 生物基時間-溫度指示器原理Fig.10 Principle of bio-based time-temperature indicator

根據(jù)顏色變化的不同機理,TTI分為化學(xué)TTI、物理TTI、生物TTI和酶促TTI[38]?；瘜W(xué)TTI主要包括基于聚合反應(yīng)的TTI(利用聚合反應(yīng)的不可逆性,反應(yīng)速率隨溫度升高而加快,可見吸收峰吸收光譜由高波段向低波段偏移,從而顏色發(fā)生改變)、基于光致變色的TTI(利用逆反應(yīng)熱誘導(dǎo)褪色原理)和基于氧化反應(yīng)的TTI(利用氧化還原反應(yīng)或光誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)顯示顏色變化)。根據(jù)工作原理,物理TTI包括擴(kuò)散型TTI(利用有色材料隨著環(huán)境溫度的升高在多孔物質(zhì)中擴(kuò)散的原理)、納米顆粒型TTI(具有熱致變色特性的納米材料吸收到熱量時,納米粒子的表面形貌會發(fā)生改變,從而顯示出不同的色度信號作為響應(yīng))、電子TTI(作為熱傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后將電信號轉(zhuǎn)換為最終的視覺輸出)等。生物TTI中使用最多的是酵母(酵母在特定溫度下發(fā)生厭氧呼吸產(chǎn)生酸,從而導(dǎo)致pH指示器的顏色變化)和乳酸菌(利用乳酸菌產(chǎn)生的乳酸在一定條件下改變pH值,從而導(dǎo)致pH指示器顏色變化)。酶促TTI是基于酶與底物的水解反應(yīng),從而引起顏色的變化,與其他類型相比具有成本低、性能穩(wěn)定、易于控制等優(yōu)點[38]。

2.2.2研究概況

針對裝載天然色素的TTIs智能包裝目前已有一定的研究。用于TTIs的天然色素主要為花青素和葉綠素?；ㄇ嗨鼐哂性诓煌瑴囟认嘛@示顏色變化的特性,可作為智能包裝系統(tǒng)中溫度變化的天然指示物。多項研究都觀察到,暴露在30 ℃以上環(huán)境中的花青素會發(fā)生顏色變化[39-42]。Shaked-Sachray等[39]研究了高溫和金屬離子含量對紫菀花中花青素積累的協(xié)同影響,觀察到花青素在高溫(>30 ℃)下降解并變色。Maciel等[43]以花青素為原料,研制了一種可生物降解的智能溫度指示包裝材料,發(fā)現(xiàn)在不同的溫度(40～70 ℃)下,其顏色不可逆轉(zhuǎn)地從淺紫色變?yōu)闇\黃色。葉綠素顏色的變化也與溫度密切相關(guān),高溫下葉綠素被分解,形成褐色的脫鎂葉綠素。Maciel等[44]將葉綠素加入殼聚糖薄膜中,制備出了能夠監(jiān)控溫度變化的智能指示系統(tǒng),該系統(tǒng)在50～75 ℃不可逆地從綠色變成黃色,具有比色溫度指示的巨大潛力。

除了色素顯示法,酶法為TTIs的另一研究熱點。近年來,幾種基于不同酶的TTI已得以開發(fā),如脂肪酶、淀粉酶、磷脂酶、脲酶、漆酶等[45]。Chun等[46]研制的酶促TTI,根據(jù)酶促反應(yīng)的時間周期和溫度累積效應(yīng)導(dǎo)致的顏色變化(從綠色到紅色)來指示肉餡的質(zhì)量。Meng等[47]利用淀粉酶研制了一種由瓊脂涂層和海藻酸鈉、碘、直鏈淀粉和葡萄糖淀粉酶微膠囊涂層組成的TTI酶,用于控制冰鮮豬肉的品質(zhì)。Quelhas等[48]根據(jù)多酚氧化酶與酚類的酶促反應(yīng)原理,開發(fā)了新型TTI,并應(yīng)用于櫻桃的保鮮貯藏中,多酚氧化酶和酚類化合物之間發(fā)生的羥基化反應(yīng)使顏色變化,量化的色度變化與水果的保質(zhì)期高度關(guān)聯(lián)。喬磊等[49]研制出的新型堿性脂肪酶型TTI可以指示冷鮮豬肉在貯藏過程中品質(zhì)的變化,該TTI在貨架期內(nèi)無論恒溫或變溫條件下都具有較好的顯色穩(wěn)定性。

晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)通過食品的美拉德反應(yīng)形成,尤其是二次加熱的食品會導(dǎo)致慢性疾病的發(fā)生。近幾年,有研究利用美拉德反應(yīng)作為TTI監(jiān)測食品中熒光AGEs的形成。Hu等[50]利用賴氨酸和木糖的美拉德反應(yīng)研制了基于美拉德反應(yīng)的TTI,該系列可用于各種復(fù)熱食品中AGEs含量的監(jiān)測。Ye等[51]采用同樣方法,研發(fā)出了一種冷敏TTI,通過動力學(xué)方程建立了TTI的顏色隨時間和溫度的變化關(guān)系,并且TTI的活化能值(Ea)與鯖魚的活化能值相近,TTI的顏色變化與鯖魚中總揮發(fā)性鹽基氮含量之間存在良好的相關(guān)性,表明該新型TTI具備監(jiān)測鯖魚新鮮度的應(yīng)用潛力。

2.3 生物基氣體指示器

2.3.1作用機理

生物基氣體指示器通常以標(biāo)簽的形式放置在包裝內(nèi)部,以監(jiān)測由于包裝材料的滲透作用、微生物代謝作用以及食物基質(zhì)的酶或化學(xué)反應(yīng)而引起的包裝內(nèi)氣體的變化[1]。氣體指示器對CO2、O2、H2S等氣體以及胺、酮等揮發(fā)性化合物均十分敏感[52]。比色氣體指示器主要以不干膠標(biāo)簽、印刷層或與薄膜共混復(fù)合等3種方式呈現(xiàn)[36]。這類智能包裝方法比使用儀器分析更加方便快捷,并大大節(jié)約了時間和勞動力成本。天然色素作為氣體指示劑的原理是當(dāng)其暴露在某些氣體中時,會因化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致顏色改變。

2.3.2研究概況

紫甘藍(lán)花青素對NH3敏感,與其接觸后由紫色變?yōu)辄S綠色[53]。Ma等[54]發(fā)現(xiàn)姜黃素也會對NH3出現(xiàn)顏色響應(yīng)。此外,許多類胡蘿卜素暴露在O2中時,由于氧化反應(yīng)發(fā)生褪色,因此也可將類胡蘿卜素用作氧氣傳感器[55]。食品在包裝貯藏過程中,難免變質(zhì),果蔬產(chǎn)生乙烯,微生物生長會產(chǎn)生CO2,因此,包裝內(nèi)的CO2濃度是果實品質(zhì)評估的重要指標(biāo)。Saliu等[52]將生物基薄膜傳感器暴露于不同濃度的CO2下,利用聚賴氨酸和花青素混合物評估薄膜的CO2敏感性,發(fā)現(xiàn)薄膜顏色隨CO2濃度變化產(chǎn)生不同響應(yīng)。肉類和海鮮等一些蛋白質(zhì)含量較高的食品,長時間儲存會產(chǎn)生某些揮發(fā)性物質(zhì),即總揮發(fā)性鹽基氮,這是評估高蛋白含量食品新鮮度的重要指標(biāo)。Yao等[56]從梨果仙人掌中提取出甜菜素應(yīng)用于蝦的包裝保藏指示中,發(fā)現(xiàn)隨著蝦中總揮發(fā)性鹽基氮含量的增加,智能薄膜的顏色由紫色變?yōu)槌壬?/p>

3 總結(jié)與展望

綜合比較各類天然色素指示劑,花青素在智能包裝中的應(yīng)用研究最為廣泛,其顏色變化比其他色素更為顯著,更易受溫度、光照、氣體、濕度等環(huán)境因素的影響,來源更廣,可應(yīng)用于各類指示器的開發(fā);葉綠素對酸性、高溫等環(huán)境更為敏感,更適用于監(jiān)測油脂等易氧化酸敗的食品,以及監(jiān)測外部環(huán)境溫度是否利于食品保藏;姜黃素相較于易溶于水的花青素,難溶于水易溶于有機溶劑,更適合作為新鮮度指示劑應(yīng)用于高含水量食品,但具有顏色變化遠(yuǎn)不如花青素明顯的局限性;甜菜素也適用于各類指示器,但來源有限。

以可生物降解的生物基材開發(fā)食品智能包裝是綠色包裝和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一,其中高氣體阻隔性的生物基材能夠提高食品在供應(yīng)鏈中的品質(zhì)與安全性。通過智能包裝與活性包裝的協(xié)同作用,在材料的制備過程中通過涂布、層合和共擠復(fù)合工藝,合理納入天然抗菌劑(芥末、蓖麻油、山葵等)和抗氧化劑(生育酚、抗壞血酸、多酚等)進(jìn)行改性,能夠功能靶向性調(diào)控包裝內(nèi)環(huán)境,抑制食品包裝中微生物的生長與繁殖,避免食品氧化,延長食品貨架期。基于此類基材開發(fā)天然色素型的生物基智能指示器,自身具有較強的抗氧化功能,既可以表征食品內(nèi)部pH值的變化,還能有效監(jiān)測包裝內(nèi)環(huán)境溫度以及氣體濃度的動態(tài)變化,實現(xiàn)感知、監(jiān)控、記錄、追溯和提供食品質(zhì)量信息的目的。

可生物降解智能包裝在食品安全貯運、碳中和方案中的應(yīng)用展示著巨大的潛力和驅(qū)動力,但同時也需要嚴(yán)格監(jiān)管,必須遵循立法獲得食品接觸批準(zhǔn),控制風(fēng)險性遷移作用。目前多數(shù)產(chǎn)品僅處于實驗室研究階段,不具備工廠規(guī)模化生產(chǎn)的能力,一些材料的光學(xué)性能、機械性能和穩(wěn)定性能等尚達(dá)不到商用要求。此外,天然色素的提取成本相較于人工合成色素也更高,其穩(wěn)定性問題也有待解決。智能包裝要求極高的靈敏性和特異性指標(biāo),若監(jiān)測出現(xiàn)失誤,則非但不能避免食品浪費,還會使消費者誤判導(dǎo)致更大的浪費。因此,智能包裝指示器的安全性、選擇性、靈敏性、高效性和溫度適應(yīng)性等研究將成為生物基傳感領(lǐng)域未來需要解決的關(guān)鍵問題。