生物基pH响应智能膜在食品工业中的应用研究进展

张朋1,陈启杰1,2*,游娜1,王凤1,张博2,王建辉2

1(长沙理工大学 化学化工学院,湖南 长沙, 410076)2(长沙理工大学 食品与生物工程学院,湖南 长沙, 410076)

摘 要 生物基材料膜由于其可塑性强、绿色环保,广泛应用于化工、食品、医药等领域,pH响应智能膜作为一种新型的功能性膜材料,可以依据pH对食品新鲜度、环境变化等做出响应,具有快速准确、成本低廉等优点。该文综述了pH响应智能膜的响应原理、响应指示剂及成膜基材,并对生物基pH响应智能膜在食品领域的应用发展进行了总结。

关键词 智能膜;pH响应;响应指示剂;食品包装

食品安全和食品浪费是食品行业面临的两个重要挑战,在过去几年中,消费者对新鲜、安全和优质食品的需求日渐增加。而传统包装仅能起到卫生、阻隔的作用,无法给出对食品新鲜度的判断。消费者仅能根据包装上的保质期来判断食材是否新鲜,但保质期由食品制造商确定,其取决于多个因素,包括使用的原材料质量、生产过程的卫生水平、贮存和运输条件以及使用包装的保护性能。这些因素可能会导致产品的保质期与实际保质期之间存在差异性,而实际保质期才是在指定贮存条件下食品感官特性、物理稳定性的重要指标。当包装食品超过保质期限时,零售商和消费者会选择丢弃以减少食物中毒风险。食品的新鲜程度与实际保质期相符合,表明了食品的可食用程度,在贮存期间,食品受到微生物、氧化作用会产生腐败现象,影响食品的营养,威胁食用者的安全。pH响应智能膜基于食品的新鲜程度显现出明显的颜色变化,能科学、准确地给出食品新鲜度的判断。本文综述了pH响应智能膜的响应原理、响应指示剂、成膜基材及pH响应智能膜的研究进展。

1 pH智能膜响应原理

食品在腐败变质中会产生特殊的挥发性气体,当水果腐败时,碳水类化合物等会被细菌分解,产生小分子挥发性化合物,如醋酸、乙醇、硫化氢等[1]。而肉类及富含蛋白质的食品,是腐败细菌发育的优良场所,肉类等腐败十分迅速,大分子蛋白质在腐败过程中发生氧化降解,产生大量无机氨类、三甲胺、尸胺等挥发性生物胺[2]。醋酸、硫化氢等挥发性酸和挥发性胺会随着食品腐败逐渐积累在包装内部。pH响应智能膜可贴在食品表面或黏附在包装上,随着食品腐败程度的增大,包装内部的挥发性气体会逐渐被响应膜所吸附,与膜中水分反应,水解生成H+或OH-,从而改变响应膜的pH。不同的食品腐败导致响应膜的pH变化不同,水果等含碳水化合物较多的食品在腐败时产生小分子酸,被膜吸附后水解生成H+,使得响应膜pH的下降;肉类等含蛋白质较多的则产生氨类易挥发气体,被膜吸附后水解生成OH-,使得响应膜的pH上升[3]。响应膜中pH响应指示剂在不同的pH下由于自身结构的变化呈现出不同的颜色,从而改变响应膜的颜色,以指示食品的新鲜程度。因此,以多糖、多肽等为基材,通过共混的方式添加pH指示剂,可得到对pH敏感、较为稳定的pH响应智能膜包装材料。

2 pH智能膜响应指示剂

pH智能膜响应指示剂是智能膜中的pH响应组分,其颜色改变程度、颜色改变范围、颜色变化及时性是衡量其适用性、灵敏性、准确性的重要指标,分为合成指示剂和天然指示剂。

2.1 pH响应合成指示剂

合成指示剂是指通过化学方法制备的一类化学物质,具有与发色基团强耦合作用的染料,基本原理是分子型和离子型共轭体系的变迁,导致吸收光谱不同,因而显色不同,在不同pH介质中,分子型与离子型的比例不同,合成指示剂显示出不同的颜色。常见的合成指示剂有溴甲酚蓝、溴甲酚绿、甲基红、甲基橙、溴甲酚紫等。其中单一指示剂存在变色范围小、变色不明显等问题,因此实际使用时常用2种指示剂进行复配,以获得更好的指示效果。RAN等[4]以溴麝香草酚蓝和甲基红为响应指示剂、大豆分离蛋白为基材,制备检测苹果新鲜度的pH响应智能膜,智能膜的变色范围为pH 4.3~9.2。RAMINDER等[5]以乙基纤维素、甲基红和甲基橙为原料制备了pH响应膜,其对pH变化表现出显著的敏感性。KIM等[6]制备了基于溴甲酚紫的聚乙烯醇基pH响应智能膜,智能膜变色范围为pH 5.2~6.8。但合成指示剂存在颜色变化单一、危害环境以及污染食品安全的缺点,开发绿色环保、呈色明显的pH智能膜成为研究的重点。

2.2 pH响应天然指示剂

pH响应天然指示剂是从植物花果、根茎等部位提取的色素物质,具备来源广泛、杀菌消毒、天然安全等优点。

2.2.1 花青素

花青素又称花色素,一般来源于颜色鲜艳的植物的花、浆果、叶子和根,可通过水提、醇提、发酵制备[7]。它是以黄酮阳离子为基础,2个芳香环连1个含氧杂环,可以与不同的糖基(葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖)结合形成花色苷,是一种广泛分布的水溶性酚类化合物。自然条件下花青素多以糖苷形式存在,很少以游离花青素形式存在,常见的天然花青素主要有天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素。而花青素颜色会随着酸碱度的变化而改变,在酸性条件下偏红色,碱性条件下则偏蓝,这是由于pH变化会影响花青素的电荷性质及化学结构。当pH变化时,花青素的结构会在黄盐阳离子、醌型碱、假碱、查尔酮之间发生可逆变化。pH为1时,主要以黄盐阳离子形式存在,花青素为紫色或红色;pH逐渐升高时,花青素向蓝色醌型碱转变;pH升高至中性,主要以假碱和查尔酮形式存在,且二者相互转化,溶液为无色;而溶液为碱性时,花青素开始发生降解[8]。不同来源的花青素受品种、季节、气候、成熟度等因素的影响不同,而且在呈色上显现出较大的差别。以花青素作为指示剂具备良好的指示作用,而且还具有防腐、抗菌作用,可以延长食品的保质期。BAO等[9]以蓝莓花青素为响应指示剂,制备了pH响应智能膜,用于检测虾的新鲜度。在虾变质的过程中,响应膜颜色从粉红色转变为灰绿色,且与虾的总挥发性氮和pH值呈高度相关。ZHANG等[10]以桑葚花青素提取物为指示剂,制备精准响应的鱼类响应智能膜。在鱼的腐败过程中,薄膜颜色从红色转变为深蓝色,显示出对鱼品质变化的准确响应。QIN等[11]枸杞木花青素为指示剂,制备了不同花青素含量的pH响应智能膜。不同花青素含量的pH响应智能膜均在pH逐渐升高的过程中表现出从红色到青褐色的颜色变化,可用作食品工业活性和智能包装膜。但以花青素作为响应指示剂的响应膜在使用时应注意外部因素,即温度、气体、光照、氧、湿度、金属离子、贮存条件,这些因素会影响花青素的稳定性,一般可通过酯化、酰化、复配等方式提高花青素的稳定性。

2.2.2 甜菜红

甜菜红亦称甜菜根红,是通过浸提、分离、浓缩、干燥的方法从天然食用红甜菜中提取的天然色素,是红甜菜中有色化合物的总称,由红色的甜菜苷和黄色的甜菜黄组成,其中甜菜苷占甜菜红的75%~95%[12]。甜菜红色素广泛存在于藜科、苋科、仙人掌科等植物中,属于吡啶类衍生物,其基本发色团为1,7-二偶氮庚甲碱。甜菜红在pH 3.0~7.0较为稳定,pH 4.0~5.0最为稳定;当pH<4.0时,溶液颜色由红色变紫色;当pH>7.0时,溶液由红色变为紫色;pH>10.0时,溶液转变为黄色,这是因为在碱性条件下甜菜红转变为甜菜黄质。甜菜红的色调较为稳定,但与花青素相比,其对新鲜度的指示较弱。NAGHDI等[13]通过浇铸法制备了基于甜菜红的智能膜。当鱼发生变质时,响应膜颜色从粉红色变为黄色。由于甜菜红的耐热性、耐氧化、耐还原、耐光性、耐离子性均较弱,适用范围较窄,可通过对甜菜红进行改性、复配、微胶囊化提高其稳定性。

2.2.3 姜黄素

姜黄素(二铁甲酰甲烷),是一种天然化合物,具有良好的防腐、抗氧化作用。姜黄素是从姜科、天南星科中的一些植物根茎中提取的二酮类化合物,是植物界稀少的二酮结构色素,由2个含有甲氧基酚羟基的芳基环组成,并与β-二酮部分互连。由于姜黄素分子两端有2个羟基,在碱性条件下发生电子云偏离的共轭效应,当pH>8时,姜黄素会由黄变红[14]。姜黄素可提高包装的抗菌和抗氧化活性,同时避免食品受水分等因素的影响,且对系统pH变化很敏感,可以用于检测食品变质。VADIVEL等[15]以壳聚糖为基质,聚乙烯醇、木聚糖为交联剂,姜黄素为指示剂制备pH响应智能膜。在鱼类变质时,响应膜呈现出可见且尖锐的颜色变化。LIU等[16]制备了基于姜黄素的明胶响应膜,探究响应膜的RGB值与猪肉质量的关系,结果显示出较高的准确性,可用于猪肉的变质检测。YILDIZ等[17]制备了壳聚糖负载的姜黄素响应膜用于检测鸡胸肉新鲜度。在鸡胸肉腐败过程中,响应膜从亮黄色变为红色,显示出了可见的颜色变化。与花青素相类似,姜黄素在使用时也要避免光、热、离子等不良因素的影响。

2.2.4 茜素红

茜素红(1,2-二羟基蒽醌),是一种从茜草植物根部通过醇提得到的天然色素。茜素红的结构含有羟基的共轭轨道,随着pH的变化,羟基与羰基氧原子相连,允许质子通过分子间氢键转移。因此,茜素红颜色取决于酸碱度,pH较低时为黄色,而pH较高时为紫色。而且茜素红表现出优异的功能特性,例如抗氧化活性和抗菌性能。CHEN等[18]开发了基于聚乙烯醇的茜素红响应膜,响应膜暴露于酸性蒸汽比暴露在碱性蒸汽具有更高的灵敏度,在从碱性变化到酸性时,响应膜从紫色变为黄色,可作为挥发性酸响应膜。EZATI等[19]以茜素红为指示剂,制备了检测碎牛肉新鲜度的响应膜。在挥发性氮达到临界值时,响应膜显示出从棕色到紫色的变化,且总色差与挥发性氮之间有很强的相关性。

2.2.5 紫草素

紫草素(C16H16O5)是一种从天然植物紫草根部提取的紫红色萘醌类天然色素,主要成分是紫草醌及其衍生物,为不溶于水的油性物质。紫草可用于烧伤、炎症和伤口的治疗,也可用作为染色剂和食品着色剂。此外,紫草素具有良好的生物学功能,如抗氧化、抗菌、抗炎[20]。紫草素由萘茜基团和手性6-碳侧链组成,萘茜基团具有化学活性,使得紫草素对光、热、酸碱度等条件敏感。紫草素在酸性条件下为橙红色,pH=7时,转变为红棕色,当pH继续增大时,紫草素向蓝色转变。富含紫草素的响应膜可用于检测食品变质,但目前对紫草素指示食品新鲜度的研究较少。EZATI等[21]以紫草素为指示剂制备了检测鱼类新鲜度的响应膜。当鱼类新鲜时响应膜呈粉红色,36 h后响应膜变为蓝紫色,表明其可用于检测海鲜质量。ROY等[22]以紫草素为指示剂,蜂胶为基材制备了用于检测牛奶新鲜度的响应膜。当牛奶变质时,响应膜从蓝紫色变为粉红色。

3 生物基pH响应智能膜成膜基材

生物基pH响应智能膜成膜基材包括淀粉、纤维素、壳聚糖、半乳甘露聚糖、蛋白质等,不同的成膜基材使得智能膜性能有一定的差异。

3.1 淀粉

淀粉是应用范围最广的植物多糖,具有来源广泛、成本低廉等优点,已被广泛用于膜材料的开发。但淀粉成膜性较差,成品干燥后存在力学性能差和易吸水的缺点,因此成膜过程中需要加入塑化剂和增强剂增强淀粉膜的使用性能。淀粉富含化学活性高的羟基基团,有利于淀粉的改性反应,可制得醚化淀粉、酯化淀粉、离子淀粉、氧化淀粉和接枝淀粉等,改性淀粉在成膜、疏水、抗油等方面具有独特的性质。同时可利用α-淀粉酶、β-淀粉酶、γ-淀粉酶、异淀粉酶、普鲁兰酶对淀粉分子链进行切断,经过酶处理的淀粉成膜之后具有较好的机械强度,也可得到多孔结构的淀粉,能较好的固定复合膜中的活性物质。BAJER等[23]制备了添加氧化淀粉的淀粉基复合膜。结果证明,氧化淀粉的加入增加了淀粉基复合膜的交联作用和疏水作用。MIAO等[24]通过浇铸法制备酶解淀粉负载茶多酚的活性膜。结果表明,活性膜具有良好的机械性能、紫外线阻隔能力,并且茶多酚从活性膜中的释放方式为缓慢持续释放。

3.2 纤维素

纤维素由葡萄糖以β-1,4糖苷键相连组成,是植物细胞壁的主要成分,纤维素及其衍生物具有可生物降解性、环境友好等诸多优点,占植物界碳含量的50%以上[25]。纤维素本身具有高的长宽比,相互之间易发生交织,成膜机械性能优异。纤维素大分子也可被降解成分散性更好、增强效果更好的微米纤维素、纳米纤维素。同淀粉相类似,纤维素上羟基易与其他物质发生反应,得到具有不同特性的改性纤维素。PRITCHARD等[26]制备了添加氧化纳米纤维素的纳米纤维素膜,氧化纳米纤维素的加入能够在不改变伸长率和韧性的条件下提高膜的刚性,可用于开发高强度复合材料。RIBEIRO等[27]以三醋酸纤维素制备酮洛芬颗粒的缓释膜。结果表明,三醋酸纤维缓释膜不影响颗粒热稳定性,释放时间相较对照组延长20 h,可作为新的响应膜控释基材。

3.3 壳聚糖

壳聚糖是昆虫和甲壳类角质层中甲壳素碱性脱乙酰基的产物,具有良好的生物相容性、可食用性、成膜性、生物可降解性、抗氧化和抗菌性能等独特优势,是一种独特且天然的碱性多糖。壳聚糖通过大分子链上的羟基、氨基、酰氨基间相互作用形成分子内氢键,有较高的结晶度,其分子质量对成膜性能有较大的影响,通常分子质量越低,膜的拉伸强度越低、透光率越大。壳聚糖中含有羟基、氨基等基团,能发生希夫碱、酯化、醚化、络合、缩合等化学反应,生成具有不同化学性能的衍生物,扩大了壳聚糖的应用,而且添加适当的多糖、蛋白等作为交联剂也可改善壳聚糖膜的性能[28]。另一方面,壳聚糖可作为响应指示剂载体,其疏水性质会产生低渗透性,改善溶胀、结构的变化,导致阻隔效率的增加,减少响应指示剂的迁移,氧气透过、水蒸气透过等。SIRVIO等[29]采用衣康酸对壳聚糖进行化学修饰并制备成强氧阻隔膜。与未改性壳聚糖膜相比,改性膜具备高透明度、高机械强度和高氧阻隔性。WALZL等[30]制备了醋酸酯壳聚糖膜并与常规聚合物膜的阻隔性能相对比。结果表明,壳聚糖醋酸酯膜在双面渗透实验中显示出更高的阻隔效果。

3.4 半乳甘露聚糖

半乳甘露聚糖是高度分化的多聚体,是广泛存在于多种生命形式中的无色、无毒、无异味物质。半乳甘露聚糖由β-(1-4)-D-甘露聚糖骨架组成,具有与甘露糖C-6位点 α相连的单个D-半乳糖分支,是植物中最常见的储备多糖[31]。半乳甘露聚糖的物理性质与甘露糖/半乳糖(M/G)和植物来源有关,M/G通常在1.1~5,半乳甘露聚糖与其他天然多糖之间的溶解度、黏度和相互作用取决于半乳甘露聚糖结构的变化,其中M/G的影响最大。一般,低M/G值的半乳甘露聚糖易溶于冷水,高M/G值的需要加热溶解,而且高M/G半乳甘露聚糖中的半乳糖侧基会迫使甘露聚糖分离,阻止分子间相互作用的形成,导致黏度的降低。半乳甘露聚糖来源广泛,一般可从石花菜、瓜儿豆、刺槐豆、魔芋、芦荟以及各种海洋细菌和真菌中提取。半乳甘露聚糖是一种既经济、高效的天然防腐剂,能有效地防止食品变质腐败、发霉,同时是一种良好的成膜材料。LIU等[32]半乳甘露聚糖为原料,脱乙酰壳聚糖为改性剂,制备半乳甘露聚糖复合膜。半乳甘露聚糖复合膜表现出107°的疏水角,107 MPa的高拉伸强度,对多种细菌表现出很好的抗菌作用。SENARATHNA等[33]从蒲公英种子提取半乳甘露聚糖并以甘油为增塑剂制备可食用膜。随着甘油含量的增加,可食用膜更加柔韧,具备作为响应膜基材的潜力。

3.5 蛋白质

蛋白质的基本单位为氨基酸,通过氨基酸之间的脱水缩合连成肽链,肽链之间按照特定方式扭曲、折叠形成蛋白质。蛋白质的不同在于其氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链空间结构的不同。蛋白质膜由于蛋白质的两性解离、变性作用,与其他基材相比具有丰富的结构和生物变化,从而具有良好的水分、油脂及挥发性成分的阻隔性能[34]。蛋白质来源于多种不同的植物或动物,如玉米蛋白、大豆蛋白、豌豆蛋白、绿豆蛋白等植物蛋白以及乳清、酪蛋白、角蛋白、胶原蛋白、明胶、鱼糜、蛋清等动物蛋白,不同来源的蛋白质成膜性能及适用性有所差别。酪蛋白和乳清蛋白可以形成延展性好、透明、无味的生物基膜;明胶蛋白可形成具有疏水性的生物基膜;胶原蛋白适用性广,通常用于和其他生物聚合物复配使用;蛋清蛋白成膜具备耐破损、耐热、耐氧并具有良好的透明度;肌原蛋白可用于制备耐酸的生物降解膜,具备良好的机械强度,但会散可发出苦味;玉米蛋白等植物蛋白成膜具有疏水、抗氧化和抗菌特性。LIU等[35]以氧化淀粉交联调节明胶可食用膜的结构和性能,交联明胶膜的拉伸强度为纯明胶膜的2.7倍,水溶性显著降低。LI等[36]将鸡毛角蛋白加入到大豆分离蛋白中制备生物基蛋白膜。鸡毛角蛋白的加入使得大豆蛋白膜的拉伸强度提高了242%、韧性提高了152%,热稳定性和耐水性也得到了改善,可作为响应膜基材。RAN等[37]使用溴百里香酚蓝和甲基红制备了基于大豆分离蛋白的pH响应智能膜。在检测苹果腐烂时,响应膜从绿色变为蓝色,具有检测水果新鲜度的能力。

4 结语

生物基pH响应智能膜在指示肉类、蔬果新鲜度方面具有成本低廉、可视性强等优点,作为一种新型的食品新鲜度指示膜材料正受到越来越多的关注。目前市场上pH响应智能膜应用于新鲜度指示的相对较少,研究出稳定、准确、适应性强的pH响智能膜是当前需要解决的重要问题,基于天然响应指示剂制备的生物基pH响应智能膜具有绿色无害、抗菌抗氧化、可视性强等优点而值得研究。然而,基于天然响应指示剂的生物基响应智能膜大多存在稳定性较差、精度低的缺点,随着时间的推移,其中指示剂往往会由于环境因素发生降解。目前对天然指示剂稳定性研究大部分会因为分子间基团的连接导致变化敏锐性的下降。研究更加稳定、响应准确、适用范围广的生物基pH响应膜是今后的发展趋势。

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Research progress in application of bio-based pH-responsive intelligent film in food industry

ZHANG Peng1,CHEN Qijie1,2*,YOU Na1,WANG Feng1,ZHANG Bo2,WANG Jianhui2

1(School of Chemistry and Chemical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076,China) 2(School of Food Science and Bioengineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076,China)

ABSTRACT The bio-based film is widely used in chemical, food, medicine, and other fields, due to its strong plasticity and green environmental protection. As a new functional material film, the pH-responsive intelligent film can directly respond to the pH of food freshness, environmental changes, and other factors, and has the advantages of being fast, accurate, low cost, etc. In this study, the response principle and response indicators of the pH-responsive intelligent film were reviewed, and the development trend of bio-based pH-responsive intelligent film in the food field was prospected.

Key words bio-based intelligent film; pH response; response indicator; food packaging

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032630

引用格式:张朋,陈启杰,游娜,等.生物基pH响应智能膜在食品工业中的应用研究进展[J].食品与发酵工业,2023,49(10):323-328.ZHANG Peng CHEN Qijie,YOU Na, et al.Research progress in application of bio-based pH-responsive intelligent film in food industry[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(10):323-328.

第一作者:硕士研究生(陈启杰教授为通信作者,E-mail:chenqijie@126.com)

基金项目:湖南省自然科学基金项目(2023JJ30009);湖南省教育厅重点项目(22A0208);湖南省高新技术产业科技创新引领计划项目(2021GK4040);长沙理工大学研究生创新能力提升计划项目(CLSJCX22120)

收稿日期:2022-06-13,改回日期:2022-06-28