随着消费者对安全、新鲜食物产品需求的不断增长,能够实时反馈食品品质变化信息的新鲜度指示型智能包装成为研究热点[1],其工作原理是通过监测食品中微生物的代谢产物如乙醇、二氧化碳、有机酸、生物胺等反映食品的质量状况[2]。以肉品为例,在其腐败过程中,蛋白质分解产生大量挥发性有机胺类物质,造成包装空间内pH值上升。基于此,许多学者利用对pH敏感的指示剂和聚合物制备反映肉类新鲜度的色敏型智能指示膜。
聚苯胺、溴甲酚紫、溴甲酚绿、溴百里酚蓝、甲基红、甲基橙等是常用的化学指示剂,在一定条件下能够产生肉眼可见的颜色变化,被用于监测鸡肉、鱼肉、猪肉等的新鲜度[3]。然而,化学指示剂存在pH显色范围小、颜色变化单一等问题,更重要的是长期使用会对人体健康产生危害,不适用于食品包装。近年来,对花青素、姜黄素、茜素、甜菜红素等天然色素的研究发展迅速[4]。花青素来源广泛,安全无毒,随pH的改变能呈现较多的颜色变化,在智能指示膜指示剂的应用中已取得一定成果[5]。从茜草植物的根中提取的茜素,对pH具有较高敏感性,也被用作色敏指示剂检测鱼、虾、鸡肉等的腐败[6]。智能指示膜制备的另一个要素是成膜基材,淀粉、壳聚糖、果胶、琼脂等具有安全、可降解、相容性好等特点被广泛用作固定指示剂的基底材料。
近来有研究报道与其他色素混合可以扩展花青素的颜色变化、提高其颜色稳定性,促进指示膜的应用。DUAN等[7]发现相较于仅添加花青素或姜黄素,二者的共同添加提高了普鲁兰多糖/几丁质纳米纤维的pH敏感性。ZHOU等[8]研究表明以一定比例混合添加花青素和姜黄素的指示膜能够更好地监测鸡肉的新鲜度。QIN等[9]混合添加花青素和甜菜红素制备淀粉/聚乙烯醇指示膜,结果表明二者质量比为1∶3时复合膜的指示效果更佳。然而,国内外鲜见花青素和茜素混合制备智能指示膜的报道。MOEINPOUR等[10]制备了负载玫瑰茄花青素和茜素的明胶薄膜并用于监测虾的新鲜度,但并未比较混合色素膜与单一色素膜的指示效果。因此,本研究以羧甲基纤维素和马铃薯淀粉共混作为成膜基材,以紫薯花青素、茜素及二者混合物作为指示剂,通过流延法制备薄膜,比较分析不同薄膜的物理性能、机械性能、微观结构、颜色稳定性和pH响应性,并运用猪肉进行初步应用评价,以期为混合天然色素应用于智能指示膜提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
紫薯花青素(purple sweet potato anthocyanin,PA),陕西百川生物科技有限公司;茜素(alizarin,Alz)、马铃薯淀粉(potato starch,S),上海麦克林生化科技有限公司;羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)、柠檬酸、氢氧化钠、磷酸二氢钠、无水乙醇,天津大茂化学试剂厂;甘油,上海阿拉丁生化科技有限公司;新鲜猪里脊肉,郑州市紫竹路农贸市场。
1.2 仪器与设备
TU-1810型紫外-可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;WSC-80型全自动色差仪,北京北光世纪仪器有限公司;Vertex70型傅里叶变换红外光谱仪,德国Bruker公司;Regulus 8100高分辨场发射扫描电子显微镜,日本Hitachi公司;Five Eosy pH计,瑞士Mettler Toledo公司。
1.3 实验方法
1.3.1 紫薯花青素和茜素光谱特征
称取0.05 g紫薯花青素溶于100 mL去离子水得到紫薯花青素溶液(0.5 g/L);称取0.01 g茜素溶于100 mL无水乙醇得到茜素溶液(0.1 g/L)。分别移取1 mL紫薯花青素、茜素及紫薯花青素-茜素混合溶液(体积比=1∶1)与3 mL由柠檬酸、氢氧化钠和磷酸氢二钠溶液调配而成的pH 3～13的溶液混合,观察色素溶液颜色变化,利用紫外-可见光分光光度计测量紫薯花青素、茜素及混合色素溶液在pH 3～13的紫外-可见光谱,扫描波长为400～800 nm。
1.3.2 指示膜制备
称取1.8 g马铃薯淀粉加入100 mL水中,95 ℃搅拌糊化15 min,待温度降至约50 ℃,加入1.2 g羧甲基纤维素及0.6 g甘油,45 ℃水浴加热并搅拌30 min得到基质膜液。然后分别向基质膜液中加入PA、Alz溶液以及体积比为1∶1的PA-Alz混合溶液(色素添加量相当于基膜干物质的0.4%),将混合液超声去气泡后,取35 mL膜液倒入直径为90 mm的培养皿中,于45 ℃下干燥成膜,分别记为CMC/S-PA、CMC/S-Alz、CMC/S-PA/Alz。揭膜后,将膜避光放置于恒温恒湿箱中平衡48 h后进行性能测定及表征。不含PA及Alz的羧甲基纤维素/马铃薯淀粉膜(CMC/S)作为空白对照。
1.3.3 指示膜表征
1.3.3.1 厚度测定
选取膜的对角和中心点,采用电子数显千分尺测定膜不同位置的厚度并取平均值,单位为mm。
1.3.3.2 水分含量和水溶性测定
将不同指示膜称重后装入洁净干燥且质量恒定的烧杯,并置于105 ℃的烘箱内烘3 h至质量恒定。指示膜水分含量的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:Mi为干燥前膜样品的质量,g;Mt为膜干燥至恒重的质量,g。
将在105 ℃烘箱中烘至恒质量的膜浸泡于50 mL去离子水中,24 h后倒出浸泡液,将其放入105 ℃的烘箱中干燥至恒重。指示膜水溶性按照公式(2)计算:
(2)
式中:Wi为第一次干燥至恒重膜的质量,g;Wt为第二次干燥至恒重膜的质量,g。
1.3.3.3 机械性能测定
参考胡瀚文等[11]的方法并略作修改。将膜样品裁剪成70 mm×10 mm的长方形样条,测量薄膜的拉伸强度(tensile strength,TS)和断裂伸长率(elongation at break,EAB)。测量时初始夹持间距为50 mm,拉伸速率为20 mm/min,TS和EAB分别按照公式(3)和公式(4)计算:
(3)
(4)
式中:F为样品断裂时所承受的最大拉力,N;b是样品的厚度,mm;d是样品的宽度,mm;L1是断裂时样品的长度,mm;L0是样品的初始长度,mm。
1.3.3.4 膜的颜色、颜色稳定性及透光性测定
利用色差仪测定指示膜颜色,L*表示明亮度,a*为红绿度,b*为黄蓝度,使用标准白板为色差参照,取3次测量的平均值作为膜的色度,总色差(ΔE)计算如公式(5)所示:
(5)
式中:L*,a*,b*为膜样品的颜色参数;
为标椎白板的颜色参数,分别为91.53,1.08,-1.24。
将3种指示膜分别放置于温度4 ℃或25 ℃、相对湿度75%的恒温恒湿箱中12 d,每隔2 d利用色差仪对膜的色泽(L、a、b)进行测定,色差(ΔE)的计算如公式(6)所示:
(6)
式中:L、a、b分别为膜放置后的测定值;L*,a*,b*为膜放置前初始测定值。
将薄膜切成长方形(1 cm×4 cm)样条,贴于石英比色皿侧面,采用紫外-可见分光光度计在200～800 nm处扫描测定膜的透光率,以空白比色皿作为对照。
1.3.3.5 pH响应性
将指示膜(3 cm×3 cm)浸泡于不同pH溶液中(pH 3～13),3 min后取出并用滤纸擦拭膜表面以除去残留的溶液。随后测定膜的颜色参数,并按公式(5)计算色差(ΔE),以白色标准板为背景。
1.3.3.6 傅里叶红外光谱分析
利用Vertex70型傅里叶红外光谱仪在透射模式下测定指示膜的红外吸收光谱。扫描波数为400～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为32次。
1.3.3.7 扫描电子显微镜分析
将指示膜样品于45 ℃干燥24 h,裁剪后用导电胶固定于不锈钢载物片上真空溅射喷金,通过扫描电子显微镜观察指示膜的表面及横截面结构,加速电压为10 kV。
1.3.4 指示膜在猪肉新鲜度监测中的应用
将新鲜猪里脊肉裁切成约50 g的肉块放入塑料盒中,然后将2 cm×2 cm的方形指示膜放入塑料盒顶部(与猪肉不接触),将塑料盒密封后置于4 ℃贮藏。每隔1 d测定指示膜的L*、a*、b*值并计算ΔE,同时检测猪肉的挥发性盐基氮(total volatile basicnitrogen,TVB-N)含量和pH值。TVB-N含量:参照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》中的自动凯氏定氮仪法;pH值:称取10 g样品切碎,加入盛有90 g蒸馏水的绞肉机中,破碎匀浆2 min,用pH计测定。
1.4 数据统计分析
使用SPSS 20软件进行数据处理,采用单因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA)中的最小显著差异法(least significant difference,LSD)进行显著性分析,P<0.05表示差异显著。采用Origin 2021软件拟合作图。
2 结果与分析
2.1 紫薯花青素和茜素在不同pH下的颜色及紫外-可见光谱
在pH 3～13内,PA、Alz及混合色素溶液均呈现明显的颜色变化。pH=3时,PA溶液为红色;pH值为4～6时,其红色强度逐渐降低;pH=7时溶液呈紫色;pH值为8～11时溶液逐渐呈现出蓝紫色和蓝绿色;pH值为12～13时,溶液变成黄褐色(图1-a)。紫外-可见吸收光谱显示pH 3～5时PA最大吸收峰的波长从514 nm向528 nm偏移,吸光度明显下降;pH值升到7时,最大吸收峰波长移至554 nm;pH值为8～13时,最大吸收峰波长处于574 nm附近(图1-d)。Alz溶液在pH值为3～5时呈黄色,pH值为6时为橙红色,pH值为7～11时呈紫色且紫色程度逐渐加深,pH值增加到13时溶液变为亮蓝色(图1-b)。Alz的紫外光谱在400～800 nm表现出多个突出的吸收带,随着pH值增加,Alz溶液的吸收光谱出现了色移。pH值3～6时,Alz的最大吸收峰出现在430 nm处;pH 7～11时,光吸收峰偏移至534 nm处且逐渐变强;pH值增加到12、13时,吸收峰移至570 nm(图1-e)。PA和Alz混合溶液在pH=3时为红橙色,pH值为4～6时呈粉紫色,pH 7～10时变为紫色且逐渐加深,pH值增加至12～13时,溶液呈蓝紫色(图1-c)。混合溶液的最大吸收峰从425 nm移至568 nm(图1-f)。
a-PA颜色;b-Alz颜色;c-PA/Alz颜色;d-PA可见光谱;e-Alz可见光谱;f-PA/Alz可见光谱
图1 不同pH下PA、Alz及两者混合溶液的颜色及可见光谱吸收特征
Fig.1 The color and absorption characteristics of visible spectra of PA and/or Alz solutions under different pH conditions
PA的颜色变化与其结构转换有关,通常花青素在水溶液中以黄烊盐离子、甲醇假碱、醌式碱、查尔酮4种形式存在(图2-a)。随着pH改变,4种形态会发生可逆变化,导致花青素水溶液颜色发生变化。pH=3时,花青素以黄烊盐离子的形式存在,呈现出强烈的红色;pH值为4～6时,黄烊盐离子快速水化生成无色的甲醇假碱,其红色强度逐渐降低;随着pH值不断上升,黄烊盐离子进一步去质子化,形成蓝色醌式碱,导致溶液逐渐呈现蓝色;当pH值进一步升高,花青素的取代基被降解,形成淡黄色查尔酮[12]。Alz的颜色变化是由于其在酸性、中性和碱性环境下分别以中性和2种去质子化(单阴离子和双阴离子形式)结构存在。pH值为3～4时,Alz的硝基、偶氮基以及苯环上的酚羟基电离形成黄色的不带电分子;当pH值升高到5～7时,由于共振效应导致酚羟基解离,溶液中产生单阴离子分子,使其呈现红色;当pH值升高到9～12,酚羟基出现第二次解离形成双阴离子分子,使溶液呈现强烈的紫色(图2-b)[13]。
a-PA;b-Alz
图2 PA和Alz的结构转换
Fig.2 Changes in structure of PA and Alz
2.2 指示膜的表征
2.2.1 厚度、水分含量及水溶性
由图3-a可知,CMC/S膜与指示膜的厚度存在显著性差异(P<0.05),与CMC/S膜相比,PA和/或Alz的加入使膜的厚度增加。这与JIANG等[14]的研究结果一致,他们发现PA的添加可以提高CMC/S膜的厚度,且膜厚的增加与PA的添加量呈正相关。EZATI等[15]研究表明Alz的加入可增加壳聚糖膜的厚度。导致膜厚增加的主要原因是色素的加入提高了成膜液的固体物质含量,破坏了膜基体的基本晶体结构,提高了膜基体的空间距离[10]。
a-厚度;b-水分含量及水溶性
图3 CMC/S膜及指示膜的厚度、水分含量及水溶性
Fig.3 The thickness, moisture content and water solubility of CMC/S film and CMC/S film contained PA and/or Alz
注:不同大小写字母代表差异显著(下同)。
薄膜的水分敏感性通常以水分含量和水溶性进行衡量。如图3-b所示,在CMC/S膜中加入PA、Alz、以及PA/Alz后,膜的水分含量由10.70%分别降低至9.39%、9.51%和9.43%。指示膜水分含量的降低可能是由于色素中的羟基与聚合物中的亲水性基团形成分子间氢键,从而减少了膜材中可结合水分子的自由羟基[14,16]。在CMC/S膜中加入PA后,膜的水溶性从28.83%增加至33.25%,这是因为PA为水溶性色素,含有较多的亲水性基团,可提高膜的水溶性。在含有PA和红甘蓝花青素的淀粉-聚乙烯醇膜中也观察到类似的结果[17]。而在CMC/S膜中加入Alz后,膜的水溶性降低了5.65%,这是因为Alz为疏水性色素,其添加限制了膜对水分子的吸收,同时Alz与膜基材之间的相互作用降低了聚合物结构中亲水基团的数量[18]。但是CMC/S膜与CMC/S-Alz膜的水溶性差异并不显著,这可能与Alz的添加量较少有关。EZATI等[19]研究发现添加1%的Alz可使壳聚糖-纤维素膜的水溶性降低12.89%。相比于CMC/S膜,CMC/S-PA/Alz膜的水溶性也有一定程度的增加,表明PA对CMC/S膜水溶性的影响比Alz更为显著。
2.2.2 机械性能
拉伸强度和断裂伸长率是衡量膜机械性能的重要参数。由图4可知,CMC/S膜具有较低的拉伸强度和较高的断裂伸长率,与之相比,PA和或Alz的添加显著提高了膜的拉伸强度,同时降低了膜的断裂伸长率。这一结果与其他CMC/S基复合膜的结果一致[14]。紫薯花青素和茜素能够通过氢键与高分子材料产生强烈的界面相互作用,这可能是膜拉伸强度增强的原因;而膜断裂伸长率的降低可能与天然色素具有较高的刚性有关,它们能够抑制聚合物链的运动,从而降低聚合物链的柔韧性[20]。
图4 CMC/S膜及指示膜的拉伸强度和断裂伸长率
Fig.4 The tensile strength and elongation at break of CMC/S film and CMC/S film contained PA and/or Alz
2.2.3 指示膜的颜色、颜色稳定性和透光性
表1为CMC/S膜及指示膜的颜色参数及外观,由表1可以看出CMC/S膜表面光滑、没有颜色。在薄膜中加入PA和Alz会产生不同的颜色,CMC/S-PA膜呈紫色,CMC/S-Alz膜呈浅黄色,CMC/S-PA/Alz膜呈浅紫色,这与PA和Alz的固有颜色有关。2种色素的添加均降低了CMC/S膜的亮度(L*值),但增加了膜的红度(a*值)和总色差(ΔE)。2种色素中,PA能更有效地促进膜的红度,而Alz能显著提升膜的黄度。薄膜外观与它们的颜色参数结果一致。
表1 CMC/S膜及指示膜的颜色参数及外观
Table 1 Color parameters and appearance of CMC/S film and CMC/S film contained PA and/or Alz
膜颜色参数L*a*b*ΔE外观CMC/S84.68±0.67a1.26±0.15d-7.86±0.22b9.53±0.27dCMC/S-PA45.68±0.19d30.82±0.97a-14.64±0.32d56.27±0.55aCMC/S-Alz69.60±0.22b11.21±0.31c20.32±0.32a32.38±0.42cCMC/S-PA/Alz53.02±0.28c23.98±0.30b-9.22±0.17c45.51±0.35b
注:结果以平均值±标准偏差表示,同一列内不同的上标字母(a～d)表示差异有统计学意义(P<0.05)。
3种指示膜在4 ℃和25 ℃下的颜色稳定性如图5所示。通过比较指示膜的颜色差异结合色差值,得出膜的颜色稳定性:CMC/S-Alz膜>CMC/S-PA/Alz膜>CMC/S-PA膜,这与色素本身的稳定性有关。同时可以发现,膜在4 ℃时的稳定性明显高于25 ℃。天然色素的颜色稳定性受pH值、光、温度等因素的影响很大,随着温度升高,色素易降解导致其结构发生变化,从而使膜的颜色稳定性降低。
a-4 ℃;b-25 ℃
图5 指示膜在4 ℃和25 ℃下贮藏12 d的颜色变化
Fig.5 Color change of indicator films stored at 4 ℃ and 25 ℃ for 12 d
图6为CMC/S膜及3种指示膜在200～800 nm范围的紫外-可见透光率。CMC/S膜透明无色,具有较高的透光率,加入PA或Alz的膜的透光率显著降低。CMC/S-PA膜在200～300 nm波长处透光率明显下降,这是由于PA含有丰富的发色团,具有较强的紫外线吸收能力[9];在520～600 nm内,CMC/S-PA膜透射率曲线发生弯曲,这是因为花青素的黄烊盐离子使原膜呈现一定红色,能够较强烈的吸收该波长范围内的可见光。ZHANG等[17]的研究中也观察到类似的结果。Alz可吸收紫外线和可见光(特别是橙色和棕色光),同时可以通过光散射和反射阻挡光[21],因此CMC/S-Alz膜也有较低的透光率。相较于添加单一色素的指示膜,CMC/S-PA/Alz膜在200～640 nm波长范围内的透光率进一步降低,说明PA和Alz共同作用可以有效提高CMC/S膜的抗紫外-可见光能力。薄膜的透光率与其光阻隔能力呈负相关,上述结果表明PA和Alz的添加虽然会降低膜的透明度,却有利于保护富含蛋白质和脂肪的食品免受光诱导而氧化。
图6 CMC/S基膜及指示膜的紫外-可见透光率
Fig.6 UV-vis light transmittance of CMC/S film and CMC/S film contained PA and/or Alz
2.2.4 指示膜对pH的颜色响应
表2显示了指示膜随pH值变化的颜色变化及颜色参数。CMC/S-PA膜在酸性和中性pH值(pH=3～7)下逐渐由红紫色变为暗红色,在pH 8～13时,CMC/S-PA膜呈现出灰褐色-黄褐色-黄色的变化趋势。CMC/S-Alz膜在pH 3～9内由浅黄色逐渐变为深黄色,pH=10时呈紫红色;当pH值增加到11时,膜变为蓝紫色,且随着pH的进一步增加,CMC/S-Alz膜的蓝色程度逐渐加深。指示膜的颜色变化趋势与PA和Alz溶液的颜色变化结果相似但不完全相同,说明色素的化学结构转换是指示膜颜色变化的主要原因,但用于固定色素的聚合物基质在膜颜色变化中也起部分作用。
表2 指示膜在不同pH溶液中的颜色变化
Table 2 The pH-response of indicator films immersed in different pH solutions
膜颜色及参数pH345678910111213CMC/S-PA外观颜色L*49.64±0.77h57.10±0.64e55.56±0.22f58.71±0.63d58.21±0.35d54.25±0.77g61.49±0.10c66.16±0.91b67.12±0.31b68.64±0.34a68.09±0.62aa*35.43±0.39a25.78±1.52b26.61±0.43b19.66±0.74d17.24±0.31e22.09±0.44c13.52±0.18g15.42±0.66f13.02±0.24gh12.27±0.31h13.58±0.78gb*-15.34±0.42h-8.68±0.92g-6.63±0.34f-6.90±0.48f-8.57±0.30g0.89±0.44e4.26±0.25d10.14±0.82c14.86±0.95b16.71±0.66a16.09±0.34aΔE55.98±0.60a43.02±1.48c44.44±0.46b38.13±0.97d37.75±0.34d42.85±0.69c32.97±0.08e31.29±1.32f31.60±0.65ef31.18±0.58f31.72±0.91efCMC/S-Alz外观颜色L*73.65±0.10a68.99±0.47b65.39±0.12d69.82±0.41b67.43±0.31c63.39±0.24e59.73±0.23f47.19±1.38g39.47±0.61h25.37±0.47j27.48±0.50ia*5.70±0.74j10.91±0.75i16.01±0.38g9.85±0.39i12.53±0.35h18.93±0.44f23.23±0.38e40.19±0.47d45.53±1.32c52.56±1.82b53.95±0.46ab*24.50±0.42b30.20±0.58a17.08±0.33d20.45±0.11c23.80±0.38b12.28±0.33f13.71±0.23e-19.01±0.61g-32.05±0.43h-37.67±0.76i-43.30±0.18jΔE31.69±0.27h39.91±0.90f35.24±0.11g31.92±0.42h36.59±0.45g35.97±0.50g41.54±0.19e61.74 ±1.41d75.07±1.34c91.41±1.59b93.10±0.43aCMC/S-PA/Alz外观颜色L*52.33±0.92g50.95±1.31h54.66±0.47f54.91±0.81ef55.75±0.89def59.60±0.37a58.21±0.22b57.43±0.63bc56.17±0.25cde56.37±0.14cd53.33±0.88ga*34.04±0.26a29.60±1.50b23.64±0.59d22.47±0.69de20.92±0.89f20.58±0.29f23.31±0.35d27.87±0.47c29.82±0.53b21.42±0.78ef20.28±0.99fb*-4.14±0.09de-3.03±0.56c-4.75±0.24e-4.19±0.43de-6.67±0.95f-2.76±0.11c-2.81±0.11c-3.34±0.61cd-2.87±0.21c3.17±0.29a2.04±0.76bΔE51.30±0.86a49.64±1.87b43.27±0.59d42.51±1.00de41.28±1.13ef37.44±0.38g40.09±0.14f43.42±0.66d45.60±0.17c40.86±0.41f42.89±1.15d
注:结果以平均值±标准偏差表示,同一行内不同的上标字母(a～j)表示差异有统计学意义(P<0.05)。
从颜色参数结果来看,随着pH值的增加,CMC/S-PA膜的L*值总体上呈现增加的趋势,表明膜的亮度逐渐增加;CMC/S-Alz膜的L*值不断降低,表明膜的亮度降低,颜色变深;而同时含有2种色素的CMC/S-PA/Alz膜的L*值在50～60不断波动,表明膜的亮度未出现显著变化。随着pH的增加,CMC/S-PA膜的a*值逐渐降低,b*值逐渐增加,说明膜的红度逐渐降低而黄度逐渐增加。碱性条件下CMC/S-Alz膜的a*值急剧增加,表明其红度增加;b*值随着pH的增加而降低,在pH 10～13时呈现负值,说明CMC/S-Alz膜的黄度随着偏蓝强度的增加而消失。相较于添加单一色素的指示膜,在pH 3～13 CMC/S-PA/Alz膜的a*和b*值变化范围较小,这一点从膜视觉外观上也可以看出。
表2中不同pH值下的ΔE表示指示膜相对于白板的颜色变化。一般情况下,根据ΔE值判断色差的标准如下[22]:0.0～0.5几乎没有色差,0.5～1.5有轻微差异,1.5～3.0有明显差异,3.0～6.0差异显著,6.0～12.0差异非常显著,≥12是另一种颜色。由表2可知,CMC/S-PA膜的ΔE在pH 10～13内无显著差异,但在pH 3～10内,ΔE发生了较大变化;CMC/S-Alz膜和CMC/S-PA/Alz膜浸入pH 3～13的缓冲溶液时,ΔE也发生了较大变化,颜色变化能直观识别。
2.2.5 指示膜的红外光谱分析
由图7可知成膜材料、空白膜和3种指示膜的红外吸收光谱在3 425 cm-1附近有明显的O—H键伸缩振动吸收峰,这是因为CMC和S基材以及2种色素均含有丰富的羟基;在2 920 cm-1处有明显的吸收峰,归因于有机化合物中的C—H伸缩振动[23]。CMC光谱中1 654和1 467 cm-1处的2个吸收峰分别由羧基的不对称和对称伸缩振动引起;976 cm-1处的吸收峰归因于C
O伸缩振动[21]。由于淀粉与水分子的紧密结合,在1 624 cm-1处形成O—H弯曲振动特征吸收峰[24]。总体看来,PA和Alz的加入并没有显著改变CMC/S膜的红外光谱。与CMC/S膜相比,CMC/S-PA、CMC/S-Alz、CMC/S-PA/Alz膜的CO伸缩振动和O—H弯曲振动2个特征峰均向高波数方向偏移,其中CO伸缩振动吸收峰由1 020 cm-1偏移至1 026、1 034、1 036 cm-1,而O—H弯曲振动特征峰由1 624 cm-1偏移至1 634、1 632、1 634 cm-1,表明色素与基材之间形成新的氢键。红外光谱分析结果表明PA和Alz与成膜基材有良好的相容性,共混后基材化学成分未受影响。
图7 基材及指示膜的FTIR图谱
Fig.7 Fourier transform infrared spectra of film-forming materials and indicator films
2.2.6 指示膜的微观结构
扫描电子显微镜图可以反映物质之间分散状态和界面之间的相容性。一般来讲,物质的相容性高,其表面就相对均匀,相反则呈较粗糙的颗粒状。由图8可知,CMC/S膜的表面总体上较为均匀但光滑度较差,同时其横截面出现了一些褶皱,这是由于CMC和S之间存在一定程度的不混溶。相比之下,随着PA和Alz的加入,膜的表面变得光滑均匀,截面的褶皱大大减少,尤其是CMC/S-PA/Alz膜的截面更加规则,以往也有研究表明天然色素通过氢键建立分子间缔合使CMC/S基膜的微观结构更加致密[14]。然而,添加色素的膜的截面出现了一些聚集颗粒(图中红圈表示),这可能与色素的团聚性以及成膜干燥过程改变了聚合物的结晶度有关,具体原因需要进一步研究。
a-CMC/S膜;b-CMC/S-PA膜;c-CMC/S-Alz膜;d-CMC/S-PA/Alz膜
图8 CMC/S膜及指示膜的表面及横切面扫描电子显微镜图
Fig.8 The SEM photograph of CMC/S film and CMC/S film contained PA and/or Alz
2.3 指示膜在猪肉新鲜度监测中的初步应用
TVB-N含量是评价猪肉新鲜度的重要参考指标。新鲜肉TVB-N含量≤10 mg/100 g,次级鲜肉TVB-N含量10～15 mg/100 g,腐败肉TVB-N含量≥15 mg/100 g[25]。由图9-a可知,猪肉TVB-N含量在贮存0～3 d时低于10 mg/100 g;贮存4～5 d时,TVB-N含量为10～15 mg/100 g,此时猪肉有轻微异味;贮存6 d猪肉样品已有严重的腐臭气味,TVB-N含量达到(16.28±0.31) mg/100 g。pH是反映屠宰后肌糖原酵解速率的重要指标,其值变化与肉的腐败变质之间存在一定相关性。通常冷鲜肉的一级鲜度pH值为5.8～6.2,二级鲜度pH值为6.3～6.6,变质肉的pH值则达到6.7以上[26]。如图9-a所示,贮存前2 d肉样pH值约为5.6,未发生明显变化,这是因为肌肉组织细胞仍然进行新陈代谢,肌糖原分解产生的乳酸和ATP分解产生的磷酸中和了猪肉表面细菌生长代谢产生的碱性物质。随着贮藏时间的进一步延长,猪肉蛋白质在微生物和酶的作用下被分解为氨和胺类化合物等碱性物质,pH不断上升,贮存6 d后猪肉pH值达到6.9。综上所述,4 ℃贮存6 d后猪里脊肉TVB-N含量和pH值均超过可接受限值,因此,确定猪里脊肉贮存0～3 d为新鲜期,贮存4～5 d为中等新鲜期,贮存6 d以上为腐败期。
a-猪肉TVB-N和pH值变化;b-指示膜颜色变化
图9 猪肉4 ℃贮藏期间TVB-N和pH值变化及指示膜颜色变化(实物图中3种膜从左至右依次为CMC/S-PA、CMC/S-Alz、CMC/S-PA/Alz)
Fig.9 The TVB-N content and pH value of pork during storage at 4 ℃ and the corresponding color change of indicator films
同时,指示膜发生不同程度颜色变化,CMC/S-PA膜最初为紫色,随着贮藏时间的延长,紫色越来越浅,4 d后变为紫灰色,6 d后变为灰褐色,相较于原膜ΔE分别为12.12±0.92和19.61±0.99;CMC/S-Alz膜由黄色变为深黄色直至棕色,猪肉样品贮藏4 d及6 d后膜的ΔE分别为4.23±0.57和16.35±0.74;CMC/S-PA/Alz膜的变化趋势与CMC/S-PA膜较为相近,由淡紫色逐渐变为紫灰色直至褐色,肉样贮藏4 d及6 d后膜的ΔE分别为9.90±0.72和8.67±0.41(图9-b)。整个贮藏过程中,指示膜的颜色变化与猪肉品质信息关系密切,且可以被肉眼区别。因此,PA和/或Alz制备的指示膜可用于监测猪肉新鲜度。
3 结论
本研究利用紫薯花青素、茜素以及羧甲基纤维素和淀粉制备智能指示膜。红外光谱分析表明2种色素或其混合物成功加入CMC/S膜中并且与基材形成新的氢键;扫描电镜分析表明色素的添加使基膜的微观结构更加致密。添加紫薯花青素、茜素或其混合物后,CMC/S膜的厚度有所增加,水分含量降低,机械性能得到改善,透光性显著降低。CMC/S-PA/Alz膜具有更好的光阻隔性,CMC/S-Alz膜的颜色稳定性最优。在pH 3～13内,3种膜均呈现一定的颜色变化,CMC/S-PA膜和CMC/S-Alz膜的颜色变化较CMC/S-PA/Alz膜更为明显。将指示膜用于猪肉新鲜度监测,当肉变为不新鲜或腐败时,3种指示膜均呈现肉眼可见的颜色变化,CMC/S-PA/Alz膜与CMC/S-PA膜的颜色变化趋势相近,指示效果优于CMC/S-Alz膜。结果表明,紫薯花青素是肉品新鲜度智能指示膜的理想指示剂,而茜素的共同添加有助于提高紫薯花青素指示膜的颜色稳定性。在今后的研究中,应进一步探究添加不同比例紫薯花青素和茜素复合膜的pH响应和颜色变化以及对肉品新鲜度的指示效果。
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