食品包装是食物给人的第一印象,不仅可以影响人们的食欲,还可以避免食品受到氧气、水、光、害虫和化学品等环境影响[1],在提高食物的外观和质量方面发挥着极其重要的作用[1]。如何更好地保护广大消费者免受变质腐烂的食品带来的未知疾病的困扰,进一步提高食品质量已成为重要的研究方向。因此,智能食品包装膜也迅速出现在人们的生活和视野当中。
在现有的研究中,智能包装薄膜通常由pH指示剂和基体材料组成。其中,pH指示剂一般是从植物中提取的色素,包括花青素、紫草素、姜黄素、茜素等。选取聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、海藻酸钠(sodium alginate,SA)、明胶(gelatin,Gel)[2]、壳聚糖(chitosan,CS)[3]以及从动物或植物中提取的大豆蛋白、淀粉[4]等多种不同聚合物作为基质材料进行混合,这些基质材料一般为无毒材料,其制备方法也较为多样。
花青素属于多酚家族的黄酮类成员,最早在花生皮或种子的包衣中被发现,自1879年起在意大利上市销售。随着研究的不断深入,科学家们发现花青素广泛存在于水果和蔬菜中,如蓝莓、紫甘薯、黑加仑、葡萄和紫甘蓝等。作为一种天然食用色素,花青素不仅含量丰富且安全可靠,具备极高的营养价值和药理作用。花青素智能pH复合膜选用不同聚合物的材料进行混合,结合花青素的特性,具备高度的pH敏感性,是一种应用前景广阔的智能包装材料[5]。本文总结了不同植物中提取的花青素智能pH指示膜的制备和应用,阐述了花青素的来源、结构、性质和提取方法,并对其应用领域进行了分析和展望。
花青素是天然植物色素,具备卓越的水溶性,它是很多蔬菜和水果呈现橙色、红色、紫色和蓝色的主要原因。该色素是植物中的一类次生代谢产物,在生物体内具有显著的抗氧化性质,能够帮助细胞对抗氧化应激并保持稳定的内环境。其主要分布于所有的高等植物中,但在藻类和其他低等植物中则较为稀缺。目前已经发现的天然花青素种类超过500种,它们的结构各不相同。花青素的结构是由两个含苯醌环的部分构成,这两部分由一个氧杂环和一个含氧的三碳环连接起来形成黄酮离子,其结构如图1所示。花青素通过与糖基结合形成花色苷,糖基附着在核心结构上的位置和数量差异是导致花青素多样性的原因。花青素常见的糖残基包括葡萄糖、木糖、鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖。
a-花青素的基本结构单元;b-不同类型花青素的化学结构
图1 花青素的基本结构单元及不同类型花青素的化学结构[7]
Fig.1 The basic structure of anthocyanin and the chemical structures of different types of anthocyanidins[7]
花青素可以从各种植物中提取[5],如蓝莓、紫薯、紫甘蓝、黑米糠、洛神花、桑葚和红玫瑰等。自然界中常见的花青素及其衍生物有6种:锦葵素占7%、天竺葵素占12%、花色素苷占50%、飞燕草素占12%、牵牛花素占7%和牡丹素占12%。天竺葵素、花色素苷和飞燕草素是自然界中主要的非甲基化花青素[5]。花青素还具有抗菌、抗衰老等多种功能[6]。它们可以用作智能包装薄膜指示器。
1.2.1 花青素的稳定性
由于羟基存在不稳定性,花青素对光、pH、水和温度敏感。其在室温或酸性条件下会显得更稳定,当pH值变成碱性时,花青素会迅速降解。花青素的稳定性亦会受到溶剂、酶等活性物质的影响。目前认为,降低pH值和温度以及限制氧气和光照可以提高花青素的稳定性。为此,包封是提高花青素颜色和稳定性的常用方法[8]。目前几种常见的包封技术,包括喷雾干燥、冷冻干燥、凝胶和乳液,都被用来提高花青素的稳定性,其中喷雾干燥是最常用的[9]。以麦芽糊精和阿拉伯胶的混合物为墙体材料,利用滚筒干燥技术将紫甘蓝中的花青素微胶囊化,可以有效防止食品中花青素的降解,提高产品的储存稳定性、抗氧化能力和保质期[10]。JAMPANI等[11]研究了不同温度对红甘蓝中花青素稳定性的影响。结果表明,当温度从30 ℃升高到80 ℃时,花青素含量从100%下降到23%,这表明花青素在低温下更稳定。SAKULNARMRAT等[10]将富含花青素的红甘蓝提取物微囊化,可防止食品中花青素的降解,提高储存稳定性和抗氧化能力,延长产品保质期。BERNSTEIN等[12]通过喷雾干燥将红甘蓝花青素封装起来,作为包装材料,阿拉伯胶和聚葡萄糖可以保护红甘蓝花青素免受140 ℃至160 ℃温度升高的影响,该方法用于生产中可提高储存稳定性和抗氧化性。此外,PRIETTO等[13]开发了基于玉米淀粉和来自黑豆种皮和红甘蓝的花青素的pH 敏感薄膜。研究发现,由于酰化花青素的存在,pH敏感膜在光下表现出比黑豆花青素更高的稳定性。此外,许多研究人员在花青素中添加颜色指示剂,以增加其稳定性并保持其良好的颜色。
1.2.2 花青素的pH敏感性
花青素分子结构的变化是其特征颜色变化的原因。同时,花青素的颜色也会因为pH值变化而变化[14]。花青素的pH敏感性因其制备食品包装显色剂的巨大潜力而受到广泛关注。在强酸性条件下花青素形成稳定的红色(黄酮阳离子),在弱酸性条件下(pH 4~5)花青素从黄酮阳离子转化为甲醇伪碱;而在pH 5~6时,随着查尔酮和甲醇的形成花青素是无色的;当pH 6~8时,花青素化合物形成紫色/蓝色藜芦碱;pH值超过8时会有淡黄色或无色查尔酮形成(图2)。可以说,花青素的视觉颜色很大程度上取决于pH值。pH值引起的颜色变化是智能包装颜色指标发展的重要指标,消费者可以通过直接的视觉信息感知食物的新鲜度。
图2 不同pH值下的花青素结构[14]
Fig.2 Structures of anthocyanins at different pH[14]
1.2.3 花青素的光学性质
通过研究花青素的光学性质,可以发现其在不同波长下吸收和发射光的能力不同,为其作为智能指示膜的光学传感器提供了基础。通过分析不同pH值条件下花青素溶液的吸收光谱,可以确定其在不同颜色状态下的光学特性,从而快速监测和响应环境pH值。这种光学特性的独特性使花青素成为食品包装、医学诊断等领域的理想智能指示膜材料。
1.3.1 固液萃取法
固液萃取法是一种传统的提取方法,根据花青素的极性特性,采用甲醇、乙醇、丙醇或其混合物等极性溶剂进行固液萃取更为可行。FAROOQ等[15]使用极性溶剂可以从植物组织中获得很高的花青素回收率(60%~80%),影响SLE提取率的因素主要有温度、提取时间、粒径、溶剂种类和料液比等,其中溶剂种类是研究最多的因素。在20世纪80年代,METIVIER等[16]研究了溶剂和酸的不同组合对酒渣中花青素提取率的影响。结果表明甲醇是最佳溶剂,花青素提取效率分别比乙醇和水作为溶剂提高了20%和73%。尽管不同的酸对每种溶剂的影响不同,但甲醇和柠檬酸联合使用的提取率最高。此外,LIAO等[17]使用酸化的甲醇水溶液和酸化的丙酮水溶液从黑莓中提取花青素。研究发现,甲醇溶剂系统从黑莓中提取花青素的效率更高。
1.3.2 超声波辅助法
超声波辅助提取法是一种新的提取技术,与传统的溶剂提取方法相比,具有收率高、适用范围广、提取时间短、温度低、生产成本低、溶剂消耗少、提取物纯度更高等优点[18]。高温下花青素会降解[19],有研究表明,超声波提取的葡萄皮中花青素含量比传统方法高1.3倍[20]。由此可见,AUE 是提取花青素的适宜技术。
1.3.3 微波辅助法
微波辅助提取是一种利用微波快速、高效、均匀地加热溶剂和目标组织的过程[21]。该方法具有选择性高、提取时间短、溶剂消耗低等优点[22]。许正虹等[23]优化了微波条件下紫甘薯花青素的提取工艺,取得了良好的效果。在藏红花花被切片中可以观察到该方法可以破坏细胞壁,是一种快速有效的花青素提取技术[24]。这在冻干桑葚中花青素的提取以及不同酒糟中花青素的提取中均得到了证实,微波预处理可使花青素提取率提高一倍[25]。
1.3.4 其他方法
除此之外,还有脉冲电场法、超临界流体萃取法、酶辅助提取法等[26]也用于花青素的提取。脉冲电场[9]具有提取率高、破坏性低的优点[27]。超临界流体萃取因为采用温度高于临界温度和压力高于临界压力的气体(主要是CO2)为提取物[28],在从接骨木果渣中提取花青素时获得了令人满意的回收率[29]。因为花青素存在于植物细胞的液泡中,要提取花青素就必须破坏细胞壁。酶的组合可以破坏细胞壁以释放花青素[30],常用的酶包括胶酶、纤维素酶和α-淀粉酶等。也有报道证实[31],果胶酶可以促进柠檬酸的提取,从而提高桑葚中花青素的价值。
不同提取物中的花青素智能pH指示膜的制备需要使用特定材料来实现其功能。首先,需要选择合适的聚合物作为膜的基质材料,以确保膜的稳定性和可塑性。其次,需要添加不同提取物中的花青素作为pH指示剂,以实现膜对酸碱环境的敏感性,还可以考虑添加其他辅助物质,如抗氧化剂和抗菌剂,以提高膜的稳定性和保鲜性能。此外,在膜的制备过程中,需要严格控制基质材料的配比和加工工艺,以确保膜具有良好的性能和稳定的颜色响应能力。
制膜工艺是制备花青素智能pH指示膜的关键步骤,不同的制膜方法具有各自的特点。根据已有的研究报道,可以总结出以下几种制膜方法。
2.1.1 静电纺丝法
常用的制膜方法是静电纺丝法,该方法通过将花青素等pH敏感材料封装在超细聚合物纤维中,形成pH敏感膜。该方法具有制备工艺简单、成本低廉、纤维直径可调控等优点。PRIETTO等[32]使用静电纺丝法制备了含有5%花青素的超细玉米蛋白纤维,该膜在酸性和碱性缓冲液中可以呈现出从粉红色到绿色的颜色变化。ZHAO等[33]将蓝莓花青素用作显色剂,同时掺入了CS、海藻糖和PVA,采用静电纺丝法合成了花青素复合膜。该指示剂对低浓度氨蒸气表现出优异的灵敏度,在2 min内完成反应。当猪肉变质时,薄膜的颜色从粉红色变为紫色。
2.1.2 溶液浇铸法
采用溶液浇铸法是将花青素溶液与不同聚合物基材混合后,利用溶液浇铸的方式形成薄膜,具有操作简单的特点[34]。目前已有不少文献报道,从藏红花、伏牛花、紫甘蓝、黑花生种皮、黑米糠、黑胡萝卜、紫玉米芯、荔枝壳等各种提取物中得到花青素。将提取出的花青素通过离心、过滤、浓缩等操作,得到花青素溶液。将提取到的花青素作为pH指示剂添加到聚合物(如明胶、淀粉、纤维素、海藻酸钠、聚乙烯醇、壳聚糖等)中,将其进行充分混合,通过真空脱气消泡处理,得到均匀的复合膜溶液。将一定体积的复合膜溶液通过溶液浇铸法轻轻倒至培养皿或亚克力板中,将制备好的花青素智能pH指示膜干燥,使其成为固体薄膜。另外,制备好的花青素智能pH指示膜也可以通过改变溶液的酸碱度,观察其颜色的变化来判断溶液的pH值。不同的花青素智能pH指示膜可能对不同的pH范围敏感,因此在选择提取物和制备膜的过程中需要根据具体需求进行条件优化,以达到实验的目的。例如,LI等[35]通过溶液浇铸法将紫色番茄花色苷(purple tomato anthocyanin,PTA)掺入CS基质中,以10%、30%和50%的PTA质量分数(基于CS),制备智能比色指示剂膜以监测牛奶和鱼的新鲜度/变质。研究发现原始的CS/PTA膜的颜色随着PTA含量的改善而变深,并随着pH值的增加,暴露于pH 3~11溶液中的CS/PTA膜的颜色变深,其中CS/10%PTA膜的颜色变化最明显。该膜在牛奶或鱼类逐渐变质时会改变颜色,从而揭示了其在监控食品新鲜度/变质方面的潜在应用。
2.2.1 在肉类食品中的应用
肉类食品腐败时会产生挥发性碱性氮,如氨、二甲胺和三甲胺的混合物[36-37],挥发性碱性气体遇到水蒸气时pH值升高。使用智能包装薄膜作为碱性气体的pH指示剂理论上是可行的,这与花青素的pH敏感性保持一致,也为智能pH指示膜的应用奠定了理论基础。
2.2.1.1 在羊肉中的应用
ALIZADEH-SANI等[38]将藏红花花青素固定在由CS纳米纤维和甲基纤维素组成的基质中,得到一种多功能智能pH包装膜。将该复合膜用于监测羊肉在贮存过程中的新鲜度变化。随着羊肉品质的劣化,薄膜由紫色变成了绿色/灰色。该课题组还将伏牛花花青素和甲基纤维素、CS纳米纤维复合,制备了一种智能指示膜,其在30 min 时的氨敏感性达到70.61%,并显示出从粉色到淡绿色再到黄色的明显颜色变化,该指示膜已成功用于羊肉的新鲜度指示[39]。GUO等[40]开发了一种将西瓜皮果胶(watermelon rind pectin,WMP)与紫甘蓝提取物中的花青素(purple cabbage extract,PCE)进行复合的新型薄膜,用于监测羊肉的腐败情况。傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)结果表明WMP和PCE通过氢键相互作用。低PCE含量(≤1.5%)可以很好地分散在薄膜基体中,从而提高透光率、机械性能、阻隔性能和热稳定性。PCE的过量添加会破坏薄膜的致密结构,降低综合性能。PCE/WMP复合膜的颜色会随着羊肉的质量从紫红色到淡蓝色不等(新鲜到变质)。FATHI等[41]分别提取和合成了藏红花花瓣花青素(saffron petal anthocyanin,SPA)和氧化铜纳米颗粒(nano-copper oxide,CuO-NPs),然后使用溶液浇铸法制备了基于羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)、SPA和CuO-NPs 的多功能生物基智能薄膜。对制备的薄膜的机械、热、物理、光学、抗菌、毒性和pH敏感性等性能研究表明,同时掺入CuO-NPs和SPA改善了薄膜的机械性能、紫外线吸收能力、阻隔性能以及热稳定性。制备的纳米复合薄膜在酸性和碱性介质中分别表现出明显的颜色变化(从粉红色到绿色)。因此,基于CMCS、SPA和CuO-NPs 智能pH多功能薄膜可以有效地感知羊肉在储存期间的新鲜度,因此它们可以作为pH指示剂用于实时监测羊肉是否变质。
2.2.1.2 在鱼虾中的应用
LU等[42]将ZnO纳米颗粒和黑花生种皮中的花青素加入到CS/Gel基质中制成指示膜,该薄膜具有很强的抗氧化及抗菌活性,且能够在不同的缓冲溶液中表现出良好的变色性能。在4 ℃时,对虾的新鲜度进行监测,发现膜的颜色发生了变化(暗红色→浅红色→浅绿色),且与虾的新鲜度指标值(TVB-N、pH、菌落总数)变化高度相关,表明该指示膜能实时监测虾的新鲜度。WU等[43]将不同含量(1%、3%和5%)的黑米糠花青素(black rice bran anthocyanins,BACN)加入到CS和氧化几丁质纳米晶(oxidized-chitin nanocrystals,O-ChNCs)基质中,制备了一种新型智能pH指示膜。实验结果表明,在pH 2.0~12.0,BACNs溶液的紫外-可见光谱显示出从红色到灰绿色的颜色变化。黑米糠花青素含量为3% 的指示膜能够通过可见的颜色变化监测鱼虾的变质。薄膜的傅立叶变换红外光谱和原子力显微镜显示,O-ChNC 和BACNs很好地分散在CS基质中。尽管BACN的加入降低了CS/O-ChNCs/BACNs(COB)膜的机械性能和阻隔性能,但对于COB薄膜,其在200~320 nm的紫外光透射率低于10%,表明智能薄膜具有出色的抗紫外光阻挡性能。随着BACNs浓度的增加,薄膜的抗氧化能力显著增加(P<0.05),DPPH自由基清除率由约20%增加到约70%。NADI等[44]采用流延法制备了基于罗勒籽胶(basil seed gum,BSG)、红甘蓝提取物(red cabbage extract,RCA)、CS的食品新鲜度检测的新型绿色智能薄膜。通过FTIR光谱和SEM图像表征,花青素提取物作为天然染料与生物聚合物在薄膜中的相互作用揭示了其合适的相容性。花青素含量最高(10%,体积分数)的薄膜在不同pH 值和氨气水平下呈现出强烈的颜色变化。当暴露于碱性、中性和酸性缓冲液时指示剂膜的颜色分别显示绿色、蓝色和红色。随着RCA含量从2.5%(体积分数)增加到10%(体积分数),智能BSG/CS薄膜的DPPH自由基清除活力从23%提高到90.32%。研究证实了基于BSG/CS的pH敏感指示剂智能膜可用于评估鱼在储存过程中的腐败情况。GUO等[45]将富含花青素的荔枝壳提取物(litchi shell extract,LE)与基质(Gel/CS/PVA)混合,制备活性智能食品包装复合膜。结果表明,掺入LE的复合薄膜具有纹理导向的层状、致密、均匀的横截面。添加LE复合薄膜具有更好的紫外线阻隔率(0~20%)、最佳的拉伸强度(18.6 MPa)和断裂伸长率(116%)。当复合薄膜在4 ℃(10 d)和25 ℃(3 d)下监测鱼的新鲜度时,Gel/CS/PVA/LE 薄膜具有 pH 敏感性,在25 ℃时表现出明显的颜色变化。结果表明,Gel/CS/PVA/LE薄膜可应用于智能食品包装膜,以指示鱼的新鲜度。
2.2.1.3 在猪肉中的应用
VO等[46]以红甘蓝花青素为指示剂,以CS和PVA为基材,添加三聚磷酸钠作为交联剂,制得力学性能更好的指示膜用于监测猪肉的新鲜度。在猪肉的贮存过程中,观察到指示膜的颜色变化:半透明的海绿色(0 h)→粉红色(12 h)→浅黄绿色(24 h),与猪肉的腐败变质相对应。WANG等[47]将纤维素纳米晶和富含花青素的紫玉米芯提取物均匀分散到CS基质中,制备得到pH响应的复合膜。将其用于4 ℃下猪肉的新鲜度监测,猪肉在贮存3 d后,薄膜由黄色(0 d)变成了浅黄色(3 d),最终变成灰色(4 d)。CHEN等[48]将玉米淀粉与超声波乳化的陈皮精油皮克林乳液和酯化变性淀粉混合,再掺入紫玉米芯花青素,制备新型抗菌指示膜用于新鲜度监测猪肉。结果表明,随着pH值的增加,膜的颜色由红色变为黄色,对挥发性氨的响应由粉红色变为青色,表现出较好的响应能力。在猪肉变质过程中,抗菌指示膜由粉红色变为黄色,与猪肉品质密切相关,具有良好的线性指标相关性。LI等[49]以CS和PVA为基质,制备了一系列可生物降解的比色膜,其中CS∶PVA的质量比为100∶0、80∶20、50∶50、20∶80或0∶100,添加10%(质量分数,相对于CS)紫番茄花青素作为色素。研究发现,CS-PVA/紫番茄花青素膜的颜色响应取决于pH值以及浸泡时间。随着浸泡时间的增加,颜色变化越显著。颜色从紫红色(pH 2~4)变为绿色(pH 5~10)再到黄色(pH 10~12)。薄膜在监测猪肉的新鲜度时,呈现出良好的视觉颜色变化,表明其在智能包装中的潜在应用。
2.2.2 在牛奶中的应用
牛奶在腐败时会产生一系列低级的酮、醛和羧酸类的挥发物,不仅会带来食物的浪费还会影响人们的体验感。智能指示包装膜作为一种“诊断工具”,为检测牛奶的质量变化提供了一种简单、方便且直观可视化的方法[50]。TIRTASHI等[51]将纤维素纸用溶胶-凝胶法制备的含有花青素的CS溶液浸渍(总花色苷含量为10 mg/100 mL)制备黑胡萝卜花青素/纤维素/CS pH指示膜。将其用来监测新鲜巴氏消毒的牛奶,在20 ℃储存48 h后,肉眼可以轻松观察到指示膜由蓝色变为紫罗兰玫瑰色。结果证明,所制备的指示剂可用作食品级生物材料,以监测牛奶的新鲜度。GAO等[52]通过静电纺丝法将蓝莓花青素、Gel和Fe2+掺入玉米醇溶蛋白基质中,加入的Gel和 Fe2+提高了指示剂薄膜在不同新鲜度牛奶和pH 3~7溶液中颜色变化的视觉辨别能力。该指示膜可以成功地用于检测牛奶的新鲜度,其颜色变化是从紫黑色(新鲜牛奶)到紫红色(变质牛奶),然后到紫红色(变质牛奶)。ZHAI等[53]利用Gel、结冷胶、红萝卜花青素提取物开发了一种pH敏感薄膜用于智能食品包装。复合膜在pH 2~12呈现橙红至黄色的颜色变化。随着胡萝卜花青素浓度的增加,膜的抗拉强度、延展性和阻挡紫外线和氧气的能力得到了提高。明胶、结冷胶、红萝卜花青素复合薄膜在牛奶腐败的情况下呈现出从深橘色到浅橘色颜色变化。
2.2.3 在果蔬中的应用
在日常生活中,水果受到众多人的喜爱,成为日常生活中必不可少的食物。研究发现,复合膜能够阻隔水分和氧气,抑制果蔬的呼吸作用,减缓果蔬成熟的进程,阻止内部与外界的气体交换,延缓果蔬在贮藏期间的理化反应[54]。不仅如此,通过力学性能和阻隔性能分析,具有良好性能的复合膜对食品进行包装可以延长葡萄、柑橘和草莓等果蔬类的货架期和保质期[55-57]。DE CHIARA等[58]制备了不同的介孔TiO2/SiO2纳米复合材料并用于延长番茄货架期,结果表明纳米 TiO2的存在能有效清除番茄贮藏过程中产生的乙烯。但复合膜对草莓贮藏保鲜过程产生的乙烯的清除能力,还需要通过进一步实验来确定。到目前为止,有研究[55-56]采用姜黄素等为指示剂加入到复合薄膜中,开发出新型食品包装薄膜。该薄膜已被证明对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性能,分别在4 h和8 h的杀灭率约为100%,因此在防止果蔬如草莓、苹果和梨的腐烂和变质方面具有很好的预防作用,可以延长了它们的保质期。由上述研究可预见,从植物中提取的花青素制备复合膜应用到果蔬类保鲜的研究方面具有极大的潜力,也为未来的进一步研究提供了思路。
近年来,随着消费者对方便和新鲜食品需求的日益增长,促进了新的食品包装方案的发展。花青素智能pH指示膜作为一种新型智能包装材料,可以实现对食品新鲜度和变质程度的监测,延长食品的保质期和货架期。本文综述了花青素的来源、结构和性质,从不同植物中提取到的花青素复合生物聚合物等其他基质材料制备的智能pH指示膜,以及智能pH指示膜在肉类、牛奶以及果蔬保鲜中的应用情况。综上可知,智能pH指示膜可以在食品变质前直观地展示食品的新鲜程度,为消费者提供更安全更可靠的选择。因此,花青素智能pH指示膜的应用前景十分广阔,有望在食品保鲜领域发挥重要作用。但是,由于从植物中分离的花青素极不稳定,易受外界因素的影响[59],使其在分离过程中或分离得到后,甚至是应用过程中降解。这在一定程度上限制了花青素在该领域的应用。如何在膜制备过程中保证花青素的稳定性,以及在所制备的智能pH指示膜应用过程中使其具有循环稳定性,是未来的研究中应该关注的焦点,这可以进一步拓展花青素智能指示膜在各领域中的应用潜力,拓展其在不同环境条件下的适用范围。
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