智能包装是一项前景广阔的技术,可提供有关包装食品处理和储存条件的基本信息,以满足消费者对安全食品的需求。目前智能包装主要有3种,包括指示器(完整度、新鲜度、湿度和温度指示器)、数据载体(射频识别)和传感器(气体传感器、生物传感器、电子鼻、化学传感器和印刷电子)[1]。在这些技术中,pH指示新鲜度因其价格低廉、制造方式多样、可通过肉眼或成像软件对颜色变化指示器进行简单检查等特点,在食品新鲜度监测领域引起了广泛关注。
一般pH指示膜中,常用的化学物质指示剂有溴甲酚绿、溴甲酚紫、溴酚蓝和甲基红。然而,由于合成染料具有致癌性或致突变性,这可能会对人类造成潜在危害。天然花青素是化学合成色素潜在的一种替代品,花青素可以从不同物质中提取,紫甘薯[2]、黑米[3]、洛神花[4]、紫甘蓝[5]、桑葚[6]等,这些花青素已被广泛研究,但因提取工艺复杂,且直接来源于食物本身,成本较高。葡萄皮红(grape-skin red,GSR)作为一种提取于红葡萄皮的花青素,原料来自于农产品加工副产物葡萄皮。通过超微粉碎技术辅助提取,提取率高,工艺简单[7],且我国拥有十分丰富的葡萄资源。GSR主要成分为锦葵花素葡萄糖苷,具有十分优良的pH敏感性[8],但花青素易受环境因素的影响而不稳定发生降解。为了提高GSR的稳定性,可以采用微胶囊技术保护花青素的发色团。明胶(gelatin,GEL)是来自胶原蛋白三螺旋的变性蛋白质,因其低成本和优异的乳化性能,成为食品工业中最常用的亲水胶体之一,此外,壳聚糖(chitosan,CS)是一种从几丁质脱乙酰中获得的阳离子多糖,具有良好的生物相容性和生物降解性,可溶于弱酸性溶液。在弱酸性环境下,CS氨基易被质子化产生正电荷,GEL大分子链上带负电荷的氨基酸可与带正电的CS引起聚合物链之间的静电相互作用[9]。因此,该GEL/CS聚合物可以有效地将芯材分子保留在其结构内。
马铃薯淀粉(popato starch,PS)是一种半结晶高分子聚合物,但单一的PS膜有许多缺点,例如亲水性、机械质量差等。纤维素有较高的耐热性、机械强度。由于纤维素和淀粉之间有良好的亲和力,使得纤维素可作为淀粉的有效增强剂,于是淀粉/纤维素的复合基质的研发成了当下的热点之一。
虾是一种极易变质的食物,由于其蛋白质含量和水分含量高,保质期很短。鲜虾在死亡后,新鲜度不断下降。新鲜度的丧失意味着发生了化学、物理、微生物和感官的变化。挥发性碱性化合物,如三甲胺、二甲胺和氨等统称为总挥发盐基氮(total volatile base nitrogen,TVB-N),通过微生物作用在变质虾中产生[10]。这些碱性物质会聚集在包装顶部空间,与指示膜中的水分子反应生成大量氢氧根离子,导致pH指示膜的颜色变化。因此,通过pH指示膜颜色响应,指示TVB-N值的变化,以此可以监测虾的腐败情况。
本研究以PS和花生壳纤维素(peanut shell cellulose,PSC)为成膜基材,通过添加GSR微胶囊,采用流延方法制备指示膜,对指示膜进行测试研究并在南美白对虾新鲜度监测研究中验证应用性,以期为增强天然花青素颜色稳定性及应用于食品鲜度监测提供参考。
1 材料和方法
1.1 材料与试剂
新鲜南美白对虾(活虾),雅安市吉选超市;PS(食品级),东莞市永益食品有限公司;GSR(食品级),四川绿聘生物有限公司;CS、B-GEL、NaOH、乙酸、甘油,分析纯,成都市科龙化学品公司。
1.2 仪器与设备
pHS-25酸度计,上海仪电科学仪器股份有限公司;CR400色差计,柯尼卡美能达公司;YT-GM光泽度仪,杭州研特科技有限公司;FT-IR NICOLET IS 11傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared,FTIR)仪,赛默飞世尔科技公司;Hi-Res TGA 2950差示扫描量热(differential scanning calorimetry, DSC)仪,美国TA仪器公司;SU 8010 场发射扫描电镜(scanning electron microscope, SEM),日本日立公司;SPX-250B 数显生化培养箱,常州国华仪器有限公司。
1.3 葡萄皮红微胶囊制备
参考MA等[11]的研究方法。称取75 mg的GSR溶于15 mL去离子水中,配制成5 mg/mL的水溶液。称取180 mg B型GEL,溶于45 mL去离子水中,配制成4 mg/mL GEL水溶液;用0.2 mol/L的NaOH溶液调整pH值为7。将上述GSR水溶液逐滴加入上述GEL水溶液中,同时进行机械搅拌,转速800 r/min,在30 min内加入完成。称取CS 120 mg,溶于乙酸钠溶液中,配制成30 mL CS/醋酸钠溶液(浓度为4 mg/mL),调节pH值为6。将配制好的CS/乙酸钠溶液逐滴加入GEL/花青素溶液中,同时进行机械搅拌,转速1 000 r/min,此步骤在2 h内完成,室温下操作,最后将微胶囊溶液冷冻干燥、研磨成粉。
1.4 指示膜的制备
根据刘潇等[12]的试验方法,准确称取5.00 g PS溶于100 mL去离子水中,加入30%(相对淀粉质量比例)甘油作为增塑剂,加入6%(相对淀粉质量比例)的PSC至上述试剂液中,置于80 ℃恒温水浴锅中,磁力搅拌(450 r/min)30 min冷却至(25±1)℃,分别加入4%(相对淀粉质量比例)的GSR微胶囊和未包封的GSR色素,用高速分散机(100 000 r/min)分散10 min,糊化形成均匀且分散的成膜液;将成膜液在0.10 MPa真空条件下脱气15 min,去除内部空气。称取90 g的成膜液流延至成膜器(25 cm×25 cm 树脂板)上,置于电热鼓风干燥箱中,40～45 ℃下烘干8 h,取出,回湿,揭膜。以不加GSR的复合膜作为对照,分别记为PS/PSC GEL/GSR/CS、PS/PSC/GSR、PS/PSC。
1.5 指示膜性能测试与表征
a)FTIR:将指示膜在45 ℃干燥20 h,使用FTIR仪在衰减的全反射模式下测试膜的红外光谱,扫描范围4 000～450 cm-1,分辨率4 cm-1。
b)SEM微观分析:测试前将样品在50 ℃下干燥12 h。裁切成1 cm×1 cm的样张并做喷金处理,置于SEM下观察,电镜的电压20 kV。其中膜表面图像放大到500倍,横截面图形放大到1 500倍。
c)X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析:在25 ℃下在5°～ 80°的衍射角(2θ)范围内使用。
d)热稳定性:使用DSC仪以 10 ℃/min 分析薄膜的热性能。将每个薄膜(5 mg)从 20 ℃ 加热到 350 ℃,以获得薄膜的DSC曲线。
e)机械性能:依照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定 第3部分:薄塑和薄片的试验条件》的方法测试该薄膜的断裂伸长率以及抗拉伸强度。
f)厚度测试:依照GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片 厚度测定 机械测量法》在试样上等距抽取20个点,采用高精度测厚仪测定厚度,结果取平均值。
g)pH敏感性:将指示膜裁剪成4 cm×4 cm,浸于pH 值2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、13的pH缓冲溶液中,通过原相机每10 min拍照一次,记录薄膜的颜色变化,直至薄膜颜色稳定。同时测定膜的颜色并计算色度差,研究指示膜的pH响应。其中色差计算中,L、a和b为膜在不同pH环境中的色度值;L0、a0和b0分别为初始膜的色度值。
h)颜色稳定性
环境温度对薄膜颜色稳定性的影响:将薄膜置于相对湿度为75%,温度分别为4 ℃、25 ℃环境中,每两天测定1次薄膜的色度值(L、a、b),一共测试10 d。
环境光照对薄膜颜色稳定性的影响:将薄膜分别放置于室内避光和自然光照环境中,每两天测定1次薄膜的色度值(L、a、b),一共测试10 d。
环境湿度对薄膜颜色稳定性的影响:将薄膜置于温度为25 ℃,相对湿度分别为30%、75%的环境中,每两天测定1次薄膜的色度值(L、a、b),一共测试10 d。
1.6 指示膜在虾新鲜度监测中的应用
将指示膜裁成1.5 cm×1.5 cm大小,贴于灭菌培养皿顶部,取单只虾[质量(10±0.5) g]放入培养皿中,密封并于4 ℃冰箱储藏15 d。每两天测定1次色度值、pH值、TVB-N及菌落总数,并对虾进行感官评分。
表1 感观评分标准表
Table 1 Sensory score standard
项目3分2分1分0分肌肉组织肌肉纹理清晰有弹性,肉与壳连接紧密肌肉略有弹性,不变色,肉与壳连接稍松弛肌肉弹性较差,肉与壳连接松弛肌肉组织松软,肉质发黄体表色泽体表有光泽,头胸甲与体节间连接紧密壳有轻微红色或黑色,头尾部出现黑斑肌体无固有光泽,体表出现大面积黑斑体表色泽灰暗,甲壳与虾体分离气味虾体固有气味,无异味略有异味异味较强异味强烈
1.7 数据处理
实验数据使用Origin 2019、SPSS 26.0进行处理与分析,最后结果以“平均值±标准差”表示。研究中显著性分析用方差分析法(ANOVA),P<0.5表示存在显著性差异。
2 结果与分析
2.1 指示膜的红外光谱分析
如图1所示,通过 FTIR 光谱可表征复合膜分子结构和分子间的相互作用。PS基的复合膜中,3 200～3 500 cm-1处出现的宽谱吸收峰是聚合物分子中—OH和—NH的伸缩振动吸收峰[13],3 298 cm-1处是—OH的伸缩振动峰[14], 2 926 cm-1处是C—H拉伸振动峰;2 882 cm-1处的峰来源于—CH2基团中C—H键伸缩振动[15]。1 644 cm-1处的峰谷是C
C键的伸缩振动峰。1 150 cm-1处是糖苷键的C—O—H吸收振动峰,1 075 cm-1处是P—O—C基团的振动峰[16]。在999 cm-1处的吸收峰来自于PS中葡萄糖环C—O的拉伸振动[17]。随着花青素和GSR纳米粒子的添加,3 298 cm-1的波峰向低波数偏移,表明GSR及其微胶囊在PS中形成了一些新的氢键。FTIR结果表明,GSR花青素及其微胶囊成功分散在PS膜中,并与PS分子发生了新的相互作用。
图1 复合膜的FTIR图
Fig.1 FTIR spectrum of composite films
2.2 指示膜的SEM分析
如图2所示,以SEM测试薄膜的微观结构。图2-a 中PS/PSC膜的表面光滑平坦,表明PS和PSC之间兼容性好,轻微的颗粒状物质可能是因为成膜基质的团缩聚合现象。其中,在PS/PSC/GSR指示膜中横截面光滑增强,截面没有明显的纹路,表明花青素加入后对淀粉和纤维素之间的兼容性有一定的增强作用[18]。PS/PSC GEL/GSR/CS复合膜因加入微胶囊后,薄膜具有粗糙、致密和连续的结构,复合膜表面的粗糙度可归因于微胶囊在成膜过程中通过氢键或疏水相互作用与PS分子的相互作用。微胶囊壁材GEL中的碱性和酸性基团与CS中的游离氨基配位[19],导致复合聚集和微胶囊聚集,因此,PS/PSC GEL/GSR/CS复合膜截面呈现出团聚的颗粒状物质。SEM结果表明,微胶囊在加入PS基体后不仅均匀地融合在薄膜中,而且在干燥过程中也均匀分散在薄膜表面。同时微胶囊和淀粉分子间的氢键和疏水相互作用可有效提高指示膜的机械性能、阻隔性能。
a-PS/PSC膜表面;b-PS/PSC膜横截面;c-PS/PSC/GSR膜表面;d-PS/PSC/GSR膜横截面;e-PS/PSC GEL/GSR/CS膜表面;f-PS/PSC GEL/GSR/CS膜横截面
图2 指示膜的SEM图
Fig.2 SEM images of indicator films
2.3 指示膜的热稳定性分析
如图3所示,利用DSC法测定3种复合膜的热稳定性。纯PS薄膜的初始分解温度为110 ℃[20],而图3中PS/PSC膜的熔融温度为139 ℃,这是因为成膜过程中PSC结晶度较高及在薄膜中分散的作用,在复合膜中提升了其稳定性。PS/PSC/GSR指示膜熔融峰温度为135 ℃,低于PS/PSC膜,这是由于花青素受热不稳定易降解失活,因此花青素的融入降低了淀粉膜的玻璃化温度。而随着GEL/GSR/CS微胶囊的加入,膜的热熔融温度相对于PS/PSC膜提高了11 ℃,达到146 ℃。花青素与GEL和CS相互作用过程中形成大量氢键,这将增加GSR/CS/GEL微胶囊的热稳定性。这与ZHANG等[21]的研究结果一致,花青素微胶囊化有助于提高pH指示膜的热稳定性和熔点。
图3 指示膜的 DSC 曲线
Fig.3 DSC curve of indicator films
2.4 指示膜XRD分析
如图4为复合膜的XRD谱图,淀粉在16.84°处具有很强的衍射峰,在15.02°、18.98°、21.96°、24.21°处具有一些微弱峰,另外,在5.46°处观察到最弱的特征峰。淀粉的XRD图谱通常有A-型、B-型、C-型3种,A-型淀粉在15°、23°左右有较强的衍射峰,在约17°、18°附近有未离散的双峰。B-型淀粉在17°附件产生最强的衍射峰,在5.5°附近有一个特征峰。C-型淀粉是A-型和B-型多晶型的混合物[22],以上结果表明所用淀粉材料是B-型淀粉。由图3可知,PSC的特征峰为在20.17°附近的宽峰,因为其特有的晶体结构。在PS/PSC膜中未发现特征峰,表明淀粉与纤维素兼容效果较好。加入GSR后指示膜的宽峰强度变大,可能是GSR花青素与淀粉和纤维素的羟基之间形成了新的氢键。负载GEL/GSR/CS微胶囊的指示膜衍射峰强度减弱,这可能是由于GSR、GEL和CS之间的氢键导致不规则的分子排列,从而降低了微胶囊的结晶体[3]。通过XRD图谱分析表明,膜的各组分之间形成了新的相互作用,打乱了各分子原有的晶体形态,从而提高了薄膜的机械性能。
图4 指示膜的XRD图
Fig.4 X-ray diffraction pattern of the indicator films
2.5 指示膜的厚度和机械性能分析
指示膜厚度与基质浓度、膜面积、基质中分子结构及相互作用有关。本研究中成膜面积是恒定的,薄膜厚度在147～160 μm,PS/PSC(147.33 μm)最薄。PS因含有天然的磷酸基团而带负电荷,使得带正电荷的GEL/GSR/CS分子和带负电荷的PS分子产生静电吸引的相互作用,促进GEL/GSR/CS分子穿透淀粉颗粒减少聚合物的空间阻位,从而使膜均匀性提高,如表2所示,PS/PSC GEL/GSR/CS膜厚度(152.06 μm)相对于PS/PSC/GSR膜降低(160.67 μm)。拉伸强度与物质晶体形态和分子间氢键有关,纯PS膜拉伸强度为6.81 MPa 左右[23],本研究测得PS/PSC 拉伸强度为10.31 MPa,PSC复合膜的拉伸强度,可能与PSC与PS之间形成的紧密氢键网状结构有关。加入GEL/GSR/CS微胶囊后,拉伸强度相对于PS/PSC/GSR膜进一步提高了1.30 MPa,可能是PSC的内部糖环结构为CS/GEL复合结构提供了合适的骨架[24],从而提高了内部结构的稳定性。GSR、GEL/GSR/CS均使复合膜断裂伸长率减小,可能是由于聚合物分子之间产生相互吸引的作用力,缩短了分子间的距离。本研究中,PS/PSC GEL/GSR/CS膜的拉伸强度相对于PS/PSC提高了28.52%。PS/PSC GEL/GSR/CS膜的断裂伸长率(67.06%)优于其他负载GSR的膜,如卡拉胶/纳米纤维素/GSR膜(54.80%)[25]。表明GSR微胶囊化可相对于GSR可进一步增强指示膜的分子间相互作用,减小薄膜内部空间位阻,提高材料的机械性能。
表2 复合膜的厚度和机械性能
Table 2 Thickness and mechanical properties of composite films
膜类型厚度/μm拉伸强度/MPa断裂伸长率/%PS/PSC147.33±3.51b10.31±1.03b79.80±2.22aPS/PSC/GSR160.67±2.52a11.95±0.61c74.31±1.36bPS/PSC GEL/GSR/CS152.06±2.00a13.25±0.41a67.06±3.09c
注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05)(下同)。
2.6 指示膜的pH敏感性分析
将PS/PSC GEL/GSR/CS指示膜浸入pH值为2～13的缓冲液中得到薄膜的pH颜色响应如图5所示。薄膜的颜色随pH升高发生了肉眼可见的颜色变化,依次由粉红色到红色、紫红色、蓝色、深蓝色、浅黄色、黄棕色。这是由于不同pH值下作为类黄酮化合物的GSR产生不同化学结构的结果。在酸性环境中,GSR的黄烊盐离子结构占主导地位,这种阳离子会产生紫色和红色。伴随着pH值逐渐升高,GSR分子失去了C环氧上的阳离子,而被亲核基团攻击,发生水合反应,形成无色的甲醇假碱。将pH值提高到6～7时,会出现醌基紫色结构。在碱性环境中,随pH值升高,黄烊盐离子失去氢离子,转化成蓝色的碱。随后GSR分子中心环的结构打开,形成黄色查尔酮[26]。PS/PSC GEL/GSR/CS指示膜在酸性到碱性的缓冲液中,膜表观发生了红色—紫色—蓝色—黄色的颜色变化,该变化均肉眼就可以辨识,表明该指示膜有作为pH敏感指标监测食品新鲜度的潜力。
图5 不同 pH 值条件下指示膜的颜色响应
Fig.5 Color response of the indicator films under different pH conditions
2.7 指示膜的颜色稳定性分析
作为食品新鲜度监测用的指示膜,必须确保其在食品保藏期间的颜色稳定性,故对指示膜进行环境的稳定性分析。图6显示了复合膜在不同环境下的颜色变化。与在4 ℃的环境下比,25 ℃时的薄膜显示出更高的颜色稳定,色差值更低,这是由于高温会导致花青素中3-葡萄糖苷结构裂解[27],因此薄膜颜色稳定性下降。ΔE>5时,薄膜显示出可视颜色变化。PS/PSC/GSR膜4 ℃下第7天后ΔE>5,在25 ℃下第3天后ΔE>5,而PS/PSC GEL/GSR/CS膜4 ℃下15 d内ΔE≤5,25 ℃下12 d内ΔE≤5。GEL/GSR/CS微胶囊显著增强了指示膜对温度的稳定性,这可能是由于生物聚合物和花青素之间的分子间强相互作用连接保护了花青素中易热裂解的糖苷键和酚类结构[28]。
a-温度;b-湿度;c-光照
图6 指示膜储藏在不同温度、光照和湿度条件下的颜色稳定性
Fig.6 Color stability of indicator film storage under different temperature, light and humidity
由图6-b可知,指示膜在30%RH下相对于75%的环境湿度更具有颜色稳定性,这可归因于较低的相对湿度下,指示膜的吸水率下降,使得花青素的水合作用降低。在30%RH 环境下PS/PSC GEL/GSR/CS膜将ΔE≤5从9 d延长至15 d,75%RH时从2 d延长至10 d。GEL/GSR/CS复合物的形成保护了GSR中mv2Glc发色团的化学稳定性,屏蔽了黄烊盐离子的高度亲电C2006位置,从而减少了被水侵蚀后的化学降解[29]。同时,光照也是影响指示膜颜色的重要参数,图6-c可知,指示膜接受光照比避光保存表现出更高的颜色稳定性。这是避光的指示膜光照中的紫外辐射诱发花青素碳链骨架断裂,氧化为羟基苯甲酸和2,4,6-三羟基苯甲醛等产物[30]。同时因为GSR经双重包封微胶囊化后,减少了光照对花青素结构的影响,使得PS/PSC GEL/GSR/CS膜在光照和避光条件下15 d内均保持了颜色稳定(ΔE<5)。总的来说,在颜色稳定性的研究中,负载GEL/GSR/CS微胶囊的指示膜比对照组PS/PSC/GSR膜(未包埋)表现出更高的颜色稳定性。PS/PSC GEL/GSR/CS膜在4 ℃(冷藏)下、避光、30%RH环境下15 d内的色差变化值ΔE<5,GSR微胶囊化后表现出极高的颜色稳定性,有利于在食品鲜度监测应用过程中减少自身色变引起的误差。
2.8 指示膜在监测南美白对虾新鲜度中的应用
以PS/PSC GEL/GSR/CS膜为实验组,PS/PSC/GSR膜为对照组进行南美白对虾新鲜度监测的应用探究。虾在腐败变质过程中,因为微生物代谢以及内源酶作用会产生各种碱性胺类物质,导致pH上升[31]。如表3所示,虾在4 ℃保存2 d后,pH值降低,这可能是虾死亡后糖原和ATP在组织蛋白酶作用下分解产生乳酸和游离磷酸的结果。从第3天开始,由于微生物代谢产生生物胺和其他碱性物质,pH值增加。且通常情况下认为当pH值>7.7时,水产品不可食用。TVB-N含量是水产品新鲜度的重要评价指标,储藏第8天,南美白对虾TVB-N含量上升至(23.32±0.58)mg/100 g,为三级鲜度,随着贮藏时间的延长,TVB-N含量不断增加,第10天时增至(35.27±0.29)mg/100 g,超出TVB-N限量标准。上述两个新鲜度指标量化结果并不完全相同,这是因为TVB-N直接由蛋白质等含氮化合物降解产生,使得TVB-N值响应快于pH值。参照GB 2733—2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》,水产品菌落总数中的限量标准为6 lg CFU/g。南美白对虾在储藏初期的菌落总数为(2.88±0.03) lg CFU/g,第10天达到(6.83±0.04) lg CFU/g,不可再食用。南美白对虾随着4 ℃下贮藏的进行,虾的感官评分逐渐下降。这是由于酶和微生物的作用,使得虾体内的脂类氧化和蛋白质降解,产生的气味及黑斑。综上所述,将4 ℃贮藏下的对虾鲜度划分为3个层级:0～2 d,一级鲜度;4～8 d,次级鲜度;10～14 d,完全腐败。
表3 虾肉在14 d储存期内的pH值、TVB-N、总活菌数、感官评分
Table 3 PH value, TVB-N, total viable bacterial count, and sensory score of shrimp meat during a 14 day storage period
时间/dpHTVB-N/(mg/100 g)总活菌数(lg CFU/g)感官评分06.93±0.12h8.73±0.06h2.88±0.03h9.00±0.00a26.75±0.02g12.34±0.04g3.46±0.01g8.44±0.22b47.14±0.04f17.24±0.03f3.93±0.04f7.74±0.24c67.36±0.03e19.39±0.01e4.94±0.02e6.35±0.14d87.54±0.02d23.32±0.58d5.68±0.03d5.74±0.32e107.77±0.01c35.27±0.29c6.83±0.04c4.56±0.40f127.83±0.05b42.97±0.34b7.53±0.07b3.16±0.20g147.95±0.03a56.78±0.41a8.62±0.05a2.77±0.25g
表4为PS/PSC GEL/GSR/CS膜(实验组)和PS/PSC/GSR膜(对照组)的颜色指标变化,图7为将膜应用于虾的鲜度监测实拍图像。贮藏初期,指示膜呈红色,随着贮藏时间的延长,虾释放出碱性胺类物质,花青素中红色的黄素阳离子脱除氢离子形成蓝色醌式碱。按照Lab颜色空间系的理论,L值逐渐下降即膜明度降低,a逐渐减小表明膜的红色色度、绿色色度逐步减弱,b值下降转变为负值后上升表明膜完成了由蓝色向黄色的色度转变。ΔE上升,其变化与指示膜的pH响应转变一致。图7中可以看出膜的颜色为蓝灰色且不断加深,到第10天虾的各项鲜度指标超过限量标准,虾变质不可再食用。在第12天时,PS/PSC/GSR膜的b值由12.25增大到33.19,膜转变为黄色,这是由于虾腐败变质以后,胺类物质不断在指示膜中富集,GSR在碱性环境中不稳定极易转化为半酮、喹酮和查尔酮[26]。而PS/PSC GEL/GSR/CS膜在第14天才开始向黄色转变,在碱性环境中将色变延长2 d,这与上述颜色稳定性中GSR微胶囊化具有更高的稳定性研究结果一致。
A-对照组,PS/PSC/GSR膜应用于南美白对虾鲜度监测;B-实验组,PS/PSC GEL/GSR/CS膜应用于南美白对虾鲜度监测。
图7 指示膜对南美白对虾鲜度指示应用结果
Fig.7 Application of indicator films in freshness monitoring of Penaeus vannamei
表4 指示膜应用于虾新鲜度指示的色差变化
Table 4 Color difference changes in the application of indicator films to indicate shrimp freshness
膜类型时间/dLabΔEPS/PSCGEL/GSR/CS066.67±0.93a29.36±2.31a 2.01±0.52d42.99±2.21h255.19±2.27b25.00±2.65b8.49±0.71c50.11±0.74g448.80±1.91c15.00±4.02c16.49±2.06b53.64±0.95f640.52±0.94d2.17±0.17e-0.49±0.33d56.95±0.94e838.67±0.57d1.33±0.21e-6.16±0.25c59.03±0.56d1034.08±0.54e2.99±0.49e-9.20±0.55c64.01±0.60c1229.90±0.50f7.85±0.73d16.31±0.60b69.84±0.51b1428.09±0.40f12.85±0.54c18.15±0.66a72.77±0.39a
续表4
膜类型时间/dLabΔEPS/PSC/GSR067.45±2.56a30.48±3.74a 1.79±0.68g43.22±4.41f253.73±0.53b21.79±0.49b8.90±0.99e49.81±0.64e445.43±0.85c12.63±1.68c17.15±0.75c56.17±1.13d640.47±1.72d2.16±0.43e-0.36±0.29h57.00±1.71d838.82±1.19d0.63±0.31e-7.34±0.49f58.99±1.16d1034.19±1.13e1.54±0.21e-12.25±0.31d64.32±1.16c1232.06±0.87e7.74±0.53d33.19±0.67b73.52±0.96b1433.32±1.43e21.56±2.91b39.74±0.57a78.36±1.53a
3 结论
以GEL和CS为壁材包埋GSR实现天然花青素微胶囊化,并微胶囊融入PS和PSC中制备了食品新鲜度指示膜。GEL/GSR/CS微胶囊和PS/PSC基质通过氢键和静电相互作用,提高了膜的机械性能、热稳定性,其中拉伸强度提高了28.52%,熔点提高了11 ℃。FTIR和XRD测试分别表明PS膜和GEL/GSR/CS微胶囊之间产生了新的分子相互作用,出现了新的晶体结构。SEM结果表明GEL/GSR/CS均匀融合在了膜的内部及表面。PS/PSC GEL/GSR/CS膜相较于PS/PSC/GSR膜在不同温度、湿度、光照条件下表现出更高的颜色稳定性,且pH响应显著,色差可视。指示膜应用在南美白对虾新鲜度监测中,表现出良好的颜色响应(ΔE>5),且相对于未将花青素包埋的对照膜,指示膜将颜色稳定性延长了2 d。该指示膜具有监测虾新鲜度的应用潜力。
[1] DU H Y, SUN X L, CHONG X N, et al.A review on smart active packaging systems for food preservation:Applications and future trends[J].Trends in Food Science &Technology, 2023, 141:104200.
[2] JIANG G Y, HOU X Y, ZENG X D, et al.Preparation and characterization of indicator films from carboxymethyl-cellulose/starch and purple sweet potato (Ipomoea batatas (L.) lam) anthocyanins for monitoring fish freshness[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 143:359-372.
[3] GE Y J, LI Y, BAI Y, et al.Intelligent gelatin/oxidized chitin nanocrystals nanocomposite films containing black rice bran anthocyanins for fish freshness monitorings[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 155:1296-1306.
[4] LIU J L, HUANG J Y, YING Y B, et al.pH-sensitive and antibacterial films developed by incorporating anthocyanins extracted from purple potato or Roselle into chitosan/polyvinyl alcohol/nano-ZnO matrix:Comparative study[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 178:104-112.
[5] CHEN M Y, YAN T Y, HUANG J Y, et al.Fabrication of halochromic smart films by immobilizing red cabbage anthocyanins into chitosan/oxidized-chitin nanocrystals composites for real-time hairtail and shrimp freshness monitoring[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 179:90-100.
[6] ZHANG C J, SUN G H, CAO L L, et al.Accurately intelligent film made from sodium carboxymethyl starch/κ-carrageenan reinforced by mulberry anthocyanins as an indicator[J].Food Hydrocolloids, 2020, 108:106012.
[7] 黄晓庆. 湿法超微粉碎提取葡萄皮中花青素[J].食品工业, 2012, 33(6):12-15.
HUANG X Q.The extraction of anthocyanin from grape peel by wet ultrafine grinding technology[J].The Food Industry, 2012, 33(6):12-15.
[8] MA Q Y, REN Y M, GU Z X, et al.Developing an intelligent film containing Vitis amurensis husk extracts:The effects of pH value of the film-forming solution[J].Journal of Cleaner Production, 2017, 166:851-859.
[9] HAGHIGHI H, DE LEO R, BEDIN E, et al.Comparative analysis of blend and bilayer films based on chitosan and gelatin enriched with LAE (lauroyl arginate ethyl) with antimicrobial activity for food packaging applications[J].Food Packaging and Shelf Life, 2019, 19:31-39.
[10] MOHAMMADALINEJHAD S, ALMASI H, MORADI M.Immobilization of Echium amoenum anthocyanins into bacterial cellulose film:A novel colorimetric pH indicator for freshness/spoilage monitoring of shrimp[J].Food Control, 2020, 113:107169.
[11] MA Y L, LI S Y, JI T T, et al.Development and optimization of dynamic gelatin/chitosan nanoparticles incorporated with blueberry anthocyanins for milk freshness monitoring[J].Carbohydrate Polymers, 2020, 247:116738.
[12] 刘潇, 董海洲, 侯汉学.花生壳纳米纤维素的制备及其对淀粉膜性能的影响[J].中国粮油学报, 2015, 30(1):112-116.
LIU X, DONG H Z, HOU H X.The preparation of peanut shell nanocellulose and the effects on the properties of starch films[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2015, 30(1):112-116.
[13] HAGHIGHI H, BIARD S, BIGI F, et al.Comprehensive characterization of active chitosan-gelatin blend films enriched with different essential oils[J].Food Hydrocolloids, 2019, 95:33-42.
[14] CHENG J F, WANG H L, KANG S L, et al.An active packaging film based on yam starch with eugenol and its application for pork preservation[J].Food Hydrocolloids, 2019, 96:546-554.
[15] 高奇奇, 郝艳玲, 程龙, 等.玉米淀粉/TiO2纳米复合薄膜制备与性能[J].中国塑料, 2023, 37(2):45-50.
GAO Q Q, HAO Y L, CHENG L, et al.Preparation and performance of corn starch/TiO2 nanocomposite films[J].China Plastics, 2023, 37(2):45-50.
[16] 杨丽, 杨文军, 刘霞, 等.由马铃薯淀粉制得磷酸寡糖的定性定量测定[J].食品科学, 2011, 32(14):198-201.
YANG L, YANG W J, LIU X, et al.Determination of phosphorylated oligosaccharides prepared from potato starch[J].Food Science, 2011, 32(14):198-201.
[17] PATIL S, BHARIMALLA A K, MAHAPATRA A, et al.Effect of polymer blending on mechanical and barrier properties of starch-polyvinyl alcohol based biodegradable composite films[J].Food Bioscience, 2021, 44:101352.
[18] LIU B, XU H, ZHAO H Y, et al.Preparation and characterization of intelligent starch/PVA films for simultaneous colorimetric indication and antimicrobial activity for food packaging applications[J].Carbohydrate Polymers, 2017, 157:842-849.
[19] LIU Y W, MA Y L, LIU Y, et al.Fabrication and characterization of pH-responsive intelligent films based on carboxymethyl cellulose and gelatin/curcumin/chitosan hybrid microcapsules for pork quality monitoring[J].Food Hydrocolloids, 2022, 124:107224.
[20] CHU T, SHI J S, XIA Y Z, et al.Development of high strength potato starch nanocomposite films with excellent UV-blocking performance:Effect of heat moisture treatment synergistic with ligninsulfonic acid[J].Industrial Crops and Products, 2022, 187:115327.
[21] ZHANG R, ZHOU L, LI J, et al.Microencapsulation of anthocyanins extracted from grape skin by emulsification/internal gelation followed by spray/freeze-drying techniques:Characterization, stability and bioaccessibility[J].LWT, 2020, 123:109097.
[22] HOU F Y, DONG S X, XIE B T, et al.Mulching with plastic film improved the root quality of summer-sown sweet potato (Ipomoea batatas (L).Lam.) in Northern China[J].Journal of Integrative Agriculture, 2019, 18(5):982-991.
[23] 王玥, 蒋悦, 张凤, 等.柠檬果胶-马铃薯淀粉复合膜的制备及研究[J].塑料工业, 2019, 47(2):26-30; 116.
WANG Y, JIANG Y, ZHANG F, et al.Preparation and properties of lemon pectin-potato starch plastic membrane[J].China Plastics Industry, 2019, 47(2):26-30; 116.
[24] WANG F, ZHANG Q, LI X X, et al.Redox-responsive blend hydrogel films based on carboxymethyl cellulose/chitosan microspheres as dual delivery carrier[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 134:413-421.
[25] MA Q Y, WANG L J.Preparation of a visual pH-sensing film based on Tara gum incorporating cellulose and extracts from grape skins[J].Sensors and Actuators B:Chemical, 2016, 235:401-407.
[26] PRIETTO L, MIRAPALHETE T C, PINTO V Z, et al.pH-sensitive films containing anthocyanins extracted from black bean seed coat and red cabbage[J].LWT, 2017, 80:492-500.
[27] LALEH G H, FRYDOONFAR H, HEIDARY R, et al.The effect of light, temperature, pH and species on stability of anthocyanin pigments in four Berberis species[J].Pakistan Journal of Nutrition, 2005, 5(1):90-92.
[28] SENDRI N, SINGH S, BHATT S, et al.Insight into the influence of oxygen, sunlight and temperature on the stability and color attributes of red cabbage anthocyanins and in vitro gastrointestinal behaviour[J].Food Chemistry Advances, 2023, 3:100359.
[29] FERNANDES A, BRAND
O E, RAPOSO F, et al.Impact of grape pectic polysaccharides on anthocyanins thermostability[J].Carbohydrate Polymers, 2020, 239:116240.
[30] PERON D V, FRAGA S, ANTELO F.Thermal degradation kinetics of anthocyanins extracted from juçara (Euterpe edulis Martius) and “Italia” grapes (Vitis vinifera L.), and the effect of heating on the antioxidant capacity[J].Food Chemistry, 2017, 232:836-840.
[31] LI H, GAN J C, YANG Q, et al.Colorimetric detection of food freshness based on amine-responsive dopamine polymerization on gold nanoparticles[J].Talanta, 2021, 234:122706.