随着消费者食品安全意识的提升,基于天然色素的智能包装成为研究热点[1]。新鲜度指示标签作为智能包装的一种,可以引入对食品腐败标志代谢产物(如氮、胺、氨、硫化氢、pH值)等敏感的物质,以上指标的变化可直观、实时地反映食品的新鲜程度[2-4]。肉类腐败过程中,释放的挥发性胺导致pH值升高,因此,基于pH敏感指示剂的智能指示标签是监测生鲜肉类新鲜度的有效方法[5-6]。
pH智能指示标签由两部分组成:固体基底和pH指示剂。淀粉、壳聚糖、果胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等具有安全、可降解、相容性好等特点被广泛用作固体基底。常用的pH指示剂分为化学合成类和天然色素类两大类。溴甲酚绿、甲基红等化学指示剂稳定性强,但安全性低。与化学指示剂相比,天然色素具备生物相容性好、环境友好、原料易得且无毒副作用等优势。花青素、姜黄素(curcumin,CUR)等植物提取物,因其独特的pH响应特性,在食品安全监测方面展现出良好的应用前景[7-9]。
花青素作为一种水溶性多酚类黄酮化合物,因其独特的显色特性在食品智能包装和比色传感领域得到了深入研究[10-11]。LI等[12]以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)和壳聚糖(chitosan,CS)为成膜基质,紫番茄花青素为指示剂,制备了CS-PVA/紫番茄花青素膜可生物降解的比色膜,监测猪肉的新鲜度。王文娇[13]以羟丙基交联淀粉和琼脂为成膜材料,添加5种不同来源及含量的花青素制备出具有pH响应性的复合膜。MORTEZA等[14]利用藏红花花瓣花青素(saffron petal anthocyanins,SPA)和羧甲基壳聚糖,添加氧化铜纳米颗粒(CuO-NPs),制备了多功能生物基智能指示膜,有效地监测羊肉的新鲜度。KOSHY等[15]通过结合碳子量点和蝶豆花花青素来开发智能淀粉基生物聚合物指示膜。CUR,又名姜黄色素,是从姜科、天南星科中的一些植物的根茎中提取的多酚类化合物。CUR的颜色会随着环境pH值的变化而发生改变,可作为天然指示剂使用[16]。张宇婷等[17]制备含有CUR且具有良好力学性能、耐水性、光敏抗菌性和高氧气阻隔性的纤维素指示膜,并用于冷鲜猪肉的包装保鲜。郭荧辉等[18]制备CUR/明胶指示膜并应用于刀额新对虾的新鲜度指示。研究表明,相较于单一组分色素,混合色素往往表现出更优异的pH敏感特性[19]。以花青素和CUR为例,前者具有较宽的显色范围但稳定性较差,后者虽然化学性质更稳定,但其变色区间相对有限。尽管基于单一色素的食品新鲜度指示膜已得到深入研究并实现产业化应用,但关于复合色素协同显色机制及其在智能包装中的应用研究较少,这为未来食品包装材料的开发提供了新的研究方向。
本研究制备双层指示膜,将蓝莓花青素(blueberry anthocyanins,BA)、CUR和混合色素分别固定在海藻酸钠(sodium alginate,SA)中制备指示内层,利用肉桂精油(cinnamon essential oil,CEO)和羧甲基纤维素(carboxymethylcellulose,CMC)制备疏水外层。比较分析不同指示膜的物理性能、机械性能、微观结构、颜色稳定性和pH响应性,并将其用于虾的新鲜度检测,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
新鲜明虾,购自当地超市,均为活体,平均体长16～18 cm;SA,青岛明月海藻集团有限公司;CMC,上海长光企业有限公司;BA,陕西荣林生物科技有限公司;CUR,上海麦克林生化试剂有限公司;甘油,河南高宝实业有限公司;吐温80,浙江一诺生物科技有限公司;磷酸氢二钠、氢氧化钠、氯化钠、柠檬酸,天津市风船化学试剂科技有限公司;氨水,天津市北辰方正试剂厂;甲基红、亚甲基蓝,天津市大茂化学试剂厂;硼酸,阿拉丁试剂(上海)有限公司。
1.2 仪器与设备
JA2003电子分析天平,上海菁海仪器有限公司;HMS-203D加热型磁力搅拌器,上海沪析实业有限公司;BGZ-140电热恒温鼓风干燥箱,上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;752 N Plus紫外可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;pHS-3C型pH计、KDN-1自动凯氏定氮仪,上海仪电科学仪器股份有限公司;TA TOUCH质构仪,保圣科技;10QC色差仪,深圳市三恩时科技有限公司;SJIA-05C均质器,宁波市双嘉仪器有限公司;H4-20K台式高速离心机,湖南可成仪器设备有限公司;S-4800场发射扫描电镜,日本日立公司;Vertex70傅里叶变换红外光谱仪,德国Bruker公司;STA449F5同步热分析仪,德国耐驰仪器制造有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 花青素和CUR的pH响应及紫外-可见光谱
将蓝莓花青素溶于去离子水中制备4 g/L的BA溶液,将姜黄素溶于无水乙醇中制备1 g/L的CUR溶液。将BA溶液和CUR溶液按照体积比分别以1∶>1、1∶>2、1∶>4的比例混合,搅拌均匀得到混合色素溶液BA-CUR1、BA-CUR2、BA-CUR4。分别取1 mL的色素溶液,与由0.2 mol/L磷酸氢二钠、0.2 mol/L柠檬酸和0.2 mol/L NaOH溶液混合而成的pH缓冲液(pH 1～12)3 mL进行混合,观察记录色素溶液颜色变化。利用紫外-可见光分光光度计测量5种溶液在pH值为1～12的紫外-可见光谱,扫描波长为400～800 nm。
1.3.2 双层指示膜的制备
内层成膜溶液的制备:将1.5 g SA加热溶解于100 mL去离子水中,并加入10 g/L的甘油作为增塑剂,分别将体积分数为10%的色素溶液加入SA溶液中,磁力搅拌30 min,超声波去除气泡,静置待用。
外层成膜溶液的制备:将1.5 g CMC加热溶解于100 mL去离子水中,并加入10 g/L的甘油作为增塑剂,添加10 g/L肉桂精油和1 g/L吐温80,磁力搅拌30 min,超声波除气泡,静置待用。
取10 mL加入不同色素溶液的SA混合溶液,缓慢流延在直径为10 cm的培养皿中,干燥12 h后,制成SA内层膜。然后缓慢地将10 mL的外层成膜溶液流延在内层膜上,于室温下干燥后制成双层指示膜。
其中一个对照只做内层膜,另一个对照双层膜,根据添加花青素和CUR的种类和比例,7张膜分别命名为SA、SA/CMC、SA/CMC/BA、SA/CMC/CUR、SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4。
1.3.3 双层指示膜的表征
1.3.3.1 水分含量和水溶性测定
参考陈赛艳等[10]方法进行测定。
1.3.3.2 水蒸气透过率(water vapor permeability,WVP)的测定
将5 mL蒸馏水加入到10 mL离心管中,将直径为2 cm的膜样品覆盖于离心管顶部,然后将离心管置于装有无水硅胶的干燥器中,每隔2 h称量并记录离心管和膜样品的总质量,直至恒重,每组样品重复3次。WVP按照公式(1)计算:
(1)
式中:Δm,离心管的质量变化,g;L,为膜厚度,mm;A,为膜有效面积,m2;t,为透水时间,s;ΔP,为指示膜两侧的水汽压强差压差,2 339 Pa。
1.3.3.3 机械性能的测定
把指示膜切割成15 mm×400 mm的条状,使用质构仪质构仪测定拉伸强度与断裂伸长率。测试参数如下:初始距离为30 mm,测试速度为50 mm/min,平行3次测定。
1.3.3.4 颜色测定
使用色差仪进行测量指示膜的颜色,以标准白板为背景,使用色差仪测定研究用指示膜的ΔL*(亮度)、Δa*(红绿色)和Δb*(黄蓝色)值和ΔE(总色差)值。
1.3.3.5 扫描电子显微镜观察
将指示膜样品喷金处理后使用场发射扫描电镜观察纳米纤维膜的形态和直径,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。
1.3.3.6 透光率测定
用紫外-可见分光光度计测定,将指示膜分成10 mm×40 mm的矩形并粘贴在比色皿的外壁上。用空的比色皿作为对照,在300～800 nm处获得指示膜的紫外-可光透过率。
1.3.3.7 热重(thermogravimetry,TG)分析
准确称取10.0 mg指示膜样品,在N2气氛下以10 ℃/min的速率从30 ℃升高到950 ℃,记录样品的热分解特性,获得TG曲线。
1.3.3.8 水接触角测定
利用水接触角测试仪测量指示膜的亲疏水性能:将待测样品剪成相同形状大小,放在玻璃载物片上,随机任取5个位置将1 μL水滴在指示膜上,待水滴稳定后,拍照记录接触角图像,并记下接触角数值,取平均值。
1.3.3.9 傅里叶变换红外光谱分析
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。
1.3.3.10 pH响应性测定
将指示膜裁成(20 mm×20 mm)大小,分别在透明盖中倒入3 mL的pH值为1～12的缓冲液,然后把指示膜浸入缓冲液中。在3 min后用拍下其外观,并使用色差仪进行测量,考察指示膜在不同pH值下的显色反应。以标准白板为背景,使用色差仪测定研究用指示膜的ΔL*(亮度)、Δa*(红绿色)和Δb*(黄蓝色)值和ΔE(总色差)值。
1.3.3.11 指示膜的NH3敏感性
将指示膜裁成10 mm×20 mm的矩形,放入玻璃扩散皿的外室,将10 mL氨溶液(32 mmol/L)注入玻璃扩散皿的内室,用保鲜膜密封玻璃扩散皿,30 min后下记录指示膜颜色。
1.3.4 双层指示膜在明虾新鲜度监测中的应用
将30 g明虾放入中一次性打包盒中,将直径为2 cm 的指示膜附着在透明盖子内侧放入打包盒中,用保鲜膜密封打包盒,然后在4 ℃下贮藏4 d。分别于0、1、2、3、4 d记录指示膜的颜色,同时检测明虾的pH值和挥发性盐基氮(total volatile basicnitrogen,TVB-N)含量。
pH值测定:将10 g明虾置于含有25 mL的质量分数为0.85%无菌生理盐水的无菌均质袋中,进行5 min 拍打均质成匀浆液,再以4 000 r/min的转速离心5 min,将pH计的电极插入上清液中测定pH值。
TVB-N含量的测定:按照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》第二法自动凯氏定氮仪法进行操作。
1.4 数据统计分析
每个测试均做3次重复,采用SPSS 20.0软件进行统计学分析,计算分析获得数据的平均值和标准差,当P<0.05表示具有显著性差异。另外,采用Origin 2024软件拟合作图。
2 结果与分析
2.1 花青素和CUR的pH响应及紫外-可见光谱
花青素溶液在pH值为1～3条件下呈现出红色,当pH值为4～6时,红色逐渐变浅呈现出粉红色,因为在酸性环境中BA以红色的黄烊盐阳离子为主,随着pH值升高,黄烊盐阳离子吸收氢氧根离子生成无色甲醇假碱,红色逐渐减淡;pH值为7～8时呈紫红色,随着碱性的增强,BA失去氢离子生成蓝色的醌型碱结构,所以BA溶液变为蓝绿色并逐渐变深。当pH值为12时,BA溶液呈黄褐色,这时BA的取代基被降解,BA的中心环形成查尔酮(图1-a)。紫外-可见吸收光谱显示pH值为1～5时BA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568 nm;pH值为9时,最大吸收峰波长处于556 nm 附近(图1-b)。
a-BA、CUR及两者混合溶液的颜色;b-BA可见光谱;c-CUR可见光谱;d-BA-CUR1可见光谱;e-BA-CUR2可见光谱;f-BA-CUR4可见光谱
图1 不同pH(1～12)下BA、CUR及两者混合溶液的颜色及可见光谱吸收特征
Fig.1 Color and visible absorption spectra of BA, CUR, and their mixture under different pH conditions (1-12)
CUR溶液在pH值为1～6时呈黄色,无明显变化,表明CUR对酸性环境不敏感。pH≥7时CUR溶液出现黄色转变为橙红色-橙棕色-橙色。CUR颜色的变化可能与其结构改变有关,在酸性环境下CUR以β-二酮结构为主,随着碱性的增强,黄色β-二酮结构则转变为烯醇式结构(图1-a)。紫外-可见吸收光谱显示pH值为1～7时CUR最大吸收峰的波长处于432 nm附近,pH值升到12时,最大吸收峰波长移至474 nm(图1-c)。
对于混合色素溶液,当2种色素体积比为1∶>1时,pH值为1～6的酸性环境下,BA-CUR1溶液橙黄色转变为黄色,pH值为7～8的弱碱性环境下,溶液的颜色呈现黄棕色,当pH值为9～11时,溶液的颜色呈现红褐色,pH值为12时为棕色。当2种色素体积比为2∶>1和4∶>1时,BA-CUR2和BA-CUR4溶液颜色颜色接近,均偏向于BA的颜色,pH值为1～6的酸性环境下,溶液颜色由红色逐渐褪为橙黄色;在碱性环境下,随着pH值的增大,溶液的颜色由颜色黄绿色变为蓝紫色,最后变为棕褐色(图1-a)。混合溶液BA-CUR1的最大吸收峰由434 nm移至468 nm(图1-d),混合溶液BA-CUR2的最大吸收峰由436 nm移至456 nm(图1-e),混合溶液BA-CUR2的最大吸收峰由512 nm移至400 nm(图1-f)。
2.2 双层指示膜的表征
2.2.1 水分含量和水溶性
水分含量是评估指示膜在暴露与高水活性食品期间物理完整性的重要指标[20]。如图2-a所示,相比较单层SA膜,双层SA/CMC膜的水分含量和水溶性显著降低,这是由于SA中富含亲水基团,含水量高,而CMC与SA之间的氢键相互作用,增强膜的紧密度,同时CEO中的疏水性成分(如肉桂醛)可能迁移至膜表面或内部孔隙,降低膜的亲水性,减少水分吸附。相比较双层SA/CMC膜,添加BA之后的含水量和水溶性增加,这是由于BA是水溶性色素,含多个亲水基团,具有较强亲水性,使得膜的水溶性增加。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[21]。相比较双层SA/CMC膜,添加CUR之后的含水量和水溶性降低,这是由于CUR具体疏水性,其苯环结构和酮基会减少SA层的极性,同时CUR与肉桂精油的疏水成分(如肉桂醛)协同降低水分子吸附能力。在双层SA/CMC膜中添加混合色素后,随着SA占比的增大,SA/CMC/BA-CUR2和SA/CMC/BA-CUR4指示膜的水分含量由SA/CMC/BA-CUR1的24.37%升高为25.60%和26.67%,水溶性由51.52%增加为54.29%和61.97%。相比于SA/CMC膜,SA/CMC/BA膜的水溶性有一定程度的增加,SA/CMC/CUR膜的水溶性有一定程度的降低,混合色素指示膜的水溶性随着SA占比的增加而增加。
a-水分含量和水溶性;b-水蒸气透过率;c-拉伸强度;d-断裂伸长率
图2 不同指示膜的水分含量、水溶性、水蒸气透过率和机械性能
Fig.2 Moisture content, water solubility, water vapor transmission rate, and mechanical properties of different indicator films
注:不同大小写代表差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2.2 WVP
WVP可以反映指示膜的阻水性能,如图2-b所示,单层SA膜的水蒸气透过率最高达到7.99×10-8 g·mm/(m2·s·Pa)。双层SA/CMC指示膜因为SA和CMC形成的层间分子作用力使指示膜变得更加致密,导致WVP显著降低。与SA/CMC指示膜相比,SA/CMC/BA的指示膜WVP无显著差异,SA/CMC/CUR的指示膜WVP显著降低,这是因为BA亲水性的特点,因此指示膜的阻水性能无明显变化,而CUR存在疏水性成分,与SA和CMC具有良好的相容性,增加了指示膜的致密性,导致WVP指示膜的扩散减少。SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜的WVP随着BA占比的增大,逐渐增加。
2.2.3 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[10]。如图2-c、图2-d所示,单层SA膜抗拉强度和断裂伸长率最低,由于SA和CMC之间存在的氢键分子互相作用,双层SA/CMC膜抗拉强度和断裂伸长率显著优于单层SA膜。BA和或CUR的添加显著提高了膜的拉伸强度和断裂伸长率,BA通过羟基与SA连接增加了分子间交联的数量构成致密的网络结构,使指示膜的结构更加稳定,CUR是疏水性多酚,可能与SA的羧基通过氢键或疏水作用结合,增强分子交联密度。但是SA/CMC/BA与SA/CMC/CUR之间差异不显著。
相比较单一色素的添加,BA和CUR混合溶液的氢键交联性增强,与CMC和SA的界面相互作用,因此SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜的拉伸强度优于SA/CMC/BA与SA/CMC/CUR指示膜,SA/CMC/BA-CUR1指示膜的抗拉强度最高48.19 MPa,断裂伸长率最大为37.11%,但是随着BA占比的增加,SA/CMC/BA-CUR2和SA/CMC/BA-CUR4指示膜的抗拉强度和断裂伸长率不断降低。
2.2.4 膜的颜色
表1中显示了不同指示膜的颜色参数以及外观,其中SA和SA/CMC指示膜没有颜色,呈半透明状。其中SA指示膜的ΔL*值最大为-0.45,Δa*值和Δb*值较低,ΔE值最小为1.09。加入外层CMC后,ΔL*值降低为-6.55,Δa*值和Δb*值、ΔE值分别上升为0.29 和4.22、7.8。SA/CMC/BA和SA/CMC/CUR指示膜呈现紫色和亮黄色,与BA和CUR的固有颜色相匹配。CUR的加入使SA/CMC/CUR指示膜的ΔL*值降低-9.33,增加Δa*值、Δb*值和ΔE为3.87、54.02和55.06。S3、S4、和S5指示膜分别呈现黄色,黄绿色和浅黄色。随着BA占比的增大,SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜的ΔL*值和Δb*值、ΔE逐渐降低,Δa*值逐渐增大。
表1 不同指示膜的颜色特性和外观
Table 1 Color characteristics and appearance of different indicator films
指示膜颜色参数ΔL∗Δa∗Δb∗ΔE外观SA-0.45±0.07a0.22±0.04d0.97±0.09f1.09±0.05gSA/CMC-6.55±0.09b0.29±0.07cd4.22±0.17e7.80±0.17fSA/CMC/BA-15.96±0.21e5.88±0.19a-0.24±0.11g17.01±0.11eSA/CMC/CUR-9.93±0.17c3.87±0.09b54.02±0.09a55.06±0.23aSA/CMC/BA-CUR1-12.75±0.20d-2.70±0.16f38.19±0.15b40.35±0.08bSA/CMC/BA-CUR2-17.12±0.09f-1.71±0.08e31.69±0.09c36.06±0.11cSA/CMC/BA-CUR4-20.59±0.12g0.57±0.08c27.86±0.06d34.65±0.25d
注：同列肩标小写字母不同表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2.5 扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)
双层指示膜的横截面SEM图像如图3-a所示,从图中可清晰地观察到双层膜的结构,双层膜截面较粗糙,SA层和CMC层边界清晰,CMC层相对致密。随着BA和CUR的加入,SA层和CMC层结合处变得更加均匀,这可能是由于BA和CUR与CMC分子间的氢键作用使用层间的界面黏附力增加,从而增强了层间的均匀性;同时随着BA和CUR的加入,部分BA和CUR均匀的分散的在SA中,SA层中空隙增多。
a-指示膜表面及横切面的扫描电子显微镜图;b-紫外-可见光谱图;c-TGA曲线图;d-水接触角;e-红外光谱图
图3 指示膜的表征结果
Fig.3 Characterization results of indicator films
双层膜中SA层膜表的SEM图像如图3-a所示,SA层膜表面光滑平整,BA的添加增加了SA层膜的均匀性和致密度,但加入CUR后,膜的表面出现较为规律的孔隙,同时添加了CUR和BA,膜表面的不均匀程度增加。这可能是由于CUR溶解性较弱的原因,导致其溶解能力减弱,从而使增加了膜表面的粗糙度。
2.2.6 膜的紫外线透过率分析
智能指示膜能有效阻挡紫外线并防止食品变质,如图3-b所示,其中单层SA膜的透光率最高,与之相比由于添加CMC外层,致使SA/CMC指示膜的透光率降低。BA和CUR添加使得SA/CMC/BA、SA/CMC/CUR指示膜的透光率比SA/CMC膜低,这可能是由于BA和CUR的酚类化合物吸收了紫外线。其中SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜在300～400 nm波长下的透光率低于20%,可以有效阻挡紫外线防止虾由于光氧化而变质。说明BA和CUR共同作用可以有效提高指示膜膜的抗紫外-可见光能力。
2.2.7 热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)
TGA曲线如图3-c所示,SA、SA/CMC、SA/CMC/BA、SA/CMC/CUR、SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4 7个样品的质量损失均呈现“低温缓慢失重→中温快速失重→高温缓慢稳定”规律。SA/CMC、SA/CMC/BA、SA/CMC/CUR、SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4六个样品的三阶段质量损失表现为在30～200 ℃时观察到第1次热分解,这主要是由于物理吸附水的损失,失重率较小。第2次热降解在200～520 ℃样品质量快速损失,这主要是由于主体成分分解/挥发(如有机物燃烧、无机物分解)。第3次热降解发生在520～790 ℃,曲线趋于平缓,剩余成分(如难分解残渣)反应变慢,质量接近稳定。在加热终止时,质量保留量从大到小的顺序为:SA/CMC/BA-CUR4>SA/CMC/CUR>SA/CMC>、SA/CMC/BA-CUR1>SA/CMC/BA-CUR2>SA/CMC/BA>SA,双层膜的稳定性大于单层膜。
2.2.8 水接触角
如图3-d所示,指示膜表面的亲/疏水性可以通过水接触角反映。由于SA指示膜的表面含有丰富的亲水基团,水接触角为41.634°。SA/CMC的水接触角内层增大为45.000°,外层增大为72.316°,这是因为SA和CMC形成的氢键作用减少了指示膜表面的游离亲水基团,提高了指示膜的疏水性。SA/CMC膜相比SA/CMC/BA膜的内层和外层的水接触角下降为31.578°和62.969°,可能是BA为水溶性色素,含有较多的亲水性基团,为指示膜提供了大量的游离羟基,增大了指示膜与水分子接触的概率,指示膜的亲水性增强。因为CUR是一种疏水性色素,保水能力差,且与添加肉桂精油的CMC层相容性更好,致使SA/CMC/CUR膜的内层膜接触角为56.976°,外层接触角为71.896°。SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜由于BA占比的增大致使外层和内层的水接触角均降低。由此可见,BA的添加增加了指示膜的亲水性,CUR的添加增加了指示膜的疏水性。
2.2.9 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)
不同指示膜的FTIR谱图如图3-e,所有指示膜位在3 250～3 290 cm-1附近均出现峰宽,可能是因为O—H拉伸振动,这是因为CMC和SA成膜基材以及BA和CUR色素均含有丰富的羟基;所有指示膜在1 020 cm-1附近处的出现的峰,可能是因为C—O伸缩振动引起的;FTIR结果显示,所有指示膜均在2 920 cm-1附近出现C—H伸缩振动峰。由于花青素和姜黄素含有羰基和苯环,所以加入色素的处理中(SA/CMC/BA、SA/CMC/CUR、SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4),在1 745 cm-1附近出现C
O伸缩振动的特征吸收峰,在1 470～1 620 cm-1出现了CC伸缩振动特征的吸收峰,从而证实了BA和CUR成功结合到SA基材中。
2.2.10 pH响应性
电子版增强出版附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044014)显示了指示膜随pH值变化的颜色变化及颜色参数。当pH值为1～6时,SA/CMC/BA指示膜颜色由紫色变为浅紫色,在pH值为7～12时,颜色呈现紫色-紫灰色-灰蓝色-灰绿色的变化。SA/CMC/CUR指示膜在pH值为1～9无明显变化呈现黄色,pH值为10时指示膜的颜色开始变化装变为橙黄色;pH值为11～12,由红色变为棕色。SA/CMC/BA-CUR1在pH值为1～10时,颜色由浅黄色逐渐变为黄绿色,pH值为11时颜色最深呈现红色,pH值为12时颜色又变浅棕色。SA/CMC/BA-CUR2指示膜在pH值为1～6的酸性环境下,由浅灰红变为灰绿色,在pH值为7～10颜色逐渐呈现棕绿色,pH值为11时呈现灰棕色,pH值为12时变为浅灰棕色。SA/CMC/BA-CUR4指示膜酸性条件下颜色逐渐加深,由灰红色变为棕绿色,pH值为7～9颜色逐渐呈现灰绿色并逐渐加深,pH值为11呈现棕色,pH值为12时又变为浅灰棕色。
2.2.11 氨气性能测试
明虾在腐败过程中氨基酸的分解会伴随着氨气的产生。氨气通常用作碱性气体来模拟食品的腐败过程。不同指示膜对挥发性氨的响应结果如表2所示。随着时间延长,扩散皿中的氨气逐渐扩散到指示膜中,使得指示膜处于碱性环境,从而使得膜的颜色发生变化。SA/CMC/BA指示膜由紫色变为灰蓝色,是因为当氨气扩散到指示膜中时,会在指示膜中形成碱性环境,导致BA的结构变化,从而引起指示膜的颜色变化。SA/CMC/CUR指示膜由黄色变为橙黄色,SA/CMC/BA-CUR1指示膜由浅黄色变为红棕色,SA/CMC/BA-CUR2指示膜由浅黄色变为浅红棕色,SA/CMC/BA-CUR4指示膜由浅棕黄色变为棕色。5种指示膜均对氨气具有良好的响应性。
表2 不同指示膜的氨气响应
Table 2 Ammonia gas response characteristics of different films
膜类别SA/CMC/BASA/CMC/CURSA/CMC/BA-CUR1SA/CMC/BA-CUR2SA/CMC/BA-CUR4氨气响应前氨气响应后
2.3 双层指示膜在明虾新鲜度监测中的应用结果分析
2.3.1 明虾的pH值
图4-a为贮藏过程中虾pH值的变化曲线。由图4-a可知,虾的pH初始值为6.8左右,在贮藏第一天,pH值下降为6.5,虾的pH值呈现出先下降后上升的趋势,可能是因为贮藏初期,虾体内的糖原降解产生乳酸,同时ATP分解产生磷酸,酸性物质的产生会使虾的pH值下降;随着贮藏时间的延长,虾的蛋白质分解产生碱性物质,使pH不断上升,贮藏第2天pH增长至7.4,此时虾较为新鲜,贮藏第3天时pH值增加到7.7,此时虾已经开始腐败。到达第4天时,虾的pH高达8.4,此时虾已经完全腐败变质,不可食用。
a-明虾贮藏期间pH值和TVB-N变化;b-指示膜颜色变化;c-明虾贮藏期间颜色变化
图4 明虾贮藏期间pH值、TVB-N变化和颜色变化及指示膜颜色变化
Fig.4 Changes in pH value, TVB-N, shrimp color, and indicator film color during shrimp storage
由于酶和微生物的共同作用,虾中蛋白质被分解,导致其腐败变质,从而产生各种挥发性气体,TVB-N包括三甲胺(trimethylamine,TMA)、二甲胺(dimethylamine,DMA)、NH3,这些物质的含量会随着腐败程度的增加而增加。因此,TVB-N值可以作为明虾新鲜度的指标之一。根据GB 2733—2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》,淡水鱼虾的TVB-N值应≤20 mg/100 g。明虾的初始TVB-N值为6.43 mg/100 g,随着贮藏时间的延长,第3天的TVB-N值18.79 mg/100 g,第4天时TVB-N值高达28.11 mg/100 g,此时虾TVB-N值超出标准限值,已经腐败变质。
不同指示膜在4 ℃明虾贮藏过程中的颜色变化分别如图4-b、图4-c所示。在4 ℃贮藏前2 d,SA/CMC/BA膜呈紫色,第3天SA/CMC/BA由紫色变为蓝紫色,随着贮藏时间的延长,虾开始腐败变质,并释放出碱性胺类物质,BA中红色的黄素阳离子脱除氢离子形成蓝色醌式碱。到达第4天时,虾已经完全腐败,此时SA/CMC/BA膜的紫色完全褪去呈现灰蓝色。在前2天均无明显变化,到达第3天虾开始腐败变质使pH值上升,SA/CMC/CUR膜由亮黄色变为橙黄色;SA/CMC/BA-CUR1膜由浅黄色变为橘棕色;SA/CMC/BA-CUR2由棕黄色变为棕色;SA/CMC/BA-CUR4浅棕黄色变为浅橘棕色。与第3天相比,第4天时,SA/CMC/BA-CUR1、SA/CMC/BA-CUR2、SA/CMC/BA-CUR4指示膜的颜色变化加深,分别变深红色、橘棕色、棕色。随着虾的腐败变质,5种指示膜均出现肉眼很容易观察到颜色的变化,其中SA/CMC/BA-CUR1指示膜颜色变化最为鲜明,在新鲜度监测方面具有良好的应用潜力。
3 结论
本研究以BA和CUR天然色素为指示剂,结合SA制成内层指示层,将CEO添加到CMC膜中制成外层疏水层,制备出可以指示明虾新鲜度的双层指示膜。并对不同指示膜的机械性能、水溶性、WVP、pH敏感性、氨气响应、SEM、FTIR和TGA曲线等性能进行测定。最后将不同的指示膜应用于明虾4 ℃的贮藏过程中新鲜度监测。
结果表明,BA和CUR被成功复合到SA/CMC指示膜上,且与SA/CMC指示膜之间形成新的相互作用。SA/CMC/BA-CUR复合膜比SA/CMC/BA和SA/CMC/CUR指示膜具有更好的机械性能和紫外线阻隔性能。当V[BA(4 g/L)]∶>V[CUR(4 g/L)]=1∶>1时,指示膜的综合性能得到提升,拉伸强度48.19 MPa,断裂伸长率为37.11%,疏水性能较好,内层水接触角和外层水接触角分别为46.818°和78.503°,含水率24.37%,水溶性51.52%,WVP为5.99×10-8 g·mm/(m2·s·Pa),透光率在300～800 nm低至20%以下。混合色素指示膜对不同的pH值环境响应能力强,色差变化明显,可被观察。将不同的指示膜应用在明虾新鲜度监测中,随着明虾的新鲜度下降,5种指示膜均表现出良好的颜色响应,其中SA/CMC/BA-CUR1指示膜颜色变化最为鲜明。此项研究为水产新鲜度智能指示膜的开发提供了一定的参考价值。
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