γ环糊精金属有机骨架包埋姜黄素指示标签用于青虾的新鲜度监测

随着智能包装的兴起,食品包装的功能逐渐由被动向主动智能化方向发展,开发具有智能响应能力的新型食品包装已经成为当前的研究热点[1]。高蛋白类食品作为人们日常生活中必不可缺的食物来源,其新鲜程度的变化不仅影响其作为食物的口感,还会影响消费者的健康。

作为高蛋白类食品,水产品新鲜度检测方法主要包括感官分析和化学分析等。但是前者操作复杂且存在较大的偏差,而后者操作简单并且灵敏度高[2]。挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)是反映水产品新鲜度的特征物质并且会随着水产品贮藏时间的延长而升高,最终导致食品出现异味,通常,将TVB-N含量作为判断食品感官质量的标准[3]。因此,开发一种以颜色为响应的智能指示材料对TVB-N含量进行实时监测最为直观,也最容易被人们所接受。HUANG等[4]将姜黄素(curcumin,Cur)掺入壳聚糖/聚乙烯醇[poly (vinyl alcohol),PVA]复合膜中,可以显著改善膜的机械性能和水蒸气阻隔性,并且随着pH由酸性变为碱性,颜色会发生相对变化。冉锐敏等[5]研究花青素作为功能性成分对胶原膜性能的多方面影响,结果表明,花青素的加入显著增强了胶原膜的pH响应性,使其能够在不同pH环境下呈现颜色变化,从而实时监测食品新鲜度。LIU等[6]将Cur加入羧甲基纤维素和明胶/壳聚糖微胶囊中制备的智能薄膜,能够有效监测猪肉的新鲜度。作为天然色素指示剂,Cur能够随pH变化发生明显颜色变化。但是,其自身的稳定性限制了它在食品新鲜度指示中的应用[7],目前,提高Cur稳定性的方法有纳米技术、环糊精包合、与其他成分联合使用、化学修饰以及与其他植物提取物联合使用等。作为可生物降解的食品包装材料,羧甲基纤维素钠(sodium carboxymethyl cellulose,CMC)具有无毒、可生物降解、成膜性良好、耐酸性和热稳定性好等特点,已经成为代替传统塑料的食品包装材料之一[8]。PVA因其优异的化学稳定性、生物降解性、生物相容性、成膜性和气体阻隔性而广受关注。将PVA薄膜已与天然提取物(如花青素、Cur)、纳米粒子复合[9],可赋予薄膜智能响应性[10]。此外,将PVA和纳米纤维素钠复合使用,两者之间形成的氢键可增强界面结合力,从而提高其机械性和热稳定性[11]。

本文以环糊精金属有机骨架(cyclodextrin metal-organic frameworks,CD-MOF)包埋Cur以提高其稳定性,以CMC和PVA为成膜基材,γ-CD-MOF包埋Cur复合物作为指示剂制备智能指示标签。比较不同浓度γ-CD-MOF包埋Cur复合物对与标签力学性能的影响,选择最佳浓度制备标签,探究智能指示标签的微观结构、物理性能以及对水产品新鲜度检测能力。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

γ-环糊精、KOH、十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)、甲醇、二氯甲烷、异丙醇、PVA等,上海麦克林生化有限公司;CMC,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;试剂均为分析纯。青虾,哈尔滨市比优特超市。

1.2 仪器与设备

Quanta200型扫描电子显微镜,美国FEI公司;XLW-PC型薄膜拉力试验机,济南兰光机电技术有限公司;UV-2600型紫外-可见光分光光度计,日本岛津公司;MAGNA-IR560型傅里叶红外光谱仪,美国尼高力公司;X′Pert PRO型X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪,荷兰PANalytical公司;DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科技仪器有限公司;TG16-WS型台式高速离心机,昆山禾创超声仪器有限公司;Discovery TGA 5500型热重分析仪,美国TA仪器公司;SCQ-9021超声清洗器,上海声彦超声波仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 新鲜度指示剂的制备

参照CHEN等[12]的方法合成γ-CD-MOF/Cur复合物的方法,首先,将环糊精与KOH固体粉末按照1∶8的摩尔比精确称取,加入去离子水在25 ℃下溶解,加入适量的甲醇在50 ℃搅拌至溶液清澈透明,加入CTAB,静置促进CD-MOF的形成,然后将溶液通过高速离心(5 000 r/min,10 min)进行分离,收集CD-MOF。最后将Cur用甲醇分散均匀,按照一定比例加入γ-CD-MOF在室温下搅拌,使CD-MOF充分反应吸附Cur。充分吸附后,将溶液5 000 r/min离心10 min,离心后将沉淀用醇溶剂清洗3～4次,放入烘箱干燥,最终得到所需产物。

1.3.2 新鲜度指示标签的制备

采用流延法,制备质量分数为2%的CMC溶液和8%的PVA溶液,将2种溶液按1∶1的体积比例混合并搅拌,逐滴加入丙三醇(2种基材总质量的40%),继续搅拌[13],直至2种成膜液混合均匀,静置待成膜液温度下降至35 ℃,分别加入质量为成膜基材质量分数的3%、4%和5%的γ-CD-MOF/Cur复合物,继续搅拌直至γ-CD-MOF/Cur与成膜液混合均匀,放在超声波振动仪中除去溶液中的气泡,随后流延在模具中,在室温条件下干燥2～3 d,待标签完全干燥后揭膜,密封低温下避光保存。

1.3.3 指示剂的表征

1.3.3.1 傅里叶红外光谱分析

参考JIANG等[14]的方法在4 000～500 cm-1的波数范围内,将复合物置于光谱仪探头处,选用4 cm-1的分辨率进行测量,以测定材料的峰值变化。

将复合物在测试电流为30 mA、测试电压为40 kV的条件下,在2θ=5°～50°以2 °/min的扫描速率对试样进行扫描。

1.3.3.3 光稳定性分析

参考TAI等[15]的方法评估Cur、γ-CD-MOF/Cur的光化学稳定性。将样品转移到光柜中,在35 ℃下暴露于连续光处理(0.35 W/m2)2 h。每隔30 min测量Cur的剩余量,复合物中Cur保留率按公式(1)计算:

式中:Ct,光照之后Cur剩余量,mg;C0,Cur原始量,mg。

1.3.3.4 热稳定性分析

将样品在100 ℃的烘箱内处理120 min,每30 min测量Cur保留率。

1.3.4 指示标签的性能测试及表征

傅里叶红外光谱分析和XRD分析同1.3.3.1节和1.3.3.2节。

1.3.4.1 热重分析

在40 mL/min N2保护下,以10 ℃/min的升温速率,在50～600 ℃范围内对样品进行热重分析。实验过程中,称取5 mg样品,放入陶瓷坩埚中进行测试,以研究其热稳定性和热分解特性。

1.3.4.2 扫描电子显微镜分析

采用扫描电子显微镜对复合膜的表面和截面进行表征,样品膜被裁剪成10 mm×100 mm的长方形,截面表征使用液氮淬断。然后将样品用导电胶黏附在电镜台上。观察前所有样品喷金2次。

1.3.4.3 力学性能测试

根据GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3部分:薄膜和薄片的试验条件》,将标签裁剪成尺寸为10 mm×100 mm的矩形,使用厚度测量仪选取试样中心和两边3个点进行测量,取平均值。使用薄膜力学拉伸测量机测量薄膜(室温25 ℃,上下夹具间距60 mm)的拉伸强度和断裂伸长率,计算如公式(2)和公式(3)所示:

式中:F,标签的最大受力,N;W,标签宽度,mm;H,标签厚度的平均值,mm;X,标签试样断裂时发生的长度变化,mm;L,标签试样的原始长度,mm。

1.3.4.4 标签的氨响应测试

将指示膜切成10 mm×10 mm正方形并将其放置在密闭的锥形瓶中进行测试。将质量分数为20%的氨水注入锥形瓶中,每反应20 min将指示膜取出,用相机记录不同时间颜色的变化[16]。

1.3.5 新鲜度指示标签在青虾保鲜上的应用

从附近水产市场购买刚刚死亡的青虾作为实验样品,体长40 mm左右。在25 ℃下(0～48 h)贮存以研究腐败过程。具体实验步骤如下:

量取一定量的待测虾肉样品放入干净的塑料盒中,放置在25 ℃环境下(0～48 h)放置进行腐败,利用凯氏定氮仪测量虾肉中的TVB-N含量,每组做3个平行样品,结果取平均值。并将指示膜覆于塑料盒盖上使其可以与盒内气体接触,观察指示标签颜色变化并记录。

1.4 数据处理

图表中数据为3次实验数据的平均值,采用软件Origin 2018对实验数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 指示剂的红外光谱分析

如图1所示,在Cur中,1 800～1 629 cm-1处没有条带,表明Cur以酮-烯醇互变异构形式存在,具有较高的生物活性。在接下来的测试中,Cur的一些特征峰发生了明显的变化,表明Cur与γ-CD-MOF之间的相互作用具有一定价值。Cur在856.2 cm-1处的特征峰移动到γ-CD-MOF/Cur的839.8 cm-1,这在γ-CD-MOF中没有观察到。与此同时,1 275.6 cm-1的峰值移动到1 296.8 cm-1。这些结果表明,γ-CD-MOF与Cur分子烯醇侧的环之间发生了一些相互作用[17]。1 601.5 cm-1处的峰值,对应于芳香环的C—C键,移动到1 564.4 cm-1。同样的现象发生在1 626.2 cm-1的峰值(环间链的C—C和C—O键),分别移动到1 631.1 cm-1,此外代表Cur烯烃部分1 428.0 cm-1和1 455.9 cm-1的峰在γ-CD-MOF/Cur中消失了,由以上数据可以推测Cur的2个苯环都嵌入在γ-CD-MOF中[18]。

2.2 指示剂的XRD分析

通过XRD分析,在2θ尺度内鉴定和表征Cur、物理混合物、γ-CD-MOF/Cur、γ-CD-MOF的晶体状态,如图2所示。在γ-CD-MOF的XRD光谱图中,在Cur的XRD光谱中观察到许多尖锐的衍射峰,表明Cur处于结晶状态[19],γ-CD-MOF/Cur相较于γ-CD-MOF,其特征衍射峰仅出现轻微偏移或减弱现象,并且在Cur和物理共混的图谱中可以看到,在22.5°～30°有明显的衍射峰,但在Cur被包埋在CD-MOF中后,这一范围的峰消失,由以上衍射峰的变化可以推断Cur填充于γ-CD-MOF的空隙之中。

2.3 指示剂的光、热稳定性分析

图3-a和图3-b分别表征了Cur和γ-CD-MOF/Cur在相同环境下的光稳定性和热稳定性,可以看出,经γ-CD-MOF包埋的Cur与未经处理的Cur相比,光稳定性和热稳定性都有提高。

2.4 指示标签的傅里叶红外光谱分析

如图4所示,在3 600～3 000 cm-1处较宽的吸收峰是—OH的拉伸振动引起的[20]。2 937、1 424 cm-1处的吸收峰与—CH3的伸缩振动有关,在2 937 cm-1处的吸收峰是—CH的伸缩振动导致的。在1 600 cm-1处的吸收峰对称芳香环C

C的拉伸振动引起的,在1 031 cm-1处的特征峰与C—O—C的伸缩振动有关,峰强度的增强可能是因为γ-CD-MOF的引入增加了复合材料的交联密度。在964 cm-1处的峰与Cur中烯烃的C—H弯曲有关,该峰的存在表明Cur在膜中仍保持活性结构[21]。

2.5 指示标签的X-射线衍射分析

如图5所示,所有样品均保留了CMC/PVA在10°～15°的宽弥散峰,说明γ-CD-MOF/Cur复合物的加入未破坏基质的无定形结构,两者相容性较好[22]。在19.73°处具有衍射峰,这是γ-CD-MOF的晶体衍射峰,对比纯CMC/PVA标签,CMC/PVA标签在19.73°处没有出现明显的峰,说明γ-CD-MOF/Cur成功地加入了薄膜基质中[23]。

2.6 指示标签的热重分析

如图6所示,复合膜的失重主要分为3个阶段,第一阶段在50～150 ℃,失重原因主要是水分的蒸发。第二阶段(150～350 ℃)和第三阶段(>350 ℃),主要是聚合物和甘油的分解,以及糖环脱水和聚解引起的失重。从图中可以看出,纯CMC/PVA标签的热稳定性低于CMC/PVA/γ-CD-MOF/Cur标签,并且随着γ-CD-MOF/Cur添加量的增加,CMC/PVA/γ-CD-MOF/Cur标签的热稳定性逐渐增强。这可能是因为γ-CD-MOF表面羟基(—OH)与CMC的羧基(—COOH)、PVA的羟基之间形成多重氢键等,增强了分子链间的交联密度,提升了热稳定性。

2.7 指示标签的扫描电子显微镜分析

由图7可知,当γ-CD-MOF/Cur添加量为零时,指示标签的表面形态均匀致密,截面平滑,随着γ-CD-MOF/Cur的添加,智能标签的表面逐渐变得粗糙,截面状态也发生了相对变化,当γ-CD-MOF/Cur添加量为5%时,标签表面出现添加物颗粒开始有了明显的聚集现象。说明过量的γ-CD-MOF/Cur会影响标签基材之间的分子间作用力,从而影响界面紧凑结构。

2.8 指示标签的物理性能分析

如表1所示,空白膜的拉伸强度为15.71 MPa,断裂伸长率为14.64%,当加入γ-CD-MOF/Cur的含量为4%时,拉伸强度最大(19.12 MPa),随着γ-CD-MOF/Cur的含量超过4%时薄膜的拉伸强度降低。这是随着浓度超过最大限度,纳米颗粒不能均匀的分散在标签中,它们与聚合物形成了更大的聚集体,从而使标签的力学性能降低。γ-CD-MOF/Cur的加入提升了断裂伸长率,当γ-CD-MOF/Cur添加量为4%时的断裂伸长率最大为26.95%。

2.9 指示标签的氨响应

由表2可知,CMC/PVA/γ-CD-MOF/Cur智能标签在初始时颜色为浅黄色,在氨气环境下20 min后变为浅红色,随着时间的推移,在40、60、80 min时颜色逐渐变为深红色,这归功于NH3是一种碱性气体,可以与Cur分子中的羟基(—OH)以及其他电子亲和基团发生反应。NH3的碱性作用会促使Cur分子中的某些氢原子被去除,导致分子结构发生变化。NH3可能与Cur中的某些官能团(例如羰基、酚羟基)发生反应,生成新的氨基化合物。这种变化可能使Cur的吸光特性发生变化,从而导致颜色从黄色变为红色。并且随着复合物添加量的增加,标签发生颜色响应越明显。参考标签的机械性能指标,选择CMC/PVA/γ-CD-MOF/Cur4作为最终的智能指示标签。

2.10 青虾的新鲜度监测

选择室温下贮藏的青虾为研究对象,研究其从新鲜到变质过程中的TVB-N含量的变化。如图8所示,在贮存的前24 h,TVB-N的含量增长相对缓慢。在24 h后,TVB-N的增长速率加快,青虾的新鲜度在36 h时达到了国家标准规定的TVB-N极限,这时青虾已经变质不适合食用,在36 h后TVB-N含量超过国家标准,表明青虾已完全变质。

由图9可以看出,前24 h指示标签无明显颜色变化,在24～36 h时指示标签变为浅红色,标志青虾已经变质。在48 h后指示标签变为深红色,标志青虾完全变质。

3 结论

本研究以溶剂热扩散法制备γ-CD-MOF,采用热搅拌的方法使Cur包埋在γ-CD-MOF孔隙中,以CMC和PVA为成膜基质,包埋Cur的γ-CD-MOF作为指示剂来制备监测青虾的新鲜度指示标签,并对智能标签的各项性能进行表征和分析。结果表明:γ-CD-MOF包埋Cur后提高了Cur的稳定性;智能标签的力学性能随着γ-CD-MOF/Cur添加量的增加而提高,当γ-CD-MOF/Cur添加量为4%时指示标签的力学性能最好,拉伸强度由15.71 MPa上升到19.12 MPa。在青虾的实际贮存监测中,随着时间的延长,青虾中的TVB-N含量呈上升趋势,当贮存时间为36 h时,TVB-N含量已经达到19.56 mg/100 g,已经接近国家标准,智能指示标签变为浅红色,表明这时的青虾已经不适合食用;当贮存时间超过36 h后,TVB-N含量超过国家标准,标签变为深红色,这时的青虾已经完全不能食用,该指示标签直观地表达了青虾的变质过程。综上所述,该智能指示标签为水产品新鲜度的实时、无损监测提供了一种具有定量依据又便于现场应用的高效检测手段。

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