食品包装的质量直接关系到包装内食品的新鲜度和安全。近年来，随着人们对食品安全要求的提升，可食用、环境友好型包装膜，尤其是具备抗菌和新鲜度指示的生物保鲜可食用膜的研制开发与应用已经成为食品包装领域的研究热点[1-2]。食品贮藏过程中的新鲜度是十分重要的品质指标，目前对于新鲜度的检测主要通过红外光谱、电子鼻等技术，限定了新鲜度检测的便携性[3-4]。食品如鱼类、肉类在贮藏过程中蛋白质变性降解产生的次黄嘌呤、挥发性胺等物质溶于水后，溶液呈现一定的pH值，可以用来分析其新鲜程度[1,5-6]。
蓝莓花青素(blueberry anthocyanin,BA)是一种黄酮类水溶性天然色素，具有抗氧化、延缓衰老等功能，在食品和化妆品等行业有巨大潜力[7-8]。花青素在不同pH值条件下颜色不同，在酸性条件下为红色，中性为紫色，碱性为蓝色，可以作为天然pH指示剂。利用花青素对pH值的指示作用制备包装膜，能够及时准确分析出食品新鲜度，成为现阶段研究热点[1,5-6,9-10]。
结冷胶(gellan gum,GG)是一种新型、安全的阴离子型胞外多糖，具有透明度高、耐高温、耐酸的特点，作为增稠剂和稳定剂在食品(果冻、果酱、饮料等)、生物药品以及工业领域中广泛应用，但其机械强度差，限制了应用，因此常与不同的多糖如魔芋胶、黄原胶等复配可以提高其机械性能[11-15]。沙蒿胶(Artemisia sphaerocephala Krasch gum，AS)是从沙蒿种子表面提取出的多糖类胶质，易吸水、且黏度较强，成膜性良好，常作为增稠剂用于面团中，改变面团的硬度和稳定性[10,16-17]。通过复配可以改善单一胶体的缺陷，提高其性能和降低生产成本[14]。
本论文以结冷胶、沙蒿胶和蓝莓花青素为原料，制备结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素智能指示膜，通过测定膜的色差、机械性能、水溶性、水蒸气透过率、红外分析和微观结构，分析其性能和可行性，以期为新型食品保鲜膜提供基础理论数据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
蓝莓花青素：70%(体积分数)乙醇提取后，50 ℃旋转蒸发干燥后冷低温避光保藏(花青素质量浓度0.98 mg/mL)。结冷胶、沙蒿胶，食品级，美国唐瑞斯食品物料公司，其他试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
CR-400型色差仪，日本柯尼卡美能达公司；TA-XT plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司；UV1800紫外分光光度计，日本岛津公司；千分尺，上海量刃工具有限公司；DHG-940电热恒温鼓风干燥箱，上海三发科学仪器有限公司；HH-2数显恒温水浴锅，金坛市瑞尔电器有限公司；Nicolet 67傅里叶红外光谱仪，美国Thermo Nicolet公司；EVO MA15钨灯丝扫描电子显微镜，德国卡尔·蔡司股份公司。
1.3 实验方法
1.3.1 膜的制备
将结冷胶和沙蒿胶按不同复配比例混合，在60 ℃水浴锅中混合搅拌均匀至完全溶解，冷却至室温后，配制成60 mL质量浓度为10 g/L的复配体系，然后加入0.3 mL甘油和蓝莓花青素，混合均匀，静置除去气泡。利用流延法将溶液均匀铺在塑料模具(180 mm×110 mm)上，在50 ℃下干燥36 h，然后在干燥器内(饱和MgNO3溶液，相对湿度为45%左右)平衡48 h后揭膜，测定膜的性能。分别制成结冷胶-蓝莓花青素膜(gellan gum-blueberry anthocyanin,GG-BA)，沙蒿胶-蓝莓花青素膜(Artemisia sphaerocephala Krasch gum-blueberry anthocyanin,AS-BA)和结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜(gellan gum/Artemisia sphaerocephala Krasch gum-blueberry anthocyanin,GG/AS-BA)。
1.3.2 抗拉伸强度(tensile strength,TS)与断裂延伸率(elongation at break,EAB)
采用千分尺研究膜的厚度，在待测膜上随机取5个点，用千分尺测量厚度(单位精确到0.01 mm)，取其平均值。
将膜裁成2.0 cm×9.0 cm的长条，采用质构仪测定膜的机械性能，拉伸载荷20 g，上下夹片距离为50 mm，拉伸速率0.2 mm/s。
抗拉伸强度：膜在轴向拉伸力作用下，破裂前承受的最大拉伸载荷同膜宽度与厚度乘积的比值，计算如公式(1)所示：
(1)
式中：TS，抗拉伸强度，MPa；F，轴向拉伸力，N；L，膜的宽度，mm；S，膜的厚度，mm。
断裂延伸率：膜拉断时长度的变化率，计算如公式(2)所示：
(2)
式中：EAB，断裂延伸率，%；L1，样品拉伸前的长度，mm；L，样品拉伸后的长度，mm。
1.3.3 水蒸气透过率(water vapor permeability,WVP)与水溶性
水蒸气透过率参照杯式法进行测定，将无水CaCl2在200 ℃的烘箱中充分烘干冷却，称取5 g放在锥形瓶中，测量膜的厚度并用膜将锥形瓶口封好，称取锥形瓶的重量后，将其放在相对湿度为75%(饱和NaCl溶液)的干燥器内，以保持膜内外的蒸气压差。每天称取其质量，待质量不变时，得出锥形瓶的质量变化。计算如公式(3)：
(3)
式中：WVP，水蒸气透过率，g·m/(d·Pa·m2)；q，杯子增加的质量平均值，g；t,时间，d;d，膜厚度，m；s，膜的试验面积，m2；Δp，膜两侧的蒸汽压差，Pa。
采用溶解时间衡量膜的水溶性。将制得的膜剪成1 cm×1 cm大小，放入盛有30 mL蒸馏水的烧杯中，然后将烧杯放入60 ℃恒温水浴锅中，开始计时，记录膜溶解需要的时间。
1.3.4 花青素与膜对pH的响应
将制备的花青素置于pH为2～12的缓冲液内，静置5 min后，观察颜色的变化。将花青素溶液进行可见光谱扫描，波长范围400～750 nm。
将制得的膜剪成3 cm×3 cm大小，分别放入盛有pH为2～12的缓冲液内，静置5 min后，观察膜颜色的变化。
1.3.5 扫描电子显微镜分析(scanning electron microscopy,SEM)
样品经喷金后采用钨灯丝电子扫描电镜观察。
1.3.6 傅里叶红外光谱扫描分析(fourier infrared spectroscopy scanning,FTIR)
干燥后的样品，采用傅里叶红外光谱仪进行扫描检测，扫描范围4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。
1.4 数据统计及分析
采用SPSS 24.0软件分析数据，数据采用5个独立样品的平均值±标准差表示，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行显著性差异分析[18-19]，显著水平α=0.05，采用Origin 9软件作图。
2 结果与分析
2.1 蓝莓花青素的颜色变化与可见光谱吸收
如图1所示，pH为2～6时，蓝莓花青素溶液为红色，且颜色逐渐变浅；pH在7～8时，溶液颜色为紫红色；pH为9～11时，为蓝绿色，并逐渐变深；pH为12时，为褐色。这是由于蓝莓花青素含有2-苯基苯并吡喃阳离子,随着pH的变化而产生不同颜色变化，也就是说蓝莓花青素在pH 2～12时会呈现不同的颜色。因此蓝莓花青素可以作为判断pH值变化的响应指标。
图1 蓝莓花青素在不同pH值下的颜色变化
Fig.1 Changes in color of blueberry anthocyanin solutions under different pH conditions
由图2也可以看出，pH为2～6时，蓝莓花青素溶液的最大吸收波长在526 nm处，且随着pH值升高，最大吸收波长增加，同时也可以看到其吸光度明显下降。当pH为8～12时，最大吸收波长在589 nm附近。A640/A540的比值表示红色强度与绿色强度比值，能够反映颜色的变化[2,5]。可以看出在pH 2～12时，随着pH值增大，比值越大，说明溶液颜色由红色变为绿色，且不断加深，指数方程y=0.056 8x+0.157 1,R2=0.968 5。这一结果与ZHAI等[6]结果一致，表明蓝莓花青素可以作为一种很好的天然指色剂[5]。
图2 蓝莓花青素在不同pH值下可见光谱吸收特征
Fig.2 Absorption characteristics of visible spectra of blueberry anthocyanin solutions at pH 2～12
2.2 红外光谱分析
如图3所示，未观察到共混膜的新峰，表明在成膜材料中没有新的共价键产生。蓝莓花青素在1 636 cm-1的峰是芳香环C
C的伸缩振动，这与花青素含有的芳香族化合物的特征峰一致。结冷胶结构在1 606和1 412 cm-1处有2条特征条带，分别归属于COO-的不对称和对称拉伸峰[12-13]。此特征峰在结冷胶/沙蒿胶花青素膜表现为分别偏移至1 604和1 410 cm-1，说明结冷胶与花青素、沙蒿胶产生了分子间作用力，这一特征与结冷胶-紫薯花青素膜中结果一致[20]。
图3 花青素复合膜的红外光谱分析
Fig.3 FTIR spectra of the films
2.3 电镜扫描分析
由图4可以看出，3种膜都表现出致密、均匀的截面，其表面微结构上没有检测到孔或气泡，这表明薄膜是均匀的，说明沙蒿胶、结冷胶和蓝莓花青素具有良好的相容性。这一结果也与沙蒿胶/羧甲基纤维素钠-红甘蓝花青素膜的结果一致[10]。
图4 三种花青素膜截面扫面电子显微镜分析
Fig.4 The cross-section morphology of films
2.4 膜的机械性能
从表1可以看出，添加沙蒿胶后，复配比4∶6(质量比)的膜厚度达到0.079 mm，复配比8∶2(质量比)的花青素膜的断裂延伸率最大为47.36%，抗拉强度22.08 MPa。花青素膜厚度增加，可能是沙蒿胶与结冷胶之间产生了弱的相互作用，并降低了结冷胶分子间的相互作用，使分子间距离增大，从而使复合膜的厚度增加。复合膜的抗拉伸强度降低，可能是加入的沙蒿胶降低了结冷胶分子间的致密结构，使得复合膜的抗拉伸强度降低。断裂延伸率呈现增大趋势可能是由高浓度的沙蒿胶所形成的松散膜结构所致。
表1 结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜的机械性能
Table 1 Mechanical properties of films
胶厚度/mm抗拉伸强度/MPa断裂延伸率/%GG/SA(10∶0)+BA0.063±0.003b28.48±1.89a33.21±0.97cGG/SA(8∶2)+BA0.070±0.005a22.08±1.39b47.36±1.23aGG/SA(6∶4)+BA0.072±0.005a18.59±1.41b46.58±1.11aGG/SA(4∶6)+BA0.079±0.007a17.00±0.82c46.11±1.13aGG/SA(2∶8)+BA0.077±0.005a17.62±0.61b37.72±1.18b
注：同列肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
2.5 水蒸气透过率和水溶性
如图5所示,添加沙蒿胶后，结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜的水蒸气透过率增大，且复配比例为8∶2(质量比)时最大，WVP为7.643×10-6 g·m/(d·Pa·m2)，这可能是沙蒿胶与结冷胶的相互作用，降低了结冷胶的致密结构，因此水蒸气透过率增大，这一结果与也复合膜厚度增加一致。同时可以看出添加沙蒿胶后，膜在蒸馏水中的溶解时间增加，可能是沙蒿胶的溶解速度低于结冷胶，因而沙蒿胶含量越大，复合膜的溶解时间越长，水溶性越差。
图5 膜的水蒸气透过率和水溶性
Fig.5 WVP and water solubility of the film
2.6 膜的pH指示作用
如图6所示，在pH 2～7时，该膜为红色，并逐渐变浅；pH 8～11，为蓝紫色，并逐渐变深；pH 12时，为绿色。由此可知制备的花青素膜对不同pH响应颜色差异明显。因此结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜的颜色变化可以作为判断食物新鲜度的指标[20-21]。
图6 不同pH值下结冷胶/沙蒿胶-花青素膜的颜色变化
Fig.6 Changes in color of the film under different pH conditions
3 结论
红外扫描和电镜分析表明沙蒿胶与结冷胶及蓝莓花青素之间具有良好的相容性。添加沙蒿胶的结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜的厚度、膜的断裂延伸率、水蒸气透过率增大，而抗拉伸强度、水溶性降低；在pH 2～7时，复合膜颜色为红色，且颜色逐渐变浅；pH 8～12时，为蓝紫色，且颜色逐渐加深。复合膜对pH的指示作用显著，在酸性条件下，膜为红色，且随pH增大颜色逐渐变浅，pH 8～12时，为蓝紫色。制备的结冷胶/沙蒿胶-蓝莓花青素膜对pH值有明显指示作用，可以作为食品新鲜度的一种智能指示膜。
[1] LIU J,WANG H,WANG P,et al.Films based on κ-carrageenan incorporated with curcumin for freshness monitoring [J].Food Hydrocolloids,2018,83:134-142.
[2] CHOI I,LEE J Y,LACROIX M,et al.Intelligent pH indicator film composed of agar/potato starch and anthocyanin extracts from purple sweet potato [J].Food Chemistry,2017,218:122-128.
[3] TIAN X Y,CAI Q,ZHANG Y M.Rapid classification of hairtail fish and pork freshness using an electronic nose based on the PCA method[J].Sensors,2012,12(1):260-277.
[4] LAWAL A T,ADELOJU S B.Progress and recent advances in fabrication and utilization of hypoxanthine biosensors for meat and fish quality assessment:a review[J].Talanta,2012,100:217-228.
[5] 蒋光阳,肖力源,王章英,等.不同基材复配紫薯花青素制备智能指示膜及其应用[J].食品科学,2019,40(13):267-273.
[6] ZHAI X,SHI J,ZOU X,et al.Novel colorimetric films based on starch/polyvinyl alcohol incorporated with roselle anthocyanins for fish freshness monitoring[J].Food Hydrocolloids,2017,69:308-317.
[7] CABRITA L,FOSSEN T,ANDERSEN M.Colour and stability of the six common anthocyanidin 3-glucosides in aqueous solutions[J].Food Chemistry,2000,68(1):101-107.
[8] SUI X.Changes in the color,chemical stability and antioxidant capacity of thermally treated anthocyanin aqueous solution over storage[M].Impact of Food Processing on Anthocyanins.Springer,Singapore,2017:49-65.
[9] LU M,LI Z,LIANG H,et al.Controlled release of anthocyanins from oxidized konjac glucomannan microspheres stabilized by chitosan oligosaccharides[J].Food Hydrocolloids,2015,51:476-485.
[10] LIANG T,SUN G,CAO L,et al.A pH and NH3 sensing intelligent film based on Artemisia sphaerocephala Krasch.gum and red cabbage anthocyanins anchored by carboxymethyl cellulose sodium added as a host complex[J].Food Hydrocolloids,2019,87:858-868.
[11] ZIA K M,TABASUM S,KHAN M F,et al.Recent trends on gellan gum blends with natural and synthetic polymers:a review[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,109:1 068-1 087.
[12] ZHANG N,XU J,GAO X,et al.Factors affecting water resistance of alginate/gellan blend films on paper cups for hot drinks[J].Carbohydrate Polymers,2017,156:435-442.
[13] ZHU G,SHENG L,TONG Q.Preparation and characterization of carboxymethyl-gellan and pullulan blend films[J].Food Hydrocolloids,2014,35:341-347.
[14] 朱桂兰,陶思远,童群义.结冷胶与黄原胶复配体系流变与凝胶特性[J].食品与发酵工业,2013,39(3):56-60.
[15] MEI T,XU X,LI B,et al.Synergistic interaction of konjac glucomannan and gellan gum investigated by rheology and texture analysis[J].Journal of Applied Polymer Science,2012,125(2):1 363-1 370.
[16] 刘敦华,谷文英.沙蒿籽胶的流变学性质研究[J].食品科学,2006,27(2):76-80.
[17] 刘敦华,谷文英,丁霄霖.沙蒿胶对面团流变性质的影响及在面包加工中的应用[J].农业工程学报,2009,25(S1):233-236.
[18] 谌小立,黄先静,杨旭芹,等.三种食用油对红酸汤烹调中全反式番茄红素含量影响研究[J].中国调味品,2019,44(3):91-94.
[19] 陈文莹,杨旭芹,刘臻,等.烹调三种蔬菜对红酸汤中全反式番茄红素含量的影响[J].中国调味品,2019,44(7):1-4.
[20] WEI Y C,CHENG C H,HO Y C,et al.Active gellan gum/purple sweet potato composite films capable of monitoring pH variations[J].Food Hydrocolloids,2017,69:491-502.
[21] LUCHESE C L,GARRIDO T,SPADA J C,et al.Development and characterization of cassava starch films incorporated with blueberry pomace[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,106:834-839.