鄒小波，蔣彩萍，張俊俊，翟曉東，王圣，趙號，梁妮妮

（江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

食品智能包裝是一種可以監(jiān)測食品內環(huán)境，并實時反饋食品品質變化信息的新型包裝技術[1]，有利于判斷及延長食品貨架期[2]。相比造成白色污染、能源短缺等問題的塑料包裝，生物可降解包裝材料易降解、可再生且環(huán)境友好，被廣泛用于食品智能包裝的開發(fā)，成為世界各國競相研究的熱點[3]。

淀粉、聚乙烯醇(PVA)是食品智能包裝領域研究最為廣泛的全降解包裝材料之一[4]。淀粉作為多羥基天然高分子材料，資源豐富、價格低廉、具有良好的生物相容性和生物降解性。PVA作為合成的水溶性高分子材料，為單一的C-C主鏈和多羥基強氫鍵分子結構，具有良好的韌性、生物相容性和機械性能[5]。郭培培等[6]制備了以甘油為增塑劑的淀粉膜，阻氣性能強，透明度高，但受淀粉多羥基和環(huán)狀結構影響，膜表現(xiàn)出脆硬的特點。為了克服這一缺點，曹龍奎等[7]將淀粉與PVA進行共混制備復合薄膜，與原淀粉膜相比，復合膜力學性能改善，降解速率增大。

大多數(shù)用于食品新鮮度檢測的光學或視覺傳感器是由敏感染料和固體基體材料制成[8]，常見的敏感染料有溴甲酚綠、溴酚藍和甲酚紅等化學染料[9]。然而化學合成試劑的毒性會對人體健康產生威脅，黃曉瑋[10]等首次利用天然色素氣敏傳感器定性判別肴肉新鮮度等級、定量預測新鮮度評價指標，表明無毒無害的天然色素可用于檢測食品的新鮮度。但天然色素種類繁多、來源廣泛。其中廣泛存在于植物中的花青素易溶于水，且具有較高的生理活性，應用極其廣泛。且花青素最重要的特點是它能夠隨著溶液pH的變化而改變結構，伴隨表觀顏色的改變。然而國內鮮見花青素應用于食品智能復合包裝膜的報道。

牛奶營養(yǎng)豐富，是天然的培養(yǎng)基，極易腐敗變質[11]。主要是由于微生物金黃色葡萄球菌、腸炎沙門氏菌和大腸桿菌的生長繁殖，導致牛奶中蛋白質變性、脂肪酸敗、碳水化合物發(fā)酵，在產酸的情況下逐漸使牛奶敗壞[12]。本研究以紫薯花青素（PSPE）為功能性添加成分，結合淀粉、PVA制備指示牛奶新鮮度的智能復合包裝膜，指示變質牛奶中的醛、酮和羧酸等揮發(fā)性物質。比較不同濃度的PSPE對復合膜的物理、機械性能、結構特征和光譜性質的影響，為研制安全綠色的智能包裝材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

紫薯（寧紫薯1號品種）、牛奶（光明鮮牛奶），購自鎮(zhèn)江市大潤發(fā)超市；聚乙烯醇（PVA：分子量146000～186000，99+%水解）、丙三醇、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉，購自鎮(zhèn)江華東器化玻有限公司。除特別指明，所有試劑均為分析純，實驗用水均為去離子水。

1.1.2 儀器

高速粉碎機，江蘇益勇儀器設備有限公司；RE-3002旋轉蒸發(fā)儀，上海越眾儀器設備有限公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；組織搗碎勻漿機，江蘇省金壇市友聯(lián)儀器研究所；食品物性測試儀，英國Stable Micro System公司；VIS-7220N可見分光光度儀，北京瑞利分析儀器有限公司；Nicoletis50傅里葉紅外光譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；Color Quest XE色差儀，美國Hunter Lab儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 色素提取

將新鮮紫薯切成若干片狀，稱取一定質量的紫薯片放入烘箱進行干燥處理，于60 ℃下烘干2 d至恒重。后用粉碎機高速打磨成粉，過40目篩備用。得到的粉末在60 ℃條件下，用75%的乙醇水溶液以體積比1:1進行提取，原料和溶劑按固液比1:10 g/mL混合，水浴鍋提取3 h[13]。使用布氏漏斗對得到的提取液進行抽濾，避光條件下用旋轉蒸發(fā)儀將濾液中的乙醇除去。最后經過真空冷凍干燥處理，得到PSPE凍干粉[14]，根據(jù)pH試差法得PSPE凍干粉純度為283.34 mg/L[13]。

1.2.2 紫薯渣淀粉提取

將收集的紫薯廢渣于50 ℃烘干，稱取一定質量的紫薯廢渣，以固液比1:5 g/mL（紫薯廢渣:蒸餾水）加入組織搗碎勻漿機中進行打漿[15]。將紫薯勻漿液于25 ℃下浸泡1.5 h，將浸泡過后的紫薯勻漿液過濾：先過200目的粗篩，再過100目的紗布，洗滌1次。所得濾液靜置24 h后通過離心除去上清液，沉淀干燥后粉碎過100目篩，即得紫薯淀粉，淀粉含量為83.06%[15]，裝袋備用。

1.2.3 復合膜的制備

稱取一定質量淀粉溶解于蒸餾水中，后將PVA以質量比1:1(淀粉:PVA)添加到淀粉中分散開來，在90 ℃條件下水浴加熱2 h，磁力攪拌至粉末完全溶解，使其相互交聯(lián)，得到質量濃度為1 g/100 mL的淀粉-PVA溶液[9]。將丙三醇以體積比1:100（丙三醇:淀粉-PVA溶液）緩慢加入到溶液中，磁力攪拌使其交聯(lián)30 min，制得混合溶液。

分別向上述冷卻的混合溶液中加入成膜基質干重0%、12%、24%和48%的PSPE凍干粉，得到含有不同濃度PSPE的混合溶液?；旌虾蟠帕嚢?5 min，然后在50 W超聲功率下超聲30 s均質去除氣泡。分別取22 mL最終的混合溶液緩慢流延至清潔且光滑的直徑為90 mm、邊緣深度為20 mm的塑料培養(yǎng)皿中，在溫度35 ℃、濕度75%條件下，把塑料培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中烘干36 h。烘干后揭取成膜，制得含有0%、12%、24%和48% PSPE的復合膜，記為PSPE-0、PSPE-1、PSPE-2和PSPE-3，并在室溫25 ℃、相對濕度50%條件下置于干燥器中平衡備用。

1.2.4 復合膜物理性能的測定

膜厚度采用電子數(shù)顯千分尺（±0.001 m）進行測定，每張膜隨機取10個點，測量后取平均值，單位μm。膜的機械性能參照GB 13022-91的方法，并在其基礎上進行一些修改[16]。將膜裁剪成60 mm×20 mm，食品物性測試儀夾距設定為40 mm，拉伸速度設定為0.6 mm/s，分別測定膜的抗拉強度（Tensile strength，MPa）和斷裂伸長率（Elongation at break，%）[17]?？估瓘姸群蛿嗔焉扉L率的公式見式（1）和式（2）。

式中：TS為抗拉強度（MPa）；Fm為膜斷裂時承受的最大拉力（N）；S為拉伸前截面積（mm2）。

式中：EB為斷裂伸長率（%）；lmax為膜斷裂時達到的最大長度（m）；l0為膜的初始長度（m）。

1.2.5 光譜分析

將PSPE溶液和復合膜溶液等量置于磷酸緩沖溶液中（pH 1.0～10.0，間隔為1.0），混合均勻后使用可見分光光度儀分別測定其紫外-可見光譜，在400～800 nm范圍內進行測定。

使用傅里葉紅外光譜儀測定淀粉、PVA、淀粉-PVA膜、PSPE和復合膜的紅外吸收圖譜（頻域圖譜），儀器參數(shù)設置為：波數(shù)范圍4000～650 cm-1、分辨率4 cm-1、掃描次數(shù)為32[18]。

1.2.6 膜的顏色測定

將復合膜浸泡在磷酸緩沖溶液中（pH 5.0～9.0，間隔為0.5）浸泡1 min，取出烘干后使用色差儀測定樣品，分別記錄膜的L*(亮度)、a*(由綠到紅)、b*(由藍到黃)[19]。總色差(ΔE)計算如式（3）：

式中：ΔL=L*-L0*，Δa=a*-a0*，Δb=b*-b0*，其中L0*，a0*和b0*是pH值為7時的顏色值。

1.2.7 牛奶腐敗的檢測

取22 mL牛奶樣品于直徑為90 mm、邊緣深度為20 mm的塑料培養(yǎng)皿中，在溫度25 ℃、濕度75%條件下，將裝有牛奶的培養(yǎng)皿放在干燥箱中連續(xù)培養(yǎng)。用保鮮膜將培養(yǎng)皿密封住，將直徑為2 cm的PSPE-2復合膜貼在膜的內表面來監(jiān)測牛奶的品質變化，每隔6 h測定復合膜的L*、a*和b*值，同時用數(shù)字pH計同步檢測牛奶的pH值[20]。為了進一步證明復合膜的傳感特性，將膜放置在變質的牛奶表面靜置3 min，從而觀察膜的顏色變化。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析

樣品檢測結果均以平均值±標準方差的形式表示，數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件中的Duncan法進行方差分析，p<0.05為差異顯著，試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 厚度及機械性能

如表1所示，PSPE-0膜厚為最小值90.45 μm，PSPE的加入對膜的厚度沒有顯著性的影響。隨著PSPE含量的增加，抗拉強度（TS）先增大至16.52 MPa后減小到14.25 MPa，斷裂伸長率（EB）則由38.27%顯著增加到126.31%（p<0.05）。TS的變化可能與膜的結晶結構及分子間作用力有關；EB的顯著增加可能是由于PSPE降低了成膜基質的分子間作用力，減少了水分子與成膜基質間的交聯(lián)，流動的聚合物鏈數(shù)量隨之增加[21]。

表1 四種復合膜的厚度和機械性能Table 1 Thicknesses and mechanical properties of four composite films

2.2 紫外-可見光譜分析

如圖1（a）所示，隨著pH從1.0增加到10.0，當PSPE溶于酸性溶液，在pH低于3.0時呈現(xiàn)紅色，在pH處于4.0～6.0范圍內則呈現(xiàn)淺紅色；pH為7.0時變?yōu)檩^淺的紫色；當PSPE溶于堿性溶液，pH在8.0～10.0范圍內顏色則由墨藍向墨綠轉變。PSPE的紫外-可見光譜（UV-Vis）的吸收強度可表明PSPE顯色的深淺程度，吸收強度越大則顯色越深[22]。

如圖1（b）和（c）所示，由PSPE在不同pH環(huán)境下的UV-Vis可知，pH 1～4范圍內PSPE在524 nm處有最大吸收峰，當pH接近5～6時，吸收峰轉移到536 nm，溶液的吸光強度隨pH的增加而下降。相反，pH 7～10范圍內PSPE在608 nm處的吸收峰隨pH的增加而上升。復合膜的UV-Vis與PSPE溶液光譜變化規(guī)律一致。因此，PSPE與淀粉/PVA成膜基質共混仍表現(xiàn)較高的生理活性，隨溶液pH值的變化而穩(wěn)定顯色。

特征吸收峰的變化與色素結構相關，524 nm處的吸收峰是由于花色羊（flavylium）[23]陽離子的作用，其在吸收氫氧根離子（OH-）后形成無色醇型假堿（carbinol pseudobase）[24]，在608 nm處形成特征吸收峰。溶液的顏色變化與UV-Vis吸收相對應，隨著pH的變化由最深的紅色轉為最深的墨綠。溶液顯示的是其吸收光的互補色光的顏色，綠色吸收的光波長（605～750 nm）對應于它的互補色（紅色），同樣紅色是吸收綠光波長的結果。

圖1 （a）在pH 1.0～10.0環(huán)境下的PSPE的顏色變化；（b）PSPE的紫外-可見光譜；（c）復合膜的紫外-可見光譜Fig.1 (a) Color change of PSPE solutions in the pH range of 1.0～ 10.0; (b) UV-Vis spectra of PSPE; (c) UV-Vis spectra of composite films

2.3 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）

圖2 淀粉、PVA、淀粉-PVA膜、PSPE和復合膜的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of starch, PVA, starch-PVA film, PSPE and composite films

如圖2所示，淀粉在761 cm-1～1077 cm-1波段吸收峰是由C-O鍵的伸縮振動引起的；由于淀粉與水分子的緊密結合，在1639 cm-1處形成特征吸收峰。PVA在1086 cm-1和1416 cm-1處分別為C-O鍵的伸縮振動峰和基本碳骨架CH-CH2的彎曲振動峰。由于自由基、分子間和分子內的O-H鍵的伸縮振動，在約3400～3200 cm-1處淀粉和PVA都有相似的寬帶吸收峰；淀粉和PVA在2928 cm-1、2908 cm-1處峰是由O-H鍵的彎曲振動引起的。同樣在淀粉-PVA膜和復合膜中也出現(xiàn)相似的寬帶吸收峰。

PSPE在1709 cm-1和1596 cm-1處峰是由芳香環(huán)骨架上的C=C鍵伸縮振動引起的，1277 cm-1處峰是吡喃環(huán)延伸的黃酮類化合物的特征吸收峰，1023 cm-1處峰是由芳香環(huán)中的C-H鍵彎曲振動引起的。

由淀粉-PVA膜的光譜圖可知，在淀粉薄膜中加入PVA后特征峰有所偏移，相對于原淀粉、PVA中的1141 cm-1（C-C和C-OH的伸縮振動）和1086 cm-1（C-O的伸縮振動和C-H的彎曲振動）兩個特征峰向低波數(shù)方向偏移，表明成膜基質之間存在相互作用（氫鍵）。加入PSPE后，部分振動和鍵能增強，造成復合膜力學性能的改變。1023、1709和1596 cm-1處吸收峰產生明顯的增強和偏移，1023 cm-1處為芳香環(huán)中C-H鍵的彎曲振動峰，1709和1596 cm-1處的芳香環(huán)骨架上C=C鍵伸縮振動峰的變化表明PSPE中的芳香族化合物與成膜基質間存在分子間作用力，芳香環(huán)上發(fā)生鄰位取代。相比淀粉-PVA膜的紅外光譜圖，復合膜在1500～1600 cm-1譜帶的變化表明PSPE與淀粉/PVA成膜基質有良好的相容性，且化學成分未受影響。

2.4 膜的顏色

表2 含不同濃度PSPE的復合膜的顏色Table 2 Color of the composite films with different concentrations of PSPE

通過L*、a*、b*和ΔE值對復合膜的顏色響應進行評價。L*表示顏色的明度從暗到亮，a*表示顏色由紅（+）到綠（-），b*表示顏色由黃（+）到藍（-）。如表2所示，相比淀粉-PVA膜，含PSPE的復合膜L*值較小，a*、b*和ΔE值較大。隨著PSPE濃度的增加，L*值遞減，a*、b*和ΔE值遞增，表現(xiàn)出明顯的顏色變化：顯著性地a*值表明“紅色”增強，b*值表明“黃色”增強，L*表明膜的亮度下降，膜的顏色顯著性地從淡紫轉變?yōu)榫萍t色[21]。

一般來說，復合膜的表觀顏色應不影響膜的指示顯色，從而可以替代普通的薄膜且被消費者所接受。PSPE-2與PSPE-3的L*、a*、b*和ΔE都比較接近，但PSPE-3過深的酒紅色影響膜的顯色性能，因此色素的添加量不宜超過成膜基質干重的24%。

2.5 在牛奶腐敗中的應用前景

圖3 (a)復合膜在牛奶中的應用：從左至右為反應0 h和48 h，膜直接與變質牛奶表面接觸；（b）從0 h～48 h牛奶的pH變化；(c)從0 h～48 h膜的a*和ΔE變化Fig.3 (a) Application of composite films in milk: From left to right for the reaction of 0 h and 48 h, the composite films contacted the surface of metamorphic milk. (b) Change in pH of milk from 0 h to 48 h. (c) Change of a* and ΔE of composite films from 0 h to 48 h

在14.9 ℃下，新鮮牛奶的pH值為6.47。如圖3(a)和(b)所示，新鮮牛奶在溫度25 ℃、濕度75%條件下連續(xù)培養(yǎng)后，pH值持續(xù)下降，膜也發(fā)生肉眼可見的顏色變化。48 h后，經測定牛奶的pH值為3.25，膜呈現(xiàn)淡粉色，牛奶產生酸敗氣味，明顯證明牛奶已經變質。

如圖3所示，根據(jù)測定的pH值與色度值，由于金黃色葡萄球菌等微生物的污染，牛奶逐漸腐敗變質，產生酸性物質，pH值逐漸下降，膜的顏色變紅變淺，通過在不同pH值環(huán)境中表現(xiàn)出不同的顏色這一特性監(jiān)測牛奶的品質變化。復合膜與變質的牛奶直接接觸后，更加直觀清晰地顯示其顏色變化。因此，制定的復合膜能夠作為智能指示包裝膜，指示牛奶的新鮮度。

3 結論

3.1 研究表明，隨著PSPE濃度的增加，膜的厚度和抗拉強度未發(fā)生顯著變化（p>0.05），斷裂伸長率則由38.27%顯著增加至126.31%（p<0.05），而膜的外觀顏色也明顯由淡紫轉變?yōu)榫萍t色。在紫外-可見光譜測定分析中，PSPE的UV-Vis與復合膜溶液光譜保持一致，表明淀粉/PVA成膜基質并未對PSPE的化學成分產生影響。FTIR則進一步論證了PSPE與成膜基質之間存在氫鍵作用。

3.2 牛奶腐敗過程中，生成低級的醛、酮和羧酸等揮發(fā)性物質，從而使本論文開發(fā)的智能指示包裝膜能對牛奶的酸敗能產生可靠的響應。因此，該研究中的智能指示包裝膜作為一種“診斷工具”，為檢測牛奶的質量變化提供了一種簡便而直觀可視化的方法，具有很大的潛力，以確保牛奶的品質安全。

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