孫 理，吳楊林，高 媛，孫巧歌，李春偉

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引言

花青素是一種酚類化合物［1］。近年來，以花青素作為新鮮度指示劑制備pH值敏感型智能包裝成為研究熱點(diǎn)［2］。其作為指示劑的主要原因是基于不同pH值條件下花色苷分子結(jié)構(gòu)的改變［3］。MORADI等［4］基于細(xì)菌納米纖維素和黑胡蘿卜花青素制備了一種pH值指示膜?；ㄇ嗨刂詫Ω瘮怏w產(chǎn)生響應(yīng)從而發(fā)生顏色變化是因?yàn)槠渲写嬖诘姆宇惡凸曹椢镔|(zhì)［5］。由于花色苷結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)羥基，很容易被氧氣氧化逐漸降解為無色和棕色的物質(zhì)［6］。但近年來有研究表明，?；男钥梢蕴嵘ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性［7］。LIU等［8］采取酶催化法用香豆酸和咖啡酸對藍(lán)莓花青素進(jìn)行?；?，以提高花青素的穩(wěn)定性和抗氧化性。賈代濤等［9］利用乙酸作為酰化劑對花青素進(jìn)行改性并應(yīng)用于新鮮度指示。然而，前人的研究一方面沒有說明酰化劑濃度對花青素復(fù)合膜顏色穩(wěn)定性的影響；另一方面改性后的花青素缺少新鮮度指示方面的應(yīng)用。

本文利用乙酸?；男悦倒迩鸦ㄇ嗨?，將花青素濃縮液與乙酸溶液分別按 3種（2：1，1：2，1：1）不同的體積比混合，以結(jié)冷膠作為成膜基材，研究?；瘎舛葘ㄇ嗨貜?fù)合膜顏色穩(wěn)定性的影響。并且通過研究指示膜的pH值響應(yīng)、微觀結(jié)構(gòu)和物理性能，比較得到綜合性能較好的薄膜，并將其應(yīng)用到雞肉的新鮮度指示中。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玫瑰茄（農(nóng)產(chǎn)品）購自哈爾濱市比優(yōu)特超市；結(jié)冷膠（分析純，美國Sigma-Aldrich公司）；1，1-二苯基-2-苦基（DPPH，美國Sigma-Aldrich公司）；丙三醇、無水乙醇、冰乙酸等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

200T型高速多功能粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制品有限公司）；90-4型數(shù)顯控溫磁力攪拌器（上海振捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；FA2004B型電子天平（上海舜宇恒科學(xué)儀器有限公司）；RE52CS-2型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海亞榮生化儀器廠）；L6/L6S型紫外可見分光光度計(jì)（上海電科學(xué)儀器有限公司）；NICOLET 6700型傅里葉變換紅外光譜儀（美國 Thermo Fisher Scientific公司）；X' Pert3 型PowedrX射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 玫瑰茄花青素的提取

用粉碎機(jī)將烘干后的玫瑰茄粉碎，60目篩過濾后裝入棕色瓶。稱取一定量玫瑰茄粉末，按1：40比例與乙醇（50%）混合，在60 ℃水浴鍋中浸提3 h，用布氏漏斗過濾。將花青素溶液在50 ℃下，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除乙醇，得到玫瑰茄花青素濃縮液。

1.3.2 玫瑰茄花青素的改性

參考文獻(xiàn)［10］并進(jìn)行改進(jìn)。量取一定體積的花青素濃縮液，將其按一定比例（2：1，1：2，1：1）分別和乙酸溶液（1 mol/L）混合，在90 ℃的水浴環(huán)境中反應(yīng)0.5 h，得到改性玫瑰茄花青素溶液。

1.3.3 指示膜的制備

指示膜用流延干燥法制備。稱取1 g結(jié)冷膠粉末倒入100 mL去離子水中，磁力攪拌至全部溶解，制得1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)冷膠溶液；然后加入增塑劑丙三醇（結(jié)冷膠質(zhì)量的80%）攪拌并降低溫度至40 ℃；再加入溶液質(zhì)量20%的玫瑰茄花青素溶液，混合均勻后流延在培養(yǎng)皿中；最后靜置2～3 d后揭膜，制得樣品1（未改性）、樣品2（2：1）、樣品 3（1：2）、樣品 4（1：1）花青素 - 結(jié)冷膠指示膜。

1.3.4 指示膜的表征

（1）指示膜的FT-IR測試。傅里葉變換紅外光譜儀對待測薄膜試樣掃描測定，范圍為4 000～500 cm-1，掃描 3 次［11］。

（2）X射線衍射。在40 kV電壓下，采用多功能衍射儀對待測薄膜試樣以5 °/min的速度進(jìn)行5～60 °，15.4 nm 波長的掃描測試。

（3）指示膜的物理性能、含水率和水蒸氣透過系數(shù)。分別在方形薄膜試樣4個(gè)角和中心隨機(jī)采集5個(gè)點(diǎn)，以5點(diǎn)的平均值作為薄膜總體厚度。參照GB/T1040.2—2006《塑料拉伸性能的測定》的方法，將薄膜裁剪成150×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用拉力試驗(yàn)機(jī)對待測試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度：10 mm/min；標(biāo)距：40 mm，按照式（1）和（2）計(jì)算。

式中 σt ——待測薄膜試樣的拉伸強(qiáng)度，MPa；

p —— 待測薄膜試樣在拉伸斷裂過程中的最大載荷，N；

b ——薄膜試樣的寬度，mm；

d ——薄膜試樣的厚度，mm；

ε ——薄膜試樣的斷裂伸長率，%；

x ——薄膜試樣斷裂時(shí)發(fā)生的位移，mm；

L0——薄膜試樣的長度，mm。

裁取一定面積的薄膜試樣，用電子天平稱其質(zhì)量記為M1（g），置于105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重后取出，稱其質(zhì)量為M2（g），按下式計(jì)算薄膜含水率（MC），取薄膜3個(gè)平行試樣的平均值作為薄膜的含水率。

參照文獻(xiàn)［12］的方法并做一定的修改，測定薄膜的水蒸氣透過系數(shù)。在100 mL的小燒杯中加入40 mL的蒸餾水，用待測薄膜試樣包裹杯口并用細(xì)皮筋固定，置于22 ℃的干燥箱，每2 h稱量1次，稱6次，按照下式計(jì)算待測試樣的水蒸氣透過系數(shù)（WVP），每種薄膜取3個(gè)平行試樣的平均值作為膜的水蒸氣透過系數(shù)。

式中 Δm ——水蒸氣透過的質(zhì)量，g；

x ——待測薄膜的厚度，mm；

s —— 氣體有效通過面積，22.9×10-4m2；

p ——22 ℃下膜兩側(cè)壓強(qiáng)差，3 179 Pa；

t ——間隔時(shí)間，s。

（4）指示膜的光學(xué)性能。參照GB 2410—80《透明塑料透光率和霧度試驗(yàn)方法》并做適量調(diào)整，將薄膜置于透光率/霧度測定儀接收器處的窗口進(jìn)行測定，每組薄膜分別在4個(gè)角和中心位置各測1次，取平均值。

（5）指示膜的穩(wěn)定性測試。用色差儀測試薄膜L、a、b值后分別置于4 ℃和25 ℃環(huán)境保存，每4 h測量1次其顏色指標(biāo)并按下式計(jì)算ΔE值。將薄膜試樣置于室溫下并用燈光照射，每2 h用色差儀測量其顏色指標(biāo)計(jì)算ΔE值。

式中 L、a、b，L0、a0、b0—— 代表前后 2 次測量的顏色指標(biāo)。

（6）抗氧化性測試。參照文獻(xiàn)［12］的方法并作適當(dāng)修改，測定薄膜的抗氧化性能。以無水乙醇作為溶劑，配置4 mg/100 mL的DPPH溶液，保存在棕色瓶中。將待測樣品膜液按1：3的比例分別和DPPH溶液和無水乙醇混合，并將無水乙醇和DPPH按相同比例混合，室溫下避光反應(yīng)30 min，利用分光光度計(jì)分別測試3種混合液在517 nm處的吸光值，按照下式計(jì)算樣品薄膜的自由基清除率：

式中 Y ——自由基清除率，%；

A1—— 待測薄膜樣品膜液和自由基溶液的吸光度值；

A2—— 無水乙醇和自由基溶液的吸光度值；

A3—— 無水乙醇和待測薄膜樣品膜液的吸光度值。

（7）指示膜在雞肉新鮮度指示中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)［13］中的測試方法并作適當(dāng)修改。將新鮮雞肉切成形狀相近、質(zhì)量相等的塊狀，將指示膜裁成2×2 cm的小塊覆蓋在雞肉上放入培養(yǎng)皿中，用保鮮膜將培養(yǎng)皿裹包放置于室溫環(huán)境中，參考GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》，每隔6 h測試雞肉的TVB-N值和pH 值［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性前后玫瑰茄花青素溶液與膜的pH值響應(yīng)

玫瑰茄花青素改性前，當(dāng)pH值為2時(shí)，溶液呈鮮紅色，此時(shí)花青素主要以黃烊鹽離子形式存在。隨著pH值增加到5，其顏色逐漸變淺。pH值為6～8時(shí)，溶液由淡紫色變?yōu)榈{(lán)色，此時(shí)花青素分子主要由醌型堿組成。pH值為8～12時(shí)，溶液逐漸從棕黃色變成黃色。玫瑰茄花青素經(jīng)改性后，溶液在不同pH值下的顏色依次為鮮紅色（pH=2）→淡粉色（pH=5）→淡紫色（pH=6）→黃綠色（pH=8）→棕綠色（pH=10）→黃色（pH=12）。這與盧立新等［15］對改性玫瑰茄研究所得的結(jié)果不一致，可能是因?yàn)榛ㄇ嗨貋碓春腿芤旱臐舛炔煌约皃H值響應(yīng)時(shí)間的差別。

改性前后樣品2指示膜的顏色變化基本與溶液相同且改性后的花青素仍具有pH值響應(yīng)。新鮮度指示型包裝是將貯存過程中變化的生化指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)轭伾淖兓?，通過顏色的變化可以直觀反映出生鮮肉類的品質(zhì)及新鮮程度，而改性玫瑰茄花青素仍具有較高的生理活性，其顏色變化可以作為判斷食品新鮮度改變的指標(biāo)［16］。

2.2 指示膜的紅外光譜分析

從圖1可以看出，樣品1玫瑰茄花青素-結(jié)冷膠指示膜的紅外吸收峰從左至右依次為3 280，2 930，2 887，1 787，1 733，1 606，1 027 cm-1［17］。

圖1 指示膜的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of intelligent indicator films

由文獻(xiàn)［18］可知，紅外光譜在3 700～3 000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)，由于-OH鍵的伸縮振動(dòng)，出現(xiàn)強(qiáng)且寬的吸收峰，可能是因?yàn)榛ㄇ嗨睾透视头肿又泻辛u基。在2 930 cm-1處的吸收峰歸因于-CH3的伸縮振動(dòng)，而2 887 cm-1位置的峰主要是由于-CH和-CH2的伸縮振動(dòng)。1 787 cm-1處有1個(gè)強(qiáng)度較弱的肩峰，該峰是C-O-C的振動(dòng)，是黃酮類化合物結(jié)構(gòu)中呋喃環(huán)的伸縮振動(dòng)吸收峰［19］。1 606 cm-1處是花青素的特征峰，即苯環(huán)與雜環(huán)骨架形成的芳香環(huán)架C=C振動(dòng)。1 733 cm-1和1 150 cm-12處峰的強(qiáng)度在乙酸?；男院笤鰪?qiáng)，分別與C=O和-OH的伸縮振動(dòng)有關(guān)，其原因主要是?；磻?yīng)中酯基的生成以及乙酸中羥基的引入。在1 027 cm-1處呈現(xiàn)較強(qiáng)的特征峰歸因于C-O-C的伸縮振動(dòng)［20］。根據(jù)紅外光譜圖的分析，乙酸成功地?；男悦倒迩鸦ㄇ嗨?。

2.3 指示膜的X射線衍射

XRD是評價(jià)薄膜樣品結(jié)晶度的重要方法。從圖2中可以看出，結(jié)冷膠在19.00 °和21.66 °出現(xiàn)寬衍射峰，表明結(jié)冷膠具有非晶態(tài)或半晶態(tài)結(jié)構(gòu)［21］。一般來說，當(dāng)復(fù)合材料的結(jié)晶組分和非結(jié)晶組分表現(xiàn)良好的相容性時(shí)，其結(jié)晶度要比單個(gè)組分的結(jié)晶度低。當(dāng)添加玫瑰茄花青素后，沒有出現(xiàn)新的衍射特征峰，并且特征峰強(qiáng)度有所降低，這意味著玫瑰茄花青素的加入降低薄膜聚合物的結(jié)晶度，改變薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，并且利用乙酸?；男院鬀]有影響到與結(jié)冷膠的相容性。

圖2 基材及指示膜的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD of base material and intelligent indicator films

2.4 指示膜的力學(xué)性能、含水率以及水蒸氣透過系數(shù)

表1為不同比例乙酸改性玫瑰茄-花青素結(jié)冷膠膜的厚度、力學(xué)性能、含水率以及水蒸氣透過系數(shù)。改性后玫瑰茄花青素-結(jié)冷膠膜的拉伸強(qiáng)度有大幅度的提升，樣品4的拉伸強(qiáng)度最大，為30.69 MPa；樣品3次之；樣品1的最小，為19.09 MPa。結(jié)冷膠與改性后花青素分子之間的相互作用是其力學(xué)性能增強(qiáng)的主要原因。改性后指示膜的斷裂伸長率略微提升，含水率和水蒸氣透過系數(shù)都有所降低，樣品2指示膜的斷裂伸長率為4.54 %，含水率為17.08%，水蒸氣透過系數(shù)為 1.22×10-12g/（m·s·Pa），其原因可能是改性后締合羥基數(shù)目的增多導(dǎo)致膜內(nèi)各組分間作用力增強(qiáng)，從而形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

表1 指示膜的厚度、力學(xué)性能、含水率、水蒸汽透過系數(shù)Tab.1 Thickness，mechanical properties，water content and water vapor transmission coefficient of the indicator films

2.5 指示膜的光學(xué)性能

不同比例乙酸改性玫瑰茄花青素-結(jié)冷膠膜的透光率和霧度如表2所示。其中樣品2，3，4指示膜的透光率不斷提升，霧度也逐漸有所增大，說明用乙酸改性后的指示膜透明度更好，而包裝薄膜對于霧度的要求是30 %，所以乙酸改性后指示膜可以應(yīng)用到包裝中。

表2 指示膜的透光率、霧度Tab.2 Light transmittance and haze of the indicator films （unit:%）

2.6 指示膜的穩(wěn)定性

不同比例乙酸改性玫瑰茄-花青素結(jié)冷膠膜在4 ℃和25 ℃環(huán)境下存儲(chǔ)過程中的顏色變化如圖3（a）（b）所示?？衫觅A存時(shí)的色差變化判斷其在不同溫度下的顏色穩(wěn)定性［22］。

圖3 不同條件下指示膜的顏色變化Fig.3 The color change of the indicator films under different exposure conditions

改性后的薄膜不論是在4 ℃還是在25 ℃下，其色差變化值較原膜都減小，熱穩(wěn)定性更好，這是因?yàn)榛ㄇ嗨胤肿由系牧u基經(jīng)?；男陨甚セ?，其活性降低，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抑制花青素中不同結(jié)構(gòu)間轉(zhuǎn)變所引起的色差變化［23］。另外，薄膜在25 ℃下的色差變化均明顯高于4 ℃，說明溫度升高時(shí)，花青素的穩(wěn)定性降低，這符合其他研究者對花青素溫度穩(wěn)定性研究所得出的結(jié)論：避光條件下，60 ℃以下溫度更利于花青素的保存，且溫度越高，越不利于保存［24］。這是因?yàn)楦邷赜欣诙交讲⑦拎栯x子向無色的假堿和查爾酮的轉(zhuǎn)變，使得有顏色的琨式堿和黃烊鹽離子減少，花青素顏色改變［25］。

不同比例乙酸改性玫瑰茄花青素-結(jié)冷膠膜在室溫?zé)艄庹丈涞沫h(huán)境中放置6 h過程的顏色變化如圖3（c）所示。色差ΔE的大小可作為其光穩(wěn)定性的判斷依據(jù)。改性花青素-結(jié)冷膠膜色差變化整體上均小于樣品1，經(jīng)改性后的穩(wěn)定性得到一定程度的提高，這可能是?；囊胍种朴猩狞S烊鹽離子變?yōu)闊o色假堿生成查爾酮或黃烊鹽光解反應(yīng)的進(jìn)行。

2.7 指示膜的抗氧化性

由圖4可以看出：隨著乙酸比例的上升，改性后的指示膜的抗氧化性均有不同程度的下降。DPPH自由基清除率從大到小依次為樣品1＞樣品2＞樣品4＞樣品3。其原因可能是，花青素的抗氧化活性主要由于苯環(huán)上的-OH在?；^程中，乙酸與花青素苯環(huán)上的-OH反應(yīng)，隨著酚羥基的減少，?；ㄇ嗨氐目寡趸钚越档?。另外，薄膜含水率、溫度和微觀結(jié)構(gòu)等因素也都會(huì)影響其抗氧化活性成分的釋出，進(jìn)而影響抗氧化性能。

圖4 指示膜的自由基清除率Fig.4 Free radical scavenging ability of intelligent indicator films

2.8 指示膜在雞肉新鮮度指示的應(yīng)用

綜合改性后指示膜的各項(xiàng)性能，選取力學(xué)性能好、阻隔性強(qiáng)、顏色較為穩(wěn)定的樣品2應(yīng)用于雞肉的新鮮度指示。由圖5可以看出，隨著貯藏時(shí)間的延長，指示膜顏色有明顯的變化，從開始的粉紅色到24 h后的淺藍(lán)色。貯藏期間，TVB-N值在0～18 h內(nèi)增長平緩，參考國標(biāo)GB2707-2016《鮮（凍）畜肉衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的每100 g新鮮雞肉中TVB-N值應(yīng)小于15 mg，此時(shí)6 h的雞肉TVB-N的數(shù)值為15.33 mg/100 g，呈不新鮮狀態(tài)［26］。另外雞肉的初始pH值為5.55，貯藏6 h后為6.28，根據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)雞肉pH值超過6.2時(shí)已經(jīng)處于次新鮮狀態(tài)，與TVB-N值評價(jià)結(jié)論一致。貯藏期超過18 h后，TVB-N值快速增大，說明雞肉處于腐敗狀態(tài)。24 h時(shí)的TVB-N值為46.68 mg/100 g，pH值為7.83，指示膜顏色也變?yōu)闇\藍(lán)色。指示膜密切監(jiān)測雞肉腐敗的全過程，從粉紅色變?yōu)榈仙俚綔\藍(lán)色，通過肉眼就可以清晰地判別，該結(jié)論與蔣光陽等［27］發(fā)現(xiàn)玫瑰茄花青素在檢測魚肉新鮮度時(shí)指示膜由紅色變?yōu)樗{(lán)色相似。結(jié)果表明，改性后的玫瑰茄花青素可以作為新鮮度指示劑，應(yīng)用于肉類pH值變化指示新鮮度的改變。

圖5 指示膜的顏色變化以及雞肉在25 ℃貯藏期間的TVB-N值和pH值Fig.5 Color change of intelligent indicator films and TVB-N and pH values during storage of chicken

3 結(jié)語

通過將乙酸與花青素以3種不同的比例混合改性，制成玫瑰茄花青素-結(jié)冷膠指示膜。對其pH值響應(yīng)性、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、穩(wěn)定性和新鮮度指示等特性研究分析，發(fā)現(xiàn)玫瑰茄花青素經(jīng)改性后制得指示膜的力學(xué)性能、光學(xué)性和穩(wěn)定性都有較大的改善，阻隔性也有所提升。其中FT-IR光譜表明乙酸成功酰化改性玫瑰茄花青素，并且XRD表明改性后玫瑰茄花青素不影響與結(jié)冷膠的相容性。拉伸強(qiáng)度最大的是樣品4（30.68 MPa），斷裂伸長率最大的是樣品2（4.53%）。整體而言，改性后指示膜各項(xiàng)性能較好的是樣品2，將其應(yīng)用于監(jiān)測雞肉的新鮮度中，可以觀察到在25 ℃貯藏期間，TVB-N和pH值都隨時(shí)間的延長逐漸增大，指示膜顏色從粉紅色變化到淺藍(lán)色。用乙酸改性玫瑰茄花青素提升花青素的穩(wěn)定性，將其制備成指示膜后也可用于指示雞肉新鮮度的變化。