馬倩倩， 王秀峰， 岳桂貞， 江紅濤

(陜西科技大學 材料科學與工程學院 陜西省無機材料綠色制備與功能化重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引言

預包裝食品(prepackaged foods)，指預先定量包裝或者制作在包裝材料和容器中的食品，包括預先定量包裝以及預先定量制作在包裝材料和容器中并且在一定量限范圍內具有統(tǒng)一的質量或體積標識的食品[1].食品新鮮度是指不同食品的外觀、顏色、氣味、滋味、質地、水分含量、糖分含量以及其他營養(yǎng)成分的改變程度[2].食品新鮮度標簽能主動“判斷”和“指示”食品新鮮度，一般通過機械形變或顏色變化指示食品質量，以幫助消費者購買到新鮮的食品.

目前有關的新鮮度指示標簽有以下幾種：時間-溫度積分器(Time-Temperature Integrator，TTI)、傳感器、電子鼻、射頻識別標簽等.TTI主要有擴散型[3]、酶型[4,5]、聚合物型[6]、微生物型[7].傳感器通過測量溫度、pH或釋放的氣體監(jiān)測食品新鮮度[8].電子鼻由傳感器陣列組成，能更清晰的監(jiān)測食品的腐敗程度，甚至對腐敗代謝物進行定性、定量的判斷[9,10].射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)標簽基于無線通信，通過傳輸反向散射信號將信息傳出[11,12]，可與傳感材料結合用于食品質量監(jiān)測[13,14].

變色標簽是一種可視化判斷食品新鮮度的標簽，通常利用代謝物的信息，例如CO2、總揮發(fā)性堿性氮(氨，二甲胺和三甲胺)和H2S的量來監(jiān)測食品質量[15-18].Zhang Hongjuan等[19]研究的蒽醌和偶氮發(fā)色團組合的活性染料，其發(fā)色團分子結構可隨pH變化發(fā)生重排從而顯示出肉眼可見的顏色變化.由于酸堿指示劑對pH極度敏感，也被應用于判斷食品新鮮度[20-24].與單一指示劑相比，混合指示劑可以擴大顏色變化范圍.Hui Zhi C等[25]設計的混合指示劑標簽，用于評估5 ℃下豬肉8天內的新鮮度變化，其顏色從紅色(新鮮期)變?yōu)辄S色(中期新鮮期)最終變?yōu)榫G色(變質期).花青素是一種天然熱敏感染料，可隨溫度、光照、氧氣、糖和酶的變化、pH值以及蛋白質和金屬離子的不同而變化[26,27].Maciel V B V等[28]利用花青素在不同溫度下的變色現(xiàn)象，開發(fā)了智能的可生物降解的溫度指示材料.花青素因pH改變而發(fā)生結構轉變，最終也表現(xiàn)為顏色變化[29].通常，光學或視覺pH傳感器由pH敏感染料和固體支持物(殼聚糖/ PVA、瓊脂糖、淀粉)組成[30-32].這種可視化的方式監(jiān)測食品質量和新鮮度，便于消費者選購新鮮食品并有利于廠家適時調整食品銷售方案.通過顏色變化指示食品品質，將是食品行業(yè)的重要發(fā)展方向[33,34].

碘-淀粉是一種安全的顯色反應系統(tǒng)，還未被應用于食品新鮮度的指示，且未有相關研究報導.主要影響碘-淀粉顯色反應的因素是淀粉的種類和碘的濃度，因此碘與淀粉作用時除了藍色外，還可常見到藍中帶褐色或藍中帶紫色，甚至出現(xiàn)紫紅色[35].已知I-可在空氣中被氧化成I2，再與淀粉形成絡合物發(fā)生顯色反應[36].本研究利用此原理，以淀粉和碘化鉀為反應物，研制食品新鮮度變色標簽材料.基于這一顯色反應制備的變色材料，其隨食品出廠，區(qū)別于市場上已有的印刷生產日期、食品保質期等靜態(tài)標簽和二維碼標簽.這種變色材料可實時監(jiān)控食品貯藏環(huán)境，并隨環(huán)境條件和時間呈現(xiàn)不可逆的可視化顏色變化，用于短期預包裝食品新鮮度的判斷.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米淀粉(食品級)，購自西安滋品源食品有限公司；碘化鉀(KI、分析純)，購自天津市天力化學試劑有限公司；無水氯化鈣(CaCl2、分析純)，購自天津市天力化學試劑有限公司；無水乙醇，購自天津市富宇精細化工有限公司；環(huán)氧樹脂E-44，購自西安樹脂廠；聚酰胺樹脂650，購自鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司；70 g/m2型打印紙，購自亞太森博紙業(yè)有限公司；溴化鉀(KBr、分析純)，購自天津市科密歐化學試劑有限公司；純牛奶，購自伊利乳業(yè)有限公司.

1.2 實驗儀器

JM-B2002型電子天平，購自諸暨市超澤衡器設備有限公司；KQM-X4Y/B型行星式四頭快速球磨機，購自咸陽金宏通用機械有限公司；冰箱；TA218A型數(shù)顯溫濕度計，購自常州天寧勝優(yōu)電熱儀表公司；528型分光密度計，購自美國愛色麗公司；Cary 5000紫外-可見分光光度計，購自美國安捷倫公司；Vertex 70傅里葉紅外光譜儀，購自德國布魯克公司；pHS-3C型臺式pH計，購自上海儀電科學儀器股份有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 變色材料的制備

設計基于淀粉遇碘顯色的變色材料.實驗中稱取玉米淀粉1.00 g、KI 1.50 g、無水氯化鈣(CaCl2)5.00 g，通過球磨將原料混合均勻；然后直接加入環(huán)氧樹脂含量為10 wt%的乙醇溶液10 mL并球磨30 min；最后加入40 wt%的固化劑(聚酰胺樹脂)球磨10 min.制備好的材料取出備用.

1.3.2 標簽試樣的制備

裁剪適量大小一致的紙條，將上一步制備的變色材料均勻涂覆在紙條上制成標簽試樣，再將標簽試樣置于不同環(huán)境中觀察顏色變化.

1.4 分析表征

1.4.1 變色標簽材料色度值測定

分光密度計(SpectroEye，X-Rite，America)的照明光源設置為D55，角度為2度角，在CIELAB顏色系統(tǒng)中工作.根據(jù)CIELAB顏色系統(tǒng)，參數(shù)L的比例在100(白色)到0(黑色)之間，表示顏色的亮度；參數(shù)a從+a(紅色)到-a(綠色)，為紅度參數(shù)；參數(shù)b從+b(黃色)到-b(藍色)，為黃度參數(shù).按公式(1)計算色度值ΔE，所有的測試一式三份進行，取平均值.

(1)

1.4.2 變色標簽材料反射率測定

紫外-可見分光光度計掃描范圍設為200～800 nm，對不同溫度下、不同時間點的標簽試樣進行反射率測試.

1.4.3 變色標簽材料紅外光譜測定

將KBr置于鼓風干燥箱進行烘干，鼓風干燥箱溫度設置為150 ℃，干燥時間為6 h.取變色材料0.1 g、環(huán)氧樹脂0.1 g、聚酰胺樹脂0.1 g分別溶于2 mL丙酮中.傅里葉紅外光譜儀掃描范圍設為400～4 000 nm，將溶液分別刷在壓好的KBr膜上并用吹風機吹干后進行測試，得到3條紅外測試曲線.玉米淀粉與KBr按大約1∶100的比例混合后壓膜，然后進行紅外光譜測試，得到1條紅外測試曲線.

1.4.4 純牛奶pH值測定

首先對pH計玻璃電極進行清洗、擦干，并進行pH校正；之后再次對玻璃電極清洗、擦干，并保證電極處無氣泡；最后測試純牛奶試樣，試樣液位不得低于pH計玻璃電極，15 s后讀數(shù)并記錄.

2 結果與討論

2.1 顏色變化與時間的關系

標簽材料的顏色變化可由色度值ΔE進行表征.分光密度計是一種顏色測試儀器，可用來判斷標簽的顏色.不同的ΔE值會引起人不同的視覺反應[37]：ΔE=1.50～3，視覺感應明顯(obvious)；ΔE=3～6，視覺感應更明顯(very obvious)；ΔE>6，視覺感應強烈(strong).通常，ΔE值超過12時，它表示不同的顏色空間[38].

將制備好的變色材料涂覆于紙條，放置在室溫(23±2 ℃、60±5%)、非直射光的環(huán)境中觀察顏色變化.貯藏期間標簽試樣的CIELAB參數(shù)和ΔE值持續(xù)發(fā)生變化(如圖1(a)所示).L值整體呈下降趨勢，表明標簽亮度逐步降低，前5天變化較快，后5天變化緩慢；a值前5天持續(xù)上升，之后呈微小變化趨勢；b值經過2天就達到了峰值，之后一直處于波動狀態(tài).ΔE值呈對數(shù)型上升(如圖1(b)所示)，數(shù)值變化可由方程組(2)表示.該標簽在室溫下隨時間顯示出明顯的顏色變化，前5天ΔE值迅速上升，后5天趨于平緩；冷藏(8 ℃、60±5%)、冷凍(-18 ℃、60±5%)條件下ΔE值一直緩慢上升.初始階段，碘以離子的形式存在，之后I-被空氣中的氧氣氧化成I2，從而與淀粉形成絡合物產生顯色反應，并且隨著I2量的增加，絡合物的顏色強度發(fā)生變化(如圖1(c)所示).

(2)

式(2)中：t為時間，r為相關系數(shù).

(a)標簽試樣在不同時間的L、a、b、ΔE值曲線

(b)標簽試樣在不同時間的ΔE值擬合曲線

標簽試樣的反射率隨時間演變(如圖2(a)所示).開始時，標簽為淺青色，曲線在344nm處有明顯的峰，隨著標簽顏色的變化，峰值減小且逐漸消失，標簽顏色也由淺青色變?yōu)樽丶t色.顏色變化過程為：淺青色-淡黃色-土黃色-紅色-棕紅色(如圖1(c)所示).前10天的反射率測試曲線峰值持續(xù)下降，且每天差值明顯，表明變色材料中發(fā)生持續(xù)的物化反應；第11、12、13天的反射率曲線基本重合，且10天后標簽顏色不再發(fā)生明顯變化，由此可知顯色反應基本結束，I-基本停止轉化，絡合物的量也不再明顯增加.峰值下降越快，表明反應速度越大.用峰值差表示變色反應量，其中第1天的反應量約占總反應的64.67%，隨著時間的推移反應速度快速減小，第3天到第7天的反應量遠不及第1天的反應量，第8天到第10天的反應量約為第2天反應量的一半，直到反應結束(如圖2(b)所示).

標簽的顯色反應速率呈冪函數(shù)形式下降(如圖2(b)中插圖所示)，可用公式(3)表示：

v=0.642 6t-2.294(r=0.993)

(3)

式(3)中：v為反應速率，t為時間，r為相關系數(shù).

(a)常溫下標簽試樣在不同時間點的反射率曲線

(b)常溫下標簽試樣的顯色反應量(插圖為常溫下標簽試樣的顯色反應速率) 圖2 常溫下標簽試樣的顯色反應速度

1 649 cm-1處的峰是淀粉中存在的緊密結合水的特征峰[39].1 000和1 200 cm-1之間的吸收帶是多糖骨架上-C-O-拉伸的特征[40].1 016 cm-1處的峰歸因于脫水葡萄糖環(huán)中C-O-C基團的C-O鍵拉伸(如圖3中a曲線所示).變色材料在1 016 cm-1附近的條帶強度發(fā)生變化，這表明I-被氧化為I2并與淀粉作用形成了螺旋結構(如圖3中b曲線所示)[41].淀粉粉末中C-O-C基團的C-O基團的伸展活力波數(shù)為1 016 cm-1.然而，在變色材料中，C-O基團的伸展活力波數(shù)變?yōu)? 039 cm-1，波數(shù)升高，這表明淀粉分子之間的氫鍵相互作用減弱.根據(jù)Huang等[42]的研究，這種相互作用的弱化使得C-O-C基團的C-O鍵伸展至1 039 cm-1，從而產生紅色.913 cm-1處的峰歸因于環(huán)氧基團的振動帶，3 298 cm-1處的峰歸因于氨基的N-H伸縮振動(如圖3中c、d曲線所示).變色材料中這兩個峰消失，表明氨基和環(huán)氧基消耗，發(fā)生了固化反應[43,44].

a：淀粉的紅外光譜曲線；b：變色材料的紅外光譜曲線；c：環(huán)氧樹脂的紅外光譜曲線；d：聚酰胺樹脂的紅外光譜曲線圖3 原料及變色材料紅外光譜圖

2.2 顏色變化與溫度的關系

不同溫度下ΔE值的變化速度不同.室溫下前5天ΔE值有明顯的上升，之后緩慢變化；冷藏和冷凍條件下ΔE值均上升較慢，同時，變化的持續(xù)時間有所延長(如圖4(a)所示).L值在室溫下迅速減小，冷藏、冷凍下緩慢減小(如圖4(b)所示).標簽試樣的顏色變化也表明，溫度越低，變色越慢(如圖1(c)所示).

反應前期，變色材料吸水速度快，顯色原料充足，顏色變化顯著.溫度越高，能量越大，I-更易轉化，化學反應更易進行.反射光譜是顏色監(jiān)測的另一種方法.室溫下的標簽試樣的反射率遠低于冷藏和冷凍條件下的反射率(如圖4(c)所示)，已知變色材料的顏色變化與反射率成反比，因此室溫下變色材料的顏色變化速度最快.同時，室溫下的標簽試樣的變色反應量遠高于冷藏和冷凍條件下的變色反應量，并且表現(xiàn)出與ΔE值相同的變化趨勢(如圖4(d)所示).

(a)不同溫度下的ΔE值曲線

(b)不同溫度下的L值曲線

(c)不同溫度下的反射率曲線

(d)不同溫度下的顯色反應量曲線圖4 不同溫度下標簽試樣的顯色反應速度

2.3 不同貯藏條件下標簽材料反應速度的關聯(lián)性

不同溫度(室溫、冷藏、冷凍)及不同時間段，變色標簽材料的變色反應速度不同，顏色變化程度不同，ΔE值變化幅度不一(如圖5所示).不同貯藏條件下標簽試樣到達變色終點的歷經時間不同，溫度越低反應速度越慢，變色時間越長，同時每天的色度值差也越小.冷藏條件下的標簽試樣6天的ΔE值約為室溫下0.5天的ΔE值，10天的ΔE值接近室溫下1天的ΔE值；冷凍條件下的標簽試樣10天的ΔE值還不及室溫下0.5天的ΔE值(如圖4(a)所示).反射光譜也呈現(xiàn)相同的變化趨勢.冷藏條件下的標簽試樣6天的反應量約為室溫下0.5天的反應量，10天的反應量接近室溫下1天的反應量；冷凍條件下的標簽試樣的反應量還不及室溫下0.5天的反應量(如圖4(d)所示).

圖5 不同貯藏條件下ΔE值變化曲線

用Origin8.0對不同溫度下的標簽試樣的色度值ΔE進行擬合分別得到1～10天的擬合曲線，并對其數(shù)值進行分析，可得色度值ΔE與時間-溫度的關聯(lián)方程組(4)：

(4)

式(4)中：T為溫度，t為時間，r為相關系數(shù).a0=-0.611 11；a1=4.711 93；a2=-0.220 85；b0=-0.023 73；b1=0.010 50；b2=-0.001 58；b3=7.597 13e-5；c0=16.529 40；c1=-6.440 49；c2=0.884 15；c3=-0.039 31.

2.4 標簽實際應用

牛奶在開封后貯藏時易腐敗變質，主要是微生物的繁殖產生了大量蛋白酶和脂肪酶，促使蛋白質和脂肪被降解，生成各種氨基酸，再分解生成酸、醛、醇、酮類物質，并導致pH值發(fā)生變化.因此，牛奶在貯藏中的酸堿度變化可以直接反映出其新鮮程度.本實驗利用食品新鮮度指示標簽對純牛奶的質量變化進行了監(jiān)測.純牛奶在監(jiān)測的96小時內色澤、氣味和組織狀態(tài)均有變化，pH值從最初的6.85先下降至6.22而后迅速上升至7.57，食品新鮮度指示標簽的色度值ΔE同時表現(xiàn)出明顯的變化(如圖6所示).

食品新鮮度指示標簽可于食品包裝外部指定位置粘貼使用，通過比色觀察，使消費者直觀判斷、掌握食品動態(tài)質量.牛奶在貯藏過程中色澤、氣味和組織狀態(tài)等感官評價結果因人而異，缺乏客觀性，不足以說明實際質量，而專業(yè)的檢測方法在消費人群中的應用受到限制.對于消費者而言，食品新鮮度指示標簽可作為一種增值工具，通過比色指示食品的質量變化.本實驗研制的食品新鮮度指示標簽的色度值ΔE表現(xiàn)出單調上升的趨勢，表明標簽顏色呈現(xiàn)不可逆的連續(xù)變化過程，因此能更明確的指示食品在貯藏過程中的歷經時間和溫度，來評價食品的質量.

圖6 純牛奶pH值、標簽試樣ΔE值變化曲線

3 結論

該實驗是以淀粉與碘的顯色反應為基礎，研制短期預包裝食品新鮮度指示標簽材料.本實驗使用淀粉與KI作為反應原料，通過I-在空氣中氧化生成I2，然后與淀粉作用顯色，最后通過顏色變化指示預包裝食品新鮮度.

(1)研究得知，室溫(23±2 ℃、60±5%)下標簽試樣呈現(xiàn)出連續(xù)10天的明顯顏色變化，顏色變化過程為：淺青色-淡黃色-土黃色-紅色-棕紅色.其中第一天表現(xiàn)出最快的顏色變化，顯色反應約占總顯色反應進程的64.67 %，之后變色緩慢，10天后變色基本停止.由此表明，此標簽可用于室溫下短期(10天內)預包裝食品新鮮度的判斷.

(2)不同溫度下標簽試樣表現(xiàn)出不同的顏色變化趨勢.溫度越低，I-轉化越慢，顯色反應速率越小，標簽試樣變色速度也相應減小.冷藏(8 ℃、60±5%)下，標簽變色緩慢，顏色變化的持續(xù)時間延長；冷凍(-18 ℃、60±5%)下，標簽變色更慢，顏色變化的持續(xù)時間更長.由此表明，此標簽可用于冷藏、冷凍條件下保質期較長(大于10天)的食品新鮮度的指示.

(3)研究發(fā)現(xiàn)了該體系顯色材料在室溫、冷藏、冷凍條件下貯藏時溫度等因素的偶合作用與化學反應速度的關聯(lián)關系，提出了色度值ΔE與時間-溫度的關聯(lián)方程組，能更方便得出食品新鮮度與貯藏條件的關系，在食品新鮮度標簽材料應用方面有重要意義，對食品保質期和貯藏條件優(yōu)化有重要意義.由此方程組可得出不同溫度下標簽試樣到達變色終點的歷經時間，通過調節(jié)貯藏溫度可適時延長食品貯藏期，減少資源浪費，并且通過數(shù)值計算可快速找到適合的貯藏溫度.