傅雯雯，曾小蕓，李靜雯，周崇冰，黃凌，譚飔

長(zhǎng)江師范學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院（涪陵 408100）

食品指示型智能包裝是利用食品在貯運(yùn)過程中釋放的一些特征氣體與試劑產(chǎn)生特征顏色反應(yīng)等引起指示劑顏色變化，從而得到食品實(shí)時(shí)信息的技術(shù)[1]。近年來，在各種食品新鮮度指示包裝材料中，pH指示膜會(huì)根據(jù)食品腐敗變質(zhì)時(shí)的理化變化而改變顏色，從而直觀呈現(xiàn)食品的新鮮度而備受關(guān)注。

pH指示膜主要包括成膜基材和pH敏感指示劑兩個(gè)部分。成膜基材一般采用安全無毒、可降解的環(huán)境友好型材料，如多糖、蛋白、脂質(zhì)以及其復(fù)合物等。多糖如殼聚糖、魔芋葡甘露聚糖、羧甲基纖維素、淀粉等有很強(qiáng)的凝膠作用，成膜后具有良好的機(jī)械性能和透明性，常用于指示膜研制[2]。特別地，魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）具有良好的成膜性，能夠形成十分致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常被用于制備功能性食品包裝材料[3]。羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）具備無毒、無致敏性等特點(diǎn)，并且具備優(yōu)良的成膜性、凝膠性以及兼容性，被廣泛應(yīng)用于可降解包裝材料的研究[4]。然而，CMC-Na為基材的膜耐水性和柔軟性通常較差[5]。目前，將兩種或兩種以上的基材復(fù)配達(dá)到協(xié)同效果，提高基材的性能，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，然而KGM和CMC-Na復(fù)配用于指示膜的相關(guān)研究還較少。

花青素在不同pH條件下顏色不同，可以作為天然pH指示劑，已被廣泛用于指示膜的制備研究。胭脂蘿卜（carmine radish）為重慶涪陵特色地方蔬菜品種，是豐富的食用紅色素優(yōu)質(zhì)原材料，主要含花青素-天竺葵素。胭脂蘿卜色素用于指示膜制備的研究目前還未見報(bào)道。此外，大部分智能指示膜雖然能起到指示的作用，但功能活性還比較欠缺。此次試驗(yàn)擬以KGM和CMC-Na為基材，以胭脂蘿卜花色苷為天然指示劑，同時(shí)添加不同濃度的茶多酚，制作活性智能指示膜，并進(jìn)一步分析其特性。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

胭脂蘿卜粉（重慶市丹青生物技術(shù)有限公司）；食品級(jí)羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、魔芋葡甘露聚糖（KGM），河南萬邦化工科技有限公司；茶多酚（TP，陜西嘉禾生物科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

IKA RV10旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海巴玖實(shí)業(yè)有限公司）；U-T3紫外可見分光光度計(jì)，屹譜儀器制造（上海）有限公司；NR60CP色差儀（深圳三恩施科技有限公司）；MXS-1KN微機(jī)控制拉力試驗(yàn)機(jī)（蘇州牧象檢測(cè)設(shè)備有限公司）；ZSD-1090熱風(fēng)干燥箱（上海智城分析儀器制造有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 胭脂蘿卜花色苷制備

胭脂蘿卜粉按照1∶10（g/mL）加入純水，超聲提取1 h，離心取上清液進(jìn)行抽濾操作，隨后依次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、過AB-8大孔樹脂、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、凍干備用[6]。

1.3.2 胭脂蘿卜花色苷光譜特征

將1 mg胭脂蘿卜花色苷溶解在13個(gè)裝有pH 1～13的離心管中，充分混勻，溶解完全，再裝入不同的小玻璃瓶中，使用相機(jī)記錄花青素溶液的顏色變化，并且通過紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行可見光光譜的掃描，波長(zhǎng)范圍在400～700 nm之間[7]。

1.3.3 胭脂蘿卜花色苷活性智能指示膜的制備

將0.6 g KGM溶于100 mL蒸餾水中，于95 ℃攪拌糊化15 min后備用；取1.2 g CMC-Na溶于100 mL蒸餾水中備用；按照1∶1的體積比混合2種溶液，并依次加入低（0.02%）、中（0.1%）、高（0.2%）不同濃度的茶多酚，均質(zhì)后，倒入自制有機(jī)成膜板中，在45 ℃烘箱中烘干成膜。CMC+KGM制備的膜記為空白，CMC-Na+KGM+花青素制備的膜記為ANS，CMC-Na+KGM+ANS+0.02% TP制備的膜記為低TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.1% TP制備的膜記為中TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.2% TP制備的膜記為高TP。揭膜后置于相對(duì)濕度（55±1）%、溫度（25±1）℃的恒溫恒濕箱中平衡48 h后測(cè)指示膜性能。

1.3.4 膜厚度的測(cè)定

利用數(shù)顯千分尺測(cè)量膜的厚度，選取膜的對(duì)角和中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量5次取平均值。

1.3.5 力學(xué)性能的測(cè)定

使用MXS-1KN微機(jī)控制拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。將膜裁剪為80 mm×15 mm的薄條，初始距離為50 mm，測(cè)定速率為50 mm/min。每組樣品測(cè)試10個(gè)平行樣品，拉伸強(qiáng)度（MPa）、斷裂伸長(zhǎng)率（%）分別按式（1）和（2）計(jì)算[7]。

式中：F為膜斷裂時(shí)承受的最大張力，N；b為膜寬度，mm；d為膜的厚度，mm；L為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm；L0為膜的初始長(zhǎng)度，mm。

1.3.6 透氣性測(cè)定

稱量瓶?jī)?nèi)裝適量蒸餾水，用指示膜密封瓶口，分別標(biāo)號(hào)D1，D2，D3，D4和D5，在干燥器中室溫避光放置24 h，并以未封口的稱量瓶作為對(duì)照，標(biāo)號(hào)D0。透氣性能按式（3）計(jì)算。

式中：R為樣品透氣率，%；Dn為樣品n經(jīng)過24 h的失水量，g；D0為對(duì)照組經(jīng)過24 h的失水量，g。

1.3.7 透光率的測(cè)定

將膜裁成4 cm×1 cm的長(zhǎng)條，貼于比色皿表面，以空白比色皿作為對(duì)照。在600 nm波長(zhǎng)下測(cè)定復(fù)合膜的吸光度（A），重復(fù)測(cè)定6次，取平均值。合膜的透光率按式（4）計(jì)算[8]。

式中：T為復(fù)合膜的透光率，%；A為復(fù)合膜的吸光度。

1.3.8 顏色穩(wěn)定性

活性智能指示膜分別放置于溫度25 ℃、相對(duì)濕度75%的恒溫恒濕箱中3 d，每隔1 d利用色差儀對(duì)膜的色澤（L、a、b）進(jìn)行測(cè)定，總色差（ΔE）按式（5）計(jì)算[9]。

式中：L、a和b分別為膜放置后的測(cè)定值；L0、a0和b0為膜放置前初始測(cè)定值。

1.3.9 抗氧化活性測(cè)定

參照盧俊宇等[10]的方法，略作修改。樣品膜溶液的配制：以蒸餾水為溶劑，5種膜材料為溶質(zhì)，分別配制1，2，3，4和5 mg/mL的膜溶液。

DPPH自由基清除率測(cè)定：分別取100 μL膜溶液與100 μL 1 mmol/LDPPH溶液于96孔酶標(biāo)板中，將其混勻，室溫避光放置30 min，于517 nm波長(zhǎng)處在酶標(biāo)儀上測(cè)定，各做3個(gè)平行重復(fù)。

ABTS自由基清除率測(cè)定：分別取20 μL膜溶液與280 μL 1 mmol/L ABTS溶液于96孔酶標(biāo)板中，將其混勻，室溫避光放置30 min，于734 nm波長(zhǎng)處在酶標(biāo)儀上測(cè)定，各做3個(gè)平行重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019處理數(shù)據(jù)，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用SPSS（20.0）進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的顏色及可見光譜

花色苷對(duì)pH的敏感度是指示膜性能好的重要基礎(chǔ)。由圖1可知，當(dāng)pH 1～13時(shí)，胭脂蘿卜花色苷的顏色隨溶液pH的升高呈現(xiàn)出紅色→淺紅色→粉色→紫色→深紫色→黃色變化。這是由于花色苷在水溶液中不穩(wěn)定，在特定的pH環(huán)境中，黃烊鹽離子、醌式堿、甲醇甲堿以及查耳酮4中結(jié)構(gòu)之間存在平衡，隨著pH的改變，各結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換容易受到影響，從而導(dǎo)致花色苷水溶液顏色發(fā)生變化[11]。由圖2可知，隨著溶液pH的增加，胭脂蘿卜花色苷的最大吸收峰呈現(xiàn)規(guī)律性的增加，向右移動(dòng)。此試驗(yàn)結(jié)果表明，胭脂蘿卜花色苷具有較好的pH敏感性，可用作指示膜的指示劑。

圖1 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的顏色

圖2 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的可見光譜

2.2 指示膜的厚度、機(jī)械性能、透氣性

抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率是衡量膜機(jī)械性能的重要參數(shù)，抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率越高說明膜的機(jī)械性能越好。從表1可知，這5種膜之間的厚度差異性較大，空白組最薄，中TP與高TP的厚度相當(dāng)。與空白組相比，添加花青素后，膜的斷裂伸長(zhǎng)率和抗拉伸強(qiáng)度均升高。在此基礎(chǔ)上，隨著茶多酚的增加，膜抗拉伸強(qiáng)度也增加。膜的抗拉伸強(qiáng)度與膜分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及氫鍵有著密切關(guān)系[7]，加入胭脂蘿卜花色苷和茶多酚后膜抗拉伸強(qiáng)度升高，這可能與其增強(qiáng)氫鍵作用有關(guān)。

以空白膜為參照，茶多酚和花色苷的加入使膜透氣性能有所降低，這可能是因?yàn)榛ㄉ张c茶多酚的加入，與基材的相互作用，增大了基材的致密結(jié)構(gòu)[12]，因此透氣性能變差。

2.3 指示膜的透光率

由圖3可知，均一的成膜基材具有較好的透光性能，添加花色苷和茶多酚后膜的透光率降低。這主要是因?yàn)榛ㄉ毡旧碛蓄伾?，影響膜的透光率。此外，添加花色苷和茶多酚，溶質(zhì)增加，膜的厚度變大也會(huì)阻礙光線的透過。

圖3 指示膜的透光率

2.4 指示膜的顏色穩(wěn)定性

由表2可知，智能指示膜隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)顏色也隨之不斷變化。L值代表亮度，4種膜在貯藏期間亮度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是因?yàn)橘A藏期間膜吸潮，透光率降低以及花青素降解等因素引起。這與鄒小波等[13]的研究結(jié)果一致。a代表紅綠色，由結(jié)果可以看出，此次研究制作的指示膜呈現(xiàn)胭脂蘿卜花色苷原本的粉紅色，但是添加茶多酚后，a值降低，顏色變淺。隨著貯藏時(shí)間的增加，ANS組膜a值明顯下降，這主要是花色苷降解引起的，而添加茶多酚后膜顏色相對(duì)穩(wěn)定。ΔE反映膜顏色整體變化，貯藏第1天，膜沒有明顯變化，從第2天開始ANS膜顏色變化顯著，添加茶多酚后膜的顏色變化顯著小于ANS組，這可能是茶多酚減少了花色苷的降解[14]。類似地：邢艷霞等[15]研究發(fā)現(xiàn)茶多酚能減少紫薯花色苷在烘焙過程的降解；黃敏等[16]的研究也說明茶多酚對(duì)巨峰葡萄花色苷的含量具有保護(hù)作用；范琳琳等[17]研究也發(fā)現(xiàn)茶多酚能減少黑莓清汁花色苷的降解作用。

表2 活性智能指示膜的顏色變化

2.5 指示膜的抗氧化活性

2.5.1 DPPH自由基清除率

如圖4所示，空白組膜清除率最低，高TP組清除率最高，達(dá)到95%。隨著花青素的加入，膜對(duì)自由基的清除率也在不斷升高，說明胭脂蘿卜花色苷也有一定的清除自由基活性，這與廖凌姍等[18]的研究結(jié)果一致。此外，添加茶多酚后，膜的清除DPPH自由基活性進(jìn)一步增加，且在一定范圍內(nèi)，TP含量越多，清除率也就越高，說明TP與自由基清除能力呈正相關(guān)。此試驗(yàn)結(jié)果表明添加花青素和茶多酚的膜不僅具備指示的作用，還具有較強(qiáng)的清除DPPH自由基活性，可用于食品防腐。

圖4 智能指示膜的DPPH清除率

2.5.2 ABTS自由基清除率

5種膜清除ABTS自由基能力如圖5所示。結(jié)果同DPPH結(jié)果一致，添加花色苷和茶多酚后均顯著增加了膜清除ABTS自由基能力，且在一定范圍內(nèi)，TP含量越多，清除率也就越高。膜的抗氧化活性主要是由于花色苷和茶多酚具有較強(qiáng)的抗氧化活性。畢會(huì)敏等[19]研究也發(fā)現(xiàn)，花青素的加入顯著增強(qiáng)了智能包裝膜的抗氧化能力。類似地，王倩婷等[20]發(fā)現(xiàn)，茶多酚的加入可以增強(qiáng)復(fù)合膜的抗氧化能力。

圖5 智能指示膜的ABTS清除率

3 結(jié)論

研究表明，胭脂蘿卜花色苷具有較好的pH響應(yīng)，可用作pH指示劑用于制備智能指示膜。與空白基材相比，添加花色苷和茶多酚后，膜的機(jī)械性能有所改善，透光率降低。茶多酚有助于改善指示膜的顏色穩(wěn)定性，同時(shí)提高膜的抗氧化活性。