陈晓梅教授等：Cu-PAN@G-CS/PVA制备及在虾肉鲜度检测中的应用
2023-06-29作者：来源：责任编辑：食品界
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虾肉口感鲜美，营养价值丰富，备受人们喜爱。然而虾肉组织极易腐败变质。新鲜度是衡量虾肉品质的重要指标之一，新鲜度指示膜法可以直接通过颜色变化反映虾肉品新鲜度，是一种成本低廉、简单便捷的检测技术，在虾肉新鲜度检测方面具有很好的应用前景。智能包装指的是能够执行智能功能的包装系统，主要通过传感器、指示器和数据载体实现。
集美大学海洋食品与生物工程学院的郭亚平、陈琳珉、陈晓梅*等以石墨烯作为H2S气体的吸附材料，铜（II）和1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚（PAN）的络合物Cu-PAN作为H2S指示剂，通过流延法将两种材料共同固定在CS/PVA（壳聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA））中，开发新型比色鲜度指示膜（Cu-PAN@G-CS/PVA）。通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对鲜度指示膜的结构和微观特性进行表征，利用TA-XTPlus质构仪研究薄膜的机械性能。以H2S作为挥发性生物硫化物的模型物，研究Cu-PAN@G-CS/PVA对H2S的颜色响应，优化薄膜制备条件和测试条件。最后利用所制备的鲜度指示膜监测明虾在4 ℃和25 ℃的新鲜度，考察色差值和虾肉样品中TVB-N含量随时间的变化，总结二者的相关性，评价Cu-PAN@G-CS/PVA对鲜度的指示性能，为进一步开发水产品智能包装提供实验参考。 
01 比色法检测挥发性巯基化合物的原理
Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的制备及其检测挥发性巯基化合物的过程如图1所示。肉类腐败过程中释放的挥发性巯基化合物与固定在CS/PVA膜中的指示剂Cu-PAN发生竞争性反应，释放出PAN分子，薄膜的颜色由紫红色变成黄色。薄膜的颜色变化与挥发性巯基化合物的浓度相关，可以通过测定薄膜的色差值∆E变化实现对挥发性巯基化合物的定量检测。
02 Cu-PAN对H2S响应的紫外-可见吸收光谱
从图2插图可见，PAN为黄色，Cu-PAN为紫红色，与H2S反应后为黄色。紫外-可见吸收光谱表明，与H2S反应后，Cu-PAN的最大吸收波长从560 nm蓝移至470 nm，与PAN的最大吸收波长相近。
03 Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的形貌表征
从图3A可见，薄膜表面及横截面大部分区域平整光滑，表明膜基材料、Cu-PAN和石墨烯的相容性较好。从图3B可以看出，膜厚度均匀，约为（159±1.9）μm，内部具有一定的纤维状结构，这为挥发性气体与指示剂反应提供了有利条件。04 FTIR分析
图4显示了CS、PVA、Cu-PAN和Cu-PAN@G-CS/PVA的FTIR。在CS的光谱中，2872、1641、1550、1151 cm－1处出现吸收峰；PVA的主要特征谱带主要包括1389、1066 cm－1的CH—CH2弯曲振动和C—O伸缩振动。在Cu-PAN的光谱中，1506、1576、1606 cm－1处分别对应Cu-PAN分子上C—N键的拉伸振动，C＝N、N＝N的伸缩振动峰；由于CS和PVA之间的氢键相互作用，Cu-PAN@G-CS/PVA对应的红外吸收模式和频移发生了一些特征变化，—CH伸缩振动峰蓝移至2925、1066 cm－1处C—O伸缩振动峰蓝移至1083 cm－1，并且在1641、1389 cm－1处出现有CS中N—H弯曲和拉伸（酰胺II）振动、PVA的CH—CH2弯曲振动特征峰，以及指示剂分子Cu-PAN的N＝N伸缩振动峰，表明Cu-PAN分子成功固定在CS/PVA指示膜中。05 实验条件优化
Cu-PAN加入量的优化
利用H2S作为挥发性巯基化合物的模拟物，考察成膜液中Cu-PAN加入量分别为PVA质量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%时，所制备的指示薄膜暴露在170 mg/m3的H2S中的响应结果。如图5A所示，当Cu-PAN加入量较小时，所能释放的PAN分子的量较少，导致指示薄膜的颜色变化不够明显，∆E值较小。当Cu-PAN加入量为1.5%时，指示薄膜的颜色变化最明显，∆E值达到15.01±0.45。继续提高Cu-PAN加入量，紫红色的Cu-PAN对指示薄膜颜色干扰较大，导致薄膜颜色变深，对应∆E值下降。因此，实验选择Cu-PAN加入量为PVA质量的1.5%制备成膜液。 在Cu-PAN质量恒定的条件下，控制石墨烯加入量分别为PVA质量的0%、1%、2%、3%和4%，制备成膜液。考察所制得的指示薄膜在170 mg/m3的H2S中的响应情况。如图5B所示，在石墨烯含量为1%时，指示薄膜的颜色变化最为明显，∆E值为15.14±0.31，此时指示薄膜的抗拉强度从未添加石墨烯时的（23.14±0.51）MPa增加至（32.71±0.61）MPa。在石墨烯加入量为1%时，指示薄膜的显色性能最佳。 在Cu-PAN加入量1.5%、石墨烯加入量1%条件下制备H2S指示薄膜，控制指示薄膜暴露在170 mg/m3的H2S中的时间为0、2、4、6、8 min。如图5C所示，随着时间的延长，指示薄膜释放的PAN分子不断增多，颜色变化越来越明显。当暴露时间为6 min时，指示薄膜的色差值为13.06±0.40，继续延长暴露时间，指示薄膜的颜色变化不明显。因此选择检测时间为6 min。06 Cu-PAN的选择性
为了研究鲜度指示膜监测虾肉腐败的可行性，研究Cu-PAN对H2S的选择性。由图5D可以看出，除甲硫醇外，其他干扰物均未引起Cu-PAN明显的颜色及吸光度变化。甲硫醇与指示剂反应表现出明显的颜色变化，原因可能是H2S和甲硫醇都含有S—H键，能够与Cu-PAN指示剂分子发生竞争性反应，生成黄色的PAN分子。此实验进一步验证了Cu-PAN可用于挥发性巯基化合物的选择性检测。
07 Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜对H2S的响应曲线
Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜暴露于57.12、112.88、170.00、226.44、283.56、340.00、397.12、452.88、510.00 mg/m3 H2S气氛条件下6 min后的薄膜照片和对应的∆E值。从图6可见，薄膜各部分显色均匀，随H2S质量浓度增大，颜色由紫红色逐渐变成黄色。H2S质量浓度（x）在57.12～397.12 mg/m3范围内与指示薄膜的∆E值（y）呈良好的线性关系，其线性方程为y=0.1054x－3.1554（R2=0.9917）。结合∆E值和插图的颜色变化，可以实现对57.12～397.12 mg/m3范围内的H2S质量浓度的检测。08 Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜在虾肉新鲜度检测中的应用
如图7A所示，随贮藏时间延长，所对应Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的紫红色褪去，黄色逐渐加深，图7B为明虾在4 ℃和25 ℃中贮藏不同时间的薄膜显色照片放大图。如图7C所示，Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的∆E值和明虾样品TVB-N含量随着贮藏时间的延长都有上升的趋势。在贮藏初期，蛋白质和氨基酸并未大量分解，此时明虾较为新鲜，∆E值变化较少。明虾样品在4 ℃和25 ℃贮藏时间分别超过24 h和48 h后，TVB-N含量急剧上升。贮藏在25 ℃和4 ℃的明虾样品TVB-N含量分别在第36、84小时达国家标准限定值，此时的虾肉不再新鲜，∆E=20.65。Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的∆E值和明虾样品的TVB-N含量显著相关，表明Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜在虾肉新鲜度检测应用方面具有一定的应用前景。 利用Cu-PAN作为H2S指示剂，以石墨烯作为H2S的增敏材料，通过流延法将两种材料共同固定在CS/PVA薄膜中，开发新型比色鲜度指示膜。采用H2S作为模型物研究比色复合薄膜对挥发性硫衍生物的响应。最后使用比色复合薄膜监测明虾在4 ℃和25 ℃贮藏的鲜度变化，并将明虾样品中TVB-N含量随时间变化的结果与国标方法进行比较。结果表明，随着贮藏时间的延长，Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜的颜色由紫红色逐渐变成黄色，指示薄膜色差值的变化与明虾新鲜度有良好的相关性，可以用于明虾新鲜度的检测。本研究所使用的Cu-PAN@G-CS/PVA薄膜制备工艺简单、成本低，在水产品新鲜度检测方面具有一定的应用前景。结果表明，Cu-PAN制备简单，对挥发性巯基化合物具有优异的响应性能，可以应用于虾肉新鲜度的监测。尽管如此，由于指示剂分子Cu-PAN中含有Cu元素，存在指示薄膜中Cu-PAN向食品材料迁移的风险。后续研究将着重于薄膜材料安全性的评价，或采用花青素、茜素、姜黄素等天然产物中提取的生物活性物质作为鲜度指示剂，进一步开发新型智能薄膜。 本文《Cu-PAN@G-CS/PVA制备及在虾肉鲜度检测中的应用》来源于《食品科学》2023年44卷08期330-336页. 作者：郭亚平，陈琳珉，陈全胜，陈晓梅. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220412-143.
