余群力教授、韩玲教授等：卡拉胶基复合花青素微胶囊指示膜的制备、表征及其对冷鲜牛肉新鲜度的监测
2023-07-14作者：来源：责任编辑：食品界
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如今随着生活水平的提高，人们对牛肉特别是冷鲜牛肉的需求显著增加。然而，由于牛肉的成分复杂（主要由水、蛋白质和脂肪组成），易受到微生物污染，因此新鲜牛肉在4 ℃条件下的保质期较短。为了能够让消费者准确识别出变质的肉，开发出一种快速、简单的判别方法来确定肉的质量已成为当下的迫切需求。
将牛肉的腐败指标转换成肉眼可见的颜色变化来实时监测牛肉新鲜度成为一种新的策略。牛肉在贮藏过程中因蛋白质分解，产生氨等挥发性物质，所以包装顶空的pH值会增加，故可通过pH值变化引起的颜色响应来反映肉的腐败程度，pH值敏感指示膜也成为近年来众多学者的研究热点。考虑到塑料包装对环境的危害，近年来对包装膜的研究围绕可降解基材展开。 甘肃农业大学食品科学与工程学院苟俏敏、余群力*、韩玲*等通过采用以玉米醇溶蛋白和结冷胶为壁材对紫甘蓝花青素进行微胶囊化，制备复合花青素微胶囊（CAM），再以CMC和卡拉胶（Car）为膜基材，添加CAM，采用流延法制备出一种对pH值敏感的指示膜，通过对指示膜性能的表征及其在监测冷鲜牛肉的新鲜度中的应用，验证指示膜的实用性，为智能包装在肉类新鲜度监测领域的应用提供理论基础。
1 复合花青素溶液在不同pH值下的颜色响应及其紫外-可见吸收光谱分析结果
复合花青素溶液在不同pH值下的颜色变化及其相应的紫外-可见光谱如图1所示。在pH 3～6时，溶液呈现鲜艳的红色，pH 7时，溶液颜色加深。当pH值在8～10时，溶液颜色呈现为绿色，此时最大吸收峰出现在波长600 nm附近，符合花青素的颜色变化和光谱特性。pH 11时，由于花青素被降解，形成了查耳酮，溶液开始变为黄褐色。2 指示膜FTIR分析结果
从图2可以看出，指示膜及其组成材料均在3 290 cm－1附近出现了宽峰，这是—OH的伸缩振动吸收峰，说明这些物质都含有羟基，而这些羟基化合物分子间形成氢键，导致—OH伸缩振动峰向低频位移；2 910 cm－1处的吸收峰是由于C—H的拉伸振动引起的；1 030 cm－1处是醇、酚的C—O伸缩振动吸收峰，为强吸收峰。CMC与Car在1 500 cm－1附近的吸收峰是—C＝O伸缩振动引起的。在复合膜中加入CAM之后，1 520 cm－1处的峰显著加强。1 230 cm－1处的吸收峰是Car中的硫酸酯键，复合膜中加入色素之后该峰向高波数移动。从峰型上可以看出，指示膜的组成成分在化学结构上十分相似，因此可以推断出它们之间具有良好的相容性。3 指示膜微观结构分析结果
图3所示为指示膜表面和横截面的SEM图像。单一的Car膜表面光滑、无杂质，但与CMC混合后，薄膜表面变得相对粗糙。CAM加入后，由于CAM的聚集，膜表面明显观察到凹凸不平且有颗粒物，尤其是CC/CAM-3和CC/CAM-4不再均匀。此外，通过观察膜的横截面发现，Car膜有较大的孔洞和大量的裂纹且较厚，可以预测单一的Car膜机械性能低。CC膜厚度明显减小，结构紧密且连续，这是由于CMC充当了Car的填充剂。随着CAM的加入，膜的厚度逐渐增加，横截面出现越来越大的空隙和裂纹，这是由于随着CAM体积分数增加，CAM自身聚集的可能性增大，因而在指示膜中CAM体积分数不宜超过15%。4 指示膜厚度和机械性能分析结果
从图4A可以看出，与Car薄膜相比，CC复合膜厚度明显降低，这是因为CMC作为填充剂混入了Car中，使二者形成致密的结构，这在SEM横截面图像中可以清楚地看到。随着加入CAM比例的增大，薄膜厚度也逐渐增大。
图4B显示的是不同膜的TS和EB。CMC和Car含有羟基，两者混合后产生强烈的相互作用而紧密结合，与纯Car膜相比，CC复合膜的TS和EB都显著提高。随着CAM加入，指示膜的TS和EB呈现先升高再降低的趋势，其中指示膜CC/CAM-3的TS最高，达到17.76 MPa。由于CAM粒径小，可以在多糖网络中形成紧密结构，增加了薄膜的连续性。过量的CAM会削弱聚合物之间的分子相互作用，使膜材料的结构被破坏，所以薄膜的TS和EB都减小。
5 WVP和OP分析结果
不同薄膜的OP和WVP如图5所示，相较于Car膜，CC膜的OP和WVP显著降低。随着CAM加入，OP和WVP继续降低，指示膜CC/CAM-3的WVP最低，为1.35×10－11 g/（m·s·Pa）。当CAM的添加量进一步增加时，由于CAM自身的聚合导致孔洞出现，难以阻挡氧分子和水分子的通过，导致OP和WVP出现升高的情况。6 指示膜热稳定性分析结果
通过DTG曲线可以得到材料发生每种热力学现象时的确切温度。指示膜的TG曲线与DTG曲线如图6所示，可以看出其热降解过程分3 个阶段完成。初始降解阶段发生在25～100 ℃；第二降解阶段发生在100～200 ℃之间；最终降解阶段发生在220～280 ℃之间。值得注意的是，Car膜明显比其他膜在第二阶段时的质量损失率和温度都高，可能是其成分单一的缘故。Car、CMC及CAM之间的相互作用提高了指示膜的最终分解温度。另外，随着CAM含量的增加，指示膜的残碳含量也增加。综上所述，加入CMC以及添加的CAM可以提高Car膜的热稳定性。7 指示膜对挥发氨的响应
表1显示的是指示膜对氨气响应的颜色变化及其对应的色度值。指示膜在氨气环境中颜色发生了显著变化，由最初的粉色逐渐变成蓝绿色，最终再过渡到黄色。这是因为氨气水合和水解产生的NH4＋在指示膜表面造成了局部碱性条件，使得指示膜呈现出指示剂中花青素在不同pH值下的颜色变化。随着指示膜在氨气中时间的延长，相应的L*值和a*值以及ΔE先减小，25 min后开始增大。b*值前期变化不显著，也是在25 min后，在指示膜由蓝绿色向黄色转变时开始显著增大。表明指示膜具有良好的pH值响应能力，可用于牛肉新鲜度的监测。8 指示膜在冷鲜牛肉新鲜度监测中的应用
由图7A可以看出，冷藏期间，牛肉pH值先降低再升高，冷藏2 d后pH值升高是因为乳酸开始降解，又因微生物和酶的作用将蛋白质分解，从而产生氨等碱性物质。以pH值为指标来评价本实验牛肉的新鲜度：冷藏0～3 d属于新鲜；冷藏4～6 d为次级新鲜；冷藏7 d以后为腐败肉。TVB-N含量是被广泛用作评价肉类新鲜度的重要指标，如图7B所示，随着冷藏时间的延长，TVB-N含量一直在增加，冷藏第3天时达到13.3 mg/100 g，接近新鲜肉的检测限，冷藏第6天时达到23.8 mg/100 g，接近腐败肉的评价标准。综上可知，以TVB-N含量为指标对牛肉的新鲜度划分与pH值一致。TVC在贮藏过程中一直增加，到第4天达到4.1（lg（CFU/g）），在这之前，牛肉还是新鲜的，可放心食用，冷藏第8天TVC为6.92（lg（CFU/g）），接近腐败阈值，不能再食用。综合这3 个指标，将冷藏牛肉的3 个新鲜度等级划分为3 个时间段，即冷藏0～3 d属于新鲜；冷藏4～6 d为次级新鲜；冷藏7 d以后为腐败肉。以指示膜的颜色变化反映冷藏牛肉的3 个新鲜度等级如图7C所示，牛肉新鲜时指示膜呈现不同程度的浅粉色，冷藏4 d牛肉为次级新鲜的时候，CC/CAM-1和CC/CAM-2都变成了绿色，CC/CAM-3和CC/CAM-4颜色加深，冷藏7 d牛肉开始腐败的时候，CC/CAM-3完全变成绿色，可见CC/CAM-3用来监测牛肉新鲜度最为敏感。 本实验制备了Car膜、CC复合膜、不同体积分数CAM的CC/CAM指示膜，通过FTIR分析发现膜的相容性良好。此外，测定了不同膜的微观结构、机械性能、阻隔性能和热稳定性，结果发现，CC/CAM-3的TS和水汽阻隔性能最好，EB、OP以及热稳定性都是各类膜中位列第二，横切面SEM观察结果也是紧实整齐。在对氨气的响应中，指示膜颜色发生肉眼可见的显著变化，由最初的粉色逐渐变成蓝绿色，最终再过渡到黄色，提示可以将指示标签应用到冷鲜牛肉的新鲜度监测中。以牛肉冷藏期间的pH值、TVB-N含量和TVC为指标，根据国家标准，将牛肉3 个新鲜度等级划分到3 个时间段，比较4 种指示膜的颜色变化，发现CC/CAM-3在牛肉新鲜时呈现粉色，次级新鲜时为紫色，腐败不能食用时变为绿色，由此得出CC/CAM-3指示膜对牛肉新鲜度变化最敏感，可用于监测牛肉新鲜度，具有一定的应用前景。
本文《卡拉胶基复合花青素微胶囊指示膜的制备、表征及其对冷鲜牛肉新鲜度的监测》来源于《食品科学》2023年44卷09期154-162页.作者：苟俏敏，郭宗林，董春娟，余群力，韩玲，韩广星，张新军，朱潇鹏，曹晖. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220517-228.
