蝶豆花提取物-馬鈴薯氧化羥丙基淀粉/果膠指示標簽的制備及應用

董春娟,曹銀娟,茍俏敏,余群力*,張麗*,曹暉,孔祥穎

1(甘肅農業大學 食品科學與工程學院,甘肅 蘭州,730070)2(陜西秦寶牧業發展有限公司,陜西 寶雞,721000) 3(青海省海北藏族自治州畜牧獸醫科學研究所,青海 海北,812200)

近些年,隨著國民生活水平的提高,人們的食品安全意識也逐步提升,對食品安全問題提出了新的要求。冷鮮牛肉是指牛經屠宰后在24 h內中心溫度下降到0～4 ℃,并在后續加工、供應鏈和銷售環節保持在0～4 ℃的牛肉。由于國內冷鏈物流系統不完善,運輸過程中存在溫度變化及衛生控制不到位等問題,導致不同批次冷鮮肉的新鮮度存在很大差異,一方面可能導致誤食變質肉影響食用者的身體健康,另一方面也可能會導致未變質的肉被丟棄,造成資源浪費。傳統的肉品質檢測方法存在繁瑣、耗時、靈敏度不足等問題,因此,冷鮮牛肉行業迫切需要開發一種方便快捷的用于實時監測冷鮮牛肉品質的方法。

智能指示標簽能夠隨食品在儲存過程中pH的改變(食品自身或周圍環境)而發生顏色變化,因此可以對包裝內食品的品質、新鮮程度變化進行實時監測[1],實現對食品新鮮度的監測與反饋,具有實時、智能、成本低等優點[2]。pH敏感型指示標簽的主要成分是固體基質和pH敏感染料,其中,天然生物聚合物果膠和淀粉具有環境友好、天然無毒等優勢,成為pH敏感型指示標簽固體基質的理想材料[3]。果膠(pectin, P)是一種酸性水溶性雜多糖,主要存在于植物細胞壁中,作為無毒聚合物基質用于生產可食薄膜,成膜性好,但純果膠薄膜存在脆性較高的問題;馬鈴薯淀粉成本低、易降解,經羥丙基氧化改性后,糊化液透明度高[4],具有良好的成膜性,拉伸強度高,可以改善果膠的不足。魏瑾雯等[5]將果膠和木薯淀粉混合后,薄膜的機械性能和物理性能均提高;王玥等[6]發現馬鈴薯淀粉溶液中加入檸檬果膠,復合膜的阻濕性能和機械性能得到顯著改善。然而,目前關于馬鈴薯氧化羥丙基淀粉和果膠復配作為指示標簽固體基質的研究鮮有報道。

智能指示標簽的另一成分是pH敏感染料,用于指示標簽的指示劑有溴百里酚藍、溴甲酚紫、甲基紅等化學染料[7],其雖然敏感性高但將化學顏料用于食品內包裝的安全性問題還有待考究。天然植物色素(花青素)是一類廣泛存在于植物中的水溶性色素,屬于植物次生代謝產生的類黃酮化合物[8],在不同的酸堿條件下能夠產生不同的顏色,是一種極具潛力的比色指示劑。據此,很多研究者以植物色素作為pH響應材料開發pH敏感型智能指示標簽,并應用于肉類新鮮度監測。封晴霞[9]以藍莓花青素為指示劑,加入可降解高分子材料制備指示膜,用于指示牛肉的新鮮度,結果表明隨著牛肉新鮮度的下降,薄膜的顏色由紅色變為淺棕色最后變為褐色;CHOI等[10]用瓊脂、馬鈴薯淀粉和紫甘薯天然染料研制了一種比色pH指示膜,用于豬肉新鮮度的監測,發現豬肉從新鮮到腐敗,標簽從紅色變為綠色。蝶豆花(Clitoriaternatea, CT)屬于豆科草本植物,含有豐富的天然花青素和維生素[11],可有效提高人體免疫力,利用花青素豐富這一特點可制備食用色素,多見于糕點飲品上色,顯色效果好。值得指出的是,目前以CT作為pH指示劑用于冷鮮牛肉新鮮度監測的研究少見報道。

基于上述背景,本研究以CT為pH指示劑,以馬鈴薯氧化羥丙基淀粉(potato oxidized hydroxypropyl starch, POHS)和P為成膜基材,制備了智能指示標簽,并研究不同CT添加量對指示標簽的機械性能、物理性能、微觀結構及相容性的影響。進一步的,旨在研究具有預測冷鮮牛肉新鮮度變化的智能包裝材料。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷鮮牛肉,青海夏華肉食品有限公司;CT,云南亳州康美中藥城;POHS,甘肅豐收農業有限公司;P,北京索萊寶科技有限公司。

HCl、NaOH、丙三醇,天津市百世化工有限公司;MgO、硼酸、2-硫代巴比妥酸、三氯乙酸等,天津市光復科技發展有限公司;試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DJ1C電動攪拌器,金壇區西城新瑞儀器廠;E-201-C型pH計,上海雷磁儀器廠;Testo-205 pH計,上海德圖儀器有限公司;萬能試驗機,濟南萬測電氣設備有限公司;UV紫外分光光度計,日本島津儀器有限公司;賽默飛Nicolet IS 50紅外光譜儀,美國尼高力儀器公司;JSM-6701F型掃描電鏡,日本電子光學公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 CT的制備

參考LIU等[12]的方法制備CT。將250 g干燥的蝶豆花浸泡在250 mLV(乙醇)∶V(水)=7∶3混合液中(用醋酸調節pH值至2.0),混合物避光條件置于20 ℃恒溫水浴鍋,電動攪拌(200 r/min)6 h,離心取上清液,旋轉蒸發去除多余乙醇,凍干收集粉末備用。

1.3.2 CT溶液在不同pH值下的紫外可見光譜

配制質量分數為0.05%的CT溶液,將0.1 g CT粉末溶于199.9 g去離子水中,分成10等份,調節pH值至2～11,使用紫外可見分光光度計測定CT溶液在不同pH值下的吸光度曲線,掃描波長設置為200～900 nm。

1.3.3 指示標簽的制備

稱取4 g POHS和1 g P,分別溶于96 g和99 g去離子水中,在水浴溫度為80 ℃的條件下,機械攪拌30 min,使淀粉糊化完全,果膠溶解充分,將二者1∶1(體積比)混合后,置于環境條件并在攪拌狀態下加入甘油(基于膜液體積的1%)作為增塑劑繼續攪拌30 min,混合膜液備用。

在上述制備好的混合膜液中加入不同體積分數的CT(基于膜液體積的0.5%,1.0%,1.5%),在50 ℃水浴中攪拌30 min后取出,置于超聲波清洗機中超聲10 min去除復合膜液中的氣泡,采用流延法在塑料平板上倒膜,在45 ℃的烘箱中干燥15 h,裁剪成1 cm×1 cm的標簽,得到P/POHS/CT指示標簽。

1.3.4 指示標簽的指標測定

取上述制備的P/POHS/CT指示標簽,以不添加CT的P/POHS薄膜作為對照,用于后續的表征。

1.3.4.1 厚度和機械性能測定

厚度:采用數顯螺旋測微儀(精度0.001 mm)在薄膜樣品上均勻選取5個測量點,取平均值。

機械性能:采用萬能試驗機進行測試,參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定 第3部分:薄塑和薄片的試驗條件》,測試該指示薄膜的拉伸強度(tensile strength, TS)和斷裂伸長率(elongation at break, EB)。將樣品裁成70 mm×20 mm的長條,放置在夾具之間,初始標距設置為40 mm,測試速率為10 mm/min,每個樣品平行測定5次。TS和EB的計算如公式(1)和公式(2)所示:

(1)

式中:TS,拉伸強度,MPa;Fmax,膜斷裂時承受的最大拉力,N;S,拉伸前截面積,mm2。

(2)

式中:EB,斷裂伸長率,%;Lmax,膜斷裂時達到的最大長度,mm;L0,膜的初始長度,mm。

1.3.4.2 水蒸氣滲透率(water vapor permeability, WVP)測定

根據HOFFMANN等[13]的方法將20 g無水硅膠裝入50 mL離心管中,管上覆蓋薄膜樣品,放置在20 ℃含有蒸餾水(100%,相對濕度)的干燥器中,8 h內每隔2 h稱重至恒重,記錄質量變化并繪制成時間函數,通過線性回歸得到每條曲線的斜率(ΔW/Δt),水蒸氣透過率(water vapor transmission rate, WVTR)由斜率和薄膜樣品的滲透面積S(m2)的比值確定。WVP值的計算如公式(3)所示:

(3)

式中:WVP,水蒸氣滲透率,g/(m·s·Pa);WVTR,水蒸氣透過率,g/(m·s);d,膜厚,m;ΔP,25 ℃時的分蒸汽壓3 169 Pa。

1.3.4.3 含水率(moisture content, MC)和溶脹度(swelling degree, SD)測定

將薄膜樣品裁剪成2 cm×2 cm的小方片,稱重至恒重,此時的質量記作m0(g),隨后置于105 ℃烘箱中干燥至恒重,此時樣品質量,記作m1(g);將上述干燥樣品分別浸入50 mL去離子水中靜置一段時間,用濾紙吸走多余水分,立即稱重至恒重,此時樣品質量記作m2(g),每個樣品3個平行,MC(%)、SD(%)的計算如公式(4)和公式(5)所示[14]:

(4)

(5)

1.3.4.4 傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)

薄膜的紅外光譜使用衰減全反射(attenuated total reflection, ATR)方法測試,將樣品裁剪成0.5 cm×0.5 cm置于試樣臺中心處,掃描范圍為4 000～400 cm-1,掃描次數32次,分辨率4 cm-1。

1.3.4.5 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)

通過SEM在束能量為5 kV和工作距離為8 mm下對薄膜進行斷面形貌分析,試樣檢測前,將薄膜浸入液氮中冷凍斷裂,獲得薄膜的斷裂表面,在觀察前對所有樣品進行真空濺射鍍金以提高樣品的導電性,立即拍攝。

1.3.5 P/POHS/CT-1.0%指示標簽在牛肉中的應用

將采來的冷鮮牛肉無菌條件切分成(50.00±2.0) g的小塊,放入玻璃容器,為便于觀察,將P/POHS/CT-1.0%的指示薄膜裁剪成1 cm×1 cm的標簽,貼在透明蓋內頂部,置于4 ℃冰箱,進行為期10 d的牛肉新鮮度監測。

1.3.5.1 P/POHS/CT-1.0%指示標簽貯藏期間的外觀變化

對貯藏期間的牛肉和指示標簽的外觀變化采用手機拍照記錄(每次拍照條件保持一致),指示標簽的顏色變化采用色度計每24 h測定1次記錄L*、a*和b*值,總色差ΔE的計算如公式(6)所示:

(6)

1.3.5.2 pH值測定

參考楊斌等[15]的方法,采用Testo-205 pH計測定貯藏期牛肉的pH值,將pH計探頭插入肉樣中,使電極與牛肉的肌肉組織充分接觸,待pH計讀數穩定后,記錄數值,每個樣品測定3次,結果取平均值。

1.3.5.3 菌落總數(total viable count, TVC)測定

參照GB 4789.2—2022《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》。

1.3.5.4 揮發性鹽基氮(total volatile base nitrogen, TVB-N)測定

參照GB 5009.228—2016《食品安全國家標準 食品中揮發性鹽基氮的測定》。

1.3.5.5 硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid reactive substances, TBARS)值測定

參照國標GB 5009.181—2016《食品安全國家標準 食品中丙二醛的測定》。

1.4 數據處理與分析

使用SPSS Statistics 26軟件進行Duncan多重比較顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。使用Origin 2018軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 CT溶液的紫外可見光譜比色分析

圖1是CT溶液不同pH值下的顏色響應效果及CT溶液在400～700 nm的紫外光譜。CT溶液在pH 2值～11顯示不同的顏色,這種從紅色到紫色,再到藍色,最后到綠色及灰綠色的顏色轉變是由于花青素在不同pH值環境下自身結構的轉變所致,花青素中主要存在黃烊鹽離子、假堿、查爾酮和醌型堿4種結構[16]。當pH值為2～3時,溶液呈現紅色,分子結構主要以黃烊鹽離子形式存在;當pH值為3～7時,溶液呈現淺紅色,主要以醌型堿形式存在;當pH>7時,溶液逐漸呈藍色,分子結構主要是以查爾酮和無色醇型假堿形式存在[17];當pH>9時,花青素在強堿環境中被降解,顏色變為黃綠色[18]。由圖1可知,當pH值為2時,在550 nm處有一個吸收峰,在618 nm處有一個微弱的吸收峰;當pH值為3～6時,紫外光譜圖存在兩個吸收峰,且pH 3和pH 4處的吸光度比618 nm處的吸光度高,而pH 5和pH 6在574 nm處的吸光值略低于618 nm處的吸光值;在pH值為7～9時,隨著pH值的升高,其最大吸收波長逐漸升高,吸光度值先增大后減小。一般而言,在可見波長范圍內的吸光值反映其互補顏色的色度,發色團和助色團組成色素,由于基團的不穩定性,酸堿或高溫等條件都會使色素結構發生轉變,從而導致其顏色發生變化,進一步導致最大吸收波長和吸光度隨之不斷改變[19]。

圖1 CT溶液在不同pH值下的顏色響應及紫外吸收光譜圖Fig.1 Color response and UV absorption spectra of CT solution at different pH values

2.2 指示標簽的厚度和機械性能分析

薄膜的機械性能決定薄膜在運輸和儲存過程中的耐久性和穩定性。如表1所示,薄膜的厚度隨CT含量的增加而顯著變厚(P<0.05),TS同樣隨CT含量的增加而增加,而EB隨CT含量的增加呈現降低趨勢。這是由于花青素是小分子物質,在與P和POHS結合后,分子鏈之間不僅發生充分的物理交聯,而且由于二者分子都含有羥基,因此可以產生較強的氫鍵作用[20],使分子間結構更緊密,因而TS增大。而過量添加CT(1.5%)時,TS和EB重新降低,主要歸因于CT在分子間發生聚集,擾亂分子間排布,進而削弱分子之間的相互作用[17]。

表1 不同CT含量指示標簽的厚度和機械性能Table 1 Thickness and mechanical properties of the indication label with different CT addition

2.3 指示標簽的MC、SD和WVP分析

指示標簽的MC、SD、WVP如表2所示。隨著CT的加入,薄膜的含水率顯著減小(P<0.05),這是因為POHS經過羥丙基反應和氧化處理共同作用后,淀粉顆粒部分發生溶脹和破碎[4],使得含水率減小,溶脹度增大。當CT添加量為1.5%時,指示薄膜的水蒸氣滲透率顯著增大(P<0.05),由于CT分子與果膠和馬鈴薯氧化羥丙基淀粉分子中的親水基團結合,形成分子間作用力,進而提高薄膜的穩定性,由于CT分子的親水性,過量添加會導致指示標簽吸水能力增強,使得指示標簽的水蒸氣滲透率先減小后增大,從而造成水蒸氣滲透率再次升高[21]。綜上,指示標簽P/POHS/CT-1.0%的MC、SD、WVP最優。

表2 不同CT含量指示標簽的MC、SD、WVPTable 2 MC, SD, WVP of the indication label with different CT addition

2.4 指示標簽的SEM分析

圖2是P/POHS/CT指示薄膜斷面放大2 000倍和5 000倍后的SEM圖像。電鏡用于分析混合物之間的相容性。如圖2所示,P/POHS薄膜的橫截面可以觀察到有較大的不均勻的孔洞和褶皺,這可能是糊化過程中淀粉顆粒破裂導致的。隨著CT的加入,指示薄膜斷面形貌致密,表明CT與薄膜基質之間形成氫鍵相互作用[22],改善了P和POHS之間的相容性[23]。在CT添加量為1.5%時指示薄膜表面出現顆粒物的團聚現象,這歸因于大量的CT分子在薄膜基質中聚集,破壞了薄膜緊致的結構,導致薄膜均勻性變差[24]。綜上,指示薄膜P/POHS/CT-1.0%微觀結構緊密,各組分間相容性好。

a-P/POHS斷面2 000倍;b-P/POHS斷面5 000倍;c-P/POHS/CT-0.5%斷面2 000倍;d-P/POHS/CT-0.5%斷面5 000倍; e-P/POHS/CT-1.0%斷面2 000倍;f-P/POHS/CT-1.0%斷面5 000倍;g-P/POHS/CT-1.5%斷面2 000倍; h-P/POHS/CT-1.5%斷面5 000倍

2.5 指示標簽的FTIR分析

圖3 指示標簽的FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectrum of the indicator label

2.6 P/POHS/CT-1.0%指示標簽在冷鮮牛肉中的應用

2.6.1 貯藏期間冷鮮牛肉的新鮮度指標判定

表3是冷鮮牛肉在4 ℃貯藏10 d的新鮮度指標值。隨著貯藏時間的延長冷鮮牛肉的pH、TVC、TVB-N、TBARS均顯著升高(P<0.05)。pH值是反應肉品質新鮮程度的重要指標,冷鮮牛肉的pH值呈先下降后上升,第2天的pH值為5.78,此時牛肉處于宰后糖酵解階段,產生較多乳酸,pH值偏低,后期牛肉的pH值開始逐漸回升主要歸因于貯藏期間肉中大量微生物活動,肌肉的O2供應不足,肌質網破壞,從而促進了肌原纖維蛋白降解為氨基酸,氨基酸被微生物利用進而生成胺類物質使牛肉的pH值升高[27]。TVC是評價牛肉新鮮程度和品質的重要指標,冷鮮肉新鮮度的評定標準為:肉中TVC≤4 lg CFU/g為一級鮮度,4～6 lg CFU/g為次級鮮度,≥6 lg CFU/g則是腐敗肉,由表3可知,貯藏初期冷鮮牛肉的TVC為3.07 lg CFU/g,此時牛肉屬于新鮮肉級別,第4天牛肉TVC為3.93 lg CFU/g,接近TVC評定標準次新鮮臨界值,在第6天時TVC為5.8 lg CFU/g,有明顯氣味,汁液渾濁,肉表面干燥,肉色變暗,但是在次新鮮范圍內,第8天牛肉中的TVC為6.30 lg CFU/g,超過了規定的腐敗值,牛肉完全變質,無食用價值。TVB-N是肉及其肉制品在貯藏期間由于微生物的頻繁活動使肉中的蛋白質、氨基酸等含氮的化合物被酶和細菌分解而產生的揮發性堿性物質,包括NH3[28],GB 2707—2016《食品安全國家標準 鮮(凍)畜、禽產品》規定的新鮮牛肉中TVB-N含量≤15 mg/100 g,有研究表明牛肉的TVB-N值在15～25 mg/100 g是次新鮮肉,TVB-N值>25 mg/100 g為腐敗肉[29]。貯藏初期冷鮮牛肉的TVB-N含量為6.16 mg/100 g,隨貯藏時間延長,第4天冷鮮牛肉中的TVB-N含量為13.49 mg/100 g,屬于新鮮肉,第6天的TVB-N含量為21.74 mg/100 g,已超過新鮮的標準,屬于次新鮮范圍,第8天時,冷鮮牛肉的TVB-N含量為25.77 mg/100 g,已腐敗。肉中TBARS值代表肉中脂肪的氧化程度,直接反映肉類貯藏期間品質的優劣[30],一般情況認為肉類中TBARS值在0.20～0.66 mg/kg是新鮮肉,0.66～1 mg/kg為次鮮肉,>1 mg/kg為腐敗肉[31]。冷鮮牛肉的TBARS值呈不斷升高的趨勢,貯藏0 d時冷鮮牛肉的TBARS值為0.27 mg/kg,此時牛肉新鮮,第6天時TBARS值為0.82 mg/kg,在次鮮肉范圍,肉質發生明顯的轉變,第8天時TBARS值為1.19 mg/kg,為腐敗肉。綜合以上新鮮度指標值將冷鮮牛肉的新鮮度分為3個級別:0～4 d新鮮,4～6 d次級新鮮,第8天后為腐敗。

表3 貯藏期間冷鮮牛肉的pH、TVC、TVB-N、TBARSTable 3 pH, TVC, TVB-N, and TBARS value in beef during storage

2.6.2 貯藏期間指示標簽的外觀變化及顏色參數

表4是P/POHS/CT-1.0%指示標簽應用于冷鮮牛肉的顏色變化參數。隨著貯藏時間的延長,置于包裝內壁的指示標簽從0～4 d時的紫色變為4～6 d時的藍色,8～10 d的綠色,顏色參數表明a*值顯著減小(P<0.05),b*值顯著增大(P<0.05),由于肉中蛋白質和其他含氮大分子物質氧化分解形成基本的揮發性氮化合物,如NH3和胺類物質等,改變了包裝環境中的pH[32],使指示標簽發生顏色變化,與冷鮮牛肉的3個新鮮度級別相對應,表明該指示標簽具有指示效果。

表4 貯藏期間指示標簽的顏色參數Table 4 Color parameters of the indicator label during storage

3 結論

本研究以POHS和P為成膜基材,CT為響應劑,采用溶液流延法制備了一種智能指示薄膜,通過機械性能、物理性能、SEM、FTIR測試結果表明:CT添加量為1.0%的智能薄膜拉伸強度、溶脹度顯著升高,含水率、水蒸氣滲透率顯著降低,表面微觀結構緊實,各組分間相容良好。將P/POHS/CT-1.0%指示標簽應用于冷鮮牛肉新鮮度的監測中,結果表明冷鮮牛肉新鮮度達到次級新鮮和腐敗時,該標簽的色澤由紫色變為藍色,藍色變為綠色。適量CT的添加能改善智能薄膜的性能,作為指示標簽對冷鮮牛肉新鮮度的變化具有良好的響應能力,有成為預測冷鮮牛肉新鮮度智能包裝材料的潛在應用價值。