k-卡拉胶复合紫薯花青素指示膜的制备及应用.pdf
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1、2024 年 第 45 卷 第 1 期(总第 213 期)Vol.45 No.1 2024(Sum No.213)中 北 大 学 学 报(自然科学版)JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA(NATURAL SCIENCE EDITION)k卡拉胶复合紫薯花青素指示膜的制备及应用石英,刘盼盼,高莉,杨俊燕,徐宏宇(中北大学 化学与化工学院,山西 太原 030051)摘 要:本研究以k-卡拉胶和紫薯花青素为原料,采用溶剂浇铸法在不同pH(即4,5,6,7)条件下制备了pH响应指示膜,并采用紫外可见光谱(UV-vis)和傅里叶红外光谱(FT-IR)对指示膜结构进行表
2、征,同时对薄膜的厚度、力学性能、流变性能及全脂灭菌乳变质监测试验等相关性能进行了评估。结果表明,k卡拉胶和紫薯花青素可能以静电作用或者氢键作用相结合。对比卡拉胶纯膜,发现在pH为4或5时形成膜的拉伸强度略微提高,在pH为6或7时形成膜的拉伸强度(13.130.78)MPa或(12.990.56)MPa)显著提高,断裂伸长率随着pH地增加而降低。紫薯花青素对膜的热稳定性没有显著影响。pH响应指示膜在不同缓冲溶液中表现出了明显的颜色变化。新鲜牛奶在25 oC下储存72 h后,P7膜表现出明显的颜色变化。综上,该膜具有良好的的物理性能和pH值响应性能,在食品保鲜智能包装中有潜在的应用价值。关键词:智
3、能包装;紫薯花青素;pH响应;k-卡拉胶;牛奶中图分类号:TS206.4 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2024.01.015引用格式:石英,刘盼盼,高莉,等.k卡拉胶复合紫薯花青素指示膜的制备及应用 J.中北大学学报(自然科学版),2024,45(1):1-9.SHI Ying,LIU Panpan,GAO Li,et al.Preparation and application of kcarrageenan complex purple potato anthocyanin indicator membrane J.Journal of Nor
4、th University of China(Natural Science Edition),2024,45(1):114-122.Preparation and Application of kCarrageenan Complex Purple Potato Anthocyanin Indicator MembraneSHI Ying,LIU Panpan,GAO Li,YANG Junyan,XU Hongyu(School of Chemical Engineering and Technology,North University of China,Taiyuan 030051,C
5、hina)Abstract:The pH response indicator membranes were prepared by solvent casting with k-carrageenan and purple potato anthocyanins at different pH values(i.e.,4,5,6,7).The structures of the indicator membranes were characterized by UV-vis and FT-IR.The thickness,mechanical properties,rheological p
6、roperties,and full-fat sterilized emulsion deterioration monitoring test of the film were evaluated.The results showed that k-carrageenan and purple sweet potato anthocyanins could bind by electrostatic or hydrogen bonding.Compared with pure carrageenan membranes,the tensile strength of the membrane
7、s formed at pH=4 and pH=5 was slightly increased,and the tensile strength of the membranes formed at pH=6 or pH=7 was significantly increased(13.130.78)MPa,(12.990.56)MPa),and the elongation at break decreases with the increase of pH.Anthocyanins of purple potato had no significant effect on the 文章编
8、号:1673-3193(2024)01-0114-09收稿日期:2023-06-14基金项目:山西省回国留学人员科研资助项目(2020-118);医药生物技术山西省重点实验室开放课题基金资助项目(KF202002);山西省研究生教育教学改革课题(2022YJJG185);山西省研究生创新项目(2022Y616,2023KY604,2023SJ203)作者简介:石英(1999-),女,硕士生,主要从事天然产物的提纯与精制研究。通信作者:高莉(1980-),女,副教授,博士,主要从事天然产物的提纯与应用研究、分子生物学与生物材料、纳米生物效应与安全性研究。E-mail:。(总第 213 期)-卡拉
9、胶复合紫薯花青素指示膜的制备及应用(石英等)thermal stability of the membrane.The pH response indicated that the membrane exhibits a distinct color change in different buffer solutions.After fresh milk was stored at 25 for 72 h,the P7 membrane showed obvious color change.So the membrane has good physical properties and o
10、bvious pH response performance,and has potential application value in food preservation intelligent packaging.Key words:intelligent packaging;purple potato anthocyanins;pH response;k-carrageenan;milk0引 言随着消费者对即食食品的需求不断增加,能对食品新鲜度进行监测的食品智能包装逐渐成为研究热点。新鲜度指示标签作为智能包装的一种,可用于检测、监测和量化食品的新鲜度,方便快捷地获知食品新鲜度信息12。
11、食品中一些成分变化会引起pH值的变化,其中酸性或碱性物质是食物成分降解的反应产物3。目前,人们侧重于开发用于智能包装的比色pH指示膜,以监测食品的新鲜度。pH指示薄膜会随着食物pH值的变化而改变颜色,在不打开包装的情况下,消费者就可以快速区分新鲜食品和变质食品4。这些薄膜通常可以通过可生物降解的聚合物与pH敏感染料来制备。聚合物主要包括多糖、蛋白质、明胶以及k-卡拉胶5,可短时间内分解,无毒,且对环境友好。其中,k-卡拉胶是一种水溶性硫酸盐线性多糖,具有可食用性、生物降解性、生物相容性和优异的成膜能力等优点6。pH指示剂包括合成染料和天然染料。由于潜在的毒性和致突变性,合成染料作为pH指示剂的
12、使用受到限制。以植物为基础的天然染料可满足包装材料的安全要求及其潜在的生物活性功能。这些天然染料包括花青素、甜菜素、叶绿素以及类胡萝卜素5,7。以紫甘蓝、紫薯、蓝莓等深紫色和黑色蔬菜的花青素为比色指标的研究已有报道。Pereira等8制备了以明胶、氧化锌以及花青素为基础的薄膜,该薄膜具有优异的机械性能、光阻隔性能和热性能,以及指示肉质新鲜度的能力。Weston等9利用简单的水提法从红甘蓝中提取花青素,得到的花青素与乳酸会发生蓝-红比色反应,将其与琼脂糖复合制备 pH 响应膜,发现花青素琼脂糖膜能够区分新鲜牛奶和变质牛奶。Bao等10以马铃薯淀粉为成膜基质,蓝莓花青素为指示剂,硫酸软骨素为增强剂
13、,制备了对pH敏感的食品新鲜度指示膜,将其应用于4 oC条件下的新鲜度监测时,能够灵敏地显示可识别的颜色变化。花青素来源对其功能和物理性质有很大影响11。成膜溶液的 pH、温度和离子强度等外部因素可以调节聚合物和聚合物花青素相互作用的类型和强度,从而影响指示膜的性能。本文采用溶液浇铸法制备了紫薯提取物/k-卡拉胶指示膜,并研究了不同pH成膜液对指示膜力学性能、热稳定性、流变性能和颜色响应效率的影响,同时采用制备的薄膜在线监测牛奶变质情况。1材料与方法1.1材料与试剂k-卡拉胶,北京索莱宝有限公司;甘油,国药化学试剂有限公司;紫薯粉、牛奶,购自当地超市。1.2仪器与设备RE-200B型旋转蒸发仪
14、,上海亚荣生化仪器厂;SU8010型扫描电子显微镜,日本松田日立有限公司;HW.SY21-K6C万能试验机,北京市长风仪器仪表公司;Perkin Elmer Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪,上海宇行健光电科技有限公司;2(SF)热重分析仪,上海梅特勒-托莱多国际贸易有限公司;ReadMax 1900光吸收全波长酶标仪,上海闪谱生物科技有限公司;SC-10便携式色差仪,苏州欣美和仪器有限公司。1.3紫薯花青素的提取与薄膜的制备以紫薯为原料,0.1%HCl-乙醇为溶剂,料液比为1 20,以纤维素酶为催化剂,提取温度为50,超声30 min。离心旋转蒸发得到花青素浓缩液,干燥后备用。
15、向烧杯中添加1.5 g k-卡拉胶和0.5 g甘油,用甘油浸润卡拉胶,并将紫薯提取物溶液(3%,w/V)添加至烧杯中。然后,将溶液搅拌30 min,用NaOH或HCl(2 mol/L)将成膜溶液调节至pH值分别为4,5,6和7。去除气泡后浇铸在聚乙烯四氟板上,室温下干燥。干燥后的薄膜在25 和相对湿度为50%条件下处理至少24 h。根据成膜溶液的pH值,将获1152024 年第 1 期中 北 大 学 学 报(自然科学版)得的薄膜编码为P4、P5、P6和P7。1.4薄膜的结构及性能1.4.1紫薯花青素的紫外光谱使用光吸收全波长酶标仪在200 nm800 nm范围内测量紫薯花青素在不同pH溶液中的
16、紫外可见光谱。1.4.2薄膜的pH颜色响应为了验证花青素对乳酸的比色反应,参考Weston等9的方法,将薄膜切割成矩形并浸入乳酸溶液(pH分别为2,4,6,8,10和12)中30 s,测量薄膜对酸和碱溶液的敏感性。去除薄膜表面溶液后,将其置于白色平板上,记录其颜色。用色差仪测量薄膜的颜色参数L(亮度)、a(红绿色)、b(黄蓝色)以评估薄膜的色差。色差计算公式为E=L2+a2+b2,(1)式中:L=LL0;a=aa0;b=bb0;L0,a0和b0是参考的颜色值。1.4.3傅里叶变换红外光谱测定将紫薯花青素、干燥后的卡拉胶膜、P4、P5、P6和P7膜在4 000 cm1500 cm1之间进行红外光
17、谱测试,分辨率为4 cm1。将2 mg的样品与200 mg的KBr混合制成圆盘,待测定。1.4.4厚度和力学性能薄膜厚度用手持式电子数字千分尺测量,并报告随机5个点的平均值。使用自动拉伸试验机测量薄膜的拉伸强度(TS)和断裂伸长率(E%)。测量前,将薄膜切割成尺寸为15 mm100 mm的形状。每个实验样本重复进行5次。1.4.5热稳定性通过热重分析仪测定膜的热稳定性。将制备的样品进行真空干燥后,称取5 mg10 mg放入坩埚中,温度扫描范围为30 600,升温速度为10/min。1.4.6流变性能参考黄佳茵等12提出的方法,取膜液置于流变仪样品台上,使其分布均匀,刮去样品板外多余液体,采用直
18、径为25 mm,锥角为1,间隙为0.1 mm的PP25锥板,振动频率范围为0.01 Hz100 Hz,在0.1 s1100 s1剪切速率下测量溶液黏度。测定弹性模量(G)和储能模量(G)来评估动态流变性。1.4.7薄膜的光学性质使用酶标仪在200 nm800 nm范围内测量薄膜(P4、P5、P6和P7)的透明度。1.4.8薄膜在牛奶变质指示中的应用为了进行薄膜在牛奶腐败中的应用试验,将牛奶放置在干净无菌的烧杯中,将膜切割成2 cm2 cm的正方形,以监测牛奶在环境温度下的pH变化。在试验过程中,使用校准的数字pH计测量牛奶的pH值。参考Liang等13提出的方法对牛奶的酸度进行测量,使用色差仪
19、测量膜的颜色指数。1.5统计分析对多个样品进行了测试,结果为平均值标准 偏 差。通 过 SPSS.26 软 件 使 用 方 差 分 析(ANOVA)对数据进行分析,并通过Duncan多范围检验处理平均值之间的差异,显著性定义为P0.05,使用Origin.2018画图。2结果与分析2.1紫薯花青素的UV-vis光谱紫薯花青素溶液在不同pH下颜色变化明显,最大吸收峰也发生了变化。如图 1 所示,紫薯花青素溶液在pH为2或3时呈鲜红色,分子结构主要以黄烊盐离子形式存在14,其最大吸收峰在530 nm处比较强烈,随着pH的增加而降低。当pH为47时,紫薯花青素溶液变为紫色,此时以醇型假碱形式存在15
20、,其最大吸收峰逐渐图 1不同pH下紫薯提取物的紫外可见光谱和颜色变化Fig.1UV-vis spectra and color changes of purple potato anthocyanin solution at different pH values116(总第 213 期)-卡拉胶复合紫薯花青素指示膜的制备及应用(石英等)从 530 nm 处移动到 550 nm 附近。pH7 时,颜色由蓝色变为黄绿色,主要以醌型碱形式存在,最大吸收峰在613 nm处,且吸收峰逐渐增强。花青素的结构差异使其在不同pH值下的颜色发生了变化。Chen等16制备的紫薯花青素从pH为212也显示出从红色
21、到黄色的颜色变化,与本论文的结果一致,均显示pH对花青素结构的影响。2.2薄膜的pH响应特性经不同 pH值的溶液浸泡后的薄膜照片和颜色参数如表 1 所示。pH值为2和4时,所有薄膜均变为粉红色;pH值为6和8时,颜色由紫色变为蓝色,在高pH值(10和12)下,它们变成黄绿色。薄膜的颜色变化随着pH的变化发生显著变化。pH值从2增加到12时,4种薄膜的a值从正值降低到负值,颜色有从红色变为绿色的趋势。相反,P6的b值逐渐由负值增加到正值,表明薄膜的黄度逐渐增强,P4、P5、P7膜的b值没有明显规律。其中,纯红色a*=+100,纯绿色a*=100,红色量 a*从 0 到+99.9,绿色量 a*从
22、0到99.9。同样,纯黄色 b*=+100,纯蓝色b*=100。L的变化不明显。薄膜显示高L值,表示高亮度。总色差(E)表示颜色的视觉可感知变化17。E大于5的值很容易被人眼检测到,而当E值大于12时,即使未经培训的人员也能注意到明显的差异18。所有的薄膜都有很高的值,且P6膜、P7膜更加敏感,故pH值对膜的颜色有显著影响。2.3红外光谱分析紫薯花青素FT-IR结果如图 2 所示,3 448 cm1处的吸收峰对应OH的伸缩振动,1 635 cm1处对应花青素中芳香族的C=C伸展,1 035 cm-1处对应CO键的伸缩振动19。k卡拉胶膜的特征吸收峰在3 413 cm1的谱带对应OH伸缩振动,2
23、 852 cm1和 2 922 cm1的峰值对应于 CH 的伸缩振动。1 265 cm1,1 041 cm1,918 ccm1处的吸收峰分别对应着卡拉胶中的硫酸酯键、糖苷键以及多糖中的吡喃环20。含有紫薯花青素的卡拉胶膜,其OH伸缩振动并移动到3 413 cm13 336 cm1。综上,物质结构主要受分子间作用力影响,而化学成分没有改变,紫薯花青素与卡拉胶之间通过氢键相互作用。Zhang等21将桑葚花青素添加到羧甲基淀粉钠/k-卡拉胶中制备指示膜,红外结果显示桑葚花青素在薄膜中通过静电作用与羧甲基淀粉钠/k-卡拉胶结合。Merz等22也表明壳聚糖和聚乙烯醇与花青素的表 1在不同pH值的溶液中浸
24、泡的智能薄膜的照片和颜色参数Tab.1Photos and color parameters of smart membranes soaked in solutions of different pH values薄膜P4P5P6P7参数颜色LabE颜色LabE颜色LabE颜色LabEpH249.190.6913.280.831.380.3127.520.4849.250.5319.640.76-0.200.9826.080.8551.250.2421.160.07-1.330.2727.920.3643.530.8220.520.423.370.1420.910.28441.270.802
25、0.700.859.300.5521.160.2949.800.815.390.926.300.4832.060.3848.810.1822.750.86-4.410.3225.590.3642.460.7713.910.252.250.3721.220.43641.500.9210.430.260.120.7821.710.3438.410.9412.500.724.890.6919.130.2744.840.9220.690.47-8.110.2922.430.9938.090.878.070.823.690.1021.150.15831.180.12-2.460.63-6.920.712
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