咪唑鎓基聚二乙炔時間-溫度指示器的特性研究

夏遠芳,曹棟

(江南大學 食品學院,江蘇 無錫,214122)

隨著社會經濟快速發展,人們生活品質提高,食品安全與品質得到越來越多的關注。在食品流通過程中,溫度和時間是影響產品質量的重要因素,但是難以直觀判斷,因此傳統標注保質期的方式并不能準確代表其實際品質[1]。此外,人們健康意識的增強使得更多的消費者青睞于無添加、短保質期食品,而這類產品往往只提供簡易包裝甚至無包裝,并且很容易因貯存、運輸不當發生微生物污染、過氧化值超標等食品安全問題。因其保質期較短,在食品安全抽檢中短保食品常出現檢驗報告發出時樣品已超過保質期的情況[2],報告結果效力存在疑問,并且不便于消費者對食品品質的實時判斷。時間-溫度傳感器(time-temperature indicator, TTI)可監測、記錄和傳達食品經歷的時間-溫度歷史[3],尤其對高溫暴露響應靈敏,可以通過顏色變化等易感知的方式讓消費者掌握產品質量、剩余貨架期等信息。

已有報道的TTI類型包括酶型[4]、美拉德反應型[5]、擴散型[6]、聚合反應型[7]等,主要應用于冷凍和冷藏產品。MENG等[8]基于葡萄糖淀粉酶微膠囊開發了一種固態酶促時間溫度指示劑,在4 ℃條件下指示冷凍新鮮豬肉的時間-溫度歷史。酶型TTI在長期貯藏過程中,溫度變化導致酶不穩定和不可逆失活,會造成巨大成本[9]。擴散型TTI由溫感部分與顯示部分組成,通過有色擴散邊界移動來指示產品品質。其一端固定熔融物質需要硬殼保護體積較大,且溫敏性低,因此純粹基于物理擴散的TTI正逐漸被淘汰[10]。二乙炔類時間-溫度指示器顏色變化明顯,通過復配其他物質或改性等方式調控其溫度敏感性,可操作性強[11],可根據實際需求設計定制TTI。此外,相比于溫度感知與顯示器兩部分分離的擴散型TTI,二乙炔類指示劑同時進行溫度感知與顯示,可制成油墨噴涂于外包裝或不干膠標簽等形式[12-13],應用于對食品品質的監測,使用方便有利于商業化。聚二乙炔(polydiacetylenes, PDAs)是被研究的溫度敏感變色材料最多的化合物之一[11],目前已有聚二乙炔在時間溫度指示劑方面的相關研究。GOU等[14]在聚二乙炔的懸浮液中加入兩親性聚合物,認為聚二乙炔/兩親性聚合物體系可以在10～50 ℃應用于時溫色敏傳感器,但是外加物質的體系變色速度過快,適用范圍有限。邱靈敏[15]構建了一種由聚二乙炔脂質體的凝膠微球和吐溫20溶液組成的TTI,可以較準確地指示三文魚的貨架壽命,但是所添加的吐溫20溶液易泄露導致對TTI包裝要求高。

對PDAs變色機理的研究表明,可通過化學修飾改變側鏈基團調控聚二乙炔的變色性能[16-20],以達到良好的指示性能。作為富含電子的芳香族雜環化合物, 咪唑類受體因能形成較強的(C-H)+…X-離子氫鍵而受到廣泛研究[21]?；谶溥蜴f基聚二乙炔開發的各類傳感器已有報道[21-23],但應用于時溫傳感器的研究卻很少。因此,本文構建了咪唑鎓基聚二乙炔復合體,研究時間-溫度對其變色影響。本文所提出的咪唑鎓基聚二乙炔復合體具有適用時間-溫度范圍廣、響應靈敏、無損監測等優勢,在實現連續記錄食品、藥品等產品經歷的時間-溫度歷史對于品質的影響方面具有巨大的應用潛力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

10,12-二十五二炔酸(10,12-pentacosadiynoic acid, PCDA)、1-(3-氨基丙基)咪唑、二氯甲烷、無水甲醇、乙腈、硅膠(200～300目),國藥集團化學試劑有限公司;N,N’-二環己基碳二亞胺(N,N’-dicyclohexylcarbodiimide, DCC),北京伊諾凱科技有限公司,N-羥基琥珀酰亞胺(N-hydroxysuccinimide, NHS)、碘甲烷(CH3I),上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

三用紫外分析儀,邦西儀器科技(上海)有限公司;RE-52A型旋轉蒸發儀,上海亞榮儀器有限公司;BCD-226SK型冰箱,青島海爾股份有限公司;UV-2450型紫外可見分光光度計,日本島津公司;Avance Ⅲ 400 MHz型全數字化核磁共振波譜儀,德國布魯克公司;NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀,美國尼高力儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 咪唑鎓基聚二乙炔復合體{3-methyl-1-[3-(pentacosa-10,12-diynamido)propyl]-1H-imidazol-3-ium, PCDA-IUM}的合成

根據文獻[21],在含有0.75 g(2.01 mmol)PCDA的二氯甲烷(20 mL)溶液中,加入300 mg(2.61 mmol)NHS和600 mg(2.91 mmol)DCC。將此溶液在室溫下N2保護攪拌過夜。濾除白色沉淀物后的濾液經旋蒸濃縮,以二氯甲烷為洗脫劑經硅膠柱層析純化,旋轉蒸發除去溶劑后得到PCDA-NHS。將PCDA-NHS加入含有500 mg(4.0 mmol)1-(3-氨基丙基)咪唑的二氯甲烷(10 mL)溶液中,室溫下攪拌反應24 h,反應后的混合物經旋蒸濃縮后,通過硅膠柱層析[V(甲烷)∶V(甲醇)=97∶3]純化得到PCDA-IM中間產物。在含有0.25 g (0.52 mmo1)PCDA-IM的乙腈(20 mL)溶液中,加入400 mg(2.81 mmol)CH3I,將溶液在85 ℃下回流過夜。旋轉蒸發除去溶劑后,得到高純度單體PCDA-IUM。

1.3.2 聚二乙炔的制備

根據文獻[22]方法,修改如下:稱取4.96 mg PCDA-IUM和3.75 mg PCDA,加入20 mL去離子水,將此溶液在80 ℃水浴超聲30 min,超聲完成后冷卻至室溫,過濾后的溶液在冰箱中于4 ℃自組裝至少12 h。自組裝后的溶液置于254 nm紫外光下照射3 min,聚合得到藍色的聚PCDA/PCDA-IUM(物質的量之比為1∶1)溶液,貯存于4 ℃冰箱備用。聚PCDA、聚PCDA-IUM及其他比例的復合體依比例稱取相應量,按照上述方法制備。

1.3.3 紅外光譜表征

聚PCDA、聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)、聚PCDA-IUM溶液經凍干處理,得到固體樣品。使用NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀直接對固體樣品進行光譜掃描。波長范圍為650～4 000 cm-1,以空氣為背景,掃描次數為32。

1.3.4 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM的變色溫度試驗設計

各取0.15 mL不同比例的聚二乙炔溶液加入裝有1.35 mL去離子水的試管中,置于不同溫度(25～80 ℃)水浴中孵育10 min,在日光條件下拍照記錄不同溫度溶液的顏色變化。通過紫外可見分光光度計測定其紫外-可見吸收光譜,狹縫寬度為2.0 nm,波長范圍為400～700 nm。使用比色響應(colorimetric response, CR)表示聚二乙炔由藍向紅的顏色轉變程度,CR越大表明顏色轉變程度越大,其計算如公式(1)和公式(2)所示[24]:

(1)

(2)

式中:CR,溶液的比色響應,%;Ablue,溶液在藍相特征峰對應的吸光度值;Ared,溶液在紅相特征峰對應的吸光度值;PB0,溶液在初始溫度下的藍相百分比,%;PB1,溶液在不同溫度不同時間的藍相百分比,%。

1.3.5 不同濃度聚PCDA/PCDA-IUM的變色壽命試驗設計

將聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)用去離子水配制成0.01、0.05、0.1、0.2、0.3 mmol/L濃度體系。將不同濃度體系分別置于30、35、40 ℃水浴中,使用紫外可見分光光度計測量不同時間溫度的體系在640、545 nm的吸光度值,并計算CR。

2 結果與分析

2.1 聚PCDA/PCDA-IUM的結構表征

本文合成的PCDA-IUM通過1H NMR和13C NMR進行表征,結果與先前報道基本一致[21]。1H NMR (CDCl3,600 MHz) δ (ppm):9.84 (d,J=1.7 Hz, 1H), 7.77 (t,J=1.8 Hz, 1H), 7.37 (t,J=1.9 Hz, 1H), 4.40 (t,J=6.5 Hz, 2H), 4.04 (s, 3H), 3.26 (q,J=6.0 Hz, 2H), 2.28～2.19 (m, 8H), 1.59～1.22 (m, 32H), 0.84 (t,J=7.0 Hz, 3H)。13C NMR (CDCl3,151 MHz) δ(ppm):173.870、136.105、122.219、122.170、64.246, 46.573、35.995、30.904、29.309、28.616、28.471、28.331、28.278、28.091、27.961、27.828、27.366、24.835、21.675、18.198、13.120。

2.2 比例對聚PCDA/PCDA-IUM變色溫度的影響

如圖2所示,分別是不同物質的量之比(10∶0、6∶4、5∶5、4∶6、0∶10)的聚PCDA/PCDA-IUM經歷不同加熱溫度后的顏色變化。PCDA含量不同,聚PCDA/PCDA-IUM變色溫度不同,因此調整復合體比例可以得到適用于不同溫度范圍的指示劑。純聚PCDA(10∶0)加熱至60 ℃變成橘紅色,這是由于溫度升高促進聚PCDA中尾部的烷基、頭部羧基和共軛主鏈的熱運動,分子鏈的鏈段重排,從而引發顏色轉變[24]。相比于聚PCDA與聚PCDA-IUM,復合體的變色溫度降低10～35 ℃。其中,聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)于25 ℃變成藍紫色,30 ℃變成粉紅色,該變色溫度范圍適用于多數常溫貯存、運輸食品的流通環境溫度。并且撤去加熱條件后,顏色并未恢復,說明該體系變色不可逆。

圖2 不同比例的聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度下的照片Fig.2 Photographs of different ratios of poly PCDA/PCDA-IUM at different temperatures

聚二乙炔的顏色轉變通常伴隨可見光光譜從低能帶到高能帶的顯著轉變[8]。如圖3所示,分別是不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的紫外可見光譜圖。隨著溫度升高,聚二乙炔的最大吸收峰波長發生藍移。聚PCDA、聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)和聚PCDA-IUM的吸收峰分別從655、640、626 nm(藍相特征峰)藍移至545 nm(紅相特征峰)左右,符合聚二乙炔由藍向紅色轉變的特征峰。在這5種比例體系中,相較于未升溫的初始對照,聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)的藍相特征峰在溫度升至30 ℃時即顯著下降(圖3-c),伴隨紅相特征峰大幅上升,對應于圖2中在30 ℃時明顯的肉眼可見變色。

a-10∶0;b-6∶4;c-5∶5;d-4∶6;e-0∶10圖3 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的紫外光譜Fig.3 UV-Vis spectra of poly PCDA/PCDA-IUM with different molar ratios at different temperatures

為了量化5種聚二乙炔的變色結果,采用CR定量計算其顏色轉變程度。CR越大,材料的顏色轉變程度越大[24]。如圖4所示,不同比例聚二乙炔的CR在升溫的過程中逐漸增大,對應于圖2中由藍向紅色轉變程度的增加。其中,聚PCDA、聚PCDA-IUM和聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)分別在60、45、30 ℃左右驟增;在70、50、35 ℃到達肉眼可見變色終點,對應值分別為23.9%、90.9%、96.2%。聚PCDA/PCDA-IUM的CR高于其他比例體系,尤其在30 ℃時,說明其變色程度更高,這與圖2拍攝記錄的變色情況一致。結果進一步驗證了聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系對熱刺激響應更靈敏,因此選擇物質的量之比為1∶1的體系進行后續研究。

圖4 不同比例聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度的CRFig.4 The CR of poly PCDA/PCDA-IUM with different molar ratios at different temperatures

2.3 濃度對聚PCDA/PCDA-IUM變色壽命的影響

如圖5所示,聚PCDA/PCDA-IUM(5∶5)在30～40 ℃發生明顯肉眼可見顏色轉變,不同濃度、溫度條件下,顏色轉變情況不同。但隨著加熱時間延長,顏色都不再發生明顯變化。這表明了聚PCDA/PCDA-IUM熱致變色具有時間累積效應,存在變色壽命。以0.3 mmol/L為例,在40 ℃時加熱1 min即從藍色轉變為橙紅色,并且隨著時間延長,顏色不再發生明顯變化,可認為已到達變色終點;35 ℃時加熱1 min體系仍呈現紫色,直至72 h才轉變為橙紅色;而在30 ℃時轉變為橙紅色需要168 h。這是因為溫度越高,聚二乙炔變色速率越快[13]。如圖5-a所示,在30 ℃條件下,聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系濃度從0.01 mmol/L提高至0.3 mmol/L,到達變色終點的時間從3 min延長至168 h左右,推測在此基礎上提高體系濃度,可進一步延長變色壽命。

為了定量聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)的變色程度與時間的關系,建立了CR與時間的關系曲線,如圖6所示。對于物質的量之比為1∶1的復合體體系,40 ℃溫度較高,以致不同濃度體系的CR在1 min左右快速升至最大值并趨于穩定;在30 ℃條件下,隨著濃度的提高,CR達到最大值的時間顯著延長,CR變化的趨勢與圖5記錄的顏色變化一致。進一步證明了聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)所在環境溫度越高,變色壽命越短。恒溫條件下,通過簡單調整聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)體系濃度,可以得到不同熱致變色壽命的復合體。

a-30 ℃;b-35 ℃;c-40 ℃圖6 不同濃度聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)在不同溫度的CR與時間的關系Fig.6 Relationship between the CR values and time of poly PCDA/PCDA-IUM (1∶1) with different concentrations at different temperatures

3 結論

本文將咪唑鎓基修飾的二乙炔單體與PCDA單體復配,得到的聚二乙炔復合體顯著降低了聚PCDA的變色溫度。其中,PCDA/PCDA-IUM(1∶1)在25 ℃即可發生肉眼可見的顏色轉變,且可以通過改變比例調整變色溫度,擴大應用溫度范圍。聚PCDA/PCDA-IUM在不同溫度下的顏色變化具有時間累積效應,隨著時間的延長變色程度逐漸提高,到達變色終點后趨于穩定,提高聚PCDA/PCDA-IUM(1∶1)濃度顯著延長其變色壽命。因此,其在指示長保質期產品的貨架期和監測短保質期食品的品質變化方面都有廣泛的應用前景。