基于甜菜紅素的pH指示膜性能研究

余惠容,張利,李興梅,胥小清,趙正禾,陳賽艷

(四川農業大學 食品學院,四川 雅安,625014)

pH指示標簽目前已成為食品包裝的一個重要趨勢,它的原理是利用食品中微生物代謝、蛋白質分解和酶作用產生的CO2、SO2、揮發性胺等一系列引起包裝內環境pH值變化的特征性氣體與顯色劑發生反應,致使標簽發生顏色改變,故消費者在無需打開包裝的前提下即可直觀了解食品新鮮度。pH指示劑的載體材料主要是一些安全無毒、具有良好的降解性和生物相容性的天然高分子材料,如淀粉、羧甲基纖維素[1]等。而常用的化學指示劑具有一定毒性,于是安全無污染的天然指示劑則受到研究者的青睞。甜菜紅素(betacyanins,BS)是一種水溶性色素,顏色鮮艷,具有抗菌和抗病毒作用,常被用作食品色素改善食品外觀[2]。與花青素和類胡蘿卜素相比,甜菜紅素較少被當成pH指示劑應用。但是甜菜紅素具有pH敏感性,當pH<4時,甜菜紅素呈現紫色;pH值在4～6時,甜菜紅素顯紅色;pH>7時,甜菜紅素向紫色轉變;pH>10時,甜菜紅素會轉變為甜菜黃素,顏色變化顯著[3]。故本研究中采用甜菜紅素作為pH指示劑。木薯淀粉(cassava starch,CS)具有較好的糊狀透明度、可降解性和成膜性,但純木薯淀粉膜機械性能和耐水性較差,應用受限。有研究者將聚乙烯醇與木薯淀粉混合[4],將西蘭花葉多酚和果膠添加到木薯淀粉中[5],將木薯淀粉纖維素和木薯淀粉混合[6],均提高了木薯淀粉膜的綜合性能。這是因為纖維素的低滲透性致使其與淀粉結合良好,與淀粉間形成的氫鍵也有助于淀粉膜致密網絡結構的形成,從而提高木薯淀粉膜的機械性能和綜合包裝性能。同時纖維素作為豐富的生物聚合物資源,具有低成本、無毒、可再生、生物相容性和生物降解性佳、化學性能穩定的特點,適用于包裝材料中。

本研究以甜菜紅素為指示劑,以木薯淀粉和花生殼纖維素(peanut shell cellulose,PSC)為成膜基材,采用流延法制備pH指示膜。研究了BS含量對指示膜機械性能、耐水性能、光學性能和pH敏感性能的影響,為甜菜紅素pH指示膜的開發應用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

甜菜紅素(食品級),河南安銳生物科技有限公司;花生殼纖維素(食品級),四川綠騁生物科技有限公司;木薯淀粉、甘油、NaOH,均為分析純,成都市科隆化學品有限公司。

FJ200-SH數顯恒速高速分散均質機,上海壘固儀器有限公司;HD-B609B-S智能電子拉力試驗機,海達國際儀器有限公司;Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared,FTIR)儀,賽默飛世爾科技公司;JSM-7500F掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM),中國富瑞寶國際有限公司;差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry,DSC),耐馳科學儀器商貿上海有限公司。

1.2 pH指示膜的制備

參照劉瀟等[7]的方法并略作修改。取5.00 g BS溶于100 mL蒸餾水中,加入1.5 g甘油、0.3 g PSC,置于90 ℃恒溫水浴中機械攪拌(600 r/min)30 min,降溫至40 ℃時分別加入10%,20%,30%,40%,50%(質量分數,以CS質量計)BS,機械攪拌10 min,以12 000 r/min均質5 min形成均一成膜液,用0.1 mol/L的NaOH溶液調整膜液pH值為10,真空脫氣。稱取60 g成膜液流延至150 mm×150 mm的亞克力板上,50 ℃下烘干12 h,取出,揭膜備用。根據BS的質量分數,各指示膜分別記為BS0,BS0.5,BS1,BS1.5,BS2,BS2.5(其中BS0為對照膜)。

1.3 指示膜結構表征及性能測定

1.3.1 指示膜結構表征

FTIR測定:將指示膜在60 ℃干燥24 h,在衰減全反射模式下測試膜的紅外光譜,光譜分辨率4 cm-1,掃描范圍400～4 000 cm-1,掃描次數 32 次。

微觀結構測定:將指示膜裁成20 mm×20 mm的試樣,用液氮將指示膜冷凍斷裂,用離子濺射儀在膜表面真空濺射噴金(厚度10 nm),用SEM觀察指示膜的表面(放大1 000倍)和截面結構(放大500倍),加速電壓為5～15 kV。

晶體結構測定:使用X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)儀,配備單色 Cu Kα 輻射源(l=1.540 6 ?),在電壓和電流分別為40 kV和40 mA、角度范圍5°～90°(2θ)、速度5°/min下測定指示膜的XRD圖[8]。

熱穩定性測定:將5 mg指示膜置于鋁坩堝底部,在30 cm3/min的N2流下,以10 ℃/min的速度從25 ℃加熱到250 ℃。

1.3.2 指示膜性能測定

機械性能測定: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》的方法測定指示膜的拉伸強度(tensile strength,TS)和斷裂伸長率(elongation at break,EB)。

含水率測定:將膜裁成20 mm×20 mm試樣,稱重(m1,g)后放入105 ℃烘箱中烘24 h,取出后再次稱重(m2,g),做3個平行,采用公式(1)計算膜的含水率。

(1)

水潤脹率測定:將干燥至恒重的膜稱重(m1,g)。取50 mL蒸餾水,在室溫下將指示膜浸于燒杯中,靜置24 h,取出,用吸水紙擦干表面水分,稱重(m2,g),做3個平行,采用公式(2)計算指示膜的水潤脹率。

(2)

透光率測定:將指示膜固定于紫外-可見光分光光度計的樣品吸收池,使入射光束垂直透過指示膜,測定透光率。以不加指示膜時的透光率為100%作為對照,做3次平行試驗。

色度測定:參照GB/T 111836.3—1989《涂膜顏色的測量方法 第三部分 色差計算》,用分光測色計對薄膜顏色進行測定,按公式(3)計算出ΔE:

(3)

式中:L、a、b為薄膜色度值,L*=97.40,a*=-0.65,b*=0.55 為標準白的色度值。

pH敏感性測定:將指示膜裁成4 cm×4 cm,分別浸潤在pH值為2、4、6、8、10、12的緩沖溶液中,通過華為p系手機每5 min拍照1次,直至薄膜顏色穩定,測試薄膜色度和計算色差值。

1.4 數據分析

以SPSS軟件處理數據,每個測量指標取平均值±標準偏差。采用Duncan多重比較檢驗法進行顯著性分析(P<0.05),采用Origin軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 指示膜結構分析

2.1.1 紅外光譜分析

指示膜的FTIR如圖1所示。指示膜在3 500～3 000 cm-1處出現明顯的—OH伸縮振動吸收帶,這與CS、PSC、甘油等膜原料中含有豐富的羥基是一致的,即—OH的伸縮振動吸收峰[9],加入BS之后該峰形變寬強度降低,同時2 924 cm-1處的吸收峰向低波數發生位移,這可能是BS與淀粉或纖維素中的—OH形成了氫鍵或靜電相互作用,增強了2種物質間的界面結合力[10],使—OH拉伸振動減弱。未加入BS時,1 640 cm-1處是纖維素吸附的結合水峰[11],加入BS后特征水峰發生偏移,表明指示膜內部分子已經形成了很強的分子間作用力,打亂了纖維素的正常狀態。另外,在1 640 cm-1振動吸收峰是BS的酰胺基上的C—O伸縮振動,說明BS的氨基基團與發色團存在共振,指示劑化學性質未改變。1 143、1 103、992 cm-1處是PSC中C—H鍵的彎曲振動峰[12]、醇羥基C—O伸縮振動峰和C—H搖擺振動峰[13]。加入BS后,1 640 cm-1處峰強度增加,這是因為BS本身易溶于水,有水分子結合能力較強;而1 103 cm-1處峰強減弱,且波數逐漸趨向于低波長。WU等[14]發現雞冠花甜菜紅素能使槐豆膠/PVA膜中的—OH伸縮振動、C—H伸縮振動和結合水峰發生位移,與本結果類似?？v觀整個紅外光譜圖,在6條圖線中均有3 301、1 640、1 149 cm-1處的吸收峰且峰形相似,表明CS、PSC及BS沒有產生新的化學基團,BS成功分散到復合膜基質中,并通過氫鍵和靜電吸附與復合膜內分子發生相互作用。由此可見,在制備該膜的形成過程中,各基材之間主要受分子間作用力影響,并依靠分子間作用力強弱影響膜性能表現,其基材的化學成分未發生巨大改變。

圖1 不同濃度下指示膜的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of the indicator films at different BS concentrations

2.1.2 掃描電鏡分析

由圖2-a、圖2-g可知,復合膜具有均一、光滑的表面和橫截面結構,表明PSC與CS融合性佳。其中表面有細微不平整和顆粒,這可能是由于纖維素團聚所致。加入BS后,BS與CS、PSC之間存在大量的氫鍵相互作用,纖維素發生了明顯的團聚現象,在指示膜表面出現了聚集的纖維束[15]。

a-BS0膜表面;b-BS0.5膜表面;c-BS1膜表面;d-BS1.5膜表面;e-BS2膜表面;f-BS2.5膜表面;g-BS0膜截面;h-BS0.5膜截面;i-BS1膜截面;j-BS1.5膜截面;k-BS2膜截面;l-BS2.5膜截面圖2 指示膜的掃描電鏡圖Fig.2 SEM of the indicator films

隨著BS含量增加,聚集的纖維束和淀粉基團增加,指示膜表面顆粒量增加;在BS增加到BS2組時,色素小分子進入纖維素和淀粉內部大分子之間,導致纖維素和淀粉間的氫鍵相互作用力降低,團聚現象減少,表面顆粒度降低[16],使其抗拉伸強度降低。通過截面圖可見,BS2.5指示膜出現明顯斷層和大量顆粒,這是因為高含量的BS影響了淀粉分子之間成鍵及成膜性能[5]。由以上結果可知,BS2指示膜結構優于其他組。

2.1.3 X射線衍射

利用X射線衍射對指示膜的結晶性和內部結構進行表征。由圖3可知,CS/PSC膜在加入BS后,晶型發生了較大變化,原復合膜在17°、19°和23°(2θ)附近出現寬的衍射峰,是纖維素的特征峰。加入BS后,大部分衍射峰消失,2θ出現到了27°、32°、46°、58°、66°、76°和84°附近,這說明BS已經成功進入淀粉-纖維素膜的基體,改變了原膜的結構。另外隨著BS含量增加,衍射峰位置不變,強度增加,這可能是因為BS在CS和PSC的界面處產生了相互作用(氫鍵)提高了界面的有序度[17],進而提高了指示膜的結晶度。

圖3 不同濃度下指示膜的X射線衍射圖Fig.3 XRD of the indicator films at different BS concentrations

2.2 指示膜性能分析

2.2.1 熱穩定性

由于指示膜在應用中易遇熱,故薄膜的熱性能是影響其應用的重要因素。本研究通過DSC分析指示膜的熱穩定性,結果如圖4所示。復合膜在104 ℃處出現吸熱峰,發生熔融;相對于復合膜,添加BS的指示膜熔融溫度隨BS含量增加先降低后升高,最高達125 ℃,降低的原因大概與BS自身較低的熱穩定性有關[15],升高的原因與指示膜含水率相關,含水率越低,熱穩定性越高(表1),也可能是BS和復合膜基質間的相互作用(氫鍵)導致指示膜內鏈運動較低,熱量難以滲透到薄膜內部,薄膜熱穩定性增強[18]?？v觀整個DSC圖,各薄膜均出現了相似的吸熱峰,表明BS與復合膜只是物理交聯,如FTIR分析所證實。

表1 指示膜的厚度、機械性能、含水率和水潤脹率Table 1 Thickness, mechanical properties, moisture content and water wetting rate of indicator films

圖4 不同濃度下指示膜的DSC曲線圖Fig.4 DSC curves of the indicator films at different BS concentrations

2.2.2 厚度與機械性能

指示膜的厚度與機械性能受BS的影響如表1所示。其中厚度差異不顯著(P≥0.05),TS和EB均差異顯著。指示膜的TS值隨BS的含量增加而先減少后增加,其中BS0膜的TS最高,為7.69 MPa,BS1的TS最低,為2.22 MPa;EB先增加后減少,其中BS1的EB最高。各薄膜之間TS的差異可能是由于3種基材的分子中所含羥基數目不同所致。隨著BS含量增加,BS小分子進入淀粉大分子間隙,破壞淀粉大分子的網絡結構,使淀粉與纖維素分子形成較大間隙,降低了指示膜的TS,提高EB;當色素含量超過一定值時,色素中的羥基與淀粉中的羥基充分結合,形成氫鍵,增加了分子間的作用力,提高了指示膜的結構緊密性,表現為TS升高,EB降低。

2.2.3 含水率與水潤脹性

由表1可知指示膜的含水量無顯著差異,水潤脹率則隨著BS的含量不同而差異顯著。相對于原復合膜,BS1和BS2指示膜的水潤脹率略有升高,這是因為BS優先與淀粉分子通過氫鍵結合。隨著BS含量增加,指示膜的水潤脹率升高,這是因為BS本身是一種水溶性顏料,易結合水,在指示膜中也只是物理混合,這一點在SEM圖中得到了證實。當含量增加到一定程度時,水潤脹率趨于穩定并下降,這是因為膜的結構固定,不再潤水。綜上所述,BS2指示膜的含水率和水潤脹率均較高,表面吸水性能較強,能滿足作為指示膜的應用要求。

2.2.4 光學性能

由圖5可知,未添加色素的復合膜(BS0)透光率不高于30%,添加了色素的指示膜在透光率在580～650 nm可見光區急劇上升,在650 nm后趨于平滑,在紫外光區透過率均低于10%,表明指示膜具有優良的紫外線屏蔽作用,有益于抑制包裝食品的光氧化反應,延緩食品腐敗變質。

圖5 指示膜的紫外-可見光譜圖Fig.5 UV-Vis spectrogram of indicator films

薄膜外觀可直接影響消費者的購買欲。本研究中指示膜初始狀態整體為紫紅色,膜表面呈現磨砂質感,底面側為光滑質感,整體顏色均一。指示膜的色度如表2所示。

表2 指示膜的初始色度Table 2 Initial chromaticity of indicator films

隨著BS濃度增加指示膜明度降低,但在BS1明度有增大的趨勢。不添加色素的復合膜a值為負,b值為正。加入色素后,a值為正,b值增大,這是因為由于BS自帶紅色所致。從顏色的感覺分析,紅與黃可以刺激人的感官,增進食欲。再根據圖5可知,BS2指示膜的透光率僅次于BS0.5,而BS2,BS1.5的色差值差異不顯著,在確保指示膜可接受明度和pH敏感性響應的雙重前提下,選擇BS2指示膜進行pH敏感性分析。

2.2.5 pH敏感性

將不同BS含量的指示膜浸于不同pH值緩沖液中得到的顏色變化如圖6所示。其中BS0.5指示膜只在pH值為2的緩沖液中呈現較為明顯的色差,其余各個緩沖液中均呈現土黃色,pH響應不顯著;BS2指示膜在各個緩沖液中均色差可視,pH響應顯著。根據前期的指示膜綜合性能分析及本研究的重點是考察指示膜的pH響應,故選擇了色差顯著的BS2指示膜測試色度數據,如表3所示。根據前人的研究結果,色差大于5,即可肉眼識別[19]。根據表3的色度數據,所有膜的色差均大于5,色差可視,表明指示膜的pH響應顯著,可用于指示性包裝中。

表3 不同pH條件下BS1.5指示膜的色度Table 3 Chromaticity of BS1.5 film under different pH conditions

圖6 指示膜浸于不同pH值緩沖液中的顏色變化Fig.6 Color change of indicator films in different pH buffers

由圖6和表3可見,當緩沖液的pH值處于2.0～12.0時,指示膜顏色隨溶液pH值的升高呈現由深紅色→紅色→暗紅色的變化,指示膜的a值在pH>10后顯著降低,b值先增加后在pH>10后顯著降低?？梢杂萌缦吕碚摻忉?BS的核心結構是質子化的1,2,4,7,7-五取代的1,7-二偶氮庚甲堿,該結構為色素中的“發色基團”[20]。當pH≤3時甜菜C-15發生異構化或脫氫,生成異甜菜苷或新甜菜苷,膜呈現暗紅色;pH值為3～7時甜菜苷和異甜菜苷主要發生脫羧和脫氫反應,分別生成脫羧基甜菜苷和脫羧基異甜菜苷,膜為透明的鮮紅色;隨著pH值上升,甜菜苷和異甜菜苷的醛亞胺鍵水解增強,膜逐漸向暗紅色至黃色移動;當pH值為10時先是呈現暗紅色,24 h才形成穩定的紫色或褐色且夾雜著黃色,是因為甜菜苷在堿性溶液條件下的氫或芳香族取代基與甜菜紅素的發色基團不共振,使色素溶液由紅色變為黃色,此時甜菜苷經過脫氫反應生成新甜菜苷,并且堿性越高轉化速度越快。由以上變色可見,指示膜的pH響應顯著,極具開發潛力。

3 結論

以CS、PSC為原料,BS為指示劑制備pH指示膜。由掃描電鏡以及紅外光譜分析得出BS與CS/PSC通過氫鍵和靜電作用交聯,各基質相容性良好,指示膜結構穩定、均一。

指示膜具有強于木薯淀粉/花生殼纖維素復合膜的熱穩定性能和紫外光阻隔性,其熱穩定性和紫外光阻隔性均與BS添加量成正比,熔點上升了19%,紫外光吸收率降低了90%以上;斷裂伸長率和水潤脹性能均呈現先增后減的曲線,斷裂伸長率在BS1處達到最大,上升了211%,而水潤漲率在BS1.5處達到最大,上升了36.97%。

當BS含量為30%(即1.5 g/100 mL)時,指示膜表現出良好的pH敏感性,且顏色隨pH值的升高而逐漸加深。在不同的pH環境中變色顯著,色差可視。