基于智能凝膠標簽的鮮切網紋瓜新鮮度無損監測

榮麗巖，蔣東華，李 麗，汪艷群，張 爽，馬藝超，楊舒涵，李月新，吳朝霞,

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.遼寧省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，遼寧 沈陽 110866）

隨著消費者對食品安全的不斷重視，食品在貯藏過程中難以監測新鮮度的問題成為公眾關注的焦點。食品的智能包裝應運而生，它可以根據食品包裝內部或外部的條件變化，就產品狀態與消費者或食品制造商進行溝通，并為消費者提供預警[1]。食品新鮮度指示標簽作為智能包裝的一種，由基質材料和顯色染料兩部分組成。它既不與食品直接接觸，保證食品的安全性，又無需破壞食品包裝，通過顯色染料顏色的變化可直觀反映出食品質量，實現消費者對食品新鮮度的無損監測。

現階段用于食品新鮮度監測的智能包裝層出不窮，中華絨螯蟹[2]、豬肉[3]和雞肉[4]等海產品與肉類的智能包裝的研究相對較多，而水果方面相對較少。獼猴桃[5]、石榴[6]、小芒果[7]和蘋果[8]等整果的新鮮度智能包裝已被報道，而鮮切水果這一即時性食品的智能包裝鮮有研究，目前已知僅有鮮切榴蓮[9]。就包裝環境而言，由于揮發性含氮[2-3]、含硫[4,9]化合物在貯藏期間的明顯變化使得包裝環境呈堿性漸強趨勢占智能包裝的絕大多數；而鮮切網紋瓜在貯藏期間CO2含量變化顯著，使得其包裝環境整體向酸性漸強環境轉變。因此選擇溴百里香酚藍（bromothymol blue，BTB）這一在堿性至酸性環境顯示出藍至黃色變化的指示劑作為鮮切網紋瓜智能包裝的顯示劑。

通常來說，pH值染料需要固定在合適的基質上以制成對pH值有響應的顏色指示標簽[10]。卡拉膠是來源于海洋紅藻的硫酸化多糖，具有優異的膠凝能力、生物相容性和環境友好性，是食品包裝應用中最具吸引力的多糖之一[11]。羧甲基纖維素鈉是天然改性的陰離子線性水溶性纖維素醚，由于良好的穩定性和可生物降解能力而被廣泛應用。黃原膠是一種經好氧發酵產生的胞外多糖，對酸堿、溫度均有良好的穩定性，優異的相容性使其常與其他高聚合物混合應用[12]。

因此，本實驗選用卡拉膠，羧甲基纖維素鈉和黃原膠復合基質作為pH值新鮮度指示標簽的固體支持物。基于網紋瓜貯藏期間包裝內產生的CO2酸性環境選用BTB為顯色劑，制備出一種視覺顏色分明的新型智能凝膠標簽。對凝膠標簽的結構進行表征，同時結合鮮切網紋瓜在4 ℃貯藏期間新鮮度的品質指標，對智能凝膠標簽在鮮切網紋瓜新鮮度監測上的應用效果進行評價，旨在作為實際應用的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

網紋瓜 沈陽果品批發部；卡拉膠、黃原膠、溴百里香酚藍 北京索萊寶科技有限公司；羧甲基纖維素鈉河南萬邦化工科技有限公司；甘油 上海麥克林生化科技有限公司；CO2緩釋片 山東濰坊璟鴻用品有限公司。

1.2 儀器與設備

Evolution 201紫外-可見分光光度計、Nicolet 6700衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜（attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy，ATRFTIR）儀 美國Thermo Scientific公司；5804R冷凍臺式離心機 德國Eppendorf公司；CT3-10k質構儀美國Brookfield公司；Merlin掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）德國Zeiss公司；TGA Q50熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）儀 美國TA儀器公司；Smartlable X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 日本Rigaku公司；CR-400色彩色差計日本Konica Minolta公司；CheckPoint3便攜式頂空分析儀美國MOCON公司。

1.3 方法

1.3.1 BTB溶液光譜分析

配制質量分數為1%的BTB溶液，應用紫外-可見分光光度計測定其在pH值為2.0～12.0的吸光度曲線，掃描波長設置為300～800 nm。

1.3.2 智能凝膠標簽的制備

首先制備取1.00 g卡拉膠溶于100 mL蒸餾水中，同時加入0.81 g羧甲基纖維素鈉、0.27 g黃原膠和0.57 g甘油，40 ℃磁力攪拌1 h后得到復配膠液。然后向復配膠液中加入1.00 mL質量分數為1%的BTB溶液，并使用氫氧化鈉和鹽酸溶液調節復配膠液的最終pH值，本實驗將溶液的pH值定為7.0。最后將復配膠液倒入現有圓形模具，待其冷卻至室溫后脫模成膠，每個凝膠質量約5.00 g，貯藏于玻璃培養皿中以待后續使用。

1.3.3 智能凝膠標簽的表征

標簽的主要成分是卡拉膠，羧甲基纖維素鈉和黃原膠僅作為提高標簽凝膠化的添加劑少量添加，且沒有將它們單獨制作應用，因此實驗只對卡拉膠標簽、復配凝膠標簽和顯色凝膠標簽進行比較分析。

1.3.3.1 微觀結構觀察

使用SEM觀察凝膠樣品的橫截面結構，選擇2500 倍數下進行拍照。測試前需將凝膠進行冷凍干燥，而后液氮脆斷，噴金，加速電壓為10 kV。

1.3.3.2 ATR-FTIR分析

使用ATR-FTIR儀分析凝膠內不同成分的相互作用信息。紅外光譜測量的波數范圍為4000～600 cm-1。

1.3.3.3 XRD分析

使用XRD儀，以2°/min，在測量角2θ＝5°～45°的范圍內對凝膠樣品進行分析，研究其結晶特性。

1.3.3.4 熱穩定性分析

使用TGA儀對凝膠進行熱分析。將10 mg的樣品放入鋁容器中，氮氣氣氛下，以20 ℃/min的掃描速率加熱至750 ℃測定其熱穩定性。

1.3.4 智能凝膠標簽的響應性

1.3.4.1 CO2響應性

使用CO2緩釋片模擬體積分數0%～10%的CO2，將制作好的凝膠標簽置于模擬環境。由于不同CO2體積分數下智能凝膠標簽的顏色會發生變化，利用色彩色差計對3 個參數（a*、b*、L*）進行記錄。L*（0～100）表示從低到高的亮度，a*（127～-128）表示從紅到綠的變化，b*（127～-128）表示從黃到藍的變化。在凝膠表面隨機取3 個點進行測量，得到的平均值用于計算凝膠總色差（ΔE）。

式中：L*、a*、b*為每日測定的顏色參數；L＝92.61，a＝-0.50，b＝5.60，為標準白版的顏色參數。

1.3.4.2 顏色穩定性

將制作成功的凝膠標簽置于一次性培養皿中保存。基于實驗條件，將其放置于4 ℃冰箱和25 ℃室溫貯藏，貯藏時間與鮮切網紋瓜保持一致，期間每24 h測量一次顏色變化。

1.3.5 智能凝膠標簽在鮮切網紋瓜中的應用

選取質量相同、無損傷瑕疵的網紋瓜，切分成塊，置于盒中貯藏。鮮切網紋瓜每盒凈質量在（200.00±5.00）g以內。將脫模成功的凝膠標簽貼在聚乙烯-聚對苯二甲酸乙二醇酯復合膜上，用封膜機封在盒頂部，保存在4 ℃的冰箱中。

1.3.5.1 CO2測定貯藏期間鮮切網紋瓜的CO2濃度由便攜式手持頂空分析儀測定，結果以百分比表示。

1.3.5.2 pH值測定取不同貯藏期的鮮切網紋瓜10.00 g，置于研缽中均勻搗碎，過濾后用pH計測量pH值。

1.3.5.3 菌落總數測定

貯藏期間鮮切網紋瓜的菌落總數參照GB 4789.2—2022《食品微生物學檢驗菌落總數測定》[13]。以菌落形成單位CFU計數（lg（CFU/g））。

1.3.5.4 凝膠標簽顏色測定

在貯藏期間中，使用色彩色差計每天對智能凝膠標簽的顏色進行測定，根據公式計算出每天智能凝膠標簽的色差值（ΔE）。

1.4 數據統計分析

2 結果與分析

2.1 BTB溶液光譜分析結果

從圖1A可以發現，BTB溶液在不同的酸性和堿性氛圍內表現出不同的顏色。圖1B中清晰可見BTB溶液的最大吸收峰隨著pH值的增大而向波長更高的方向移動。當在5.0～6.0時，BTB溶液呈現出黃色，其最大吸收峰在420 nm波長附近，顯色成分主要是BTB的黃色酸式結構[14]。當pH 7.0～9.0時，溶液呈現出綠色，出現兩個吸收峰，一個在420 nm波長附近，另一個在626 nm波長附近，且420 nm波長處吸收峰高于626 nm波長處吸收峰；當pH 10.0～12.0時，溶液由深綠色向藍色轉變，出現兩個吸收峰，一個在406 nm波長附近，另一個在629 nm波長附近，此時629 nm波長處吸收峰高于406 nm波長處吸收峰。BTB的藍色堿式BB-的濃度隨著pH值逐漸向堿性增加而增大，顯示出綠色向藍色的變化[15]。綜上所述，BTB溶液在pH 5.0～12.0的范圍內有著鮮明的顏色變化，可以作為顯色劑以使智能凝膠標簽具有良好的指示效果。

圖1 BTB溶液在pH 5.0～12.0的顏色（A）及可見光譜（B）Fig.1 Color (A) and visible spectra (B) of BTB solution at pH 5.0–12.0

2.2 智能凝膠標簽的SEM微觀形貌

圖2顯示了卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠標簽的實物圖和SEM圖。一般來說，凝膠樣品的微觀結構可以反映出物質間的分散狀態，表面越均勻說明分子間相容性越好。SEM圖顯示：卡拉膠標簽表現出致密平整，光滑均勻的截面。加入羧甲基纖維素鈉和黃原膠后，復配凝膠標簽的截面顯示出紋理形狀，這是標簽成分羧甲基纖維素鈉的纖維狀網絡結構所導致的。同時截面較為平滑均勻，說明羧甲基纖維素鈉、黃原膠與卡拉膠具有良好的相容性，可以形成分子間氫鍵，使微觀結構更加致密連續。BTB的加入沒有明顯改變顯色凝膠標簽的微觀形貌，稍有纖維，沒有裂縫，截面內部具有良好的均勻性，表明BTB可以均勻地分散在聚合物基質中[16]。這與黃佳茵等[17]的研究結果相一致。

圖2 卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠標簽實圖和切面SEM圖Fig.2 Physical pictures and cross-sectional SEM images of carrageenan and those of gel labels and chromogenic gel labels

2.3 智能凝膠標簽的ATR-FTIR分析結果

如圖3所示，卡拉膠標簽在3276 cm-1處的明顯特征峰歸因于—OH伸縮振動，羧甲基纖維素鈉和黃原膠的加入使得—O—H特征譜帶增強并移至3420 cm-1，說明復配凝膠和顯色凝膠標簽中有氫鍵生成。3 種標簽在2900 cm-1附近的峰值代表—C—H的伸縮振動[18]，復配體系中羰基的存在使1594 cm-1的—C＝O伸縮振動和1030 cm-1處—C—O的伸縮振動趨于明顯[19]。1415 cm-1和1326 cm-1分別代表—C＝O的不對稱和對稱伸縮振動[20]。卡拉膠分子中含有O＝S＝O磺酸鹽，其特征峰位于1240 cm-1，同時921 cm-1和856 cm-1處的特征峰分別歸因于3,6-脫水半乳糖C—O—C的拉伸振動和4-硫酸半乳糖的C—O—S拉伸振動[21]。BTB指示劑的加入幾乎沒有改變復配凝膠標簽的峰值位置，說明3 種不同基材之間沒有相互交聯，無共價鍵生成。總而言之，3 種凝膠標簽的ATRFTIR光譜顯示復合物中沒有新生官能團，表明卡拉膠、羧甲基纖維素鈉、黃原膠和BTB之間具有良好的相容性[22]。

圖3 卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠標簽的ATR-FTIR譜圖Fig.3 ATR-FTIR spectra of carrageenan and those of gel labels before and after color development

2.4 智能凝膠標簽的XRD分析結果

凝膠樣品的結晶度可以反映其組成成分之間的相容性和分子間相互作用。如圖4所示，卡拉膠標簽的XRD圖譜在2θ＝19.8°處有一個寬峰，表明它基本上具有無定形結構。復配凝膠和顯色凝膠標簽的XRD圖譜在2θ＝19.4°處存在同樣寬帶，可以歸因于其無定形的生物聚合物基質[23]。與卡拉膠標簽相比，復配凝膠和顯色凝膠標簽在2θ＝19.4°處的峰值強度明顯降低，這可能是由于羧甲基纖維素鈉、黃原膠與卡拉膠分子間形成氫鍵，抑制卡拉膠分子間的移動從而降低其結晶度[24]。由于所用卡拉膠含少量KCl，因而卡拉膠標簽在2θ＝28.3°和2θ＝40.5°處顯示出KCl晶體特征峰[25]。羧甲基纖維素鈉、黃原膠和BTB的加入沒有導致XRD圖譜的顯著改變，說明它們沒有改變聚合物分子的物理狀態，復配凝膠和顯色凝膠依然保持無定形形式。

圖4 卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠標簽的XRD圖譜Fig.4 XRD spectra of carrageenan and those of gel labels before and after color development

2.5 智能凝膠標簽的熱力學分析結果

TGA是用來測量智能凝膠標簽在加熱過程中的質量變化，從而揭示其熱穩定性和分解情況。通過導數熱重分析（derivative thermogravimetry，DTG）法計算質量隨溫度的變化率，進一步說明標簽樣品熱降解每個階段的拐點[23]。從圖5可知，卡拉膠標簽樣品出現兩個質量損失階段，而復配凝膠和顯色凝膠標簽樣品出現3 個質量損失階段。3 種標簽樣品的第1階段熱降解出現在95～115 ℃之間，其主要原因可能是標簽樣品中的水分子，即樣品中自由水和結合水的蒸發流失，質量損失約3.82%～6.52%。卡拉膠標簽的第2階段的重要熱分解發生在264 ℃，質量損失達到46.9%，主要原因是卡拉膠基體內部的熱降解，包括糖環的脫水和解聚[26]。復配凝膠和顯色凝膠標簽熱降解的第2階段發生在250～280 ℃，質量損失分別為25.3%和26.2%。這一質量損失歸因于標簽樣品中甘油的降解[27]。由于復配凝膠和顯色凝膠標簽中復合基體的分解，在330 ℃左右觀察到第3階段的熱降解。復配凝膠標簽的第3階段質量損失約為49.3%，說明羧甲基纖維素鈉和黃原膠的加入對復配凝膠標簽的熱穩定性影響甚微。而顯色凝膠標簽第3階段的質量損失約為45.2%，表明BTB的加入降低了標簽樣品的質量損失，提高了凝膠標簽的熱穩定性[28]。

圖5 卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠標簽的TGA和DTG圖Fig.5 TGA and DTG curves of carrageenan and those of gel labels before and after color development

2.6 智能凝膠標簽響應性分析

2.6.1 CO2響應性

智能凝膠標簽的顏色會隨著CO2體積分數不同而改變。如圖6A所示，CO2體積分數在0%～10%范圍內變化，智能凝膠標簽顏色顯示出由藍色、黃綠色、黃褐色、橙黃色的依次轉變。圖6B中量化了顏色的變化，以色差值ΔE展現出來。一般來說，ΔE＞2意味著顏色變化肉眼可以觀察到，ΔE＞12反映不同的顏色空間[29]。如圖6B所示，圖中任意兩個監測點ΔE＞2，任意間隔1 個監測點ΔE＞12充分說明觀察者可輕易分辨出顏色變化。因此，智能凝膠標簽可以很好地反映出包裝內CO2濃度變化，使其成為監測鮮切網紋瓜新鮮度的合適工具。

圖6 智能凝膠標簽在不同CO2含量下的顏色變化和色差變化Fig.6 Changes in color and ΔE of intelligent gel labels with different CO2 concentrations

2.6.2 顏色穩定性

用于食品監測應用的智能凝膠標簽需要擁有足夠的顏色穩定性。圖7比較了智能凝膠標簽在4 ℃和25 ℃的貯藏條件下，每日智能凝膠標簽的顏色變化情況，以與原始白板色差ΔE表示。如圖7所示，智能凝膠標簽在4 ℃和25 ℃都能保持顏色基本不變，所有監測點ΔE的最大差值分別為0.78和0.56。ΔE差值＜1說明沒有明顯的顏色差異，表明智能凝膠標簽在4 ℃和25 ℃貯藏8 d內可以保持穩定的顏色，適用于鮮切食品的指示包裝。

圖7 智能凝膠標簽在4℃和25℃貯藏期間的色差變化Fig.7 Changes in ΔE of intelligent gel labels during storage at 4 or 25℃

2.7 智能凝膠標簽在鮮切網紋瓜上的應用

2.7.1 鮮切網紋瓜的新鮮度變化

CO2是水果呼吸作用和微生物代謝過程中的主要產物，因此，包裝內CO2體積分數與鮮切水果新鮮度具有一定的相關性。如圖8所示，鮮切網紋瓜的CO2體積分數隨著貯藏時間延長而顯著上升，從（0.04±0.01）%增加至（8.58±0.29）%，這種較高的CO2產生率也存在于鮮切青椒[30]和鮮切甜瓜[31]中。與此同時，貯藏期間鮮切網紋瓜的pH值呈顯著下降的趨勢，從6.84±0.02降低至5.96±0.03，由表1可知，二者表現出顯著的負相關關系（-0.953），充分表明隨著貯藏時間延長，鮮切網紋瓜包裝內環境逐漸向酸性增強的方向變化。由于BTB在酸堿性不同的CO2氛圍內可以顯示出視覺可見的顏色變化，也是本實驗選擇BTB作為智能標簽的顯色劑的原因。

表1 鮮切網紋瓜貯藏期間CO2體積分數和ΔE與pH值和菌落總數間的相關性Table 1 Correlation among CO2 concentration in package and ΔE,pH and total aerobic plate count of fresh-cut netted melon during storage

圖8 鮮切網紋瓜在4℃貯藏期間新鮮度指標的變化Fig.8 Changes in freshness indexes of fresh-cut netted melon during storage at 4℃

對于不新鮮的鮮切果蔬產品，主要表現為產品可見的微生物腐敗現象和明顯增加的呼吸作用。圖8C中可以清晰觀察到鮮切網紋瓜的菌落總數呈顯著上升的趨勢，從（2.73±0.03）（lg（CFU/g））增加至（6.11±0.05）（lg（CFU/g）），與貯藏期間的CO2體積分數顯著正相關（表1），這種顯著的相關性在貯藏6 d后的鮮切菠蘿[32]中也有發現。根據微生物標準指南[33]，鮮切水果的菌落總數不得超過5（lg（CFU/g））。而在鮮切網紋瓜貯藏的第4天發現，菌落總數達到（5.13±0.07）（lg（CFU/g）），已超過限值，說明此時的鮮切網紋瓜已經腐敗變質，不可食用。因此，將鮮切網紋瓜的保質期限制在第3天前。

2.7.2 鮮切網紋瓜的智能凝膠標簽應用

將制作好的智能凝膠標簽應用在鮮切網紋瓜上，以實時監測其新鮮程度。從圖9A可以清晰地看到，隨貯藏時間延長，智能凝膠標簽的顏色由藍色、黃綠色、黃褐色向橙黃色依次改變。結合圖9B中智能凝膠標簽ΔE的顯著變化，表明消費者可以僅通過肉眼分辨凝膠標簽的顏色從而感知鮮切網紋瓜的新鮮程度。表1中的相關性分析更加說明了智能凝膠標簽的顏色變化與包裝中CO2體積分數、pH值和菌落總數都顯示出極好的顯著性和相關性，進一步表明智能凝膠標簽的顏色變化可以很好地反映鮮切網紋瓜的新鮮度。

圖9 智能凝膠標簽在鮮切網紋瓜4℃貯藏期間的顏色變化和色差變化Fig.9 Changes in color and ΔE of intelligent gel labels during storage of fresh-cut netted melon at 4℃

鮮切網紋瓜中凝膠標簽初始顏色為藍色，隨著貯藏時間延長，凝膠標簽會向黃綠色漸漸轉變，此階段說明鮮切網紋瓜處于新鮮狀態。當凝膠標簽由黃綠色變為黃褐色時，說明鮮切網紋瓜稍微變質，處于不可食用狀態。當標簽向橙黃色轉變時，此時表明鮮切網紋瓜已經變質，超出鮮切網紋瓜菌落總數可接受限值5（lg（CFU/g）），需要立即丟棄，防止衛生隱患。因此，此智能凝膠標簽可以實時反映出鮮切網紋瓜的新鮮度，具有推廣為其他果蔬產品新鮮度監測的巨大潛力。

3 結論

本研究以卡拉膠為基材，復配羧甲基纖維素鈉、黃原膠和BTB以制備出智能顯色凝膠標簽，并將其應用于鮮切網紋瓜新鮮度的實時監測。對卡拉膠、復配凝膠和顯色凝膠的微觀形貌和結構進行表征，結果表明BTB與3 種基材之間具有良好的相容性，各組分間無化學反應發生，顯色凝膠標簽的熱穩定性最好。制備出的智能顯色凝膠標簽的顏色變化與其包裝內CO2體積分數、pH值和菌落總數顯著相關。通過凝膠標簽在貯藏期間從藍色到黃綠色、黃褐色和橙黃色的有序顏色變化，消費者可以直觀地分辨鮮切網紋瓜的質量。當標簽顯示黃褐色時，已處于可食用邊緣，橙黃色即為不可食用狀態。因此，智能凝膠標簽可以作為一種有效的手段，對鮮切網紋瓜的腐敗變質進行實時無損監測，從而幫助消費者合理購買和食用。此外，后續應尋找可替代BTB的天然染料，以進一步提高凝膠標簽的食品安全性。