花青素-殼聚糖基新鮮度指示膜的研究進展

王凱,付紅軍,彭湘蓮,2*

1(中南林業科技大學 食品科學與工程學院,湖南 長沙,410004) 2(稻谷及副產物深加工國家工程實驗室,湖南 長沙,410004)

食品因為外部條件(光照、空氣、機械應力等)的影響,極易發生腐敗變質。近年來,因食用含有細菌或者有毒化學成分的食品會導致腹痛、腹瀉等諸多疾病[1]。而包裝作為食品生產過程中的最后一道工序,在食品的質量保護、貯存、銷售等方面有著很重要的作用[2]。隨著消費者生活習慣的改變及市場激烈的競爭,食品包裝技術的發展也有了更多需求[3]。零售商和消費者最關注的是食品的新鮮度,它也是確保食品質量和安全的重要指標[4-5]。消費者一般通過包裝上的保質期來評價食品的質量,但對于生鮮類食品,保質期起不到真正的評估效果[6]。目前,檢測食品新鮮度的方法很復雜,需要專業人員的操作,設備及檢測成本高且耗時長,同時需要對食品進行破壞性處理,不適用于現場快速檢測[7]。因此,急需尋求一種簡單、實時、快速、無損的食品新鮮度檢測技術。

在這方面,已經使用的智能系統是檢測、跟蹤和保護食品質量的一種創新方式,并且它被證明是安全和方便的食品包裝的終極工具[8]。智能系統可分為傳感器、指示器和數據載體,其中,指示器類中的新鮮度指示器最受關注。研究表明,這種指示器制作簡單、使用方便、成本低且應用效果好,具有很大的發展潛力[9]。在現有研究中,以花青素為pH指示劑,殼聚糖為基礎基質材料的新鮮度指示膜較多。因此,本文總結了花青素-殼聚糖基指示膜的物理特性和功能特性及其在肉制品、水產品、奶制品新鮮度檢測中的應用,并指出了當前新鮮度指示膜在應用過程中存在的問題。

1 新鮮度指示膜的概述

新鮮度指示膜已成為監測食物變質的策略之一,也是目前最流行的智能包裝之一。指示膜通常由pH指示劑(化學合成類和天然色素類)和基材(聚合物和生物大分子)兩部分組成。實驗室一般是通過溶液澆鑄法制備得到指示膜,將指示劑與成膜液進行共混后澆鑄到培養皿中,在室溫下干燥成膜,揭膜后置于一定的相對濕度下貯存一段時間再應用。其工作原理即食品腐敗過程中會改變包裝內的氣體成分,這些氣體接觸到膜中的指示劑后會導致膜發生顏色改變[10]。一般來說,膜的色差(ΔE)大于5時很容易被肉眼察覺。而當其大于12時,即使未經培訓的小組成員也可以注意到明顯的顏色差異[11]。由于可以直接用肉眼通過觀察指示膜的顏色變化來監測食品的質量,因此它已經成為新鮮度監測的一個重要研究方向。

指示膜最關鍵的成分就是其中的pH敏感材料,目前大多數的合成染料已被用于制備pH敏感的指示器,如：甲基紅、溴甲酚綠、二甲酚等[12-13]。但其基本上是有毒的,甚至會致癌,這可能會對生命和環境構成嚴重威脅[14]。近年來,有研究開發了一些無毒、經濟、敏感、安全的天然色素來代替化學合成的染料,如：花青素[15]、姜黃素[16]、茜素[17]、紫草素[18]等。其中,花青素因為具有更寬的光譜范圍和更清晰的顏色變化,得到了最廣泛的應用[19]。花青素是一種水溶性色素,屬于酚類化合物,廣泛分布在果蔬、花卉及谷物中。花青素的提取方法一般為溶劑浸提法、微波輔助萃取法、酶解法等。如今,用來制備新鮮度指示膜的花青素一般采用溶劑浸提法進行提取,該方法能夠最大程度地保留花青素的性能[20]。花青素有一個重要特性是pH敏感性,它在不同的pH緩沖溶液中,因其分子結構的改變會使緩沖液呈現不同的顏色。不同來源的花青素的變色情況有一定差別,基本的規律是：在pH<3時,花青素溶液主要呈現為紅色;pH值為4～7時,逐漸由淺紅色變為紫色;pH>7時,溶液變為綠色,且隨著堿性的增強,溶液顏色逐漸加深[21]。根據這一特性,研究者們開發了許多智能包裝膜,實時檢測食品的新鮮度。但花青素這種天然色素很容易就會受到溫度、空氣、光照等各種因素的綜合影響,使得其逐漸降解。如果將花青素引入到食品新鮮度指示中,就需要改善其穩定性。

聚合物或者生物大分子物質通常被用作固定指示劑的基材,基材能夠決定指示膜的機械性能,同時也是顯色反應的場所。為了保證食品的安全性,盡可能地減少包裝材料中有害物質的遷移,一般會選擇安全無毒的生物大分子物質來固定指示劑。殼聚糖是一種天然的動物多糖,安全無毒、不溶于水、可溶于冰醋酸,具有較佳的成膜性,并因其良好的可降解性和生物相容性被常用于開發食品包裝膜。但單一的殼聚糖膜機械性能較差,不能滿足基本的包裝要求[22]。為了改善殼聚糖薄膜的理化性質,可將多糖、蛋白質、植物提取物等多種化合物引入到殼聚糖基質中,以提高膜的整體性能。ZHANG等[23]制備了不同比例的殼聚糖/玉米醇溶蛋白共混膜,發現兩者體積比為1∶1時的機械性能最優,水蒸氣透過率最低。LAN等[24]采用流延法制備了羧甲基纖維素鈉/海藻酸鈉/殼聚糖復合膜,當三者的含量分別為0.5%、1.5%、1.5%時獲得的復合膜顯示出最佳的拉伸強度、水蒸氣透過率以及斷裂伸長率。此外,因殼聚糖有一定的抗菌性,該復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑制效果,可以將其用于抗菌食品包裝中。

2 花青素——殼聚糖基指示膜的性能

花青素的加入會影響殼聚糖薄膜的厚度、外觀、機械性能、阻隔性能、抗氧化活性、抗菌活性等。由于花青素來源的不同、提取得到的花青素含量不同,使得殼聚糖基膜的性能也會有所不同。

2.1 厚度和外觀

厚度可以通過把握成膜液的體積來控制,主要影響薄膜的機械性能和阻隔性能。低含量的花青素對殼聚糖薄膜的厚度影響不大,高含量的花青素會破壞殼聚糖的內部結構,導致厚度增加[25]。薄膜的外觀主要是指顏色,與花青素的來源、添加量等有關。單一的殼聚糖膜幾乎是透明的,呈淺黃色。KUREK等[26]發現添加了富含花青素的藍莓和黑莓提取物后,復合膜的顏色分別變為藍綠色和紫色。并且隨著花青素添加量的增大,復合膜的透明度會逐漸降低,ΔE會逐漸增加。此外,基材的性質也會影響指示膜的顏色。殼聚糖作為一種陽離子多糖,而花青素為α-苯基苯并吡喃陽離子,兩者可以通過靜電相互作用結合[27]。

2.2 機械性能和阻隔性能

花青素的來源和添加量對殼聚糖薄膜的機械性能和阻隔性能有一定的影響,這種性能的變化主要歸因于花青素與基質之間的相互作用,如靜電相互作用、氫鍵作用[28]。WANG等[25]將富含花青素的黑大豆種皮提取物與殼聚糖溶液混合制備復合膜,隨著花青素含量(基于殼聚糖質量的0%、5%、10%、15%)的增加,復合膜的拉伸強度由14.83 MPa增加到23.24 MPa,斷裂伸長率由44.87%增加到73.88%,這主要是因為花青素和殼聚糖鏈通過氫鍵緊密結合,從而增強了復合膜的力學性能。同時復合膜的水蒸氣透過率逐漸降低,可能是因為兩者的相互作用形成了致密的網絡結構,從而減少了水蒸氣的透過。YAN等[29]研究發現在殼聚糖溶液中加入不同含量的蝴蝶布丁花花青素(基于殼聚糖質量的0%、10%、15%、20%)后,復合膜的拉伸強度由13.6 MPa增加到31.9 MPa,斷裂伸長率由15.7%增加到40.5%,可能是因為殼聚糖、肉桂精油和花青素之間形成了氫鍵,增強分子間的交聯性,從而增強了復合膜的機械性能。而水蒸氣透過率逐漸增加,可能是因為高含量的花青素溶解性變差,而且花青素本身的親水性會促進水蒸氣的輸送。YONG等[30]將不同含量的花青素紫肉甘薯提取物加入到殼聚糖基質中,制備了抗氧化和智能薄膜。隨著花青素添加量(基于殼聚糖質量的0%、5%、10%、15%)的增大,復合膜的拉伸強度先由15.79 MPa增大到17.73 MPa后減小到13.67 MPa,斷裂伸長率則由44.87%顯著降低到9.47%,可能是因為花青素中的酚類化合物阻礙了殼聚糖薄膜的鏈-鏈相互作用,使得交聯處的脆性增加。低含量的花青素復合膜的水蒸氣透過率較低,因為其能夠與殼聚糖分子建立物理相互作用,而高含量的花青素在殼聚糖膜中的分散性變差,破壞了膜本身的致密結構,從而導致水蒸氣透過率增加。由此可見,花青素能夠對基材的機械性能和阻隔性能產生較大的影響,但因為成膜方法、花青素的來源及添加量、基質等的不同而表現出不同的影響。

2.3 抗氧化活性

具備抗氧化性的薄膜可以延緩食品的氧化,對食品品質的維持有重要作用。花青素含有大量酚羥基,它們可以通過形成苯氧基來清除自由基達到抗氧化的功能。而單一的殼聚糖膜抗氧化性能較差,加入花青素之后可以增強其抗氧化活性。影響薄膜的抗氧化活性的因素有很多,如花青素與基質的交聯作用、復合膜的含水率、花青素的添加量等。LI等[31]發現添加紫薯花青素的殼聚糖薄膜的抗氧化活性顯著增加,相較于單一的殼聚糖薄膜,其DPPH自由基清除率提高了113.67%,H2O2自由基清除率提高了68.84%,且添加了花青素的殼聚糖薄膜與同時添加花青素與表面去乙酰化甲殼素納米纖維的薄膜相比,兩者的抗氧化性無明顯差異。QIN等[32]發現加入紫玉米花青素的殼聚糖薄膜,其DPPH自由基清除能力顯著提高,各種薄膜的DPPH自由基清除能力從高到低依次是：殼聚糖/Ag納米粒子/花青素復合膜>殼聚糖/花青素復合膜>殼聚糖/Ag納米粒子復合膜>殼聚糖薄膜。YONG等[33]將富含花青素的紫米提取物和黑米提取物分別加入到殼聚糖中,制備了2種復合膜。研究表明2種復合膜都能顯著提高DPPH自由基清除能力,且呈劑量依賴性,但第2種復合膜的抗氧化效果更強,主要原因是該復合膜中的花青素含量更高。

2.4 抗菌活性

花青素因其典型的類黃酮結構,存在大量的酚羥基,對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌等高蛋白類食品中常見的致腐菌有抑制作用。殼聚糖分子鏈上有帶正電的氨基基團,使得其本身具有一定的抗菌活性。將花青素加入到殼聚糖膜液中,2種物質的協同作用對致病菌的抑制效果更好,從而提高食品的貨架期和安全性。AMAREGOUDA等[34]制備了含尖葉藍花楹花青素的殼聚糖/聚乙烯醇復合膜,其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這2種食源性致病菌抑制效果良好,且在一定濃度范圍內,隨著花青素含量的增加,抑菌效果也增強。TAVASSOLI等[35]發現分別添加伏牛花和藏紅花花青素的明膠/殼聚糖納米纖維復合膜都能夠有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,2種花青素復合膜的抑菌效果差異不大,且都對金黃色葡萄球菌的抑制效果略佳。KOOSHA等[36]制備了以黑胡蘿卜花青素為指示劑的殼聚糖/聚乙烯醇智能膜,該復合膜對大腸桿菌、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的抑制率分別為40%、35.63%、44.56%。

3 花青素——殼聚糖基指示膜在食品監測中的應用

食品在貯存期間會發生一系列生化反應導致其品質降低,食品變質表明其已經失去了食用價值和經濟價值,一旦誤食就會對消費者的身體健康產生危害。近年來,許多開發的花青素-殼聚糖基指示膜已被用于監測食品的新鮮度,主要是肉制品、水產品和奶制品(表1)。

表1 花青素-殼聚糖基指示膜在食品新鮮度監測中的應用Table 1 Application of anthocyanin-chitosan-based indicator films in food freshness monitoring

3.1 肉制品

肉制品是飲食的重要成分,含有豐富的蛋白質,極易受到污染而腐敗變質,這個過程是微生物污染、脂質和蛋白質氧化、多種酶作用的結果。肉制品在腐敗時,也會導致包裝內氣體成分發生變化,就可以用花青素-殼聚糖基指示膜來監測肉制品的腐敗程度。VO等[37]以紅甘藍花青素為指示劑,以殼聚糖和聚乙烯醇為基材,添加三聚磷酸鈉作為交聯劑,制得力學性能更好的指示膜,用于監測豬肉的新鮮度。在豬肉的貯存過程中,觀察到指示膜由最初的半透明的海綠色(0 h)變為粉紅色(12 h),最終變成淺黃綠色(24 h),與豬肉的腐敗變質相對應。WANG等[38]將纖維素納米晶和富含花青素的紫玉米芯提取物均勻分散到殼聚糖基質中,制備得到pH響應的復合膜。將其用于4 ℃下豬肉的新鮮度監測,豬肉在貯存3 d后,揮發性鹽基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)達到17.3 mg/100 g,薄膜由黃色(0 d)變成了淺黃色(3 d),最終變成灰色(4 d)。

3.2 水產品

魚、蝦等屬于高蛋白類的水產品,在加工和運輸過程中容易受到污染,造成品質下降,進而影響其食用安全性。水產品腐敗時,其蛋白質逐漸分解會產生揮發性堿性物質,可用花青素-殼聚糖基指示膜來監測腐敗程度。WU等[39]將不同含量的黑米糠花青素加入到殼聚糖/氧化幾丁質納米晶基質中,制備了一種新型智能膜。實驗結果表明,黑米糠花青素含量為3%的指示膜能夠通過可見的顏色變化監測魚蝦的變質。LU等[40]將氧化鋅(ZnO)納米顆粒和黑花生種皮中的花青素加入到殼聚糖/明膠基質中制成指示膜,該薄膜具有很強的抗氧化及抗菌活性,且能夠在不同的緩沖溶液中表現出良好的變色性能。將該指示膜用于4 ℃時蝦的新鮮度監測,結果發現,膜的顏色變化(暗紅色-淺紅色-淺綠色)與蝦的新鮮度指標值(TVB-N、pH、菌落總數)的變化高度相關,表明該指示膜能夠實時監測食品的新鮮度。

3.3 奶制品

奶制品的腐敗變質是由多種因素引起的,主要是微生物的降解代謝。花青素-殼聚糖基指示膜主要是以牛奶作為監測對象,將指示膜置于牛奶表面、或者浸入牛奶里,當牛奶的新鮮程度發生變化,其pH隨之改變,指示膜就會發生不同程度的顏色變化。LI等[41]通過溶液澆鑄法將紫番茄花青素和殼聚糖制成指示膜用于監測牛奶的新鮮度。實驗結果發現,指示膜由綠色(新鮮期)到黃色(中等新鮮期)再到粉色(變質期),整個顏色變化過程肉眼很容易區分,這表明該指示膜具有潛在的應用前景。EBRAHIMI等[42]制備了黑胡蘿卜花青素/纖維素/殼聚糖指示膜,以監測巴氏殺菌牛奶的腐敗。該指示膜在20 ℃下存放一個月后仍然具有較好的顏色穩定性。將其用于監測20 ℃下貯藏的新鮮的巴氏殺菌牛奶,肉眼可以輕松觀察到指示膜由藍色變為紫羅蘭玫瑰色。

4 指示膜在食品監測應用過程中面臨的問題和挑戰

指示膜在食品新鮮度檢測中具有很大的發展潛力,但是,在研究過程以及應用過程還是面臨諸多挑戰。近年來,比較關注的2個問題就是指示膜的靈敏性和穩定性。大量的研究集中于通過用不同的基材復配比較指示膜的靈敏性,同時也可以優化指示膜中花青素的含量來比較顏色變化的響應速度。另一個關鍵問題是花青素的穩定性,它會直接影響指示膜的穩定性。花青素本身是不穩定的,需要低溫貯存。指示膜的制備方法也會對花青素的穩定性有所影響,比如擠壓、熱壓等方法會產生高溫使得花青素降解,因此,指示膜的貯藏條件及使用壽命也需要探究。

4.1 靈敏性

指示膜對包裝內氣體的靈敏性越高,就越能及時地顯示出食品的新鮮程度。其靈敏性測試可以用揮發性氨響應,也可以用不同的pH緩沖液。研究表明,在不同的pH緩沖溶液中,指示膜的顯色和花青素溶液本身的顯色是同步的,但存在一定的差異,隨著花青素添加量的增大,指示膜顯現出的顏色逐漸加深[52]。值得注意的是,成膜基質因其結構性質的不同,膜的透明度、透氣性等也會有所差異,也會對顯色效果有一定的影響[53]。

指示膜的靈敏度與花青素的含量有關。研究發現,花青素含量高的指示膜變色時間長,顏色變化顯著;而花青素含量低的指示膜變色時間快,但顏色比較淡。在應用時,應探究合適的花青素含量使得監測結果更有效。此外,納米材料作為一種新型材料,也逐漸被用作指示膜的基材。納米材料的比表面積和孔隙率更大,對一些化學物質的感知能力更強。ALIZADEH-SANI等[54]將伏牛花花青素和甲基纖維素、殼聚糖納米纖維復合,制備了一種智能指示膜,其在30 min時的氨敏感性達到70.61%,并顯示出從粉色到淡綠色再到黃色的明顯的顏色變化,該指示膜已成功用于羊肉的新鮮度指示。ALIZADEH-SANI等[55]將藏紅花花青素固定在由殼聚糖納米纖維和甲基纖維素組成的基質中,制備了一種多功能的包裝膜。將該復合膜用于監測羊肉在貯存過程中的新鮮度變化,隨著羊肉品質的惡化,薄膜由紫色變成了綠色/灰色。

4.2 穩定性

指示膜用于食品的新鮮度監測是基于膜的顏色變化,故膜本身的顏色穩定性直接影響監測結果的準確性。其穩定性測試一般選取食品在銷售過程中的2個極端溫度(4 ℃ 和 25 ℃)作為實驗溫度。ZHAI等[53]制備了玫瑰茄花青素/淀粉/聚乙烯醇的新型指示膜,在顏色穩定性試驗中發現,該指示膜在4 ℃和25 ℃下穩定性良好,最長可達14 d,且4 ℃下的穩定性更好,兩者的相對顏色變化都小于5%。除溫度外,指示膜的穩定性還與光照、花青素的來源、基質的性質等有關。

不同植物來源的花青素穩定性不同,含芍藥色素較多的花青素穩定性更高,如紫甘薯、紅甘藍等。此外,花青素的酰基化也有利于提高穩定性。FEI等[56]用馬來酸酐通過固相接枝法將藍莓花青素酰化,發現酰化后的花青素仍然保持了pH敏感性,但穩定性明顯增強。并且其氨氣響應特性與非酰化的花青素相似,但響應速度稍有滯后,表明酰化花青素制成智能指示膜將會有更長的使用壽命和更準確的食品新鮮度監測能力。ZENG等[57]利用酶催化法對藍莓花青素進行酰化,提高了花青素的抗氧化活性及穩定性,但對pH顏色響應特性的影響不大,表明酰化花青素可以提高智能指示膜的使用壽命,拓展花青素的應用前景。

此外,也有研究采用了許多不同的物理方法去提升花青素的穩定性。ZHANG等[58]利用蛋白質-多糖納米體系改善花青素的低穩定性,通過掃描電鏡觀察到,花青素在復合基質中分布均勻,制得的復合膜對不同的pH緩沖液和揮發性氨具有明顯的比色響應,且在豬肉新鮮度下降時呈現出明顯的從紫紅色到深藍色的顏色變化。SUN等[59]以覆盆子花青素作為新鮮度指示劑,并以低酰基結冷膠作為基材,制成內層膜,外層為殼聚糖膜,提升指示膜的整體性能。該雙層指示膜能夠表現出更高的不透明度,從而降低了光對花青素的影響。將該雙層膜用于檢測豬肉餅和魚球的新鮮度,在4 ℃下貯存6 d和3 d后,豬肉餅和魚球中的TVB-N含量均增加至變質水平,同時觀察到雙層膜的顏色由粉紅色逐漸變為棕色,最終變為深綠色。

此外,與單一色素相比,混合色素可以提高穩定性,擴大變色范圍,達到更精確的指示效果。姜黃素是一種醇溶性色素,遇堿會發生顏色變化,具有很強的抗氧化活性,將其與花青素混合可以起到優勢互補的效果。CHEN等[60]以花青素和姜黃素為混合指示劑,制備了可視化的pH敏感薄膜,用于魚肉新鮮度的實時無損檢測。通過顏色穩定性試驗發現,單一的花青素復合膜的穩定性最差,花青素和姜黃素混合的復合膜穩定性較好,且高濃度的姜黃素復合膜具有更好的顏色穩定性。ZHOU等[61]也制備了以花青素或姜黃素為指示劑的雙層指示膜,用于監測雞肉的新鮮度。將不同類型的指示膜浸泡在不同的pH緩沖溶液中,其中含花青素和姜黃素混合的指示膜比單一的含姜黃素的指示膜的顏色變化明顯,更適于監測雞肉的新鮮度。

5 結語

殼聚糖常用作食品包裝膜的基材,基于花青素-殼聚糖指示膜的研究大量發表,其對評價食品的安全性和質量十分有益。但殼聚糖的耐水性不強,再加入一定含量的水溶性花青素后,復合膜的水溶性也會發生變化。因此可以引入其他疏水性強的基材,提升花青素-殼聚糖基指示膜的整體性能。此外,將納米材料作為指示膜的基材,提升對包裝內酸堿度變化的敏感程度,已經引起了研究人員的高度關注。但食品腐敗涉及到很多復雜的化學變化,因此還需要在特異性識別上做深度研究。

此外,大多數的天然色素類指示劑的pH敏感性略遜于化學染料,故需要提高其pH靈敏度,以確保精度。花青素的穩定性仍然是一個需要攻克的難題,目前的研究主要是通過基材的保護等物理方法,如果采用化學改性的方法去提高其對光、熱穩定性,還要保證改性后的色素對pH敏感,這樣才能繼續應用在智能包裝領域。智能指示膜的顏色變化雖然可以用肉眼區分,但還是存在差異,因此可以將智能指示膜與數字化信息技術結合,提供更加準確的指示效果。