胭脂蘿卜花色苷活性智能指示膜的制備及其特性分析

傅雯雯，曾小蕓，李靜雯，周崇冰，黃凌，譚飔

長江師范學院 現代農業與生物工程學院（涪陵 408100）

食品指示型智能包裝是利用食品在貯運過程中釋放的一些特征氣體與試劑產生特征顏色反應等引起指示劑顏色變化，從而得到食品實時信息的技術[1]。近年來，在各種食品新鮮度指示包裝材料中，pH指示膜會根據食品腐敗變質時的理化變化而改變顏色，從而直觀呈現食品的新鮮度而備受關注。

pH指示膜主要包括成膜基材和pH敏感指示劑兩個部分。成膜基材一般采用安全無毒、可降解的環境友好型材料，如多糖、蛋白、脂質以及其復合物等。多糖如殼聚糖、魔芋葡甘露聚糖、羧甲基纖維素、淀粉等有很強的凝膠作用，成膜后具有良好的機械性能和透明性，常用于指示膜研制[2]。特別地，魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）具有良好的成膜性，能夠形成十分致密的網絡結構，常被用于制備功能性食品包裝材料[3]。羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）具備無毒、無致敏性等特點，并且具備優良的成膜性、凝膠性以及兼容性，被廣泛應用于可降解包裝材料的研究[4]。然而，CMC-Na為基材的膜耐水性和柔軟性通常較差[5]。目前，將兩種或兩種以上的基材復配達到協同效果，提高基材的性能，已經成為研究熱點，然而KGM和CMC-Na復配用于指示膜的相關研究還較少。

花青素在不同pH條件下顏色不同，可以作為天然pH指示劑，已被廣泛用于指示膜的制備研究。胭脂蘿卜（carmine radish）為重慶涪陵特色地方蔬菜品種，是豐富的食用紅色素優質原材料，主要含花青素-天竺葵素。胭脂蘿卜色素用于指示膜制備的研究目前還未見報道。此外，大部分智能指示膜雖然能起到指示的作用，但功能活性還比較欠缺。此次試驗擬以KGM和CMC-Na為基材，以胭脂蘿卜花色苷為天然指示劑，同時添加不同濃度的茶多酚，制作活性智能指示膜，并進一步分析其特性。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

胭脂蘿卜粉（重慶市丹青生物技術有限公司）；食品級羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、魔芋葡甘露聚糖（KGM），河南萬邦化工科技有限公司；茶多酚（TP，陜西嘉禾生物科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設備

IKA RV10旋轉蒸發儀（上海巴玖實業有限公司）；U-T3紫外可見分光光度計，屹譜儀器制造（上海）有限公司；NR60CP色差儀（深圳三恩施科技有限公司）；MXS-1KN微機控制拉力試驗機（蘇州牧象檢測設備有限公司）；ZSD-1090熱風干燥箱（上海智城分析儀器制造有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 胭脂蘿卜花色苷制備

胭脂蘿卜粉按照1∶10（g/mL）加入純水，超聲提取1 h，離心取上清液進行抽濾操作，隨后依次進行旋轉蒸發濃縮、過AB-8大孔樹脂、旋轉蒸發濃縮、凍干備用[6]。

1.3.2 胭脂蘿卜花色苷光譜特征

將1 mg胭脂蘿卜花色苷溶解在13個裝有pH 1～13的離心管中，充分混勻，溶解完全，再裝入不同的小玻璃瓶中，使用相機記錄花青素溶液的顏色變化，并且通過紫外-可見分光光度計進行可見光光譜的掃描，波長范圍在400～700 nm之間[7]。

1.3.3 胭脂蘿卜花色苷活性智能指示膜的制備

將0.6 g KGM溶于100 mL蒸餾水中，于95 ℃攪拌糊化15 min后備用；取1.2 g CMC-Na溶于100 mL蒸餾水中備用；按照1∶1的體積比混合2種溶液，并依次加入低（0.02%）、中（0.1%）、高（0.2%）不同濃度的茶多酚，均質后，倒入自制有機成膜板中，在45 ℃烘箱中烘干成膜。CMC+KGM制備的膜記為空白，CMC-Na+KGM+花青素制備的膜記為ANS，CMC-Na+KGM+ANS+0.02% TP制備的膜記為低TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.1% TP制備的膜記為中TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.2% TP制備的膜記為高TP。揭膜后置于相對濕度（55±1）%、溫度（25±1）℃的恒溫恒濕箱中平衡48 h后測指示膜性能。

1.3.4 膜厚度的測定

利用數顯千分尺測量膜的厚度，選取膜的對角和中心點進行測定，測量5次取平均值。

1.3.5 力學性能的測定

使用MXS-1KN微機控制拉力試驗機測定膜的抗拉強度和斷裂伸長率。將膜裁剪為80 mm×15 mm的薄條，初始距離為50 mm，測定速率為50 mm/min。每組樣品測試10個平行樣品，拉伸強度（MPa）、斷裂伸長率（%）分別按式（1）和（2）計算[7]。

式中：F為膜斷裂時承受的最大張力，N；b為膜寬度，mm；d為膜的厚度，mm；L為膜斷裂時的長度，mm；L0為膜的初始長度，mm。

1.3.6 透氣性測定

稱量瓶內裝適量蒸餾水，用指示膜密封瓶口，分別標號D1，D2，D3，D4和D5，在干燥器中室溫避光放置24 h，并以未封口的稱量瓶作為對照，標號D0。透氣性能按式（3）計算。

式中：R為樣品透氣率，%；Dn為樣品n經過24 h的失水量，g；D0為對照組經過24 h的失水量，g。

1.3.7 透光率的測定

將膜裁成4 cm×1 cm的長條，貼于比色皿表面，以空白比色皿作為對照。在600 nm波長下測定復合膜的吸光度（A），重復測定6次，取平均值。合膜的透光率按式（4）計算[8]。

式中：T為復合膜的透光率，%；A為復合膜的吸光度。

1.3.8 顏色穩定性

活性智能指示膜分別放置于溫度25 ℃、相對濕度75%的恒溫恒濕箱中3 d，每隔1 d利用色差儀對膜的色澤（L、a、b）進行測定，總色差（ΔE）按式（5）計算[9]。

式中：L、a和b分別為膜放置后的測定值；L0、a0和b0為膜放置前初始測定值。

1.3.9 抗氧化活性測定

參照盧俊宇等[10]的方法，略作修改。樣品膜溶液的配制：以蒸餾水為溶劑，5種膜材料為溶質，分別配制1，2，3，4和5 mg/mL的膜溶液。

DPPH自由基清除率測定：分別取100 μL膜溶液與100 μL 1 mmol/LDPPH溶液于96孔酶標板中，將其混勻，室溫避光放置30 min，于517 nm波長處在酶標儀上測定，各做3個平行重復。

ABTS自由基清除率測定：分別取20 μL膜溶液與280 μL 1 mmol/L ABTS溶液于96孔酶標板中，將其混勻，室溫避光放置30 min，于734 nm波長處在酶標儀上測定，各做3個平行重復。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019處理數據，結果表示為平均值±標準差，采用SPSS（20.0）進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的顏色及可見光譜

花色苷對pH的敏感度是指示膜性能好的重要基礎。由圖1可知，當pH 1～13時，胭脂蘿卜花色苷的顏色隨溶液pH的升高呈現出紅色→淺紅色→粉色→紫色→深紫色→黃色變化。這是由于花色苷在水溶液中不穩定，在特定的pH環境中，黃烊鹽離子、醌式堿、甲醇甲堿以及查耳酮4中結構之間存在平衡，隨著pH的改變，各結構之間的轉換容易受到影響，從而導致花色苷水溶液顏色發生變化[11]。由圖2可知，隨著溶液pH的增加，胭脂蘿卜花色苷的最大吸收峰呈現規律性的增加，向右移動。此試驗結果表明，胭脂蘿卜花色苷具有較好的pH敏感性，可用作指示膜的指示劑。

圖1 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的顏色

圖2 胭脂蘿卜花色苷在不同pH下的可見光譜

2.2 指示膜的厚度、機械性能、透氣性

抗拉伸強度和斷裂伸長率是衡量膜機械性能的重要參數，抗拉伸強度和斷裂伸長率越高說明膜的機械性能越好。從表1可知，這5種膜之間的厚度差異性較大，空白組最薄，中TP與高TP的厚度相當。與空白組相比，添加花青素后，膜的斷裂伸長率和抗拉伸強度均升高。在此基礎上，隨著茶多酚的增加，膜抗拉伸強度也增加。膜的抗拉伸強度與膜分子結晶結構以及氫鍵有著密切關系[7]，加入胭脂蘿卜花色苷和茶多酚后膜抗拉伸強度升高，這可能與其增強氫鍵作用有關。

以空白膜為參照，茶多酚和花色苷的加入使膜透氣性能有所降低，這可能是因為花色苷與茶多酚的加入，與基材的相互作用，增大了基材的致密結構[12]，因此透氣性能變差。

2.3 指示膜的透光率

由圖3可知，均一的成膜基材具有較好的透光性能，添加花色苷和茶多酚后膜的透光率降低。這主要是因為花色苷本身有顏色，影響膜的透光率。此外，添加花色苷和茶多酚，溶質增加，膜的厚度變大也會阻礙光線的透過。

圖3 指示膜的透光率

2.4 指示膜的顏色穩定性

由表2可知，智能指示膜隨著貯存時間的延長顏色也隨之不斷變化。L值代表亮度，4種膜在貯藏期間亮度都呈現下降趨勢，可能是因為貯藏期間膜吸潮，透光率降低以及花青素降解等因素引起。這與鄒小波等[13]的研究結果一致。a代表紅綠色，由結果可以看出，此次研究制作的指示膜呈現胭脂蘿卜花色苷原本的粉紅色，但是添加茶多酚后，a值降低，顏色變淺。隨著貯藏時間的增加，ANS組膜a值明顯下降，這主要是花色苷降解引起的，而添加茶多酚后膜顏色相對穩定。ΔE反映膜顏色整體變化，貯藏第1天，膜沒有明顯變化，從第2天開始ANS膜顏色變化顯著，添加茶多酚后膜的顏色變化顯著小于ANS組，這可能是茶多酚減少了花色苷的降解[14]。類似地：邢艷霞等[15]研究發現茶多酚能減少紫薯花色苷在烘焙過程的降解；黃敏等[16]的研究也說明茶多酚對巨峰葡萄花色苷的含量具有保護作用；范琳琳等[17]研究也發現茶多酚能減少黑莓清汁花色苷的降解作用。

表2 活性智能指示膜的顏色變化

2.5 指示膜的抗氧化活性

2.5.1 DPPH自由基清除率

如圖4所示，空白組膜清除率最低，高TP組清除率最高，達到95%。隨著花青素的加入，膜對自由基的清除率也在不斷升高，說明胭脂蘿卜花色苷也有一定的清除自由基活性，這與廖凌姍等[18]的研究結果一致。此外，添加茶多酚后，膜的清除DPPH自由基活性進一步增加，且在一定范圍內，TP含量越多，清除率也就越高，說明TP與自由基清除能力呈正相關。此試驗結果表明添加花青素和茶多酚的膜不僅具備指示的作用，還具有較強的清除DPPH自由基活性，可用于食品防腐。

圖4 智能指示膜的DPPH清除率

2.5.2 ABTS自由基清除率

5種膜清除ABTS自由基能力如圖5所示。結果同DPPH結果一致，添加花色苷和茶多酚后均顯著增加了膜清除ABTS自由基能力，且在一定范圍內，TP含量越多，清除率也就越高。膜的抗氧化活性主要是由于花色苷和茶多酚具有較強的抗氧化活性。畢會敏等[19]研究也發現，花青素的加入顯著增強了智能包裝膜的抗氧化能力。類似地，王倩婷等[20]發現，茶多酚的加入可以增強復合膜的抗氧化能力。

圖5 智能指示膜的ABTS清除率

3 結論

研究表明，胭脂蘿卜花色苷具有較好的pH響應，可用作pH指示劑用于制備智能指示膜。與空白基材相比，添加花色苷和茶多酚后，膜的機械性能有所改善，透光率降低。茶多酚有助于改善指示膜的顏色穩定性，同時提高膜的抗氧化活性。