基于甲基纖維素改性聚乙烯醇指示膜的制備、表征及對(duì)南美白對(duì)蝦的鮮度指示

黃佳茵，周雅琪，陳美玉，李 苑，吳甜甜，胡亞芹,*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，智能食品加工技術(shù)與裝備國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南方果蔬保鮮技術(shù)集成科研基地，浙江省健康食品制造與品質(zhì)控制國際合作基地，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)馥莉食品研究院，浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315100）

隨著消費(fèi)觀的轉(zhuǎn)變，大眾在食品鮮度的高要求對(duì)食品安全檢驗(yàn)提出了巨大考驗(yàn)，涉及食品流通的多方角色亟需通過快速無損的檢測手段獲得產(chǎn)品信息，可將食品鮮度可視化的智能包裝因此受到廣泛關(guān)注[1]。

鮮度指示膜作為智能包裝的一種，由指示劑和基材兩個(gè)部分組成。大量研究利用合成色素如溴甲酚綠[2]等作為指示劑，但研究發(fā)現(xiàn)單一指示劑變色范圍窄，對(duì)中間態(tài)腐敗等級(jí)的顏色過渡不明顯。Chen Huizi[3]和Nopwinyuwong[4]等的研究結(jié)果表明，復(fù)配指示劑具有更好的指示效果。因此，為提高變色效果，考慮到現(xiàn)已有關(guān)于溴甲酚紫和甲基紅作為單一指示劑進(jìn)行鮮度檢測的報(bào)道[5-6]，本研究選擇將價(jià)格低廉、易獲得的二者復(fù)配制備指示劑，其具備鮮度可視化的可能，但目前鮮有將它們混合的文獻(xiàn)研究。

目前，以定性濾紙為基材的合成色素指示膜研究較為廣泛，但色素與濾紙的結(jié)合方式主要為物理吸附，難以保證穩(wěn)定結(jié)合[3,7]?？紤]到以天然可降解大分子作為基材是近來天然色素指示膜的熱點(diǎn)，本研究創(chuàng)新性地將合成指示劑與大分子物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，以期通過更為緊密的結(jié)合得到更優(yōu)性能。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）具良好成膜性能，但其富含大量裸露羥基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易造成極差的耐水性能[8]。共混改性是改善聚合物性質(zhì)的常用方式，纖維素作為生物相容性佳的物質(zhì)，其分子鏈上羥基可與PVA產(chǎn)生氫鍵作用，降低活性羥基含量，提升耐水性等性能。葛鑫等[9]研究表明其制備的PVA-微晶纖維素復(fù)合膜具良好疏水性；Peresin等[10]研究同樣表明PVA和纖維素可通過產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用獲得優(yōu)異性能。因此，來源廣泛、價(jià)格低廉且在食品領(lǐng)域普遍認(rèn)可的甲基纖維素（methyl cellulose，MC），作為一種纖維素衍生物，其分子鏈上同樣富含大量羥基，可與PVA產(chǎn)生緊密結(jié)合，從而改善指示膜特性。然而目前鮮見有關(guān)于MC改性PVA的報(bào)道。

伴隨食品的腐敗，機(jī)體釋放出的揮發(fā)性胺與指示膜中的水分反應(yīng)產(chǎn)生OH-，從而改變環(huán)境酸堿度，指示劑在感應(yīng)到酸堿度的變化后顏色發(fā)生改變。因此，在腐敗過程中易釋放大量揮發(fā)性含氮化合物的水產(chǎn)品，可作為指示膜鮮度檢測對(duì)象。Mo Rijian等[2]成功制備溴甲酚綠指示膜并應(yīng)用于魚塊鮮度檢測；何華鵬等[6]制備溴甲酚紫復(fù)合膜對(duì)青魚進(jìn)行檢測，其顏色伴隨腐敗呈由黃到紫的變化。此外，也有以天然色素如花青素[11]、茜素[12]為指示劑制備的指示膜應(yīng)用于帶魚、虹鱒魚片等水產(chǎn)品檢測的報(bào)道。但相較于合成色素而言，天然色素獲得方式較為繁瑣。近年來有關(guān)鮮度指示膜應(yīng)用于水產(chǎn)品的研究表明，由于指示劑特性各不相同，其檢測閾值和適用的檢測對(duì)象均存在差異，在實(shí)際研究中，應(yīng)就具體指示膜對(duì)某種水產(chǎn)品的檢測效果進(jìn)行具體分析，而目前鮮有關(guān)于甲基紅復(fù)配溴甲酚紫指示膜應(yīng)用于南美白對(duì)蝦鮮度檢測的研究。

本研究以MC共混改性PVA為基材，溴甲酚紫和甲基紅為混合指示劑制備指示膜。比較不同基材配比對(duì)指示膜物理性能及檢測性能的影響，并將性能最優(yōu)的指示膜以指示標(biāo)簽的形式應(yīng)用于南美白對(duì)蝦的鮮度檢測，旨在為其實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活南美白對(duì)蝦（Penaeus vannamei），單只質(zhì)量為（12±1）g，養(yǎng)殖于舟山海域，購于浙江省杭州市駱家莊農(nóng)貿(mào)市場。

溴甲酚紫、甲基紅、PVA、MC 國藥化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MCR302智能型高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀 上海安東帕商貿(mào)有限公司；AVA TAR370傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）儀 美國Thermo Fisher公司；SU-8010掃描電子顯微鏡 日本日立公司；OCA20視頻接觸角測量儀 德國DATAPHYSI公司；UV-2600紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；PARAM XLW(M)智能數(shù)字拉力分析儀 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 指示膜的制備

采用流延澆鑄法制備基材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的指示膜，選擇m（PVA）∶m（MC）＝1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1 5 種比例。將PVA加入100 mL蒸餾水，于75 ℃水浴加熱并攪拌至溶解，隨后加入MC，室溫下磁力攪拌2 h，得PVA-MC膜液。取溴甲酚紫及甲基紅粉末，分別溶于無水乙醇得5 g/L指示劑溶液，選擇溴甲酚紫和甲基紅溶液按3∶2（V/V）比例混合，得顯色效果佳的復(fù)配指示劑溶液。取4 mL復(fù)配指示劑溶液，加入PVA-MC膜液，繼續(xù)攪拌1 h，調(diào)節(jié)pH值至5.0，得指示劑體積分?jǐn)?shù)為4%的成膜溶液。超聲去泡后，取20 mL膜液倒至培養(yǎng)皿（d＝9 cm），置于35 ℃烘箱12 h成膜。揭膜后，避光貯存。將m（PVA）∶m（MC）比例為1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1的5 種配比指示膜標(biāo)記為X1～X5，以相同的方法制作的PVA指示膜為對(duì)照；以同法制備未添加指示劑的PVA/MC復(fù)合膜（m（PVA）∶m（MC）＝1∶1）用于FTIR表征及透光率測定，標(biāo)記為PVA/MC。

1.3.2 指示膜結(jié)構(gòu)表征

1.3.2.1 流變學(xué)特性測定

利用流變儀在25 ℃、剪切速率掃描范圍0～200 s-1條件下觀察黏度與切速率關(guān)系；在頻率1 Hz、剪切力1.00%、溫度25 ℃、保溫時(shí)間45 min條件下，測定彈性模量（G’）和儲(chǔ)能模量（G”）。

1.3.2.2 FTIR圖譜測定

將指示膜各組分、PVA/MC復(fù)合膜及鮮度指示膜（X3）進(jìn)行FIIR表征。膜干燥后于FTIR儀在透射模式下掃描紅外光譜，波數(shù)范圍4 000～500 cm-1，分辨率2 cm-1。

1.3.2.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察

取干燥膜經(jīng)真空濺射噴金處理后，利用掃描電子顯微鏡觀察其表面微觀形貌并拍照。

1.3.3 指示膜物理特性測定

1.3.3.1 厚度及機(jī)械性能測定

用外徑千分尺測量厚度，每張膜隨機(jī)取6 個(gè)點(diǎn)，計(jì)算平均值，單位為μm；參照支雅雯等[13]的方法，測定拉伸強(qiáng)度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EB），將膜剪成80 mm×10 mm，初始夾距40 mm，拉伸速率25 mm/min，分別按照公式（1）、（2）計(jì)算TS及EB，平行4 次實(shí)驗(yàn)。

式中：F為拉伸過程最大力/N；S為有效受力面積/mm2；L1為斷裂時(shí)膜長度/mm；L0為初始長度/mm。

1.3.3.2 疏水性能測定

將質(zhì)量為m1的膜放置于鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)置溫度為105 ℃，烘干至質(zhì)量不再變化，測得質(zhì)量為m2，按照公式（3）計(jì)算水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；將膜干燥后裁剪成1 cm×4 cm大小放置于視頻接觸角測量儀測定水接觸角，測試介質(zhì)為蒸餾水，設(shè)置液滴量為3.5 μL。

1.3.3.3 阻隔性能測定

將膜裁剪后放入比色皿，貼于皿壁，利用紫外-可見分光光度計(jì)在300～750 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描，測定透光率；將膜包覆于盛有20 mL蒸餾水的50 mL小燒杯口，室溫下放入含有硅膠的干燥器，每隔2 h稱質(zhì)量，共稱取6 次，按公式（4）計(jì)算水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）。

式中：WVP為水蒸氣透過率/（g/（m·s·Pa））；Δm為測定時(shí)與2 h前的質(zhì)量差/g；d為厚度/mm；S為膜的有效面積/m2；Δp為膜兩側(cè)壓強(qiáng)差（3 179 Pa）；t為時(shí)間（7 200 s）。

1.3.4 指示膜檢測特性的測定

1.3.4.1 pH值響應(yīng)能力

將膜裁剪為4 cm×4 cm正方形，浸沒于pH 3～10的緩沖溶液，靜置5 min，于標(biāo)準(zhǔn)光源下拍照，并提取圖像特征信號(hào)CIELab，以初始色澤值為對(duì)照，按公式（5）計(jì)算總色差值（ΔE）。

式中：ΔL、Δa、Δb分別表示與初始亮度值、紅綠值、黃藍(lán)值的差值。

1.3.4.2 顏色穩(wěn)定性

將膜放入聚乙烯自封袋中，分別貯藏于4 ℃和25 ℃，每2 d進(jìn)行顏色指標(biāo)（L、a、b值）采集，以第0天為對(duì)照，按公式（5）計(jì)算色差值表征顏色穩(wěn)定性。

1.3.5 指示膜在南美白對(duì)蝦鮮度檢測的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

本研究中將指示膜作為指示標(biāo)簽貼附于包裝材料，進(jìn)行鮮度檢測的應(yīng)用。將指示膜裁剪成1 cm×1 cm大小，貼于培養(yǎng)皿頂部內(nèi)表面，取1 只蝦放入，且不與指示膜直接接觸，于4 ℃冰箱貯存10 d，每2 d測定相關(guān)指標(biāo)；參照Ezati等[12]的方法測定pH值；根據(jù)GB 5009.228—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》測定總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)至少設(shè)3 次平行，使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，利用單因素方差分析進(jìn)行顯著性差異分析，P＜0.05表示差異顯著。利用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 成膜溶液流變學(xué)特性表征結(jié)果

圖1 成膜溶液的靜態(tài)流變學(xué)特性（A）和動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性（B）Fig.1 Steady (A) and dynamic (B) rheological behavior of film-forming solutions

成膜溶液靜態(tài)流變學(xué)特性如圖1A所示，伴隨著剪切速率的增加黏度下降，符合非牛頓流體的特點(diǎn)[14]，表明膜液具良好成膜性。張利銘[15]和Glusac[16]等的研究同樣得到成膜液剪切稀化的結(jié)果，分析是由于受剪切力影響，分子間纏結(jié)點(diǎn)解開，分子沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。對(duì)照組黏度最低，表明其體系內(nèi)分子所受束縛最小，這是由于沒有MC的輔助，PVA和指示劑的結(jié)合較為松散。此外，X1黏度最大，表明擁有更低的假塑性，體系內(nèi)聚合物分子運(yùn)動(dòng)受限，形成有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17]。

利用動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性進(jìn)一步探究各組分相互作用，結(jié)果如圖1B所示。低頻率時(shí)，G’＜G”，隨著頻率的增加，G’增長速率逐漸超過G”，從而在某個(gè)位置呈現(xiàn)交點(diǎn)，這是典型聚合物溶液纏結(jié)行為[18]，表明各相混合均勻。比較各組，X1交點(diǎn)出現(xiàn)在更低頻處，反映該體系內(nèi)MC和PVA的分子間氫鍵作用更為強(qiáng)烈，纏結(jié)能力更強(qiáng)。相比之下，對(duì)照組交點(diǎn)出現(xiàn)在更為高頻的位置，表明復(fù)合膜體系內(nèi)雖產(chǎn)生一定的纏結(jié)行為，但程度不如其他組強(qiáng)烈。

2.2 膜的FTIR圖譜

圖2 指示膜成分及指示膜FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of indicator films

如圖2所示，PVA的FTIR圖譜在3 423 cm-1處存在一個(gè)較寬的—OH伸縮振動(dòng)峰，表明含大量氫鍵，加入MC后，該吸收峰位移至3 446 cm-1處，這是新氫鍵的形成和不同基材間氫鍵強(qiáng)弱差異造成的波數(shù)改變[19]，而指示膜中較窄的吸收峰可表明MC與PVA分子鏈上的羥基結(jié)合，進(jìn)而破壞了PVA晶型結(jié)構(gòu)。PVA和MC分別在1 092 cm-1和1 061 cm-1處存在明顯的—C—O特征吸收峰，在指示膜中，對(duì)應(yīng)峰位移至1 063 cm-1處，證明復(fù)合體系內(nèi)有新分子間作用力形成。MC在2 933 cm-1處的特征峰為—CH2伸縮振動(dòng)峰，而在指示膜復(fù)配體系中，該特征峰位移至2 936 cm-1處，表明新氫鍵的形成。比較PVA/MC復(fù)合膜、指示膜及指示劑譜圖，指示劑的引入不會(huì)對(duì)成膜基材的特征峰及成膜基材間的相互交聯(lián)產(chǎn)生明顯影響。FTIR結(jié)果表明，成膜體系內(nèi)各組分主要通過分子間作用力產(chǎn)生氫鍵相互影響，且復(fù)配后化學(xué)組分并未發(fā)生改變。

2.3 膜的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 指示膜表面掃描電子顯微鏡圖（×1 000）Fig.3 Scanning electron micrographs of surface of indicator films (× 1 000)

如圖3所示，對(duì)照組表面光滑平整，表明復(fù)合膜體系內(nèi)PVA和指示劑的極高的相適性，且能通過氫鍵的形成構(gòu)建緊密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。加入MC后，除極個(gè)別指示膜表面引入少量孔隙外（X5），大部分指示膜均擁有較為平滑的表面，表明溴甲酚紫和甲基紅能均勻分布于膜表面，未產(chǎn)生肉眼可見的分離，上述結(jié)構(gòu)表征結(jié)果相一致，可體現(xiàn)體系內(nèi)各組分間具有高相容度。趙曉彤等[20]的研究結(jié)果同樣表明PVA和纖維素之間具有高相容性，其表示納米纖維素的填充作用可改善大豆分離蛋白/PVA/納米纖維素復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，使得膜結(jié)構(gòu)更為光滑平整。

2.4 膜的厚度及機(jī)械性能

表1 指示膜厚度和機(jī)械性能Table 1 Thickness and mechanical properties of indicator films

膜厚度與基材密切相關(guān)[21]，其大小會(huì)直接影響膜的相關(guān)物理特性。表1表明，引入MC后，厚度顯著增加（P＜0.05）。TS與物質(zhì)晶型和分子間氫鍵作用力有關(guān)[22]，MC的加入可大幅提升復(fù)合膜的TS，可能是由于MC與PVA之間緊密氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成。伴隨著MC占比的增加，TS逐漸增大，由X5的（51.84±5.00）MPa增至X1的（65.36±4.29）MPa，分析是由于當(dāng)MC占比增加到一定程度時(shí)，自身會(huì)發(fā)生聚集纏繞，從而與PVA結(jié)合產(chǎn)生更為牢固的結(jié)構(gòu)。EB可反映材料的柔軟性能，MC的引入顯著降低了復(fù)合膜的EB，X1～X5的EB較對(duì)照組分別降低91.11%、92.23%、90.02%、89.19%和48.09%，其中PVA占比最多的X5具有最高的EB，表明PVA是一種極具柔性的材料，加入MC后可在一定程度上提升復(fù)合體系的剛性，分析可能是由于MC與PVA之間產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用，縮短分子間的距離，使體系內(nèi)分子結(jié)構(gòu)更為緊密[23]，導(dǎo)致EB降低，柔性下降。何神濤等[24]比較不同比例共混的PVA/丁二酸酯淀粉復(fù)合膜發(fā)現(xiàn)，過多的PVA會(huì)降低膜力學(xué)性能，與本研究結(jié)果一致，分析可能與較為疏散的結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。

2.5 膜的疏水性能

水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可表征材料與外界水分接觸的能力，其值越高，膜疏水性能越差。如表2所示，隨著PVA添加量的增加，指示膜水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，分析最初的下降可能是由于少量PVA可提供更多水分通道。水接觸角作為衡量材料表面潤濕參數(shù)的指標(biāo)，其角度越大，表明潤濕性越差，材料疏水性能越強(qiáng)。MC的引入將水接觸角大小由對(duì)照膜的18.10°增加至43.96°～57.30°，表明可大幅提升疏水性能，與水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合。葛鑫等[9]的研究結(jié)果同樣表明纖維素在改善PVA疏水性方面有顯著作用，分析與微結(jié)構(gòu)有關(guān)。MC所含的大量羥基可與PVA通過氫鍵結(jié)合，構(gòu)建緊密有序的網(wǎng)絡(luò)，縮短分子間距離，減少PVA中活性親水基團(tuán)的暴露，從而降低復(fù)合膜結(jié)合水的能力。

表2 指示膜含水率和水接觸角Table 2 Moisture contents and water contact angles of indicator films

2.6 膜阻隔性能

圖4 指示膜透光率（A）和MVP（B）Fig.4 Light transmission properties (A) and water vapor permeability (B) of indicator films

透光率的大小可用來反映復(fù)合膜體系內(nèi)共混各相的相容性，透光率越小，光阻隔性能越強(qiáng)，良好的紫外阻隔性能可在一定程度上保護(hù)食品免受光照干擾。首先，對(duì)成膜基材的透光率進(jìn)行探究。如圖4A所示，未添加指示劑的PVA/MC復(fù)合膜透光率最高，這與二者極高的透明度有關(guān)。當(dāng)加入指示劑后，透光率明顯下降，這是由于溴甲酚紫和甲基紅復(fù)配指示劑具有較深的色澤，表明該指示劑的引入可提升指示膜的紫外屏障特性，指示膜的光阻隔性能主要由指示劑的性質(zhì)所決定。其次，比較對(duì)照組和各實(shí)驗(yàn)組，引入MC后，透光率明顯降低。分析可能是由于MC的加入使PVA原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，光散射在非晶區(qū)及晶區(qū)界面產(chǎn)生，光通路進(jìn)而發(fā)生改變[25]，表明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化可改善復(fù)合膜光阻隔性能。Lee等[26]的研究同樣表明，引入雙醛纖維素后PVA基復(fù)合膜的透光率有略微降低，其認(rèn)為這與二者在體系內(nèi)的均勻分散有關(guān)。

WVP可表征復(fù)合膜對(duì)水分的阻隔性能。由圖4B可知，WVP與MC添加量呈反比，X1的WVP最低，僅為（1.66±0.22）×10-8g/（m·s·Pa），這是由于此時(shí)MC的大量存在會(huì)降低PVA活性親水基團(tuán)的含量；而X5體系內(nèi)親水性PVA占較大比重，易溶脹造成疏松結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得水分容易通過，使得WVP達(dá)到最大值（2.13±0.04）×10-8g/（m·s·Pa）。同時(shí)，MC的引入也會(huì)顯著改善復(fù)合膜的水分阻隔性能，這與疏水性能結(jié)果相一致。分析是由于MC與PVA的緊密結(jié)合，會(huì)在體系內(nèi)部搭建緊致有序的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，從而阻礙水分?jǐn)U散通路，降低通過速率[27]。

上述研究結(jié)果表明，指示膜結(jié)構(gòu)特性與物理特性間存在著一定的關(guān)聯(lián)。緊密有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，可通過形成強(qiáng)烈的分子間作用力，提升機(jī)械性能，改善疏水性能，同時(shí)增強(qiáng)阻隔性能，進(jìn)而有助于指示膜擁有優(yōu)異的物理特性。

2.7 膜的pH值響應(yīng)能力

靈敏的pH值響應(yīng)能力是指示膜必備條件之一。如表3所示，隨著pH值的增加，L、a、b值整體呈下降趨勢，指示膜呈現(xiàn)由紅橙到紫再到黑的變化過程。這是由于溴甲酚紫和甲基紅在環(huán)境酸堿度發(fā)生變化的過程中會(huì)參與質(zhì)子傳遞，分子軌道的不同能級(jí)可造成吸光性質(zhì)的差異，從而呈現(xiàn)顏色差異[28]。通常認(rèn)為當(dāng)色差值ΔE大于5時(shí)，該顏色變化可被肉眼讀出[29]。本研究中，在水產(chǎn)品腐敗pH值集中變化區(qū)（6～8），5 組指示膜ΔE均大于5，表明新鮮到腐敗的差異可由指示膜顏色肉眼識(shí)別。其中，擁有最優(yōu)物理特性的X1在該區(qū)間（pH 6～8）ΔE變化最大，表明良好的物理性能有助于指示劑顯色特性的保護(hù)，從而提升指示膜檢測性能。

表3 指示膜的pH值響應(yīng)能力Table 3 pH response of indicator films

2.8 膜的顏色穩(wěn)定性

圖5 指示膜在25 ℃（A）和0 ℃（B）貯存過程中的顏色穩(wěn)定性Fig.5 Color stability of indicator films during storage at 25 (A) and 4 ℃ (B)

顏色穩(wěn)定性對(duì)指示膜在判別水產(chǎn)品鮮度的實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要，本研究中，利用指示膜在不同貯藏時(shí)間與貯藏第0天的色差值（ΔE）可表征其在較長貯藏時(shí)間內(nèi)的顏色變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)指示膜穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)[1,30]。隨著貯藏時(shí)間的延長，各指示膜ΔE均逐漸增加，暗示顏色穩(wěn)定性的下降，這可能與指示劑的氧化分解有關(guān)。低溫環(huán)境貯存可更好地保護(hù)其穩(wěn)定性，表明指示劑易受熱影響。如圖5所示，基材配比不同的各指示膜穩(wěn)定性在同等貯存條件下不存在明顯差異，這是由于顏色穩(wěn)定性主要與指示劑相關(guān)。Merz等[31]的研究結(jié)果同樣表明，其制備的花青素指示膜顏色穩(wěn)定性主要由花青素含量決定。通常而言，水產(chǎn)品鮮度在冷藏和常溫貯存條件下可分別維持0.5 d和7 d，圖5表明，在遠(yuǎn)超于鮮度維持時(shí)間的貯藏末期，ΔE均小于5，表明制備的指示膜具較高顏色穩(wěn)定性。鄒小波等[1]制備的花青素/殼聚糖/PVA指示膜顏色穩(wěn)定性低于本研究，一方面是由于花青素易降解；另一方面則與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。指示膜的高穩(wěn)定性可側(cè)面表征各組分的高結(jié)合度，如結(jié)構(gòu)表征所述，指示劑可均勻地嵌入由成膜基材組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其與外界的接觸受阻，進(jìn)而降低變性能力。此外，良好的物理特性能為膜體系創(chuàng)造相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，使保護(hù)指示劑不受破壞，提升了顏色穩(wěn)定性。

2.9 指示膜在南美白對(duì)蝦鮮度檢測中的應(yīng)用結(jié)果

基于上述指示膜性能比較，選擇X1指示膜進(jìn)行南美白對(duì)蝦鮮度檢測的應(yīng)用探究。如圖6所示，貯藏8 d時(shí)pH值顯著增加至7.73±0.01（P＜0.05），此時(shí)品質(zhì)可明顯區(qū)別于新鮮樣，標(biāo)記為完全腐敗，且通常認(rèn)為當(dāng)pH值大于7.7時(shí)，水產(chǎn)品不可食用。TVB-N含量可作為水產(chǎn)品鮮度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)其含量可將鮮度等級(jí)劃分為一級(jí)鮮度（＜15 mg/100 g）、二級(jí)鮮度（15～20 mg/100 g）、三級(jí)鮮度（2 0 ～3 0 m g/1 0 0 g）和完全腐?。ǎ?0 mg/100 g）[32]。貯藏第4天，南美白對(duì)蝦TVB-N含量上升至（28.23±4.04）mg/100 g，對(duì)應(yīng)三級(jí)鮮度，隨后TVB-N含量持續(xù)增加，到6 d時(shí)已增至（48.07±2.02）mg/100g，超出可食用標(biāo)準(zhǔn)。上述兩個(gè)化學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果并不完全相同，是因?yàn)門VB-N可直接由含氮化合物降解產(chǎn)生，而該反應(yīng)速率較快。因此，將pH值和TVB-N含量這兩個(gè)化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合，而非依靠單一指標(biāo)進(jìn)行判斷，可更全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鮮度。貯藏前2 d，南美白對(duì)蝦pH值較低，TVB-N含量小于10 mg/100g，可認(rèn)為處于一級(jí)鮮度；到貯藏中期（4～6 d），pH值和TVB-N含量均快速上升，雖TVB-N含量已達(dá)腐敗標(biāo)準(zhǔn)，但pH值仍遠(yuǎn)低于腐敗標(biāo)準(zhǔn)，因此可認(rèn)為處于二級(jí)鮮度；貯藏末期（8～10 d），pH值和TVB-N含量均已超過可食用標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為已完全腐敗。綜上所述，將4 ℃貯藏下的蝦鮮度劃分為3 個(gè)等級(jí)：0～2 d，一級(jí)鮮度；4～6 d，次級(jí)鮮度；8～10 d，完全腐敗。

圖6 南美白對(duì)蝦pH值和TVB-N含量變化Fig.6 Changes in pH and TVB-N content of P.vannamei during storage

圖7 指示膜對(duì)南美白對(duì)蝦鮮度指示應(yīng)用結(jié)果Fig.7 Application of indicator films in freshness monitoring of Penaeus vannamei

圖7為將指示膜應(yīng)用于蝦后的鮮度檢測實(shí)拍圖。未放置南美白對(duì)蝦的空白組在貯藏期間并未發(fā)生明顯視覺變化，表明指示膜的顏色變化是由于蝦腐敗揮發(fā)物質(zhì)釋放所致，而非指示劑自身變化。比較指示膜在不同時(shí)間的顏色，0～2 d為鮮艷紅褐色，為一級(jí)鮮度；4 d時(shí)，指示膜顏色轉(zhuǎn)為紫褐色，此時(shí)TVB-N含量超過一級(jí)鮮度標(biāo)準(zhǔn)；8 d時(shí)，指示膜呈現(xiàn)為黑色，TVB-N含量達(dá)到（60.90±7.00）mg/100 g，pH值為7.73±0.01，表明完全腐敗。需要注意的是，雖然指示膜顏色可以明顯區(qū)分新鮮（0～2 d）和腐?。?～10 d），但由于4 d之后的指示膜顏色較深，其顏色變化難以從圖片中直觀感知。因此，需對(duì)顏色及化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步探究二者的關(guān)聯(lián)。

表4 指示膜用于南美白對(duì)蝦鮮度檢測的顏色變化Table 4 Color changes of indicator films when applied in shrimp freshness monitoring

表4為X1指示膜的顏色指標(biāo)變化，隨著貯藏時(shí)間的延長，L、a和b值逐漸下降，ΔE則呈現(xiàn)上升趨勢，其變化與指示膜的pH響應(yīng)行為一致。差異顯著性分析表明L、a值和ΔE在不同鮮度等級(jí)區(qū)間存在顯著差異（P＜0.05），證實(shí)利用指示膜顏色對(duì)鮮度進(jìn)行區(qū)分的可行性。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，L、a與ΔE化學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)均顯著或極顯著相關(guān)（表5）。此外，對(duì)ΔE和pH值、TVB-N含量分別進(jìn)行線性回歸擬合，所得到的高決定系數(shù)（R2＝0.855 2/0.896 8）表明指示膜判別與化學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果相一致（圖8）。綜合以上分析，可將指示膜顏色與鮮度等級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，即紅褐色為一級(jí)鮮度，紫褐色為次級(jí)鮮度，黑色則為完全腐敗。比較孟令偉等[33]制備的溴甲酚紫指示膜在豬肉鮮度檢測中呈現(xiàn)由黃到紫的二元變色，以及Dong Huilin等[34]以萘醌染料為指示劑在蝦鮮度檢測中從紅到紫的變化，可發(fā)現(xiàn)相較于單一指示劑簡單的顏色變化，本研究采用的復(fù)配指示劑可呈現(xiàn)多級(jí)鮮度的判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品鮮度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Chen Huizhi等[3]制備的甲基紅溴百里酚藍(lán)指示膜，同樣表明了復(fù)配指示劑在豬肉鮮度檢測的優(yōu)勢。

表5 指示膜顏色指標(biāo)與化學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)性分析Table 5 Pearson correlation analysis between film color and chemical spoilage indexes

圖8 指示膜ΔE與 pH值（A）和TVB-N含量（B）的回歸擬合分析結(jié)果Fig.8 Regression analysis of ΔE versus pH (A) and TVB-N content (B)

3 結(jié) 論

本研究以MC共混改性PVA為基材，制備溴甲酚紫和甲基紅為指示劑的鮮度檢測指示膜。結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，體系內(nèi)各組分間通過氫鍵作用力形成緊密網(wǎng)絡(luò)，且相容性好，其中，m（MC）∶m（PVA）＝3∶1的指示膜表面光滑，流變學(xué)研究結(jié)果暗示其分子間作用力最為強(qiáng)烈；MC的引入可大幅度改善PVA相關(guān)物理性能，X1指示膜具有最強(qiáng)的機(jī)械性能、疏水性能及阻隔性能；檢測性能研究發(fā)現(xiàn)，制備的指示膜均能對(duì)pH值變化作出響應(yīng)，且均具有較高的顏色穩(wěn)定性；將最優(yōu)性能的X1應(yīng)用于南美白對(duì)蝦鮮度檢測，冷藏條件下貯藏4 d，指示膜顏色由紅褐色轉(zhuǎn)為紫褐色，對(duì)應(yīng)次級(jí)鮮度，隨后在貯藏第8天轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，此時(shí)南美白對(duì)蝦pH值為7.73±0.01，TVB-N含量達(dá)（60.90±7.00）mg/100 g，已完全腐敗。不同鮮度等級(jí)指示膜顏色存在明顯差異，且指示膜顏色與鮮度化學(xué)指標(biāo)顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）相關(guān)。綜上，本研究制備的指示膜具有優(yōu)良的性能，可作為指示標(biāo)簽可視化呈現(xiàn)水產(chǎn)品鮮度變化，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)用潛能。今后研究應(yīng)從探究指示膜的安全性、毒性及對(duì)包裝食品品質(zhì)的影響等角度展開，以驗(yàn)證其作為包裝材料的可行性。