颜色指示型智能包装监测生鲜肉新鲜度的研究进展

贾惜文,王 浩,曹传爱,于 栋,孔保华,刘 骞

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

生鲜肉(猪肉、鱼、虾等)是人们生活当中不可或缺的一类食物。随着生活水平的提高,人们对于生鲜肉的要求也越来越高。由于生鲜肉含有丰富的脂肪和蛋白质等营养物质,因此其在贮藏或者运输过程中容易发生脂质氧化、蛋白质氧化以及微生物污染等。生鲜肉腐败变质不仅会对其风味、口感和营养价值产生不利影响,而且还容易引发食源性疾病,对人们的健康造成一定的危害[1]。然而,消费者很难通过视觉观察准确地判断生鲜肉的新鲜程度。因此,开发一种监测生鲜肉新鲜度的食品智能包装对于判断生鲜肉品质以及监测生鲜肉货架期具有非常重要的意义。

近年来,随着科技的迅速发展,食品智能包装技术成为研究热点,国内外许多专家和学者致力于指示型食品智能包装的研究。指示型食品智能包装指的是通过监测食品包装内部环境的变化,从而获得食品品质信息的一种新型的包装技术[2]。目前,用于肉及肉制品的指示型智能包装技术主要包括三种,分别是:时间-温度指示型、泄露指示型和颜色指示型[3]。时间-温度指示型智能包装是通过酶促反应以及其他理化反应来指示食品包装内温度随时间改变而发生变化的一种指示方式,通过温度的变化来反映食品的相关信息[4]。然而,此方法生产和应用成本较高,因而在实际应用过程中受到限制。泄露指示型智能包装是指利用特殊定制的氧气或者二氧化碳指示卡检测包装内部氧气或者二氧化碳的含量,从而确定包装完整性的一种指示方法,该方法在乳及发酵类制品中应用较多,但在食品储存过程中,食品内部微生物生长繁殖也会产生二氧化碳,因此利用此方法判断包装是否泄露并不准确[5]。相比之下,颜色指示型智能包装是一类可以通过直观的颜色变化来反映包装内部食品品质以及其新鲜程度的包装方式,具有灵敏度高、成本低等优点[6-8]。目前,英国等国家已经将新鲜度指示标签应用于超市检验食品的品质和新鲜程度,并且获得消费者的一致好评[9]。虽然国内商业化的颜色指示型智能包装目前还不多见,但是现有的研究成果可以为颜色指示型智能包装的开发和利用提供一些有价值的理论基础,并使其尽快应用于实际的食品生产中。

表1 化学指示剂以及其应用列举Table 1 Chemical indicators and their application examples

因此,本文主要对颜色指示型智能包装及其原理、颜色指示剂的类型以及几种目前常用的成膜基材等方面进行系统综述,阐述颜色指示型智能包装在生鲜肉中的应用,并针对目前该智能包装存在的相关问题进行总结和展望,以期为颜色指示型智能包装在生鲜肉品质监测中的应用奠定一定的理论基础。

1 颜色指示型智能包装概述

1.1 颜色指示型智能包装及其原理

颜色指示型智能包装是指一种可以通过直观地颜色变化来反映包装内部食品品质以及其新鲜程度的包装方式。通常,颜色指示型智能包装以对pH敏感的色素成分(包括天然色素成分和化学指示剂)作为指示剂,以聚合物(如聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)等)或者生物大分子(如淀粉、壳聚糖等)作为固定指示剂的基质材料。其制备过程如图1所示(以聚乙烯醇和淀粉为基材为例)[10]。作为一种智能食品包装系统,颜色指示型智能包装具有尺寸小、灵敏度高、成本低以及适用于长距离运输等多个优点。

图1 颜色指示型食品智能包装膜制备过程示意图[10]Fig.1 Schematic illustration of the preparation process ofthe color indicator intelligent food packaging films[10]

颜色指示型智能包装的工作原理即生鲜肉在储藏过程中产生的特定气体与特定的指示剂发生反应并产生特定的颜色变化(如图2所示)[11],根据指示剂不同的颜色变化可以直观地判断该生鲜肉的品质以及其新鲜程度。新鲜肉类(如猪肉、虾和鱼类等)的肌肉以及血液通常是无菌的,其腐败过程一般是由于生鲜肉类在屠宰、加工以及运输过程中受到外界环境中微生物的污染或者酶的作用而导致的。通常,牲畜或者鱼类在死亡之后,其肌肉中的碳水化合物发生消化作用,造成乳酸和磷酸在肌肉中大量积累,此时pH会呈现短暂的降低;而后由于腐败微生物在肌肉中大量繁殖,蛋白质发生氧化降解,使得肌肉被逐渐分解,产生大量的无机氨类和一些其他有机分解物,促使pH明显升高[12]。因此可以利用对pH敏感的颜色指示剂来监测生鲜肉包装环境中pH的变化进而指示生鲜肉的品质变化。

图2 新鲜度指示膜颜色变化示意图(以姜黄素(Curcumin,Cur)为例)[11]Fig.2 Schematic of the changes in the freshnessindicator intelligent food packaging films’ color[11]

1.2 颜色指示型智能包装指示剂的类型

1.2.1 化学合成指示剂 化学合成指示剂是化学试剂的一类,在一定的介质条件下,其能够产生肉眼可见的颜色变化,常常被用来检验溶液的酸碱性。最初,大部分监测食品新鲜度的研究集中于使用化学指示剂(如表1所示)。但是应用过程中发现,这类指示剂存在pH显色范围小、颜色变化单一等问题,并且如果将其长期用于食品会对人们健康造成潜在的危害。基于上述限制因素,化学指示剂并不适合于可食性物质新鲜度的监测,因此,寻求一种对pH敏感、绿色健康环保的天然新鲜度指示剂用于监测食品贮藏期间的新鲜程度成为当前研究的热点。

1.2.2 植物提取物指示剂

1.2.2.1 花青素 花青素(Anthocyanidins),又名花色素,是一种酚类化合物,属于黄酮类物质,广泛存在于植物的果实中。许多植物的花、果实和叶子所呈现的颜色大多数是由花青素产生的。花青素之所以会产生颜色变化是因为其中存在的酚类和共轭物质,比如天竺葵色素、矢车菊色素、飞燕草色素、芍药色素、牵牛花色素和锦葵色素[21]。自然状态的花青素以糖苷形式存在,称为花色苷,很少有游离的花青素存在。花青素具有安全无毒、易萃取以及水溶性好等特点。研究表明花青素兼具抗氧化性和抑菌活性,同时也是一类气敏性物质,可与食品储藏过程中产生的腐败气体发生显色反应[22]。因此,花青素提取物是颜色指示剂的理想原料。

图3 姜黄素的主要结构在不同pH条件下的存在形式[11]Fig.3 The main structure of the curcumin is present in different pH conditions[11]

目前,从某些植物组织(如紫薯、紫甘蓝和苋菜)中提取的天然染料花青素已经应用到基于pH变化的颜色指示,其颜色变化主要是基于不同pH条件下花青素结构发生改变。花青素在不同pH的颜色变化如表2所示[23]。在水溶液中,花青素以四种分子混合物的形式存在。在pH1～3范围内,花青素主要是以Flavylium阳离子形式存在,其颜色呈现红色。在pH4～5范围内主要发生甲醇假碱基去质子化和水合作用,花青素以醇型假碱形式存在,呈现浅红色。在pH7～9下形成醌型碱,呈现蓝紫色。随着pH的进一步增加,当pH>9时,花青素在碱性环境中降解,其颜色逐渐变为黄绿色,且随着碱度的增加颜色逐渐变深。根据花青素颜色随pH变化而变化这一特点,可以将其作为智能包装的颜色指示剂用于监测食品尤其是生鲜肉的品质变化。近年来,将花青素作为颜色指示剂应用于食品新鲜度监测的研究也越来越多。Maciel等[24]研究用壳聚糖和花青素混合制备的基于温度变化监测pH变化的食品包装膜。Pereira等[25]将壳聚糖与从甘蓝中提取的花青素混合制备用于监测食品pH变化的包装膜。另外,Liu等[26]设计一种新型广泛pH感应比色膜(κ-卡拉胶-黑果枸杞提取物)用于监测食品新鲜度,结果表明,该指示膜在牛奶和新虾的新鲜度监测中具有良好显色效果。可见,花青素作为颜色指示剂在食品智能包装中具有潜在的应用价值。

表2 不同pH下花青素的颜色变化Table 2 Color change of anthocyaninsunder different pH values

1.2.2.2 姜黄素 姜黄素(Curcumin),是一种从姜黄及其根茎中提取出来的天然成分,是植物界比较稀有的二酮类色素。通常,姜黄素为橙黄色的结晶粉末,不溶于水,食品生产中主要应用于香肠制品、酱卤肉制品以及罐头食品等的着色。医学研究表明,姜黄素具有抗癌、抗炎、抗氧化和抗菌等生物活性[27]。在溶液中,姜黄素表现出酮-烯醇互变异构现象。姜黄素的结构随pH变化而改变(如图3所示),进而引起颜色的变化[11,28]。在pH3～7范围内,大多数二甲酰基甲烷在溶液中呈中性,溶解性非常低,溶液呈亮黄色;当pH>8时,溶液逐渐变为红色,且随着碱性的增加,溶液最终变为红棕色。姜黄素在乙醇、氯仿、二甲基亚砜和油中溶解度较大主要归因于其化学结构的变化。与花青素相比,姜黄素作为一种新开发的pH比色指示剂,目前有关其新鲜度监测的研究还较少。Ma等[11]将姜黄素掺入到卡拉胶/聚乙烯醇制备用于监测食品新鲜度的智能包装薄膜,而Musso等[29]利用明胶作为基材将姜黄素包埋制备可食用性薄膜用于监测食品新鲜度,研究发现随着pH由酸性到碱性的变化姜黄素的颜色由最初的黄色逐渐变为深红棕色,因此可以用于检测生鲜肉贮藏过程中产生的碱性物质进而指示食品本身的新鲜程度。Kuswandi等[30]利用以姜黄素为指示剂开发一种对挥发性碱性化合物响应的传感器,用于监测鱼类在贮藏过程中品质的变化。

1.3 颜色指示型智能包装成膜基材

1.3.1 聚乙烯醇 聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)是一种乙烯基聚合物,同时也是唯一一种可以被细菌作为碳源和能源利用的合成类聚合物。在细菌或者酶的催化作用下,PVA在40 d内降解程度高达75%甚至更高,是一种可降解的生物高分子材料[31]。

PVA具有以下几个优点:合成简便,安全且无毒可降解;气体阻隔性能良好,利用PVA制备的薄膜干燥后对氧气等气体具有良好的阻隔能力;成膜性能和生物相容性比较好;机械性能突出,抗拉伸能力较强;价格低廉,水溶性好。基于以上诸多优势,使得PVA制备的薄膜基材广泛应用于食品、药品等包装领域[32]。然而,由于PVA中存在大量的亲水性羟基,具有吸水性强、疏水性较差的特点,因此容易受到环境中湿度的影响,使其在应用中具有一定的局限性[33]。为了解决上述问题,拓宽其应用,研究表明将PVA与某些生物大分子(如淀粉、壳聚糖)或高分子材料共混可以改善其疏水性差、机械强度低等缺陷。Pereira等[25]制备PVA/壳聚糖时间-温度指示膜,壳聚糖分子的加入使得分子间作用力增强,整个膜的水溶解性降低,机械性能得到有效改善。Liu等[34]将PVA与淀粉共混制备浇注膜,并向其中掺入花青素和柠檬烯两种生物活性物质,研究结果表明:PVA/淀粉共混膜不仅具有显著的抑菌作用,并且可以作为新鲜度指示膜用于实时监测食品储藏期间的品质变化。淀粉和PVA均含有大量的羟基基团,极性强,分子间容易形成氢键,生物相容性好。因此,利用PVA与淀粉共混成膜性得到显著改善,机械性能明显提高。值得注意的是,该膜可以被完全生物降解,在食品包装领域具有广阔的应用前景。

1.3.2 淀粉 淀粉(Starch)是由葡萄糖分子聚集形成的一类天然多糖类高聚物,通常由直链淀粉和支链淀粉组成,是碳水化合物最为普遍的储存方式[35]。自然界中的淀粉资源丰富,且具有安全无毒、可降解、可再生以及生物相容性好等优点,是食品中成膜的理想原料[36]。然而由于淀粉疏水性较差和机械强度较低,使其在食品包装应用中受到限制。为了克服上述缺陷,研究发现淀粉与改性剂三偏磷酸钠(Sodium trimetaphosphate,STMP)混合,通过化学交联的方式可以增强其机械抗拉伸能力[37]。另外,将淀粉与高聚物聚乙烯醇混合制备的成膜材料具有增强疏水性的特性[38]。

1.3.3 壳聚糖 壳聚糖(Chitosan)又称脱乙酰甲壳素,是由甲壳素经过脱乙酰作用形成的天然高分子聚合物。壳聚糖是自然界中少有的阳性多糖,具有良好的生物相容性、生物可降解性以及优异的成膜特性和抑菌性能,因此广泛应用于食品包装行业[39]。Maciel等[40]将从石榴汁中提取的花青素与壳聚糖混合制备基于温度变化的指示型智能包装材料,随着温度的升高(40～70 ℃),指示膜颜色逐渐由浅紫色变为浅黄色。然而壳聚糖优异的水溶性在实际应用过程中是不利的,因此改善壳聚糖膜的耐水性,防止其在食品腐败变质过程溶解是目前研究的焦点。

提高壳聚糖膜的疏水性方法主要有以下几个方面:首先,利用交联剂来提高聚合物的疏水性是常用的方法。常用的交联剂有甲醛、戊二醛等,虽然其耐水性效果好,但是其毒性较高并非适用于食品行业[39]。而从栀子果实中提取的天然生物交联剂,如三聚磷酸盐、京尼平,由于其交联效果好、安全无毒而广泛应用于食品和医药领域。另一方面,从不同种植物中提取的酚类化合物可以与壳聚糖分子中的羟基和游离氨基相互作用,通过分子间作用力改善壳聚糖自身的疏水性[41]。例如,Hafsa等[42]利用浇注法和溶剂蒸发法制备含有蓝桉精油的壳聚糖活性薄膜,结果发现壳聚糖薄膜的疏水性有所改善,膜的抗菌特性和抗氧化活性显著提高。Halász等[43]将从黑莓果中提取的花青素掺入到壳聚糖中制备pH敏感的新鲜度指示膜,研究发现黑莓果中的活性成分可以有效改善壳聚糖的疏水性,提高壳聚糖膜的耐水性,酸性环境中指示膜能够保持其完整性和稳定性,因此可以将其用于监测容易在酸性条件下变质的食品。但是此指示膜在碱性环境中的稳定性还有待于进一步研究验证。Yoshida等[44]认为花青素与壳聚糖分子之间存在静电吸引力,因此降低壳聚糖膜的溶解性。

1.3.4 琼脂 琼脂(Agar)又名琼胶,是一种从海藻中提取的天然多糖。琼脂是由β-D吡喃半乳糖残基和α-L吡喃半乳糖残基通过β-(1,3)糖苷键和α-(3,6)糖苷键交替连接而成的复杂异构体。由于琼脂在低浓度下具有可再生性、生物可降解性、良好的胶凝性以及优异的乳化稳定性等诸多优点,是一种具有潜在发展前景的涂膜材料。Phan等[45]利用琼脂、木薯淀粉、大米淀粉等原料制备涂膜材料,研究发现,琼脂涂膜具有更加均匀、柔韧等特点,同时琼脂膜的防潮性能和机械性能要明显高于其他涂膜材料,在食品包装中具有潜在的应用。此外,研究发现,将琼脂与淀粉混合制备的复合膜,可以有效改善淀粉基薄膜的机械性能差和易吸湿降解等缺陷[46]。因此,琼脂/淀粉复合膜在监测肉类腐败变质应用中具有潜在用途[47]。

1.3.5魔芋葡苷聚糖 魔芋葡苷聚糖(Konjac glucomannan,KGM)是一种储存于魔芋块茎部位的天然高分子多糖,其结构一般是由β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖通过β-1,4-糖苷键或β-1,3-糖苷键连接而成[48]。魔芋葡甘聚糖是一种不含热量且具有饱腹感的膳食纤维,能够减少和延缓葡萄糖的吸收,抑制脂肪酸的合成,有利于人体肠道健康。魔芋葡甘聚糖具有良好的持水性和粘结性,导致其成膜性能优异。最近,它在食品包装以及药物控释和靶向递送系统中引起广泛关注,例如利用魔芋葡甘聚糖制备对pH敏感和对光响应的用于控释的微球,其在包埋递送领域具有应用前景[49-50]。Huang等[51]研究魔芋葡甘聚糖在伤口敷料中的应用,结果显示,用碱处理的魔芋葡甘聚糖膜表现出更优良的性能,良好的生物相容性更有利于伤口修复。Xiao等[52]采用溶剂浇铸法制备KGM-明胶新型复合膜,研究表明,KGM与明胶分子间主要通过氢键作用结合,KGM的加入改善共混膜的热稳定性和机械性能(拉伸强度和断裂伸长率)。基于魔芋葡甘聚糖的上述特性,其可以作为新鲜度指示膜基材用于食品智能包装。

2 颜色指示型智能包装在生鲜肉中的应用

作为我国消费量最大的肉类,猪肉大约占所有肉类的百分之六十以上。随着生活水平的提高,人们对于生鲜肉的品质要求也越来越高。生鲜肉腐败不仅使得新鲜肉类的气味、质感发生改变,其营养成分也会在很大程度上遭到破坏。pH的改变是生鲜肉腐败变质的一个重要的因素。挥发性胺类(统称为挥发性盐基氮),如三甲胺、二甲胺以及氨气等是猪肉储存过程中微生物降解产生的代谢物质,此类代谢产物会导致猪肉包装环境的pH发生显著的变化。因此,可以利用pH的变化这一特性来研究生鲜肉储存期间的新鲜度监测。近年来,国内外学者对于监测猪肉和鱼虾类食品新鲜度智能包装方面做了大量的研究工作。表3中列举了近几年来颜色指示型智能包装在各类生鲜肉中应用的文献研究。

表3 颜色指示型智能包装在生鲜肉中的应用Table 3 Application of color indicatingintelligent packaging in fresh meat

Zhang等[23]以玫瑰茄花青素作为pH指示成分,以淀粉、PVA和壳聚糖为成膜材料,通过两两组合的形式,开发了三种复合膜,通过表征三种膜的微观结构、力学性能、颜色稳定性和抗氧化活性等指标,最终确定淀粉/PVA/花青素复合膜最适合于进行猪肉新鲜度的监测。上述实验结果表明,36 h时挥发性盐基氮的值增加到15.69 mg/100 g,根据国家标准(GB 2707-2016),猪肉挥发性盐基氮水平的最低限制为15 mg/100 g,因此认为猪肉样品在储藏36 h时肉质表现出不新鲜;另外研究发现此时对应的ΔE值为15.06,这表明当ΔE高于15.06时,猪肉将不能进行出售。此外,复合膜的颜色随着贮藏时间的变化由最初的红色逐渐变为浅红色,在48 h时复合膜红色消失,60 h时呈现绿色,72 h最终变为黄色。由此看出,基于花青素指示型智能包装在监测猪肉腐败过程中具有潜在的应用前景。Choi等[47]利用天然可降解材料-琼脂和马铃薯淀粉对从紫甘薯中提取的花青素进行固定,花青素提取物溶液和含有花青素的琼脂/马铃薯淀粉膜在不同pH(2.0～10.0)环境中分别显示出不同的颜色变化(由最初的红色变为绿色)。实验结果表明,指示膜颜色呈现红色时,新鲜猪肉pH为5.78(L*=64.25,a*=12.23,b*=6.72,其中L*、a*、b*分别代表亮度值、红度值和黄度值)。随着储存时间的延长,指示膜的颜色逐渐变为绿色,此时猪肉pH为7.50(L*=81.55,a*=1.50,b*=8.29),说明已经变质。因此该指示膜可以监测猪肉样品储存期间pH变化以及其腐败变质情况。

除猪肉以外,鱼虾类食品也是一类非常容易腐败变质的食品,就鱼虾类食品而言,死亡后其表面的微生物数量(特定腐败菌)逐渐增加,并且在生物体内的各个组织中繁殖扩散,导致鱼虾食品的腐败变质。鱼虾中最常见的腐败微生物是假单胞菌属,通过检测此菌繁殖产生的代谢物可以监测鲜鱼货架期[58]。因此,挥发性盐基氮的水平同样也是监测鱼虾类物质新鲜度的潜在指标。Liu等[28]用姜黄素监测猪肉以及虾在储藏期间新鲜度的变化,研究结果表明对照组(未添加姜黄素)在储存期间没有表现出明显的颜色变化,而实验组猪肉和虾在第3 d有最开始的黄色变为红色,在储存期间表现出明显的颜色变化。对于挥发性盐基氮水平,猪肉从4.91 mg/100 g增加到31.11 mg/100 g,虾由7.15 mg/100 g增加到41.53 mg/100 g。综上可知,基于姜黄素的卡拉胶膜可以用作动物蛋白食品新鲜度的实时监测。Zhang等[53]以从紫荆花中提取的天然色素成分作为pH指示剂,使用生物大分子壳聚糖作为固定指示剂的基质制备pH敏感的新鲜度指示膜,观察到pH在2.2～9.0范围内指示膜颜色的变化(由红色变为无色再逐渐变为绿色),可以更加直观地监测到猪肉和鱼类样品新鲜度的变化情况。然而,如若将其应用到实际生产中,还需进一步研究指示膜颜色和生鲜肉储藏期间腐败微生物数量之间的关系,以便于更加精准的评估食品的腐败程度。

3 总结与展望

随着人们生活水平的提高,消费者越来越注重生鲜肉品质安全、健康和营养等问题,而肉类的新鲜度是评价其质量的首要因素。颜色指示型食品智能包装作为一种新型的包装方式,不仅具有尺寸小、灵敏度高、成本低等优势,而且是一种更加直观可视化的监测方式,适合对长期储藏或者长距离运输过程中生鲜肉的品质进行监测。然而,这种食品包装方式目前仍然存在一些有待于商讨的问题。首先,多数指示剂都是依据包装内部pH的变化或者特征气体与特定指示剂反应进行显色变化,但是,这些反应容易受到环境因素(温度、湿度以及干扰气体等)的影响进而对指示剂显色的准确性造成困扰。其次,某些指示剂的颜色变化是可以人为干预的,即人们通过改变包装内部的环境而达到改变指示剂颜色的目的,这就给予一些不良商家可乘之机,做出违反道德底线的事情。基于上述问题,颜色指示型智能包装在今后的发展中可做出如下改进:一方面,针对指示剂准确性问题,可以将此包装方式与某些新型纳米技术结合,弥补这一缺陷,比如可以将静电纺丝技术应用到智能包装中,开发新鲜度纳米指示膜,有效提高指示剂的准确性;另一方面,开发更多天然无毒、显色范围宽、对特征气体响应更加灵敏的指示剂并将其应用到颜色指示型智能包装中。为了积极响应可持续发展的要求,追求食品包装的绿色环保,更好的实现智能包装在生鲜肉中的应用,开发新型颜色指示型智能包装将会成为肉类行业智能包装领域的发展趋势。