胭脂萝卜花色苷活性智能指示膜的制备及其特性分析

傅雯雯，曾小芸，李静雯，周崇冰，黄凌，谭飔

长江师范学院 现代农业与生物工程学院（涪陵 408100）

食品指示型智能包装是利用食品在贮运过程中释放的一些特征气体与试剂产生特征颜色反应等引起指示剂颜色变化，从而得到食品实时信息的技术[1]。近年来，在各种食品新鲜度指示包装材料中，pH指示膜会根据食品腐败变质时的理化变化而改变颜色，从而直观呈现食品的新鲜度而备受关注。

pH指示膜主要包括成膜基材和pH敏感指示剂两个部分。成膜基材一般采用安全无毒、可降解的环境友好型材料，如多糖、蛋白、脂质以及其复合物等。多糖如壳聚糖、魔芋葡甘露聚糖、羧甲基纤维素、淀粉等有很强的凝胶作用，成膜后具有良好的机械性能和透明性，常用于指示膜研制[2]。特别地，魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）具有良好的成膜性，能够形成十分致密的网络结构，常被用于制备功能性食品包装材料[3]。羧甲基纤维素钠（CMC-Na）具备无毒、无致敏性等特点，并且具备优良的成膜性、凝胶性以及兼容性，被广泛应用于可降解包装材料的研究[4]。然而，CMC-Na为基材的膜耐水性和柔软性通常较差[5]。目前，将两种或两种以上的基材复配达到协同效果，提高基材的性能，已经成为研究热点，然而KGM和CMC-Na复配用于指示膜的相关研究还较少。

花青素在不同pH条件下颜色不同，可以作为天然pH指示剂，已被广泛用于指示膜的制备研究。胭脂萝卜（carmine radish）为重庆涪陵特色地方蔬菜品种，是丰富的食用红色素优质原材料，主要含花青素-天竺葵素。胭脂萝卜色素用于指示膜制备的研究目前还未见报道。此外，大部分智能指示膜虽然能起到指示的作用，但功能活性还比较欠缺。此次试验拟以KGM和CMC-Na为基材，以胭脂萝卜花色苷为天然指示剂，同时添加不同浓度的茶多酚，制作活性智能指示膜，并进一步分析其特性。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

胭脂萝卜粉（重庆市丹青生物技术有限公司）；食品级羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、魔芋葡甘露聚糖（KGM），河南万邦化工科技有限公司；茶多酚（TP，陕西嘉禾生物科技股份有限公司）。

1.2 仪器与设备

IKA RV10旋转蒸发仪（上海巴玖实业有限公司）；U-T3紫外可见分光光度计，屹谱仪器制造（上海）有限公司；NR60CP色差仪（深圳三恩施科技有限公司）；MXS-1KN微机控制拉力试验机（苏州牧象检测设备有限公司）；ZSD-1090热风干燥箱（上海智城分析仪器制造有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 胭脂萝卜花色苷制备

胭脂萝卜粉按照1∶10（g/mL）加入纯水，超声提取1 h，离心取上清液进行抽滤操作，随后依次进行旋转蒸发浓缩、过AB-8大孔树脂、旋转蒸发浓缩、冻干备用[6]。

1.3.2 胭脂萝卜花色苷光谱特征

将1 mg胭脂萝卜花色苷溶解在13个装有pH 1～13的离心管中，充分混匀，溶解完全，再装入不同的小玻璃瓶中，使用相机记录花青素溶液的颜色变化，并且通过紫外-可见分光光度计进行可见光光谱的扫描，波长范围在400～700 nm之间[7]。

1.3.3 胭脂萝卜花色苷活性智能指示膜的制备

将0.6 g KGM溶于100 mL蒸馏水中，于95 ℃搅拌糊化15 min后备用；取1.2 g CMC-Na溶于100 mL蒸馏水中备用；按照1∶1的体积比混合2种溶液，并依次加入低（0.02%）、中（0.1%）、高（0.2%）不同浓度的茶多酚，均质后，倒入自制有机成膜板中，在45 ℃烘箱中烘干成膜。CMC+KGM制备的膜记为空白，CMC-Na+KGM+花青素制备的膜记为ANS，CMC-Na+KGM+ANS+0.02% TP制备的膜记为低TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.1% TP制备的膜记为中TP，CMC-Na+KGM+ANS+0.2% TP制备的膜记为高TP。揭膜后置于相对湿度（55±1）%、温度（25±1）℃的恒温恒湿箱中平衡48 h后测指示膜性能。

1.3.4 膜厚度的测定

利用数显千分尺测量膜的厚度，选取膜的对角和中心点进行测定，测量5次取平均值。

1.3.5 力学性能的测定

使用MXS-1KN微机控制拉力试验机测定膜的抗拉强度和断裂伸长率。将膜裁剪为80 mm×15 mm的薄条，初始距离为50 mm，测定速率为50 mm/min。每组样品测试10个平行样品，拉伸强度（MPa）、断裂伸长率（%）分别按式（1）和（2）计算[7]。

式中：F为膜断裂时承受的最大张力，N；b为膜宽度，mm；d为膜的厚度，mm；L为膜断裂时的长度，mm；L0为膜的初始长度，mm。

1.3.6 透气性测定

称量瓶内装适量蒸馏水，用指示膜密封瓶口，分别标号D1，D2，D3，D4和D5，在干燥器中室温避光放置24 h，并以未封口的称量瓶作为对照，标号D0。透气性能按式（3）计算。

式中：R为样品透气率，%；Dn为样品n经过24 h的失水量，g；D0为对照组经过24 h的失水量，g。

1.3.7 透光率的测定

将膜裁成4 cm×1 cm的长条，贴于比色皿表面，以空白比色皿作为对照。在600 nm波长下测定复合膜的吸光度（A），重复测定6次，取平均值。合膜的透光率按式（4）计算[8]。

式中：T为复合膜的透光率，%；A为复合膜的吸光度。

1.3.8 颜色稳定性

活性智能指示膜分别放置于温度25 ℃、相对湿度75%的恒温恒湿箱中3 d，每隔1 d利用色差仪对膜的色泽（L、a、b）进行测定，总色差（ΔE）按式（5）计算[9]。

式中：L、a和b分别为膜放置后的测定值；L0、a0和b0为膜放置前初始测定值。

1.3.9 抗氧化活性测定

参照卢俊宇等[10]的方法，略作修改。样品膜溶液的配制：以蒸馏水为溶剂，5种膜材料为溶质，分别配制1，2，3，4和5 mg/mL的膜溶液。

DPPH自由基清除率测定：分别取100 μL膜溶液与100 μL 1 mmol/LDPPH溶液于96孔酶标板中，将其混匀，室温避光放置30 min，于517 nm波长处在酶标仪上测定，各做3个平行重复。

ABTS自由基清除率测定：分别取20 μL膜溶液与280 μL 1 mmol/L ABTS溶液于96孔酶标板中，将其混匀，室温避光放置30 min，于734 nm波长处在酶标仪上测定，各做3个平行重复。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019处理数据，结果表示为平均值±标准差，采用SPSS（20.0）进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 胭脂萝卜花色苷在不同pH下的颜色及可见光谱

花色苷对pH的敏感度是指示膜性能好的重要基础。由图1可知，当pH 1～13时，胭脂萝卜花色苷的颜色随溶液pH的升高呈现出红色→浅红色→粉色→紫色→深紫色→黄色变化。这是由于花色苷在水溶液中不稳定，在特定的pH环境中，黄烊盐离子、醌式碱、甲醇甲碱以及查耳酮4中结构之间存在平衡，随着pH的改变，各结构之间的转换容易受到影响，从而导致花色苷水溶液颜色发生变化[11]。由图2可知，随着溶液pH的增加，胭脂萝卜花色苷的最大吸收峰呈现规律性的增加，向右移动。此试验结果表明，胭脂萝卜花色苷具有较好的pH敏感性，可用作指示膜的指示剂。

图1 胭脂萝卜花色苷在不同pH下的颜色

图2 胭脂萝卜花色苷在不同pH下的可见光谱

2.2 指示膜的厚度、机械性能、透气性

抗拉伸强度和断裂伸长率是衡量膜机械性能的重要参数，抗拉伸强度和断裂伸长率越高说明膜的机械性能越好。从表1可知，这5种膜之间的厚度差异性较大，空白组最薄，中TP与高TP的厚度相当。与空白组相比，添加花青素后，膜的断裂伸长率和抗拉伸强度均升高。在此基础上，随着茶多酚的增加，膜抗拉伸强度也增加。膜的抗拉伸强度与膜分子结晶结构以及氢键有着密切关系[7]，加入胭脂萝卜花色苷和茶多酚后膜抗拉伸强度升高，这可能与其增强氢键作用有关。

以空白膜为参照，茶多酚和花色苷的加入使膜透气性能有所降低，这可能是因为花色苷与茶多酚的加入，与基材的相互作用，增大了基材的致密结构[12]，因此透气性能变差。

2.3 指示膜的透光率

由图3可知，均一的成膜基材具有较好的透光性能，添加花色苷和茶多酚后膜的透光率降低。这主要是因为花色苷本身有颜色，影响膜的透光率。此外，添加花色苷和茶多酚，溶质增加，膜的厚度变大也会阻碍光线的透过。

图3 指示膜的透光率

2.4 指示膜的颜色稳定性

由表2可知，智能指示膜随着贮存时间的延长颜色也随之不断变化。L值代表亮度，4种膜在贮藏期间亮度都呈现下降趋势，可能是因为贮藏期间膜吸潮，透光率降低以及花青素降解等因素引起。这与邹小波等[13]的研究结果一致。a代表红绿色，由结果可以看出，此次研究制作的指示膜呈现胭脂萝卜花色苷原本的粉红色，但是添加茶多酚后，a值降低，颜色变浅。随着贮藏时间的增加，ANS组膜a值明显下降，这主要是花色苷降解引起的，而添加茶多酚后膜颜色相对稳定。ΔE反映膜颜色整体变化，贮藏第1天，膜没有明显变化，从第2天开始ANS膜颜色变化显著，添加茶多酚后膜的颜色变化显著小于ANS组，这可能是茶多酚减少了花色苷的降解[14]。类似地：邢艳霞等[15]研究发现茶多酚能减少紫薯花色苷在烘焙过程的降解；黄敏等[16]的研究也说明茶多酚对巨峰葡萄花色苷的含量具有保护作用；范琳琳等[17]研究也发现茶多酚能减少黑莓清汁花色苷的降解作用。

表2 活性智能指示膜的颜色变化

2.5 指示膜的抗氧化活性

2.5.1 DPPH自由基清除率

如图4所示，空白组膜清除率最低，高TP组清除率最高，达到95%。随着花青素的加入，膜对自由基的清除率也在不断升高，说明胭脂萝卜花色苷也有一定的清除自由基活性，这与廖凌姗等[18]的研究结果一致。此外，添加茶多酚后，膜的清除DPPH自由基活性进一步增加，且在一定范围内，TP含量越多，清除率也就越高，说明TP与自由基清除能力呈正相关。此试验结果表明添加花青素和茶多酚的膜不仅具备指示的作用，还具有较强的清除DPPH自由基活性，可用于食品防腐。

图4 智能指示膜的DPPH清除率

2.5.2 ABTS自由基清除率

5种膜清除ABTS自由基能力如图5所示。结果同DPPH结果一致，添加花色苷和茶多酚后均显著增加了膜清除ABTS自由基能力，且在一定范围内，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较强的抗氧化活性。毕会敏等[19]研究也发现，花青素的加入显著增强了智能包装膜的抗氧化能力。类似地，王倩婷等[20]发现，茶多酚的加入可以增强复合膜的抗氧化能力。

图5 智能指示膜的ABTS清除率

3 结论

研究表明，胭脂萝卜花色苷具有较好的pH响应，可用作pH指示剂用于制备智能指示膜。与空白基材相比，添加花色苷和茶多酚后，膜的机械性能有所改善，透光率降低。茶多酚有助于改善指示膜的颜色稳定性，同时提高膜的抗氧化活性。