于鑫淼，王瓊瓊，王平，白冰瑤，張麗，張斌，潘磊慶，宋麗軍

1.塔里木大學 生命科學學院，新疆 阿拉爾 843300；2.蚌埠學院 食品與生物工程學院，安徽 蚌埠 233030；3.南京農業(yè)大學 食品科技學院，江蘇 南京 210095

0 引言

食品包裝的主要功能是防止食品變質，保障食品質量安全，延長食品貨架期，有效避免食品受到物理、化學、生物和環(huán)境威脅[1]。傳統食品包裝主要采用紙張、塑料、玻璃和金屬4種材料。其中，塑料因使用方便、美觀、理化性能優(yōu)良，在包裝工業(yè)中得到廣泛應用，但其造成的環(huán)境污染和自然資源耗竭也愈發(fā)引人關注[2]。因此，新型食品包裝材料生物可降解聚合物或生物聚合物受到業(yè)界的廣泛關注[3]。

目前，可供使用的生物聚合物和生物塑料包括天然生物高分子聚合物[4]、化學合成生物高分子聚合物[5]、微生物來源生物高分子聚合物等[6-7]。聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)是一種具有優(yōu)良生物相容性、水溶性和高阻隔性的高分子聚合物，含有大量的親水基團，擁有良好的吸水性和生物降解性，在環(huán)保型包裝材料領域展現出廣闊的應用前景[8]。殼聚糖(Chitosan，CS)是由甲殼素脫乙酰基制備的衍生物[9]，來源豐富，具有良好的生物相容性、抗菌性和生物降解性[10]。翟緯坤等[11]研究發(fā)現，PVA與CS之間可形成氫鍵，兩者共混有望改善PVA的生物降解性和CS的脆性；制成的改性淀粉/PVA可降解薄膜可實現完全生物降解，將其用于開發(fā)新型包裝材料，具有顯著的社會效益和經濟效益。

智能包裝的設計是將呈色物質加入包裝材料中，使其可感知、共享食品在腐敗過程中的pH值變化，并兼具一定的生物活性，在有效延長食品貨賀期的同時，還能對食品的新鮮度進行實時智能指示。例如，王芳[12]利用桑葚色素制備智能包裝薄膜，并將其成功應用于豬肉新鮮度的指示；薛瑾[13]使用桑葚色素制備了三文魚新鮮度的指示型包裝材料。新疆具有豐富的特色植物(如玫瑰花、桑葚、紫蘇等)色素資源，但是有關這些植物色素資源在食品智能包裝領域的研究卻鮮見報道。基于此，本文擬以采自新疆的桑葚、紫蘇葉、葡萄皮和玫瑰花為原料，采用超聲輔助醇提法提取植物色素，采用流延法經烘箱干燥后制備pH敏感型智能包裝薄膜，并對其理化特性、抗氧化活性、pH敏感性等進行研究，以期為開發(fā)基于植物色素的pH敏感型智能包裝薄膜提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 實驗材料桑葚，采摘于新疆喀什地區(qū)莎車縣(76°00′E，39°19′N)；紫蘇葉，采摘于新疆伊犁昭蘇縣(81°07′E，43°09′N)；葡萄皮，采摘于新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣(79°13′E，41°12′N)；玫瑰花，采摘于新疆和田地區(qū)于田縣(81°55′E，36°50′N)。以上材料均采摘于2021年6月。羊肉(多浪羊)，購自新疆疆南牧業(yè)有限公司。

1.1.2 主要試劑CS(脫乙酰度90%)、PVA(分析純)，上海源葉生物科技有限公司產；丙三醇(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司產；三聚磷酸鈉(食品添加劑)，天富(連云港)食品配料有限公司產；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH，純度95%)，西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司產；乙醇(分析純)，天津市致遠化學試劑有限公司產。

1.2 主要儀器與設備

D8 Venture型X射線衍射(X-ray Diffraction, XRD)儀，布魯克(北京)科技有限公司產；YS6003型分光色差儀，深圳市三恩時科技有限公司產；ETM-D型微機控制電子萬能試驗機，深圳萬測實驗設備有限公司產；FD-1A-80 型普通真空冷凍干燥機，上海繼譜電子科技有限公司產；0～25 mm 型機械微米千分尺，東莞三量量具有限公司產；752 G型紫外-可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司產。

1.3 實驗方法

1.3.1 植物色素提取物的制備將桑葚、紫蘇葉、葡萄皮和玫瑰花分別于-50 ℃、真空度≤30 Pa條件下冷凍干燥12 h，粉碎后過40目篩。采用體積分數為60%的乙醇溶液，于料液比1∶30(m(原料/g)∶V(乙醇溶液/mL))的條件下超聲輔助提取45 min，再于4000 r/min條件下離心10 min后，取上清液，于50 ℃減壓條件下進行濃縮。將濃縮液冷凍干燥后即得不同色素提取物凍干粉。

1.3.2 薄膜的制備將0.3 g CS溶解于100 mL乙酸溶液(體積分數為1%)中，室溫、800 r/min條件下磁力攪拌20 min，充分溶解后加入4.0 mL三聚磷酸鈉溶液(質量濃度為1 g/mL)，超聲處理30 min，制得CS溶液，冷藏備用。

將5.0 g PVA加熱溶解于100 mL蒸餾水中，充分溶解后依次加入2.0 g色素提取物凍干粉、0.3 mL CS溶液和1.5 mL丙三醇，混勻后超聲處理30 min。取適量所得溶液置于自制模具中，水平放置于50 ℃干燥箱中干燥，即得復合薄膜。薄膜使用前，需將其在相對濕度為(43±2)%條件下平衡24 h。同理，制得不添加植物色素的復合薄膜，作為空白對照，記為PVA-CS。添加桑葚、紫蘇葉、葡萄皮和玫瑰花色素的復合薄膜分別記為PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP。

1.3.3 薄膜的外觀評價1)薄膜的色差。采用分光色差儀比較薄膜顏色。根據CIEL*a*b*色度空間表征薄膜顏色。其中，L*表示明度；a*為紅度，當a*>0時表示紅色比重較大，a*<0時表示綠色比重較大；b*為黃度，當b*>0時表示黃色比重較大，b*<0時表示藍色比重較大。利用在線網站(www.colortell.com)進行顏色擬合，總色差(ΔE)的計算公式如下：

2)薄膜的不透明度。參考焦欣欣等[14]的方法，采用紫外-可見分光光度計測定薄膜的不透明度。薄膜的厚度按照GB/T 6673—2001[15]進行測定。以空比色皿調0，將薄膜剪成相應大小后置于比色皿內壁，于600 nm處測定薄膜的吸光度，薄膜不透明度的計算公式如下：

不透明度=A600 nm/d

式中：A600 nm為薄膜在600 nm處的吸光度；d為薄膜的厚度/mm。

1.3.4 薄膜的機械性能測定薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率按照GB 1040.1—2018[16]進行測定，計算公式如下：

拉伸強度=F/b×d

斷裂伸長率=L1/L0×100%

式中：F為樣品斷裂時承受的最大拉力/N；b為薄膜的寬度/mm；L1為薄膜斷裂時的拉伸長度/mm；L0為初始夾距/mm。

1.3.5 薄膜的含水率測定參照薛瑾[13]的方法，將薄膜裁剪為2 cm×2 cm大小，于105 ℃干燥箱中烘干至恒重，薄膜含水率的計算公式如下：

式中：Mi為薄膜干燥前的質量/g；Mf為薄膜干燥至恒重后的質量/g。

1.3.6 薄膜的水溶性測定參照陳鳳霞[17]的方法，將恒重后的薄膜放入50 mL蒸餾水中浸泡24 h，取出后再次烘干至恒重，薄膜水溶性的計算公式如下：

式中：Mh為浸泡后薄膜烘干至恒重的質量/g。

1.3.7 薄膜的pH敏感性測定參照王芳[12]的方法，并加以修改。將薄膜裁剪為2 cm×2 cm大小，分別置于pH值為3、5和7的磷酸鹽溶液及pH值為9和11的碳酸鹽溶液中浸泡1 min，取出瀝干后用分光色差儀測量復合薄膜的顏色參數，以不浸泡鹽溶液的薄膜為對照。分別以成品膜的L*、a*、b*為參照，按照1.3.3計算ΔE。

1.3.8 薄膜的結構表征采用X射線衍射儀對薄膜的結晶結構進行表征。樣品表面平整、無劃痕，采用θ～2θ聯動，掃描步幅為0.1，掃描角度為4°～80°，電流為40 mA，電壓為40 kV。

1.3.9 薄膜的抗氧化活性測定參照Y.Li等[18]的方法，取2 cm×2 cm薄膜剪碎后置于試管中，加入4.0 mL甲醇，于25 ℃避光靜置2 h。取3.0 mL浸泡液與1.0 mL DPPH甲醇溶液(150 μmol/L)混合均勻，避光靜置30 min后，于517 nm處測定吸光度，以甲醇為對照。薄膜的DPPH自由基清除率的計算公式如下：

式中：A1為樣品測得的吸光度；A0為對照測得的吸光度。

1.3.10 薄膜對羊肉新鮮度的顏色響應取5 g新鮮羊肉，分別用不同復合薄膜進行包裝，將包裝后的樣品置于4 ℃冰箱中保存，用分光色差儀測量薄膜的色度參數。以包裝前薄膜的L*、a*、b*為參照，按照1.3.3計算ΔE。

2 結果與分析

2.1 不同復合薄膜的外觀分析

不同復合薄膜的ΔE和不透明度見表1。由表1可知，對照樣PVA-CS為無色透明復合薄膜，添加不同植物色素提取物的復合薄膜呈現不同顏色。其中，PVA-CS-MMP呈暗紅色，ΔE為71.97；PVA-CS-PLP呈暗黃色，ΔE為51.69；PVA-CS-RFP呈淺黃色，ΔE為44.94；PVA-CS-GPP呈淺紫色，ΔE為35.20。

表1 不同復合薄膜的ΔE和不透明度Table 1 The ΔE and opacities of different composite films

添加不同植物色素后，薄膜的不透明度存在顯著差異(P<0.05)。對照樣PVA-CS不透明度為0.20，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的不透明度分別為10.37、4.90、4.60和2.70，較對照樣分別增加了10.17、4.70、4.40和2.50，表明植物色素能夠提高薄膜的遮光性，從而更有利于阻隔紫外線。Y.L.Zhang等[19]研究發(fā)現，紅毛丹果皮提取物明顯降低了膠原/淀粉復合薄膜的透光率，添加植物色素的復合薄膜具有降低光線對食品氧化速率的作用。但食品包裝薄膜在阻隔紫外線的同時，也要保證適宜的透明度，以便于觀察包裝內食品的狀態(tài)[20]。相較于其他4種復合薄膜，PVA-CS-MMP的不透明度最高且具有一定的透光率。因此，PVA-CS-MMP的適用性更強。

2.2 不同復合薄膜的機械性能分析

復合薄膜的機械性能是食品包裝的基本屬性之一[21]，優(yōu)良的機械性能是貯藏、運輸及銷售過程中食品安全性的重要保證[22]。不同復合薄膜的機械性能如圖1所示，其中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。由圖1a)可以看出，對照樣PVA-CS的拉伸強度為21.03 MPa，添加色素提取物后，PVA-CS-PLP的拉伸強度較對照樣提高了0.15 MPa，而PVA-CS-RFP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-MMP的拉伸強度較對照樣分別降低了2.61 MPa、4.33 MPa和5.30 MPa(P<0.05)。由圖1b)可以看出，對照樣PVA-CS的斷裂伸長率為262.41%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的斷裂伸長率分別為243.83%、224.40%、218.77%和201.81%，均顯著低于對照樣PVS-CS(P<0.05)。

圖1 不同復合薄膜的機械性能Fig.1 Mechanical properties of different composite films

薄膜的力學性能與其微觀結構及組分間的分子相互作用密切相關[23]?；ㄇ嗨仡惢衔锏牧u基基團可與PVA分子呈現不同程度的交聯[24]。鄒小波等[25]研究了天然花青素提取物與CS明膠復合薄膜的制備和表征，證實花青素提取物填補了成膜基材的空間空隙，減少了水分子與基材之間的交聯作用，并造成斷裂伸長率下降。綜上所述，PVA-CS-MMP和PVA-CS-PLP的機械性能較好。

2.3 不同復合薄膜厚度、含水率和水溶性分析

厚度、含水率和水溶性是檢測食品包裝薄膜的重要指標。不同復合薄膜的厚度、含水率和水溶性如圖2所示。由圖2a)可以看出，對照樣PVA-CS的厚度為0.096 mm，添加色素提取物后，PVA-CS-RFP、PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-GPP的厚度分別增加了0.009 mm、0.008 mm、0.004 mm和0.002 mm。這與E.J.Go等[26]添加未純化的植物提取物可使果膠薄膜中的固體含量增加，進而導致薄膜厚度增加的結論一致。由圖2b)可以看出，對照樣PVA-CS的含水率為33.08%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-RFP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-PLP的含水率分別為22.78%、21.98%、20.03%和19.30%，均顯著低于對照樣PVA-CS(P<0.05)。這與X.C.Wang等[27]添加植物提取物可降低CS薄膜含水率的結論一致。PVA和CS在室溫下均難溶于水，由圖2c)可以看出，對照樣PVA-CS的水溶性為17.45%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-PLP的水溶性分別為21.92%、20.47%、20.42%和20.10%，均顯著高于對照樣PVA-CS(P<0.05)。這與王圣[28]添加植物色素會導致薄膜結構較疏松，進而提高復合薄膜水溶性的結論一致。

圖2 不同復合薄膜的厚度、含水率和水溶性Fig.2 The thickness, moisture content and water solubility of different composite films

2.4 不同復合薄膜的pH敏感性分析

不同復合薄膜在不同pH值條件下的顯色響應見表2。由表2可知，當pH值由3增加至11時，PVA-CS-PLP由暗黃色變?yōu)樯罹G色；PVA-CS-GPP由淺紫色變?yōu)榫G色；PVA-CS-RFP由淺黃色變?yōu)闇\綠色；PVA-CS-MMP由粉紅色變?yōu)槟G色。有研究[29]表明，在酸性溶液中，花青素主要以2-苯基苯并吡喃陽離子的形式存在，呈黃色到紅色；當溶液pH值約為4時，苯并吡喃環(huán)上的酚羥基脫質子化，以藍色或紫色的醌型堿形式存在；當溶液pH值約為7時，以半縮醛和查爾酮的形式存在。通常肉類的pH值變化范圍為5～7，且腐敗時pH值>6.9[30]。由表2可知，PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-MMP在pH值為7時ΔE分別為24.07、14.77、7.26和5.14，均顯著大于肉眼可觀察的色差閾值(ΔE>5)[31]。綜上所述，添加不同色素提取物的復合薄膜在不同pH值條件下的顏色反應差異較大，其中PVA-CS-GPP對pH值變化最為敏感。

表2 不同復合薄膜在不同pH值條件下的顯色響應Table 2 Color response of composite films under different pH value conditions

2.5 不同復合薄膜的XRD分析

不同復合薄膜的XRD圖譜如圖3所示。由圖3可以看出，對照樣PVA-CS的特征峰為19.32°，XRD最高峰對應的峰強為1413 CPS。PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-GPP的特征峰分別為19.39°、19.37°、19.12°和19.33°，XRD最高峰對應的峰強分別為1155 CPS、1861 CPS、1784 CPS和1248 CPS。添加色素的復合薄膜與對照樣PVA-CS的特征峰稍有差異，這可能是因為添加的色素導致衍射峰位置發(fā)生了遷移。PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP的XRD最高峰對應的峰強明顯低于對照樣PVA-CS，這可能是因為桑葚和葡萄皮色素破壞了PVA-CS的氫鍵，使PVA-CS結晶度降低，表明植物色素提取物與成膜基材之間產生了較好的交聯作用，使得復合薄膜形成了穩(wěn)定的網狀結構[28]。PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的XRD最高峰對應的峰強明顯高于對照樣PVA-CS，這可能是因為紫蘇葉和玫瑰花色素與PVA-CS結合能力較低，使得復合薄膜晶體化程度較高、結構較疏松。這與梅佳林等[32]的研究結果(PVA膜在2θ為19.6°處存在一個衍射峰)稍有差異，可能是因為PVA-CS中混合了少量CS，導致衍射峰位置發(fā)生了偏移。綜上所述，復合薄膜的結構穩(wěn)定性受色素提取物種類影響，其中PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP的結構穩(wěn)定性較高。

圖3 不同復合薄膜的XRD圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of composite films

2.6 不同復合薄膜的抗氧化活性分析

自由基會引起食品氧化變質，同時導致營養(yǎng)物質的損失和有害物質的產生[33]。具有良好抗氧化能力的包裝薄膜可顯著降低食品的氧化速率，抑制食品腐敗變質，有效延長貨架期[13]。圖4為不同復合薄膜的DPPH自由基清除率。由圖4可以看出，對照樣PVA-CS的DPPH自由基清除率為22.2%，添加色素提取物后，復合薄膜的DPPH自由基清除率均顯著增加(P<0.05)。這可能是因為CS的游離氨基能與DPPH自由基形成穩(wěn)定的大分子自由基NH3+和H+，故未添加色素提取物的PVA-CS顯示出較弱的抗氧化活性[34]；而色素提取物中富含的多酚、黃酮、花青素等生物活性物質可以清除各種自由基[35]，故添加不同色素提取物均能顯著增強復合薄膜的抗氧化活性[35]。PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP的抗氧化能力最強，其DPPH自由基清除率分別為89.67%和89.02%；其次為PVA-CS-MMP和PVA-CS-PLP，其DPPH自由基清除率分別為77.24%和76.11%。

圖4 不同復合薄膜的DPPH自由基清除率Fig.4 DPPH radical scavenging activities of composite films

2.7 不同復合薄膜對羊肉新鮮度的顏色響應分析

表3為不同復合薄膜對羊肉新鮮度的顏色響應。由表3可知，對照樣PVA-CS的ΔE為0.48，PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-MMP的ΔE分別為25.15、12.29、9.18和5.78。添加不同色素提取物的復合薄膜均發(fā)生了肉眼可見的顏色變化，其中PVA-CS-GPP顏色變化最明顯。這可能是因為羊肉中的揮發(fā)性氨類物質溶解在薄膜內表面的水中產生了羥基離子，提高了薄膜的pH值，最終導致了薄膜中色素顏色的改變[36]。因此，PVA-CS-GPP在羊肉新鮮度智能監(jiān)測領域具有一定的應用潛力。

表3 不同復合薄膜對羊肉新鮮度的顏色響應Table 3 Color response of different membranes to mutton freshness

3 結論

本文以4種植物色素提取物為顯色成分，制備了pH敏感型智能包裝薄膜，并對其理化特性及羊肉新鮮度的智能指示效果進行了研究。結果發(fā)現，PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP相較于其他3種復合薄膜，具有較好的遮光性和結構穩(wěn)定性；PVA-CS-PLP和PVA-CS-MMP具有良好的機械性能；PVA-CS-PLP具有較低的含水率和水溶性；添加色素提取物后，復合薄膜的抗氧化能力均顯著增強，其中PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP的DPPH自由基清除能力較強；PVA-CS-GPP對pH敏感性最強，其理化特性與指示效果較其他復合薄膜更佳，在羊肉智能包裝領域顯示了較好的應用前景。該研究結果為基于植物色素提取物的pH敏感型智能包裝薄膜的開發(fā)與應用提供了理論依據，為監(jiān)測肉類新鮮度提供了可視化方法。