一种草莓新鲜度指示标签的研究与设计
2015-01-13王桂等
王桂等
摘 要：该文对草莓采后生理特性进行了分析，设计了一种以红萝卜色素溶液作为pH敏感剂的水果新鲜度智能指示标签，主要由pH敏感剂涂层、pH敏感剂载体和透明基材这三部分组成，在包装使用过程中完全避免了指示剂的安全性、迁移性对水果造成污染的问题。基于指示标签的显色理论，详细分析了在草莓成熟和过熟阶段内指示标签的颜色变化情况。
关键词：草莓 新鲜度 敏感剂 指示标签
中图分类号：S668.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0185-02
Abstract：A kind of fruit freshness indicator label is proposed after the analysis of physiological characteristics of strawberry fruits.pH sensitive agent of this label is red radish pigment.The label consists of three layers：pH sensitive agent，pH sensitive agent carrier and transparent base material.Many pollution problems caused by the indicator label on the fruits can be avoided during storage life if using it.According to the coloration principle，the color change laws of indication label are analyzed at the different maturity periods of strawberry in detail.
Key Words：Strawberry；Freshness；Sensitive agent；Indication label
随着生活水平的提高，大家关注的不仅仅是水果的营养价值，其新鲜度也越来越引起广泛注意，希望能买到新鲜和高品质的水果。在具有这样市场需求的条件下，解决水果保鲜问题以及智能检测水果鲜度等各种技术随之产生，在保证质量和鲜度的同时也带动了多元化包装产业的迅猛发展。智能包装技术可以方便消费者选择安全放心的食品，可以延长食品的保质期，有利于食品的保存和运输，具有广阔的市场前景[1，2]。在未来几年，每个独立包装的产品上都会贴上智能标签，2015年，RFID标签的年需求量将达到1000亿枚，其中大多数将被用在智能包装上。现有的新鲜度指示型智能包装大多是采用了pH显色反应材料作为指示剂，pH显色反应材料具有变色范围广、变色明显等优点，但指示标签所用的染色液在制作工艺上存在安全性、染色液的迁移性等对食品造成污染等问题，基于此，该文提出了一种智能检测水果新鲜度智能指示标签。
1 新鲜度指示标签的设计
1.1 指示标签的显色原理
水果存储环境中存在各种细菌、微生物，不同的细菌含有发酵不同糖的酶，在温湿度适宜的条件下，环境中的细菌及微生物就会繁殖生长，各种酶就会分解水果中含有的营养物质作为繁殖生长各种能源来满足自身需要。在水果中含有的多种酶的作用下，水果中的蛋白质、碳水化合物等营养素被分解成多种低级产物。具体分解过程如下：
多糖→单糖→丙酮酸→大量混合酸→pH下降→指示剂呈酸性变化
草莓由成熟时期至过成熟时期发生的腐败变质主要是细菌及微生物的快速繁殖生长过程，在此过程中产生大量的混合酸性物质，配合pH敏感剂就会发生一定的肉眼可识别的颜色变化，从而用来指示鲜度变化，利用此原理设计一种鲜度智能指示标签。标签由二个分离层组成（图1为标签结构示意图）：里层为一种填充有pH敏感剂的载体，置于包装托盘内，与草莓直接接触，水果变质过程中产生的各种酸就会和pH敏感剂发生反应，从而改变颜色；外层为透明组件，与作为填充有pH敏感剂载体的内层紧密复合在一起，使其透过外层透明组件让消费者能够更清楚地观察内层载体上的颜色变化，进而判断水果的成熟度或是否发生变质。
1.2 指示标签的组成部分
（1）填充有pH敏感剂的载体。
对pH值变化敏感型指示标签所用的染色液，常用的有溴百里酚蓝、二甲苯酚蓝、溴甲酚绿、溴甲酚紫、苯酚红、甲基红等。该次设计的新鲜度指示标签采用的指示剂是从红萝卜皮中提取的色素过滤液[3]。
（2）透明组件。
透明组件作为指示标签片的最外层，紧密粘贴在pH敏感剂载体的表面，使其透过最外层透明组件能够观察到pH指示剂显示的颜色变化更为清楚、透明。
1.3 pH敏感剂
（1）pH敏感剂的选择依据。
作为常用的pH敏感剂，pH值不同时都会发生一定的颜色变化，但目前都存在颜色变化的pH变化范围小、颜色变化单一的缺点，并且制作工艺过程存在安全、迁移性造成的对水果的污染问题。基于这些因素制约，以及植物色素大都在不同pH值下表现不同颜色，于是选择用从红萝卜皮中提取的色素作为pH敏感剂。
萝卜红色素作为多酚类色素[4]，含有高效的抗氧化物质，具有较强的抗氧化性。对温度表现出较强的稳定性；对湿度同样表现出较强的稳定性。另外，提取的这种色素易溶于乙醇和水，不易溶于非极性溶剂，使得色素在提取时工艺简单化。因此，选用这种提取色素的水溶液作为pH敏感剂是较合理的。
（2）敏感剂的显色分析。
表1给出了用色素提取液浸染的试纸在不同pH值下显示的不同颜色变化[5]。分析表1可得出：色素水溶液在酸性条件下表现比较稳定，特别当pH3时呈现出稳定的桔红色；在碱性条件下表现不稳定，当pH在5～6时呈现出紫红色，当pH在7～10时分别呈现出与本来颜色相差很大的紫褐色和绿色。
提取色素的水溶液用作敏感剂时：当溶液在pH<6时呈现桔红（粉红）色；当溶液6
1.4 pH敏感剂载体
选用实验室标准的白色滤纸作为pH敏感剂的载体，因其具有高强度的化学抵抗性、生物惰性，超低微量的金属含量，耐高温、易消毒等优点。选其作为敏感剂的载体，满足要求。其中敏感剂载体上以‘X的形状涂布，‘X形状部分的pH敏感剂与水果变质过程中产生的代谢产物反应发生颜色变化，通过颜色变化可以了解到草莓品质变化情况，方便了消费者对鲜度品质的直观了解。
1.5 透明组件材料的确定
选用一种使用流延方法制作的聚丙烯薄膜作为鲜度指示标签片的透明组件，紧密覆盖在pH敏感剂的载体上。CPP薄膜具有透明性好、挺度好、阻湿性好、耐热性优良、易于热封合等特点，通常用作复合薄膜的内外层材料，满足此次作为透明组件的要求。
2 指示标签的显色理论分析
理论分析依据：通常定义表示溶液酸碱性强弱的量用pH值表示，而定义pH值为H+物质的量浓度的负对数来表示；同时定义在一定温度下氢离子浓度（H+）和氢氧根离子浓度（OH-）的乘积为一常数。基于PH敏感剂变色机理是其所接触的环境条件下H+浓度不同而引起的pH值不同，进而显示的不同颜色变化。于是分析不同新鲜度时新鲜度指示标签片的显色状态，实质上就是分析新鲜度指示标签片上H+浓度。
该次新鲜度指示标签片主要针对草莓由成熟时期到过成熟时期的判定，故显色分析分为两个阶段：成熟时期草莓的显色状态以及过成熟（腐烂变质）时期的显色状态。
（1）成熟阶段草莓显色状态。
此阶段是草莓由未成熟向成熟过程的转化，是果体内部大量可溶性糖的快速累积过程，没有糖及其它营养成分的分解。假定在此过程中没有机械损伤，也就是说果体表面没有摩伤、擦破，没有感染外部细菌的条件下分析其显色状态。事先将由未成熟至成熟过程分为3个阶段：始红时期、半红时期以及全红时期。总结前人研究，本文规定草莓在始红时期果体内pH=4，半红时期果体内pH=3.5，全红时期果体内pH=3.2；果体内酸性环境的变化使碱性试纸（pH=10）的PH值发生变化。通过理论分析计算，得出上述三个阶段指示标签与草莓充分接触后的pH值变化结果：pH=7，pH=6.33，pH=5.43。根据表1，可以得出涂有pH敏感剂的‘X形状部位的颜色变化分别指示紫褐色、蓝紫色和紫红色。
（2）过熟阶段草莓显色状态。
此过程是草莓由成熟状态向腐烂变质过程的一个转化，期间细菌、微生物会大量的繁殖、生长，期间会分解果体内的糖类等营养物质作为自身繁殖生长的主要能源供给。在果体内，糖分被分解过程中首先多糖被分解为单糖，单糖被分解为丙酮酸，丙酮酸继续分解产生大量混合酸，大量混合酸的作用使果体内部处于一个pH=2.2左右的酸性环境，那么在此酸性环境条件下，被置于托盘和保鲜膜内部的鲜度指示标签片内层与果体直接接触，置于指示标签片内层的pH敏感剂被预先调整成为pH=10的碱性试纸，在遇到大量混合酸（pH=2.2左右）时会发生酸碱的中和反应，使碱性试纸的pH值下降，从而导致试纸上涂有pH敏感剂的‘X形状部位发生颜色的变化。该文假设过熟期草莓的pH值：细菌繁殖初期pH=3，细菌繁殖中期pH=2.5，细菌大量繁殖pH=2，通过理论分析计算，得出上述三个阶段指示标签与草莓充分接触后的PH值变化结果：pH=3.35，pH=2.8，pH=2.08。根据表1，可以得出涂有PH敏感剂的‘X形状部位的颜色变化分别指示橘红色、橘红色和鲜桔红色。
通过以上可以看出，草莓处于不同阶段时，指示标签可以指示其不同的颜色变化。通过标签显示颜色变化可以判断草莓是否完全成熟，指示标签颜色为紫褐色时草莓刚开始发红，指示标签颜色为蓝紫色时草莓是半成熟阶段，指示标签颜色为紫红色时草莓成熟，是食用的最佳阶段；另外，通过指示标签可以判断草莓变质程度，在草莓变质初期和中期，指示标签的颜色均是橘红色，此阶段草莓果体内含有营养价值不高，但不影响食用；当指示标签颜色变为鲜桔红色时，意味着此阶段的草莓变质严重，没有其本身所含有的营养价值且不宜继续食用。
3 结论
该文设计了一种草莓新鲜度智能指示标签，通过标签颜色变化判断草莓的成熟度及新鲜度。成熟阶段显色情况：草莓在始红状态时，指示标签呈现紫褐色；草莓在半红状态时，指示标签呈现蓝紫色；草莓在全红状态时，指示标签呈现紫红色。变质阶段显色情况：草莓发生变质初期（细菌繁殖初期），指示标签呈现橘红色；草莓发生变质中期（细菌少量繁殖），指示标签呈现橘红色；草莓发生变质后期（细菌大量繁殖），指示标签呈现鲜桔红色。
参考文献
[1] 宋宝丰.信息型智能包装技术的研发[J].包装世界，2008（3）：21-22.
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[5] 李月秀，康云川，王吉华，等.萝卜红天然食用色素生产新工艺研究[J].精细化工，2000（10）：4-5.
