食品用CO2敏感型指示卡研究

胡云峰 陈君然 贺业鑫 胡晗艳 崔瀚元

（天津科技大学食品营养与安全省部共建教育部重点实验室1，天津 300457）（天津市食品加工工程中心2，天津 300457）

食品用CO2敏感型指示卡研究

胡云峰1，2陈君然1贺业鑫1胡晗艳1崔瀚元2

（天津科技大学食品营养与安全省部共建教育部重点实验室1，天津 300457）（天津市食品加工工程中心2，天津 300457）

本研究以食品包装中二氧化碳含量作为监控指标，以二氧化碳敏感型指示剂甲基红和溴百里酚蓝与成膜材料甲基纤维素、甘油，混合制得气敏性凝胶，并以棉质纤维纸为基材制备指示卡。结果表明：在甲基红与溴百里酚蓝质量之比为3∶2，质量浓度为5%的指示溶液中添加适量的甲基纤维素、甘油后，以一定的溶液量涂布于棉质纤维纸上可制得准确显示二氧化碳含量的指示卡；采用响应面分析法得到甲基纤维素添加量、甘油添加量和溶液量的最佳参数为：甲基纤维素1.72 g／100 g；甘油4.27 g／100 g；溶液量11.39 mL。将最佳组合进行验证，测得色差的平均值为1.93，与预测值1.84十分接近。并通过实际应用验证发现该指示卡与13个二氧化碳浓度具有显著颜色变化点，各点具有明显的颜色界限，通过肉眼即可观察分辨，具有较高的实用性。

食品 二氧化碳 指示卡 纸质

智能包装是指在普通包装基础上增加智能技术，使其对产品周边及内部环境因素具有“调控”、“识别”和“分析”能力的包装［1－3］。其通过监测包装食品的环境条件，获得食品在运输和贮藏期间品质和安全性信息，警示食品品质劣变，延长食品货架期以及维持食品新鲜度，这种包装非常有利于食品质量安全控制及食品营养价值保留［4－6］。近几年，欧美发达国家和地区已经研发出了大量非常实用的“功能材料型”智能包装新产品，其中指示型智能包装是全球范围内的热点课题［7］。Rukchon［8］以氨气为指示源，将溴百里酚蓝与酚红的混合溶液涂覆于聚酰胺／线性低密度聚乙烯（PA／LLDPE）薄膜上，研制出鸡肉新鲜度指示卡。Pacquita［9－10］则运用溴甲酚绿混合液涂覆于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄板上作为指示卡，指示判定鱼肉的新鲜度。Nop winyuwong［11］根据甜点中微生物的生长会导致二氧化碳含量的变化原理，将溴百里酚蓝与甲基红的混合溶液涂覆于PA／LLDPE薄膜上，研制出甜点新鲜度指示卡。我国已取得多项研究成果，如乔磊等［12］以挥发性盐基氮作为品质监控指标，研制出碱性脂肪酶型时间温度指示器。谷雪莲等［13］根据菌落总数和酸度作为依据得出时间－温度－货架期曲线，开发出预测牛乳货架期的时间－温度指示器。

本研究以二氧化碳作为监控指标，运用二氧化碳敏感型指示剂与成膜材料甲基纤维素混合制得气敏性薄膜，并以棉质纤维纸为基材制备二氧化碳含量指示卡，以期用于指示袋装食品的新鲜度的智能包装产品的开发。

1 材料与方法

1.1 试验材料

溴百里酚蓝（分析纯）、甲基红（分析纯）：天津市化学试剂三厂；甘油（分析纯）：天津市大茂化学试剂厂。

1.2 试验方法

1.2.1 指示标签制备工艺流程

指示溶液→加热→加入增塑剂甘油→搅拌→加入甲基纤维素→磁力搅拌至自然冷却→离心脱泡→与基材棉质纤维纸整合→晾干→成品。

1.2.2 棉质纤维纸变指示卡制作条件的单因素试验

取50 mL以质量比3∶2的甲基红和溴百里酚蓝复配成的质量浓度为5%的溶液于烧杯中，加入一定量甘油，水浴70℃时加入一定量的甲基纤维素，取出烧杯，迅速在磁力搅拌器下不断高速搅拌使其形成均匀甲基纤维素凝胶溶液。取一定量凝胶液倒在装有棉质纤维纸片的平皿上（直径90 mm），自然晾干。甲基纤维素添加量对指示卡的影响：甘油定量5 mL／100 mL，溶液量 10 ml，甲基纤维素添加量：1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 g／100 mL；甘油添加量对指示卡的影响：甲基纤维素定量1.8 g／100 mL，溶液量 12 ml，甘油添加量：3、4、5、6、7、8 mL／100 mL；溶液量对指示卡的影响：甘油定量5 mL／100 mL，甲基纤维素定量1.8 g／100 mL，溶液量：10、12、14、16、18、20 mL。

1.2.3 工艺优化试验

以甲基纤维素浓度，甲基纤维素、甘油添加量比例，溶液量3个因素作为考察对象，采用响应面分析法安排试验，并以指示卡的颜色与甲基红∶溴百里酚蓝＝3∶2（m∶m），质量浓度为5%的溶液的色差作响应值，获取最适工艺参数［14－15］。

1.2.4 指示卡的应用试验

采用最优工艺作出的指示卡，作不同浓度梯度的CO2含量充气变色试验，进行L*、a*、b*值分析，进行指示卡的应用试验［16］。

1.2.5 色差值的测定

在做好的指示卡上随机取5个点，用色差计测定颜色L*、a*、b*值，取平均值作色差分析。

2 结果与分析

2.1 甲基纤维素添加量对指示卡的影响

由图1可以看出，随甲基纤维素浓度的升高，纯指示液颜色色差呈现先减小后增大的趋势，甲基纤维素浓度为1.3 g／100 g时，色差值接近25，观察标签颜色，其颜色偏黄，原因是甲基纤维素浓度过低，制得的膜过薄，锁不住水分，导致变色指示剂无法显现在中性pH下应有的绿色。在甲基纤维素浓度达到1.7 g／100 g时，标签显示出原指示溶液显示的绿色，但白度要偏大，色彩没有那么浓郁。甲基纤维素含量为2.1 g／100 g时，膜颜色偏棕绿色，由于甲基纤维素中含有大量疏水性的甲基集团，使得膜表面的亲水基团减少，膜表面泛棕黄色，中间又呈绿色，感官不一致。由图1可知样品浓度为2.1 g／100 g时与选定标准对比又显现出来较大的色差。所以响应面试验选取了甲基纤维素浓度为1.6～1.8 g／100 g。

图1 甲基纤维素单因素试验结果

2.2 甘油添加量对指示卡的影响

在一定的相对湿度下，膜的水分含量是由膜聚合物的亲水性决定的。甘油作为一种亲水性增塑剂加入甲基纤维素膜中，膜平衡时的水分含量会随着甘油含量升高而升高［17］，由图2可以看出，在甘油添加量较小时，膜平衡后的色差较指示液颜色的色差值较高，超过5.0，随着甘油含量增加，色差逐渐减小，甘油添加量达到4 g／100 g时，色差便可以控制在2.0以下。但是，在试验中发现，甘油含量达到6 g／100 g时，做出的标签过于柔软，潮湿不成形。虽然色差偏离程度变化不大，但感官不佳，所以在响应面试验中，选取甘油添加量为3～5 g／100 g。

图2 甘油添加量单因素试验结果

2.3 溶液量对指示卡的影响

图3 溶液量单因素试验结果

由图3可知，在溶液量为10～12 mL时，制得的标签颜色与纯指示液颜色之间存在色差最小值，当溶液量小于10mL时，标签颜色绿中泛黄，原因是此时膜液平铺在平皿中，制得的膜较薄，水分子在很容易扩散出去，指示剂在缺少水分的条件下便会向黄色偏移。10～12 mL时，制得的膜具有了一定的厚度，能够起到阻止膜内水分过量向外扩散的作用。在12～14 mL时也有同样的色差最小值，但从膜的厚度来看，随着倒板量的增加，膜的厚度增大，其变色时间会相对延长，灵敏度逐渐降低，所以，综合考虑在响应面试验中选择了10～12 mL的倒膜量作为此因素的水平。

2.4 响应面设计方案及结果分析

采用三因素三水平的响应面分析方法进行试验设计，分析因素与设计见表1，响应面试验数据处理结果见表 2［18－19］。

表1 响应面试验设计的因素与水平

表2 响应面试验设计与结果

各因素经过回归拟合，得到回归方程：

式中：Y为 dE*ab；X1为甲基纤维素添加量／g／100 g；X2为甘油添加量／g／100 g；X3为溶液量／mL。

由表3可以看出，对色差dE*ab构建的模型显著性较高（P值＜0.000 1），该模型的拟合性较好，可以作为分析和预测色差dE*ab的一个途径。由P值可知，三因素对响应值色差的影响顺序为：溶液量＞甘油添加量＞甲基纤维素浓度，模型中一次项和二次项都有较高的显著性，说明各个因子对响应值之间的影响不只是简单的线性关系，二次项也有较大影响，其中交互项X1X2较显著，其他2组不显著，失拟项（Lack of Fit）的F值很小。最终去掉方程的不显著项，得到最终的回归方程为：

表3 方差分析表

2.5 试验因素间的交互影响

由响应面图4～图6可知，该模型存在最小值即稳定点。将该回归方程分别对因素X1、X2和X3求偏导，并且令导数等于0，得到的最佳点为：X1＝0.214；X2＝0.274；X3＝0.393。换算为真实值为：甲基纤维素添加量1.72 g／100 g；甘油添加量4.27 g／100 g；溶液量 11.39 mL；色差值为 1.84。为了比较预测值和实验值之间的差距，将最佳组合进行验证试验，5次平行试验之后测得色差的平均值为1.93，十分接近预测值，说明利用响应面法优化稳定指示标签初始颜色工艺得到的工艺参数准确可靠，该模型具有一定的可信度。

图4 甲基纤维素－甘油添加比例响应面图

图5 甘油添加量－溶液量响应面图

图6 甲基纤维素浓度－溶液量响应面图

2.6 指示卡的实用性验证试验

对响应面法优化后的工艺做出的指示卡，作浓度梯度的CO2含量充气变色试验，观察选出其中13组肉眼可分辨的指示卡，进行L*、a*、b*值分析，得出13个色阶列如表4。

各样品颜色在L*a*b*空间的3D位点见图7。根据图7观察13个样品的空间位点离散程度，可以看出按色差变化等级表选出的样品点离散性好，样品间具有明显的颜色界限，各颜色界限可通过肉眼进行观察分辨，说明该指示卡对于二氧化碳浓度的指示具有较高的实用性。

表4 13种CO2浓度对应标签颜色的L*、a*、b*值

图7 各样品颜色在L*a*b*空间的3D位点图

3 结论

3.1 以质量之比为3∶2的甲基红和溴百里酚蓝复配成的质量浓度为5%的溶液为指示剂，以成品颜色与原指示剂溶液的色差作响应值，通过响应面分析优化：最终确定甲基纤维素添加量1.72 g／100 g；甘油添加量4.27 g／100 g；溶液量11.39 mL为制作指示标签的最佳工艺组合。将最佳组合进行验证，测得色差的平均值为1.93，十分接近预测值。

3.2 通过指示卡的实用性验证试验，发现制得的指示卡其颜色变化显著点对应的CO2浓度分别是：0、1.8%、2.5%、4.1%、5.8%、8.3%，10.1%、12.7%、26%、41.1%、50.5%、78.1%、84.6%、100%，样品间具有明显的颜色界限，通过肉眼即可观察分辨，具有较高的实用性，可用于果蔬、肉制品等包装中二氧化碳含量的监测，从而指示产品的新鲜度。但由于制取指示卡的指示剂在缺少水分的条件下会向黄色偏移，且容易受外界二氧化碳的影响，因此指示卡在使用前需密闭保存以防止水分散失及外界条件干扰。

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Development of CO2－Sensitive Indicator Card for Packaging Food

Hu Yunfeng1，2Chen Junran1He Yexin1Hu Hanyan1Cui Hanyuan2

（Key Laboratory of Food Nutrition and Safety，Ministry of Education，Tianjin University of Science and Technology1，Tianjin 300457）（Tianjin Food Engineering Center2，Tianjin 300457）

Carbon dioxide has been used in food packing as a monitor control index and the indicator card for food freshness has also been prepared in advance.The indicator card mainly included CO2－sensitive indicators（the methyl red，bromothymol blue）and gas sensitive gel prepared by mixing methyl cellulose，glycerol and fibre paper.The results showed that one kind of indicator card which expressed an exact carbon dioxide content with addition of moderate methyl cellulose and glycerol in solution was formulated with 5% （m／m）of methyl red and bromothymol blue（3∶2，m／m）；the mixture was coated on a piece of fibre paper；the indicator could be obtained.The optimum parameter was obtained with response surface method.The optimum parameters were as follows：additive amount of methylcellulose 1.72 g／100 g，glycerol 4.27 g／100 g，and the amount of the solution 11.39 mL.The optimum

parameter has been validated.The average value of chromatic aberration was1.93 which was very close to the predicted value.By practical application，the card had distinct color change point with 13 different concentration of carbon dioxide.Each point had obvious color boundaries to show a satisfied practicability of the indicator cards.

food，Carbon dioxide，indicator card，papery

TS255.3

A

1003－0174（2015）04－0125－05

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2011BAD 24B01）

2013－12－19

胡云峰，女，1966年出生，研究员，农产品贮藏与加工技术