紫薯花青素与淀粉/PVA复合膜的制备与表征

邹小波，蒋彩萍，张俊俊，翟晓东，王圣，赵号，梁妮妮

（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

食品智能包装是一种可以监测食品内环境，并实时反馈食品品质变化信息的新型包装技术[1]，有利于判断及延长食品货架期[2]。相比造成白色污染、能源短缺等问题的塑料包装，生物可降解包装材料易降解、可再生且环境友好，被广泛用于食品智能包装的开发，成为世界各国竞相研究的热点[3]。

淀粉、聚乙烯醇(PVA)是食品智能包装领域研究最为广泛的全降解包装材料之一[4]。淀粉作为多羟基天然高分子材料，资源丰富、价格低廉、具有良好的生物相容性和生物降解性。PVA作为合成的水溶性高分子材料，为单一的C-C主链和多羟基强氢键分子结构，具有良好的韧性、生物相容性和机械性能[5]。郭培培等[6]制备了以甘油为增塑剂的淀粉膜，阻气性能强，透明度高，但受淀粉多羟基和环状结构影响，膜表现出脆硬的特点。为了克服这一缺点，曹龙奎等[7]将淀粉与PVA进行共混制备复合薄膜，与原淀粉膜相比，复合膜力学性能改善，降解速率增大。

大多数用于食品新鲜度检测的光学或视觉传感器是由敏感染料和固体基体材料制成[8]，常见的敏感染料有溴甲酚绿、溴酚蓝和甲酚红等化学染料[9]。然而化学合成试剂的毒性会对人体健康产生威胁，黄晓玮[10]等首次利用天然色素气敏传感器定性判别肴肉新鲜度等级、定量预测新鲜度评价指标，表明无毒无害的天然色素可用于检测食品的新鲜度。但天然色素种类繁多、来源广泛。其中广泛存在于植物中的花青素易溶于水，且具有较高的生理活性，应用极其广泛。且花青素最重要的特点是它能够随着溶液pH的变化而改变结构，伴随表观颜色的改变。然而国内鲜见花青素应用于食品智能复合包装膜的报道。

牛奶营养丰富，是天然的培养基，极易腐败变质[11]。主要是由于微生物金黄色葡萄球菌、肠炎沙门氏菌和大肠杆菌的生长繁殖，导致牛奶中蛋白质变性、脂肪酸败、碳水化合物发酵，在产酸的情况下逐渐使牛奶败坏[12]。本研究以紫薯花青素（PSPE）为功能性添加成分，结合淀粉、PVA制备指示牛奶新鲜度的智能复合包装膜，指示变质牛奶中的醛、酮和羧酸等挥发性物质。比较不同浓度的PSPE对复合膜的物理、机械性能、结构特征和光谱性质的影响，为研制安全绿色的智能包装材料提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

紫薯（宁紫薯1号品种）、牛奶（光明鲜牛奶），购自镇江市大润发超市；聚乙烯醇（PVA：分子量146000～186000，99+%水解）、丙三醇、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠，购自镇江华东器化玻有限公司。除特别指明，所有试剂均为分析纯，实验用水均为去离子水。

1.1.2 仪器

高速粉碎机，江苏益勇仪器设备有限公司；RE-3002旋转蒸发仪，上海越众仪器设备有限公司；FD-1A-50真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；组织捣碎匀浆机，江苏省金坛市友联仪器研究所；食品物性测试仪，英国Stable Micro System公司；VIS-7220N可见分光光度仪，北京瑞利分析仪器有限公司；Nicoletis50傅里叶红外光谱仪，美国赛默飞世尔科技公司；Color Quest XE色差仪，美国Hunter Lab仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 色素提取

将新鲜紫薯切成若干片状，称取一定质量的紫薯片放入烘箱进行干燥处理，于60 ℃下烘干2 d至恒重。后用粉碎机高速打磨成粉，过40目筛备用。得到的粉末在60 ℃条件下，用75%的乙醇水溶液以体积比1:1进行提取，原料和溶剂按固液比1:10 g/mL混合，水浴锅提取3 h[13]。使用布氏漏斗对得到的提取液进行抽滤，避光条件下用旋转蒸发仪将滤液中的乙醇除去。最后经过真空冷冻干燥处理，得到PSPE冻干粉[14]，根据pH试差法得PSPE冻干粉纯度为283.34 mg/L[13]。

1.2.2 紫薯渣淀粉提取

将收集的紫薯废渣于50 ℃烘干，称取一定质量的紫薯废渣，以固液比1:5 g/mL（紫薯废渣:蒸馏水）加入组织捣碎匀浆机中进行打浆[15]。将紫薯匀浆液于25 ℃下浸泡1.5 h，将浸泡过后的紫薯匀浆液过滤：先过200目的粗筛，再过100目的纱布，洗涤1次。所得滤液静置24 h后通过离心除去上清液，沉淀干燥后粉碎过100目筛，即得紫薯淀粉，淀粉含量为83.06%[15]，装袋备用。

1.2.3 复合膜的制备

称取一定质量淀粉溶解于蒸馏水中，后将PVA以质量比1:1(淀粉:PVA)添加到淀粉中分散开来，在90 ℃条件下水浴加热2 h，磁力搅拌至粉末完全溶解，使其相互交联，得到质量浓度为1 g/100 mL的淀粉-PVA溶液[9]。将丙三醇以体积比1:100（丙三醇:淀粉-PVA溶液）缓慢加入到溶液中，磁力搅拌使其交联30 min，制得混合溶液。

分别向上述冷却的混合溶液中加入成膜基质干重0%、12%、24%和48%的PSPE冻干粉，得到含有不同浓度PSPE的混合溶液。混合后磁力搅拌15 min，然后在50 W超声功率下超声30 s均质去除气泡。分别取22 mL最终的混合溶液缓慢流延至清洁且光滑的直径为90 mm、边缘深度为20 mm的塑料培养皿中，在温度35 ℃、湿度75%条件下，把塑料培养皿置于培养箱中烘干36 h。烘干后揭取成膜，制得含有0%、12%、24%和48% PSPE的复合膜，记为PSPE-0、PSPE-1、PSPE-2和PSPE-3，并在室温25 ℃、相对湿度50%条件下置于干燥器中平衡备用。

1.2.4 复合膜物理性能的测定

膜厚度采用电子数显千分尺（±0.001 m）进行测定，每张膜随机取10个点，测量后取平均值，单位µm。膜的机械性能参照GB 13022-91的方法，并在其基础上进行一些修改[16]。将膜裁剪成60 mm×20 mm，食品物性测试仪夹距设定为40 mm，拉伸速度设定为0.6 mm/s，分别测定膜的抗拉强度（Tensile strength，MPa）和断裂伸长率（Elongation at break，%）[17]。抗拉强度和断裂伸长率的公式见式（1）和式（2）。

式中：TS为抗拉强度（MPa）；Fm为膜断裂时承受的最大拉力（N）；S为拉伸前截面积（mm2）。

式中：EB为断裂伸长率（%）；lmax为膜断裂时达到的最大长度（m）；l0为膜的初始长度（m）。

1.2.5 光谱分析

将PSPE溶液和复合膜溶液等量置于磷酸缓冲溶液中（pH 1.0～10.0，间隔为1.0），混合均匀后使用可见分光光度仪分别测定其紫外-可见光谱，在400～800 nm范围内进行测定。

使用傅里叶红外光谱仪测定淀粉、PVA、淀粉-PVA膜、PSPE和复合膜的红外吸收图谱（频域图谱），仪器参数设置为：波数范围4000～650 cm-1、分辨率4 cm-1、扫描次数为32[18]。

1.2.6 膜的颜色测定

将复合膜浸泡在磷酸缓冲溶液中（pH 5.0～9.0，间隔为0.5）浸泡1 min，取出烘干后使用色差仪测定样品，分别记录膜的L*(亮度)、a*(由绿到红)、b*(由蓝到黄)[19]。总色差(ΔE)计算如式（3）：

式中：ΔL=L*-L0*，Δa=a*-a0*，Δb=b*-b0*，其中L0*，a0*和b0*是pH值为7时的颜色值。

1.2.7 牛奶腐败的检测

取22 mL牛奶样品于直径为90 mm、边缘深度为20 mm的塑料培养皿中，在温度25 ℃、湿度75%条件下，将装有牛奶的培养皿放在干燥箱中连续培养。用保鲜膜将培养皿密封住，将直径为2 cm的PSPE-2复合膜贴在膜的内表面来监测牛奶的品质变化，每隔6 h测定复合膜的L*、a*和b*值，同时用数字pH计同步检测牛奶的pH值[20]。为了进一步证明复合膜的传感特性，将膜放置在变质的牛奶表面静置3 min，从而观察膜的颜色变化。

1.2.8 数据分析

样品检测结果均以平均值±标准方差的形式表示，数据采用SPSS 19.0软件中的Duncan法进行方差分析，p<0.05为差异显著，试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 厚度及机械性能

如表1所示，PSPE-0膜厚为最小值90.45 µm，PSPE的加入对膜的厚度没有显著性的影响。随着PSPE含量的增加，抗拉强度（TS）先增大至16.52 MPa后减小到14.25 MPa，断裂伸长率（EB）则由38.27%显著增加到126.31%（p<0.05）。TS的变化可能与膜的结晶结构及分子间作用力有关；EB的显著增加可能是由于PSPE降低了成膜基质的分子间作用力，减少了水分子与成膜基质间的交联，流动的聚合物链数量随之增加[21]。

表1 四种复合膜的厚度和机械性能Table 1 Thicknesses and mechanical properties of four composite films

2.2 紫外-可见光谱分析

如图1（a）所示，随着pH从1.0增加到10.0，当PSPE溶于酸性溶液，在pH低于3.0时呈现红色，在pH处于4.0～6.0范围内则呈现浅红色；pH为7.0时变为较浅的紫色；当PSPE溶于碱性溶液，pH在8.0～10.0范围内颜色则由墨蓝向墨绿转变。PSPE的紫外-可见光谱（UV-Vis）的吸收强度可表明PSPE显色的深浅程度，吸收强度越大则显色越深[22]。

如图1（b）和（c）所示，由PSPE在不同pH环境下的UV-Vis可知，pH 1～4范围内PSPE在524 nm处有最大吸收峰，当pH接近5～6时，吸收峰转移到536 nm，溶液的吸光强度随pH的增加而下降。相反，pH 7～10范围内PSPE在608 nm处的吸收峰随pH的增加而上升。复合膜的UV-Vis与PSPE溶液光谱变化规律一致。因此，PSPE与淀粉/PVA成膜基质共混仍表现较高的生理活性，随溶液pH值的变化而稳定显色。

特征吸收峰的变化与色素结构相关，524 nm处的吸收峰是由于花色羊（flavylium）[23]阳离子的作用，其在吸收氢氧根离子（OH-）后形成无色醇型假碱（carbinol pseudobase）[24]，在608 nm处形成特征吸收峰。溶液的颜色变化与UV-Vis吸收相对应，随着pH的变化由最深的红色转为最深的墨绿。溶液显示的是其吸收光的互补色光的颜色，绿色吸收的光波长（605～750 nm）对应于它的互补色（红色），同样红色是吸收绿光波长的结果。

图1 （a）在pH 1.0～10.0环境下的PSPE的颜色变化；（b）PSPE的紫外-可见光谱；（c）复合膜的紫外-可见光谱Fig.1 (a) Color change of PSPE solutions in the pH range of 1.0～ 10.0; (b) UV-Vis spectra of PSPE; (c) UV-Vis spectra of composite films

2.3 傅里叶红外光谱分析（FT-IR）

图2 淀粉、PVA、淀粉-PVA膜、PSPE和复合膜的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of starch, PVA, starch-PVA film, PSPE and composite films

如图2所示，淀粉在761 cm-1～1077 cm-1波段吸收峰是由C-O键的伸缩振动引起的；由于淀粉与水分子的紧密结合，在1639 cm-1处形成特征吸收峰。PVA在1086 cm-1和1416 cm-1处分别为C-O键的伸缩振动峰和基本碳骨架CH-CH2的弯曲振动峰。由于自由基、分子间和分子内的O-H键的伸缩振动，在约3400～3200 cm-1处淀粉和PVA都有相似的宽带吸收峰；淀粉和PVA在2928 cm-1、2908 cm-1处峰是由O-H键的弯曲振动引起的。同样在淀粉-PVA膜和复合膜中也出现相似的宽带吸收峰。

PSPE在1709 cm-1和1596 cm-1处峰是由芳香环骨架上的C=C键伸缩振动引起的，1277 cm-1处峰是吡喃环延伸的黄酮类化合物的特征吸收峰，1023 cm-1处峰是由芳香环中的C-H键弯曲振动引起的。

由淀粉-PVA膜的光谱图可知，在淀粉薄膜中加入PVA后特征峰有所偏移，相对于原淀粉、PVA中的1141 cm-1（C-C和C-OH的伸缩振动）和1086 cm-1（C-O的伸缩振动和C-H的弯曲振动）两个特征峰向低波数方向偏移，表明成膜基质之间存在相互作用（氢键）。加入PSPE后，部分振动和键能增强，造成复合膜力学性能的改变。1023、1709和1596 cm-1处吸收峰产生明显的增强和偏移，1023 cm-1处为芳香环中C-H键的弯曲振动峰，1709和1596 cm-1处的芳香环骨架上C=C键伸缩振动峰的变化表明PSPE中的芳香族化合物与成膜基质间存在分子间作用力，芳香环上发生邻位取代。相比淀粉-PVA膜的红外光谱图，复合膜在1500～1600 cm-1谱带的变化表明PSPE与淀粉/PVA成膜基质有良好的相容性，且化学成分未受影响。

2.4 膜的颜色

表2 含不同浓度PSPE的复合膜的颜色Table 2 Color of the composite films with different concentrations of PSPE

通过L*、a*、b*和ΔE值对复合膜的颜色响应进行评价。L*表示颜色的明度从暗到亮，a*表示颜色由红（+）到绿（-），b*表示颜色由黄（+）到蓝（-）。如表2所示，相比淀粉-PVA膜，含PSPE的复合膜L*值较小，a*、b*和ΔE值较大。随着PSPE浓度的增加，L*值递减，a*、b*和ΔE值递增，表现出明显的颜色变化：显著性地a*值表明“红色”增强，b*值表明“黄色”增强，L*表明膜的亮度下降，膜的颜色显著性地从淡紫转变为酒红色[21]。

一般来说，复合膜的表观颜色应不影响膜的指示显色，从而可以替代普通的薄膜且被消费者所接受。PSPE-2与PSPE-3的L*、a*、b*和ΔE都比较接近，但PSPE-3过深的酒红色影响膜的显色性能，因此色素的添加量不宜超过成膜基质干重的24%。

2.5 在牛奶腐败中的应用前景

图3 (a)复合膜在牛奶中的应用：从左至右为反应0 h和48 h，膜直接与变质牛奶表面接触；（b）从0 h～48 h牛奶的pH变化；(c)从0 h～48 h膜的a*和ΔE变化Fig.3 (a) Application of composite films in milk: From left to right for the reaction of 0 h and 48 h, the composite films contacted the surface of metamorphic milk. (b) Change in pH of milk from 0 h to 48 h. (c) Change of a* and ΔE of composite films from 0 h to 48 h

在14.9 ℃下，新鲜牛奶的pH值为6.47。如图3(a)和(b)所示，新鲜牛奶在温度25 ℃、湿度75%条件下连续培养后，pH值持续下降，膜也发生肉眼可见的颜色变化。48 h后，经测定牛奶的pH值为3.25，膜呈现淡粉色，牛奶产生酸败气味，明显证明牛奶已经变质。

如图3所示，根据测定的pH值与色度值，由于金黄色葡萄球菌等微生物的污染，牛奶逐渐腐败变质，产生酸性物质，pH值逐渐下降，膜的颜色变红变浅，通过在不同pH值环境中表现出不同的颜色这一特性监测牛奶的品质变化。复合膜与变质的牛奶直接接触后，更加直观清晰地显示其颜色变化。因此，制定的复合膜能够作为智能指示包装膜，指示牛奶的新鲜度。

3 结论

3.1 研究表明，随着PSPE浓度的增加，膜的厚度和抗拉强度未发生显著变化（p>0.05），断裂伸长率则由38.27%显著增加至126.31%（p<0.05），而膜的外观颜色也明显由淡紫转变为酒红色。在紫外-可见光谱测定分析中，PSPE的UV-Vis与复合膜溶液光谱保持一致，表明淀粉/PVA成膜基质并未对PSPE的化学成分产生影响。FTIR则进一步论证了PSPE与成膜基质之间存在氢键作用。

3.2 牛奶腐败过程中，生成低级的醛、酮和羧酸等挥发性物质，从而使本论文开发的智能指示包装膜能对牛奶的酸败能产生可靠的响应。因此，该研究中的智能指示包装膜作为一种“诊断工具”，为检测牛奶的质量变化提供了一种简便而直观可视化的方法，具有很大的潜力，以确保牛奶的品质安全。

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