食品新鲜度标签材料时间-温度偶合作用及应用分析

马倩倩， 王秀峰， 岳桂贞， 江红涛

(陕西科技大学 材料科学与工程学院 陕西省无机材料绿色制备与功能化重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

预包装食品(prepackaged foods)，指预先定量包装或者制作在包装材料和容器中的食品，包括预先定量包装以及预先定量制作在包装材料和容器中并且在一定量限范围内具有统一的质量或体积标识的食品[1].食品新鲜度是指不同食品的外观、颜色、气味、滋味、质地、水分含量、糖分含量以及其他营养成分的改变程度[2].食品新鲜度标签能主动“判断”和“指示”食品新鲜度，一般通过机械形变或颜色变化指示食品质量，以帮助消费者购买到新鲜的食品.

目前有关的新鲜度指示标签有以下几种：时间-温度积分器(Time-Temperature Integrator，TTI)、传感器、电子鼻、射频识别标签等.TTI主要有扩散型[3]、酶型[4,5]、聚合物型[6]、微生物型[7].传感器通过测量温度、pH或释放的气体监测食品新鲜度[8].电子鼻由传感器阵列组成，能更清晰的监测食品的腐败程度，甚至对腐败代谢物进行定性、定量的判断[9,10].射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)标签基于无线通信，通过传输反向散射信号将信息传出[11,12]，可与传感材料结合用于食品质量监测[13,14].

变色标签是一种可视化判断食品新鲜度的标签，通常利用代谢物的信息，例如CO2、总挥发性碱性氮(氨，二甲胺和三甲胺)和H2S的量来监测食品质量[15-18].Zhang Hongjuan等[19]研究的蒽醌和偶氮发色团组合的活性染料，其发色团分子结构可随pH变化发生重排从而显示出肉眼可见的颜色变化.由于酸碱指示剂对pH极度敏感，也被应用于判断食品新鲜度[20-24].与单一指示剂相比，混合指示剂可以扩大颜色变化范围.Hui Zhi C等[25]设计的混合指示剂标签，用于评估5 ℃下猪肉8天内的新鲜度变化，其颜色从红色(新鲜期)变为黄色(中期新鲜期)最终变为绿色(变质期).花青素是一种天然热敏感染料，可随温度、光照、氧气、糖和酶的变化、pH值以及蛋白质和金属离子的不同而变化[26,27].Maciel V B V等[28]利用花青素在不同温度下的变色现象，开发了智能的可生物降解的温度指示材料.花青素因pH改变而发生结构转变，最终也表现为颜色变化[29].通常，光学或视觉pH传感器由pH敏感染料和固体支持物(壳聚糖/ PVA、琼脂糖、淀粉)组成[30-32].这种可视化的方式监测食品质量和新鲜度，便于消费者选购新鲜食品并有利于厂家适时调整食品销售方案.通过颜色变化指示食品品质，将是食品行业的重要发展方向[33,34].

碘-淀粉是一种安全的显色反应系统，还未被应用于食品新鲜度的指示，且未有相关研究报导.主要影响碘-淀粉显色反应的因素是淀粉的种类和碘的浓度，因此碘与淀粉作用时除了蓝色外，还可常见到蓝中带褐色或蓝中带紫色，甚至出现紫红色[35].已知I-可在空气中被氧化成I2，再与淀粉形成络合物发生显色反应[36].本研究利用此原理，以淀粉和碘化钾为反应物，研制食品新鲜度变色标签材料.基于这一显色反应制备的变色材料，其随食品出厂，区别于市场上已有的印刷生产日期、食品保质期等静态标签和二维码标签.这种变色材料可实时监控食品贮藏环境，并随环境条件和时间呈现不可逆的可视化颜色变化，用于短期预包装食品新鲜度的判断.

1 材料与方法

1.1 实验材料

玉米淀粉(食品级)，购自西安滋品源食品有限公司；碘化钾(KI、分析纯)，购自天津市天力化学试剂有限公司；无水氯化钙(CaCl2、分析纯)，购自天津市天力化学试剂有限公司；无水乙醇，购自天津市富宇精细化工有限公司；环氧树脂E-44，购自西安树脂厂；聚酰胺树脂650，购自镇江丹宝树脂有限公司；70 g/m2型打印纸，购自亚太森博纸业有限公司；溴化钾(KBr、分析纯)，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；纯牛奶，购自伊利乳业有限公司.

1.2 实验仪器

JM-B2002型电子天平，购自诸暨市超泽衡器设备有限公司；KQM-X4Y/B型行星式四头快速球磨机，购自咸阳金宏通用机械有限公司；冰箱；TA218A型数显温湿度计，购自常州天宁胜优电热仪表公司；528型分光密度计，购自美国爱色丽公司；Cary 5000紫外-可见分光光度计，购自美国安捷伦公司；Vertex 70傅里叶红外光谱仪，购自德国布鲁克公司；pHS-3C型台式pH计，购自上海仪电科学仪器股份有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 变色材料的制备

设计基于淀粉遇碘显色的变色材料.实验中称取玉米淀粉1.00 g、KI 1.50 g、无水氯化钙(CaCl2)5.00 g，通过球磨将原料混合均匀；然后直接加入环氧树脂含量为10 wt%的乙醇溶液10 mL并球磨30 min；最后加入40 wt%的固化剂(聚酰胺树脂)球磨10 min.制备好的材料取出备用.

1.3.2 标签试样的制备

裁剪适量大小一致的纸条，将上一步制备的变色材料均匀涂覆在纸条上制成标签试样，再将标签试样置于不同环境中观察颜色变化.

1.4 分析表征

1.4.1 变色标签材料色度值测定

分光密度计(SpectroEye，X-Rite，America)的照明光源设置为D55，角度为2度角，在CIELAB颜色系统中工作.根据CIELAB颜色系统，参数L的比例在100(白色)到0(黑色)之间，表示颜色的亮度；参数a从+a(红色)到-a(绿色)，为红度参数；参数b从+b(黄色)到-b(蓝色)，为黄度参数.按公式(1)计算色度值ΔE，所有的测试一式三份进行，取平均值.

(1)

1.4.2 变色标签材料反射率测定

紫外-可见分光光度计扫描范围设为200～800 nm，对不同温度下、不同时间点的标签试样进行反射率测试.

1.4.3 变色标签材料红外光谱测定

将KBr置于鼓风干燥箱进行烘干，鼓风干燥箱温度设置为150 ℃，干燥时间为6 h.取变色材料0.1 g、环氧树脂0.1 g、聚酰胺树脂0.1 g分别溶于2 mL丙酮中.傅里叶红外光谱仪扫描范围设为400～4 000 nm，将溶液分别刷在压好的KBr膜上并用吹风机吹干后进行测试，得到3条红外测试曲线.玉米淀粉与KBr按大约1∶100的比例混合后压膜，然后进行红外光谱测试，得到1条红外测试曲线.

1.4.4 纯牛奶pH值测定

首先对pH计玻璃电极进行清洗、擦干，并进行pH校正；之后再次对玻璃电极清洗、擦干，并保证电极处无气泡；最后测试纯牛奶试样，试样液位不得低于pH计玻璃电极，15 s后读数并记录.

2 结果与讨论

2.1 颜色变化与时间的关系

标签材料的颜色变化可由色度值ΔE进行表征.分光密度计是一种颜色测试仪器，可用来判断标签的颜色.不同的ΔE值会引起人不同的视觉反应[37]：ΔE=1.50～3，视觉感应明显(obvious)；ΔE=3～6，视觉感应更明显(very obvious)；ΔE>6，视觉感应强烈(strong).通常，ΔE值超过12时，它表示不同的颜色空间[38].

将制备好的变色材料涂覆于纸条，放置在室温(23±2 ℃、60±5%)、非直射光的环境中观察颜色变化.贮藏期间标签试样的CIELAB参数和ΔE值持续发生变化(如图1(a)所示).L值整体呈下降趋势，表明标签亮度逐步降低，前5天变化较快，后5天变化缓慢；a值前5天持续上升，之后呈微小变化趋势；b值经过2天就达到了峰值，之后一直处于波动状态.ΔE值呈对数型上升(如图1(b)所示)，数值变化可由方程组(2)表示.该标签在室温下随时间显示出明显的颜色变化，前5天ΔE值迅速上升，后5天趋于平缓；冷藏(8 ℃、60±5%)、冷冻(-18 ℃、60±5%)条件下ΔE值一直缓慢上升.初始阶段，碘以离子的形式存在，之后I-被空气中的氧气氧化成I2，从而与淀粉形成络合物产生显色反应，并且随着I2量的增加，络合物的颜色强度发生变化(如图1(c)所示).

(2)

式(2)中：t为时间，r为相关系数.

(a)标签试样在不同时间的L、a、b、ΔE值曲线

(b)标签试样在不同时间的ΔE值拟合曲线

标签试样的反射率随时间演变(如图2(a)所示).开始时，标签为浅青色，曲线在344nm处有明显的峰，随着标签颜色的变化，峰值减小且逐渐消失，标签颜色也由浅青色变为棕红色.颜色变化过程为：浅青色-淡黄色-土黄色-红色-棕红色(如图1(c)所示).前10天的反射率测试曲线峰值持续下降，且每天差值明显，表明变色材料中发生持续的物化反应；第11、12、13天的反射率曲线基本重合，且10天后标签颜色不再发生明显变化，由此可知显色反应基本结束，I-基本停止转化，络合物的量也不再明显增加.峰值下降越快，表明反应速度越大.用峰值差表示变色反应量，其中第1天的反应量约占总反应的64.67%，随着时间的推移反应速度快速减小，第3天到第7天的反应量远不及第1天的反应量，第8天到第10天的反应量约为第2天反应量的一半，直到反应结束(如图2(b)所示).

标签的显色反应速率呈幂函数形式下降(如图2(b)中插图所示)，可用公式(3)表示：

v=0.642 6t-2.294(r=0.993)

(3)

式(3)中：v为反应速率，t为时间，r为相关系数.

(a)常温下标签试样在不同时间点的反射率曲线

(b)常温下标签试样的显色反应量(插图为常温下标签试样的显色反应速率) 图2 常温下标签试样的显色反应速度

1 649 cm-1处的峰是淀粉中存在的紧密结合水的特征峰[39].1 000和1 200 cm-1之间的吸收带是多糖骨架上-C-O-拉伸的特征[40].1 016 cm-1处的峰归因于脱水葡萄糖环中C-O-C基团的C-O键拉伸(如图3中a曲线所示).变色材料在1 016 cm-1附近的条带强度发生变化，这表明I-被氧化为I2并与淀粉作用形成了螺旋结构(如图3中b曲线所示)[41].淀粉粉末中C-O-C基团的C-O基团的伸展活力波数为1 016 cm-1.然而，在变色材料中，C-O基团的伸展活力波数变为1 039 cm-1，波数升高，这表明淀粉分子之间的氢键相互作用减弱.根据Huang等[42]的研究，这种相互作用的弱化使得C-O-C基团的C-O键伸展至1 039 cm-1，从而产生红色.913 cm-1处的峰归因于环氧基团的振动带，3 298 cm-1处的峰归因于氨基的N-H伸缩振动(如图3中c、d曲线所示).变色材料中这两个峰消失，表明氨基和环氧基消耗，发生了固化反应[43,44].

a：淀粉的红外光谱曲线；b：变色材料的红外光谱曲线；c：环氧树脂的红外光谱曲线；d：聚酰胺树脂的红外光谱曲线图3 原料及变色材料红外光谱图

2.2 颜色变化与温度的关系

不同温度下ΔE值的变化速度不同.室温下前5天ΔE值有明显的上升，之后缓慢变化；冷藏和冷冻条件下ΔE值均上升较慢，同时，变化的持续时间有所延长(如图4(a)所示).L值在室温下迅速减小，冷藏、冷冻下缓慢减小(如图4(b)所示).标签试样的颜色变化也表明，温度越低，变色越慢(如图1(c)所示).

反应前期，变色材料吸水速度快，显色原料充足，颜色变化显著.温度越高，能量越大，I-更易转化，化学反应更易进行.反射光谱是颜色监测的另一种方法.室温下的标签试样的反射率远低于冷藏和冷冻条件下的反射率(如图4(c)所示)，已知变色材料的颜色变化与反射率成反比，因此室温下变色材料的颜色变化速度最快.同时，室温下的标签试样的变色反应量远高于冷藏和冷冻条件下的变色反应量，并且表现出与ΔE值相同的变化趋势(如图4(d)所示).

(a)不同温度下的ΔE值曲线

(b)不同温度下的L值曲线

(c)不同温度下的反射率曲线

(d)不同温度下的显色反应量曲线图4 不同温度下标签试样的显色反应速度

2.3 不同贮藏条件下标签材料反应速度的关联性

不同温度(室温、冷藏、冷冻)及不同时间段，变色标签材料的变色反应速度不同，颜色变化程度不同，ΔE值变化幅度不一(如图5所示).不同贮藏条件下标签试样到达变色终点的历经时间不同，温度越低反应速度越慢，变色时间越长，同时每天的色度值差也越小.冷藏条件下的标签试样6天的ΔE值约为室温下0.5天的ΔE值，10天的ΔE值接近室温下1天的ΔE值；冷冻条件下的标签试样10天的ΔE值还不及室温下0.5天的ΔE值(如图4(a)所示).反射光谱也呈现相同的变化趋势.冷藏条件下的标签试样6天的反应量约为室温下0.5天的反应量，10天的反应量接近室温下1天的反应量；冷冻条件下的标签试样的反应量还不及室温下0.5天的反应量(如图4(d)所示).

图5 不同贮藏条件下ΔE值变化曲线

用Origin8.0对不同温度下的标签试样的色度值ΔE进行拟合分别得到1～10天的拟合曲线，并对其数值进行分析，可得色度值ΔE与时间-温度的关联方程组(4)：

(4)

式(4)中：T为温度，t为时间，r为相关系数.a0=-0.611 11；a1=4.711 93；a2=-0.220 85；b0=-0.023 73；b1=0.010 50；b2=-0.001 58；b3=7.597 13e-5；c0=16.529 40；c1=-6.440 49；c2=0.884 15；c3=-0.039 31.

2.4 标签实际应用

牛奶在开封后贮藏时易腐败变质，主要是微生物的繁殖产生了大量蛋白酶和脂肪酶，促使蛋白质和脂肪被降解，生成各种氨基酸，再分解生成酸、醛、醇、酮类物质，并导致pH值发生变化.因此，牛奶在贮藏中的酸碱度变化可以直接反映出其新鲜程度.本实验利用食品新鲜度指示标签对纯牛奶的质量变化进行了监测.纯牛奶在监测的96小时内色泽、气味和组织状态均有变化，pH值从最初的6.85先下降至6.22而后迅速上升至7.57，食品新鲜度指示标签的色度值ΔE同时表现出明显的变化(如图6所示).

食品新鲜度指示标签可于食品包装外部指定位置粘贴使用，通过比色观察，使消费者直观判断、掌握食品动态质量.牛奶在贮藏过程中色泽、气味和组织状态等感官评价结果因人而异，缺乏客观性，不足以说明实际质量，而专业的检测方法在消费人群中的应用受到限制.对于消费者而言，食品新鲜度指示标签可作为一种增值工具，通过比色指示食品的质量变化.本实验研制的食品新鲜度指示标签的色度值ΔE表现出单调上升的趋势，表明标签颜色呈现不可逆的连续变化过程，因此能更明确的指示食品在贮藏过程中的历经时间和温度，来评价食品的质量.

图6 纯牛奶pH值、标签试样ΔE值变化曲线

3 结论

该实验是以淀粉与碘的显色反应为基础，研制短期预包装食品新鲜度指示标签材料.本实验使用淀粉与KI作为反应原料，通过I-在空气中氧化生成I2，然后与淀粉作用显色，最后通过颜色变化指示预包装食品新鲜度.

(1)研究得知，室温(23±2 ℃、60±5%)下标签试样呈现出连续10天的明显颜色变化，颜色变化过程为：浅青色-淡黄色-土黄色-红色-棕红色.其中第一天表现出最快的颜色变化，显色反应约占总显色反应进程的64.67 %，之后变色缓慢，10天后变色基本停止.由此表明，此标签可用于室温下短期(10天内)预包装食品新鲜度的判断.

(2)不同温度下标签试样表现出不同的颜色变化趋势.温度越低，I-转化越慢，显色反应速率越小，标签试样变色速度也相应减小.冷藏(8 ℃、60±5%)下，标签变色缓慢，颜色变化的持续时间延长；冷冻(-18 ℃、60±5%)下，标签变色更慢，颜色变化的持续时间更长.由此表明，此标签可用于冷藏、冷冻条件下保质期较长(大于10天)的食品新鲜度的指示.

(3)研究发现了该体系显色材料在室温、冷藏、冷冻条件下贮藏时温度等因素的偶合作用与化学反应速度的关联关系，提出了色度值ΔE与时间-温度的关联方程组，能更方便得出食品新鲜度与贮藏条件的关系，在食品新鲜度标签材料应用方面有重要意义，对食品保质期和贮藏条件优化有重要意义.由此方程组可得出不同温度下标签试样到达变色终点的历经时间，通过调节贮藏温度可适时延长食品贮藏期，减少资源浪费，并且通过数值计算可快速找到适合的贮藏温度.