于鑫淼，王琼琼，王平，白冰瑶，张丽，张斌，潘磊庆，宋丽军

1.塔里木大学 生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300；2.蚌埠学院 食品与生物工程学院，安徽 蚌埠 233030；3.南京农业大学 食品科技学院，江苏 南京 210095

0 引言

食品包装的主要功能是防止食品变质，保障食品质量安全，延长食品货架期，有效避免食品受到物理、化学、生物和环境威胁[1]。传统食品包装主要采用纸张、塑料、玻璃和金属4种材料。其中，塑料因使用方便、美观、理化性能优良，在包装工业中得到广泛应用，但其造成的环境污染和自然资源耗竭也愈发引人关注[2]。因此，新型食品包装材料生物可降解聚合物或生物聚合物受到业界的广泛关注[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]、化学合成生物高分子聚合物[5]、微生物来源生物高分子聚合物等[6-7]。聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)是一种具有优良生物相容性、水溶性和高阻隔性的高分子聚合物，含有大量的亲水基团，拥有良好的吸水性和生物降解性，在环保型包装材料领域展现出广阔的应用前景[8]。壳聚糖(Chitosan，CS)是由甲壳素脱乙酰基制备的衍生物[9]，来源丰富，具有良好的生物相容性、抗菌性和生物降解性[10]。翟纬坤等[11]研究发现，PVA与CS之间可形成氢键，两者共混有望改善PVA的生物降解性和CS的脆性；制成的改性淀粉/PVA可降解薄膜可实现完全生物降解，将其用于开发新型包装材料，具有显著的社会效益和经济效益。

智能包装的设计是将呈色物质加入包装材料中，使其可感知、共享食品在腐败过程中的pH值变化，并兼具一定的生物活性，在有效延长食品货贺期的同时，还能对食品的新鲜度进行实时智能指示。例如，王芳[12]利用桑葚色素制备智能包装薄膜，并将其成功应用于猪肉新鲜度的指示；薛瑾[13]使用桑葚色素制备了三文鱼新鲜度的指示型包装材料。新疆具有丰富的特色植物(如玫瑰花、桑葚、紫苏等)色素资源，但是有关这些植物色素资源在食品智能包装领域的研究却鲜见报道。基于此，本文拟以采自新疆的桑葚、紫苏叶、葡萄皮和玫瑰花为原料，采用超声辅助醇提法提取植物色素，采用流延法经烘箱干燥后制备pH敏感型智能包装薄膜，并对其理化特性、抗氧化活性、pH敏感性等进行研究，以期为开发基于植物色素的pH敏感型智能包装薄膜提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 实验材料桑葚，采摘于新疆喀什地区莎车县(76°00′E，39°19′N)；紫苏叶，采摘于新疆伊犁昭苏县(81°07′E，43°09′N)；葡萄皮，采摘于新疆阿克苏地区乌什县(79°13′E，41°12′N)；玫瑰花，采摘于新疆和田地区于田县(81°55′E，36°50′N)。以上材料均采摘于2021年6月。羊肉(多浪羊)，购自新疆疆南牧业有限公司。

1.1.2 主要试剂CS(脱乙酰度90%)、PVA(分析纯)，上海源叶生物科技有限公司产；丙三醇(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司产；三聚磷酸钠(食品添加剂)，天富(连云港)食品配料有限公司产；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH，纯度95%)，西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司产；乙醇(分析纯)，天津市致远化学试剂有限公司产。

1.2 主要仪器与设备

D8 Venture型X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)仪，布鲁克(北京)科技有限公司产；YS6003型分光色差仪，深圳市三恩时科技有限公司产；ETM-D型微机控制电子万能试验机，深圳万测实验设备有限公司产；FD-1A-80 型普通真空冷冻干燥机，上海继谱电子科技有限公司产；0～25 mm 型机械微米千分尺，东莞三量量具有限公司产；752 G型紫外-可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司产。

1.3 实验方法

1.3.1 植物色素提取物的制备将桑葚、紫苏叶、葡萄皮和玫瑰花分别于-50 ℃、真空度≤30 Pa条件下冷冻干燥12 h，粉碎后过40目筛。采用体积分数为60%的乙醇溶液，于料液比1∶30(m(原料/g)∶V(乙醇溶液/mL))的条件下超声辅助提取45 min，再于4000 r/min条件下离心10 min后，取上清液，于50 ℃减压条件下进行浓缩。将浓缩液冷冻干燥后即得不同色素提取物冻干粉。

1.3.2 薄膜的制备将0.3 g CS溶解于100 mL乙酸溶液(体积分数为1%)中，室温、800 r/min条件下磁力搅拌20 min，充分溶解后加入4.0 mL三聚磷酸钠溶液(质量浓度为1 g/mL)，超声处理30 min，制得CS溶液，冷藏备用。

将5.0 g PVA加热溶解于100 mL蒸馏水中，充分溶解后依次加入2.0 g色素提取物冻干粉、0.3 mL CS溶液和1.5 mL丙三醇，混匀后超声处理30 min。取适量所得溶液置于自制模具中，水平放置于50 ℃干燥箱中干燥，即得复合薄膜。薄膜使用前，需将其在相对湿度为(43±2)%条件下平衡24 h。同理，制得不添加植物色素的复合薄膜，作为空白对照，记为PVA-CS。添加桑葚、紫苏叶、葡萄皮和玫瑰花色素的复合薄膜分别记为PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP。

1.3.3 薄膜的外观评价1)薄膜的色差。采用分光色差仪比较薄膜颜色。根据CIEL*a*b*色度空间表征薄膜颜色。其中，L*表示明度；a*为红度，当a*>0时表示红色比重较大，a*<0时表示绿色比重较大；b*为黄度，当b*>0时表示黄色比重较大，b*<0时表示蓝色比重较大。利用在线网站(www.colortell.com)进行颜色拟合，总色差(ΔE)的计算公式如下：

2)薄膜的不透明度。参考焦欣欣等[14]的方法，采用紫外-可见分光光度计测定薄膜的不透明度。薄膜的厚度按照GB/T 6673—2001[15]进行测定。以空比色皿调0，将薄膜剪成相应大小后置于比色皿内壁，于600 nm处测定薄膜的吸光度，薄膜不透明度的计算公式如下：

不透明度=A600 nm/d

式中：A600 nm为薄膜在600 nm处的吸光度；d为薄膜的厚度/mm。

1.3.4 薄膜的机械性能测定薄膜的拉伸强度和断裂伸长率按照GB 1040.1—2018[16]进行测定，计算公式如下：

拉伸强度=F/b×d

断裂伸长率=L1/L0×100%

式中：F为样品断裂时承受的最大拉力/N；b为薄膜的宽度/mm；L1为薄膜断裂时的拉伸长度/mm；L0为初始夹距/mm。

1.3.5 薄膜的含水率测定参照薛瑾[13]的方法，将薄膜裁剪为2 cm×2 cm大小，于105 ℃干燥箱中烘干至恒重，薄膜含水率的计算公式如下：

式中：Mi为薄膜干燥前的质量/g；Mf为薄膜干燥至恒重后的质量/g。

1.3.6 薄膜的水溶性测定参照陈凤霞[17]的方法，将恒重后的薄膜放入50 mL蒸馏水中浸泡24 h，取出后再次烘干至恒重，薄膜水溶性的计算公式如下：

式中：Mh为浸泡后薄膜烘干至恒重的质量/g。

1.3.7 薄膜的pH敏感性测定参照王芳[12]的方法，并加以修改。将薄膜裁剪为2 cm×2 cm大小，分别置于pH值为3、5和7的磷酸盐溶液及pH值为9和11的碳酸盐溶液中浸泡1 min，取出沥干后用分光色差仪测量复合薄膜的颜色参数，以不浸泡盐溶液的薄膜为对照。分别以成品膜的L*、a*、b*为参照，按照1.3.3计算ΔE。

1.3.8 薄膜的结构表征采用X射线衍射仪对薄膜的结晶结构进行表征。样品表面平整、无划痕，采用θ～2θ联动，扫描步幅为0.1，扫描角度为4°～80°，电流为40 mA，电压为40 kV。

1.3.9 薄膜的抗氧化活性测定参照Y.Li等[18]的方法，取2 cm×2 cm薄膜剪碎后置于试管中，加入4.0 mL甲醇，于25 ℃避光静置2 h。取3.0 mL浸泡液与1.0 mL DPPH甲醇溶液(150 μmol/L)混合均匀，避光静置30 min后，于517 nm处测定吸光度，以甲醇为对照。薄膜的DPPH自由基清除率的计算公式如下：

式中：A1为样品测得的吸光度；A0为对照测得的吸光度。

1.3.10 薄膜对羊肉新鲜度的颜色响应取5 g新鲜羊肉，分别用不同复合薄膜进行包装，将包装后的样品置于4 ℃冰箱中保存，用分光色差仪测量薄膜的色度参数。以包装前薄膜的L*、a*、b*为参照，按照1.3.3计算ΔE。

2 结果与分析

2.1 不同复合薄膜的外观分析

不同复合薄膜的ΔE和不透明度见表1。由表1可知，对照样PVA-CS为无色透明复合薄膜，添加不同植物色素提取物的复合薄膜呈现不同颜色。其中，PVA-CS-MMP呈暗红色，ΔE为71.97；PVA-CS-PLP呈暗黄色，ΔE为51.69；PVA-CS-RFP呈浅黄色，ΔE为44.94；PVA-CS-GPP呈浅紫色，ΔE为35.20。

表1 不同复合薄膜的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显著差异(P<0.05)。对照样PVA-CS不透明度为0.20，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的不透明度分别为10.37、4.90、4.60和2.70，较对照样分别增加了10.17、4.70、4.40和2.50，表明植物色素能够提高薄膜的遮光性，从而更有利于阻隔紫外线。Y.L.Zhang等[19]研究发现，红毛丹果皮提取物明显降低了胶原/淀粉复合薄膜的透光率，添加植物色素的复合薄膜具有降低光线对食品氧化速率的作用。但食品包装薄膜在阻隔紫外线的同时，也要保证适宜的透明度，以便于观察包装内食品的状态[20]。相较于其他4种复合薄膜，PVA-CS-MMP的不透明度最高且具有一定的透光率。因此，PVA-CS-MMP的适用性更强。

2.2 不同复合薄膜的机械性能分析

复合薄膜的机械性能是食品包装的基本属性之一[21]，优良的机械性能是贮藏、运输及销售过程中食品安全性的重要保证[22]。不同复合薄膜的机械性能如图1所示，其中不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。由图1a)可以看出，对照样PVA-CS的拉伸强度为21.03 MPa，添加色素提取物后，PVA-CS-PLP的拉伸强度较对照样提高了0.15 MPa，而PVA-CS-RFP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-MMP的拉伸强度较对照样分别降低了2.61 MPa、4.33 MPa和5.30 MPa(P<0.05)。由图1b)可以看出，对照样PVA-CS的断裂伸长率为262.41%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的断裂伸长率分别为243.83%、224.40%、218.77%和201.81%，均显著低于对照样PVS-CS(P<0.05)。

图1 不同复合薄膜的机械性能Fig.1 Mechanical properties of different composite films

薄膜的力学性能与其微观结构及组分间的分子相互作用密切相关[23]。花青素类化合物的羟基基团可与PVA分子呈现不同程度的交联[24]。邹小波等[25]研究了天然花青素提取物与CS明胶复合薄膜的制备和表征，证实花青素提取物填补了成膜基材的空间空隙，减少了水分子与基材之间的交联作用，并造成断裂伸长率下降。综上所述，PVA-CS-MMP和PVA-CS-PLP的机械性能较好。

2.3 不同复合薄膜厚度、含水率和水溶性分析

厚度、含水率和水溶性是检测食品包装薄膜的重要指标。不同复合薄膜的厚度、含水率和水溶性如图2所示。由图2a)可以看出，对照样PVA-CS的厚度为0.096 mm，添加色素提取物后，PVA-CS-RFP、PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP和PVA-CS-GPP的厚度分别增加了0.009 mm、0.008 mm、0.004 mm和0.002 mm。这与E.J.Go等[26]添加未纯化的植物提取物可使果胶薄膜中的固体含量增加，进而导致薄膜厚度增加的结论一致。由图2b)可以看出，对照样PVA-CS的含水率为33.08%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-RFP、PVA-CS-GPP和PVA-CS-PLP的含水率分别为22.78%、21.98%、20.03%和19.30%，均显著低于对照样PVA-CS(P<0.05)。这与X.C.Wang等[27]添加植物提取物可降低CS薄膜含水率的结论一致。PVA和CS在室温下均难溶于水，由图2c)可以看出，对照样PVA-CS的水溶性为17.45%，添加色素提取物后，PVA-CS-MMP、PVA-CS-GPP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-PLP的水溶性分别为21.92%、20.47%、20.42%和20.10%，均显著高于对照样PVA-CS(P<0.05)。这与王圣[28]添加植物色素会导致薄膜结构较疏松，进而提高复合薄膜水溶性的结论一致。

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

2.4 不同复合薄膜的pH敏感性分析

不同复合薄膜在不同pH值条件下的显色响应见表2。由表2可知，当pH值由3增加至11时，PVA-CS-PLP由暗黄色变为深绿色；PVA-CS-GPP由浅紫色变为绿色；PVA-CS-RFP由浅黄色变为浅绿色；PVA-CS-MMP由粉红色变为墨绿色。有研究[29]表明，在酸性溶液中，花青素主要以2-苯基苯并吡喃阳离子的形式存在，呈黄色到红色；当溶液pH值约为4时，苯并吡喃环上的酚羟基脱质子化，以蓝色或紫色的醌型碱形式存在；当溶液pH值约为7时，以半缩醛和查尔酮的形式存在。通常肉类的pH值变化范围为5～7，且腐败时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值为7时ΔE分别为24.07、14.77、7.26和5.14，均显著大于肉眼可观察的色差阈值(ΔE>5)[31]。综上所述，添加不同色素提取物的复合薄膜在不同pH值条件下的颜色反应差异较大，其中PVA-CS-GPP对pH值变化最为敏感。

表2 不同复合薄膜在不同pH值条件下的显色响应Table 2 Color response of composite films under different pH value conditions

2.5 不同复合薄膜的XRD分析

不同复合薄膜的XRD图谱如图3所示。由图3可以看出，对照样PVA-CS的特征峰为19.32°，XRD最高峰对应的峰强为1413 CPS。PVA-CS-MMP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-GPP的特征峰分别为19.39°、19.37°、19.12°和19.33°，XRD最高峰对应的峰强分别为1155 CPS、1861 CPS、1784 CPS和1248 CPS。添加色素的复合薄膜与对照样PVA-CS的特征峰稍有差异，这可能是因为添加的色素导致衍射峰位置发生了迁移。PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP的XRD最高峰对应的峰强明显低于对照样PVA-CS，这可能是因为桑葚和葡萄皮色素破坏了PVA-CS的氢键，使PVA-CS结晶度降低，表明植物色素提取物与成膜基材之间产生了较好的交联作用，使得复合薄膜形成了稳定的网状结构[28]。PVA-CS-PLP和PVA-CS-RFP的XRD最高峰对应的峰强明显高于对照样PVA-CS，这可能是因为紫苏叶和玫瑰花色素与PVA-CS结合能力较低，使得复合薄膜晶体化程度较高、结构较疏松。这与梅佳林等[32]的研究结果(PVA膜在2θ为19.6°处存在一个衍射峰)稍有差异，可能是因为PVA-CS中混合了少量CS，导致衍射峰位置发生了偏移。综上所述，复合薄膜的结构稳定性受色素提取物种类影响，其中PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP的结构稳定性较高。

图3 不同复合薄膜的XRD图谱Fig.3 X-ray diffraction pattern of composite films

2.6 不同复合薄膜的抗氧化活性分析

自由基会引起食品氧化变质，同时导致营养物质的损失和有害物质的产生[33]。具有良好抗氧化能力的包装薄膜可显著降低食品的氧化速率，抑制食品腐败变质，有效延长货架期[13]。图4为不同复合薄膜的DPPH自由基清除率。由图4可以看出，对照样PVA-CS的DPPH自由基清除率为22.2%，添加色素提取物后，复合薄膜的DPPH自由基清除率均显著增加(P<0.05)。这可能是因为CS的游离氨基能与DPPH自由基形成稳定的大分子自由基NH3+和H+，故未添加色素提取物的PVA-CS显示出较弱的抗氧化活性[34]；而色素提取物中富含的多酚、黄酮、花青素等生物活性物质可以清除各种自由基[35]，故添加不同色素提取物均能显著增强复合薄膜的抗氧化活性[35]。PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP的抗氧化能力最强，其DPPH自由基清除率分别为89.67%和89.02%；其次为PVA-CS-MMP和PVA-CS-PLP，其DPPH自由基清除率分别为77.24%和76.11%。

图4 不同复合薄膜的DPPH自由基清除率Fig.4 DPPH radical scavenging activities of composite films

2.7 不同复合薄膜对羊肉新鲜度的颜色响应分析

表3为不同复合薄膜对羊肉新鲜度的颜色响应。由表3可知，对照样PVA-CS的ΔE为0.48，PVA-CS-GPP、PVA-CS-PLP、PVA-CS-RFP和PVA-CS-MMP的ΔE分别为25.15、12.29、9.18和5.78。添加不同色素提取物的复合薄膜均发生了肉眼可见的颜色变化，其中PVA-CS-GPP颜色变化最明显。这可能是因为羊肉中的挥发性氨类物质溶解在薄膜内表面的水中产生了羟基离子，提高了薄膜的pH值，最终导致了薄膜中色素颜色的改变[36]。因此，PVA-CS-GPP在羊肉新鲜度智能监测领域具有一定的应用潜力。

表3 不同复合薄膜对羊肉新鲜度的颜色响应Table 3 Color response of different membranes to mutton freshness

3 结论

本文以4种植物色素提取物为显色成分，制备了pH敏感型智能包装薄膜，并对其理化特性及羊肉新鲜度的智能指示效果进行了研究。结果发现，PVA-CS-MMP和PVA-CS-GPP相较于其他3种复合薄膜，具有较好的遮光性和结构稳定性；PVA-CS-PLP和PVA-CS-MMP具有良好的机械性能；PVA-CS-PLP具有较低的含水率和水溶性；添加色素提取物后，复合薄膜的抗氧化能力均显著增强，其中PVA-CS-GPP和PVA-CS-RFP的DPPH自由基清除能力较强；PVA-CS-GPP对pH敏感性最强，其理化特性与指示效果较其他复合薄膜更佳，在羊肉智能包装领域显示了较好的应用前景。该研究结果为基于植物色素提取物的pH敏感型智能包装薄膜的开发与应用提供了理论依据，为监测肉类新鲜度提供了可视化方法。