一种pH比色传感膜、制备方法及其应用

本发明属于食品工程技术领域，具体涉及一种ph比色传感膜、制备方法及其应用。

背景技术：

食物垃圾的爆炸性增长和食品安全问题一直是社会各界持续关注的焦点科学问题之一，猪肉是我国消费量最大的食用肉类，鲜肉保鲜及包装储存是肉品工业的发展方向之一。肉类新鲜度是指动物性食品由于酶和细菌的作用，在腐败过程中，使蛋白质分解而产生氨以及胺类等碱性含氮物质，例如氨气，二甲胺和三甲胺等，据挥发性盐基总氮是肉食品新鲜度最重要的理化指标，也是肉品检验的须测项目。挥发性盐基氮与动物性食品腐败变质之间有明确的对应关系，它是食品卫生检验标准的一项重要指标，特别是对于鲜肉和肉制品。尽管有很多理化实验方法和感官评价法能够判断猪肉的新鲜度，但传统方法存在操作复杂、耗时耗力、对实验人员技术要求高等局限。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明采用的一种ph比色传感膜、制备方法及其应用,根据酸碱条件而变化，ph比色传感膜从低ph值的黄色变为高ph值的紫色，并且在反复的ph变化下，颜色变化会再次重现；同时由于肉制品变质时,微生物生长增加和生物胺的产生使得其酸碱环境发生变化，ph比色传感膜在食品肉类的新鲜度监测中显示出巨大的潜在用途，整体具有使用便捷、安全、无毒、可降解、可食用、食品ph监测潜力等优势。

为达到上述技术效果，本发明采取的技术方案为：

一种ph比色传感膜，原料包括成膜基体和增塑剂，原料包括成膜基体、增塑剂和茜素溶液。

进一步的，原料还包括抗菌溶液，茜素溶液和抗菌溶液混合制得混合溶液，混合溶液中茜素溶液和抗菌溶液的组分分别为50％—100％和50％—0，且抗菌溶液的组分不为0。

优选的，茜素溶液是由体积比为1:(9-10)的茜素乳液和超纯水混合制得；茜素乳液是由固液比为(2—6):1g/l的茜素和乙醇混合制得。

优选的，抗菌溶液是由体积比为4:(45—47)的薰衣草精油与明胶纳米颗粒溶液混合制得；明胶纳米颗粒溶液是由质量比为1：(499—500)的明胶纳米颗粒和超纯水混合制得。

优选的，ph比色传感膜是在混合溶液或茜素溶液中添加40g/l的成膜基体和10g/l的增塑剂，于45±1℃的条件下混合脱气得到成膜液，再将成膜液铺展至厚度为4±0.5mm，并于温度为23±0.5℃、湿度为50±3％以及成膜时间为24-48h成膜后制得。

优选的，成膜基体为明胶，增塑剂为甘油。

一种本发明公开的ph比色传感膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，茜素溶液的制备：将固液比为(2—6):1g/l的茜素和乙醇混合得到茜素乳液，再将茜素乳液和超纯水以体积比为1:(9-10)混合制得茜素溶液；

步骤2，成膜液的制备：在步骤1的得到的茜素溶液中添加40g/l的成膜基体和10g/l的增塑剂，于45±1℃的条件下混合脱气得到成膜液；

步骤3，将步骤2得到的成膜液铺展至厚度为4±0.5mm，并于温度为23±0.5℃、湿度为50±3％以及成膜时间为24-48h成膜后得到ph比色传感膜。

进一步的，还包括如下步骤：

步骤4，抗菌溶液的制备：将质量比为1：(499—500)的明胶纳米颗粒和超纯水混合得到明胶纳米颗粒溶液，再将体积比为4:(45—47)的薰衣草精油与明胶纳米颗粒溶液混合得到抗菌溶液；

步骤5，混合溶液的制备：将步骤1的得到的茜素溶液和步骤4的得到的抗菌溶液混合得到混合溶液，混合溶液中茜素溶液和抗菌溶液的组分分别为50％—100％和50％—0，且抗菌溶液的组分不为0；

步骤6，抗菌成膜液的制备：在步骤5的得到的混合溶液中添加40g/l的成膜基体和10g/l的增塑剂，于45±1℃的条件下混合脱气得到抗菌成膜液；

步骤7，将步骤6得到的抗菌成膜液铺展至厚度为4±0.5mm，并于温度为23±0.5℃、湿度为50±3％以及成膜时间为24-48h成膜后得到ph比色传感膜。

优选的，成膜基体为明胶，增塑剂为甘油。

一种本发明公开的ph比色传感膜用作肉类食品包装膜的应用。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明的ph比色传感膜、制备方法及其应用,根据酸碱条件而变化，传感膜从低ph值的黄色变为高ph值的紫色；同时由于肉制品变质时,微生物生长增加和生物胺的产生使得其酸碱环境发生变化，ph比色传感膜在食品肉类的新鲜度监测中显示出巨大的潜在用途。

(2)本发明的ph比色传感膜、制备方法及其应用,从低ph值的黄色变为高ph值的紫色，并且在反复的ph变化下，颜色变化会再次重现，增加了ph比色传感膜指示食品新鲜度的实用性。

(3)本发明的ph比色传感膜、制备方法及其应用,具有良好的抗菌性能，能阻止外界微生物与食品接触，抑制食品腐烂，从而达到食品保鲜及延长货架期的效果。

(4)本发明的ph比色传感膜、制备方法及其应用,其原料来源广泛，同时茜素为绿色天然、无毒无害原料；整体具有使用便捷、安全、无毒、可降解、可食用、食品ph监测潜力等优势。

附图说明

图1为传统胶膜和本发明ph比色传感膜的sem图；

(其中，图1a为实施例1制备的传统胶膜的sem图；图1b为实施例2制备的ph比色传感膜的sem图；图1c为实施例3制备的ph比色传感膜的sem图；图1d为实施例4制备的ph比色传感膜的sem图；图1e为实施例5制备的ph比色传感膜的sem图)

图2为实施例1-5的xrd对比图；

图3为实施例1-5的拉伸应力应变曲线对比图；

图4为实施例1-5的拉伸强度和断裂伸长率对比图，其中，图中不同字母表示差异显著(p≤0.05)；

图5为实施例1-5的厚度对比图，其中，图中不同字母表示差异显著(p≤0.05)；

图6为实施例1-5的透光率对比图；

图7为实施例1-5的水蒸气透过率对比图，其中，图中不同字母表示差异显著(p≤0.05)；

图8为实施例1-5的杀菌率对比图，不同字母表示差异显著(p≤0.05)；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

本实施例的茜素、薰衣草精油、明胶和甘油均为现有材料，其中，茜素和薰衣草精油均从上海麦克林生化有限公司购买，明胶从成都科龙化工有限公司购买，甘油从中国成都市新都市木兰镇工业开发区购买。

本实施例的明胶纳米颗粒为市面上任一采购的现有材料，也可采用现有的两步脱溶法制备得到，具体为：将明胶1.25g溶解于25ml超纯水中，在45℃下连续搅拌加热得到明胶溶液。随后，加入25ml丙酮，脱溶，沉淀高分子量明胶，丢弃上清液。然后在剩余溶液中加入25ml超纯水，调整溶液ph为12。紧接着滴加75ml丙酮搅拌10min，加入戊二醛(250μl,25％)交联颗粒，不断搅拌16h。将得到的溶液进行浓缩和冻干，得到明胶纳米颗粒。

实施例1

本实施例为传统纯明胶膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)纯明胶膜成膜液的制备：称量0.4g明胶，将其加入到10ml超纯水中，于45℃恒温水浴中磁力搅拌直至明胶完全溶解，添加0.1g甘油作为增塑剂，将上述成膜溶液在恒温水浴条件下继续搅拌至混合均匀，超声脱气15min后得到均匀的纯明胶膜成膜液。

(2)纯明胶膜的制备：量取10ml所述成膜液浇注铺展到有机玻璃成膜模具中(120mm×80mm×4mm)，成膜温度为23±0.5℃，湿度为50±3％，成膜时间为24-48h，然后手动揭下即得纯明胶膜。

对制备的纯明胶膜的表面进行了sem测定，结果如图1a所示。

对本实施例制备的纯明胶膜的xrd、拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度、透光率、水蒸气透过率以及杀菌率进行了测定，结果依次由图2-图8所示。

通过x射线衍射(xrd)对纯明胶膜内物质结构进行分析；拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度表征纯明胶膜的物理机械性能，拉伸应力应变曲线形状反应纯明胶膜在外力作用下的形变过程，拉伸强度体现了纯明胶膜在断裂点时所能承受的最大抗张应力，断裂伸长率表征了纯明胶膜的弹性性能；透光率、水蒸气透过率表征薄膜对光线和水蒸气的阻隔性能。纯明胶膜抗菌性能通过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制和杀灭效果进行了测定。

本实施例的纯明胶膜表面光滑，截面无空隙，这导致其韧性和弹性较差，质感偏硬不适合食品包装。纯明胶膜厚度较薄，透光率、水蒸气透过率高，但是对光线和水蒸气阻隔效果差，基本没有抗菌效果，也无ph指示作用。

实施例2

本实施例为ph比色传感膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，茜素溶液的制备：称量30mg的茜素于10ml的试管中，加入5ml的乙醇溶解，再量取茜素乙醇溶液1ml，将其加入到9ml超纯水溶液中，磁力搅拌至均匀得到浓度为6mg/ml的茜素溶液。

步骤2，抗菌溶液的制备：将0.5wt％明胶纳米颗粒与8％的薰衣草精油混合，得到明胶纳米粒子稳定的抗菌溶液。

步骤3，混合溶液的制备：将步骤1得到的浓度为6mg/ml的茜素溶液与步骤2得到的抗菌溶液按照体积比1:1混合，得到混合溶液。

步骤4，抗菌成膜液的制备：称量0.4g明胶，将其加入到10ml步骤3得到的混合溶液中，于45℃恒温水浴中磁力搅拌直至明胶完全溶解，添加0.1g甘油作为增塑剂，并在45℃的恒温水浴条件下继续搅拌至混合均匀，超声脱气15min后得到均匀的抗菌成膜液。

步骤5，ph比色传感薄膜的制备：量取10ml步骤4得到的抗菌成膜液浇注铺展到有机玻璃成膜模具中(120mm×80mm×4mm)，在成膜温度为23±0.5℃、湿度为50±3％以及成膜时间为24-48h成膜，然后手动揭下得到ph比色传感薄膜。

对制备的ph比色传感膜的表面进行了sem测定，结果如图1b所示。

对本实施例制备的纯明胶膜的xrd、拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度、透光率、水蒸气透过率以及杀菌率进行了测定，结果依次由图2-图8所示。

与实施例1相比，实施例2得到的ph比色传感膜表面和截面无很大差别，但是由于抗菌溶液的加入，拉伸强度下降，断裂伸长率上升，传感膜韧性好，质感柔软。厚度也随茜素和抗菌溶液加入而增加，传感膜对光线和水蒸气的阻隔性能有所提升。抗菌溶液赋予传感膜一定的抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的的性能，也有明显的ph指示作用。

实施例3

本实施例为ph比色传感膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，茜素溶液的制备：称量20mg的茜素于10ml的试管中，加入5ml的乙醇溶解，再量取茜素乙醇溶液1ml，将其加入到9ml超纯水溶液中，磁力搅拌至均匀得到浓度为4mg/ml的茜素溶液。

步骤2，抗菌溶液的制备与实施例2的步骤2一致。

步骤3，混合溶液的制备：将步骤1得到的浓度为4mg/ml的茜素溶液与步骤2得到的抗菌溶液按照体积比1:1混合，得到混合溶液。

步骤4，抗菌成膜液成膜液的制备与实施例2的步骤4一致。

步骤5，ph比色传感薄膜的制备与实施例2的步骤5一致。

对制备的ph比色传感膜的表面进行了sem测定，结果如图1c所示。

对本实施例制备的纯明胶膜的xrd、拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度、透光率、水蒸气透过率以及杀菌率进行了测定，结果依次由图2-图8所示。

与实施例1相比，实施例3得到的ph比色传感膜表面光滑，截面呈现网状结构，这可能是导致断裂伸长率进一步上升的原因，使得传感膜的韧性和弹性大大提升，质感变柔软，适合食品包装。与实施例1，实施例3得到的ph比色传感膜厚度有所增加，传感膜对光线和水蒸气的阻隔性能有所提升。实施例3得到的ph比色传感膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有较强的抑制和杀灭作用，也有明显的ph指示作用。

实施例4

本实施例为ph比色传感膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，茜素溶液的制备：称量10mg的茜素于10ml的试管中，加入5ml的乙醇溶解，再量取茜素乙醇溶液1ml，将其加入到9ml超纯水溶液中，磁力搅拌至均匀得到浓度为2mg/ml的茜素溶液。

步骤2，抗菌溶液的制备与实施例2的步骤2一致。

步骤3，混合溶液的制备：将步骤1得到的浓度为2mg/ml的茜素溶液与步骤2得到的抗菌溶液按照体积比1:1混合，得到混合溶液。

步骤4，抗菌成膜液的制备与实施例2的步骤4一致。

步骤5，ph比色传感薄膜的制备与实施例2的步骤5一致。

对制备的ph比色传感膜的表面进行了sem测定，结果如图1d所示。

对本实施例制备的纯明胶膜的xrd、拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度、透光率、水蒸气透过率以及杀菌率进行了测定，结果依次由图2-图8所示。

与实施例1相比，实施例4得到的ph比色传感膜表面光滑，截面呈现规则的网状结构，这导致断裂伸长率上升到最大，传感膜的韧性和弹性进一步提升，质感更柔软，适合包装食品。与实施例1相比，实施例4得到的ph比色传感膜厚度有所增加，传感膜对光线和水蒸气的阻隔性能有所提升。实施例4得到的ph比色传感膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很强的抑制和杀灭作用，也有明显的ph指示作用。

实施例5

本实施例为ph比色传感膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，茜素溶液的制备与实施例2的步骤1一致。

步骤2，成膜液的制备：称量0.4g明胶，将其加入到10ml步骤1得到的茜素溶液中，于45℃恒温水浴中磁力搅拌直至明胶完全溶解，添加0.1g甘油作为增塑剂，并在45℃的恒温水浴条件下继续搅拌至混合均匀，超声脱气15min后得到均匀的成膜液。

步骤5，ph比色传感薄膜的制备与实施例2的步骤5一致。

对制备的ph比色传感膜的表面进行了sem测定，结果如图1e所示。

对本实施例制备的纯明胶膜的xrd、拉伸应力应变曲线、拉伸强度和断裂伸长率、厚度、透光率、水蒸气透过率以及杀菌率进行了测定，结果依次由图2-图8所示。

与实施例1相比，实施例5得到的ph比色传感膜表面光滑，截面与实施例1相似，断裂伸长率和拉伸强度最小，传感膜的韧性和强度较差，质感较硬，同时其厚度有所增加，传感膜对光线和水蒸气的阻隔性能有所提升。实施例5得到的ph比色传感膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌基本没有抑制和杀灭作用，但是有明显的ph指示作用。

实施例6

将实施例1制得的纯明胶膜和实施例3和4制得的ph比色传感膜放置不同ph值条件下，其颜色变化如表1所示。本发明制得的ph比色传感膜在ph分别为2、5、6、7、9、11的环境下呈现由黄色到紫色颜色转变。

其中，表1中的l代表明暗度容(黑白)，a*代表红绿色，b*代表黄蓝色，△e总色差的大小；数值以平均值±标准差表示，同一行后面不同字母的值差异显著(p≤0.05)。

其中，本实施例对纯明胶膜/或ph比色传感膜的颜色变化测定，是通过分光测色仪测得；分光测色仪为杭州彩谱科技有限公司购得，型号为cs-820。

表1

将实施例4制得的ph比色传感膜在25℃下悬挂在装有80ml氨溶液(0.8m)的锥形瓶中10分钟，或将ph比色传感膜暴露于氨气中10分钟，；再在25℃下将ph比色传感膜悬挂在乙酸溶液(99.7％)中10分钟，。上述过程重复3次以测试指示剂膜在不同ph值下的可逆性，其结果如表1所示(当ph比色传感膜暴露于氨气中呈现紫色，当ph比色传感膜暴露于乙酸中呈现黄色)，本发明制得的ph比色传感膜在不同酸碱环境下的颜色指示具有可逆性。

表2