明胶/紫甘蓝花青素/纳米二氧化钛指示膜的制备及其在鲜虾保鲜中的应用

随着人们对食品风味、新鲜度和安全需求的日益提高，能够对食品品质及新鲜度进行实时监测的智能包装应运而生。智能包装是通过实时监测食品包装内外环境的pH 值、温度、气体变化等来反映食品新鲜度的一种新型包装技术[1]。食物在贮藏过程中容易滋生细菌，产生一些有害物质，导致食品品质的降低。智能指示膜利用pH 指示剂的显色效果，根据食物腐败变质后对包装环境pH 值的影响，从而呈现出不同的颜色来反映食品新鲜度。

智能指示膜由pH 指示剂和成膜基材两部分构成，常用的pH 指示剂有甲基橙、甲基红、酚酞等，但因化学合成指示剂潜在不安全性和污染环境等缺点，食品包装大多采用具有高生物安全性的花青素作为智能包装的指示剂。花青素（anthocyanins）又称花色素，是一类广泛存在于植物中的水溶性色素，属于类黄酮化合物，具有抗菌抗氧化功能[2]。此外，花青素会随pH值的变化呈现不同颜色，酸性环境时呈红色，中性环境下呈紫色，碱性环境下呈蓝色或黄绿色。根据花青素的颜色变化规律将其应用于食品包装中，可以实现食品新鲜度的实时监测。例如将牛至精油和黑米糠花青素（black rice bran anthocyanin，BRBA）通过非共价键固定在壳聚糖成膜基质中，可制成力学、阻光和抗菌抗氧化性能优异的指示膜[3]。

花青素受温度、pH 值和光照等条件的影响易氧化分解，在指示膜中难以保持稳定，二氧化钛（titaniumoxide，TiO2）具有高折光性和高光活性，可以显著提高花青素的稳定性，在阻隔紫外线对易氧化食品的保鲜方面发挥着巨大的作用。此外，纳米二氧化钛颗粒（titanium dioxide nanoparticles，TiO2NPs）能够改善指示膜的阻隔性能，增加指示膜的抗拉能力。Zhang 等[4]通过向壳聚糖/黑莓皮花青素指示膜中添加TiO2NPs 研制出了多功能食品包装膜。研究发现，TiO2NPs 的加入能够延长指示膜显色效果并提高其抗拉能力。此外，也有相关研究表明TiO2NPs 在提高指示膜力学性能的同时，能够有效提高指示膜光阻隔性和pH 敏感性，可以实时监测食物的变质情况[5]。

明胶（gelation，GEL）是一种由胶原在酸、碱或高温条件下提取到的蛋白质，具有良好的生物相容性和降解性，其水溶液冷却形成凝胶后，通常作为其他生物聚合物的载体，在食品包装领域有广泛的应用。研究发现，以明胶为载体，向成膜液中加入茶多酚和海藻酸钠后，物质之间存在相互作用，形成了表面光滑网络结构致密的可食性膜，茶多酚的加入显著提高了保鲜膜的机械性能和抗氧化性，可作用于食品保鲜[6]。Nur Amila Najwa 等[7]研究藤黄叶提取物作为活性物质对木薯淀粉/明胶复合膜的影响，研究表明，成膜基质之间具有良好的生物相容性，改善了指示膜的机械性能、阻隔性能和抗氧化性。

本研究以紫甘蓝花青素（purple cabbage anthocyanins，PCA）为pH 指示剂，GEL 为成膜基质，TiO2 为紫外线阻隔材料，制备具有生物降解性的智能指示膜，探究不同TiO2 添加量对明胶/花青素指示膜光稳定性、物理性能、机械性能等方面的影响，并对4 ℃贮藏条件下鲜虾的新鲜度进行实时监测，以期为智能指示膜在水产品中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫甘蓝：市售；无水乙醇、氯化钾（均为分析纯）：广东光华科技股份有限公司；盐酸、氢氧化钠（均为分析纯）：西陇科学股份有限公司；明胶（纯度为99%）、丙三醇（分析纯）：天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

电子分析天平（JJ224BF，精度0.000 1 g）：常熟市双杰测试仪器厂；水分含量测定仪（MX-50）：广州市艾安得仪器有限公司；旋转蒸发器（RE-3000）：上海亚荣生化仪器厂；电热恒温水浴锅（DK-98-ⅡA）：天津市泰斯特仪器有限公司；紫外可见分光光度计（UV-1600PC）：上海美普达仪器有限公司；物性测定仪（TA.XTPLUS）：英国Stable Micro System 公司；高品质电脑色差仪（NH310）：深圳市三恩时科技有限公司；数显螺旋测微器（IP65）：南京苏测计量仪器有限公司；扫描电子显微镜（JSM-7610F）：日本电子株式会社；傅里叶变换红外光谱仪（INVENIO R）、X-射线衍射仪（D8 Advance）：德国布鲁克公司。

1.3 方法

1.3.1 紫甘蓝花青素的制备及颜色响应

1.3.1.1 紫甘蓝花青素的提取

参考王芳[8]的试验方法并稍作修改，将紫甘蓝清洗后切碎，以1∶20（g/mL）的料液比与75% 的乙醇进行混合，用1 mol/L 的盐酸调至pH 值为2.0，在50 ℃避光的条件下水浴浸提3 h，抽滤后，50 ℃旋蒸至原有体积的四分之一，得到花青素提取液。

1.3.1.2 花青素含量的测定

根据pH 示差法，测定紫甘蓝花青素的浓度，制备pH 值为1.0 的KCl-HCl 缓冲溶液和pH 值为4.5 的NaAc-HCl 缓冲溶液，吸取5 mL 花青素提取液分别用上述两种缓冲溶液定容至50 mL 避光静置1 h，分别测定花青素在520 nm 和700 nm 波长下的吸光度。根据公式（1）计算花青素含量。

式中：X 为花青素含量，mg/mL；A 为吸光度，（A520 nm-A700 nm）pH1.0-（A520 nm-A700 nm）pH4.5；Mw 为矢车菊色素-3-葡萄糖苷的相对分子质量，449.2 g/mol；DF 为稀释倍数；ε 为摩尔消光系数，26 900 L/（mol·cm）；L 为比色皿直径，1 cm。

1.3.1.3 紫甘蓝花青素不同pH 值颜色变化和紫外可见光谱

参照Liu 等[9]试验方法并稍作修改，制备pH 值为2～11 的标准缓冲溶液，吸取300 μL 花青素提取液分别加入到20 mL 不同pH 值的缓冲溶液中，摇匀，避光静置2 min，记录花青素在不同pH 值下的颜色变化，并用紫外-可见分光光度计测定混合溶液在400～800 nm的吸光度，制定紫外可见光谱。

1.3.2 智能指示膜的制备

在100 mL 蒸馏水中溶解4 g 明胶，50 ℃水浴搅拌至明胶溶解，添加体积分数为1%的甘油，持续搅拌至甘油与溶液完全混合，得到质量分数为4% 的明胶溶液。预试验中，将不同体积分数的（10% 和6%）紫甘蓝花青素提取液加入到质量分数为4% 的明胶溶液中，制备GEL/PCA 指示膜，当花青素体积分数为10%时，指示膜的显色效果和力学性能较好，因此，将体积分数为10%的明胶/花青素成膜液作为对照组。向明胶溶液中添加不同质量分数（0.5% 、1.0% 和1.5%，基于明胶干重）的纳米二氧化钛，50 ℃超声20 min，使二氧化钛均匀分散于溶液中，冷却至室温后，加入体积分数为10% 的花青素提取液，搅拌均匀即得到GEL/PCA/TiO2 成膜液。从成膜液中分别吸取8 mL 倒入直径为9 cm 的培养皿中，50 ℃干燥24 h，得到5 组指示膜，并于25 ℃、相对湿度为75%的恒温恒湿箱中进行平衡。

1.3.3 指示膜物理性能的测定

1.3.3.1 厚度和含水率的测定

分别在指示膜上随机取5 个点，用数显螺旋测微器测定其厚度，精确到0.01 mm，计算5 个数值的平均值。

称取0.015 g 样品采用水分含量测定仪，在105 ℃的条件下进行含水率的测定，每组膜测3 个平行样品，取平均值。

1.3.3.2 透光率的测定

将膜剪成10 mm×30 mm 的条状，贴在比色皿透光面，以空白比色皿为对照组，采用紫外分光光度计测定样品在600 nm 波长下的吸光度，每组膜取3 个平行样品。采用公式（2）计算不透明度，透光率以不透明度表示。

式中：M 为不透明度；A600 为膜在600 nm 处的吸光度；d 为膜的厚度，mm。

1.3.3.3 机械性能的测定

将指示膜样品裁剪为10 mm×80 mm 的矩形条带，选用物性测定仪以3 mm/s 速度在室温条件下对指示膜的机械性能进行测定，采用公式（3）、公式（4）计算指示膜的拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率（elongation at break，EAB）。

式中：T 为拉伸强度，MPa；Fm 为膜断裂时承受的最大拉力，N；L 为试样宽度，mm；d 为试样厚度，mm。

式中：E 为断裂伸长率，%；Lm 为膜断裂时达到的最大长度，m；L0 为膜的初始长度，m。

1.3.3.4 水蒸气透过率的测定

称取5 g CaCl2 放入称量皿中（40 mm×25 mm），烘干至恒重，用指示膜覆盖瓶口，并用乙烯胶带密封。快速称重后放入25 ℃、相对湿度为75% 的恒温恒湿箱中储藏3 d，每隔24 h 称重1 次，采用公式（5）计算水蒸气透过率。

式中：W 为水蒸气透过率，g/（m·s·Pa）；Δm/Δt 为单位时间内称量瓶增加的质量，g/s；d 为膜厚度，m；A为指示膜的有效面积，1.26×10-3 m2；Δp 为膜内外渗透压，Pa。

1.3.3.5 指示膜的光照稳定性

将指示膜放置室温且相对湿度为75%的环境中，持续光照5 d，在第1、3、5 天观察指示膜在不同pH 值缓冲溶液中的显色情况。将平衡后的智能指示膜平铺在平板上，依次滴加pH 值为2～11 的缓冲溶液，静置2 min 后观察其颜色变化，并利用色差仪测定指示膜的L*值、a*值、b*值，按照公式（6）计算色差值ΔE。

式中：ΔL*=L*-L0*，Δa*=a*-a0*，Δb* =b*-b0*；L*值、a*值、b*值为待测样品的实际测量值；L0*值、a0*值、b0*值为标准白板的实际测量值。

1.3.4 指示膜的结构表征

1.3.4.1 扫描电子显微镜的测定

将制备好的样品置于超低温冰箱中冷冻48 h，并进行表面喷金处理，用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）在5 kV 加速电压下观察样品表面和横截面的微观形貌，放大倍数为10 000。

1.3.4.2 傅里叶变换红外光谱的测定

将样品裁剪为10 mm×20 mm 的矩形，并在-80 ℃超低温冰箱中冷冻48 h，利用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier infrared spectrometer，FTIR）在衰减全反射模式下扫描样品。扫描范围为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1。

1.3.4.3 X-射线衍射的测定

通过X-射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）测定试样的结晶状态。将样品裁剪为10 mm×20 mm 的矩形，在测定范围为5°～60°，扫描波长为15.4 nm，利用CuKα 射线在40 kV 加速电压和30 mA 加速电流下扫描。

1.3.5 指示膜应用于鲜虾的保鲜

将指示膜裁剪为20 mm×20 mm 大小，并与鲜虾同时放置于无菌培养皿中，覆上一层保鲜膜，使其置于4 ℃的环境中贮藏，分别记录4 d 内的鲜虾pH 值及指示膜色差值ΔE 并拍照记录，参照GB 5009.228—2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》[10]中自动凯氏定氮仪的测定方法，测定鲜虾在贮藏过程中挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量的变化，并与色差值进行相关性分析，以便实时监测鲜虾的新鲜度。

1.4 数据分析

测定结果以平均值±标准差的形式表示，利用SPSS 21.0 和Origin 2018 分析软件对数据进行处理及作图，并进行差异显著性和相关性分析，p<0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 紫甘蓝花青素不同pH 值的颜色响应分析

根据pH 示差法对紫甘蓝花青素含量进行评估，制备的紫甘蓝花青素含量为305.67 mg/L。不同pH 值缓冲溶液中花青素溶液颜色发生了明显的变化，其颜色变化和紫外-可见光谱如图1所示。

由图1 可知，当pH 值为2～4 时，紫甘蓝花青素溶液颜色由玫红色变成浅红色，当pH 值为5～7 时，花青素由浅紫色变为紫色，当pH 值为8～11 时，颜色由蓝色变为黄绿色。以上试验结果表明紫甘蓝花青素对pH 值敏感，可用于制备可视化智能指示膜。有研究表明，花青素在一定的pH 值环境中存在黄烊盐离子（强酸时呈红色）、甲醇假碱（弱酸时呈无色）、醌式碱（弱碱时呈蓝色）和查尔酮（强碱时呈黄色）4 种离子结构。颜色的变化可能是由于花青素醌氏碱B 环上临位羟基发生了质子化和脱质子化[11]。

当缓冲溶液pH 值从2 增加到11 时，紫甘蓝花青素的最大紫外吸收峰发生了红移，当pH 值为2～3 时，最大紫外吸收峰在520 nm 左右，随着pH 值的升高，最大紫外吸收峰的峰值逐渐向600 nm 处移动，该结果与Liu 等[12]的研究结果一致，他们发现随着pH 值的增加紫甘蓝花青素提取物的最大吸收峰从527 nm 转移到620 nm 左右，在其他来源的花青素提取物中也发现类似情况[13]。

2.2 指示膜物理性能分析

智能指示膜的厚度、含水率和透光率如表1所示。

由表1 可知，GEL/PCA/TiO2 指示膜（TiO2 添加量0%）的厚度明显高于GEL/PCA 指示膜的厚度（p<0.05），当TiO2 含量为1%时，指示膜的厚度达到0.123 3 mm，这可能因为加入TiO2 后固形物含量增加，并均匀地填充进明胶网络结构中。当TiO2 添加量从0% 增加到1.5%时，指示膜的含水率从12.127%降低到8.735%，这是因为指示膜中的水分子被TiO2NPs 所取代，此外，TiO2NPs 也会造成指示膜中亲水基团减少，从而导致膜基质捕获水分子能力的降低[14]。紫外线可以加速食品中营养素的氧化分解，肉类、奶制品等食物在氧化后，其风味品质也会大大降低，指示膜的透光率对光阻隔性能有很大的影响[15]。随着TiO2 含量的增加，指示膜的不透明度逐渐增大，当TiO2 含量达到1.5%时，指示膜的不透明度为10.335，与GEL/PCA 指示膜有显著性差异（p<0.05），这是因为纳米TiO2 颗粒增强了紫外可见光的散射，降低了透过率，同时，过量的TiO2NPs会影响成膜基质之间的相容性，造成了TiO2NPs 的团聚，导致指示膜的不透明度增大。

2.3 机械性能分析

良好的机械性能可以增强复合膜的抗形变作用，减少外界机械压力对食品造成的损伤，因此，断裂伸长率和拉伸强度被作为评估指示膜机械性能的重要指标[16]。TiO2 添加量对指示膜机械性能的影响如图2所示。

由图2 可知，GEL/PCA 指示膜的断裂伸长率和拉伸强度分别为23.82%和18.18 MPa，随着TiO2 添加量的增加，EAB 呈先降低后增加再降低的趋势，TS 逐渐增大。当TiO2 添加量达到0.5%时，指示膜的EAB 为13.21%，柔韧性较差，Zhang 等[17]发现在其他纳米材料中也有相似现象，这可能是由于TiO2 作为纳米金属材料具有较高的刚度，其与花青素、明胶间的分子相互作用不利于明胶骨架的重构。当TiO2 添加量达到1.0%～1.5%时，指示膜的EAB 有所增加，这是因为过量的纳米颗粒破坏了分子间原本的作用力，又重新占据了原本分子之间的孔隙，使得指示膜的柔韧性略有加强[18]，但也有研究表明TiO2 促进了指示膜在张力下成膜基质分子链的界面滑移，从而改善了指示膜的EAB。随着TiO2 添加量的增加，指示膜的TS 显著提高。这与Duan 等[19]的研究结果一致，这是由于TiO2 的比表面积增强了其与明胶之间的相互作用。然而，随着TiO2 浓度达到1.5% 时，TS 增加到25.18 MPa，这可能是由于指示膜基质中过多的TiO2 导致小团聚物的形成并降低了指示膜结构的完整性。此外，TiO2的加入可能会引起指示膜结晶度的变化，影响指示膜的机械性能，整体而言，当TiO2 添加量达到1% 时，GEL/PCA/TiO2 指示膜EAB 为21.55%，TS 为22.73 MPa，此时指示膜的机械性能较好。

2.4 阻水性能分析

水蒸气透过率（water vapor penetrates，WVP）是衡量指示膜水分阻隔性能的重要指标，其数值高低与膜材厚度、结晶度、微观结构相关，由于指示剂的存在，指示膜应尽可能地考虑到环境中水分对显色效果的影响。TiO2 添加量对指示膜水蒸气透过率的影响如图3所示。

由图3 可知，当TiO2 添加量为0.5%时，指示膜的WVP 最大，显著高于GEL/PCA 指示膜（p<0.05），这可能是因为TiO2NPs 与游离的花青素发生了络合反应，破坏了指示膜原本致密的网络结构，从而增加了水蒸气的透过量。随着TiO2 添加量的增加，指示膜的WVP逐渐降低，这可能是因为大量的纳米颗粒占据了指示膜结构中水蒸气的通过路径，从而加强了指示膜对水蒸气的阻隔性能。也有研究表明WVP 与指示膜厚度有关，在Wen 等[20]的研究中，添加紫薯提取物后指示膜厚度增加，使水分子通过路径变得更曲折，指示膜的WVP 降为5.20×10-11 g/（m·s·Pa），提高了水蒸气阻隔性能。这与2.2 的研究结果一致，厚度的增加延长了水蒸气的通过路径，增强了指示膜阻水性能。本研究与Li 等[21]的研究结果一致。此外，TiO2 与溶液的界面相容性变差，以及与界面区域聚合物基质本身发生变化后，也会导致水蒸气透过率逐渐降低。

2.5 光照稳定性分析

在食品新鲜度监测的应用中，花青素的稳定性对膜的新鲜度指示效果有很大的影响。不同含量TiO2指示膜的光照稳定性如表2～表5所示。

由表2～表5 可知，在贮藏期间内，指示膜颜色的色差值均大于5，表明指示膜的颜色变化可以用肉眼分辨出来。贮藏第1 天时，GeL/PCA 指示膜在pH2～11的缓冲溶液中的颜色依次为玫红色→浅红色→浅紫色→蓝色→黄绿色。随着TiO2 的添加，指示膜色差值有所降低，这是因为明胶花青素指示膜相对透明，色差仪的大多数光波会穿透指示膜并被反射，而二氧化钛作为白色剂降低了花青素的显色效果，经色差仪照射后只有小部分光波穿透指示膜并被白色背景板反射，从而使其色差值降低[22]。当贮藏时间达到第5 天时，与第1 天相比，指示膜的色差值均有所降低，GeL/PCA 膜几乎没有明显的颜色变化，这是由于花青素在贮藏过程中随着外界条件的变化被氧化分解，对指示膜显色效果有一定的影响[23]。但随着贮藏时间的延长，与对照组相比，含有TiO2NPs 的指示膜仍存在较好的显色效果，表明TiO2 能够提高花青素稳定性，增强指示膜的显色效果。此外，与TiO2 含量为1.0%指示膜相比，含有0.5% TiO2 指示膜的显色效果较差，是因为TiO2含量为0.5% 时，指示膜的WVP 值最大，阻水性能较差，大量水分聚集在指示膜表面，成膜基质得到最大稀释，指示膜的显色效果较差[24]，指示膜光照稳定性的增强有利于对不同贮藏时间下的食品进行实时监测。

2.6 扫描电子显微镜分析

利用SEM 对含有不同浓度TiO2 的明胶/花青素指示膜进行微观结构的表征，结果如图4所示。

从图4 中可以看出，GEL/PCA 指示膜呈现出光滑、平整的状态，此时明胶和紫甘蓝花青素溶液混合均匀，两种物质具有良好的相容性，但过量的花青素也会破坏明胶的棒状三螺旋结构，并产生团聚[25]。当TiO2的添加量增加到1.0%时，指示膜表面变得粗糙，并产生了较小的颗粒团，这可能是因为纳米颗粒的引入使得生物复合物聚合膜后产生了聚集。当TiO2 的添加量为1.5%时，指示膜表面变得更加粗糙，并伴随着较大的簇状颗粒团的聚集，使得指示膜的均匀性和致密性降低，导致其机械性能和阻隔性能变差，这与Mesgari 等[26]的研究结果相似。

2.7 FTIR 分析

指示膜可通过不同分子之间的相互作用来提高各成分的相容性，从而改善指示膜的各项性能。利用傅里叶变换红外光谱对指示膜内部基团位置的变化进行分析，结果如图5所示。

由图5 可知，在3 288 cm-1 出现特征峰可能是由于明胶与紫甘蓝花青素分子之间的OH 和CH 的伸缩振动造成的；在2 935 cm-1处是明胶、花青素以及甘油之间的CH 伸缩振动产生的峰值；在1 632 cm-1 和1 540 cm-1处分别为指示膜各成分之间C＝O 和COO 键产生的伸缩振动；在1 039 cm-1的峰值为明胶/花青素和甘油之间的CO 伸缩振动。随着TiO2添加量的增加，2 935 cm-1处的特征峰强度略微加强，说明TiO2 首先破坏了明胶、花青素与甘油之间形成的氢键，削弱了分子间的作用力[27]；在3 288 cm-1 和1 540 cm-1 处的特征峰分别红移至3 278 cm-1 和1 536 cm-1 处，造成这种现象的原因是TiO2 的加入改变了指示膜的内部结构，并与明胶/花青素和甘油之间形成了新的氢键[28]；在1 000 cm-1 以下的特征峰是与TiO2 中TiO 的伸缩振动有关。此外，当TiO2 的浓度增加时，指示膜在3 288 cm-1 处的峰变宽并略微移动到较低的波数，表明指示膜内生物聚合物分子和纳米粒子之间形成了新的氢键。

2.8 XRD 分析

指示膜的晶体结构对其自身的机械性能及阻隔性能产生很大的影响，利用XRD 图谱研究指示膜结构的晶体状态和不同成分之间的相容性，结果如图6所示。

由图6 可知，所有指示膜的X-射线衍射图谱在2θ为20°时有一个单一的宽峰，表明指示膜具有较大的非晶体结构。与明胶XRD 图谱相比，加入紫甘蓝花青素后，明胶/花青素指示膜的XRD 图谱没有发生明显变化，说明紫甘蓝花青素没有明显改变明胶分子的物理状态。随着TiO2 的加入，指示膜的X-射线衍射图谱发生了明显改变。当TiO2 的添加量为0.5% 时，指示膜XRD 图谱在2θ 为27°处出现了新的衍射峰，具有（101）面的晶体结构，当TiO2 的添加量达到1.0%及以上时，其衍射图谱又在2θ 为36°、54°处形成了较窄的衍射峰，与具有（004）、（211）面的晶体结构一致。Zheng等[29]的研究中，与TiO2 的XRD 图谱对比分析可知，指示膜中新的衍射峰与TiO2 自身的衍射峰相对照，其衍射图谱的变化与纳米二氧化钛颗粒的引入有关。随着TiO2 浓度的增加，指示膜的结晶度和TiO2 特征衍射峰逐渐出现。

2.9 鲜虾的智能保鲜

通过对指示膜各项性能进行比较分析，当TiO2 质量分数为1.0% 时，GEL/PCA/TiO2 智能指示膜综合性能最好，将其应用于4 ℃条件下鲜虾的新鲜度监测试验。鲜虾在贮藏过程中蛋白质和氨基酸不断分解，造成TVB-N 含量的变化。贮藏过程中指示膜颜色的变化以及鲜虾pH 值、TVB-N 值的变化如图7所示。

由图7 可知，鲜虾的TVB-N 值为6.52 mg/100 g，在贮藏1 d 时，鲜虾还未开始腐烂，其pH 值仍然保持在6.95 左右，呈弱酸性，指示膜呈现浅粉色。随着贮藏时间的延长，虾的TVB-N 值和pH 值不断增大。贮藏第2 天时，TVB-N 值达到13.09 mg/100 g，在12～25 mg/100 g 之间，处于可食用中等鲜度，指示膜由浅粉变为浅蓝色，直至第4 天，指示膜颜色逐渐加深，pH 值为8.2，变为深蓝色，虾的TVB-N 值为28.13 mg/100 g，超过腐败阈值（25 mg/100 g），此时虾已经完全腐败无法食用。这是由于鲜虾在储存过程中，因其含有蛋白质和多不饱和脂肪酸，容易被微生物污染，产生二甲胺、三甲胺等挥发性碱性气体，从而使指示膜呈现蓝色[30]。同时也发现，当鲜虾储存4 d 之后，用GEL/PCA指示膜保鲜的鲜虾表面变红，虾肉已经产生严重腐烂，而GEL/PCA/TiO2 指示膜保鲜的鲜虾表面略微发红，虾肉腐烂程度较低，表明GEL/PCA/ TiO2 指示膜在实时监测鲜虾新鲜度的同时，也能够延缓鲜虾的腐败。

此外，为了进一步研究GEL/PCA/TiO2 指示膜ΔE与鲜虾TVB-N 含量之间的关系，对其进行相关性分析，结果如图8所示。

由图8 可知，随着贮藏时间的增加，指示膜ΔE 和虾的TVB-N 含量均有所增加，对其进行相关性分析可知，指示膜ΔE 和虾的TVB-N 含量R2=0.913 3，表明指示膜颜色变化和鲜虾的TVB-N 含量之间存在显著正相关，且GEL/PCA/TiO2 指示膜可用于鲜虾的智能保鲜。

3 结论

本研究成功地制备了基于明胶、花青素及TiO2 的智能指示膜。FTIR、XRD、SEM 分析表明TiO2 与明胶/花青素成膜基质具有良好的相容性，三者之间形成了更强的分子作用力。与明胶/花青素指示膜相比，TiO2显著改善了指示膜的光照稳定性、机械性能、水蒸气渗透性。当TiO2 含量达到1.0%时，指示膜的EAB 和TS 分别为21.55%和22.73 MPa，WVP 值为3.885 g/（m·s·Pa），与对照组相比，TiO2 的添加增强了花青素的稳定性，延长了指示膜的显色效果，此时，明胶/花青素/TiO2 智能指示膜的综合性能达到最优。最后将该指示膜应用于鲜虾保鲜，结果表明随着贮藏时间的增加，指示膜的颜色变化（ΔE）与虾新鲜度指标（pH 值和TVB-N 含量）存在显著相关性，表明该指示膜可用于实时监测鲜虾新鲜度。

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Gelatin/Purple Cabbage Anthocyanin/Nanometer Titanium Dioxide Indicator Films：Preparation and Application in Fresh Shrimp Preservation

WANG Yifan1，2，LIU Yingjian2，YU Wanguo1，LIU Yunfen2，YIN Feilong2，SONG Mubo1，2*
（1.College of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545005，Guangxi，China；2.Institute of Food Science and Engineering Technology，Hezhou University，Hezhou 542899，Guangxi，China）

Abstract：Smart indicator films were prepared by the solution casting method with gelatin as the film-forming substrate，purple cabbage anthocyanin as the freshness indicator，and nano-titanium oxide（TiO2）as the ultraviolet（UV）protective agent.The effects of different content of nano-TiO2 on the physical properties，light stability，and mechanical properties of the indicator films were characterized.The results showed that the introduction of TiO2 improved the light stability，mechanical properties，and water vapor permeability of the film.The film prepared with the TiO2 addition at 1% showed the elongation at break of 21.55%，the tensile strength of 22.73 MPa，the water vapor transmission coefficient of 3.885 g/（m·s·Pa），and strong light stability，demonstrating the best overall performance.The results of Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy showed that new hydrogen bonds were formed between gelatin，anthocyanin，and TiO2.Accordingly，the network structure of the film became denser.In addition，the indicator film with the best overall performance was employed to monitor the freshness of shrimp（4 ℃），which showed obvious color changes during the experimental period.The freshness was graded based on the color changes.The correlation analysis showed a significantly positive correlation between the color difference（ΔE）of the indicator film and the content of total volatile basic nitrogen（R2=0.913 3），indicating that the indicator film enabled the visual monitoring of the freshness of fresh shrimp in real time.

Key words：purple cabbage anthocyanin；nano-titanium dioxide；smart indicator film；freshness of fresh shrimp；visual monitoring

DOI：10.12161/j.issn.1005-6521.2024.11.015

基金项目：国家自然科学基金项目（31801607）；广西自然科学基金项目（2022AC21065、2020GXNSFAA259087）

作者简介：王一帆（1997—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品化工。

*通信作者：宋慕波（1986—），男（汉），博士，研究方向：园艺产品采后科学。

引文格式：王一帆，刘英健，玉万国，等.明胶/紫甘蓝花青素/纳米二氧化钛指示膜的制备及其在鲜虾保鲜中的应用[J].食品研究与开发，2024，45（11）：115-124.

WANG Yifan，LIU Yingjian，YU Wanguo，et al.Gelatin/Purple Cabbage Anthocyanin/Nanometer Titanium Dioxide Indicator Films：Preparation and Application in Fresh Shrimp Preservation[J].Food Research and Development，2024，45（11）：115-124.

加工编辑：张岩蔚

收稿日期：2023-05-19