一种可用于冷却肉新鲜度指示的水凝胶制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种可用于冷却肉新鲜度指示的水凝胶制备方法及应用，属于食品包装、食品新鲜度监测与高分子材料领域。
背景技术
在人们的日常生活中冷却肉不可或缺，非常受消费者的喜爱，其中猪肉作为我国消费量最大的肉类，大约占所有肉类的60％以上。冷却肉中含有蛋白质等多种营养物质，其在4℃贮藏过程中常常会发生腐败变质，不仅会破坏其口味以及营养价值，也非常容易引起疾病，危害人们的健康，因此能够及时直观监测肉类新鲜度的智能包装应运而生。
新鲜度指示材料的作用是监测微生物生长产生的新鲜食物中的代谢物(如有机酸、二氧化碳、挥发性碱性氮或硫衍生物)，或与之发生反应，通过挥发性物质溶解在基体内部的水分中，发生明显的颜色变化来判定包装内的冷却肉的质量。但传统指示型材料中的染色剂一般为溴麝香草酚蓝，甲基红或花青素提取物等单一指示剂，pH变化范围有一定限制。此外，其基体一般是一些薄膜如纤维素膜以及淀粉膜等，它们虽然具有一定的亲水性，但在包装内部湿度较低的条件下，灵敏性会下降，指示效果不明显。
水凝胶是一种新型高分子材料，具有良好的封闭性、可降解性以及保湿性等优点。由于其内部水分含量较大，是食品新鲜度检测的良好基体。然而，传统水凝胶也存在一定的缺点，如制备原料来源非天然、制备过程复杂等。海藻酸钠是一种安全的天然阴离子多糖，可与二价金属阳离子交联形成水凝胶。与其他水凝胶材料相比，海藻酸钠水凝胶无毒且生物相容性高，被广泛应用于食品包装等多种
技术领域
。蟹壳是一种天然废弃物，其主要成分为是碳酸钙，经粉碎、脱蛋白和脱色处理后可以作为天然钙源，在滴加葡萄糖酸内酯后释放的Ca2+可与海藻酸钠交联，形成“蛋盒”结构，进而得到一种制备简单、绿色且强度高的海藻酸钠水凝胶。将制得的水凝胶用溴百里香酚蓝与甲基红复配染色剂染色后，即得到一种可用于冷却肉新鲜度指示的水凝胶。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于冷却肉新鲜度指示的水凝胶制备方法及应用，以天然废弃蟹壳为交联引发剂，旨在利用葡萄糖酸内酯作为Ca2+释放剂，将蟹壳粉中Ca2+释放出来与海藻酸钠交联，进而形成水凝胶。溴百里香酚蓝与甲基红是两种酸碱指示剂，可以敏感的检测所处环境的CO2浓度，CO2溶于水后变成H2CO3,并进一步离解成H﹢与HCO3 -，使两种指示剂变色。利用溴百里香酚蓝与甲基红复配染色剂对其染色得到新鲜度指示型水凝胶，可以扩大其酸碱度变色范围，为其在食品包装、食品新鲜度监测与高分子材料领域的研究奠定基础。
为实现上述目的，包括以下步骤：
(1)将蟹壳粉进行超微粉碎，加入低浓度的氢氧化钠溶液在60℃搅拌6h进行脱蛋白，将得到的蟹壳粉过滤水洗至pH为7，加入无水乙醇在室温条件下搅拌6h进行脱色，过滤烘干后得到蟹壳粉。
(2)配置质量分数为2％的海藻酸钠水溶液，完全溶解后加入一定量的步骤(1)制得的蟹壳粉，室温下搅拌6h。
(3)在步骤(2)得到的混合液中一定量的葡萄糖酸内酯，搅拌3min后将混合物倒入模具中，在4℃交联12h后，得到天然海藻酸钠水凝胶。
(4)将溴百里香酚蓝与甲基红按照一定比例溶解在70％的乙醇中，并加入蒸馏水稀释，使干物质的总质量分数达到0.01％，得到复配指示剂。
(5)将步骤(3)得到的海藻酸钠水凝胶浸入复合指示剂中24h，取出后用滤纸吸干表面残留的指示剂，得到新鲜度指示型水凝胶。
本发明还包括这样一些特征：
所述(1)中用于脱蛋白浓度的氢氧化钠质量分数为5％。
所述(2)加入的海藻酸钠与蟹壳粉的质量比为2:1。
所述(3)中加入的葡萄糖酸内酯的质量分数为0.9％。
所述(4)中溴百里香酚蓝与甲基红的质量比为3:2。
采用指示型水凝胶在不同pH的缓冲液中的颜色变化情况、指示型水凝胶在4℃时不同 CO2浓度的气体环境下颜色变化情况。冷却肉4℃贮藏过程中的电子鼻检测、菌落总数变化情况以及凝胶实际颜色变化情况来对本发明的实用性能作出表征。
从上述步骤看本发明有益效果：一、本发明制备的指示型水凝胶选用的基体海藻酸钠是生物可降解材料，具有无毒、生物相容性高、安全性高等优点。二、本发明使用来源于天然的蟹壳粉作为交联剂，为海藻酸钠水凝胶的离子交联提供钙源的同时增加了农副产物综合利用率。三、本发明使用葡萄糖酸内酯作为Ca2+释放剂，葡萄糖酸内酯溶于水后解离出的H+可以缓慢的将蟹壳中的Ca2+释放出来，进而与海藻酸钠均匀交联形成“蛋盒”结构，效果优于其他有机酸。四、本发明中使用溴百里香酚蓝与甲基红复配指示剂，其pH敏感性优于其他单一指示剂。五、本发明制备的新鲜度指示型水凝胶制备简单、保水性好且具有非常好的pH敏感性，应用于冷却肉托盘包装中指示效果明显，优于传统新鲜度指示型材料。
附图说明
附图1水凝胶在pH3-7的缓冲溶液中的颜色变化
附图2水凝胶在4℃不同浓度CO2下的颜色变化
附图3冷却肉在4℃贮藏过程中的菌落总数变化
附图4冷却肉在4℃贮藏过程中电子鼻检测情况
附图5指示型水凝胶在冷却肉4℃贮藏中的指示作用
具体实施方式
实施例
一种可用于冷却肉新鲜度指示的水凝胶制备方法及应用，包括以下步骤：
步骤一：将废弃蟹壳用超微粉碎机粉碎粉碎，加入5％的氢氧化钠溶液在60℃搅拌6h 进行脱蛋白处理，将蟹壳粉过滤水洗至pH为中性，加入无水乙醇在室温条件下搅拌6h进行脱色处理，过滤、干燥后得到蟹壳粉。
步骤二：将一定量的海藻酸钠溶于去离子水中得到质量分数为2％的海藻酸钠水溶液。然后加入一定量的蟹壳粉(m海藻酸钠：m蟹壳粉＝2:1)，搅拌得均匀混合液。
步骤三：在上述成膜液中加入质量分数为0.9％的葡萄糖酸内酯。搅拌2min后倒入模具中，在4℃交联12h，得到海藻酸钠水凝胶。
步骤四：将将溴百里香酚蓝与甲基红按照3:2的质量比溶解在70％的乙醇中，并加入蒸馏水稀释，使干物质的总质量分数达到0.01％，得到复配指示剂。
步骤五：将海藻酸钠水凝胶放入步骤四中的复配指示剂中24h后取出，用滤纸吸干水凝胶表面残留的指示剂，得到新鲜度指示型水凝胶。
从图1可知，新鲜度指示型水凝胶从不同pH缓冲液中取出后，形态良好、颜色变化显著且易于区分，pH为3-5时水凝胶呈现深黄色，pH为6时水凝胶呈现浅黄色，pH为7时水凝胶呈现绿色，pH为8-11时水凝胶由深绿色变为深蓝色，说明所制得的水凝胶具有良好的 pH敏感性，可以起到指示作用。
从图2可知，新鲜度指示型水凝胶对CO2浓度水平较敏感，当指示水凝胶暴露于20％或以上的CO2水平时，发生了从绿色到浅黄色的明显颜色变化。
根据国标规定，在冷却肉贮藏过程中，菌落总数小于4Log(CFU/g)的定义为生鲜肉；菌落总数在4-6Log(CFU/g)的定义为次鲜肉。超过6Log(CFU/g)定义为腐败肉。从图3可知，本实验中冷却肉在贮藏第四天时菌落总数超过了4Log(CFU/g)，说明其从新鲜肉逐渐变为次鲜肉，在第十天时菌落总数超过了6Log(CFU/g)说明肉完全腐败变质。
从图4可知，冷却肉腐败过程往往伴随着异味的产生，气味常被消费者用作鉴别冷却肉品质好坏的指标。随着贮藏时间延长，对照组中传感器W1W、W6S、W5S和W1S的响应值逐渐增加，说明贮藏过程中冷却肉产生了硫化物、氢化物、氮氧化合物和烷类物质，尤其是W1S的响应值增加特别明显，说明了在冷却肉贮藏过程中烷类是风味变化最明显的成分。此外，随着贮藏时间的延长W1W值逐渐升高，这说明冷却肉腐败过程中产生的硫化氢气体逐渐增多。
从图5可知，新鲜度指示型水凝胶随着冷却肉贮藏时间的延长颜色由深蓝变为浅绿最后变为黄色，这是由于在冷却肉贮藏过程中，随着贮藏时间的延长冷却肉逐渐腐败，细菌繁殖消耗氧气产生CO2，而肉腐败产生较多的H2S气体，它们聚集在密闭小瓶的上方，逐渐溶解在水凝胶内部从而显酸性，使水凝胶变色，说明该新鲜度指示型水凝胶可成功检测鲜猪肉在腐败过程中产生的主要挥发性气体。
