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猪肉感控保鲜一体化的智能包装膜研究

花匠小妙招
2024-11-03 18:55

摘要

我国猪肉制品中70～80%是生鲜肉,如何保障生鲜猪肉品质与安全是现实难题。因此,能感知肉品新鲜度、延长货架期的活性智能包装膜成为国内外研究热点。本研究将智能感知与控释联动,通过包装膜颜色变化感知肉品的品质状态,及时触发控释的刺激条件,实现活性成分的按需释放,延长肉品的货架期。首先针对花青素感知包装膜的稳定性差和灵敏度低的问题,分别开发了疏水双层膜和疏水复合纤维膜;其次针对活性成分的释放规律与食品抑制腐败的需求不同步问题,分别开发了缓释、外环境和内环境控释的抗菌保鲜膜;最后将包装膜的智能感知与活性控释联动,实现以肉品新鲜度为感知信息,控释包装为执行信息,制备了猪肉保鲜“感”“控”一体化的智能包装。主要研究如下:(1)抗高湿型猪肉新鲜度双层自感知包装膜的开发。针对现有亲水性的花青素指示剂容易从固体基质扩散到薄膜表面,造成包装膜在高湿环境下的不稳定性和指示失灵等问题,设计了透气防水的双层智能感知膜。利用聚偏氟乙烯(PVDF)纸基作为疏水层,聚乙烯醇/海藻酸钠和玫瑰茄花青素作为感知层。探究了疏水双层智能感知膜的物理性质、微观结构和颜色稳定性;重点考察了其疏水特性和水蒸气透过率。研究结果表明,所制备的疏水双层感知膜的水滴接触角从56.09°提高到108.85°,WVP值为1.42×10-4g/(m·s·pa),且颜色响应度SRGB为22.63%。因此,开发的双层智能感知膜具有较高的抗高湿特性。最后将其用于猪肉新鲜度的自感知,可观察到从红到绿的颜色变化。(2)高响应型猪肉新鲜度感知-保鲜一体化复合纤维膜的开发。针对将疏水外层引入包装膜会降低其灵敏度且无法延长肉品保质期的问题,本研究通过具有高负载率和大比表面积的静电纺丝工艺制备了高响应型新鲜度感知-保鲜一体化的复合纤维膜。首次使用PVDF聚合物颗粒作为食品包装成膜基材,分别选取水溶性玫瑰茄花青素作为感知材料,醇溶性肉桂精油作为活性成分,采用单轴静电纺丝技术制备了多功能的感知-保鲜一体化纤维膜。探究了纤维膜的微观结构、红外光谱和疏水性能等,重点考察了纤维膜在pH缓冲溶液中的稳定性和抗菌特性。研究结果表明,所制备的纤维膜在不同的pH溶液中仍可以维持自身完整性,WVP值为2.63×10-7g/(m·s·pa),颜色响应度SRGB值提高到25.68%。制备的活性纤维膜具有较好的抗菌特性,将其用于猪肉新鲜度的可视化监测,观察到粉红色到浅绿色的明显变化,4℃贮藏条件下,贮藏货架期有效延长了2天。因此,开发的新鲜度感知-保鲜一体化复合纤维膜可以兼顾高湿环境下的稳定性和响应灵敏度,并实现猪肉的保鲜。最后依据感知膜的颜色和肉品质的对应关系制备了新鲜度比对指示卡,以拓宽其在肉品智能感知包装领域的实际应用潜力。(3)新鲜度自感知-保鲜活性成分缓释型猪肉包装膜的开发。针对精油强挥发性导致使用寿命短,造成抗菌效率低、保鲜效果不佳的问题,本研究以β-环糊精作为壁材,肉桂精油作为芯材,通过饱和溶液法制备微囊化合物并作为缓释活性成分。采用单因素实验优化了微囊化包合物的制备参数:肉桂精油与β-环糊精的质量比为1:8,包合时间为3 h,包合温度为55℃。再以PVDF聚合物为成膜基材,通过单轴静电纺丝技术制备成疏水缓释抗菌纤维膜。通过微观结构、机械性能以及疏水性等探究了不同浓度包合物的纤维膜结构特性,再深入讨论缓释抗菌纤维膜中肉桂精油的释放行为。研究结果表明,当添加微囊化合物的浓度为2%时,纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为17.1 mm和16.7mm。细胞毒理学结果显示其细胞存活率>80%,符合1级生物安全性。最后将其用于猪肉的保鲜,有效延长了2天贮藏货架期。结合新鲜度比对卡,可以实现缓释型包装膜对猪肉保鲜过程的智能感知。(4)新鲜度自感知-保鲜活性成分光控释放型猪肉包装膜的开发。针对智能包装膜中抗菌活性成分的释放规律不可控等问题,本研究通过合成ZIF-8金属有机框架材料,并负载光敏剂孟加拉玫瑰红(ZIF-8@RB)作为光控动力学杀菌活性成分。采用PVDF聚合物作为成膜基材,通过静电纺丝技术制备了光控抗菌纤维膜。首先探究了合成ZIF-8@RB的微观结构、粒度以及激发波长,重点考察了光控活性成分的单线态氧产率。然后通过研究光控抗菌膜的微观结构、疏水性等表征包装膜的物理化学特性,重点探究了包装膜的光控抑菌效果,并讨论了其细胞毒性。研究结果表明,所制备的光敏剂ZIF-8@RB粒径约为232.80 nm,单线态氧产率(37)_((35))为0.403;所制备的光控抗菌膜作用于大肠杆菌的细菌存活率为0.83%,金黄色葡萄球菌的存活率为0.45%。最后将其用于猪肉的保鲜,通过感知贮藏过程中猪肉的新鲜度,启动光控杀菌条件,4℃贮藏条件下,有效延长3天贮藏货架期,实现自感光控杀菌的保鲜效果。(5)新鲜度自感知-保鲜活性成分pH自控释放型猪肉包装膜的开发。针对活性成分的释放规律与肉类保鲜需求不一致的问题,本研究开发了pH控释抗菌纤维膜,实现活性成分的自控释放,以提高包装膜的保鲜效果。选取肉桂精油作为活性成分,L100和微量的柠檬酸盐作为聚合物基材,通过同轴静电纺丝技术,开发了pH自感自控抗菌纤维膜。首先通过微观表征证实pH控释纤维膜的核壳结构,再表征其红外光谱、物理性能等基本特性。重点明晰了控释纤维膜在不同pH溶液下的释放动力学机制和杀菌效果。研究结果表明:所制备的核壳纤维膜具有较高的比表面积(7.22 m2/g)和水滴接触角(121.45°);且随着pH的增加,肉桂精油的释放率从68.9%增加到98.2%,释放动力学模型结果揭示了pH自感自控抗菌纤维膜在高pH环境下聚合物的弛豫侵蚀和低pH环境下Fick扩散的释放机制规律。最后将pH自感自控抗菌纤维膜用于猪肉保鲜,发现随着猪肉贮藏时间增加,包装环境的pH发生变化,改变了包装膜的宏观行为,以实现活性成分释放通道的自启动,4℃贮藏条件下,成功将猪肉的货架期延长了4天。同时结合新鲜度比对卡,最终实现包装膜pH自感自控的联动以及对猪肉保鲜过程的智能感知。本研究开发的猪肉感控一体化智能包装膜制备方法还可用于牛肉、鱼肉等蛋白质含量高的食品,为相关智能包装膜的进一步工业化生产奠定了基础。展开▼