CN105865653B - 一种固态酶型时间‑温度指示器的制备方法 - Google Patents

一种固态酶型时间‑温度指示器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种固态酶型时间‑温度指示器，它利用糖化酶与淀粉的水解反应，以碘液作为指示剂，通过颜色变化来显示时间和温度的累积效应，从而达到指示储存及运输过程中时间及温度的目的；淀粉与碘溶液混合变色后烘干粉碎然后与乳化剂溶液、糖化酶微胶囊混合形成糊状物，将其涂布到纸板上后干燥形成变色底层，配制琼脂溶液冷却后形成一定形状的盖板备用；将底层与盖板结合，即可激活指示器。本指示器显色效果明显，成本较低，使用方便。

Description

一种固态酶型时间-温度指示器的制备方法
技术领域
本发明涉及时间-温度指示技术领域，尤其是涉及一种底物涂布并用琼脂凝胶盖板激活反应来指示时间温度的指示器。
背景技术
随着市场经济的发展，人们逐渐认识到食品要依赖于冷藏链来延长其保质期的重要性，所有的易腐农产品从采购、加工、储运、销售到消费，均须依赖于冷藏链以保证质量，减少损耗。他们的品质不仅取决于自身因素，还包括所处环境的影响，尤其是温度。因此为了保证食品品质，冷藏链具有温度要求，即“不高于原则”，从生产者到消费者之间各环节的温度都不高于设定温度。由于在管理中出现的一些人为及环境因素，使得其离开加工环节后的变质速率大大超过它的微环境，且从生产到分配、贮藏和消费整个过程，食品包括一些药品的品质和它的货架期在很大程度上取决于它的温度历程。为保证食品品质、减少损耗,对需要在低温环境中流通的食品进行温度和货架期的实时监测是非常必要的。由此，时间-温度指示剂(time temperature indicator/integrator，简称TTI) 的诞生解决了上述难题。TTI采用机械、化学、生物等多种不可逆变化原理制成，通过变形、颜色等视觉效果呈现，以监控产品所经温度历程并及时预测其剩余货架期。
目前我国还没有比较成熟的商业用TTI，科研机构对于TTI的研究相对外国较少，主要集中在包括电子型TTI、微生物型TTI和酶型TTI。谷雪莲等研究的一种电子型TTI可以准确地全程记录温度和货架期，当牛乳剩余货架期少于1d 时，会发出了声音报警，可满足实际应用需要。在微生物型TTI方面，孙媛媛研究开发了一种成膜型微生物型新鲜度指示卡可以用于反映和监测猪肉的新鲜度和货架期。在酶型方面，吴秋明等应用脲酶开发货架寿命知识体系；田秋实等[研究了一种基于蛋白酶反应为基础的酶变型TTI；碱性脂肪酶型TTI是通过反应体系的pH的变化来指示时间和温度的累积效应而制成的指示器；葛蕾等对于以酪氨酸酶为基础的时间温度指示系统的初步研究；蔡华伟、任发政等进行了对淀粉酶型TTI的研制。
国外温度-时间指示卡已经在食品和药业中使用多年。到目前为止有关时间一温度指示卡的国际专利已经有上百个，其中美国专利居多。在二十世纪70年代初，美国政府考虑过要求在某些产品中使用TTI，使TTI的研究开发成为一个热点。按工作原理这些指示卡可以划分为机械型、化学型、酶型、微生物型、聚合物型、电子化学型、扩散型等。但由于食品生产商要考虑价格、可靠性和适用性等因素，因此，只有较少的TTI能够适用于市场，主要包括扩散型、聚合反应型、酶型和微生物型。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种固态酶型时间-温度指示器。本指示器显色效果明显，成本较低，使用方便。
本发明的技术方案如下：
一种固态酶型时间-温度指示器的制作，可溶性淀粉与碘液混合变色后烘干粉碎得到变色淀粉，然后与乳化剂溶液、糖化酶微胶囊混合形成糊状物，将其涂布到纸板上后干燥形成变色底层，配制琼脂溶液冷却后形成任意形状的盖板备用；将底层与盖板结合，即可激活指示器。
所述淀粉与碘液的混合时，淀粉的质量浓度为50～70％，碘液的质量浓度为 30～50％，并放于烘箱内，烘干粉碎，烘箱温度小于淀粉的糊化温度56℃。
所述糖化酶的酶活为50000U/g～100000U/g。
所述乳化剂包括羧甲基纤维素、海藻酸钠或明胶中的至少一种。
所述糖化酶微胶囊的制备方法为：将壳聚糖溶于乙酸溶液，再加入氯化钙，得到壳聚糖混合溶液备用；配制壁材溶液，冷却后加入固体糖化酶，用注射器滴入壳聚糖混合溶液中，将得到的胶珠放入小于40℃烘箱中干燥后粉碎；所用糖化酶微胶囊的壁材包括海藻酸钠、壳聚糖、乙基纤维素的至少一种。
所述烘干粉碎后的变色淀粉与糖化酶微胶囊及乳化剂进行均匀混合，变色淀粉的质量浓度为15～30％，糖化酶微胶囊的质量浓度为0.05～0.3％，乳化剂的质量浓度为1～3％，溶剂为水。
所述琼脂溶液的质量浓度为2～4％。
所述糊状物涂布厚度为40～150um，琼脂盖板厚度为1～4mm。
变色淀粉、乳化剂溶液、糖化酶微胶囊混合形成糊状物后涂布成变色底层，将变色底层与琼脂溶液盖板分别存放，待使用时，将底层与盖板结合，即可激活指示器。
本发明有益的技术效果在于：
本时间-温度指示器主要利用淀粉与糖化酶的水解反应，以碘液作为指示剂，通过颜色变化来显示时间和温度的累积效应，从而达到指示储存及运输过程中时间及温度的目的。本指示器采用涂布的方式将变色淀粉与酶预先涂在纸上，涂布干燥后形成的指示器易保存，待使用时利用琼脂水凝胶进行激活，操作方便。本指示器反应稳定，变色明显，激活简单，成本较低，易于实际生产。
附图说明
图1、图3、图5分别为实施例1、实施例2、实施例3制备的时间-温度指示器在4℃、15℃、25℃、37℃下的色差值随时间的变化趋势；
图2、图4、图6分别为实施例1、实施例2、实施例3制备的时间-温度指示器的lnk-/T-1关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1：
(1)变色淀粉的制备：取10g可溶性淀粉，加入5ml 0.1mol/L的碘溶液，混合均匀后放入54℃烘箱内干燥，最终含水量低于2％，用粉碎机粉碎，得到变色淀粉。
(2)糖化酶的微胶囊化：取0.75g壳聚糖，溶于100ml 0.5％乙酸溶液，再加入2.22g氯化钙，得到壳聚糖混合溶液备用。取2g海藻酸钠，配制2％海藻酸钠溶液，冷去后加入0.1g固体糖化酶，用注射器滴入壳聚糖混合溶液中，将得到的胶珠放入37℃烘箱中干燥后粉碎。
(3)琼脂盖板的制备：取3g琼脂粉，配制3％的琼脂溶液，趁热倒入一定形状的容器中，冷却凝固后放入冰箱备用。
(4)指示器的制作：配制3％海藻酸钠溶液，取15g加入5g变色淀粉，以及0.05g微胶囊后的酶，混合均匀后利用涂布器在纸上涂布100um的变色底层。将变色底层与琼脂盖板结合即可激活指示器。指示器使用自粘薄膜密封，防止水分损失。
实施例2：
(1)变色淀粉的制备：取10g可溶性淀粉，加入7ml 0.1mol/L的碘溶液，混合均匀后放入54℃烘箱内干燥，最终含水量低于2％，用粉碎机粉碎，得到变色淀粉。
(2)糖化酶的微胶囊化：取0.75g壳聚糖，溶于100ml 0.5％乙酸溶液，再加入2.22g氯化钙，得到壳聚糖混合溶液备用。取2g海藻酸钠，配制2％海藻酸钠溶液，冷去后加入0.1g固体糖化酶，用注射器滴入壳聚糖混合溶液中，将得到的胶珠放入37℃烘箱中干燥后粉碎。
(3)琼脂盖板的制备：取3g琼脂粉，配制3％的琼脂溶液，趁热倒入一定形状的容器中，冷却凝固后放入冰箱备用。
(4)指示器的制作：配制3％海藻酸钠溶液，取16g加入4g变色淀粉，以及0.03g微胶囊后的酶，混合均匀后利用涂布器在纸上涂布100um的变色底层。将变色底层与琼脂盖板结合即可激活指示器。指示器使用自粘薄膜密封，防止水分损失。
实施例3：
(1)变色淀粉的制备：取10g可溶性淀粉，加入10ml 0.1mol/L的碘溶液，混合均匀后放入54℃烘箱内干燥，最终含水量低于2％，用粉碎机粉碎，得到变色淀粉。
(2)糖化酶的微胶囊化：取0.75g壳聚糖，溶于100ml 0.5％乙酸溶液，再加入2.22g氯化钙，得到壳聚糖混合溶液备用。取2g海藻酸钠，配制2％海藻酸钠溶液，冷去后加入0.1g固体糖化酶，用注射器滴入壳聚糖混合溶液中，将得到的胶珠放入37℃烘箱中干燥后粉碎。
(3)琼脂盖板的制备：取3g琼脂粉，配制3％的琼脂溶液，趁热倒入一定形状的容器中，冷却凝固后放入冰箱备用。
(4)指示器的制作：配制3％海藻酸钠溶液，取17g加入3g变色淀粉，以及0.01g微胶囊后的酶，混合均匀后利用涂布器在纸上涂布100um的变色底层。将变色底层与琼脂盖板结合即可激活指示器。指示器使用自粘薄膜密封，防止水分损失。
测试例1：
按实施例1的制作方法制作四组时间-温度指示器分别置于4℃，15℃，25℃， 37℃温度下进行恒温试验，定时用色差计测定指示器色差值。色差值随时间的变化趋势如图1所示。
由图1可以看出，随着温度的升高反应速度加快，且反应的变化趋势呈指数函数的形式，对图1的曲线进行指数函数的拟合，得到反应速率k和拟合曲线的相关系数，结果见表1。
表1 不同温度下的拟合曲线参数及lnk值
T/k K/h-1 R2 1/T lnk
277 0.02017 0.99757 0.00361 -3.90356
288 0.07485 0/99868 0.00347 -2.59227
298 0.18633 0.99948 0.00336 -1.68024
310 0.84268 0.99331 0.00323 -0.17117
酶催化反应中温度对反应速率的影响遵循Arrhenius公式：lnk＝lnk0-Ea/RT
以lnk对1/T作图得到一条曲线，如图2，由直线的斜率可求得活化能为 Ea＝80.62kJ/mol。根据引起食品质量下降的主要反应的活化能，见表2。可以判断出该时间-温度指示器可以应用于因脂肪氧化而造成的食品质量损失。
表2 引起食品质量下降的主要反应的活化能
食品质量损失 典型活化能值
扩散控制 0～15kcal/mol(0～62.76kJ/mol)
酶反应 10～15kcal/mol(41.84～62.76kJ/mol)
脂肪氧化 10～25kcal/mol(41.84～104.6kJ/mol)
营养损失 20～30kcal/mol(83.68～125.52kJ/mol)
非酶褐变 25～50kcal/mol(104.6～209.2kJ/mol)
微生物生长 20～60kcal/mol(83.68～251.04kJ/mol)
芽孢致死 60～80kcal/mol(251.04～334.72kJ/mol)
植物细胞破坏 50～150kcal/mol(209.2～627.6kJ/mol)
按实施例2的制作方法制作四组时间-温度指示器分别置于4℃，15℃，25℃温度下进行恒温试验，定时用色差计测定指示器色差值。色差值随时间的变化趋势如图3所示。
由图3可以看出，随着温度的升高反应速度加快，且反应的变化趋势呈指数函数的形式，对图3的曲线进行指数函数的拟合，得到反应速率k和拟合曲线的相关系数，结果见表3。
表3 不同温度下的拟合曲线参数及lnk值
T/k K/h-1 R2 1/T lnk
277 0.01264 0.99634 0.00361 -4.37089
288 0.05422 0/99992 0.00347 -2.91471
298 0.32217 0.99256 0.00336 -1.13267
酶催化反应中温度对反应速率的影响遵循Arrhenius公式：lnk＝lnk0-Ea/RT
以lnk对1/T作图得到一条曲线，如图4，由直线的斜率可求得活化能为 Ea＝106.74kJ/mol。
按实施例3的制作方法制作四组时间-温度指示器分别置于4℃，15℃，25℃， 37℃温度下进行恒温试验，定时用色差计测定指示器色差值。色差值随时间的变化趋势如图5所示。
由图5可以看出，随着温度的升高反应速度加快，且反应的变化趋势呈指数函数的形式，对图5的曲线进行指数函数的拟合，得到反应速率k和拟合曲线的相关系数，结果见表4。
表4 不同温度下的拟合曲线参数及lnk值
T/k K/h-1 R2 1/T lnk
277 0.089 0.97928 0.00361 -4.72170
288 0.04787 0/99986 0.00347 -3.03927
298 0.22217 0.99823 0.00336 -1.50431
310 1.51219 0.99761 0.00323 0.41356
酶催化反应中温度对反应速率的影响遵循Arrhenius公式：lnk＝lnk0-Ea/RT
以lnk对1/T作图得到一条曲线，如图6，由直线的斜率可求得活化能为 Ea＝112.54kJ/mol。
测试例2
TTI应用于实际产品时，必须确保它与所指示的产品活化能Ea相同或相近。Taoukis等人在2001年提出产品与TTI的活化能之差小于25kJ/mol时，TTI可以较为准确的指示该产品，表2列出了食品质量损失的典型活化能，可以知道实施例1可以用于脂肪氧化类的食品，如冷鲜肉。冷鲜肉在运输和搬运的过程中可能会出现冷链中的情况，此时由于高于冷藏温度，肉的腐败速度会加快， TTI可以随着温度的升高产生相应的颜色变化，以此来指示冷鲜肉的货架期。

Claims (6)

1.一种固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：可溶性淀粉与碘液混合变色后烘干粉碎得到变色淀粉，然后与乳化剂溶液、糖化酶微胶囊混合形成糊状物，将其涂布到纸板上后干燥形成变色底层，配制琼脂溶液冷却后形成任意形状的盖板备用；将底层与盖板结合，即可激活指示器；
所述乳化剂包括羧甲基纤维素、海藻酸钠或明胶中的至少一种；
所述糖化酶微胶囊的制备方法为：将壳聚糖溶于乙酸溶液，再加入氯化钙，得到壳聚糖混合溶液备用；配制壁材溶液，冷却后加入固体糖化酶，用注射器滴入壳聚糖混合溶液中，将得到的胶珠放入小于40℃烘箱中干燥后粉碎；所用糖化酶微胶囊的壁材包括海藻酸钠、壳聚糖、乙基纤维素的至少一种；
所述烘干粉碎后的变色淀粉与糖化酶微胶囊及乳化剂进行均匀混合，变色淀粉的质量浓度为15～30％，糖化酶微胶囊的质量浓度为0.05～0.3％，乳化剂的质量浓度为1～3％，溶剂为水。
2.根据权利要求1所述的固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：所述淀粉与碘液混合时，淀粉的质量浓度为50～70％，碘液的质量浓度为30～50％，并放于烘箱内，烘干粉碎，烘箱温度小于淀粉的糊化温度56℃。
3.根据权利要求1所述的固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：所述糖化酶的酶活为50000U/g～100000U/g。
4.根据权利要求1所述的固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：所述琼脂溶液的质量浓度为2～4％。
5.根据权利要求1所述的固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：所述糊状物涂布厚度为40～150um，琼脂盖板厚度为1～4mm。
6.根据权利要求1所述的固态酶型时间-温度指示器的制备方法，其特征在于：变色淀粉、乳化剂溶液、糖化酶微胶囊混合形成糊状物后涂布成变色底层，将变色底层与琼脂溶液盖板分别存放，待使用时，将底层与盖板结合，即激活指示器。
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