CN113155824B - 一种传感薄膜、制备方法及其在食品安全检测中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感薄膜、制备方法及其在食品安全检测中的应用，属于传感材料领域。挥发性醛是多种食品(食用油、牛奶、酒等)变质过程中产生的一类重要有机物，因其较低的阈值对食品气味与安全具有较大影响。本发明利用酸性指示剂刚果红在不同pH条件下的颜色变化，将其作为醛和硫酸羟胺反应的指示剂，以2,2,6,6,‑四甲基哌啶氧化物(Tempo)氧化的纳米几丁质为基体，制备了一种可肉眼检测醛的传感薄膜并应用于食用油变质检测。该传感薄膜制备方法简单、成本低且具有高灵敏度和高选择性，操作简便，适用于检测食品变质过程中产生的挥发性醛，帮助消费者判断食品新鲜度和安全性。

Description

一种传感薄膜、制备方法及其在食品安全检测中的应用
技术领域
本发明属于传感材料领域，具体涉及一种传感薄膜的制备方法及其在食品安全检测中的应用。
背景技术
食品质量对消费者和食品加工业都是至关重要的问题，食品变质问题不仅与人类健康密切相关，还可能因食物浪费造成经济损失。据联合国粮食及农业组织估算，每年约三分之一(13亿吨)仍适合人类食用的食品在供应链过程中损失或浪费。消费者对食品质量与安全的误判可能导致食源性疾病，但也是导致不必要的食物浪费的主要原因。因此，有效、准确地检测食品新鲜度不仅能帮助消费者避免误食变质食品，还有利于减少食物浪费。
食品在储存和运输过程中，可能受到光、热、氧气和微生物等的影响发生变质，产生各种挥发性有机物如醇、酸、酯、硫化氢、胺类化合物、醛、酮、烃、芳香族化合物等，这些挥发性有机物可作为检测食品新鲜度的指标。目前，食品挥发物的检测方法主要有高效液相色谱、气相色谱、红外与激光光谱分析方法等，虽然这些分析方法可以得到有效准确的结果，但都需要用到化学试剂或昂贵的设备且操作复杂，无法满足消费者简单判断食品是否变质的需求。
比色法是一种简单的通过显示反应快速鉴定某些物质的方法，基于比色法发展起来的比色传感器具有便携性和易操作性，通过肉眼或可携带的分光光度计甚至智能手机即可监测到信号变化，没有通过专业训练的普通消费者也可方便使用。近年来，比色传感器迅速发展并被广泛应用于食品新鲜度的检测。论文Journal of Materials Chemistry C2019,7(7):1919-1926中以纤维素纳米晶体(CNC)和壳聚糖分别用作稳定剂和基质，制备了一种基于聚乙二炔的氨传感器，并用于肉类新鲜度的检测。论文Anal Chem 2016,88(7):3959-3966基于糖醛和苯胺的显色反应制备了一种糖醛传感薄膜，用于检测啤酒新鲜度。
挥发性醛是多种食品(食用油、牛奶、酒等)变质过程中产生的一类重要有机物，因其较低的阈值对食品气味具有较大影响。论文Food Control 2019,100:220-226制备了基于Schiff试剂和醛的显色反应制备了一种涂覆Schiff试剂的SiO2纳米粒子，用于实时监测牛奶变质。然而，该纳米粒子变色不明显，肉眼难以分辨。
本发明利用pH指示剂刚果红在不同pH条件下的颜色变化，将其作为醛和硫酸羟胺反应的指示剂，以Tempo氧化的纳米几丁质为基体，制备了一种可肉眼检测醛的传感薄膜并将其应用于检测食品变质过程产生的挥发性醛，未见报道先例。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种传感薄膜的制备方法及其在食品安全检测中的应用，这种传感薄膜制备简单，成本低廉，具有高灵敏性和选择性，操作简便，能够肉眼检测食品变质过程中产生的挥发性醛，判断食品新鲜度，具有较高的实用价值。
本发明的技术方案如下：
一种传感薄膜，所述传感薄膜包括几丁质薄膜以及固定在几丁质薄膜上的硫酸羟胺和刚果红；
一种传感薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)通过Tempo氧化法制备纳米几丁质分散液；
2)将纳米几丁质分散液和不同含量的甘油混合均匀后，将其转移到模具(聚苯乙烯或聚四氟乙烯材质)中，利用溶液浇铸法制备纳米几丁质薄膜；
3)将纳米几丁质薄膜裁成一定尺寸后，在指示剂溶液中浸泡，置于40℃烘箱中干燥后即得到传感薄膜。
进一步地，所述步骤1)的具体过程为：将几丁质分散于去离子水中，磁力搅拌下加入Tempo和NaBr，随后开始滴加NaClO。用NaOH溶液维持pH在10左右，直至反应不再消耗NaOH，用少量乙醇淬灭反应，然后用HCl溶液调节pH到7。离心得到不溶于水的纳米几丁质，用去离子水离心洗涤。用细胞粉碎机将纳米几丁质重新分散在去离子水中，再次离心除去杂质后得到Tempo氧化纳米几丁质分散液。
进一步地，所述步骤2)中，所述纳米几丁质分散液的质量浓度为0.1％-1.0％。
进一步地，所述步骤2)中，所述甘油含量为纳米几丁质质量的50％以下。
进一步地，所述步骤2)中，所述纳米几丁质薄膜为25-30g/m2。
所述指示剂溶液由刚果红、硫酸羟胺、甲醇、去离子水和甘油组成；甲醇、去离子水和甘油的体积比为10:9:1，pH指示剂刚果红的浓度为0.2-1.0mg/mL，优选0.25-0.75mg/mL；硫酸羟胺的浓度为2mg/mL-10mg/mL，优选2.5-7.5mg/mL；
所述一种传感薄膜，所述传感薄膜用于易挥发醛类的检测；
所述一种传感薄膜，所述传感薄膜中的硫酸羟胺可与醛发生席夫碱反应，释放出硫酸导致pH下降，进而使刚果红由红变蓝，实现对易挥发醛的检测；
所述一种传感薄膜在食品变质检测中的应用，所述应用采用以下步骤：
1)取一定量的样品置于透明玻璃瓶或塑料瓶中，将传感薄膜贴于瓶盖内部，密闭后静置；
2)将样品静止一段时间使其充分反应，
3)观察并记录反应前后传感薄膜的颜色变化，判断食品变质情况。
所述一种传感薄膜在食品安全检测中的应用，所述食品包括各种油脂、油炸食品、坚果、牛奶或酒。
本发明的有益效果：
(1)本发明的传感膜以几丁质作为原料，来源丰富，价格低廉，且通过简单的溶液浇铸法即可制得具有较大的比表面积的醛比色传感膜；
(2)本发明传感膜制备过程简单，条件温和，成本低，操作方便且具有高选择性，高灵敏性和持久的化学稳定性；
(3)本发明的传感膜用于检测食品变质时操作简便，无需借助任何仪器，只需取少量样品于玻璃瓶或塑料瓶，将传感膜置于瓶盖内部，密封静置一段时间后，通过肉眼观察传感膜的颜色变化即可实现对醛的检测，判断食品变质情况；
(4)本发明的传感膜还可作为一种智能标签，在食用油贮存和运输期间，实时监测食品新鲜度。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别为实施例1制备的纳米几丁质薄膜和传感薄膜的扫描电子显微镜照片。
图2为实施例1制备的醛比色传感膜对不同挥发性有机物的选择性测试。图中，传感薄膜仅对己醛、庚醛、丁醛和2,4-己二烯醛具有响应(传感薄膜颜色由红变蓝)，接触其它挥发性有机物时颜色无明显变化，仍为红色。
具体实施方法
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1
1a:首先将1g几丁质分散于100mL去离子水中，磁力搅拌下加入0.016g Tempo和0.1g NaBr，随后开始滴加NaClO(6mmol)。用1M的NaOH溶液维持pH在10左右，直至反应不再消耗NaOH，用少量乙醇淬灭反应，然后用0.5M HCl溶液调节pH到7。12000rpm离心5min得到不溶于水的纳米几丁质，用去离子水离心洗涤5次。用细胞粉碎机将纳米几丁质重新分散在去离子水中，再次离心除去杂质后即可得到Tempo氧化纳米几丁质分散液；
1b:取17g稀释至0.5wt％的Tempo氧化纳米几丁质分散液，加入0.02g甘油(是纳米几丁质质量的25％)后混合均匀，注入直径为6cm的聚苯乙烯培养皿中，40℃烘箱中干燥24h得到纳米几丁质薄膜；
1c:将10mg刚果红，100mg硫酸羟胺溶解在10mL甲醇，9mL去离子水和1mL甘油的混合溶剂中，搅拌溶解得到指示剂溶液；
1d:将纳米几丁质薄膜裁成直径8mm的圆，在指示剂溶液中浸泡30min，置于40℃烘箱中干燥60min后得到传感薄膜。
性能测试：将醛比色传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
将本实施例制备的传感薄膜置于己醛浓度为1μmol/L，2μmol/L，5μmol/L，10μmol/L，20μmol/L，50μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜色差值ΔE，结果列于表2。
对本实施例制得的传感薄膜的选择性进行研究，将传感薄膜与各种挥发性有机物(乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、己烷、甲苯、四氢呋喃、己醛、庚醛、丁醛和2,4-己二烯醛)进行颜色响应，该传感薄膜仅对己醛、庚醛、丁醛和2,4-己二烯醛具有响应(传感薄膜颜色由红变蓝)，接触其它挥发性有机物时颜色无明显变化，仍为红色，具有优异的选择性，如图2所示。
实施例2
2a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
2b:参见实施例1中1b步骤，制备纳米几丁质薄膜；
2c:参见实施例1中1c步骤，其中刚果红为5mg，其他步骤相同制备指示剂溶液；
2d:参见实施例1中1d步骤，制备醛传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
实施例3
3a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
3b:参见实施例1中1b步骤，制备纳米几丁质薄膜；
3c:参见实施例1中1c步骤，其中刚果红为15mg，其他步骤相同制备指示剂溶液；
3d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
实施例4
4a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
4b:参见实施例1中1b步骤，制备纳米几丁质薄膜；
4c:参见实施例1中1c步骤，其中硫酸羟胺为50mg，其他步骤相同制备指示剂溶液；
4d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
实施例5
5a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
5b:参见实施例1中1b步骤，制备纳米几丁质薄膜；
5c:参见实施例1中1c步骤，其中硫酸羟胺为150mg，其他步骤相同制备指示剂溶液；
5d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
实施例6
6a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
6b:参见实施例1中1b步骤，不加甘油(0％)，其他步骤相同，制备纳米几丁质薄膜；
6c:参见实施例1中1c步骤，相同制备指示剂溶液；
6d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
实施例7
7a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
7b:参见实施例1中1b步骤，其中甘油为0.0085g(10％)，其他步骤相同，制备纳米几丁质薄膜；
7c:参见实施例1中1c步骤，相同制备指示剂溶液；
7d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
对比例1
8a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
8b:参见实施例1中1b步骤，其中甘油为0.02g(25％)，其他步骤相同，制备纳米几丁质薄膜；
8c:将10mg刚果红溶解在10mL甲醇，9mL去离子水和1mL甘油的混合溶剂中，搅拌溶解得到指示剂溶液；
8d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20试mol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
对比例2
9a:参见实施例1中1a步骤，制备Tempo氧化纳米几丁质分散液；
9b:参见实施例1中1b步骤，其中甘油为0.02g(25％)，其他步骤相同，制备纳米几丁质薄膜；
9c:将100mg硫酸羟胺溶解在10mL甲醇，9mL去离子水和1mL甘油的混合溶剂中，搅拌溶解得到指示剂溶液；
9d:参见实施例1中1d步骤，制备传感薄膜；
性能测试：将传感薄膜置于己醛浓度为20μmol/L的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
对比例3
10a:参见实施例1中1c步骤，相同制备指示剂溶液；
10b:参见实施例1中1d步骤，用滤纸代替纳米几丁质薄膜，其他步骤相同，制备传感薄膜；
性能测试：将醛比色传感薄膜置于己醛浓度为20试：将醛比色的密封瓶中，30min后取出，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表1。
应用实施例1
1)食用油的加速氧化实验：采用烘箱加热加速氧化试验(Schall Oven Test)，将葵花油置于带盖无色透明的玻璃瓶中，放入62±1℃的恒温箱中连续加热氧化30天，每隔12h对其进行晃动，得到氧化0、5、10、15、20、25、30天的葵花油并根据国标GB5009.227-2016测其过氧化值(PV)，结果列于表3。
2)分别取5mL氧化0、5、10、15、20、25、30天的葵花油，各置于20mL的透明玻璃瓶中，将实施例1中制备的传感膜贴于瓶盖上，拧紧瓶盖后将玻璃瓶静置12h，观察反应前后传感膜的颜色变化，采用色差仪(NR60CP,3nh)的CIELab模式记录薄膜反应前后的色差值ΔE，结果列于表3。
表1
Figure BDA0003005410270000061
Figure BDA0003005410270000071
表2
己醛浓度(μmol/L) ΔE 颜色变化
0 0.48±0.15 仍为红色
1 9.81±0.17 仍为红色
2 41.36±0.53 由红变紫
5 59.86±0.11 由红变紫
10 71.48±0.51 由红变蓝
20 73.07±0.41 由红变蓝
50 79.74±0.96 由红变蓝
表3
葵花油氧化天数 PV(g/100g) ΔE 颜色变化
0 0.027 6.49±0.80 仍为红色
5 0.138 12.09±1.14 仍为红色
10 0.619 52.51±0.06 由红变紫
15 1.204 59.22±2.06 由红变蓝
20 1.673 64.38±0.41 有红变蓝
25 2.041 65.01±0.30 由红变蓝
30 1.376 70.49±0.15 由红变蓝
从表1可看到，实施例1-7的传感薄膜反应前后颜色变化明显，对己醛都具有高灵敏性，实施例1颜色变化最为明显。在实施例1中，传感薄膜对挥发性有机物的选择性测试表明，该传感薄膜对乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、己烷、甲苯和四氢呋喃均无响应，仅对挥发性醛具有响应，说明该传感薄膜具有高选择性。对比例1-2的传感膜的颜色基本没有变化，说明指示剂溶液中刚果红是硫酸羟胺与醛反应的指示剂。对比例3的传感膜虽然有肉眼可见的颜色变化，但灵敏性远低于实施例1-7的传感薄膜，这说明Tempo氧化纳米几丁质薄膜的高比表面积赋予了传感薄膜高灵敏性。
表2为实施例1制备的传感薄膜对不同浓度己醛颜色响应的结果。己醛浓度小于2μmol/L时，传感薄膜对己醛没有颜色响应；己醛浓度大于2μmol/L，传感薄膜随着己醛浓度的增加，传感薄膜色差值逐渐增大，且颜色变化明显，先由红变紫再变蓝。
国标GB5009.227-2016规定食用油中过氧化值应不大于0.25g/100g，从表3中可知，加速氧化10天后，葵花油的过氧化值超标，不再适合食用。本发明的传感膜，克服了传统分析方法操作复杂、设备昂贵等缺点，将其应用于食用油变质检测时，还可避免氧化后期过氧化值下降导致对氧化程度的低估，检测食用油变质和可食用性的准确率达到100％。本发明的传感膜制备工艺简单，成本低廉，适合大规模工业化生产，在食品检测领域具有巨大的应用潜力。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种传感薄膜，其特征在于，所述传感薄膜包括纳米几丁质薄膜以及固定在纳米几丁质薄膜上的硫酸羟胺和刚果红。
2.一种传感薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，通过Tempo氧化法制备纳米几丁质分散液；
步骤二，将纳米几丁质分散液和不同含量的甘油混合均匀后，将其转移到模具中，利用溶液浇铸法制备纳米几丁质薄膜；所述纳米几丁质分散液的质量浓度为0.1%-1.0%；所述甘油含量为纳米几丁质质量的50%以下；所述纳米几丁质薄膜为25-30 g/m2；
步骤三，将纳米几丁质薄膜裁成一定尺寸后，在指示剂溶液中浸泡，置于40℃烘箱中干燥后即得到传感薄膜；所述指示剂溶液由刚果红、硫酸羟胺、甲醇、去离子水和甘油组成；甲醇、去离子水和甘油的体积比为10:9:1，pH指示剂刚果红的浓度为0.2-1.0 mg/mL；硫酸羟胺的浓度为2 mg/mL-10 mg/mL。
3.根据权利要求2所述的一种传感薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：将几丁质分散于去离子水中，磁力搅拌下加入Tempo和NaBr，随后开始滴加NaClO；用NaOH溶液维持pH在10左右，直至反应不再消耗NaOH，用少量乙醇淬灭反应，然后用HCl溶液调节pH到7；离心得到不溶于水的纳米几丁质，用去离子水离心洗涤；用细胞粉碎机将纳米几丁质重新分散在去离子水中，再次离心除去杂质后得到Tempo氧化纳米几丁质分散液。
4.根据权利要求2所述的一种传感薄膜的制备方法，其特征在于，所述指示剂溶液由刚果红、硫酸羟胺、甲醇、去离子水和甘油组成；甲醇、去离子水和甘油的体积比为10:9:1，pH指示剂刚果红的浓度为0.25-0.75 mg/mL；硫酸羟胺的浓度为2.5-7.5 mg/mL。
5.权利要求2-4任一所述制备方法制得的一种传感薄膜的应用，其特征在于，所述传感薄膜用于易挥发醛类的检测。
6.权利要求2-4任一所述制备方法制得的一种传感薄膜的应用，其特征在于，所述传感薄膜中的硫酸羟胺可与醛发生席夫碱反应，释放出硫酸导致pH下降，进而使刚果红由红变蓝，实现对易挥发醛的检测。
7.权利要求2-4任一所述制备方法制得的一种传感薄膜的在食品安全检测中的应用，其特征在于，所述食品包括各种油脂、油炸食品、坚果、牛奶或酒。
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