CN113532683B - 一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂及其制备方法，属于食品智能包装技术领域。本发明将海藻酸钠、不溶性钙盐和二乙炔脂质体溶液混合均匀后作为水相，将其分散在液体石蜡和司盘80构成的油相中形成乳化液，然后加入冰醋酸，得到脂质体/海藻酸钙凝胶微球，之后与吐温20水溶液混合，即得时间温度指示剂。该时间温度指示剂中的脂质体不会发生团聚，较溶液保存时间更长，特性更稳定，且只需将微球保存于低温避光环境即可，制备得到的TTI可在4℃下随时间变化发生明显从蓝变红的颜色转变，同时具有指示准确度高的特性。
Description
技术领域
本发明涉及食品智能包装技术领域，特别是涉及一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂及其制备方法。
背景技术
随着国民生活质量水平提高，消费的食品种类更加多样，同时对食品的品质有更高要求。其中温度对食品品质影响较大，目前冷链物流技术可以通过使食品处于低温条件下减缓其品质流失，保持新鲜度。然而研究表明食品流通、加工处理、销售过程中经常会偏离理想的温度条件，导致实际食品在包装上规定的保质期之前就已变质无法食用，故对于温度的监测和控制至关重要。
时间温度指示剂(Time Temperature Indicator，简称TTI)，通过直观的颜色变化来指示产品受到的温度和时间累积影响，从而指示产品的实时品质，在食品流通过程中监测、记录和指示其经历过的温度历史，对指导消费者购买安全食品有重要的意义。
聚二乙炔(Polydiacetylene)又名聚联乙炔，简称PDA，是由单体分子中含有二乙炔结构的化合物在一定条件下(如紫外光、γ射线、加热等)经 1,4-加成聚合反应而得到的含有双键和三键交替形成超共轭体系的高分子聚合物。二乙炔单体的结构中有连续两个共轭的-C≡C-，即 R1-C≡C-C≡C-R2，该共轭二炔的取代基R1和R2分别是长链烷烃和末端带有某一官能团(如羧基等)的烷烃。聚二乙炔由紫外光或加热来引发进行聚合而得到。在众多的聚二乙炔组装体当中，聚二乙炔脂质体组装体是研究最为广泛和最多的一类组装体。脂质体溶液制备方法通常是将二乙炔单体溶解在少量的乙醇、三氯乙烷等易挥发的有机溶剂中，除去杂质后溶剂挥发完，加入去离子水，在大约80℃左右的温度下，利用超声波将二乙炔单体进行分散，在超声分散完成后，都需要在低温下，使二乙炔单体结晶，从而形成高度有序排列的脂质体结构，再经过254nm紫外光的照射引发聚合后就得到了聚二乙炔脂质体溶液。聚二乙炔由于具有独特的电子结构，当受到外界环境刺激，如温度，酸和碱，离子和有机溶剂、表面活性剂等，会发生可肉眼观察到的颜色转变，其经常用于比色传感材料的研究中，受到相当大的关注。
聚二乙炔因其独特的变色响应在时间温度指示剂领域有着广泛的应用。但聚二乙炔脂质体在水溶液中长期放置后会倾向于聚集，并发生沉积。目前，针对聚二乙炔在时间温度指示剂方向的应用研究较少，且已有的研究表明，其大多应用温度较高，并且直接使用聚二乙炔脂质体溶液未考虑实际应用中长期保存的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使聚二乙炔脂质体的保存时间延长，实现其状态与特性长效稳定，满足食品监测过程的长期性需求，同时在低温下具备极高的检测准确性，尤其适合生鲜类产品的品质监测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的目的之一是提供一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)脂质体/海藻酸钙凝胶微球的制备：
a.将10,12-二十三碳二炔酸加入去离子水，超声分散，然后置于4℃环境下保存，得到未聚合的二乙炔脂质体溶液；
b.将所述未聚合的二乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液、碳酸钙混合，得到水相；
c.将液体石蜡与乳化剂混合，得到油相；
d.搅拌条件下，将所述水相加入所述油相中，然后加入冰醋酸，搅拌完成后静置，即得脂质体/海藻酸钙凝胶微球；
(2)时间温度指示剂的制备：
将所述脂质体/海藻酸钙凝胶微球经紫外照射后，与吐温20水溶液混合，即得所述基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂。
进一步地，所述10,12-二十三碳二炔酸加入去离子水后，在溶液中的浓度为2-5mM。
进一步地，所述超声分散的时间为10min，温度为70-80℃。
进一步地，所述海藻酸钠水溶液的质量分数为5％，所述未聚合的二乙炔脂质体溶液的浓度为2-5mM；所述未聚合的二乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液、碳酸钙按照15mL:15mL:140.5mg的比例进行混合。
进一步地，所述液体石蜡与乳化剂的混合比例为100mL:1.5g。
进一步地，所述水相和油相的混合比例为100mL:30mL。
进一步地，将水相加入油相中后，维持搅拌30min，然后加入冰醋酸；所述冰醋酸与碳酸钙的摩尔比为3.5:1。
进一步地，所述吐温20水溶液的质量分数为20-30％。
进一步地，所述脂质体/海藻酸钙凝胶微球与所述吐温20水溶液的添加比为0.25g:0.5g。
本发明的目的之二是提供一种根据上述制备方法制备得到的基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂。
本发明采用内源乳化法将海藻酸钠、不溶性钙盐和脂质体溶液混合均匀后作为水相分散在油相中形成乳化液，降低体系中的pH，使Ca2+在液滴内部与海藻酸钠交联形成立体网状结构并将脂质体固定在其中不能自由流动。
本发明公开了以下技术效果：
为了改善脂质体溶液的不稳定性缺陷，本发明通过内源乳化法进行聚二乙炔脂质体的固定，制备内含聚二乙炔脂质体的凝胶微球，并与表面活性剂溶液混合后组成新型时间温度指示剂。本发明可以延长脂质体的保存时间，并保持其状态与特性稳定；添加表面活性剂吐温20水溶液能使TTI 颜色变化明显，可在低温条件下由初始的蓝色变为紫色，最后变为具有警示作用的红色，从而精准地指示生鲜产品的新鲜度。
本发明凝胶微球中的脂质体不会发生团聚，较溶液保存时间更长，特性更稳定，且只需将微球保存于低温避光环境即可，制备得到的TTI可在 4℃下随时间变化发生明显从蓝变红的颜色转变，检测温度低，同时具有指示准确度高的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的脂质体/海藻酸钙凝胶微球的显微镜图；
图2为实施例1制备的脂质体/海藻酸钙凝胶微球的粒径分布图；
图3为不同温度下TTI色差值随时间的变化及拟合曲线；图3A为不同温度下1#TTI色差值随时间的变化及拟合曲线，图3B为不同温度下 2#TTI色差值随时间的变化及拟合曲线；
图4为不同温度下三文鱼的菌落总数变化情况；
图5为TTI和三文鱼的lnk与1/T的线性回归分析；
图6为TTI从初始到指示终点的变色历程。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1制备基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂
(1)脂质体/海藻酸钙凝胶微球的制备：
将10,12-二十三碳二炔酸利用氯仿除杂后加入去离子水，至浓度为 2mM，在70℃的条件下利用超声波分散10min，置于黑暗的4℃的环境下保存24h，得到未聚合的二乙炔脂质体溶液。
将15ml的未聚合脂质体溶液(浓度为2mM)与15ml的海藻酸钠水溶液(质量分数为5％)以及140.5mg的碳酸钙粉末搅拌混合均匀后作为水相；100mL的液体石蜡中加入1.5g司盘80，搅拌均匀作为油相。
在搅拌速度为475r/min的条件下，将水相逐滴加入油相中搅拌30min 后，加入295mg的冰醋酸继续搅拌30min。静置后收集下层微球，洗净放置在4℃下避光保存。
(2)时间温度指示剂的制备：
经过紫外(254nm)照射5min聚合后的0.25g脂质体/海藻酸钙凝胶微球置于24孔细胞培养板中，加入0.5g质量分数为20％的吐温20水溶液，即得时间温度指示剂，编号为1#TTI。
图1为实施例1制备的脂质体/海藻酸钙凝胶微球的显微镜图，由图1 可以看出，本发明内源乳化法制备的脂质体/海藻酸钙微球球形度较好、结构均匀，用显微镜未观察到微球之间相互粘结的现象，脂质体分布在微球其中。
图2为实施例1制备的脂质体/海藻酸钙凝胶微球的粒径分布图，图2 结果显示，微球的平均粒径为121μm，微球粒径主要分布在50～220μm 区间，同时粒径分散度为1.35，大致呈正态分布，分布较集中。
实施例2制备基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂
(1)脂质体/海藻酸钙凝胶微球的制备：
将10,12-二十三碳二炔酸利用氯仿除杂后加入去离子水，浓度为2mM，在80℃的条件下利用超声波分散10min，置于黑暗的4℃的环境下保存24h，得到未聚合的二乙炔脂质体溶液。
将15ml的未聚合脂质体溶液(浓度为2mM)与15ml的海藻酸钠水溶液(质量分数为5％)以及140.5mg的碳酸钙粉末搅拌混合均匀后作为水相；100mL的液体石蜡中加入1.5g司盘80，搅拌均匀作为油相。
在搅拌速度为475r/min的条件下，将水相逐滴加入油相中搅拌30min 后，加入295mg的冰醋酸继续搅拌30min。静置后收集下层微球洗净放置在4℃下避光保存。
(2)时间温度指示剂的制备：
经过紫外(254nm)照射5min聚合后的0.25g脂质体/海藻酸钙凝胶微球置于24孔细胞培养板中，加入0.5g质量分数为30％的吐温20水溶液，即得时间温度指示剂，编号为2#TTI。
实施例3时间温度指示剂的动力学模型：
将实施例1-2制备的TTI放置于4℃、10℃、15℃下，测量其色差值，使用色差计记录TTI的色差值，作为TTI的动力学参数进行研究。
色差值的计算公式如式(1)所示：
式中：△L*＝L*-L0*、△a*＝a*-a0*、△b*＝b*-b0*；L*、a*、b*为TTI 反应后的明度值、红绿度值、黄蓝度值；L0*、a0*、b0*为明度、红绿度、黄蓝度的初始值；ΔE为TTI的色差值。
TTI的动力学参数与时间呈显著的指数关系，如式(2)所示：
F(X)＝a-b×exp(-kt) (2)
式中：F(X)为TTI色差值；a、k及b分别是拟合函数参数，k为反应速率常数(h-1)；t为时间(h)。
选择4℃时的0.9a为其指示终点值。
将TTI的三个温度下的动力学参数ΔE作为纵轴，时间t为横轴，并根据公式(2)进行拟合，得到图3。其中，图3A为1#TTI不同温度下TTI 色差值随时间的变化及拟合曲线，图3B为不同温度下2#TTI色差值随时间的变化及拟合曲线。
TTI在不同温度下的反应速率以及拟合相关参数，见表1。1#TTI和 2#TTI的指示终点值分别为3.0和3.4。
表1
实施例4三文鱼的动力学模型：
参考标准GB4789.2—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》的方法操作，放置4℃、10℃、15℃下，测量三文鱼的菌落总数值。
由于微生物生长引起的食品质量变化遵循一级反应方程。根据国际食品微生物委员会规定，生鲜鱼类的菌落总数不得超过6logfu/g。
菌落总数测定公式如式(3)所示：
B＝B0ekt (3)
式中：t为三文鱼贮藏时间(h)；B0为三文鱼菌落总数的初始量(logfu.g- 1)；B为贮藏第t天时测定菌落总数的值(logfu.g-1)；k为三文鱼品质变化速率常数(h-1)。
对式等式两边取指数，可得式(4)：
ln B＝kt+ln B0 (4)
不同温度下三文鱼的菌落总数变化情况如图4所示，初始值3.63 logfu/g。
根据图4和式(3)、式(4)，进行线性回归拟合，得到菌落总数的回归方程，见表2。
表2
实施例5 TTI和三文鱼活化能的测定：
使用Arrhenius方程进行TTI和三文鱼的活化能计算，如式(5)所示：
k＝Aexp(-Ea/RT) (5)
式中：A为指前因子(h-1)；Ea为TTI或三文鱼的活化能(kJ/mol)； T为热力学温度(K)；R为气体常数，具体值为0.008314kJ/mol·K，k为变化速率常数(h-1)。
对式(5)两边取对数可得式(6)：
ln k＝ln A-Ea/RT (6)
根据式(2)和式(4)求出的不同温度下的反应速率代入式(6)，lnk-1/T，线性拟合便可求得TTI和三文鱼的活化能Ea。
由表1和表2的拟合数据，根据式(6)，进行TTI和三文鱼的lnk与 1/T的线性回归分析，如图5所示。
根据图5的线性拟合，得到TTI和三文鱼的拟合方程，见表3。求得 1#TTI、2#TTI和三文鱼的活化能为71.03kJ·mol-1、77.43kJ·mol-1和86.54 kJ·mol-1，两种TTI的活化能与三文鱼的活化能差均在25kJ/mol-1以内。
表3
在4℃、10℃和15℃下，1#TTI的指示终点时间分别为287.5h、109.2h 和54.0h，2#TTI的指示终点时间分别为170.4h、75.6h和33.0h，三文鱼的货架期分别为162.6h、80.2h和34.3h。故选择2#TTI应用于指示三文鱼的质量变化，TTI预测的误差分别为4.58％、57.4％和4.2％，均小于15％。4℃下，TTI从初始到指示终点的变色历程如图6所示。
实施例6 TTI与三文鱼新鲜度的变温匹配：
在实际情况中，食品所处环境的温度不会保持不变。在相同变温条件下，对TTI同三文鱼进行反应终点的匹配试验。
变温条件，食品质量函数方程见式(7)：
TTI的动力学方程见式(8)：
在相同时间内，变温所引起的质量变化与等效温度Teff引起的质量变化相同。得到式(9)和式(10)，食品和TTI的等效温度Teff可由其计算出。
Q(A)＝A食品exp(-Ea食品/RTeff)t (9)
F(X)＝ATTI exp(-EaTTI/RTeff)t (10)
变温匹配实验：
实验条件：先在4℃温度条件下经历18h，再在15℃温度条件下经历 6h，再在4℃温度条件下经历24h，然后在10℃温度条件下培养24h，最后在4℃温度条件下培养。
变温条件下三文鱼与2#TTI的变化情况显示，变温时间中，三文鱼菌落总数初始值为3.78logcfu/g，在84h升至6.15logcfu/g，到达货架期终点； TTI于90h色差值达3.41，到达指示终点。
根据式(7)计算得出三文鱼和2#TTI在不同温度下的反应速率常数，见表4。求得Q(A)＝0.40752，得到该变温过程中三文鱼的等效温度 Teff＝280.4K。求得F(A)＝1.64064，得到该变温过程中2#TTI的等效温度 Teff＝280.1K。变温条件下2#TTI与三文鱼的匹配效果见表5。
表4
表5
由表5可以看出，变温试验中，2#TTI预测三文鱼货架期终点误差为 7.14％，两者等效温度差为0.3℃，说明2#TTI可应用于监测三文鱼新鲜度，具有极高的精准度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)脂质体/海藻酸钙凝胶微球的制备：
a.将10,12-二十三碳二炔酸加入去离子水，超声分散，然后置于4℃环境下保存，得到未聚合的二乙炔脂质体溶液；
b.将所述未聚合的二乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液、碳酸钙混合，得到水相；
c.将液体石蜡与乳化剂混合，得到油相；
d.搅拌条件下，将所述水相加入所述油相中，然后加入冰醋酸，搅拌完成后静置，即得脂质体/海藻酸钙凝胶微球；
(2)时间温度指示剂的制备：
将所述脂质体/海藻酸钙凝胶微球经紫外照射后，与吐温20水溶液混合，即得所述基于聚二乙炔脂质体的时间温度指示剂；
所述海藻酸钠水溶液的质量分数为5％，所述未聚合的二乙炔脂质体溶液的浓度为2-5mM；所述未聚合的二乙炔脂质体溶液与海藻酸钠水溶液、碳酸钙按照15mL:15mL:140.5mg的比例进行混合；
将水相加入油相中后，维持搅拌30min，然后加入冰醋酸；所述冰醋酸与碳酸钙的摩尔比为3.5:1；
所述吐温20水溶液的质量分数为20-30％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述10,12-二十三碳二炔酸加入去离子水后，在溶液中的浓度为2-5mM。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为10min，温度为70-80℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液体石蜡与乳化剂的混合比例为100mL:1.5g。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水相和油相的混合比例为100mL:30mL。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脂质体/海藻酸钙凝胶微球与所述吐温20水溶液的添加比为0.25g:0.5g。
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