基于功能化MOFs气敏材料...冷鲜猪肉新鲜度的可行性研究_李静仪.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，基于功能化 气敏材料结合荧光光谱技术检测冷鲜猪肉新鲜度的可行性研究李静仪，杨欣，张宁，杨信廷，王增利，刘欢，中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 北京市食品风味化学重点实验室，北京工商大学，北京 北京市农林科学院信息技术研究中心，北京 农产品质量安全追溯技术及应用国家工程实验室，北京 摘要金属有机骨架材料（）是一类高比表面积、结构多样性、可修饰性较强的无机配位多孔骨架材料，在挥发性有机化合物的吸附、传感等领域有巨大应用前景。新鲜度的评价对于肉类工业发展具有重要意义，肉类在品质劣变时会产生挥发性物质，是指示其新鲜度变化的灵敏的信息。据此，研究制备了一种基于荧光传感的冷鲜猪肉新鲜度指示 复合膜，并且依据膜对劣变挥发性化合物的响应信息、对应猪肉样品的新鲜度指标（值）建立 定量分析模型，证实其有望成为冷鲜肉品质劣变监测的新技术。主要结论如下：以六水硝酸锌对苯二甲酸的比例，并向其中添加浓度为 的罗丹明，制备得到 ，并对其进行表征。根据 吸附冷鲜猪肉劣变气味前后的红外光谱变化，推测其中可能有胺类物质。之后以 （）的比例按照混合基质法制得 复合薄膜。并通过贮藏期实验验证了 复合膜的贮藏稳定性，证明其能在避光环境中维持至少 的荧光稳定性。此外，利用 复合膜结合荧光传感技术对冷鲜猪肉整个劣变期间的挥发性化合物进行吸附、响应，观察其荧光性质的变化。同时采用三维荧光技术观察到吸附后 相关峰和罗丹明相关峰强度减弱，分析是由胺类物质引起的罗丹明电子云改变，从而产生荧光猝灭。采集激发波长 处的表面荧光光谱可同时得到两个发射波长分别为 和 的特征峰与 值的响应信息，使用偏最小二乘算法（）建立新鲜度指标（）预测模型，建模结果为 ，为 ，和 分别为 和 （），具有良好的预测精度。表明功能化 复合膜可用于冷鲜猪肉的新鲜度预测。关键词冷鲜猪肉；金属有机骨架材料；挥发性化合物；荧光光谱；新鲜度检测中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），青年北京学者计划项目（畜禽水产品品质劣变气体在线探测技术研究），北京工商大学北京市食品风味化学重点实验室开放课题基金项目资助作者简介：李静仪，女，年生，中国农业大学食品科学与营养工程学院硕士研究生 ：通讯作者 ：；引言随着人民生活水平提高，肉类在日常饮食中所占比重逐渐增加。其中冷鲜肉由于其肉质柔软、营养丰富、汁液流失少的特点深受广大消费者喜爱，市场份额不断增长，逐渐成为生肉消费的主流。新鲜度是评价冷鲜肉品质的重要指标之一。肉类在生产、贮藏、运输过程中，其品质不可避免地在微生物和酶的作用下逐渐降低，表面渐渐发干或发黏、变色、发霉，产生不良气味等。气味是表征肉新鲜程度的高灵敏指标。肉类在腐败过程中，蛋白质、脂肪和碳水化合物会发生 分 解，产 生 胺 类、硫 化 氢 等 一 系 列 挥 发 性 化 合物。赵冰等使用气质联用（）对冷鲜猪肉中的挥发性物质进行研究，鉴定出种能够表征猪肉腐败的特征挥发性物质，主要是一些阈值较低的醛类化合物。等利用顶空固相微萃取气质联用（）对猪肉糜中的挥发性成分进行测定，共得到 种挥发性化合物，其中有三种醇类化合物（乙醇、，丁二醇和乙基己醇）被认为是表征猪肉腐败的特征性成分。因此，通过检测与肉的新鲜度相关的挥发性成分，有助于判断肉的新鲜程度。金属有机骨架材料（，）是由金属中心和刚性配体形成的一类无机配位高分子多孔材料，具有优良的吸附性和可修饰性，通过对 进行功能化修饰，可增强其对气体分子的特异性识别。向多孔 引入一些 客 体 分 子 或 单 位 如 染 料 分 子、发 色 团，可 增 强 的荧光性能，使其作为发光平台参与多种物质的检测。此外，内部的可持续性孔洞有利于目标客体分子的预浓缩和与分析物接触，使化学传感更加灵敏。目前已有研究将荧光检测的思路引入 材料，实现在农残、环境中挥发性有机化合物的检测。等利用具有 拓扑结构的稀土金属（）基金属有机框架（）薄膜结合荧光传感技术检测室温下的硫化氢气体。等还开发了一款基于荧光检测的 （）纳米传感器，可用于食品基质中的总铁检测。肉类在劣变过程中也会产生一定量的挥发性化合物，因此，利用功能化 气敏材料对冷鲜肉品质劣变产生的气味物质的变化进行响应传感具有可行性。传统的新鲜度检测方法有感官评价、理化指标检测以及微生物检测等，但这些方法普遍存在耗时长、前处理繁琐等问题。本研究采用的荧光检测法具有专一性较强、响应迅速、可调控性强等特点，且 特有的多孔结构对肉类劣变过程中产生的挥发性化合物具有一定的吸附作用，因此，基于功能化 复合材料的气敏传感器有望成为冷鲜肉品质劣变实时监测的新技术。为增强 材料的实用性和机械强度，利用混合基质法将其制备成膜，并使用 复合膜对冷鲜猪肉整个劣变期间产生的挥发性化合物进行吸附、响应，通过分析 复合膜吸附前后的荧光性质变化，并结合化学计量学对冷鲜肉新鲜度指标（值）进行定量分析，建立一种新型的冷鲜肉新鲜度的快速无损检测方法。实验部分 仪器测试仪器：荧光分光光度计（日本 公司），扫描电子显微镜（美国 公司），傅里叶变换红外光谱仪（美国 公司），射线衍射仪（日本理学公司）等。材料实验采用冷鲜猪肉背最长肌（盒马鲜生日日鲜系列，产品到店第一时间进行采购）。准确称取 形状规整的鲜肉置于 的生鲜托盘中，将 复合膜制成统一的标签并编号，固定于托盘包装内鲜肉正上方的同一位置。将 准 备 的 样 品 置 于 低 温 培 养 箱 中 冷 藏备用。图固定有 复合膜的冷鲜猪肉 方法 膜的制备将浓度为 的罗丹明 加入含有 （）和 的 的 中，超声 均匀分散。转移至聚四氟乙烯内衬的反应釜中 合成。反应结束后，缓慢冷却至室温，离心分离，用反复洗涤产物，直至上清液无荧光，离心后将产物于 下真空干燥，得到的 粉末置于 干 燥 器 中 避 光 保 存 备 用。之 后 将 粉 末 与 粉末按的比例混合后加入，超声分散 后，使用 磁 力 搅 拌 电 热 套 搅 拌 过 夜，使 粉 末、充分混合，最终形成浅粉色均匀粘稠液体。铺平使液面平整后，再放入已预热至 的烘箱中蒸发约 。自然冷却，裁切成 、厚度为 的薄膜备用，将薄膜置于干燥器内避光保存。表征方法分别采用了射线粉末衍射、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、荧光光谱等对合成的 进行表征。射线粉末衍射实验采用日本理学 的射线衍射仪，电压 ，（），扫描范围为 ，石 墨 单 色 器，电 流 ，扫 描 速 度 。扫描电子显微镜实验采用 扫描电子显微镜，加速电压 。红外光谱实验采用 傅里叶红外光谱仪，溴 化 钾 压 片，波 长 选 择 在 范围。荧光光谱实验采用日立 荧光分光光度计，模式，激发波长 ，发射波长 ，狭缝为 ，电压 ，扫描速度 。每次采集均在 环境中进行。贮藏稳定性实验准备若干 中制得的 膜置于 避光环境中，采集第天、第 天、第 天、第 天的荧光光谱数据，记第天的荧光强度为，第天与第天的比值为，对比第 天、第 天、第 天膜的荧光比值变化，进行显著性分析，判断膜在避光环境下的贮藏稳定性。新鲜度指标（）的标准测定光谱学与光谱分析第 卷 值为国标明确规定的冷鲜肉新鲜度检测指标，其自身就是一类氨、胺类等碱性含氮物质的集合，具有挥发性，同时根据挥发性化合物的变化可判别以 值为依据的猪肉新鲜度。因此，选用 值作为真值。在第，和 天参照 食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定 中凯氏定氮仪法 对冷鲜猪肉样品的挥发性盐基氮（）值进行测定，每次测定取份肉样。荧光光谱测定使用日立 荧光分光光度计，采集均在 环境中进行。三维荧光光谱采集：激发波长 ，发射波长 ；激发光谱采集：固定激发波长 ，发射波长 。定量分析模型建立对包装内的 复合膜进行三维荧光、激发光谱采集。将获得的 个样品的数据矩阵按约为的比例随机分成 个校正集和个预测集，并建立偏最小二乘（）模型。偏最小二乘法（，）是将多元线性回归、典型相关分析和主成分分析结合起来的一种监督方法，在处理小样本、多变量及变量间严重多重相关等问题方面具有独特的优势，能够同时兼顾样本光谱矩阵和 真实矩阵，加强对应计算关系，使两者的主成分能够关联起来。数据处理使用 分析数据，使用 作图，使用 建立 模型。结果与讨论 的合成与表征为获得具有荧光性质的 材料，选用 、罗丹明进行 制 备。是 一 种 典 型 材 料，其 是 由 与 以八面体形式连接而成的刚性骨架结构，比表面积及孔容率均比常用的固体载体沸石、分子筛、二 氧 化 硅 等 高，是 一 种 非 常 有 潜 力 的 框 架 化 合物。为了增强 材料对劣变气味物质的吸附响应，向其中引入罗丹明。罗丹明（，），是一种常见的人工合成染料，与其他常用的荧光素相比，具有光稳定性好、较宽的波长范围和较高的荧光量子产率等优点。为了验证 复合材料的成功制备，首先对其进行了 形貌分析。图（）显示，呈方形晶体，与 表现出相似的结构特征，表明罗丹明的掺入并没有改变 的形态。之后又对 进行了 表征。结果如图（）所示，发现加入罗丹明后，所得的 与 的衍射峰位置、强度并没有明显的降低，说明 仍然维持了 的结构，表明掺入荧光素的材料制备成功。此外，与 的 峰具有较高的相似性，体现罗丹明分子被包裹在孔洞中而不是物理吸附在 的表面。图 的表征 从 的红外光谱分析结果图（）中可以看出，、的红外光谱相似度很高，表明罗丹明的引入不会影响 与锌（）离子的配位。和 处羧酸的对称伸缩振动和不对称伸缩振动，在第期李静仪等：基于功能化 气敏材料结合荧光光谱技术检测冷鲜猪肉新鲜度的可行性研究包封罗丹明后没有发生蓝移或红移，说明复合材料中的罗丹明没有发生蓝移或红移。包封性能与芳香族化合物的苯环与 有机配体之间的疏水性、静电吸引、氢键以及相互作用有关。总的来看，罗丹明 的掺入对 的原有结构并未造成影响。纯荧光染料往往由于聚集引起荧光猝灭，而 的多孔结构可作“固体溶剂”，起到分散染料分子、避免聚集诱导猝灭效应、增强发光的作用。由图可知，具有一定的荧光性，在 波长激发光下发射蓝色荧光。同时 的荧光强度显著高于纯 和 材料。这证实了 能使 的荧光性能增强。图环境光及 光照下的不同 的荧光强度（）：环境光下 ，与 混合物，；（）：波长光照下 ，与 混合物，（）：，；（）：，冷鲜猪肉劣变前后 的红外光谱变化采集吸附冷鲜猪肉劣变气味前后的 的红外光谱信息，如图所示。和 处仍有对苯二甲酸的对称伸缩振动和不对称伸缩振动峰。处 峰强度有所降低，表明 的结构受到了一定影响。吸附后的 在 处有游离、分子间氢键峰，有水峰存在未见双峰，表明其对水有一定的吸收；此外，在 出现伸缩振动，在 和 确定为芳香族伯胺弯曲振动，在 处有的伸缩振动，这表明 能够吸附劣变猪肉产生的挥发性胺类气味物质。图劣变前后 的 图 膜的贮藏稳定性 固有的脆弱性限制了其应用，为扩宽其应用范围，可将 粉末与聚偏氟乙烯（）混合制备成 薄膜。复合膜在用于检测之前往往经过一定时间的保存，同时，的冷鲜肉保存环境对膜的荧光性质影响也关系着 复合膜的响应性能。取三个位置的荧光值作为参考，贮藏 天 复合膜的三组荧光比值分别为（），（），（），均不存在显著性差异（）。图避光条件下 复合膜荧光强度比值随贮藏时间变化 这表明 避光环境不会对 复合膜自身的荧光性质产生影响，同时，制备得到的 复合膜能够在此条件下稳定贮藏至少，表现出良好的贮藏稳定性，这为后续实验进行冷鲜肉劣变气味响应提供基础，同时也更满足实际应用中的需求。冷鲜猪肉品质劣变前后 膜的三维荧光光谱变化分析冷鲜猪肉劣变产生的挥发性有机化合物会对 的荧光产生影响。具体表现为，处 的相关峰荧光强度大幅下降，且罗丹明相关峰 和 荧光强度也显著减小。同时注意到，激发波长 处可以同时观察到 相关峰、罗丹明峰的变化信息。因此，为了后续利用荧光光谱变化建立新鲜度评价模型，选择采集激发波长 的荧光光谱进行分析。光谱学与光谱分析第 卷该荧光光谱如图（）所示，可观察到两个发射波长分别为 和 的特征峰。且在冷鲜猪肉品质劣变后，这两个特征峰的荧光强度均有下降。图劣变前后 复合膜的