1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 新型氧气指示剂用于气调包装的研究 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要： 利用滑石的反射紫外线作用，在表面活性剂的作用下将亚甲蓝、抗坏血酸引入滑石的层间结构中，从而制成一种新型的氧 气指示剂并解决了亚甲蓝易于被光降解的问题，克服了其它变色型氧气指示剂需要避光保存的问题。该氧气指示剂在氧气含量小于 0.1时为红色，当氧气含量上升到 0.5时迅速变为蓝色，具有较灵敏的检测氧气的功能。并且探讨了表面活性剂在氧气指示剂中的作用。 关键词： 气调包装；氧气指示剂；抗光降解；亚甲蓝；滑石；表面活性剂 II A
2、bstract： A new intercalated oxygen indicator consisting of methylene blue， a cationic surfactant， ascorbic acid and talc was made to serve as oxygen indicator This oxygen indicator has better ability of anti-photofading and overcome the problem which keeps in the dark It exhibited red color at oxyge
3、n concentrations of less than 0.1 and rapidly turned blue color while oxygen content reached 0.5 The oxygen indicator has a good performance of indicating oxygen The function of surfactant was investigated primarily in the paper Keywords： modified atmosphere package； oxygen indicator； anti-photofadi
4、ng； methylene blue； talc； surfactant 目录 摘要 . I Abstract. II 1 绪论 . 1 1.1 气调包装的起源 . 1 1.2 气调包装的应用现状 . 1 1.3 气调包装的研究 . 2 1.3.1 CO2/N2-MAP . 2 1.3.2 O2-MAP . 2 1.3.3 CO-MAP . 2 1.4 实验研究的意义 . 6 1.5 研究方法 . 7 2 实验部分 . 8 2.1 实验原理 . 8 2.2 实验仪器和药品 . 8 2.3 溶液配制 . 8 2.4 实验内容 . 8 2.4.1 滑石与斜石对氧气指示剂的影响实验 . 8 2.4.
5、2 不同表面活性剂对氧气指示剂的影响实验 . 8 2.4.3 干燥条件对氧气指示剂的影响实验 . 9 2.4.4 pH 值对氧气指示剂的影响实验 . 9 2.4.5 滑石的作用实验 . 9 3 结果与分析 . 10 3.1 滑石与斜石对氧气指示剂的影响 . 10 3.2 不同表面活性剂对氧气指示剂的影响 . 12 3.3 干燥条件对氧气指示剂的影响 . 12 3.4 pH 值对氧气指示剂的影响 . 13 3.5 滑石的作用 . 13 4 结论 . 14 参考文献 . 15 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪论 1.1 气调包装的起源 气调包装 (Modified atmospherep
6、ackaging ，简称为 MAP)是采用不同于空气组成(N278.08； 0220.96； CO20.035 以及水蒸汽和痕量的惰性气体 )的一种或几种混合气体来替换包装容器内的空气的一种包装方法。包装时气体浓度是预定的，但在贮藏过程 中不受人为控制，气体的组成会随时间而变化，这是由于气体在包装及产品内外的扩散渗透，以及产品的化学、酶作用和微生物代谢的结果 1。 MAP的起源可追溯至 19世纪 30年代。当时将 CO2充入新鲜牛羊肉大包装袋内保鲜贮运2， 1979年，英国 Marks&Spencer公司推出了 MAP肉制品，获得成功。两年后，该公司相继推出了鱼类、火腿等 MAP产品 3。 我
7、国的气调包装起步于九十年代中期，以上海为例，如上海金山肉类食品公司、上海大场肉类加工厂等开始引进国外气调保鲜包装技术设备生产猪、家禽的冷却肉包装，深受消费者 欢迎 4。气调包装技术和产品的迅猛发展主要源于消费者对新鲜、冷藏并且少含防腐剂的方便食品的需求，家庭小型化数量增加以及可支配收入的增加等。 Farber和 PaHy对 MAP的利弊进行了总结 5,6。 优点：延长食品的货架期 (50 400 )，减少经济损失； 产品能远距离运输，运输成本得以降低； 提供高质量产品； 集中包装和控制； 改善外观； 很少或无需使用化学防腐剂。 缺点：直观的附加成本； 适当的温度控制； 建立安全食品机制。 1.
8、2 气调包装的应用现状 气调包装已成为一种广泛应用的食品保存方法，其特点 是能够有效地为食品保鲜。同时产生的副作用最小。英国在肉类及肉制品的气调包装技术领域居于领先地位。法国紧随其后。在挪威，气调包装可以将鱼类、鱼制品和贝类产品的保鲜期平均延长至原来的 1.5倍，消费者在超级市场中就可以购买到用气调方式包装的新鲜鲑鱼。美国的超级市场和食品店十分流2 行方便的半成品和可直接食用的新鲜食品、面食和色拉。这些产品现在多半都应用了气调包装。气调包装正在影响肉类、禽肉、鱼、干酪和其他新鲜、预制食品的包装，以及这些食品在全球市场的销售。 目前，中国消费者大多习惯采购没有包装或只有简单包装的鲜肉产品 。消费
9、者购买鲜肉后一般都很快食用完，或放入冰箱的冷冻贮藏室。在常温环境下，鲜肉品中细菌的生长非常快。例如：在 16 的温度条件下，鲜肉品中的细菌 1天繁殖 15倍， 21 时繁殖 700倍。 27 时繁殖 3000倍；在 4 的冷藏条件下则一天繁殖 2倍。因此，对鲜肉产品进行包装已是一个必然的发展趋势。当前，冷却肉日益成为肉类消费中的主流，并在国内外市场上占有越来越大的份额。将气调包装应用于冷却肉的保鲜，可使冷却肉的货架期大大延长，因此气调包装具有很大的市场发展潜力。 1.3 气调包装的研究 气调包装中最常用的气体是 O2、 CO2和 N2，目前还有用 CO的。这几种气体起的作用各不相同，将这几种气
10、体以不同比例配合使用可以达到不同的保鲜效果。 1.3.1 CO2/N2-MAP CO2在气调包装中的使用主要是它的抑菌作用， N2的使用是为了防止冷却肉由于受挤压而产生的变形和汁液流失，特别是当需要使肉中的肌红蛋白保持还原状态时，可采用 N2和 CO2混合包装。它可使冷却肉呈现紫红色泽、维持较低的微生物数以及较高的脂肪氧化稳定性。Gill和 Jones的研究表明，单纯使用二氧化碳包装的冷却猪肉在 2 下货架期可延长 42天，比真空包装的延长 2倍甚至更 长 7。在含有 40%CO2/60%N2的气调包装中，冷却猪肉中的微生物可以得到有效的抑制，并且感官特性也不受影响 8,9。 Spabl报道冷
11、却猪肉在含有30%CO2/70%N2的气调包装中，在 2 下贮存时与 100%CO2包装的货架期一样长 10。 1.3.2 O2-MAP 气调包装中含有一定比例的氧气主要是为了促进氧合肌红蛋白的生成，使肉具有鲜红的颜色，并抑制厌氧菌的生长。含氧气调包装的气体比例常包括两种： O2/CO2或 O2/CO2/N2。据 Barkowski指出，氧必须在 10%以上才能维持肉的鲜红， 40%以上的氧气能维持 9天良好色泽 11。氧气虽然可以维持良好的色泽，但由于氧气的存在，在低温条件下 （ 0 4） 易造成好气性假单胞菌的生长，以及不饱和脂肪酸氧化酸败，致使肌肉褐变，且加速肉中脂肪氧化而使冷却肉的货架
12、期大大缩短。 1.3.3 CO-MAP (1)CO-MAP国内外应用现状 3 CO2、 N2和 O2是肉品气调包装最常用的气体，但是它们或多或少都存在一些问题，而 CO气体，仅需很少量就能使肉具有稳定的樱桃红色，尽管别的调节气体也可以延长肉的货架期，但是由于形成的肌红蛋白经常被进一步氧化为亚铁基肌红蛋白而使 肉变色，致使其他气体的应用受到限制。若混合气体中含有少量的 CO，除了能够延长货架期、保持肉的鲜度，还能极大地延长肉的色泽稳定性，目前有关 CO气调包装的研究越来越多。 其实早在 100年前就有人揭示了 CO对肉品色泽的正面效应并取得了专利 12。过去的 10年间，挪威的肉类工业已经用 6
13、0% 70%CO2， 30% 40%N2和 0.3% 0.4%CO的混合气体对新鲜牛肉、猪肉和羔羊肉进行气调包装。这种含有 CO的混合气体可以维持肉的鲜红色，并使肉具有较长的保质期。在挪威，这种包装的零售肉的市场份额大约占 50% 60%。 El-Badawi等早在 1964年就发现， CO可与肌红蛋白结合生成一氧化碳肌红蛋白，一氧化碳肌红蛋白对光线的反射特性非常接近鲜红色的氧合肌红蛋白 13。 Lanier等 （ 1978） ， Wolfe（ 1980） 研究发现， CO与肌红蛋白血红素辅基上的呋啉环节和能力很强，形成的一氧化碳肌红蛋白很难再被氧化 14， 15。 Clark16、 Luno
14、17等研究认为 1%的 CO可使气调包装中的牛肉保持色泽鲜红； Kropf（ 1980） 、 Sorheim等 （ 1997） 报道， 0.5% 2%CO可使肉保持鲜红色 18,19。 Dailty和 Mackey（ 1992） 还曾报道， 10%左右的 CO不仅具有护色作用，而且还有抑菌作用，可以抑制冷却肉中热死环丝菌的生长繁殖 20。 表 1-1给出了对肉进行 CO气调包装的常用浓度。 2%CO和 98%空气混合可以使牛肉色泽稳定地保持 15d，而单独使用空气，其色泽只能保持 5d13。碎牛肉馅饼用 1%CO、 50%CO2、49%空气这种混合气体储存，稳定的肉色至少保持 6d，而储藏在空
15、气中的样品，其色泽稳定性只能保持 3d11。气调成分为 N2和 0.5% 10%CO的气调包装牛肉，在储藏期间对色泽进行分析 ， 结果发现 CO0.5 ，肉稳定的鲜红色至少保持 30d，而用空气包装的对照组样品储存5d后就会变色 16。另外，这种牛肉样品先在纯 CO中暴露 2 16h，然后用空气包装，将用 CO处理过的这种样品与未用 CO处理的样品相比，前者色泽的稳定性并不比后者好 22。 4 表 1-1 CO在肉品气调包装中的应用 混 合 气 体 比 例（ %） CO CO2 N2 O2 空气 2 98 1 50 49 0.5 10 90 99.5 1 20 9 70 1 21 18 30
16、1 50 25 24 2 20 78 1 5 95 99 100 0.4 60 40 0.3 0.4 60 70 30 40 尽管 CO对肉品具有很好的护色和保鲜效果，但是在商业肉的气调包装中， CO仍在有限的范围内被使用。挪威在 1985年就被批准可以使用低浓度 CO(0.5 )气体进行肉品包装。但在欧盟， CO到现在并没有被批准使用，欧盟认为包装气体相当于一种添加剂，而 CO并不在国家同意使用的包装气体之列。虽然挪威并不属于欧盟的成员国，但由于与欧洲经济领域贸易合作关系，挪威食品 规章正逐渐与欧盟趋于一致。 2003年欧盟决定不允许低浓度 CO用于肉类包装，因此，挪威在 2004年 7月
17、1日也禁止了 CO用于肉品气调包装。 2002年美国食品药品管理局 FDA允许使用 0.4 CO结合 O2在气调环境中对肉品进行预处理。目前， FDA认为 CO是一种加工助剂，但并不能用于直接零售气调包装，而且指出只要在经 CO处理的海产品的包装上严格注明经过特殊处理就认为是 GRAS(一般认为安全 )。 对于 CO-MAP冷却肉，国内学者比较深入的研究才刚刚起步，还未能商业化运行。国内学者已研制出气调包装微机控制动态配气系统， 并在水果冷藏保鲜中有应用。 马丽珍，南庆贤 (2003)等通过定期测定贮存过程中冷却猪肉的理化指标变化，并进行感官评定 (主要是色泽变化 )，确定了有效的冷却猪肉气调
18、包装混合气体比例，为冷却肉生产企业选择合适的保鲜方式以延长冷却肉在冷链销售系统中的货架期提供有效依据 23。戴瑞彤等(2004)探讨了气调包装中使用微量 CO对冷却肉色泽稳定性、货架期的影响 24，但并未对 CO气调包装肉进行安全性评价。 (2)CO的毒性作用 在血液中 CO与红细胞血蛋白的铁原子键合形成一氧化碳血红蛋向 (COHb)。血红蛋自与5 CO的亲 和性比其与 O2的亲和性高 240倍。 CO也与肌红蛋白、细胞色素和一些酶结合，但是与形成一氧化碳血红蛋白的反应相比，这些反应就显得不太重要了。 CO与肌红蛋白的键合是可逆的，对予静止的个体来说，其半衰期为 4.5h。 CO主要是干涉 O
19、2运输，它减少了运输到人体各组织的 O2，对人体健康的影响主要表现在心血管系统，神经系统和胚胎上。在血液中一氧化碳血红蛋白的集结物通常就被指定为一氧化碳血红蛋白的百分含量。它是空气中CO含量、人在空气中暴露时间以及人身体运动量的一个函数。如表 1-2所示。一氧化碳血红蛋白 (COHb)含量大约 在 2.5%时最敏感的心血管病人就会表现出心肌功能变化和胸痛。有时高一氧化碳血红蛋白 (COHb)含量会使人们工作力降低，在实践中表现的病状就是心绞痛、胸气塞。对健康的成年人来说， CO含量为导致产生小于 5 的一氧化碳血红蛋白 (COHb)时，对其身体健康没有有害影响。 表 1-2 血液中 COHb百
20、分含量随大气中 CO含量及身体运动量的变化状况 25 暴露条件 COHb% CO 浓度（ mg/m3） 暴露时间（ h） 静止 轻度活动量 重体力劳动 10 8 1.3 1.4 1.4 25 1 1.0 1.5 2.0 40 1 1.3 2.2 2.9 由于血红蛋白的分解，人体内自然会形成少量的 CO，这种 CO导致产生大约 0.5 的一氧化碳血红蛋白。不抽烟的人平均一氧化碳血红蛋白 (COHb)含量大约为 1.2 1.5 ，而抽烟者的平均一氧化碳血红蛋白 (COHb)含量大约为 3 4 ，人体内 CO的吸收和排泄相对较慢，因而短时间暴露在高水平的 CO环境中不会导致血液中一氧化碳血红蛋白 （
21、 COHb） 的急剧增加 ,表 1-3详细说明了不同 CO水平对人体健康的不同影响。 表 1-3 COHb%与人健康之间的关系 26 COHb% 人体的反应 50 失去知觉 、若不治疗将会致死 30 头痛 、恶心、眩晕、呕吐 10 对心脏和肺患者造成生命威胁 、一般人表现头痛 5 对健康者降低了氧气的最大摄入量 5 怀孕妇女暴露于 CO 可能对胎儿产生影响 2.9 心绞痛病人发作之前身体有轻微变形 2.3 降低了身体的工作能力，特别是耐力 2 可能会降低注意力 2 心脏病人有局部缺氧和胸痛的迹象 6 表 1-4表明我们应该避免环境中 CO含量超过导致产生 2 以上一氧化碳血红蛋白 (COHb)
22、水平，以保证社会特殊人群的安全，挪威环境污染专家推荐对于不同的暴露时间，最大 CO含量应不能使产生的一氧化碳血红蛋白水平超过 1.5 26。 有关 CO混合气体处理过的新鲜肉后 CO残余量的有关资料非常少。肺中吸入 57mg/m3CO产生的一氧化碳血红蛋白水平，与摄入 225g用使肌红蚤白饱和的 CO进行包装的肉所产生的一氧化碳血红蛋白水平相比，前者所持续的时间至少是后者的 14倍 26。即使假设肌红蛋白和血红蛋白的饱利度为最大，且 CO从肠胃道运输到血液为 100 。因此，相对于人们认为是工作环境安全的 CO水平来 说，肉用 CO混合气体处理后产生的一氧化碳血红蛋白 (COHb)水平是非常低
23、的。 从空气中摄入 CO的残留量与摄入 CO气调包装肉的残留量比较数据很少，但是可以作一个粗略的比较。一位成人在 24h吸入约 10 24m2空气，为防止在血液中产生的 COHb超过1.5 ，那么相对 1h轻度活动量的人来说，空气中 CO含量不应超过 24mg m3，相比之下，用含 1 CO的大气处理 3d的肉，每千克肉仅残留 0.1mgCO，表 1-4显示的是轻度活动量的人通过不同吸收途径血液中 CO理论值 27。 表 1-4 不同吸收途径轻度活动量的人血液中 CO 理论值 吸收途径 1h 内 CO 吸收量 8hCO 吸收量 肺（ 15m3/d） 24mg0.625=15.1mg 9.25=
24、46.0mg 肉（ 250g，经 CO 处理） 0.025mg 0.025mg 大气中 CO与血液中一氧化碳血红蛋白之间要达到平衡需相当长的时间。即使在最糟糕的情况下，肠胃道和血液之间的 CO达到平衡也需花一定时间，而且 CO从肠胃道吸收到血液没有肺吸收到血液有效。因为肺是由许多专门使腺泡与血液之间进行气体交换的组织组成的，因此很可能每天摄入一块由 CO处理的肉也不会导致血液中一氧化碳血红蛋 白水平产生可测定的增长。 1.4 实验研究的意义 氧气是引起食品和医学检验试剂变质的主要因素之一，它的存在加速了氧化酶催化反应，使微生物容易滋生。当前食品和医学检验试剂包装中采用气调包装的越来越多，它既可以降低包装中氧气的量，延长保质期，又避免了真空包装对产品外观形态的影响。为了便于检查和显示气调包装中除氧的状况，在包装袋中使用氧气指示剂是一个方便而又实用的方法。 现有的氧气指示剂可以分为两类，一类是荧光检测型氧气指示剂；一类是比色检测型氧
