本發明專利屬于食品包裝材料領域，具體涉及一種智能顯色抗菌抗氧化保鮮薄膜制備方法。
背景技術：
食品由于發生腐敗變質，導致食品營養價值降低，從而縮短了食品貨架期。近年來，活性包裝技術的運用越來越廣泛，將抗菌劑、抗氧化劑直接加入或涂布于塑料薄膜上，形成具有抗菌、抗氧化功能的功能型包裝薄膜，利用在食品貯藏過程中從薄膜內向食品中釋放活性物質，起到抑制微生物生長繁殖、防止食品氧化腐敗、延長食品貨架期的作用。但是，當用保鮮膜包裝食品時，并不能直觀的看出食品是否已發生腐敗，從而達不到及時處理食品的效果。因此，開發一種當食品開始發生變質時，能夠顯色的保鮮膜，具有重要的市場應用價值。
紫甘薯花青素（pspc）是從紫甘薯的塊根和莖葉中浸提出來的一種天然花青素，屬于花色苷類物質。pspc色澤鮮艷自然、無毒、無特殊氣味，具有抗突變、抗氧化、緩解肝功能障礙、抗高血糖等營養、藥理和保健功能，是一種理想的天然食用色素資源。并且，pspc還具有特殊的酸堿指示性能，可以隨著環境的酸堿改變顏色，遇酸性則偏紅，遇堿性則偏藍。
納米二氧化鈦（tio2）由于其穩定性高、自清潔、自消毒、光催化劑、抗微生物性能而被廣泛研究應用于藥品、化妝品、食品和包裝工業等領域。并且，由于其本身的光催化活性，tio2在可見光或紫外線照射后具有更大的帶隙能，并在tio2顆粒的表面上產生電子-空穴對，那些電子-空穴對可以誘導氧化還原反應殺死或者抑制細菌的生長。
聚乙烯醇（pva）是一種用途相當廣泛的水溶性高分子聚合物，具有獨特的強力粘接性、平滑性、氣體阻隔性、耐磨性以及經過處理后具有耐水性的功能，且使用之后能被自然界中的微生物完全降解，因此通常用做為包裝材料的基質，被廣泛應用于食品包裝領域。雖然也有研究通過以花青素為顯色材料制備的薄膜，但是以聚乙烯醇為基材，同時結合納米tio2和紫甘薯花青素，制備出同時具有智能顯色、抗菌、抗氧化性能的薄膜尚未見報道。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種智能顯色抗菌抗氧化保鮮薄膜制備方法，具體的技術方案在于：先制備聚乙烯醇母液，再加入納米二氧化鈦制備成pva-納米tio2混合溶液，充分攪拌后通過溶液流延在玻璃平板上，烘箱干燥成膜，測其力學性能和抑菌性能，篩選出最優納米tio2加入比例，然后單獨制備紫甘薯花青素溶液，并將其加入到最優pva-納米tio2混合比例的溶液中，充分攪拌后通過溶液流延在玻璃平板上，烘箱干燥成膜，其具體步驟包含：
(1)聚乙烯醇母液的制備：
準確稱取22gpva放于燒杯中,加入200ml去離子水，121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液。
(2)pva-tio2混合溶液的制備：
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，水浴磁力攪拌2h，以避免納米粒子的聚合；將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液。
(3)納米tio2／聚乙烯醇薄膜的制備以及最優納米tio2的添加比例的確定：
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
(4)紫甘薯花青素溶液的制備：
用5~10ml，ph=3的鹽酸分別溶解不同質量的紫甘薯花青素，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，獲得紫甘薯花青素溶液，將溶液放于錐形瓶并用鋁箔紙包裹以避免光照。
(5)紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的制備：
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
所用材料聚乙烯醇聚合度為1799；納米tio2為30nm。
步驟(2)中納米tio2添加量為pva用量的0.5%~3%。
步驟(2)中納米tio2添加量為pva用量的1%。
步驟(4)中紫甘薯花青素添加量為pva用量的10%~30%。
步驟(4)中紫甘薯花青素添加量為pva用量的26%。
本發明的有益效果與已有的技術相比，本發明所采用的制膜工藝易于控制、所制備的聚乙烯醇母液流動性、粘度合適。
本發明采用的制備和保存紫甘薯花青素溶液的方法對其抗氧化性能、顯色效果的影響可忽略。
本發明采用的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，能夠很好地促進聚乙烯醇與活性物質的充分混合。
本發明相對于其他糖類和蛋白質類薄膜具有良好的力學性能，其抗菌性能和抗氧化性能的結合能夠更好地延長食品的貨架期，并且該薄膜能在不同ph環境下表現出不同的顏色變化，能夠直觀地知道被包裝食品是否已開始發生酸敗，具體表現為從ph=2的深紅色，隨著酸性的減弱，顏色逐漸變淺，當至ph=7時變為淡紫紅色，隨著堿性的增強，顏色逐漸變深，直至ph=11的深藍色，該薄膜結合了顯色、抗菌、抗氧化的性能，在食品包裝方面具有廣泛的用途。
具體實施方式
為使本發明實現的操作流程與創作特征易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。
本發明所用材料聚乙烯醇購于上海精析化工有限公司，聚合度為1799；納米二氧化鈦購于上海邁特化工有限公司，30nm；紫甘薯花青素購于河北潤步生物科技有限公司。制備步驟如下：
(1)聚乙烯醇母液的制備：
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
(2)pva-tio2混合溶液的制備：
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的0.5%~3%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液；
(3)納米tio2／聚乙烯醇薄膜的制備：
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
(4)紫甘薯花青素溶液的制備：
用5~10mlph=3的鹽酸分別溶解不同質量的紫甘薯花青素，其添加量為pva用量的14%~26%，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，獲得紫甘薯花青素溶液，將溶液放于錐形瓶并用鋁箔紙包裹以避免光照。
(5)紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的制備：
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
本發明測定指標及其測定方法如下：
1.拉伸性能測定
測試時薄膜被裁成長約35mm，寬為5mm的試樣，測定方法根據gb1040-79《塑料拉伸實驗方法》，采用lrx-plus型電子材料試驗機，設置測試速度為1mm/s，由式（1）計算抗拉伸強度。
式中，ts為抗拉強度/mpa、p為最大拉力/n、b為薄膜樣品的寬度/mm、d為薄膜樣品的厚度/mm。
2.顯色反應
將薄膜樣品裁切成1cm×1cm的正方形，然后將其浸沒在ph范圍為2.0～7.0的鹽酸溶液和ph范圍為8.0～11.0的氫氧化鈉溶液中，浸沒5分鐘，觀察薄膜的顯色情況。
3.抗氧化性能測定
在避光條件下，將3mgdpph加入到100ml無水甲醇中，配制成75μmol/l的dpph-甲醇溶液，放入冰箱冷藏(4℃)備用。
將薄膜樣品裁剪成3cm×3cm大小，放入盛有100ml蒸餾水的燒杯中，置于恒溫磁力攪拌器上，溫度控制在25℃，轉速控制在150r/min，取樣1ml溶液加入到4ml的dpph-甲醇（75umol/l）溶液中混均勻，避光靜置50min，使自由基清除反應充分反應，用紫外分光光度計測定516nm處的吸光度值。dpph自由基清除率(%)公式如式（2）下：
dpph自由基清除率(%)=
其中：a樣品為樣品溶液的吸光度；a空白為空白的吸光度。
4.抗菌性能測定
lb培養基的制備：蛋白胨1g，酵母提取物0.5g，氯化鈉1g，蒸餾水95ml，搖動容器直至溶質溶解，用5mol/lnaoh調ph至7.4，用蒸餾水定容至100ml，125℃滅菌25min。
馬鈴薯固體培養基的制備：馬鈴薯20g，去皮，切成塊加入到100ml蒸餾水中，煮沸30min（注意控制火力的控制，可適當補水），用紗布過濾，濾液中加入蔗糖2g，瓊脂2g，ph自然（約為6.0），用蒸餾水定容至100ml，裝入三角瓶，125℃滅菌25min。
大腸桿菌的富集培養：在無菌室中將菌種接到lb培養基中，設置全溫振蕩培養箱參數為38℃，100r/min，搖瓶培養16h。
抑菌圈實驗：將培養的大腸桿菌用接種環接種在滅菌的馬鈴薯固體培養基表面，且在其表面涂布均勻。打孔器將樣品薄膜打成若干個直徑為1cm的小圓片然后將小薄膜圓片鋪在平板上，使其緊密附著在培養斤上，蓋上蓋子，放入38℃恒溫恒濕培養箱中12～20h，觀察有無抑菌圈并記錄。
實施例1:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的0.5%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液；
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
測定納米tio2／聚乙烯醇薄膜的拉伸強度和抗菌性能，薄膜的拉伸強度見表1、抗菌性能見表2。
實施例2:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的1%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液；
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
測定納米tio2／聚乙烯醇薄膜的拉伸強度和抗菌性能，薄膜的拉伸強度見表1、抗菌性能見表2。
實施例3:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的2%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液；
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
測定納米tio2／聚乙烯醇薄膜的拉伸強度和抗菌性能，薄膜的拉伸強度見表1、抗菌性能見表2。
實施例4:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的3%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2混合溶液；
將制備得到pva-納米tio2混合溶液，溶液流延于30cm
測定納米tio2／聚乙烯醇薄膜的拉伸強度和抗菌性能，薄膜的拉伸強度見表1、抗菌性能見表2。
實施例5:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的1%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2的混合溶液；
用5.5mlph=3的鹽酸溶解紫甘薯花青素，其添加量為pva用量的14%，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，之后用鋁箔紙包裹以避免光照；
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
測定紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的顯色反應和抗氧化性性能。薄膜的顯色反應見表3、抗氧化性能見表4。
實施例6:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的1%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2的混合溶液；
用6.5mlph=3的鹽酸溶解紫甘薯花青素，其添加量為pva用量的18%，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，之后用鋁箔紙包裹以避免光照；
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
測定紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的顯色反應和抗氧化性性能。薄膜的顯色反應見表3、抗氧化性能見表4。
實施例7:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的1%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2的混合溶液；
用7.5mlph=3的鹽酸溶解紫甘薯花青素，其添加量為pva用量的22%，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，之后用鋁箔紙包裹以避免光照；
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
測定紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的顯色反應和抗氧化性性能。薄膜的顯色反應見表3、抗氧化性能見表4。
實施例8:
準確稱取22gpva于燒杯中,加入200ml去離子水，于121℃反壓高溫蒸煮鍋中高壓處理40min，待蒸煮鍋中溫度下降至90℃后，將燒杯取出后置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時使用移液槍加入1ml甘油作為增塑劑，最終得到pva母液；
將pva母液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向pva母液中加入一定比例的納米tio2，其添加量為pva用量的1%，水浴磁力攪拌2h以避免納米粒子的聚合。將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到pva-納米tio2的混合溶液；
用8.5mlph=3的鹽酸溶解紫甘薯花青素，其添加量為pva用量的26%，在室溫下磁力攪拌4h，調整轉速為30rpm，之后用鋁箔紙包裹以避免光照；
將pva-納米tio2混合溶液置于40℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，調整轉速為50rpm，在水浴磁力攪拌的同時向其中加入制備好的紫甘薯花青素溶液，水浴磁力攪拌20分鐘后將共混溶液超聲處理10分鐘以除去溶液中的氣泡，最終制備得到花青素／納米tio2／pva母液，溶液流延于30cm
測定紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜的顯色反應和抗氧化性性能。薄膜的顯色反應見表3、抗氧化性能見表4。
由表1可以看出，該納米tio2／聚乙烯醇薄膜的拉伸強度范圍為28.7~35.1mpa，相對于其他糖類、蛋白質類薄膜具有良好的力學性能，且當納米tio2添加量為聚乙烯醇添加量的1%時，其力學性能最佳。由表2可以看出，通過抑菌圈實驗，發現都出現的抑菌圈，說明該薄膜具有抗菌性能。
結合表1、表2可以篩選出，納米tio2添加量為聚乙烯醇添加量的1%時為最優添加量。
由表3可以看出，該紫甘薯花青素／納米tio2／聚乙烯醇薄膜能在不同ph環境下發生不同的顯色反應，具體表現為ph=2時顯深紅色，隨著酸性的減弱，顏色逐漸變淺，ph=3時顯淺紅色，ph為4~6時顯淺粉色，當至ph=7時變為淡紫紅色，隨著堿性的增強，顏色逐漸變深，ph為8~10時顯藍色，直至ph=11時顯深藍色。
由表4可以看出，隨著紫甘薯花青素的添加量增加，dpph自由基清除率逐漸增強，其中含有26%紫甘薯花青素的pva-納米tio2薄膜的抗氧化能力最強，含有14%紫甘薯花青素的pva-納米tio2薄膜的抗氧化能力最弱，從dpph自由基清除能力評價試驗可以看出，紫甘薯花青素從薄膜中逐漸釋放出來，從而起到清除dpph自由基的作用，具有抗氧化能力。
結合表1、表2、表3、表4可以得出以下結論，以納米tio2添加量為聚乙烯醇添加量的1%，紫甘薯花青素添加量為聚乙烯醇添加量的26%制備的薄膜，其力學性能和抗氧化性能最佳，且具有良好的顯色反映和抗菌性能。
本發明所述的一種智能顯色抗菌抗氧化保鮮薄膜，該薄膜相對于普通薄膜具有良好的力學性能，并且該薄膜同時結合了顯色、抗菌、抗氧化的性能，不僅極大地延長了食品的貨架期，還能夠智能地監測食品的酸敗情況，在食品包裝方面具有廣泛的用途。
表1:不同納米tio2添加量的pva薄膜的拉伸性能
表2:不同納米tio2添加量的pva薄膜的抗菌性能
表3:不同紫甘薯花青素添加量的pva-納米tio2薄膜的顯色性能
表4:不同紫甘薯花青素添加量的pva-納米tio2薄膜的抗氧化性能