基于槐豆胶/未漂白小麦粉基质负载蝶豆花（Clitoria ternatea L.）花青素的pH指示膜的开发及其在智能包装中的应用研究

本研究针对食品智能包装与环保材料的需求，开发了一种基于槐豆胶（LBG）和未漂白小麦粉（UWF）复合基质、负载蝶豆花（BPF）花青素的pH指示膜。研究通过优化LBG/UWF配比（70:30），显著提升了膜的机械性能、阻水性和结构稳定性，并证实其对pH变化（1.0–13.0）具有灵敏的颜色响应。该膜可有效监测银鲳鱼新鲜度，颜色由蓝变绿指示腐败，为开发可降解智能包装提供了新策略。

　　

随着消费者对食品安全和品质关注度的提升，智能包装技术近年来受到广泛重视。这类包装不仅能保护食品，还能通过实时监测食品状态提供新鲜度信息，从而减少食物浪费并保障消费者健康。在各类智能包装技术中，pH指示膜因其成本低、使用简便且能直观反映食品腐败过程中产生的碱性挥发物而备受关注。然而，开发高性能的pH指示膜仍面临诸多挑战，尤其是需要兼顾膜的生物可降解性、机械强度、阻水性以及颜色响应的灵敏度和稳定性。

目前，大多数商业包装仍依赖石油基塑料，这些材料难以降解，对环境造成持久污染。因此，开发基于天然聚合物的可降解包装材料成为研究热点。槐豆胶（Locust Bean Gum, LBG）作为一种植物来源的多糖，具有良好的成膜性和生物降解性，但其单一膜存在吸水性高、机械性能差的问题。未漂白小麦粉（Unbleached Wheat Flour, UWF）则因其淀粉和蛋白质（麸质）含量高，能提供致密的结构，但单独成膜时易吸湿且机械性能不足。将两者复合，有望互补优势，获得性能更优的薄膜基质。此外，天然色素如花青素（Anthocyanin）因其pH响应特性被广泛用于指示剂，蝶豆花（Butterfly Pea Flower, BPF）提取的花青素（主要成分为ternatin和delphinidin）颜色鲜艳且稳定性好，是理想的pH指示材料。

为应对这些挑战，来自马来西亚Putra大学的研究团队在《Next Materials》发表论文，开发了一种基于LBG和UWF复合基质、并负载BPF花青素的智能pH指示膜。他们通过系统研究不同配比薄膜的物理化学特性、微观结构及颜色响应行为，筛选出最优配方，并成功将其应用于监测鱼类新鲜度，为开发高效、环保的智能食品包装提供了重要依据。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先通过超声辅助乙醇提取法从冻干蝶豆花瓣中获取花青素；接着采用流延成膜法制备了五种不同LBG/UWF比例（100:0, 0:100, 50:50, 70:30, 30:70）的复合膜，并添加甘油作为增塑剂；进而对薄膜的厚度、含水量、溶胀性、水溶性、水蒸气透过率（WVP）、机械性能（拉伸强度TS和断裂伸长率EB）进行了系统测定；利用扫描电镜（SEM）观察膜表面及截面形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构；最后通过将薄膜暴露于不同pH溶液（1.0–13.0）和实际包装银鲳鱼样本（于4°C贮藏6天），评估其颜色响应及新鲜度指示效果。

3.1. 薄膜的物理性质

研究人员通过测定不同配比薄膜的物理特性发现，纯LBG膜（L1）虽较薄（0.16 mm）、含水量低（3.79%），但溶胀性（94.28%）和水溶性（80.03%）极高，机械性能表现为高拉伸强度（0.83 MPa）但断裂伸长率较低（37.13%）；纯UWF膜（U1）则较厚（0.39 mm）、含水量高（9.58%），溶胀性（22.55%）和水溶性（20.79%）低，机械性能差（TS仅0.01 MPa）但延展性好（EB 67.43%）。而LBG/UWF比例为70:30的复合膜（L2）在多项指标上表现出最佳平衡：厚度适中（0.31 mm）、含水量最低（3.22%）、溶胀性（56.06%）和水溶性（40.02%）显著降低，同时保持了较高的拉伸强度（0.80 MPa）和良好的断裂伸长率（53.75%）。水蒸气透过率（WVP）在各组间无显著差异，但L2膜数值较高（3.87 × 10^?6 g·s^?1·m^?1·Pa^?1），说明其结构有序性较好。颜色分析显示，所有含花青素的膜均呈蓝色，且颜色参数无显著差异，表明花青素在基质中分散均匀。

3.2. 薄膜的结构表征

FTIR光谱显示，所有薄膜在3281–3331 cm^?1和2923–2934 cm^?1处均有特征吸收峰，分别对应O-H/N-H伸缩振动和C-H伸缩振动，表明多糖和花青素之间存在氢键相互作用。L1和L2膜在811 cm^?1处出现甘露糖残基特征峰，证实了LBG的存在。SEM观察发现，L1和L2膜表面光滑、结构致密，而UWF为主的膜表面粗糙，有淀粉颗粒聚集。L2膜的截面结构尤为紧凑、无孔隙，说明LBG和UWF之间通过氢键产生了良好的相容性，形成了均匀的聚合物网络。

3.3. L2指示膜的应用评估

BPF花青素提取物在pH 1.0–13.0范围内表现出明显的颜色变化：pH 1–2为红色，3为紫色，4–6为蓝色，7–8为深蓝色，9–10为蓝绿色，11–12为绿色，13为黄色。L2膜的颜色响应与提取物一致，证实花青素在复合膜中保持了pH敏感性。在贮藏稳定性测试中，L2膜在25°C和4°C下贮藏9天颜色变化较小（ΔE分别为4.99和7.95），而在-18°C下变化较大（ΔE=9.75），说明低温冷冻可能引起聚合物基质应力，影响花青素稳定性。透明度随贮藏时间略有下降。在实际应用测试中，L2膜被置于银鲳鱼包装顶盖，避免与食品直接接触。在4°C贮藏过程中，鱼样pH从初始7.10上升至第6天的8.16，同时膜颜色由蓝色变为蓝绿色（第4天）再变为绿色（第6天），ΔE值从11.94增至22.38。这种颜色变化归因于鱼类腐败过程中产生的挥发性碱性氮化合物（如三甲胺TMA）积累，导致环境pH升高，促使花青素由醌式碱结构向查尔酮结构转变。

本研究成功开发了一种基于LBG/UWF复合基质的智能pH指示膜，其中70% LBG与30% UWF配比（L2）的综合性能最优。该膜不仅具备良好的机械强度、阻水性和致密结构，还能对pH变化产生灵敏、可见的颜色响应，从蓝色（酸性/中性）到绿色（碱性）。将其应用于银鲳鱼保鲜监测时，能通过颜色变化直观指示产品从新鲜到腐败的状态转变，证明了其作为智能包装材料的有效性。该研究为设计环保、可生物降解的食品新鲜度指示系统提供了新思路，有望减少食物浪费并提升食品安全监控水平。未来研究可进一步探索该类薄膜在不同食品体系中的适用性及大规模生产的可行性。