《International Journal of Biological Macromolecules》：Smart thermoplastic starch films with dual functionality: Quality preservation of tomatoes and spoilage detection in chicken
Nisa Nur K?l?? | Leyla Nesrin Kahyaoglu
食品工程系，中东技术大学，安卡拉，06100，土耳其
摘要
智能食品包装通过结合主动防护和实时腐败监测来减少食物浪费。在本研究中，使用Aronia melanocarpa提取物（AE）作为双功能活性剂和比色剂，以及纤维素纳米晶体（CNCs）作为增强填料，开发了热塑性淀粉（TPS）薄膜。物理化学表征表明，含有0.1 wt% CNC的薄膜（AE/CNC10/TPS）在阻隔性、结构和机械性能方面达到了最佳平衡。该薄膜表现出较强的抗氧化活性（约95% ABTS，约88% DPPH），对E. coli具有选择性的抗菌效果，并且在最初的8小时内通过Fickian扩散控制花青素的释放，释放速率受食物模拟物极性的显著影响。当应用于樱桃番茄时，AE/CNC10/TPS薄膜有效减少了重量损失，保持了坚实度，并在23°C下储存20天后延迟了成分变化。作为智能指示剂，这些薄膜显示出与鸡肉腐败相关的可重复的氨触发颜色变化。分析校准显示检测限为13.3 mg N/100 g，低于家禽腐败的阈值；定量限为44.2 mg N/100 g，在超过阈值水平时具有更好的重复性。这些结果证实，AE/CNC/TPS薄膜是一种完全基于生物的、多功能包装材料，既能保持食品质量，又能提供可靠的早期腐败检测。
引言
食物损失和浪费（FLW）问题已成为一个重大关切，由于世界人口的增长而受到广泛关注。报告显示，全球每年有超过30%的食物供应被损失或浪费[1]。FLW显著影响全球可持续性、环境健康、人类福祉和自然资源的保护[2]。大多数FLW是可以预防的，粮农组织估计，即使恢复目前损失的一半也能养活整个人口[3]。因此，联合国计划到2030年在消费者和零售层面将全球FLW减少一半，这与可持续发展目标一致[4]。在这方面，开发一种能够减少FLW的系统将非常有利且方便。
智能包装是一类广泛的包装，包括基于生物的活性包装和智能包装应用，并利用各种技术来实现特定目标。活性包装旨在通过减少或防止包装内劣化因素的影响来延长食品产品的保质期。另一方面，智能包装可以实时响应包装内食品的状态，并向消费者传达有关食品安全性和可食用性的信息。这两种方法在智能包装中可能有助于最小化FLW。
多年来，天然植物衍生物，特别是花青素，在智能包装应用中受到了广泛关注。这种兴趣源于它们的多功能特性，包括抗氧化、抗菌和变色特性[5。Aronia melanocarpa（黑果越橘）富含多种生物活性化合物，尤其是多酚，因此是抗氧化能力最强的水果之一[6]。此外，Aronia melanocarpa提取物（AE）中的花青素含量高于其他浆果[7]。综合考虑所有因素，AE在智能包装应用中表现出作为活性剂和比色剂的巨大潜力。然而，直到现在，AE的双重功能尚未在食品包装应用中同时得到证明和测试。
由于成本低廉、可再生、可持续生产以及与标准加工技术的兼容性，淀粉是生物基材料中的重要多糖。为了提高淀粉的加工性能，将其与增塑剂（甘油、尿素、山梨醇）结合，开发出了一种称为TPS的柔性热塑性物质[8]。由于其亲水性、较差的阻隔性和机械性能，TPS仍需在物理化学性能上进一步改进，以与聚烯烃等传统包装材料竞争[9]。为了解决TPS的固有局限性，已经设计了多种技术将有机填料（特别是纤维素衍生物）有效地整合到聚合物基质中[[10]，[11]，[12]，[13]]。淀粉和纤维素之间的结构相似性有助于形成氢键，从而增强这些生物聚合物的相容性[14]。此外，将纤维素作为增强剂加入可以生产出完全可生物降解的复合材料，仅由天然生物聚合物组成，从而促进材料设计中的环境可持续性。
在不同的纤维素基填料中，纤维素纳米晶体（CNC）具有较高的表面积与体积比以及表面羟基，这有助于其高反应性和增强效果[15]。本研究探讨了CNC对掺有AE的TPS薄膜的物理化学和智能性能的影响。首先对AE进行了光学和表面表征，以及对CNC的形态、表面和结构表征。接下来，研究了CNC添加对薄膜的机械、阻隔、表面、结构和形态特性的影响。此外，还测试了薄膜的活性特性及其对番茄包装的影响，以确认其功能特性。同时分析了薄膜的比色特性，并用鸡肉进行了验证，以验证其智能属性。总体而言，开发出了一种双功能的智能生物聚合物薄膜，并首次成功证明了其在新鲜农产品和肉类包装中的有效性。本研究的新颖之处在于薄膜的设计和应用：虽然之前的工作分别研究了富含花青素的提取物或基于淀粉的基质，但我们的工作首次开发了掺有Aronia melanocarpa提取物并增强有CNCs的热塑性淀粉薄膜，并在实际食品模型（如樱桃番茄和鸡肉）上展示了其双重功能：质量保存和实时腐败检测。
材料
土耳其安卡拉的一家本地零售商提供了樱桃番茄和新鲜宰杀的生鸡胸肉样本。玉米淀粉基TPS由Sunar NP（W-Natural? TP，阿达纳，土耳其）提供。Aronia melanocarpa浆果从当地市场新鲜采购并在使用前立即冷冻至-20°C。硼酸、甲基红、溴甲酚绿、DPPH（2,2-二苯基-1-吡啶肼）、ABTS（2,2'-联(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)）和Folin & Ciocalteu酚
AE的光学和表面分析
根据不同pH值（图1a）的视觉颜色变化（图1a）和吸收光谱（图1b）确定了AE的光学性质。在pH值低于4的酸性条件下，吸收峰位于510 nm附近，导致溶液呈现亮红色，这是由于存在黄素阳离子。从pH 4到7，颜色从红色变为粉色，同时510 nm处的吸收峰降低。这些变化可以通过逐渐结论
本研究介绍了基于TPS的智能包装薄膜的开发和全面表征，其中包含了AE和CNCs。FFS的流变分析显示了剪切变稀行为，该行为可以很好地用Power Law和Cross模型描述，CNC的添加增加了零剪切粘度。AE同时起到了活性剂和比色剂的作用，而CNCs则增强了薄膜的物理化学性能。CNC的加入促进了
CRediT作者贡献声明
Nisa Nur K?l??：方法学、研究。Leyla Nesrin Kahyaoglu：撰写——原始草稿、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了METU BAP科学研究项目协调办公室（编号：HDESP-314-2022-11204）的财政支持。
