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《Food Bioscience》：A Rigidity–Flexibility Synergistic Host–Guest Encapsulation Strategy for Robust Cellulose-Based Smart Labels Enabling Real-Time Visual Monitoring of Meat Freshness

　　

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  刚柔协同增效，提升生物薄膜的响应速度与力学性能。
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  主-客体包埋确保姜黄素的分散性与稳定性。
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  指示膜实现2秒响应，ΔE=31，抗拉强度达20 MPa。
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  βC₃T₃C膜达到26%溶解度、112°接触角和97.4% DPPH清除率。
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  通过颜色变化在8小时内发出猪肉早期变质警报。

引言

食品安全始终是当今全球公共卫生关注的核心问题（Liang等人，2026年）。肉类产品，尤其是猪肉，是人类饮食中重要的蛋白质来源（Khan等人，2026年）。然而，猪肉在屠宰、加工、运输和储存过程中极易变质（Oladzadabbasabadi等人，2022年）。微生物生长和酶促反应是导致肉类腐败的主要原因（Tan等人，2026年），会产生氨、胺类、硫化物和有机酸等多种代谢产物（Cheng等人，2025年）。这些化合物会降低肉的感官质量和营养价值，并可能对消费者健康构成潜在风险（Xu，2026年）。因此，开发有效的肉类新鲜度监测方法具有重要意义（Istif等人，2023年）。传统的肉类新鲜度评估方法主要依赖实验室仪器分析（Zheng等人，2025年），如菌落总数测定和高性能液相色谱（HPLC）分析（Perdana等人，2023年）。尽管这些方法准确可靠，但通常需要复杂的样品制备和昂贵的设备（Wang & Xu，2025年）。此外，这些方法往往对肉的物理结构具有破坏性、耗时长，且无法在完整包装内对产品品质进行实时原位监测（Boonmahitthisud等人，2025年）。因此，迫切需要一种简单、快速、直观、环保且低成本的新鲜度监测方法（Luo等人，2025年）。

智能包装技术已成为应对上述挑战的有前景的策略（Qian等人，2025年）。在众多方法中，比色新鲜度指示剂因其能够提供直观视觉信息而备受关注（Bhowmik等人，2024年）。这些指示剂通常含有对特定腐败代谢产物敏感的化学试剂（Wang等人，2025年；Wang等人，2025年）。随着目标分析物浓度的变化，指示剂会产生肉眼可见的明显颜色变化，使消费者或零售商能够一目了然地判断产品的新鲜度（Rashid等人，2024年；Akhila等人，2024年）。

姜黄素（Cur）是从姜黄根茎中提取的天然色素，是该植物的主要生物活性成分（Yao等人，2026年）。其分子结构中含有酚羟基和乙烯基，使在碱性条件下能够实现从黄色到红褐色的颜色转变（Guo等人，2024年；Guo等人，2024年）。在肉类腐败过程中，蛋白质降解会产生碱性胺类化合物，如氨，导致周围环境pH值升高。这一机制使姜黄素成为评估肉类新鲜度的前景广阔的指示剂（Lv等人，2025年）。此外，其高安全性、环保性以及广泛的来源使其成为此类应用的极具吸引力的候选物质（Yang等人，2025年；Yang等人，2025年；Yang等人，2025年）。然而，姜黄素的水溶性极差，阻碍了其在以水为成膜溶剂的体系中均匀分散。此外，它对光、热和氧气稳定性低，容易发生降解。β-环糊精（β-CD）是由七个葡萄糖单元通过α-1,4糖苷键连接而成的环状低聚糖。其分子结构呈截锥形，具有疏水内腔和亲水外表面（Liu等人，2026年）。这种独特的架构使β-CD能够将姜黄素等疏水分子包埋在其空腔中，形成主-客体复合物。尽管这一包埋策略在新鲜度监测领域仍处于探索阶段，但它能显著提高姜黄素在水体系中的溶解度和分散稳定性（Decool等人，2024年）。此外，β-CD空腔提供了保护环境，可屏蔽姜黄素免受光线、氧气和其他不稳定因素的影响，从而提高其化学稳定性（Naresh等人，2025年）。

除指示剂外，智能包装通常还需要载体材料。在智能包装膜的基体材料方面，可降解纤维素已成为关键研究焦点（Nadon等人，2025年）。羧甲基纤维素（CMC）作为纤维素的重要醚类衍生物，具有良好的水溶性、成膜性、柔韧性、可降解性和透明性（Quilez-Molina等人，2024年）。然而，其力学强度、耐水性和阻隔性能仍有待提升。纳米纤维素，如2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基氧化纤维素纳米纤维（TOCNF），是通过氧化和机械处理从天然纤维素中衍生的纳米材料（Min等人，2024年）。TOCNF具有高纵横比、优异的力学强度、良好的生物相容性和可降解性（Ghaffarkhah等人，2025年）。将TOCNF与CMC结合形成的复合材料可以整合两种组分的优势，形成三维网络结构，有利于代谢产物的传递并缩短响应时间。作为纳米增强相，TOCNF提高了复合膜的力学强度和阻隔性能（Guo等人，2024年；Guo等人，2024年）。此外，它还为氨等代谢产物提供了额外的吸附位点，从而拓宽了复合膜的颜色响应范围。综合以上特性，使CMC/TOCNF基复合膜成为开发高性能生物基包装材料理想的平台。

我们假设，将β-CD包埋的姜黄素引入CMC/TOCNF复合基底中，可以获得宽色域、快速响应的智能监测膜。具体来说，将刚性TOCNF支架整合到柔性CMC基体中，构建复合膜基底，赋予所得材料优异的力学性能并促进指示剂分子的快速传输。同时，主分子β-CD对客体分子姜黄素的包埋将显著提高姜黄素在复合基底中的分散性。

在此，我们提出了一种刚柔协同的主-客体包埋策略，制备了pH响应型智能指示膜，用于肉类产品新鲜度的实时监测。所制备的由CMC、TOCNF、β-CD和姜黄素组成的指示膜展现出快速的颜色响应动力学和宽广的pH感应范围，同时兼具优异的力学强度、气体阻隔性能、抗氧化活性和适中的水蒸气透过率。当作为包装标签贴附于新鲜猪肉上时，该膜能将原本难以察觉的气体变质标志物（如NH₃）转化为直观的、肉眼可辨的颜色变化，彰显了其在智能包装领域的重要潜力。本研究为开发下一代天然、环保、安全、高效、可生物降解的肉类新鲜度视觉监测系统提供了新的见解和实验支持。

章节摘要

材料

羧甲基纤维素钠（CMC，CAS号9004-32-4，钠（ICP）含量：8.1–9.2%，粘度：1000–1400 mPa·s，M_w：约250,000 g/mol，取代度：0.80–0.95）、β-环糊精（由七个α-1,4-糖苷键连接的D-葡萄糖基单元组成，分子式C₄₂H₇₀O₃₅，M_W：1134.98 g/mol，纯度≥98%，CAS号7585-39-9）、姜黄素（Cur，纯度≥98%，CAS号458–37-7，M_w：368.38 g/mol）均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司（上海，中国）。TOCNF（由软木生产，羧基

新鲜度监测膜的设计理念与结构分析

为了实现肉类产品（如猪肉）新鲜度的实时视觉监测，智能指示膜通常需要具备在食物变质早期及时发出预警信号的能力（Sanches等人，2021年）。这些对响应速度和准确性的特定要求对纤维素基指示膜构成了重大挑战。为了实现可靠的pH响应监测，指示膜必须具有快速的响应速度和宽广的颜色变化范围。在以下驱动的

结论

总之，我们通过刚柔协同的主-客体包埋策略制备了一种pH响应型智能指示膜，用于肉类新鲜度的实时视觉监测。将刚性TOCNF引入柔性CMC基体中，形成了连续的三维网络结构，增强了力学强度并促进了碱性挥发性物质和指示剂分子的快速传输。同时，利用β-CD包埋姜黄素，解决了其溶解性差和团聚问题，确保了均匀的

作者贡献声明

杜健（Jian Du）：监督指导，调查。胡金文（Jinwen Hu）：监督指导，调查。王海松（Haisong Wang）：监督指导，项目管理，调查，获取资金。吕燕娜（Yanna Lv）：监督指导，调查。陶一涵（Yehan Tao）：监督指导，调查。卢杰（Jie Lu）：监督指导，调查。付成龙（Chenglong Fu）：监督指导，调查。姚宇娇（Yujiao Yao）：论文撰写与编辑，论文初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理。徐志杭（Zhihang Xu）：软件，数据

未引用参考文献

Shao等人，2025年。

利益冲突

无利益冲突需要声明。

数据可用性声明

支持本文的数据已作为补充信息（SI）的一部分包含在内。补充信息可供查阅。请参见DOI：

竞争利益声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号：22678065；22678062，22508030；W2412117）、辽宁省自然科学基金（批准号：2025-MS-151，批准号LJ222410152030）和辽宁省振兴人才计划（XLYC2503072）的支持。

姚宇娇|徐志杭|梅佳怡|赵月莹|吕燕娜|陶一涵|卢杰|付成龙|杜健|胡金文|王海松