用于采后储存期间青椒新鲜度变化连续指示和早期预警的比色试纸

《Food Packaging and Shelf Life》：Colorimetric papers for continuous indicating and early warning of green bell peppers freshness change during postharvest storage

　　

摘要
实时监测蔬菜采后新鲜度变化不仅对消费者和卖家具有重要意义，也是智能包装领域的一个突出研究重点。然而，蔬菜腐败缺乏明显的高浓度挥发性标记物，这给有效检测带来了挑战。在本研究中，通过在滤纸基底上采用层层（LbL）组装技术，将负载蓝莓花青素（Anth）或甲基红（MR）/溴百里酚蓝（BB）混合指示剂的壳聚糖（CS）/羧甲基纤维素（CMC）共聚物组装，制备了两类 pH/湿度双敏感显色纸，分别标记为 (CS/CMC-Anth)n 和 (CS/CMC-MR/BB)n (n = 1–3)。紧凑的双层结构增强了显色纸的结构完整性、拉伸强度和热机械性能，使其在不同的湿度和 pH 条件下表现出稳定的显色反应。以青椒作为模型进行评价发现，所有样品均具有新鲜度指示功能。综合考虑显色性能和机械性能，(CS/CMC-MR/BB)2 被确定为最佳配方。它成功监测了二氧化碳和水分水平的变化，相关质量指标的变化与颜色变化之间观察到了良好的相关性。此外，显色反应发生在青椒可见变质迹象之前，从而展示了其预警质量损失的能力。总体而言，这种非接触式显色纸能够实现青椒储存期间新鲜度的早期预警和实时监测，显示了其在蔬菜新鲜度指示领域的优势及广泛的应用前景。

引言
蔬菜作为维生素、矿物质和膳食纤维的重要来源，在消费者饮食中占据着不可或缺的地位。其质量和市场价值高度依赖于新鲜度，新鲜度不仅是评估采后质量的核心指标，也是决定消费者选择和购买意向的关键因素。然而，在储存和分销过程中，这些易腐品容易遭受质量恶化，导致新鲜度下降。新鲜度作为一种动态衰减的属性，在供应链的各个阶段以及储存期间难以直观感知，导致消费者感知与实际产品状况之间存在信息不对称。因此，开发有效的新鲜度指示技术具有重要意义，实时且可视化的新鲜度监测势在必行 (Feng et al., 2023)。一方面，消费者通常更偏好新鲜度较高的产品。在零售点，该技术可以为消费者提供透明、实时的质量信息，支持明智的购买决策。在家庭储存阶段，它也可以有效地提供新鲜度预警信息，帮助消费者评估蔬菜当前的新鲜度状况，并就何时食用做出明智的决定，从而在一定程度上减少潜在的食品安全风险。另一方面，零售经理也可以利用该技术获取蔬菜新鲜度的实时信息，从而为储存管理和销售策略优化提供科学依据。例如，对即将变质的产品可以及时进行加速销售、促销折扣或下架处理。

目前，蔬菜的新鲜度通常通过外观、硬度和气味等指标进行评估。然而，这些方法存在若干局限性：外观性状的评价通常具有高度主观性，难以实现精确辨别。硬度等生理指标的检测通常依赖于破坏性采样，这限制了对同一样品进行连续和动态监测的可能性。气味分析通常使用气相色谱和电子鼻等技术进行 (Yang et al., 2023)；然而，整体流程相对繁琐，且高度依赖专用仪器，因此难以满足实际应用要求。基于复杂传感器的替代指示技术也已被探索。例如，导电水凝胶可以感知施加在水果上的机械应力，将其转换为电信号，并传输到云端以实时监测机械力 (Yang et al., 2025)。尽管此类方法表现出高灵敏度，但成本高昂，且不利于消费者或分销从业者的实时观察。在大多数情况下，它们仅适合监管机构和相关企业对特定产品进行抽检，因此难以应用于低附加值的蔬菜产品 (Bhadury et al., 2024)。迄今为止，尚未开发出适用于实际分销场景的稳定且低成本的指示解决方案。

最近，利用智能指示材料监测食品新鲜度已成为一个重要的研究领域。新鲜度指示包装可以增强蔬菜储存和运输期间的信息透明度。它通过响应产品腐败过程中在包装内产生的特定物质发挥作用，这通常表现为可见的颜色变化以显示新鲜度水平 (Shao et al., 2021)。这项技术能够连续评估包装内的关键参数，包括 pH 值、温度、湿度、微生物代谢物和化学成分，并将这些测量值转化为易于解释的显色或数字信号。这为消费者提供了有价值的信息，从而改善了他们的体验。然而，现有文献表明，相关研究和应用主要集中在肉类和水产品的保鲜上，这些产品在腐败过程中会释放出丰富且易于检测的挥发性含氮化合物 (Liu et al., 2022, Narayanan et al., 2023, Zhang et al., 2019)。相比之下，针对蔬菜的专门研究仍然相对有限。这种差异产生的原因是蔬菜的质量恶化过程释放的特征挥发性化合物通常不明显，浓度低且组成复杂，这使得常规显色材料难以有效识别。

对于新鲜蔬菜，储存期间的呼吸代谢会持续释放二氧化碳、挥发性有机酸和水分。这导致包装内的相对湿度（RH）增加，pH 值降低，并伴随新鲜度变化 (Rong et al., 2024)。因此，监测 pH 值可以作为一种可靠的分析指标，为评估新鲜度状况提供关键信息 (Wen et al., 2021)。然而，大多数现有的用于蔬菜新鲜度指示的 pH 响应材料需要与整颗或鲜切蔬菜的表面直接接触，从而可能影响其后续食用。相比之下，响应内部气体环境变化的非接触式指示策略更适合于要求指示材料避免与蔬菜直接接触的实际分销场景。此外，本研究开发的指示材料针对的是蔬菜覆膜托盘包装的应用场景。包装内形成的空间为指示材料提供了稳定的气体来源，使其能够基于环境中二氧化碳浓度和水分的变化进行监测。

为了满足新鲜度指示的需求，有几种常用的指示剂可供选择，主要分为天然色素和化学合成染料。由于固有的无毒、安全和环保属性，天然色素正引起越来越多的关注 (Ghareaghajlou et al., 2021)。目前流行的天然色素包括花青素（Anth）、甜菜碱和姜黄素 (Deotale et al., 2025)。花青素是一类广泛存在于各种水果、蔬菜和花卉中的水溶性有色化合物，具有多样的生物活性 (Wu et al., 2024b)。根据 Bao et al. (2026) 和 Ma et al. (2026) 的研究，基于花青素的指示剂通过 pH 诱导的分子结构变化驱动的颜色响应机制实现新鲜度监测，其显色性能可以通过多尺度调节策略得到增强，包括分子稳定化、基质协同效应优化以及主动 - 智能功能集成。然而，其有限的稳定性限制了其在食品应用中的发展。相比之下，化学指示剂具有响应迅速、颜色变化明显和稳定性好等优点。其中，甲基红（MR）和溴百里酚蓝（BB）被广泛应用 (Dai et al., 2026)。值得注意的是，通过混合这两种染料制备的指示剂显示出比单独使用任何一种化合物更宽的 pH 检测范围 (Chen et al., 2018, Li et al., 2026)。

需要注意的是，上述指示剂通常不适合直接应用于食品包装系统。自由状态的指示剂在储存过程中容易发生迁移、泄漏或分布不均，这可能会损害显色反应的稳定性和可靠性。此外，如果某些化学指示剂与食品直接接触，可能会带来潜在的安全风险。因此，在实际应用中，指示剂通常需要被固定并支撑在合适的载体材料上，其中固定载体和基底材料通常被使用。

具有良好迁移阻隔性能的固定载体通常用于实现指示分子的有效锚定和负载。羧甲基纤维素钠（CMC）是一种阴离子多糖，由于其无毒、可生物降解、良好的成膜性和湿度敏感性，已成为智能包装膜的优选基底，得到了广泛应用 (Yildirim-Yalcin et al., 2022)。它经常与天然色素、抗菌剂或纳米材料复合，赋予其包括视觉新鲜度指示和主动保鲜在内的多种功能 (Liu et al., 2021)。然而，基于 CMC 的智能膜的实际应用往往受到固有缺点的阻碍。纯 CMC 通常表现出较低的机械强度，这一缺陷显著缩短了成膜品的使用寿命，使其容易在外部应力或高湿度下发生结构失效。因此，需要通过与其他聚合物复合进行改性以增强其机械性能 (Dong et al., 2021)。壳聚糖（CS）是一种源自甲壳类动物外壳的阳离子多糖。由于其良好的生物相容性、成膜能力和抗菌性能，它被认为是材料复合改性的理想候选者。理论上，带负电的 CMC 与带正电的 CS 之间的静电相互作用产生的分子间力比氢键更强，这有利于增强指示剂的固定。

合适的基底材料对于固定指示剂也至关重要。目前，石油基塑料包装材料在全球食品包装领域占据主导地位。废弃的包装膜产生的微塑料会破坏生态环境，导致严重的“白色污染”，并对人类健康构成重大威胁。相比之下，使用纸张作为支撑基底具有多种优势，包括成本低、来源广泛、环保、可生物降解和良好的生物相容性。此外，其固有的亲水性和丰富的羟基官能团为组装过程提供了理想条件 (Sohany et al., 2021, Yong and Liu, 2020)。这种显色纸结合了制备简单、视觉响应和成本可控的优势，为开发基于可生物降解生物聚合物的高效实用蔬菜新鲜度指示包装提供了一种有吸引力的技术方案。

此外，在制备指示材料过程中，指示剂的稳定固定及其显色响应的可靠性是影响标签实际性能的关键因素。然而，混合或直接浸渍等常规方法往往导致指示剂分布不均、容易染料泄漏或与基底相互作用弱。为了解决这些问题，本研究采用了层层（LbL）自组装技术。该技术涉及将负载指示剂分子的带相反电荷的 CS 和 CMC 交替沉积在基底表面上，从而构建 CS/CMC-指示剂复合层。该方法实现了指示剂分子的均匀且牢固的负载，减少了染料迁移，并增强了材料的整体机械性能。

本研究使用环保纤维素滤纸作为基底。通过 LbL 策略将 CMC-Anth 复合物和 CMC-MR/BB 混合物组装在滤纸表面，制备了两类显色纸。系统研究了具有不同组装双层数的显色纸的基本理化性质，包括热稳定性、机械强度和透水蒸气性，以及其在不同 pH 和湿度条件下的显色响应性能。所得材料表现出多种良好特性，包括高拉伸强度、良好韧性和优异的显色性能。此外，以青椒作为模型产品，我们评估了纸张在 25 °C 储存过程中由二氧化碳浓度和水分引起的微环境变化的显色响应。结果表明，所开发的显色纸能够在不与蔬菜表面直接接触的情况下，实现对内部包装微环境变化的实时视觉监测，从而展示了其在非接触式新鲜度指示和蔬菜质量恶化早期预警方面的巨大潜力。

部分片段 材料
羧甲基纤维素钠（CMC；粘度：300–800 mPa?s）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。甘油（99.0%）、壳聚糖（CS；粘度：200–400 mPa?s）、乙醇、乙酸、甲基红（MR）、溴百里酚蓝（BB）和花青素（阳离子形式，提取自蓝莓，浓度：5–25 wt%）购自上海麦克林生化科技股份有限公司。

滤纸（厚度：0.18 mm，定量：80 g m?2，孔径：15–20 μm）由……供应。SEM图中显示了原始滤纸（CK）、蒽指示显色纸（CS/CMC-Anth）n 和混合指示剂显色纸（CS/CMC-MR/BB）n（n = 1–3）的微观形貌，如图1所示。图1b-1g、1i-1n展示了两种显色纸随着组装层数增加微结构和形貌的变化。图1a和1h分别展示了CK的横截面和纵截面视图。滤纸呈现出纤维状形貌且具有多孔结构。结论综上所述，本研究通过在滤纸表面逐层涂覆指示剂溶液，制备了两种具有良好结构稳定性的pH/湿度双敏保鲜指示显色纸。与原始滤纸相比，带正电的壳聚糖与带负电的车厢甲基纤维素之间的静电相互作用有效增强了滤纸的结构稳定性，从而提高了其机械强度。CRediT作者贡献声明Wenjing Shi：撰写——原稿，方法学，调查，形式分析，数据整理，概念化。Xiaohong Guo：可视化，调查，数据整理。Xiangju Feng：调查，数据整理。Feifei Wang：调查，数据整理。Xiangzheng Yang：监督，资源。Fengjun Guo：方法学，形式分析。Qilei Li：资源，数据整理。Shiguang Zou：资源，调查。Di Wu：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。声明本人特此证明：1. 我已获得共同作者的授权参与这些安排。2. 我谨代表全体共同作者及本人声明：a. 本工作为作者开展的原创研究。b. 所有作者均同意稿件内容及向该期刊投稿。c. 所有署名作者均对本研究有所贡献并同意列入作者名单。d. 除非已充分说明，否则本研究的任何部分均未被其他形式发表。基金本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2001303）的资助。利益冲突声明作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/个人关系：鉴于Di WU作为编委的身份，未参与本文的同行评审，也无权接触其同行评审信息。本文的编辑流程全权委托给另一位期刊编辑负责。若有其他作者，他们声明无已知竞争性财务利益或……Wenjing Shi | Xiaohong Guo | Xiangju Feng | Feifei Wang | Xiangzheng Yang | Fengjun Guo | Qilei Li | Shiguang Zou | Di Wu | Kunsong Chen浙江大学农业与生物技术学院/浙江省园艺作物品质改良重点实验室/农业农村部园艺作物生物学与品质改良重点实验室（生长发育），杭州，310058，中国