用于活性智能包装的含 ε-聚赖氨酸及紫薯花青素/姜黄素指示剂的静电纺丝纳米膜

《Food and Bioproducts Processing》：Electrospun nanofilm containing ε-Polylysine and purple sweet potato anthocyanin/curcumin indicators for active intelligent packaging

　　摘要通过有效的监测和维护来确保肉类新鲜度对于提供安全的食品供应至关重要。本研究通过静电纺丝技术开发了一种含有天然pH指示剂和抗菌剂（ε-聚赖氨酸，ε-PL）的智能乙基纤维素/明胶（EG）纳米纤维膜，其中以紫薯花青素（PSPA）和姜黄素（CR）作为比色指示剂组合使用，以提高传感性能。扫描电子显微镜和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析揭示了该膜具有均匀的孔状形貌和较高的比表面积。CR的加入使膜的表观水接触角从73.52°提高到82.36°。具体而言，PSPA与CR质量比为200:1的EG/ε-PL/PC-II膜从黄色（pH 2）明显变化至琥珀色（pH 13），DPPH自由基清除率为88.21%，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径超过1.56 cm。此外，EG/ε-PL/PC-II纳米纤维膜对氨气的响应速率（27.54 ΔE/min）约为浇铸膜（0.93 ΔE/min）的29.6倍，这归因于纳米纤维膜的孔隙网络和较高的比表面积。在实际肉类包装应用中，EG/ε-PL/PC-II膜将货架期延长了4天，同时通过颜色变化实现实时的新鲜度视觉监测。这些发现表明，所开发的EG/ε-PL/PC-II膜在食品保鲜的智能包装中具有巨大的潜力。引言在运输和储存过程中，冷藏肉因其高蛋白（10%~20%）和高脂肪（10%~30%）含量而极易腐败，因为腐败微生物的繁殖或蛋白质等含氮化合物的分解会产生具有难闻气味的气态胺类物质，从而降低肉类的营养和感官品质（Duan等，2022；Hidayat等，2019）。为了应对日益增长的担忧，活性与智能包装已成为一种有前景的策略，因为它不仅能通过消费者可读取的信号（如颜色变化）提供包装食品的鲜花度或变质状态，还能防止食品腐败，从而延长食品的货架期（Peydayesh等，2025）。由此，消费者无需打开包装即可快速判断肉类质量，减少食品浪费问题和食源性疾病负担。此外，为满足可持续发展和"碳中和"目标，基于可生物降解和可再生生物聚合物嵌入功能性成分的绿色功能性食品包装材料非常具有吸引力。比色pH指示剂是一种广泛使用的智能包装类型，因其便捷和快速的特点而受欢迎（Koop等，2024）。由于合成pH染料可能带来健康隐患，植物来源的天然色素（如花青素和姜黄素（CR））作为pH敏感显色指示剂近来因高安全性和环境友好的优势而受到青睐。通常，花青素的颜色取决于pH水平，在酸性条件（pH < 5）下呈红色黄酮鎓阳离子，在pH 6–7时转变为紫色醌式碱，在pH 7–8之间进一步转变为蓝色阴离子醌式碱，最终在高pH条件下形成黄色查尔酮（Zheng等，2022），这使得花青素适合监测肉类腐败过程中挥发碱性化合物积累所引起的碱性变化。CR表现出互补的pH响应特性，在碱性条件下有明显的颜色变化并具有优异的抗氧化活性；然而，单组分CR指示膜存在颜色辨别范围窄和稳定性差的缺陷（Li等，2026）。迄今为止，研究主要集中在将CR与花青素混合作为复合pH指示剂以提高稳定性和指示性能（Kaewprachu等，2024；Wu等，2023；Zhou等，2023）。例如，以往基于浇铸的复合膜负载紫薯花青素（PSPA）/CR混合物已实现猪肉新鲜度检测（Hu等，2025）。然而，上述大多数智能膜是通过溶液凝胶和浇铸技术将pH指示剂掺入聚合物基质制备的。所得致密结构不利于敏感响应，且制备工艺可能影响指示剂的生物活性（Wu等，2025）。因此，一种简便方法生产高精确度食品新鲜度指示膜至关重要。最近通过静电纺丝生产的纳米纤维膜在作为智能指示剂方面显示出显著潜力。这些膜的比表面积增大和孔隙率提高使其对环境酸碱度的敏感性优于传统固体膜（Lin等，2026）。此外，操作简便、易于加工和低成本等显著优势有利于实际应用。例如，在以往研究中制备的共负载花青素和CR的静电纺普鲁兰多糖/壳聚糖纳米纤维作为视觉新鲜度传感器，成功实现了对食品腐败挥发物的实时颜色响应，并展现出源自双重天然色素的有利抗氧化能力（Duan等，2021）。然而，以往的花青素-CR静电纺丝系统主要关注新鲜度指示和抗氧化活性，而其主动抑制腐败微生物的能力受到相对较少的关注。因此，将食品兼容性抗菌成分整合到比色纳米纤维系统中可能实现新鲜度监测和抗菌能力的同时兼备。在活性食品包装中，抗菌剂被掺入以抑制腐败和致病微生物，而交联或网络稳定化策略通常被采用以提高基于生物聚合物的膜的结构完整性和耐水性。然而，某些合成抗菌剂、化学交联剂和无机纳米颗粒可能引起迁移、潜在毒性、环境持久性或食品接触安全方面的担忧，从而促使开发天然来源和食品兼容的替代品。天然阳离子抗菌肽（AMPs）被认为是优越的生态友好替代品，因为它们通过静电吸引破坏细菌外膜，而不是靶向特定的细菌代谢位点（Xin等，2026）。其中，ε-聚赖氨酸（ε-PL）因其广谱抗菌活性和通过与富含明胶的聚合物网络形成氢键和静电相互作用的能力而特别吸引人，从而可能有助于网络稳定化（Wang等，2026）。然而，在静电纺丝纳米纤维系统中兼容整合复合比色指示剂和食品级抗菌剂的研究仍不充分。因此，本研究以可生物降解的乙基纤维素（EC）和明胶（G）作为膜基质，通过静电纺丝掺入PSPA和CR的pH指示剂以及ε-PL抗菌剂，开发了一种新型多功能比色膜。研究了混合指示剂对pH变化的比色响应，重点考察了膜的润湿性、对氨气的敏感性、抗菌效果和抗氧化能力。在猪肉包装中的实际验证表明，该膜兼具实时监测新鲜度和延长货架期的双重功能，表明其在活性智能包装应用中的巨大潜力。第2节：材料紫薯粉从泰氏黑食品有限公司（北京，中国）采购。ε-PL（CAS号：28211-04-3，货号：P875277）是一种商品粉末，含50%的ε-PL，以麦芽糊精为载体，典型分子量范围为3200–5800 Da，购自阿拉丁（上海，中国）。磷酸氢二钠、EC、CR、明胶、柠檬酸、2,2-二苯基-1-苦基肼基（DPPH）和氨气由麦克林（上海，中国）提供。琼脂粉及...3.1. 复合指示剂的pH敏感性通过考察混合PSPA和CR染料在不同pH环境下的颜色变化，评估了其作为pH复合指示剂的可行性。PSPA的紫外-可见吸收光谱如图S1a所示。在pH 2-3时，PSPA呈粉红色，在pH 4至7之间逐渐转变为紫色，在pH 8至10时转变为蓝色，最后在pH 11时转变为青色。这些颜色变化伴随着最大吸收波长从530 nm到610 nm的移动，原因...4. 结论本研究成功构建了EC/G基智能包装纳米纤维膜，负载复合pH指示剂（PSPA和CR）和抗菌剂（ε-PL），用于监测新鲜度和延长货架期。SEM观察揭示了均匀的孔隙纤维形貌，而BET分析确认了纳米纤维膜的孔隙特性和相对较高的比表面积。此外，FTIR分析证实了这些...未引用参考文献（Guo等，2024；Wang等，2023；Wang等，2025；Wang等，2025；Zhang等，2022）利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。致谢本研究的资助来源包括中国国家自然科学基金（项目编号32001631）、广东省市场监督管理局科技项目（项目编号2025CS01）、广州市基础与应用基础研究项目（项目编号2025D04J0063和2024A04J4121），以及华南农业大学大学生创新创业训练计划（项目编号S202410564033和...）肖延伟 | 吴佳辉 | 吴金琳 | 周景 | 张怡馨 | 刘文峰 | 王成龙 | 吴红 | 王红 | 文鹏华南农业大学食品科学学院，广东省食品质量与安全技术重点实验室，广州 510642，中国