基于红甘蓝提取物与果胶的智能气凝胶比色指示剂用于鸡肉新鲜度监测：果胶浓度与RCE负载对NH3响应、结构性能及腐败指标相关性的评价

《Food Chemistry: X》：Evaluation of intelligent aerogel indicators composed of red cabbage extract and pectin for monitoring chicken meat freshness

　　

基于红甘蓝花青素（anthocyanin）的果胶基智能气凝胶被开发；负载红甘蓝提取物（red cabbage extract, RCE）的气凝胶的颜色转变与鸡肉腐败指标强相关；10%果胶RCE-气凝胶显示出新鲜度监测潜力。

近年来消费者对即食和方便包装食品需求增加，食品包装产业因而发展出智能包装系统，包括活性包装和智能包装。智能包装中的指示剂可提供产品质量与新鲜度信息，视觉pH指示剂因低成本、安全、灵敏、快速响应和无损检测而受到关注。此类比色指示剂可检测总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen, TVB-N）、硫化氢（H₂S）、生物胺、二氧化碳（CO₂）、乙烯及pH变化等腐败相关代谢物。合成染料存在挥发和向食品基质迁移的安全顾虑，天然色素如花青素、姜黄素、茜素和甜菜红素等被用于pH响应新鲜度指示剂。红甘蓝（Brassica oleracea var. capitata rubra）是成本低、可食、富含花青素的天然pH指示剂来源。固体支撑基质影响比色指示剂的灵敏度、响应时间、重现性和可逆性；气凝胶具有高孔隙率、大比表面积和低密度，适合作为气体比色指示材料。生物气凝胶可由淀粉、纤维素、果胶等生物聚合物制备；果胶是植物多糖，其酯化度（degree of esterification, DE）调节溶解性、黏度和凝胶化，低DE果胶具有增强的凝胶形成和水保持能力。基于此，研究人员开发了负载RCE的果胶基智能气凝胶指示剂，并评价初始果胶浓度和RCE掺入对结构、灵敏度及视觉检测性能的影响，用于监测鸡肉贮藏过程中的化学和微生物腐败。研究结论表明，10%果胶RCE-气凝胶具有最强的ΔE与关键腐败指标关联，并显示出作为实时、无损比色新鲜度指示剂的潜力。

关键技术方法概括：研究人员使用新鲜红甘蓝（购自伊朗Hamedan当地超市）制备RCE，苹果果胶购自Sigma-Aldrich。以pH示差法测定总花青素含量，经乙醇–水提取花青素。将10、15、20%（w/v）果胶溶液调至pH 2.0，加入3%（v/v）RCE，经溶胶–凝胶（sol–gel）、液氮冷冻和?80 °C冷冻干燥48 h制备气凝胶。关键表征包括密度与孔隙率、吸湿能力（moisture absorption capacity, MAC）、NH₃暴露后RGB转CIE L^*、a^*、b^*及总色差ΔE、质地剖面分析（texture profile analysis, TPA）、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）；鸡肉于4 °C贮藏12 d，测pH、TVB-N、硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substances, TBARS）、总活菌数（total viable count, TVC）和感官。鸡肉样本来源原文未注明。

研究结果如下。

3.1 UV–vis spectra of anthocyanin solutions（花青素溶液的UV–vis光谱）：通过pH示差法和UV–Vis分析，红甘蓝总花青素含量为18.90 ± 0.27 mg cyanidin-3-glucoside/g干物质，RCE储备液总花青素含量为3.15 ± 0.11 mg/mL。pH从3.0升至12.0时，花青素溶液颜色由玫瑰红转为黄色，最大吸收波长λ_max由约500 nm红移至600 nm且峰强度降低，对应花青素分子结构转化。

3.2 Characterization of aerogels（气凝胶表征）
3.2.1 Density and porosity（密度与孔隙率）：通过密度和孔隙率测定，气凝胶体积密度为0.074–0.139 g cm^?3，孔隙率为90.1–95.0%。果胶浓度由10%升至20%时，密度增加、孔隙率降低；RCE掺入较未负载对照显著降低孔隙率并增加密度。
3.2.2 Moisture absorption capacity (MAC)（吸湿能力）：通过重量法测吸湿，所有气凝胶前60 s快速吸水，180 s达最大吸水。果胶浓度由10%升至20%时，吸水能力由16.1%降至7.9%；RCE掺入降低平均吸湿能力，归因于花青素与果胶间氢键作用、结晶度增加及亲水基团可及性降低。
3.2.3 Mechanical properties of aerogels（气凝胶机械性能）：通过TPA，果胶浓度增加使硬度、内聚性、黏附性和胶黏性升高，弹性降低；RCE掺入显著提高硬度、内聚性、黏附性和胶黏性，并显著降低弹性，表明网络致密化和分子间相互作用增强。
3.2.4 FTIR spectra（FTIR光谱）：通过FTIR，3000–3500 cm^?1为OH伸缩振动，2910–2940 cm^?1为脂肪族CH伸缩，1730 cm^?1为酯化羧基C=O伸缩，1620和1410–1415 cm^?1为COO^?不对称和对称伸缩，1010–1080 cm^?1为糖苷键和吡喃环COC伸缩。果胶浓度增加使OH带增强；RCE负载后OH带向低波数移动至3414、3407和3409 cm^?1，约1600和1623 cm^?1芳香C=C变化，表明RCE成功掺入并与果胶发生分子相互作用。
3.2.5 XRD（X射线衍射）：通过XRD，纯果胶和RCE负载气凝胶均在约20.05°（2θ）出现宽衍射峰，呈半结晶结构。果胶浓度增加使弥散晕强度增加；RCE负载气凝胶结晶度高于纯果胶气凝胶，表明花青素与果胶链间氢键促进分子堆积和结构有序化。
3.2.6 Color response of RCE-loaded aerogels to ammonia（负载RCE气凝胶对氨的比色响应）：通过NH₃蒸气暴露，RCE负载气凝胶30 min内由红变紫，ΔE随时间增加。10%果胶气凝胶ΔE最高为27.79，其次15%为24.20、20%为19.95；Δb变化以10%果胶最显著为?21.4，其次15%为?17.9、20%为?15.2。低果胶浓度气凝胶密度较低、孔隙率较高、花青素可及性较高，因而NH₃扩散和比色响应更明显。

3.3 Real-time shelf-life monitoring of chicken meat storage（鸡肉贮藏实时货架期监测）：通过鸡肉4 °C贮藏12 d并测定腐败指标，初始TVC、pH、TVB-N和TBARS分别为3.76 log CFU/g、5.25、9.6 mg N/100 g和0.128 mg MDA/kg；第8天分别达到7.01 log CFU/g、6.577、25.61 mg N/100 g和1.033 mg MDA/kg，感官评分显著下降，气味下降最明显。10%果胶RCE气凝胶颜色由第0天紫色变为第6天紫蓝色，第8–12天变绿；15%和20%果胶RCE气凝胶第0天紫色，第8天紫蓝色，第10–12天变绿。相关、偏相关和接收者操作特征（receiver operating characteristic, ROC）分析表明，10%果胶RCE气凝胶的ΔE与TVC和TVB-N等关键腐败指标在控制贮藏时间后仍显著相关，ROC最佳ΔE截断值分别为25.8、16.9和11.1，10%果胶配方最高。

讨论部分总结：研究人员讨论了花青素pH依赖结构转化、果胶浓度和RCE掺入对气凝胶网络、孔隙率、吸湿、机械性能、FTIR、XRD及NH₃响应的影响。高果胶浓度形成更致密网络，降低孔隙率、吸湿和弹性，提高硬度和黏弹性相关指标；RCE通过氢键和范德华相互作用增强分子组织与结晶度，同时降低孔隙率和吸湿能力。NH₃响应受网络密度和花青素可及性控制，低果胶浓度更敏感。鸡肉贮藏中ΔE与腐败指标和感官属性相关，控制贮藏时间后10%果胶RCE气凝胶仍与TVC、TVB-N及部分感官指标显著相关，ROC分析支持其判别腐败状态的能力。

研究结论翻译：基于果胶并掺入红甘蓝提取物（RCE）的气凝胶指示剂通过溶胶–凝胶过程随后冷冻干燥成功制备，并评价了其在鸡肉新鲜度比色监测中的潜在应用。果胶浓度显著影响气凝胶基质的结构、理化和机械性能。将果胶浓度从10%提高到20%（w/v）导致体积密度增加以及硬度、内聚性、黏附性和胶黏性增强，同时孔隙率、吸湿能力和弹性降低。FT-IR和XRD分析表明RCE与果胶之间存在分子相互作用，并证实负载RCE气凝胶的结构组织和结晶度发生变化。RCE掺入赋予显著的pH响应比色响应，气凝胶在鸡肉冷藏贮藏期间呈现从红色到紫色和蓝色的渐进颜色转变。相关、偏相关和ROC分析提供了补充证据，支持ΔE作为鸡肉腐败客观指标的潜力。在各配方中，含10%果胶的RCE负载气凝胶显示ΔE与关键腐败指标，尤其是TVC和TVB-N之间最强关联，且在控制贮藏时间后仍显著（p < 0.05）。ROC分析进一步证明其能够根据预定义腐败标准区分样品。此外，含10%果胶的RCE负载气凝胶表现出最显著的颜色响应和最高ΔE截断值（25.8），突显其作为冷藏贮藏期间鸡肉新鲜度实时、无损比色指示剂的潜力。