基于大麦麸纳米纤维素的氨响应型PVA/花青素气凝胶用于虾新鲜度可视化监测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Ammonia-responsive barley bran nanocellulose/PVA/anthocyanin aerogel for shrimp freshness monitoring

　　

用于虾新鲜度监测的氨响应型大麦麸纳米纤维素/聚乙烯醇（PVA）/花青素气凝胶。大麦麸在纳米纤维素制备中的二次利用。以纳米纤维素为骨架并添加红羽衣甘蓝花青素（red kale anthocyanins）作为指示剂，制备pH响应型气凝胶。该气凝胶能够在4°C和25°C下监测虾的新鲜度。

研究背景与问题：虾因高蛋白、低脂肪而被广泛消费，但在贮藏和运输过程中易因微生物繁殖和内源酶活性而腐败。腐败菌产生碱性气体尤其是氨（NH₃），导致虾周围环境pH显著升高，因此对氨释放或环境pH变化进行快速、直观、无损监测对评价虾新鲜度、保障食品安全和减少浪费十分重要。传统检测方法如挥发性盐基氮测定、微生物计数等虽准确，但耗时、费力且依赖专业设备与人员，不适合现场即时检测。近年来，智能包装尤其是pH响应比色指示标签通过可见颜色变化展示食品新鲜度监测潜力；花青素（ACY）因安全性、无毒性和良好生物相容性，且颜色随pH由红、紫到蓝/绿变化，成为构建指示标签的理想候选。生物基气凝胶因高孔隙率、大比表面积和良好生物相容性受到关注；纳米纤维素（NC，天然纤维素经纳米化处理得到的纤维材料）尤其是农业废弃物来源的NC，因力学性能、可生物降解性和丰富表面官能团，可作为负载花青素的稳定平台。纯纤维素气凝胶较脆，常引入聚乙烯醇（PVA，一种水溶性半结晶聚合物）作为交联剂和增强剂。现有研究仍存在不足：NC来源多为木材或棉花，农业副产物如大麦麸利用不足；气凝胶对低浓度氨的响应灵敏度有待提高，部分材料难以区分虾的亚新鲜阶段；花青素在气凝胶基质中分散性差及湿度、光照等环境不稳定性会影响长期监测准确性。为此，该研究提出从高原大麦麸这一农业废弃物中提取NC，并与PVA和花青素复合制备氨响应气凝胶，以提高稳定性与响应灵敏度，实现虾新鲜度高效监测。

研究人员开展的研究与结论及意义：该研究以β-葡聚糖提取过程中产生的不溶性残渣为原料制备纤维素，再经TEMPO氧化（2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基介导的氧化）结合高压均质制备带羧基的TEMPO氧化纳米纤丝化纤维素（TCNF，经TEMPO氧化和高压均质得到的带羧基纳米纤维素）。研究假设TCNF可通过氢键和静电作用与PVA的羟基形成刚性三维支架和高度互连网络，作为气凝胶骨架；TCNF的羧基可与红甘蓝花青素（RCA，天然pH敏感色素）的黄烊盐阳离子形成离子复合，PVA的羟基再通过氢键增强相互作用，从而保护RCA免受水解和氧化。该研究通过优化RCA添加量，考察气凝胶的pH响应性、氨敏感性、颜色可逆性和颜色稳定性，并将优化气凝胶用于4°C和25°C下新鲜虾的新鲜度监测。结论表明，以TCNF为主要原料、PVA为固体载体基质、RCA为指示剂制备的TPA-RCA气凝胶具有pH响应、氨敏感、颜色可逆和良好颜色稳定性，在虾腐败过程中由紫色变为蓝色，可作为实时食品新鲜度监测的智能指示材料；其意义在于实现大麦麸的高值化利用，降低气凝胶制备成本，并为智能食品包装规模化应用提供可持续技术路径。

关键技术方法（不超过250字）：大麦麸样本来自青海新鲁康食品有限公司（西宁，中国），红甘蓝和虾购自雅安哲联优选超市（四川，中国）。以β-葡聚糖提取后的不溶性残渣经碱处理、酸处理及漂白提取纤维素；采用TEMPO氧化结合高压均质制备TCNF，并以未氧化CNF为对照；用电导滴定、SEM、AFM、Zeta电位、UV-Vis和流变测试表征纤维；用酸乙醇提取RCA并进行pH-UV分析，建立LC-MS/MS方法定量cyanidin-3-O-glucoside；将TCNF、PVA和RCA冻干制备气凝胶，结合FTIR、XRD、TGA、SEM、密度/孔隙率和BET分析；评价pH响应、氨敏感性、颜色可逆性和16 d稳定性；在4°C和25°C下监测虾新鲜度并测定pH、TVB-N和TVC。

研究结果：
3.1 氧化纳米纤维素的表征：通过SEM、AFM、电导滴定、UV-Vis、Zeta电位和流变测试发现，TEMPO氧化引入羧基使TCNF表面带负电，静电排斥促进分散；TCNF悬浮液长期贮存无明显沉淀，可形成凝胶网络，适合作气凝胶骨架。TCNF较CNF直径更小、表面更平整，平均直径分别为1.16±0.78 nm和1.86±2.29 nm；羧基含量由CNF的0.09 mmol/g提高至TCNF的1.02 mmol/g；TCNF悬浮液透光率更高，Zeta电位由?12.23±0.76 mV降至?52.90±1.22 mV；1.0% CNF和TCNF悬浮液均呈剪切变稀，且G′>G″，表明形成凝胶网络结构。

3.2 红甘蓝花青素的pH响应与UV-Vis光谱分析：通过不同pH下RCA溶液的颜色和紫外-可见光谱分析发现，RCA在pH 2–3呈红色，最大吸收峰在525–530 nm；pH 4–6逐渐呈紫蓝色，最大吸收峰在540–560 nm；pH 7–10最大吸收峰移至580–610 nm，呈蓝色并在pH 8后蓝色加深，pH 9–10呈暗绿色；pH 11–12最大吸收峰在610–615 nm且吸光度下降，溶液变黄。结果表明RCA具有显著pH依赖颜色变化，适合作pH敏感指示剂。TPA-RCA气凝胶在pH 2–10范围内呈明显颜色梯度，酸性下紫红、中性下蓝紫、碱性下蓝，且对氨响应较快；PVA增强RCA与TCNF结合并减少指示剂泄漏，多孔TCNF结构加速氨扩散。

3.3 目标生物活性化合物的方法验证与绝对定量：通过LC-MS/MS（液相色谱-串联质谱）建立cyanidin-3-O-glucoside定量方法，线性范围0.1–100 ng/mL，回归方程y=74.6946x?5.4677，R²=0.999，LOQ为0.1 ng/mL；最低校准标准连续10次进样的RSD为2.97%，表明仪器精密度和系统稳定性良好。实际样品中目标物保留时间为1.022 min，测得浓度1.01 ng/mL；在红甘蓝花青素提取物中SCJS-3-O-PTTG未检出，在TPA-RCA 0.75气凝胶中检出但低于LLOQ，确认RCA成功掺入气凝胶基质，且MRM方法选择性较高。

3.4 pH响应气凝胶的表征：通过FTIR（傅里叶变换红外光谱，用于分析化学基团与氢键作用）发现，TCNF中1634 cm^?1处吸收增强，与?COO^?有关；TPA中3400 cm^?1附近吸收峰移至3405 cm^?1并出现851 cm^?1新峰，说明PVA与TCNF通过氢键交联；TPA-RCA中OH峰由3405 cm^?1移至3390 cm^?1，1613 cm^?1和1057 cm^?1强度增加，说明RCA通过氢键和静电作用固定在TPA中。XRD（X射线衍射）显示CNF具有Iβ纤维素16.4°和22.4°峰，TCNF 16.4°峰减弱、结晶度降低；PVA为半结晶聚合物；TPA在19–22°呈宽峰；TPA-RCA随RCA增加该范围衍射峰强度降低，说明RCA与TCNF、PVA相容性良好并干扰分子重排。TGA（热重分析）显示所有样品热降解分三阶段；TPA-RCA在110–225°C多两个失重过程，归因于花青素开环和脱糖分解，进一步确认RCA固定；TCNF的T_onset低于CNF，TPA的热稳定性高于TCNF，RCA增加使T_onset降低但T_max增加、残重增加。密度、孔隙率和BET（Brunauer–Emmett–Teller比表面积模型）分析显示，随RCA增加，密度增加、孔隙率下降，比表面积由18.18 m²/g降至2.82 m²/g，归因于RCA与基质间氢键和静电作用增强、限制冰晶生长并使网络更致密。SEM（扫描电子显微镜）显示TPA为随机堆叠二维片层网络，TPA-RCA为互连多孔网络，RCA增加使孔更致密。pH响应测试显示TPA无显著颜色变化，而TPA-RCA在pH 2–12呈显著颜色变化：pH 2红色，pH 3–5红变紫，pH 6–10进一步去质子化形成中性醌式，pH>7.5 B环酚羟基去质子化形成酚氧负离子并呈蓝绿色，pH 11–12呈黄绿/黄色；不同RCA添加量颜色差异由静电锚定、空间限域和氢键协同调控。氨敏感性与可逆性测试显示，TPA在0–360 min内ΔE<5且无可见颜色变化；TPA-RCA 0.5、0.75、1.0、1.25暴露氨1 min后ΔE>5并由紫变灰蓝，TPA-RCA 0.25需90 min才达到ΔE>5；随暴露时间延长，a值先降后升、b值升高、ΔE升高，颜色由紫到灰蓝、蓝绿，最终黄色，归因于氨生成NH₄⁺和OH^?形成碱性气体环境并驱动花青素向查尔酮结构转变；氨与乙酸交替暴露后气凝胶可恢复紫色，显示良好颜色可逆性。16 d稳定性测试显示，在4°C暗处、25°C暗处和25°C光照下ΔE均低于5，冻干后极低水分限制花青素与氧反应，颜色稳定性良好。

3.5 气凝胶在虾新鲜度监测中的应用：通过4°C和25°C虾贮藏试验及pH、TVB-N（总挥发性盐基氮，反映动物性食品腐败产生的碱性含氮物质）、TVC（总活菌数，反映微生物污染程度）测定发现，4°C下气凝胶在第5天由初始紫色变为蓝色，25°C下第2天完成紫到蓝变化，颜色变化与TVB-N和pH升高显著正相关。4°C下0 d TVB-N为5.68 mg/100 g、pH 7.0、TVC 4.5 lgCFU/g；3 d TVB-N为15.38 mg/100 g、pH 7.4、TVC 6.0 lgCFU/g，呈亚新鲜；5 d TVB-N为20.34 mg/100 g、pH 7.8、TVC 6.2 lgCFU/g，已腐败。25°C下0 h TVB-N为3.30 mg/100 g、pH 7.4、TVC 4.4 lgCFU/g；8 h TVB-N为14.89 mg/100 g、pH 7.2、TVC 5.3 lgCFU/g，呈亚新鲜；16 h TVB-N为23.77 mg/100 g、pH 7.3、TVC 6.2 lgCFU/g，已腐败。TPA在虾贮藏中无显著颜色变化；TPA-RCA 0.25、0.5、0.75、1.0、1.25均有显著颜色变化，L值和a值下降、b值变化较小，颜色由紫向蓝绿转变；TPA-RCA 0.25在4°C超过3 d或25°C超过8 h后颜色变化不显著，因RCA过少导致轻微颜色变化被TCNF和PVA本色掩盖。Pearson相关分析显示，ΔE0与TVB-N、pH和TVC相关性差；ΔE1–ΔE5与TVB-N强相关，其中ΔE3相关性最强，4°C下r=0.931、25°C下r=0.946，表明TPA-RCA 0.75更适合监测虾新鲜度。

3.6 TPA-RCA作为新鲜度指示气凝胶的机制：该研究以低成本农业废弃物大麦麸残渣制备TCNF并用于食品安全监测，降低气凝胶制备成本。机制上，TCNF相互交织构成骨架，TCNF、RCA和PVA通过氢键和静电作用连接，使RCA固定在由TCNF和PVA组成的固体载体中，冻干后形成多孔TPA-RCA气凝胶。虾腐败时TVB-N积累使包装内气体逐渐变碱，气体通过气凝胶孔隙进入；新鲜时TVB-N低，RCA保持黄烊盐阳离子结构，气凝胶呈紫色；腐败时RCA由黄烊盐阳离子结构转变为醌式结构，气凝胶呈蓝色，从而为消费者提供虾新鲜度的可视化指示。与已有纳米纤维素/PVA/花青素比色指示材料比较，该气凝胶在10–1000 ppm氨气暴露30 min内发生颜色变化，在4°C暗处、25°C光照和25°C暗处储存16 d后仍保持稳定性，具有可逆性，并用于虾新鲜度监测，新鲜时紫色、腐败时蓝绿色。

讨论部分总结：讨论指出，虾死后酶反应和微生物生长代谢仍在进行，糖原无氧转化为乳酸使早期肌肉pH下降；糖原耗尽后，蛋白酶分解肌肉组织生成氨基酸和肽，微生物利用这些物质产生氨、二甲胺和三甲胺等挥发性物质，改变虾包装环境pH。该研究利用TCNF骨架、PVA固体载体和RCA指示剂构建TPA-RCA，通过氢键和静电作用固定RCA，并利用多孔结构促进氨扩散；虾腐败产生的TVB-N使包装内气体变碱，驱动RCA结构变化并产生紫到蓝的颜色响应。该策略以低成本农业废弃物为原料，为智能食品包装规模化应用提供可持续方案。

研究结论（翻译）：本研究通过TEMPO介导氧化结合高压均质，成功由大麦麸加工过程中产生的不溶性残渣制备氧化纤维素纳米纤维（TCNF）。TCNF悬浮液具有优异分散性、悬浮稳定性和强凝胶形成能力，适合作气凝胶骨架结构。在此基础上，以TCNF为主要原料、PVA为固体载体基质、RCA为指示剂并采用不同添加量，制备了pH响应型TPA-RCA气凝胶。TPA-RCA气凝胶不仅具有pH响应性、氨敏感性、颜色可逆性和良好颜色稳定性，而且在4°C和25°C虾新鲜度监测中，在虾腐败过程中呈现由紫色到蓝色的明显变化，使消费者能够方便评价新鲜度变化。总之，以TCNF为主要原料并结合PVA和RCA制备的TPA-RCA气凝胶，作为实时食品新鲜度监测的智能指示剂具有很大潜力。