《Legume Science》：Active and Intelligent Cellulose Acetate Films Incorporating Clitoria ternatea Flower Powder and Extract
编辑推荐：
对活性智能包装的需求持续增长，其作为确保食品安全与质量的策略受到广泛关注。本研究通过在醋酸盐纤维素（cellulose acetate）中分别以20%和30%（w/w）的比例掺入蝶豆花（Clitoria ternatea）粉末和冻干提取物，开发了复合膜材料。采
对活性智能包装的需求持续增长，其作为确保食品安全与质量的策略受到广泛关注。本研究通过在醋酸盐纤维素（cellulose acetate）中分别以20%和30%（w/w）的比例掺入蝶豆花（Clitoria ternatea）粉末和冻干提取物，开发了复合膜材料。采用流延法（casting）制备薄膜，并对其外观、形貌、厚度、抗氧化活性、溶解度、水分含量、力学性能、水蒸气透过率（WVP）、颜色变化、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及抗菌活性进行了表征。肉眼分析显示薄膜呈半透明刚性结构，可见固体颗粒且厚度增加。薄膜对ABTS自由基（36%–38%）和DPPH自由基（32%–36%）表现出较强的清除活性，同时具有极低的水溶性（0.09%–0.12%），这一特性有利于与食品直接接触，因为该材料无毒。色度评估表明，粉末和提取物均呈现pH依赖性的颜色变化，提示其可作为天然指示剂使用。重要的是，微生物学测试表明，薄膜暴露于革兰氏阴性菌（包括Salmonella Typhimurium和Escherichia coli）后，颜色从紫色明显变为绿色，有效指示了污染的发生。结果表明，这些可生物降解薄膜作为微生物变化的灵敏指示剂具有巨大潜力，为活性与智能食品包装应用提供了有前景的途径。
研究背景方面，活性包装通过掺入或释放具有防腐功能的活性化合物来促进食品保鲜和减少浪费，而智能包装则通过监测新鲜度、腐败或污染为消费者提供实时信息，从而增强食品安全和质量控制。将这两种先进包装功能整合，可为消费者提供信息并有助于构建更安全的食品体系和延长食品货架期。在薄膜中掺入生物活性化合物是开发活性包装最常见的方法之一，而含有天然染料的pH响应型薄膜是监测食品新鲜度研究最多的体系之一。花青素（anthocyanins）是一类极性水溶性色素，广泛分布于植物组织中，赋予其红色、紫色和蓝色色泽，因其pH依赖性的卤代变色行为而广受关注，可实现通过可见颜色变化实时监测食品新鲜度。此外，这些色素还具有抗氧化和抗菌等多种生物活性，且易于提取、经济可行、毒性低。蝶豆花富含花青素尤其是ternatins，以及非花青素酚类化合物如kaempferol和quercetin，具有较高的抗氧化和抗菌潜力。然而，目前将蝶豆花以粉末和冻干提取物两种形式同时掺入醋酸盐纤维素膜中，系统比较其理化性质、抗氧化活性、pH指示能力及对病原菌的检测和抗菌效果的研究尚不充分。因此，研究人员假设蝶豆花干燥粉末或提取物可作为天然的卤代变色指示剂，响应pH变化及特定革兰氏阳性和革兰氏阴性致病菌，同时展现抗菌活性并维持或改善醋酸盐纤维素膜的性能。本研究旨在开发和表征掺入蝶豆花粉末和冻干提取物的醋酸盐纤维素膜，用于自由基清除、pH监测变化和致病菌检测。
研究人员开展的研究及结论和意义方面，本研究成功制备了掺入蝶豆花粉末和冻干提取物的醋酸盐纤维素膜，并系统表征了其物理化学、力学、抗氧化、pH指示和抗菌性能。研究结论表明，利用醋酸盐纤维素掺入蝶豆花生物活性化合物生产的可生物降解薄膜可能成为食品包装应用的有前景替代方案。薄膜具有抗氧化活性和低水溶性，允许其与高水分活度食品直接接触使用。含20%提取物的薄膜最适合需要高抗压强度的应用，而含20%花粉末的薄膜表现出更大的柔韧性，适合需要一定弹性的应用。掺入花粉末或冻干提取物后，水蒸气透过率显著改善，增强了阻湿性能。花粉末和冻干提取物呈现的pH依赖性颜色变化支持其作为智能食品包装中pH指示剂的潜力。更重要的是，本研究突出了粉末、冻干提取物及含其（20%和30%，w/w）的薄膜作为革兰氏阴性微生物（Salmonella Typhimurium和E. coli）污染指示剂的潜力，微生物污染引发了明显的颜色变化。这些发现表明未来需要研究阐明观察到的颜色变化机制，并建立病原体浓度与薄膜颜色响应之间的关系，以推进其作为智能食品新鲜度指示剂的应用。
关键技术方法方面，研究人员采用流延法制备醋酸盐纤维素复合膜，通过扫描电子显微镜（SEM）观察表面和截面形貌，使用数字千分尺测定厚度，采用重量法测定水分含量和溶解度，利用质构仪按照ASTM D882-12标准评估拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量，按照ASTM E-96标准测定水蒸气透过率，采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）分析官能团，通过ABTS和DPPH自由基清除实验评估抗氧化活性，使用色差仪测定不同pH（2–8）条件下的CIELab颜色参数和总色差（ΔE），采用琼脂扩散法评估对Staphylococcus aureus、Listeria monocytogenes、Salmonella Typhimurium和Escherichia coli的抗菌活性。蝶豆花种植于巴西Cap?o do Le?o镇，花朵经?70°C冷冻、冻干、研磨至200目制得粉末，提取物参照Gon?alves等（2023）优化方法制备。
研究结果方面，3.1 薄膜宏观评价：对照膜呈不透明外观，掺入20%和30%花粉末的薄膜呈强烈粉色，掺入冻干提取物的薄膜变得透明；虽然蝶豆花天然为蓝色，但1%柠檬酸提取和成膜液低pH促使酰化delphinidin衍生物颜色变为粉色，展示了其作为天然卤代变色指示剂的潜力。3.2 形貌：SEM显示对照膜表面光滑无孔无裂纹，含花粉末的薄膜表面有分散颗粒，含冻干提取物的薄膜表面有气孔（可能与成膜液中残留气泡有关）；所有薄膜截面显示纤维素醋酸酯重排后的纤维结构，截面粗糙但无团块。3.3 薄膜理化与力学性能：厚度范围为0.12–0.33 mm，对照膜最厚（0.33 mm）；水分含量无显著差异；水溶性极低（0.09%–0.12%），含提取物的薄膜水溶性最低，归因于花青素与醋酸盐纤维素的疏水相互作用；20%花粉末或冻干提取物显著提高拉伸强度至13.95和14.49 MPa，但30%添加量时拉伸强度降低；30%负载量时断裂伸长率增加至5.58%和5.70%；所有添加蝶豆花的薄膜WVP显著降低，阻湿性能改善。3.4 FTIR：蝶豆花粉末和提取物光谱显示酚类化合物和类黄酮的特征吸收带；醋酸盐纤维素光谱显示羰基（1731 cm
?1）、C–H弯曲（1360 cm
?1）和C–O伸缩（1041和1215 cm
?1）等特征带；掺入蝶豆花后光谱发生显著变化，表明成功掺入，30%冻干提取物薄膜的O–H带更宽更强，表明氢键作用增强。3.5.1 自由基清除：对照膜无自由基清除活性，含花粉末和提取物的薄膜对ABTS（36%–38%）和DPPH（32%–36%）自由基表现出较强的清除活性。3.6 不同pH颜色分析：对照膜无可见颜色变化；花粉末在pH 2–3时呈粉色，随pH升高从紫色变为蓝色（pH 4–8）；冻干提取物颜色变化更深，转为绿色；颜色参数L*、a*、b*和ΔE在不同pH条件下呈显著差异；花青素在不同pH下存在黄烊鎓阳离子、醌式碱、甲醇假碱和查尔酮等不同结构形式，导致颜色变化。3.7 抗菌潜力：冻干提取物对革兰氏阳性菌S. aureus显示抗菌活性，含花粉末和提取物的薄膜对革兰氏阳性菌（抑菌圈直径约30 mm）比革兰氏阴性菌（约23和20 mm）更敏感；薄膜在14天评估期内维持抑菌圈，表明抗菌活性稳定；暴露于革兰氏阴性菌后薄膜颜色从粉色变为绿色，展示了其作为革兰氏阴性菌可视化指示剂的潜力。
讨论部分总结：本研究证实醋酸盐纤维素膜掺入蝶豆花粉末或冻干提取物后，在保持良好力学性能和阻湿性能的同时，获得了显著的抗氧化活性和pH响应性颜色变化能力。薄膜对革兰氏阳性菌表现出更强的抗菌活性，但对革兰氏阴性菌的检测通过明显的颜色变化（粉色至绿色）实现，这一特性对于食品安全监测具有重要意义。薄膜的低水溶性和改善的阻湿性能使其适合与高水分活度食品直接接触。研究结论翻译：利用醋酸盐纤维素掺入蝶豆花生物活性化合物生产可生物降解薄膜可能成为食品包装应用的有前景替代方案。薄膜具有抗氧化活性和低水溶性，允许其与高水分活度食品直接接触使用。薄膜的力学性能表明，含20%提取物的薄膜最适合需要高抗压强度的应用，而含20%花粉末的薄膜表现出更大的柔韧性，适合需要一定弹性的应用。掺入花粉末或冻干提取物后，水蒸气透过率显著改善，增强了阻湿性能。花粉末和冻干提取物呈现的pH依赖性颜色变化支持其作为智能食品包装中pH指示剂的潜力。更重要的是，本研究突出了粉末、冻干提取物及含其（20%和30%，w/w）的薄膜作为革兰氏阴性微生物（Salmonella Typhimurium和E. coli）污染指示剂的潜力，微生物污染引发了明显的颜色变化。这些发现表明未来需要研究阐明观察到的颜色变化机制，并建立病原体浓度与薄膜颜色响应之间的关系，以推进其作为智能食品新鲜度指示剂的应用。
