《Food Chemistry》：Multiscale protection of anthocyanin via zein/cinnamaldehyde/sodium alginate core-shell nanoparticles enable UV-stabilized colorimetric label for monitoring shrimp and fish freshness
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摘要基于花青素的pH响应型指示剂在监测食品新鲜度方面具有巨大潜力，但在运输和零售展示过程中所受的紫外线照射会导致色素结构降解和颜色褪去。本研究采用多级保护策略制备了核壳结构的海藻酸钠/肉桂醛/玉米醇溶蛋白/花青素纳米颗粒（SCZC）。通过疏水作用和π-π相互作用，花青素被封存在疏
摘要
基于花青素的pH响应型指示剂在监测食品新鲜度方面具有巨大潜力，但在运输和零售展示过程中所受的紫外线照射会导致色素结构降解和颜色褪去。本研究采用多级保护策略制备了核壳结构的海藻酸钠/肉桂醛/玉米醇溶蛋白/花青素纳米颗粒（SCZC）。通过疏水作用和π-π相互作用，花青素被封存在疏水的玉米醇溶蛋白核心中，而肉桂醛则有助于增强界面稳定性，海藻酸钠外壳则能阻挡外部因素对纳米颗粒的破坏。将这些纳米颗粒加入羧甲基纤维素基质后，含有0.4克SCZC纳米颗粒的CMC薄膜在紫外线和可见光作用下的稳定性显著提升，经过4小时紫外线照射后ΔEab值仅为5.21，经过8天可见光照射后为5.22。与仅含花青素的CMC薄膜相比，C/SCZC-0.4薄膜能将花青素在水中的迁移率从84.34%降低到35.65%，同时提升了其阻氧性能和拉伸强度，分别为2.32立方厘米·微米·米负二次方·天负一次方·千帕负一次方和30.0兆帕。该标记物仍保持对pH值和氨浓度的响应能力，可有效判断海鲜的新鲜度。
引言
食品在从生产、流通、零售到家庭储存的整个过程中，其新鲜度不可避免地会下降。在这种背景下，视觉智能包装越来越受到关注，因为它们能够以非侵入式、直观的方式实时反映食品品质的变化（Li等人，2025年）。其中，pH响应型比色指示剂因能将包装内部环境中的化学变化转化为易于观察的颜色变化，而在监测易腐食品的变质情况方面具有独特优势（Bao等人，2025年；Forghani和Almasi，2024年）。由于花青素具有极高的pH敏感性、快速的颜色响应特性、天然来源以及环保性，因此被广泛用于此类检测系统中（Xiao等人，2025年）。然而，在实际的包装环境中，其稳定性往往容易受到影响。在紫外线杀菌和零售展示过程中，基于花青素的指示剂会长时间暴露在紫外线下，这会加速色素结构状态的变化以及光氧化降解过程。在含水环境中，酚羟基的高反应性进一步加剧了这些降解反应，最终导致颜色褪去和信号漂移（Feng和Jing，2025年）。因此，亟需一种功能性载体系统，既能提升花青素的环境稳定性，又能保持其敏锐的比色响应能力。
迄今为止，人们已经尝试了多种方法来提高花青素的光稳定性，包括共着色法（Yang等人，2025年）、与天然生物聚合物结合法（Zheng等人，2022年）、酶促酰化法（Tang等人，2023年）以及纳米封装法（Yu等人，2022年）。不过，这些方法往往存在环境敏感性高、结构保护不足或改性流程复杂等问题。相比之下，尤其是核壳结构的纳米封装技术更具优势，因为它既能保护花青素免受外界因素影响，又能保持其快速的pH响应特性，从而在稳定性和传感性能之间取得平衡（Tao等人，2025年）。蛋白质因其生物相容性和食品级安全性，被广泛用于功能物质的输送和保护。玉米醇溶蛋白是一种疏水性玉米蛋白，它能够自行组装，形成有利于花青素包裹和保护的非极性微环境（Farahmand和Razavi，2026年）。重要的是，这种疏水性环境有助于减少不必要的色素结构转换，而这种转换正是导致颜色漂移的主要原因。不过，仅含玉米醇溶蛋白的纳米颗粒在水环境中容易聚集，且其尺寸难以控制，这限制了其在薄膜基质中的稳定分散，进而影响其实际应用。为此，研究团队引入了肉桂醛作为界面修饰剂。它的疏水芳香结构能够促进与玉米醇溶蛋白的疏水结合和π-π相互作用，从而增强界面区域的稳定性，而互补的氢键则进一步巩固了复合核心的结构（Zhou等人，2024年）。此外，海藻酸钠还被用作外层材料，并通过钙离子进行离子交联，形成亲水外壳。这种外壳不仅能够提升表面电荷的均匀性，还能通过空间排斥作用抑制颗粒间的聚集，同时构建多层屏障，阻止光线、氧气和离子的渗透。不过，据我们所知，目前尚未有研究报道将上述多种相互作用协同运用，以提高经过紫外线处理的活性包装中花青素的光稳定性。
本研究开发了一种新的多级保护策略，通过多种非共价相互作用逐步自组装，制备出了核壳结构的花青素纳米颗粒（SCZC）。玉米醇溶蛋白形成了疏水核心，用于包裹从蝶豆花中提取的花青素，肉桂醛则负责稳定界面结构，海藻酸钠则形成离子交联的外壳，从而构成了层次分明的核-界面-外壳结构。研究团队还通过分子对接和分子动力学模拟，分析了这些纳米颗粒之间的相互作用及稳定机制。将制备得到的SCZC纳米颗粒加入羧甲基纤维素基质中，制成了具有更好传感性能和结构稳定性的薄膜。这些薄膜还被验证可用于监测虾类和鱼类的变质情况。本研究为稳定花青素及其在智能食品包装中的应用提供了可行的解决方案。
章节要点
材料
蝶豆花（Clitoria ternatea L.）是从中国大连的一家当地超市购买的。关于花青素提取的详细信息详见“支持信息”部分。玉米醇溶蛋白和海藻酸钠（粘度：215毫帕·秒）是从中国上海的上海阿拉丁生化科技有限公司购买的。肉桂醛（纯度：93%）和羧甲基纤维素（粘度：3000–5000毫帕·秒）也由同一家供应商提供。新鲜的虾类和鱼类样本则来自...
纳米颗粒的制备与表征
图1a示意性地展示了SCZC纳米颗粒的制备过程和组装机制。这类核壳结构纳米颗粒是通过多种分子间相互作用逐步形成的。该方法的目的是通过限制色素的运动、强化界面结构以及阻挡外部物质的扩散，从而实现对花青素的稳定保护（图1b）。随着玉米醇溶蛋白的加入，花青素逐渐被包裹在疏水区域内...
结论
综上所述，本研究开发出一种简单的自组装策略，能够在不利环境下提升花青素的比色响应能力和环境稳定性。通过非共价相互作用制备出的核壳结构花青素纳米颗粒被嵌入钠羧甲基纤维素薄膜中，从而实现了稳定的pH响应型颜色变化。分子对接和全原子分子动力学模拟结果表明，花青素被牢牢封存在玉米醇溶蛋白内部...
作者贡献说明
徐志航：论文撰写——初稿、方法学、实验研究、数据整理、概念设计。何洪：实验研究。杜健：实验研究、概念设计。单鹏：方法学。傅成龙：数据整理。胡金文：项目指导。陶业汉：方法学。李超：方法学。吕雅娜：资源提供。王海松：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、项目指导、方法学、概念设计。
未引用参考文献
Mahmood等人，2021年
苏、孙、邢和谭，2025年
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFD2100105）、教育部（编号：KF2025004）、辽宁省自然科学基金（编号：2025-MS-151）以及辽宁省振兴人才计划（编号：XLYC2503072）的支持。
Zhihang Xu|Hong He|Jian Du|Peng Shan|Chenglong Fu|Jinwen Hu|Yehan Tao|Chao Li|Yanna Lv|Haisong Wang
