基于κ-角叉菜胶/葡萄皮提取物的智能 pH 响应显色薄膜用于实时监测食品新鲜度

《Food Hydrocolloids》：“Intelligent pH-responsive colorimetric films based on κ-carrageenan/grape peel extract for real time monitoring of food freshness”

　　

摘要 对创新包装解决方案的需求推动了源自天然来源的指示膜研究。在本研究中，开发了一种基于κ-角叉菜胶、香果提取物（MFE）和葡萄皮提取物（GPE）的智能 pH 响应显色膜。κ-角叉菜胶作为生物聚合物基质，富含花青素化合物的 GPE 作为主要 pH 指示剂，MFE 提供颜色稳定性，有助于保持 GPE 中存在的花青素化合物呈黄烊阳离子形式，从而能够对变质食品释放的挥发性胺基引起的 pH 变化做出迅速响应。指示膜表现出优异的紫外线防护和水屏障性能。MFE 的加入有助于增强指示膜的机械性能和疏水性，使其能够储存在 25?C 和 4?C 下。该膜表现出从浅红到红或紫，再到蓝或绿的明显颜色变化，清楚地表明了食品状态的不同阶段。包装好的虾、金枪鱼、蘑菇和牛奶在 25?C 和 4?C 储存下，指示膜显示出视觉颜色变化。包装样品的 TVB-N 值、微生物负载、MDA 含量和 pH 值与指示膜的颜色变化一致，为食品状态的实时情况提供了确切信息。

引言 消费者对食品安全和质量的意识不断提高，对能够确保新鲜度并避免食源性疾病的创新包装解决方案的需求也随之增长（Wang 等，2023）。传统食品包装主要充当被动屏障，保护食品免受水分、空气和微生物污染等外部环境因素的影响（Kang 等，2020；Wu 等，2021）。然而，这些方法无法获取关于包装食品新鲜度、质量或变质状态的实时信息（Roy, Kim, & Rhim 2021）。因此，消费者和零售商经常依赖设定的保质期，这并不能公平地代表食品状态，导致食物浪费和其他安全隐患（Chi, Liu, Li, & Wang, 2023）。此外，大量现有系统对与食品变质相关的挥发性胺和氨表现出低灵敏度和延迟反应，这导致颜色变化不明确或难以区分，消费者难以正确解读和理解。为了克服这些限制，开发了智能包装系统，特别是指示膜。这些膜对包装食品中的生理变化（如 pH 波动、挥发性碱氮和微生物代谢物）做出反应，这些变化通常与食品劣化有关（Alizadeh-Sani, Tavassoli, McClements, & Hamishehkar, 2021）。其中，pH 敏感指示膜因其易用性、经济性和对变质因素的清晰视觉反应而引起了极大的兴趣。虽然合成 pH 指示膜作为新鲜度指示剂已被充分研究，但由于毒性、环境持久性和法律限制，其使用受到限制。此外，合成指示膜中主要忽略了指示膜生产中成本效益、可扩展性和重复性的要求。因此，天然色素作为可持续替代品越来越受欢迎（Zhou 等，2022；Jiang 等，2023；Dordevic 等，2024；Lv 等，2025）。特别是，从植物来源提取的花青素在宽 pH 范围内显示出清晰且可逆的颜色变化，这使它们成为新鲜度监测的良好候选者。此外，源自水果皮的天然色素是可持续的，并且与聚合物基质相容。

海鲜产品，特别是虾，非常容易变质，由于其水分含量、中性 pH 值和富含蛋白质的成分，容易受到酶促和微生物变质的影响（Riahi, Khan, Rhim, Shin, & Kim, 2024；Cheng 等，2025）。在虾储存过程中，变质微生物分解富含蛋白质的成分并产生氨、三甲胺和二甲胺等挥发性碱氮化合物（Bhadra, Narvaez, Thomson, & Bridges, 2015；Lin 等，2022；Bakouri, Ziane, & Guemra, 2023）。这些代谢物会提高 pH 值，降低质地并提供难闻的气味（Gasti 等，2021；Qin 等，2021）。因此，实施复杂的指示系统来检查虾的新鲜度以保护消费者和最小化财务损失至关重要。同样，由于蘑菇具有高水分含量、高呼吸速率和快速酶促褐变，被认为是娇嫩的食物商品（Shao, Wu, Chen, Sun, & Gao, 2020； Zhao 等，2022；Hu 等，2024；Yang 等，2024）。牛奶是另一种敏感的食品，经常因为微生物发酵而降解，这导致乳酸产生进而导致 pH 值下降，这显著影响了风味、气味和消费者的整体接受度。因此，一种能同时响应碱性变质代谢物和酸性变质改变的多功能指示系统，将能有效地解决新鲜度监测系统。

天然色素、花青素和其他多酚类物质可以方便且廉价地从葡萄皮中获取，葡萄皮是葡萄酒和果汁工业的重要副产品。这些生物活性成分以其非毒性、生物相容性、抗氧化活性和 pH 敏感性而闻名（Duan 等，2021；Su 等，2021；Fernandez-Marin, Fernandes, Sanchez, & Labidi, 2022；Jiang, Zhang, Cao, & Jiang, 2022）。尽管葡萄皮提取物在指示膜中的应用具有潜力，但由于稳定性差、色素浸出和与某些聚合物基质不相容等问题，其使用仍然有限。在这种背景下，生物可降解聚合物已作为天然新鲜度指示剂的载体基质进行了广泛研究（Shojaee-Aliabadi 等，2014；Shi, Ji, Zhang, Jia, & Yang, 2022）。其中，κ-角叉菜胶是一种源自红海藻的硫酸化多糖，因其优异的成膜能力、透明度、生物可降解性和食品级状态而备受关注（Rajamani & Khora, 2024）。与其他基于多糖的生物聚合物（包括藻酸盐、果胶、淀粉和纤维素衍生物）相比，κ-角叉菜胶生物聚合物形成的网络相对内聚和坚固，从而产生低氧气渗透性和理想机械强度的薄膜（Kannampilly & Thangavel, 2021）。此外，κ-角叉菜胶薄膜与生物活性化合物有有利的相互作用，这使其成为掺入天然提取物的合适聚合物基质。然而，目前的κ-角叉菜胶基指示膜经常存在高湿度敏感性、有限的机械强度和天然色素保留不足的问题，这限制了它们在实际食品包装系统中的实际应用（Rajamani & Khora, 2025）。PEG-4000 和 D-山梨醇作为κ-角叉菜胶生物聚合物的优秀增塑剂组合。它们是食品级、无毒、生物可降解的，并广泛用于可食用和生物可降解薄膜系统。PEG 与多糖基质具有高相容性。PEG 有效地降低了生物聚合物链之间的分子间氢键，从而增加薄膜的柔韧性并减少薄膜的脆性。D-山梨醇作为具有羟基的多元醇增塑剂，通过减少过度的湿度敏感性来改善链的流动性并保持薄膜的完整性（Roy, Kim, & Rhim, 2021；Riahi 等，2024）。与甘油等强吸湿性增塑剂相比，D-山梨醇和 PEG 4000 的组合非常有效。此外，PEG 4000 增强了薄膜的柔韧性和加工性，而 D-山梨醇有助于机械稳定性并限制粘性。此外，在实际储存条件下，许多合成指示膜在暴露于不同湿度水平或长期冷藏时，表现出颜色稳定性、反应灵敏度和重复性不足。此外，葡萄皮提取物与κ-角叉菜胶基质以及香果提取物（MFE）中的多酚类物质之间的协同相互作用，以提高指示膜性能，在传统合成指示膜中尚未得到解决，后者主要集中在单一天然染料或传统薄膜配方的使用上。因此，需要一种指示膜能够成功地将源自废物的天然色素掺入生物可降解聚合物基质中。具有葡萄皮提取物和香果提取物（MFE）多酚的κ-角叉菜胶薄膜可以克服色素不稳定、机械强度低和对食品变质时 pH 变化敏感性差等缺点。因此，开发具有葡萄皮提取物的κ-角叉菜胶薄膜是对农业工业副产品的增值，同时改善食品安全、减少食物浪费并增强消费者信心。

在本研究中，开发了基于κ-角叉菜胶的指示膜，并添加了香果提取物（MFE）作为颜色稳定剂和葡萄皮提取物（GPE），GPE 的浓度分别为 1%、5%、10% 和 20% w/v 作为 pH 响应指示剂。该膜设计为在食品变质期间释放的挥发性碱性化合物作用下发生可见且可逆的颜色变化。食品变质引起的环境碱度增加导致 GPE 中的花青素发生从黄烊阳离子形式到醌型碱和查尔酮形式的 pH 依赖性结构转变，这引起了指示膜的颜色变化机制。κ-角叉菜胶基质提供了受控的溶胀和挥发性胺基的扩散通道，从而实现时间相关性新鲜度指示器。开发的薄膜接受了不同的表征技术，以评估理化、机械以及紫外线和水屏障性能。指示膜在金枪鱼肉、虾、口蘑和牛奶于 25?C 和 4?C 下的新鲜度监测中的实用性进行了测试。通过测定储存食品的 TVB-N、微生物负载、pH 值和 MDA 含量，验证了指示膜对变质食品释放的挥发性胺的颜色响应。

章节片段
材料
聚乙二醇（PEG，分子量 4000 Da）、山梨醇（98%，分子量 182.18）、2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）和二叔丁基对甲酚购自印度 sd 精细化工有限公司。氧化镁（MgO）、硼酸和硫代巴比妥酸购自德国达姆施塔特 Sigma Aldrich。三氯乙酸、Mueller Hinton 琼脂（MHA）、Luria Bertani 肉汤和营养琼脂购自印度 Himedia 实验室私人有限公司。所有

厚度和水分含量
指示膜的厚度是评估屏障性能和机械特性的主要因素（Perera, Jaiswal, & Jaiswal, 2023）。开发的指示膜的外观见图 2a。指示膜的厚度显示在图 3a 中。随着提取物掺入生物聚合物基质，指示膜的厚度略有增加。厚度范围从 0.094 ± 0.0011 mm（KC/MF/GP1）到 0.124 ± 0.0014 mm（KC/MF/GP3）。轻微的

结论
使用κ-角叉菜胶作为生物聚合物基质，富含多酚的香果提取物（MFE）作为颜色稳定剂，富含花青素的葡萄皮提取物（GPE）作为 pH 指示剂，开发了一种智能显色 pH 响应指示膜。开发的指示膜表现出优异的水屏障、紫外线阻挡性能和机械强度。此外，指示膜在 25?C 和 4?C 下均显示出高颜色稳定性。此外，指示膜表现出高土壤

CRediT 作者贡献声明
Raja Priya Rajamani：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理。Deepankumar Kanagavel：写作 – 审查与编辑，可视化，验证，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化

未引用参考文献
ASTM Standard D882-09, 2012; ASTM Standard E96/E96M-16, 2015; Haiying 等，; Liu 等，2019; Pereira Jr 等，2015; Rubilar 等，2013.

利益冲突声明
Kanagavel Deepankumar 和 Raja Priya Rajamani 是印度专利申请 202641055092（2026 年 5 月）的发明人，该申请由印度泰米尔纳德邦维洛尔理工学院提交。作者声明没有其他已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性
数据可根据要求提供。

资助
本研究由印度维洛尔维洛尔理工学院通过授予 Prakash M 博士（PI）和 Kanagavel Deepankumar 博士（Co-PI）的种子资助（SG20250160）提供资金。

利益冲突声明
? 作者声明没有其他已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
作者感谢印度泰米尔纳德邦维洛尔理工学院（VIT）为本研究的顺利进行提供必要的基础设施和设施。

Raja Priya Rajamani|Kanagavel Deepankumar
生物技术系，生物科学与技术学院，印度泰米尔纳德邦维洛尔理工学院，维洛尔，印度 - 632014