皮革废弃物胶原蛋白/紫甘蓝复合薄膜：用于实时肉类新鲜度评估的pH指示剂

《RSC Advances》：Leather waste collagen/purple cabbage composite film: a pH indicator for real-time meat freshness assessmentOpen Access

　　

实时监测肉类新鲜度对于确保食品安全和减少浪费至关重要；然而，传统方法通常复杂且环境不可持续。在本研究中，研究人员通过将紫甘蓝粉末（PCP）掺入从皮革废弃物中提取的胶原蛋白基质中，开发了一种完全可生物降解的智能指示薄膜。该薄膜通过微生物转谷氨酰胺酶（TG）进行共价交联，并通过κ-卡拉胶（κC）进行物理增强，以实现快速的pH响应颜色变化。增加PCP含量降低了拉伸强度和断裂伸长率，但增强了表面亲水性，从而促进了薄膜的快速pH响应。该薄膜在pH 2–8范围内表现出从红色到绿色的可见颜色转变，当应用于25°C储存的猪肉时，随着总挥发性盐基氮（TVB-N）含量——蛋白质分解的关键指标——达到15.21 mg/100 g的腐败阈值，薄膜发生了明显的颜色变化。这项工作为皮革固体废物的资源化利用提供了一种可持续策略，同时为肉类实时监测提供了一种有效且环保的解决方案。

# 论文解读：基于皮革废弃物胶原蛋白与紫甘蓝的pH响应复合薄膜用于肉类新鲜度实时监测

## 研究背景与意义

富含蛋白质的食品（如肉类、海鲜）在储存和运输过程中极易受微生物作用而腐败，产生总挥发性盐基氮（TVB-N）并释放不良气味，这不仅造成经济损失，还威胁消费者健康。传统的新鲜度监测方法依赖色谱、光谱等仪器分析，虽精确但操作复杂、设备昂贵，难以日常应用。早期智能包装尝试使用溴甲酚绿、甲基红等合成染料，但合成染料存在毒性迁移风险，且其塑料基质不可降解，违背可持续发展原则。因此，开发可食用、可生物降解的天然高分子智能包装膜成为研究热点。

胶原蛋白因优异的生物相容性、丰富的原料来源和活性基团，成为理想候选材料。其天然三螺旋结构可形成稳定纤维网络，侧链上的氨基和羧基能与花青素等天然色素通过氢键或静电作用结合，同时良好的亲水性和水蒸气透过性有利于吸收挥发性氨类物质，提高对TVB-N的响应速率。然而，从哺乳动物组织提取胶原蛋白成本高且与食品资源竞争。皮革工业在脱毛、削匀等过程中产生大量富含胶原蛋白的废料，如能将其高值化利用，可避免与食品竞争并实现制革固体废物的资源化。紫甘蓝粉末（PCP）富含稳定花青素，颜色变化显著，可直接掺入膜基质中，避免溶剂萃取带来的复杂性和环境影响。

目前，尚无研究将皮革废弃物胶原蛋白作为基质、采用清洁无溶剂方法直接添加PCP制备完全可生物降解的智能膜用于肉类新鲜度监测。为此，本研究旨在开发一种完全可生物降解的智能膜，通过酶法从皮革工业羊皮修剪下脚料中提取胶原蛋白，利用微生物转谷氨酰胺酶（TG）共价交联增强韧性，并物理共混κ-卡拉胶（κC）形成互穿网络，直接加入PCP作为天然pH指示剂。该研究发表于《RSC Advances》，为皮革固体废物增值和肉类实时监测提供了可持续且环保的解决方案。

## 主要关键技术方法

研究人员从皮革工业副产品（羊皮修剪下脚料，来源：河南Prosper & Colomer Moda有限公司）中，通过胃蛋白酶消化法在0.5 M乙酸中于4°C提取48小时，经透析和冷冻干燥获得海绵状胶原蛋白。紫甘蓝粉末（PCP）通过冷冻干燥、研磨和过200目筛制备。复合膜制备时，将胶原蛋白溶于0.5 M乙酸，加入4%（w/w）TG于45°C反应60分钟进行酶促交联，90°C灭活10分钟；再加入10% κC和25%甘油，60°C混合30分钟；最后加入不同浓度（0-25%）PCP，搅拌30分钟后浇铸成膜。表征方法包括：扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析分子相互作用，X射线衍射（XRD）评估结晶度，热重分析（TGA）评价热稳定性；力学性能按ASTM D882测试拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）；水蒸气透过率（WVP）按ASTM E96测定；水接触角（WCA）评价表面亲水性；UV-Vis光谱测透光率；土壤掩埋试验评估生物降解性；乙醇释放试验和氨气敏感性试验评估花青素固定和响应性能；pH响应性在pH 2-8缓冲液中测试；猪肉新鲜度监测于25°C储存，TVB-N按国标GB 5009.288-2016测定。

## 研究结果

### 3.1 结构与理化性质

通过SDS-PAGE验证，从羊皮修剪下脚料提取的胶原蛋白呈现典型I型胶原蛋白条带（α1和α2链约115 kDa，比例约2:1，以及β二聚体和γ三聚体），无低分子量碎片，表明酶提取过程中未发生水解降解，保持了天然三螺旋结构和分子完整性。SEM观察显示，纯胶原膜（Col）表面粗糙纤维状，经TG交联后（CT）表面更光滑均匀，添加κC后（CP0）仍保持光滑，表明胶原与κC界面相容性好。随PCP含量从5%增至25%，膜表面逐渐出现颗粒状结构，高PCP负载时更致密，但截面SEM显示所有复合膜均连续致密，无空隙或相分离，证实PCP被紧密包裹。FTIR光谱显示，Col膜在3317 cm^-1（酰胺A）、1641 cm^-1（酰胺I）和1543 cm^-1（酰胺II）有特征吸收，TG交联后酰胺A峰增强且变窄，表明氢键增强。添加κC后，1240-1260 cm^-1区域出现细微变化，可能与κC的硫酸酯基团有关。15% PCP（CP15）时，酰胺A峰显著变宽，多峰高斯拟合解析出1727.9 cm^-1（果胶酯C=O伸缩）和1585.9 cm^-1（花青素芳香C=C伸缩）两个组分，后者红移表明存在强氢键作用。XRD分析显示，Col膜在7.21°和20.02°有衍射峰，TG交联后峰位偏移且宽化，结晶度降低；添加κC后7°峰消失，仅剩20.86°宽峰，表明基体转变为高度均一的无定形结构；随PCP增加，20°附近峰强度进一步减弱，相对结晶度（CrI）从35%（Col）降至15%（CP25）。TGA表明所有膜经历三个降解阶段，最大降解温度（Tmax）在336.2°C附近，随PCP增加略微降低，但均高于300°C，足以满足热封等加工需求。

### 3.2 力学与屏障性能

Col膜TS为6.28 MPa，EB为14.33%；TG交联后（CT）TS和EB分别提高至11.97 MPa和67.01%；进一步添加κC（CP0）后TS达到最高13.11 MPa，EB降至41.30%。随PCP含量从0%增至25%（CP0至CP25），TS从13.11 MPa降至2.37 MPa，EB从41.30%降至17.83%，这是由于PCP填料稀释了承重网络并引起应力集中。应力-应变曲线显示Col呈现典型脆性断裂，CT和CP0表现出延性变形，PCP增加后曲线向低应力低应变偏移。膜厚度随PCP增加从约180 μm增至207 μm。WVP方面，Col最高（4.71×10^-10 g m^-1 s^-1 Pa^-1），交联和κC共混后（CP0）降至4.22×10^-10，10% PCP（CP10）时最低（3.85×10^-10），随后回升至4.31×10^-10（CP25）。WCA从Col的89.81°升至CP0的97.37°（疏水性增强），随PCP增加逐渐降至51.14°（CP25），表明亲水性增强，有利于吸收挥发性氨。UV-Vis光谱显示，PCP添加显著降低了透光率，尤其在200-400 nm紫外区，表现出优异的紫外屏蔽性能。生物降解性测试中，CP15膜在21天土壤掩埋后降解率63.8%，6天后开始碎裂，前期降解归因于甘油浸出、PCP应力集中和胶原酶解。

### 3.3 智能响应与应用

乙醇释放试验显示，PCP负载≤15%时颜色变化ΔE较小（1.07-2.34），表明花青素固定良好；25% PCP时ΔE=5.56，出现部分浸出。氨气敏感性试验中，膜暴露于氨蒸气后从红色渐变为绿色，颜色变化强度随PCP含量增加而显著，15% PCP时对比明显。pH响应性测试显示，CP15膜在pH 2-4呈稳定红色，pH 5-6变紫，pH 7变蓝，pH 8变绿；ΔE相对于pH 2在pH 2-4时>5，pH 5-7时2.67-3.21，仍可区分。在猪肉新鲜度监测应用中，25°C储存18小时后，TVB-N从8.31 mg/100 g升至15.21 mg/100 g，超过国标阈值（15 mg/100 g），同时膜颜色发生明显变化。ΔE与TVB-N值呈强线性相关（R2=0.977），拟合方程y=0.33138x+7.92574，表明膜颜色变化可直接反映猪肉新鲜度。

## 结论

研究人员成功开发了一种高度敏感的pH响应薄膜，通过将紫甘蓝粉末（PCP）直接掺入由转谷氨酰胺酶（TG）共价交联并经κ-卡拉胶（κC）通过氢键物理增强的皮革废弃物衍生胶原蛋白复合基质中。该薄膜响应挥发性碱性氮化合物引起的pH变化，表现出从红色到绿色的明显可见颜色转变，从而能够有效实时检测猪肉新鲜度的恶化。系统表征证实，协同交联网络赋予了足够的机械完整性和热稳定性，而PCP的掺入赋予了快速灵敏的比色响应性。这项工作提供了一种双赢策略，对环境可持续性和食品安全都具有重要意义。一方面，它为皮革工业中富含胶原蛋白的固体废物提供了高价值利用途径，将环境负担转化为功能性生物材料，从而推进了循环生物经济和清洁生产的原则。另一方面，它为实时肉类新鲜度监测提供了一种有效、环保且完全可生物降解的解决方案，减少了对智能包装中合成指示剂和不可降解塑料的依赖。从化学角度来看，这项研究表明，TG酶催化的皮革废弃物胶原蛋白交联，结合κ-卡拉胶，产生了一个稳定的网络，能够在不进行共价修饰的情况下固定花青素，同时保持其pH敏感的变色行为。