一种基于三元天然色素海藻酸盐贴片结合参考校正智能手机读数用于灰鲷鱼新鲜度筛查

《Applied Food Research》：A ternary natural-pigment alginate patch with reference-corrected smartphone readout for grey sea bream freshness screening

　　

摘要
本研究开发了一种结合蓝莓花青素提取物、姜黄素和螺旋藻来源藻蓝蛋白色素的海藻酸钠比色贴片，并联合黑/白参考校正智能手机分析，用于冷藏鱼类新鲜度筛查。复合贴片表现出6.04 MPa的拉伸强度、0.019 g cm^?2 d^?1的水蒸气透过率、13.82 %的溶胀率，以及在冷藏条件下（8 ± 1°C）的颜色稳定性（ΔE < 3）。在灰鲷鱼于8 ± 1°C贮存12天期间，总挥发性盐基氮（TVB-N）从6.24增至48.13 mg N 100 g^?1，pH从5.90升至7.06，总活菌数（TVC）从3.30增至5.57 log CFU g^?1，支持了在所测条件下新鲜度的渐进性丧失。鱼类顶空响应与腐败性挥发物同水合海藻酸盐-色素基质间的相互作用一致，而直接pH和NH₄OH测试用作液触敏感性测定，鱼类包装响应则在顶空条件下另行评估。RGB衍生的HSV色度（Chroma）与TVB-N、pH及TVC呈更强的负相关（r = -0.95、-0.94和-0.94），优于色相（Hue）的相关系数（r = -0.53、-0.34和-0.37）。主成分分析支持了这些关系。该工作流程能够在所测冷藏贮存和环境成像条件下实现快速、非破坏性的新鲜度筛查，并为拓展至更多贮存场景和成像设备提供了基础。

**基于三元天然色素海藻酸盐贴片与参考校正智能手机读数的灰鲷鱼新鲜度筛查研究解读**

**1. 研究背景与问题提出**

鱼类及水产品是重要的营养来源，但也是极易腐败的食品。在冷藏贮存过程中，微生物生长和内源酶活性会逐渐降解鱼类品质，促进氨、三甲胺和二甲胺等挥发性碱性氮化合物的形成，导致总挥发性盐基氮积累和pH升高。传统的鲜度评估方法，如感官评价、总活菌数和TVB-N测定，虽然是质量评价所必需的，但往往具有破坏性、耗时、依赖操作人员经验或需要实验室条件。这些局限性促使研究人员开发快速、非破坏性且易于使用的筛查工具，作为参考鲜度分析的补充手段而非替代。

智能包装系统集成新鲜度指示器，为食品质量变化的现场监测提供了实用途径。其中，pH敏感性比色贴片尤其受到关注，因为它们能够响应腐败过程中释放的碱性挥发物，将化学变化转化为可见的颜色信号。天然色素因其可再生来源、可见pH响应性和潜在的消费者接受度而被广泛探索。蓝莓花青素表现出显著的pH依赖性颜色转变和抗氧化活性；姜黄素在碱性条件下从黄色变为橙红色；螺旋藻来源的藻蓝蛋白色素可能提供额外的蓝绿色光学贡献。然而，每种色素也存在固有缺陷：花青素在光、氧和热作用下可能降解；姜黄素水溶性低且对光敏感；藻蓝蛋白色素在不利pH条件下可能褪色或发生结构变化。将这三种色素源组合成三元体系，可能拓宽颜色响应窗口并改善视觉区分度，前提是所得贴片在冷藏包装条件下保持稳定和可读性。

以往研究已报道了用于鱼类鲜度监测的天然色素指示器，包括基于花青素与姜黄素或藻蓝蛋白的二元体系。近期关于天然色素指示器、海藻酸盐基质和化学计量学方法的研究提供了有用背景。然而，大多数现有研究集中在材料配方或受控条件下的视觉颜色解释上。实际比色监测常受光照变化、相机响应、颜色背景效应和主观视觉解释的影响。这些因素降低了视觉检查的可靠性，限制了天然色素指示器在光照和成像条件未标准化的实际应用中的转化。相关研究已涉及基于花青素的pH敏感性包装、机器视觉比色传感和用于鱼类品质分级的智能手机RGB/HSV分析，但这些方法通常采用受控成像环境或单色素体系。在环境成像条件下，将三元天然色素配方与智能手机比色读数相结合的系统性评估，尚未在冷藏鱼类新鲜度筛查中得到开展。

**2. 研究目的与意义**

因此，本研究开发了一种含有蓝莓花青素、姜黄素和螺旋藻来源藻蓝蛋白色素的海藻酸钠比色贴片，并与标准化支架、黑/白参考校正和智能手机RGB至HSV读数集成，用于冷藏灰鲷鱼新鲜度筛查。该研究旨在评估参考校正的智能手机工作流程能否在测试条件下改善天然色素海藻酸盐贴片的半定量解释。主要贡献在于将三元天然色素配方、可插入式海藻酸盐贴片形式、标准化成像支架、黑/白参考校正和RGB至HSV智能手机读数相结合，用于冷藏灰鲷鱼的非破坏性新鲜度筛查。该论文发表在《Applied Food Research》。

**3. 关键技术方法**

研究人员采用了以下主要技术方法：制备蓝莓花青素提取物、姜黄素和螺旋藻来源藻蓝蛋白色素溶液，通过UV-Vis光谱分析其pH响应特性；采用溶液浇铸法制备含三元色素的海藻酸钠贴片；使用质构分析仪测定拉伸强度和断裂伸长率，采用改良杯法测定水蒸气透过率，通过浸水法测定溶胀率；利用色度计监测贴片颜色稳定性；采用FTIR和SEM分析贴片pH暴露后的化学和形态变化；开发基于Python/OpenCV的智能手机图像处理流程，通过黑/白参考校正RGB值并转换为HSV色相和色度；在冷藏鱼类贮存试验中，将贴片固定于包装盖内顶空位置，同时测定鱼肉TVB-N、pH和TVC；采用线性回归、皮尔逊相关和主成分分析进行统计分析。灰鲷鱼样本购自阿尔及利亚阿尔及尔当地市场，于贮存试验开始时采购。

**4. 研究结果**

*4.1 光谱特性*
UV-Vis光谱和视觉颜色观察显示，蓝莓花青素随pH升高从粉色变为紫蓝色，姜黄素在pH 5-7为黄色、pH 10-14变为橙红色，螺旋藻来源色素在pH 10以上开始褪色。三元混合溶液在pH 5-14范围内产生从黄绿色到青蓝色的连续且可区分的颜色转变，支持其用于贴片制备。

*4.2 贴物理化性质*
三元CE+AP+BA贴片表现出最低的溶胀率（13.82 %）和最低的水蒸气透过率（0.019 g cm^?2 d^?1），以及最高的拉伸强度（6.04 MPa）。这种改善可能归因于三种色素与海藻酸盐基质间的协同物理相互作用形成了更致密的网络结构。对照贴片和单色素贴片的相应值均低于或高于三元配方。

*4.3 颜色稳定性*
在8 ± 1°C冷藏12天期间，CE+AP+BA贴片的ΔE值保持在3以下，表现出最佳的冷藏颜色保持能力。在25°C下，颜色变化加剧，ΔE在12天时达到约5.07，表明该复合贴片更适合冷藏应用而非室温贮存。

*4.4 pH和氨水响应*
在直接液触pH校准中，Hue从pH 5时的100.3°降至pH 14时的38.5°（线性拟合R² = 0.95），RGB衍生的HSV Chroma从15.2增至28.7（R² = 0.73）。在0-0.05 % NH₄OH直接接触下，Hue从89.7°降至52.4°（R² = 0.83），Chroma从16.8升至19.3（R² = 0.89）。这些结果确立了贴片的直接液触碱性敏感性。

*4.5 鱼类贮存动态*
在8 ± 1°C贮存12天期间，TVB-N从6.24增至48.13 mg 100 g^?1，TVC从3.30增至5.57 log CFU g^?1，pH从5.90升至7.06，证实了新鲜度的渐进丧失。TVB-N在第10天超过30 mg 100 g^?1，第12天超过35 mg 100 g^?1的欧盟参考基准值。鱼类包装实验中，贴片颜色变化归因于顶空介导的挥发性碱性化合物吸收，而非直接接触鱼肉pH。贮存期间Hue在152.02°至161.87°间波动（第0-8天），第12天降至121.25°；RGB衍生的HSV Chroma从15.06更单调地降至8.17，更适合跟踪腐败进程。

*4.6 相关性与主成分分析*
相关分析显示，Hue与TVB-N、pH和TVC呈弱至中等负相关（r = -0.53、-0.34和-0.37），而RGB衍生的HSV Chroma与这些腐败指标呈强负相关（r = -0.95、-0.94和-0.94）。从TVB-N-Chroma回归方程推导，Chroma值10.28和9.30分别对应TVB-N 30和35 mg 100 g^?1，定义了本数据集特异性的预警区间。主成分分析中，PC1和PC2分别解释81.50 %和15.99 %的方差，TVB-N、pH和TVC载荷方向一致，Chroma位于相反方向，支持其与腐败指标的负相关关系。

**5. 讨论与结论**

本研究通过黑/白参考校正和RGB至HSV转换，将微小的顶空介导颜色变化转化为与鱼类腐败相关的可测量信号。RGB衍生的HSV Chroma被确定为该数据集中最稳健的数字描述符，优于Hue。该系统被定位为补充性、非破坏性和半定量筛查工具，可与标准化学和微生物分析并行使用。贴片设计为非接触式顶空指示器，固定于包装内盖，与鱼肉和渗出物物理分离。未来若考虑直接食品接触应用，需遵循适用的迁移、浸出、毒理学和法规食品接触框架。

研究结论指出，含有蓝莓花青素、姜黄素和螺旋藻来源藻蓝蛋白色素的海藻酸钠比色贴片，结合参考校正智能手机读数，成功实现了冷藏鱼类新鲜度监测。三元贴片表现出6.04 MPa的拉伸强度、13.82 %的溶胀率和0.019 g cm^?2 d^?1的水蒸气透过率，表明其具有机械完整性和相对稳定的基质，适合作为可插入式指示器。在8 ± 1°C贮存期间，TVB-N从6.24增至48.13 mg N 100 g^?1，pH从5.90升至7.06，TVC从3.30增至5.57 log CFU g^?1。贴片对碱性条件表现出可测响应，并在冷藏条件下显示ΔE < 3的颜色稳定性。鱼类贮存期间，RGB衍生的HSV Chroma从15.06降至8.17，与TVB-N、pH和TVC的负相关（r = -0.95、-0.94和-0.94）强于Hue。本研究的主要贡献在于将三元色素贴片、标准化支架、黑/白参考校正和智能手机RGB至HSV分析集成，Chroma成为最强大的数据集特异性数字描述符。该工作流程将微小的顶空介导颜色变化转化为与鱼类腐败相关的可测量信号，为冷藏鱼类新鲜度提供了实用的非破坏性筛查工具。该框架可扩展至更多鱼类品种、贮存条件以及适用的直接接触应用认证。