含黑豆花青素的壳聚糖/海藻酸钠/结冷胶水凝胶作为牛肉新鲜度监测显色指示剂的制备与表征

《Food Research International》：Fabrication and characterization of chitosan/sodium alginate/gellan gum hydrogels containing black bean anthocyanins as colorimetric indicators for beef freshness monitoring

　　

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  制备了一种新型CS/SA/LAG/ACNS水凝胶用于牛肉新鲜度监测。
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  NaCl通过离子对和网络限制作用提高了水凝胶的颜色稳定性。
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  该指示剂表现出pH响应性颜色变化，从红色变为深黄色。
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  颜色变化与多种牛肉腐败指标呈良好相关性。

引言

牛肉是一种高价值、富含蛋白质的肉类产品，其质量下降与微生物生长、蛋白质降解和挥发性碱性化合物有关。近年来，由于现代生活节奏加快以及消费者对便利性的追求，包装食品的需求大幅增加（Zeng等，2024）。为满足日益增长的需求，各种智能包装材料正逐步被应用和开发。比色新鲜度指示剂特别具有吸引力，因为它们通过明显的颜色变化提供实时、可视化和非破坏性的新鲜度评估，同时具备简单、低成本和易用等优点（Chen, Li等，2020）。然而，此类指示剂的实用化关键在于信号分子的选择。合成染料传统上被用作pH敏感探针，因为它们具有敏锐的颜色转变和高稳定性；然而，它们通常需要多步化学合成，并可能具有潜在的细胞毒性和环境风险，限制了其在食品接触材料中的安全应用。相比之下，天然染料，尤其是花青素，由于其高安全性、环境友好性和优异的pH响应颜色切换特性而引起了越来越多的关注。然而，花青素在pH波动、温度、光照和氧气等外部刺激下极不稳定，导致储存过程中快速降解和褪色（Ghosh等，2022）。为了克服这种固有缺陷，将花青素嵌入固体载体材料中已被广泛认为是一种有效且直接的稳定化方法。

基于这一策略，近年来利用不同的生物高分子基质，包括蛋白质、多糖及其复合材料，开发了许多基于花青素的新鲜度指示剂，用于监测肉类和水产品（Li, Wang等，2024；Yun等，2023；Zhang等，2025；Zhang, Zou等，2022）。这些研究展示了花青素基指示剂的广泛应用性。然而，大多数这些系统是以薄膜或微球形式制备的，在潮湿或冷藏条件下通常存在吸水有限、阻隔性能不足和机械柔韧性差的问题。

水凝胶是一种柔软湿润的物质，由疏松多孔的三维交联网络组成，可以储存大量水分而不会解体（Hong等，2024）。它为固定天然色素提供了理想的基质，同时保持其响应性。壳聚糖（CS）因其独特的化学结构和多功能性，已成为水凝胶制备的首选生物高分子。然而，纯CS水凝胶存在机械强度不足、稳定性差和降解速率不可预测的问题，限制了其实用化（Xu, Liu等，2024）。为了克服这些缺点，与其他聚合物复合已被证明是有效的（Liu等，2025）。海藻酸钠（SA）由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸通过1,4-糖苷键连接组成，其羧基可与CS的氨基形成强静电相互作用，使其成为CS基水凝胶的理想搭档（Khorshidi等，2023）。低酰化结冷胶（LAG）是一种由葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖组成的高分子量细菌外多糖，具有优异的凝胶特性、高透明度和良好的生物相容性，其凝胶强度可通过离子浓度和温度进行调节（Xu, Du等，2024）。将LAG引入CS/SA基质可增加物理交联密度，从而提高机械强度和结构稳定性，同时提高黑豆种皮花青素（ACNS）的包封效率，适用于经济且前景广阔的食品包装应用。此外，引入NaCl作为稳定添加剂。据报道，钠离子可通过助色效应和静电屏蔽效应调节花青素稳定性，但在水凝胶网络中增强花青素长期颜色表现方面的潜在作用尚未得到充分研究（Han等，2024）。这些空白为合理设计一种兼具结构稳健性、增强色素保护和颜色稳定性的水凝胶载体提供了依据。

因此，本研究的目标是通过CS、SA和LAG的物理交联开发一种pH/NH₃^?双敏感食品指示剂，并将ACNS引入CS/SA凝胶基质中，制备出具有高稳定性、优异机械性能和pH敏感性的壳聚糖水凝胶。NaCl在该系统中的潜在稳定机制被认为涉及双重效应：在化学方面，Cl^?预计与花青素的黄烩阳离子形成离子对，产生助色效应以增强颜色稳定性和响应性；在物理方面，NaCl预计通过增加水凝胶微环境的离子强度来调节带电多糖链之间的静电相互作用，从而改变聚合物链的排列方式，并可能限制花青素的迁移及其暴露于促进降解的因素中。通过pH变化、总挥发性氮、硫代巴比妥酸水平、总菌落数和牛肉腐败指标评估了该水凝胶指示剂监测牛肉新鲜度的有效性。据我们所知，这是首次报道一种负载ACNS的CS/SA/LAG三元复合水凝胶用于非接触式实时牛肉新鲜度监测，也是首次提出该水凝胶基质中NaCl辅助稳定可以显著提高花青素的长期比色性能。当前研究结果表明，利用凝胶形式通过非接触方法评估食品新鲜度具有广阔的前景。

各节摘要

材料

黑豆种皮购自榆树市裕香大豆加工厂（吉林省，中国）。壳聚糖（脱乙酰度>95%）、海藻酸钠和低酰基结冷胶购自凡德生物技术公司（中国）。冰醋酸、氨水和盐酸购自天津新通精细化工有限公司（天津，中国）。氢氧化钠（NaOH）和乙酸乙酯购自阿拉丁（上海，中国）。弱极性大孔树脂AB-8

ACNS氨响应性评估

在肉类腐败过程中，由于微生物分解蛋白质的作用，会释放出氨类物质（Mohammadalinejhad等，2024）。ACNS的制备过程如图1A所示。为了评估ACNS与氨的反应性，图1B中的紫外光谱分析表明，当将ACNS提取物添加到不同浓度的氨水溶液中时，在614 nm处出现了一个吸收峰。此外，该

结论

本研究开发了一种简单安全的pH/NH₃响应性水凝胶指示剂，用于监测牛肉新鲜度。使用NaCl提高ACNS的颜色稳定性，并将CS、SA和LAG结合构建具有改善结构和机械性能物理交联水凝胶基质。该水凝胶表现出pH响应性颜色变化、良好的细胞相容性和抗菌活性。此外，补充了对铜绿假单胞菌的

CRediT作者贡献声明

勾东霞：撰写——审阅与编辑。郭延秋：方法学、形式化分析。洪凡迪：撰写——初稿。任方祺：方法学。王清波：概念构思。张文涵：形式化分析。唐玉娇：验证、项目管理。赵俊：验证、项目管理、资金获取、形式化分析。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试对象。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到吉林省科学技术厅（20210204147YY）的资助。

勾东霞|郭延秋|洪凡迪|任方祺|王清波|张文涵|唐玉娇|赵俊