牛血清白蛋白制备的荧光水凝胶用于实时监测硫化氢及食品新鲜度

《Food Chemistry》：Albumin from bovine serum-prepared fluorescent hydrogel for real-time monitoring of H 2S and food freshness

　　

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  制备了一种用于H₂S响应的新型荧光智能水凝胶标签。
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  荧光探针功能化水凝胶对不同水平的H₂S表现出明显的荧光颜色变化。
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  荧光探针作为响应信号，BSA作为参考信号。
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  该智能标签实现了肉类新鲜度的实时、精确和可视化监测。

引言

由食品腐败引起的食物浪费已成为日益严重的全球性问题。全球每年有超过10亿吨食物被浪费，造成了巨大的经济损失（Corradini, 2018）。传统食品标签仅标示食品保质期，无法为消费者提供实时的新鲜度信息。消费者难以评估食品的新鲜度，最终错过了最佳食用日期。智能包装系统的快速发展为实时监测食品新鲜度提供了新的解决方案（Fan等人, 2026）。基于响应材料的智能标签因使用简便、视觉反馈和成本低廉等优势而备受关注（Yousefi等人, 2019）。其原理是，肉类和海鲜等高蛋白食品在微生物代谢和酶的作用下腐败，释放挥发性胺、硫化氢（H₂S）等标志物（Feng等人, 2024）。挥发性胺为碱性物质，可引起pH值变化。通过监测挥发性气体含量和pH值的变化即可获得新鲜度状况。目前，用于食品新鲜度监测的智能标签主要分为显色型和荧光型。荧光响应型标签因灵敏度高、响应迅速、信号直观且可实现定量分析而受到广泛关注（Jia等人, 2019）。挥发性胺和pH响应型智能标签已得到充分发展，但关于H₂S响应型智能标签的报道较少。此外，大多数H₂S响应型智能标签是将响应材料物理嵌入聚合物基底中制备的，仍存在稳定性差和易泄漏等问题，限制了其在食品包装系统中的实际应用（Huang等人, 2025; Mao等人, 2025）。

水凝胶是由聚合物链物理或化学交联形成的三维网络结构材料。水凝胶具有高孔隙率、优异的生物相容性、高比表面积和吸液能力。水凝胶的多孔结构有利于气体的快速扩散，使其能够快速响应目标分子，是构建响应型智能标签的理想载体。牛血清白蛋白（BSA）作为一种天然蛋白，来源广泛、成本低廉、生物相容性优异，在水凝胶构建中得到广泛应用（Shi等人, 2024）。此外，BSA含有大量活性基团，如氨基（?NH₂）和羧基（-COOH），通过修饰或使用交联剂可直接制备基于BSA的水凝胶（Lin等人, 2026）。乙二醇双缩水甘油醚（EGDE）作为一种高效交联剂，可通过其环氧基与蛋白分子上的-NH₂或羟基（-OH）共价交联，在温和条件下形成稳定的水凝胶网络，显著提高水凝胶的机械强度和稳定性（Sun等人, 2024）。同时，EGDE依靠环氧开环反应完成交联。与BSA链上的氨基/羟基开环接枝反应后，环氧活性基团被完全消耗，无有毒小分子残留（Mao等人, 2024）。固化后的交联网络化学性质稳定、无致癌性、低细胞毒性，满足食品间接接触的安全要求（Wang等人, 2025）。如今，已开发出高量子产率和长寿命的荧光探针，用于构建监测食品新鲜度的智能传感器。Xu等人（2025）开发了一种基于三苯胺的荧光探针试纸，用于检测H?S以评估食品腐败过程。Xiao等人（2021）报道了一种可开关的荧光探针，能高选择性检测H?S，并将其负载于试纸上监测肉类腐败。然而，大多数荧光探针功能化智能标签依赖单一荧光颜色的变化，检测结果容易受环境因素干扰，往往难以达到预期效果。此外，单一荧光颜色的变化不明显，可能导致无法用肉眼判断肉类腐败程度。为提高灵敏度并减少环境因素的干扰，研究人员专注于开发多色荧光标签，以克服单色荧光变化的局限性（Li等人, 2026）。多色荧光标签具有更高的可靠性和更明显的颜色变化，能够用肉眼评估食品新鲜度。因此，开发用于食品新鲜度监测的多色荧光智能标签具有重要意义。

本研究开发了一种用于可视化监测食品新鲜度的BSA荧光水凝胶智能标签（BE-P）。该智能标签通过小分子荧光探针（NP-H₂S）与BSA水凝胶之间的共价交联构建，负载荧光探针。荧光探针（NP-H₂S）对H?S表现出优异的响应性，其荧光颜色随H?S浓度变化而改变。通过智能手机拍摄记录智能标签的RGB值变化，可实现对硫化氢的定量分析。此外，该智能标签用于监测猪肉、牛肉和虾的新鲜度，以验证其应用潜力。总体而言，本研究开发了一个结合荧光探针与水凝胶的H₂S检测可视化平台，为快速、无损、可视化评估肉类新鲜度提供了新策略。

各节摘要

材料

BSA购自Sigma-Aldrich（中国上海）。乙二醇双缩水甘油醚购自安徽泽晟科技有限公司（中国安徽）。所有其他化学试剂均购自阿达玛斯试剂有限公司（中国上海）。薄层色谱（TLC）使用硅胶60 F254，柱色谱使用硅胶（300-400目），均购自青岛海洋化学品公司（中国青岛）。

BSA水凝胶和智能标签的制备

BSA（300、400和

水凝胶的设计与制备

开发了一种简便可控的交联策略用于制备基于BSA的水凝胶。在碱性条件下，BSA的游离-NH₂与交联剂EGDE的环氧基反应形成水凝胶。通过倒置小瓶法测试了水凝胶的溶胶-凝胶相变过程。150 mg/mL BSA与40% EGDE的混合物在55°C热处理下30 min内转变为稳定凝胶状态（图S2）。在加热过程中，

结论

本工作通过将荧光探针接枝到基于BSA的水凝胶上开发了一种荧光智能响应标签，并成功应用于肉类新鲜度的无损实时监测。BSA经H₂S活化荧光探针修饰后，与EGDE共价交联形成智能水凝胶标签。该标签在365 nm紫外光下对H₂S表现出灵敏的颜色和荧光响应，检测限（LOD）为5.5 ppb，并表现出良好

CRediT作者贡献声明

欧阳敏：初稿撰写、可视化、形式化分析、数据管理、概念构思。梁承远：数据管理、概念构思。袁瑶：验证、调查研究、概念构思。林沁璐：验证、调查研究。周立毅：审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到中国湖南省自然科学基金（编号：2023JJ30988）和湖南省研究生创新基金（编号：CX20251262）资助。

欧阳敏|梁承远|袁瑶|林沁璐|周立毅