冷等离子体改性壳聚糖负载姜黄素-白藜芦醇纳米乳液智能指示膜：pH响应机制、比色性能及罗非鱼新鲜度监测应用

《Food Chemistry: X》：Intelligent indicator films based on cold plasma-modified chitosan loaded with curcumin-resveratrol nanoemulsions: pH-responsive mechanism, colorimetric performance and application for tilapia freshness monitoring

　　

基于冷等离子体改性壳聚糖负载姜黄素-白藜芦醇纳米乳液的智能指示膜：pH响应机制、比色性能及罗非鱼新鲜度监测应用。玉米醇溶蛋白（zein）纳米乳液包封姜黄素（curcumin, Cur）和白藜芦醇（resveratrol, Res）用于pH敏感智能膜；冷等离子体（cold plasma, CP）改性调控复合膜中生物活性物质的释放；30 kV的CP处理赋予复合膜优异的力学性能、阻隔性能和抗氧化性能；该膜对罗非鱼腐败产生的挥发性胺表现出pH响应性颜色变化。

水产品作为重要的膳食资源，在贮藏和运输中易因微生物生长和内源生化代谢而快速腐败，造成品质劣变和食品安全风险，传统破坏性取样和常规分析方法无法满足实时可视化质量监控需求。壳聚糖虽具有可降解性和成膜性，但缺乏实时新鲜度指示能力，且其固有抗菌抗氧化性能不足。姜黄素（curcumin, Cur）是典型pH敏感多酚，白藜芦醇（resveratrol, Res）具有抗氧化和抗菌活性，但二者水溶性差、易聚集，直接添加导致分散不良和响应性下降。纳米乳液（nanoemulsions, NEs）技术可提高活性物质稳定性和分散性，冷等离子体（cold plasma, CP）改性可通过表面蚀刻和极性基团引入调控膜结构与表面性能。为此，研究人员将玉米醇溶蛋白-姜黄素-白藜芦醇-海藻酸钠纳米乳液（ZCRS NEs）掺入壳聚糖基质，经不同电压（0、10、30、50 kV）CP改性，制备pH响应型活性复合膜，并评估其对罗非鱼新鲜度的可视化监测能力。结果表明，30 kV CP改性膜综合性能最优，颜色变化与鱼腐败程度强相关，为开发绿色智能水产品包装提供了可行策略。

研究人员制备了ZCRS NEs，表征其粒径、ζ电位、形貌和包封率；随后将NEs与壳聚糖共混成膜并进行CP改性，系统评价膜的微观结构、力学性能、光学性能、阻隔性能、耐水性、抗氧化活性、活性物质释放行为及pH/氨/乙酸响应性；最后将膜贴附于罗非鱼片包装内部，于4 °C贮藏4天，监测膜色差值（ΔE、a*）与鱼片pH、总挥发性盐基氮（total volatile basic nitrogen, TVB-N）、质构、总活菌数（total viable count, TVC）和硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substances, TBARS）的关联。罗非鱼样本（平均体重1500±150 g）购自中国海南当地超市，源自具有检疫证书的淡水养殖场。

关键技术方法包括：采用反溶剂共组装和高压均质制备ZCRS NEs；利用介质阻挡放电冷等离子体对复合膜进行表面改性；通过扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱表征微观结构；采用质构仪、色差仪、透气透湿测试等评估理化性能；以DPPH和ABTS法测定抗氧化活性；在50%和95%乙醇食品模拟物中考察释放行为；应用监测中按国标方法测定TVB-N、pH、质构、TVC和TBARS。

3.1 ZCRS NEs表征
激光粒度仪和显微镜结果显示，ZCRS NEs平均粒径为200.2 nm，多分散指数（polydispersity index, PDI）为0.185，ζ电位为?44.1 mV，呈规则球形；海藻酸钠阴离子涂层赋予体系负电荷，静电排斥维持胶体稳定。紫外分光光度法测得Cur和Res的包封率分别为78.43±1.21%和71.2±0.97%，表明双酚类物质被有效负载。

3.2 NEs复合膜的微观表征
SEM显示纯壳聚糖膜表面光滑均匀，掺入NEs后出现微凸起和褶皱，CP改性进一步增加表面粗糙度，但50 kV高能粒子轰击使突起被选择性溅射而趋于平坦。XRD显示复合膜无新衍射峰，活性物质以无定形分散，CP改性后衍射峰宽化、结晶度下降，表明聚合物链重排。FTIR证实NEs与壳聚糖间形成分子间氢键，CP改性增强该相互作用，同时酰胺I和酰胺II带变化说明存在静电吸引和氢键协同。

3.3 NEs复合膜的性能表征
厚度与力学性能：NEs掺入增加膜厚度、拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB），CP改性通过表面交联和结构重排进一步提升力学性能，但50 kV过高能量导致分子链断裂和性能下降。颜色与光学性能：NEs使L*降低、a*和b*升高，膜呈更深黄色；CP改性进一步降低透光率，增强紫外阻隔。阻隔性能：NEs与CP改性显著降低水蒸气透过率（WVP）和氧气透过率（OP），30 kV时最优（WVP为4.87±0.11×10^?6 g·m^?1·d^?1·Pa^?1，OP为1.37±0.07 g·m^?1·d^?1·atm^?1），50 kV时因过度蚀刻产生微孔而恶化。耐水性与水接触角：NEs提高膜的耐水性，CP改性进一步降低含水率、溶胀度和水溶性，水接触角在30 kV时最大（0 s为78.7°），归因于表面粗糙化和极性基团消耗。抗氧化活性：NEs显著提高DPPH和ABTS清除率，CP改性增加表面粗糙度提供更多反应位点，且高电压促进酚类释放，故抗氧化能力增强。释放行为：Cur和Res在50%和95%乙醇模拟物中呈双相释放（0–24 h快速释放，24–72 h缓释），CP改性呈电压依赖性调控，10 kV加速释放，30–50 kV因交联增强而抑制释放。指示响应：膜在碱性缓冲液和氨气中颜色由黄变深橙黄，CP改性增强显色灵敏度，30 kV最优，50 kV因网络结构破坏而响应变慢。

3.4 膜在罗非鱼新鲜度监测中的应用
在4 °C贮藏期间，罗非鱼片pH先降后升，TVB-N从5.61±0.90 mg/100 g升至第4天的23.34±1.36 mg/100 g（超过腐败限值20 mg/100 g）；硬度和弹性持续下降，TVC和TBARS不断上升，表明微生物增殖和脂质氧化驱动腐败。复合膜的ΔE和a*在前两天变化不显著，之后随挥发性含氮化合物积累逐渐增大，颜色由黄向红黄转变。所有膜组中，30 kV CP改性膜的颜色变化最显著，与鱼片质量指标强相关，证实其可定量、可视化监测罗非鱼新鲜度。

讨论部分指出，CP改性通过表面蚀刻和极性基团引入优化了膜表面孔结构和活性基团分布，从而增强氨灵敏度；但50 kV过度蚀刻破坏微结构完整性和活性位点，削弱响应。颜色响应机理基于Cur分子β-二酮结构的可逆酮-烯醇互变异构：酸性/中性条件下呈酮式显亮黄色，碱性条件下转为烯醇式并因去质子化形成扩展共轭体系而颜色加深；Res通过氢键稳定解离的酚氧阴离子，提高显色稳定性。膜颜色参数变化与TVB-N积累过程同步，表明比色响应可作为鱼腐败指示。结论翻译如下：该研究将ZCRS NEs掺入壳聚糖膜，通过CP改性（0、10、30、50 kV）制备了新型pH响应活性复合膜。表征证实CP改性有效调控膜表面结构和化学特性，引入极性官能团增加表面活性位点，进而提高膜功能性质。30 kV CP处理膜达到最佳综合性能：其比色响应显著优化，机械强度、阻隔性能和紫外防护能力大幅提高，同时保持优异抗氧化活性。膜颜色变化与罗非鱼腐败程度呈强线性相关，支持可靠的可视化新鲜度监测。颜色响应机理基于Cur的可逆酮-烯醇互变异构，颜色转变恰发生在鱼腐败对应的pH阈值。比色响应与质量指标间强相关性证实了膜的准确性和可靠性。该工作采用zein NEs共包封Cur和Res，为将双重生物活性成分整合入pH敏感智能包装膜提供了有效途径；CP改性作为绿色物理策略进一步调控活性物质释放。膜对腐败罗非鱼挥发性胺的明显pH触发变色使其适用于水产品可视化新鲜度评估，为生物基智能包装材料开发和水产食品工业应用提供了绿色可行策略。