综述：基于花青素的智能包装膜：结构特性、可生物降解聚合物、应用及食品新鲜度监测前景

《Food Chemistry: X》：Intelligent packaging films based on anthocyanins: A review of structural properties, biodegradable polymers, application and prospects in food freshness monitoring

本综述系统评述了花青素基智能包装膜在多组分基质协同机制、分子稳定化技术（如辅色素化、纳米封装）方面的创新突破，重点阐述了其从被动指示转向主动智能框架的多响应系统设计，为开发兼具实时新鲜度监测与抗氧化/抗菌功能的可持续包装提供了高价值参考。

　　

基于花青素的智能包装膜：食品新鲜度监测的新前沿

引言

在全球食品安全与环境污染双重挑战下，传统石油基包装材料因其不可降解性已成为严峻的环境问题。智能包装技术应运而生，其中，基于天然色素花青素的智能包装膜因其可生物降解性、无毒性和优异的pH响应特性，成为食品新鲜度实时监测的研究热点。这类包装系统能够通过可视化的颜色变化，直观反映食品在储存过程中的质量变化，为消费者提供无需仪器的快速判断依据。

花青素的结构与特性

花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性黄酮类色素，其名称源于希腊语"Anthos"（花）和"kyaneos"（蓝色）。其基本结构为苯并吡喃离子，通过羟基化、甲氧基化和糖基化等修饰产生结构多样性，从而影响颜色表现和稳定性。在自然界已鉴定的23种花青素苷元中，食品植物中以飞燕草素（50%）、矢车菊素（12%）、芍药素（12%）、矮牵牛素（12%）、锦葵素（7%）和天竺葵素（7%）为主。

花青素的颜色高度依赖pH环境：在酸性条件（pH 1-4）下以红色的黄烊阳离子形式存在；pH 4-6时转化为无色甲醇假碱；pH 6-8时形成粉红至蓝紫色的醌式碱；而pH>8时则生成黄色查尔酮。这种独特的pH响应特性使其成为理想的食品新鲜度指示剂。

除了颜色指示功能，花青素还展现出显著的生理活性。其抗氧化机制主要通过B环羟基的氢原子转移和C环氧原子的电子转移实现，能够高效清除超氧阴离子（O₂^•-）、单线态氧（¹O₂）、过氧自由基（ROO•）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（•OH）等多种活性氧物种。此外，花青素还表现出广谱抗菌活性，可通过蛋白质-多酚相互作用破坏微生物细胞膜结构，同时对双歧杆菌和乳酸菌等有益微生物具有促进作用。

花青素稳定性的提升策略

花青素在实际应用中面临稳定性挑战，易受pH、温度、光照、金属离子等因素影响而降解。目前主要采用辅色素化和微胶囊化两种策略增强其稳定性。

辅色素化是通过无色或浅色有机化合物（如类黄酮、酚酸、氨基酸等）与花青素分子形成π-π堆积或氢键复合物，显著增强颜色稳定性。研究表明，阿魏酸、单宁酸、柠檬酸等辅色剂的加入能有效延长花青素的半衰期，但需注意添加比例和与基质的相容性，避免影响薄膜力学性能。

微胶囊化技术将花青素包埋于麦芽糊精、阿拉伯胶、大豆蛋白等壁材形成的核壳结构中，屏蔽外界环境因素的不利影响。以麦芽糊精为壁材、单宁酸为辅色剂的复合微胶囊表现出最高的花青素保留率和包封率，同时增强了光稳定性。然而，微胶囊的加入可能劣化薄膜力学性能，需要在壁材选择和工艺优化方面进一步改进。

气体指示剂/传感器智能包装系统

花青素基智能包装系统通常利用气体指示剂监测二氧化碳和胺类物质，这些气体变化会改变包装顶空pH值，进而引发花青素颜色变化，实现食品安全参数的实时评估。

二氧化碳指示剂基于微生物腐败过程中CO₂的积累特性，通过pH敏感染料的颜色变化进行监测。虽然发光探针具有更高分析性能，但其对非食品级材料和辅助设备的依赖限制了应用。相比之下，基于pH的颜色指示剂成本低、无需仪器且食品相容性好，更适用于食品包装。

氨响应指示剂主要针对富含蛋白质的食品（如肉类和海鲜）。这类食品在微生物和内源酶作用下分解产生碱性含氮化合物（总挥发性盐基氮，TVB-N），导致包装环境pH升高。研究表明，丙烯醛交联壳聚糖-花青素薄膜能显著增强色素稳定性，在pH 2-13范围内呈现明显颜色梯度变化，成功应用于猪肉新鲜度监测。

可生物降解聚合物基指示膜

花青素指示膜主要采用可生物降解的生物聚合物制备，包括多糖类和蛋白质类基质。这些基质通过与花青素的分子间相互作用（氢键、静电作用等）形成复合体系，不仅提升薄膜性能，还确保包装完整性。

壳聚糖基薄膜

壳聚糖作为一种天然阳离子多糖，具有无毒、抗菌和良好成膜性。花青素与壳聚糖主要通过氢键和静电作用复合，显著改善薄膜的气体阻隔性和力学强度。研究显示，黑豆皮花青素的加入提高了壳聚糖薄膜的拉伸强度、湿度屏障和紫外线屏蔽能力，而不影响透明度。通过丙烯醛交联或柠檬酸酯化改性，可进一步增强薄膜的机械性能和水解稳定性。功能材料如纤维素纳米晶、硒肽、ZIF-8等的引入，进一步提升了薄膜的抗菌性和指示功能。

淀粉基薄膜

淀粉作为一种丰富的天然多糖，具有良好的生物相容性和成膜能力。花青素酚羟基与淀粉羟基间的氢键作用增强了分子间结合力，提高了复合膜的结晶度和耐水性。木薯淀粉-黑枸杞花青素薄膜表现出增强的拉伸强度、UV-Vis屏障和抗氧化活性。通过酯化淀粉、引入ε-聚赖氨酸盐酸盐或采用连续溶液浇铸法等技术优化，可进一步提高薄膜的机械性能和指示准确性。

蛋白质基薄膜

蛋白质（特别是明胶）因其优异的气体阻隔性和力学性能，在智能包装中应用广泛。花青素可通过疏水作用、氢键和静电吸引与蛋白质形成多重非共价复合物，改变蛋白质二级结构（如减少α-螺旋含量），增强复合物稳定性。明胶-结冷胶-花青素薄膜的电化学写入图案在不同温度下呈现显著颜色温差；明胶/果胶/碳点复合膜则展现出增强的力学性能、疏水性和抗菌活性；胶原-壳聚糖-花青素体系在虾新鲜度监测中表现出优异的颜色响应性。

其他聚合物基薄膜

聚乙烯醇作为水溶性合成聚合物，其分子链上大量羟基与花青素形成强氢键，制备的复合膜具有良好的力学性能和相容性。羧甲基纤维素通过静电作用和疏水作用将花青素锚定于聚合物网络中，但纯CMC膜存在阻隔性能差和机械强度低的问题。引入氧化石墨烯、多孔金属有机框架（UiO-66）和纳米二氧化硅等可显著改善其性能。

花青素负载膜在食品新鲜度监测中的应用

花青素基智能包装已广泛应用于肉类、水产、乳制品和果蔬等食品的新鲜度监测。在肉类和水产品中，TVB-N含量的增加导致pH变化，引发指示剂颜色改变。例如，金属离子交联的果胶/羧甲基纤维素/花青素薄膜，结合智能手机RGB分析，可实现虾新鲜度的精准监测；核壳结构静电纺丝纤维负载姜黄素和花青素，通过双色叠加拓宽颜色响应范围，显著提高监测灵敏度。

在乳制品中，微生物繁殖导致乳酸积累和pH下降，花青素指示剂通过颜色变化反映牛奶酸度变化。例如，结冷胶-明胶-花青素薄膜的电化学写入图案，其R值和B值与牛奶酸度（°T）和鱼TVB-N含量显著相关；普鲁兰多糖/海藻酸钠/纳米氧化锌复合膜在牛奶保鲜试验中呈现从深棕到黄色的明显颜色渐变。

对于水果和蔬菜，采后呼吸作用持续进行，影响产品质量和保质期。淀粉/明胶/紫薯花青素复合膜通过颜色从绿到黄绿的变化，有效反映金针菇新鲜度下降；Fe²⁺螯合红萝卜花青素纳米颗粒与壳聚糖/玉米蛋白复合制备的指示标签，结合微信小程序实现蘑菇新鲜度的快速定量解读；玉米淀粉/聚乙烯醇/蓝莓花青素纳米复合膜在气相和水相条件下均表现出显著颜色响应，成功用于双孢蘑菇质量实时监测。

挑战与未来展望

尽管花青素基智能包装展现出巨大潜力，但仍面临稳定性、成本和技术集成等挑战。未来研究应聚焦于：开发新型花青素检测剂并优化成膜基质材料；深入研究分子相互作用对天然色素释放特性的影响，控制迁移行为；探索智能包装材料与保鲜化学品的独特组合；研发替代性生产材料和循环再生检测技术；利用人工智能技术推动指示剂从监测功能向预测分析能力转变。通过多学科交叉创新，花青素基智能包装有望在食品安全和质量控制领域发挥更大作用。

结论

花青素基智能包装膜通过分子间相互作用显著提升复合材料的力学性能和物理特性，其抗氧化和抗菌功能有效延长食品货架期。多种天然聚合物的引入进一步增强了系统的自由基清除能力和活性屏障功能。开发兼具实时新鲜度监测与活性保鲜功能的智能指示系统，已成为食品包装功能化研究的核心趋势。