《Trends in Food Science & Technology》：Encapsulation of anthocyanin for sustainable food packaging: Sources, preparation, mechanical, functional and physicochemical properties
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花青素封装技术通过保护性载体改善其稳定性与功能性，提升生物可降解包装材料的机械强度、阻湿性和热稳定性，为开发智能可持续包装提供新路径，但需解决触发特异性、标准化及规模化生产挑战。
哈米德·拉贾比（Hamid Rajabi）| 张万里（Wanli Zhang）| 郑英勋（Young Hoon Jung）| 萨罗阿特·拉德昆（Saroat Rawdkuen）
泰国清莱市玛法良大学（Mae Fah Luang University）农业产业学院（School of Agro-Industry）创新食品包装与生物材料单元，邮编57100
摘要
背景
传统塑料包装在实时监测食品质量和环境可持续性方面存在显著局限，这推动了人们对环保、具有活性和智能功能的包装系统的需求，这些系统需要结合天然生物活性化合物。其中，花青素（Anthocyanins, ANCs）——一种水溶性黄酮类色素，具有抗氧化、抗菌和pH响应特性——在这些应用中展现出巨大潜力。然而，由于其在环境压力下的不稳定性以及对薄膜性能的潜在负面影响，直接将其用于包装受到限制。本文深入探讨了封装技术作为一种变革性方法，以增强花青素在可生物降解聚合物基质中的稳定性、功能性和相容性。
研究范围与方法
本文详细分析了花青素的物理化学特性、其在食品包装中的局限性、封装技术及载体材料、薄膜制备方法，以及含有花青素的薄膜的物理化学和功能性能。重点讨论了机械强度、阻隔性能和比色响应性等方面。
主要发现与结论
研究结果表明，封装显著提高了花青素的拉伸强度和断裂伸长率、水蒸气透过率以及热化学稳定性。尽管取得了这些进展，但仍存在挑战，特别是在触发机制的特异性、标准化的阈值、监管批准以及生产规模化方面。未来的研究应优先考虑混合封装策略、针对特定食品的验证、生命周期评估以及经济可行的工业应用。总体而言，本文认为封装技术是下一代可持续包装的关键推动者，能够将生物聚合物薄膜转变为多功能平台，从而提升食品安全性、减少浪费并促进环境可持续性。
引言
塑料长期以来一直主导着包装行业，主要起到物理屏障和保障卫生的作用。然而，其本质上被动的特性使得它们无法实时监测食品的质量或新鲜度，可能导致食品变质未被发现，从而带来食品安全风险（Abedi-Firoozjah等人，2025年；Evode等人，2021年）。此外，传统石油基塑料对环境的影响——尤其是其不可生物降解性和因不当处理而造成的积累——引发了严重的生态和健康问题（Shamsuddin等人，2025年）。因此，近期研究重点开发了新型包装材料，这些材料不仅具备柔韧性、阻隔性能、可成型性和视觉吸引力等理想特性，还具有生物降解性、环保性和经济可行性。在这些替代材料中，天然生物聚合物（如多糖、蛋白质和脂质）成为有前景的选择（Babaremu等人，2023年）。这些材料不仅满足可持续性要求，还为包装系统提供了集成智能功能的潜力。
这种转变推动了食品行业对智能和活性包装的需求增长，这源于对食品安全、质量保持和环境可持续性的关注。活性包装将功能性成分（如抗氧化剂、抗菌剂）纳入包装基质中，以延长保质期并抑制食品变质。而智能包装则利用视觉指示剂来监测食品质量参数的变化。在食品变质过程中，由于酸性化合物或挥发性氨基代谢物的形成，pH值会发生变化。嵌入聚合物基质中的指示剂会因这些化学变化而发生结构变化，从而产生可见的颜色变化（Wu等人，2024年）。此类系统为消费者和生产者提供了实时视觉反馈，有助于改进决策并减少食品浪费。尽管活性/智能包装系统具有诸多优势（见图1），但它们也面临一些挑战，包括生产过程的复杂性和较高成本，以及在平衡机械性能、阻隔性能和降解性能方面的困难——尤其是在使用生物基聚合物时。
从蔬菜和水果中提取的生物活性化合物及其废弃物被认为是开发活性和智能包装系统的主要来源之一。虽然合成化合物（如氯酚红和溴酚蓝）也被用于这些系统（Hailu等人，2025年），但随着人们对使用化学化合物危害的认识增加以及这些化合物可能转移到食品表面的担忧，人们越来越倾向于用天然化合物替代它们（Rajabi & Razavi，2025b）。
在天然生物活性化合物中，花青素（Anthocyanins, ANCs）被广泛用于活性和智能包装系统的设计（Oladzadabbasabadi等人，2022年）。花青素是一类存在于多种水果、蔬菜和花卉中的水溶性黄酮类色素，其颜色会根据环境酸度而变化（见图2）。从化学结构上看，它们是花青素苷的衍生物，具有黄酮基阳离子核心结构。除了pH敏感的颜色变化能力外，花青素还因其抗氧化、抗菌、抗炎和抗癌特性而受到广泛认可（Bowen-Forbes等人，2010年）。这些多功能特性使它们成为活性和智能包装系统的理想候选材料（见图1）。
然而，尽管花青素具有诸多优点，但其实际应用受到稳定性的限制。它们对光、温度、氧气、酶和pH值波动非常敏感，容易导致快速降解和功能丧失（Fu等人，2024年）。例如，长时间暴露在热和紫外线下会导致氧化和色素降解（Enaru等人，2021年）。此外，游离的花青素会破坏生物聚合物网络，削弱其机械性能和阻隔性能。因此，提高花青素的稳定性并改善其与包装其他成分的相互作用对于确保基于花青素的新鲜度指示器的可靠性至关重要（Lv等人，2024年）。
这些稳定性问题，加上花青素对薄膜性能的潜在负面影响，限制了它们在包装薄膜中的直接应用，尤其是在长期使用的情况下（见表1）。为解决这些问题，封装技术应运而生。该技术将花青素分子包裹在保护性载体系统中（如多糖基质、脂质体或纳米乳液），从而保护它们免受环境降解，增强功能稳定性，改善其在复杂基质中的处理和整合，并实现可控或靶向释放（Rajabi等人，2025年）。目前有多种封装技术，可根据其作用机制进行分类：物理方法（喷雾干燥、冷冻干燥、电纺）、物理化学方法（复合凝聚、离子交联/凝胶化）以及化学或界面方法（基于乳液的系统、封装涂层）。研究表明，封装不仅提高了花青素的化学和热稳定性，还实现了可控释放，保持了其颜色强度，并增强了其与聚合物基质的相容性（Fu等人，2024年；Yücetepe等人，2024年）。
然而，由于封装过程涉及使用壁材料，封装后的花青素在薄膜或复合基质中的整合可能会显著影响其物理化学性质，包括厚度、溶解度、水蒸气透过率、机械和热性能以及形态。此外，微胶囊或纳米胶囊化花青素在薄膜基质中的均匀分布对于决定薄膜的抗氧化和抗菌活性至关重要，而这些活性与花青素的释放速率密切相关。多项研究表明，用于花青素封装的壁材料类型会显著影响包装薄膜的结构性能。例如，Rajabi和Razavi（2025b）观察到，在将封装后的花青素加入壳聚糖/罗勒籽胶/氧化石墨烯生物纳米复合材料后，薄膜的直径、水蒸气透过率和溶解度有所增加。这些变化的方向和程度——无论是增加还是减少——取决于多种因素，包括形成薄膜的聚合物和壁材料的物理化学性质、基质中花青素的浓度以及薄膜制备方法。
迄今为止，大多数研究集中在评估含有未封装花青素的包装薄膜上。目前尚无关于含有封装花青素的活性/智能包装薄膜的综述文章。因此，本文旨在全面概述封装花青素在活性和智能包装系统设计和开发方面的最新进展，包括花青素的封装技术、活性/智能包装薄膜的制备方法及其物理化学性质。
花青素的来源
花青素通过苯丙素途径在植物液泡中合成，并受遗传因素和环境信号的调控。已知有600多种花青素结构，主要存在于蓝莓、覆盆子、黑果越橘等浆果、葡萄和石榴中；以及红甘蓝、紫胡萝卜和红薯等蔬菜中；还有彩色谷物（紫玉米、黑米）和豆类种子外皮中。新兴的生产方法包括微生物培养和植物细胞培养。
用于包装的花青素封装
封装是一种有前景的技术，可将花青素（或更广泛地说，生物活性化合物，BACs）包裹在保护性载体中，以提高其稳定性、增强生物利用度，并在特定条件下实现可控释放。这种保护机制有助于防止生物活性化合物受到环境降解，并优化其功能。现有的封装技术包括喷雾干燥、冷冻干燥、电纺、离子凝胶化等。
含有封装花青素的活性/智能包装系统
活性包装将抗菌和抗氧化化合物纳入薄膜基质中，以增强其相应功能；而智能包装则利用视觉指示剂来监测食品相关参数的变化，如pH值、气体组成、温度或微生物活性。这些系统不仅提升了抗菌和抗氧化性能，还为消费者或生产者提供了关于包装食品状态的实时信息。
挑战与未来方向
封装花青素的系统代表了食品包装领域的变革性进展，从被动容纳发展为积极参与食品保存和实时质量监控。研究表明，在定制的生物聚合物基质中进行封装对于充分发挥花青素的潜力至关重要（Yu等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zheng等人，2023年；Zhou等人，2024年）。这种封装技术为花青素提供了必要的保护，防止其降解，使其能够更好地发挥作用。
结论
本文强调封装技术是实现花青素在可持续食品包装中充分发挥潜力的关键。封装技术提高了花青素的化学稳定性，支持其有效整合到基于生物聚合物的薄膜中。这些活性和智能包装系统能够根据食品变质指标产生实时、可视的颜色变化，从而直接在包装上监测食品新鲜度。
本文还介绍了多种天然聚合物的应用，包括壳聚糖和淀粉等。
CRediT作者贡献声明
哈米德·拉贾比（Hamid Rajabi）：撰写初稿、数据整理、调查和概念构思。
张万里（Wanli Zhang）和郑英勋（Young Hoon Jung）：撰写、审稿与编辑。
萨罗阿特·拉德昆（Saroat Rawdkuen）：撰写、审稿与编辑、概念构思及项目管理工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的经济利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究还得到了玛法良大学（Mae Fah Luang University）提供的博士后奖学金（编号05/2026）的支持。同时，也感谢高等教育、科学与创新部（Ministry of Higher Education）常任秘书办公室提供的Reinventing University Program Fund（编号F01-683R-04-045）的额外财政支持。
