《International Journal of Biological Macromolecules》：Development of bio-based intelligent film using purple yam (
Dioscorea alata) anthocyanin and starch for yellowfin tuna (
Thunnus albacares) freshness assessment
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本研究利用紫薯中提取的淀粉和花青素开发出一种pH响应性智能包装薄膜，通过颜色变化实时监测金枪鱼新鲜度，兼具优异生物降解性和机械性能，为可持续食品包装提供新方案。
作者：Isuri Ama Dissanayake, Dulani Somendrika
斯里贾耶瓦德内普拉大学（University of Sri Jayewardenepura）食品科学与技术系，斯里兰卡努格戈达（Gangodawila），纳盖戈达（Nugegoda）
摘要
基于可生物降解材料的智能包装是一种新兴的食品包装技术。紫薯（Dioscorea alata L.），也被称为大薯，是一种未被充分利用的薯类，富含花青素和淀粉。由于花青素具有pH值依赖性，本研究旨在利用紫薯花青素提取物（PYAE）和紫薯淀粉开发出pH敏感的生物基薄膜。通过溶剂浇铸技术制备了这些智能薄膜（PYS-A），并对其物理、光学、阻隔性能、机械性能、热性能、结构特性、生物降解性、抗氧化性、颜色稳定性及pH敏感性进行了全面分析。此外，还使用PYS-A薄膜评估了黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）的新鲜度。实验结果表明，添加PYAE显著提高了PYS-A薄膜的含水量、厚度、密度、水蒸气透过率、水溶性、不透明度、拉伸强度和抗氧化性能，同时降低了断裂伸长率和透光率（p < 0.05）。然而，PYAE含量对对照薄膜的热稳定性没有影响。扫描电子显微镜观察显示，随着PYAE含量的增加，薄膜表面变得越来越粗糙且不均匀，出现了不连续性和微小颗粒。傅里叶变换红外光谱分析揭示了薄膜中的氢键存在；X射线衍射结果表明PYS-A薄膜具有半结晶结构。尽管PYAE浓度不同，PYS-A薄膜仍表现出优异的生物降解性（>91%），并且在广泛的pH范围内（1–14）表现出明显的pH响应行为。当应用于黄鳍金枪鱼时，PYS-A薄膜能够通过颜色变化反映鱼的变质程度。这些发现展示了PYS-A薄膜在食品工业中作为智能包装材料的潜力。
引言
随着对可持续包装需求的增加，能够提升食品质量和安全性的环保材料的发展也得到了加速。传统包装主要侧重于物理保护和保存，但无法显示包装食品的实际状态。这些局限性促使了智能包装系统的出现，这类系统配备了特定工具，有助于实时监测包装易腐食品的新鲜度和变质情况[1],[2]。
鱼类和海鲜属于高度易腐食品，容易因微生物活动而迅速变质，这与pH值变化、质地变化及挥发性化合物的释放密切相关[3]。因此，有效监测鱼类新鲜度对于确保食品安全、避免经济损失和降低食源性疾病风险至关重要。现有的鱼类新鲜度评估方法包括感官评价、化学成分测定（总挥发性碱性氮 - TVB-N）和微生物检测，但这些方法需要实验室条件，操作繁琐，无法用于实时监测。为了克服这些限制，比色法新鲜度指标成为一种有前景的选择。这些指标能对变质食品的pH变化产生反应，从而通过颜色变化让消费者直观判断食品质量。智能包装系统不仅为消费者提供了更有效的保护，防止不安全食品的消费，还减少了食品浪费[4],[5]。
然而，大多数智能包装系统仍依赖于石油基合成塑料，这可能带来严重的环境问题[6],[7]。因此，最近的研究集中在使用可再生资源的生物基智能薄膜上，这类薄膜具有更低的环境影响、更好的可持续性和更强的生物降解性[8]。pH敏感智能薄膜由敏感染料和固体基底组成。常用的化学合成染料如溴酚蓝、溴甲酚绿、甲基红和二甲酚蓝常用于制备pH敏感薄膜[2]。但由于潜在的健康风险，这些合成染料不适合用于此类薄膜的制备。因此，作为生态和可持续的替代品，天然着色剂在食品包装行业中得到了应用。天然着色剂来自植物，毒性低、可再生且对环境影响小[2]。在pH敏感指标中，花青素备受关注，因为它们能根据介质的碱度或酸度发生结构变化。
虽然许多植物都可以提取花青素，但紫薯（Dioscorea alata L.）具有独特优势。这种未被充分利用的薯类在恶劣环境中也能良好生长，且所需投入少，因此是一种低成本且可持续的原材料。它富含酰基化花青素，主要成分为氰苷-3-葡萄糖苷。最新研究在紫薯中发现了新的酰基化花青素类型，如alatanin H [9] 和 alatanin D-G [10]，与非酰基化花青素相比，这些花青素具有更高的抗氧化活性[10]。
作为固体基底，碳水化合物、蛋白质和脂类等天然物质常被用于开发可生物降解薄膜，以替代传统塑料包装[2]。然而，淀粉薄膜在机械强度、水分敏感性和可扩展性方面仍存在局限性。尽管如此，由于其低成本、可再生性和生物降解性，淀粉薄膜仍是全球可持续发展的选择。通常情况下，淀粉占薯类总生物量的约20%[11]。因此，紫薯不仅是花青素的丰富来源，也是淀粉的丰富来源。
目前，大多数生物基智能薄膜都是使用来自不同植物的花青素和淀粉单独制备的[12],[13]。基于这一潜力，本研究探索了同时提取紫薯花青素提取物（PYAE）和紫薯淀粉（PYS）的方法，以探索用于智能食品包装的可持续途径，实现环保和可持续的发展目标。同时利用花青素和淀粉不仅提高了紫薯这一未充分利用作物的利用率，也符合循环经济原则，减少了农业废弃物。本研究的主要目标是制备一种含有PYS和PYAE的生物基智能薄膜，作为评估黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）新鲜度的pH敏感指示剂。
材料与化学试剂
紫薯采自斯里兰卡的Rajanganaya（坐标：8.16890, 80.19298）。新鲜黄鳍金枪鱼从当地市场（Delkada, 斯里兰卡）购买。所有使用的化学试剂均为分析纯度。
PYAE的提取与表征
PYAE的提取方法参考了Ochoa等人的研究[14]并稍作修改。首先将紫薯去皮，切成10毫米厚的片状，然后用家用搅拌机研磨。随后将200毫升乙醇与水的混合液（比例80:20）与10克研磨后的紫薯混合。
PYAE的表征
PYAE的TMAC和GEY分别为65.39 ± 2.57 mg L-1 Cy3GlE和13.69 ± 1.83%。如图1a所示，PYAE在不同pH值下表现出明显的颜色变化：在酸性环境（pH 1–3）下，由于花青素的flavylium阳离子形式的存在，提取物呈现亮红色；随着pH值向中性（pH 4–8）升高，颜色逐渐变化。
结论
本研究成功利用紫薯（Dioscorea alata L.）的淀粉和花青素制备出了用于监测黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）新鲜度的智能薄膜。高效的提取工艺获得了12.23 ± 0.13%的淀粉和13.69 ± 1.83%的花青素，有效利用了紫薯这一可再生资源。制备的智能薄膜经过关键物理化学性质测试，如颜色等。
CRediT作者贡献声明
Isuri Ama Dissanayake：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、方法论设计、数据分析、概念构思。
Dulani Somendrika：撰写 – 审稿与编辑、指导工作、方法论设计、概念构思。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写过程中，作者使用了QuillBot改写工具来提高手稿的可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
未引用参考文献
[58], [59], [60], [61]
利益冲突声明
作者声明其与提交的论文无任何直接或间接的财务或非财务利益关系。
致谢
作者衷心感谢斯里兰卡努格戈达（Gangodawila）斯里贾耶瓦德内普拉大学（University of Sri Jayewardenepura）应用科学学院的应用科学系（Department of Applied Sciences）的食品科学与技术系（Department of Food Science and Technology）、聚合物科学系（Department of Polymer Science）以及佩拉德尼亚大学（University of Peradeniya）理学院的地质学系（Department of Geology）提供的宝贵支持。
