基于壳聚糖-琼脂薄膜的pH敏感比色标记物的开发，该薄膜嵌入了茜素和肉桂醛精油，用于监测新鲜切割的木瓜和香菇的新鲜度

《International Journal of Biological Macromolecules》：Development of pH-sensitive colorimetric labels base on chitosan-agar films embedded with alizarin and cinnamaldehyde essential oil for monitoring the freshness of fresh-cut papayas and shiitake mushrooms

本研究开发基于壳聚糖-琼脂-肉桂精油乳液的pH敏感变色标签（PSCLs），优化复合薄膜的物理化学性质及热稳定性。实验表明，添加不同比例肉桂精油乳液的复合薄膜（CAGAC1-CAGAC3）能有效指示鲜切菠萝和香菇储存过程中的pH变化，其颜色变化与重量损失率、腐败率等关键品质指标呈显著相关性，为智能包装监测提供新方案。

　　

吕云英|闫文|刘德坤|徐聪聪

山东省曲阜市曲阜师范学院生命科学学院，273165，中国

摘要

本研究开发了pH敏感型比色标签（PSCLs），用于监测新鲜切割的木瓜和香菇的新鲜度。这些PSCLs通过溶液浇铸法制备，并对其物理化学性质、热性能、微观结构和应用性能进行了全面表征。结果表明，将茜素（Al，3%，w/w）和不同比例的肉桂醛精油乳液（CEOE，1:8、1:7和1:6，v/v）结合到壳聚糖（CS）和琼脂（Ag）基质中制成的复合膜（CAGAC1、CAGAC2和CAGAC3）作为PSCLs表现出最佳性能。三种CAGAC膜中的茜素均表现出明显的pH响应性。添加CEOE提高了热降解温度和结晶熔点，降低了膨胀程度和水分溶性，并在高湿度条件下保持了膜的结构完整性。形态学和结构分析进一步表明，CEOE的加入减少了茜素与基质之间的聚集，提高了它们在膜中的相容性。此外，CEOE还增强了Schiff碱的形成、氢键作用和静电相互作用。应用实验表明，在储存过程中，这三种CAGAC膜能够准确响应颜色的变化。皮尔逊相关性分析显示，三种膜的颜色参数（b*和ΔE）与重量损失率、腐败率、相对电导率、包装内CO?含量和水蒸气压力等关键质量指标之间存在强正相关，而与硬度和DPPH自由基清除活性则呈负相关。这些发现为开发智能包装标签提供了有希望的基础，以实现非破坏性地监测新鲜切割农产品的新鲜度。

引言

近年来，由于新鲜切割水果和蔬菜的便利性和营养价值，对其需求不断增加。然而，新鲜切割处理往往会加速储存过程中的品质下降。对于消费者、生产者和经营者来说，直观且定量地判断储存过程中新鲜切割农产品的品质变化一直是一个迫切的需求。传统方法被广泛用于评估其物理化学品质，但这些方法通常耗时且需要复杂的仪器[1]。值得注意的是，智能包装可以在不破坏包装完整性的前提下提供关于食品品质变化的定性或半定量信息[2]。此外，这项技术还可以帮助消费者直观且科学地判断食品的品质和安全信息。

众所周知，新鲜切割农产品在储存过程中的品质下降通常伴随着CO?和挥发性有机化合物的释放，从而导致顶部空间pH值的降低。因此，智能包装系统中的pH敏感型比色标签（PSCLs）被用于可视化监测新鲜切割农产品的新鲜度[3]。这些标签主要由成膜基质和pH敏感染料组成。天然聚合物因其安全性、可再生性和生物降解性而被广泛认为是理想的基质材料[4]。壳聚糖（CS）因其优异的成膜能力、生物降解性和生物相容性而成为首选的成膜基质[5]。然而，CS膜在高湿度环境下容易因吸湿而断裂，这限制了其应用范围[6]。为了解决这些问题，提出了将CS与其他生物聚合物混合使用的方案。琼脂（Ag）是从红藻中提取的多糖，具有优异的成膜性能和适中的耐水性[7]。据报道，CS-Ag复合材料表现出优异的成膜相容性和改善的物理性能，成为克服纯CS膜局限性的有效策略[8]。然而，现有研究主要集中在探索CS作为基于Ag的基质中的添加剂[9]、[10]。相比之下，利用Ag作为改性剂来改善CS膜的研究相对较少。为了填补这一研究空白，本研究采用CS作为主要基质，并添加Ag进行改性，提供了一种创新且尚未充分探索的开发先进材料的方法。

此外，pH敏感染料是比色指标的另一关键组成部分，可分为合成染料和天然色素。虽然合成染料已被用于监测新鲜切割农产品（如青椒[11]和苹果[12]）的新鲜度，但其潜在的迁移性引发了安全担忧。因此，由于天然色素的安全性，它们受到了越来越多的研究关注。然而，选择天然色素作为智能包装的pH响应指标受到其物理化学稳定性和比色性能的限制。花青素对温度和光照非常敏感，容易发生降解[13]。甜菜碱在酸性到中性条件下颜色变化很小[14]，并且可能带来异味[15]。姜黄素的光稳定性较差，pH变化对其颜色影响很小[16]。相比之下，茜素（Al，1,2-二羟基蒽醌，C14H8O4），一种从茜草根中提取的天然蒽醌色素，对温度不敏感[17]，并在不同的pH范围内表现出明显的颜色变化：酸性条件下为黄色，中性条件下为红色，碱性条件下为紫色[18]。在新鲜切割水果和蔬菜的储存过程中，呼吸作用产生的CO?与包装顶部空间的水分反应，导致pH值逐渐降低[19]。茜素从紫色变为黄色的颜色变化能够敏感地捕捉并指示这一关键的酸化过程，从而实现新鲜切割农产品品质变化的直观监测。据报道，将茜素结合到金属有机框架（MOF）-卡拉胶膜中用于监测橙子的新鲜度，证明了茜素在检测新鲜切割水果新鲜度方面的可行性[3]。然而，据我们所知，茜素的成功应用主要集中在监测富含蛋白质的食品的腐败情况[20]、[21]，其在监测新鲜切割水果和蔬菜储存过程中的品质变化方面的潜力仍较为有限。

此外，主要由肉桂醛组成的肉桂精油（CEO）具有多种有益的生物活性，并被认定为“普遍认为安全（GRAS）”[22]。CEO可以与CS的氨基团形成氢键，从而增强形成的膜的网络结构并提高其机械强度[23]。然而，由于其相容性较差，CEO可能难以很好地融入亲水性CS中。可以通过将CEO封装在油水乳液系统中来解决这一问题，其中使用Tween-80作为乳化剂来稳定CEO相并促进其在CS基质中的均匀分散[24]。然而，肉桂精油乳液（CEOE）与茜素之间的协同作用，特别是它们对茜素比色响应性的综合影响，以及CEO在调节疏水性茜素与亲水性CS-Ag基质之间相容性中的作用，尚未得到研究。因此，揭示CEOE在调节膜基质及其对比色响应性方面的双重作用至关重要。

基于此，本研究开发了基于CS-Ag-CEOE-Al复合膜的PSCLs。对这些复合膜进行了物理性质、比色响应性、热稳定性、内部相互作用和微观结构的表征。此外，还通过实际储存实验评估了这些PSCLs在监测新鲜切割木瓜和香菇新鲜度方面的潜力。这些PSCLs的开发将为新鲜切割农产品的智能包装系统提供可行的策略，有助于减少食物浪费并提高消费者、生产者和供应链操作者的品质监测能力。

材料与试剂制备

壳聚糖（脱乙酰度95%，CAS:9012-76-4）、琼脂（Ag）、茜素（Al）和肉桂精油（CEO）分别从北京Coolaber、北京Aoboxing Bio-tech Co., Ltd.、Macklin Biochemical Co., Ltd.和上海 Yi En Chemical Technology Co., Ltd.购买。醋酸、甘油和Tween-80从Fuyu Fine Chemical Co., Ltd.购买。CEOE的制备方法参考了Zhang等人的方法，并进行了修改[25]。具体来说，将CEO（2%，v/v）和Tween-80（2%，v/v）分散在去离子水中。

茜素溶液的比色和稳定性评估

作为一种蒽醌衍生物，茜素含有能够捐赠电子的酚羟基。该溶液在酸性介质（pH 2–4）中呈黄色，在弱碱性介质（pH 5–6）中呈橙色，在中等碱性介质（pH 7–9）中呈紫红色，在强碱性介质（pH 12–13）中最终呈蓝紫色（图1a）。相应地，最大吸收峰从酸性介质的430 nm连续移动到弱碱性介质的526 nm。

结论

本研究成功制备了基于CS-Ag-CEOE-Al复合膜的PSCLs。为了解决关键材料问题，添加了琼脂以提高CS膜在高湿度下的抗膨胀性，同时茜素作为一种高效的pH敏感色素。此外，CEOE增强了茜素与CS-Ag复合基质之间的相容性。三种CAGAC膜表现出优异的疏水性、颜色稳定性和对pH变化、醋酸等的响应性。

CRediT作者贡献声明

吕云英：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，数据管理。闫文：撰写 – 审稿与编辑，研究，数据管理。刘德坤：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用，方法学。徐聪聪：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该项目得到了山东省自然科学基金（编号：ZR2022MC156）的支持。