pH敏感的聚（乙烯醇）/槲皮素/姜黄素纳米纤维膜用于食品保鲜监测

智能食品包装材料基于PVA/槲皮素/姜黄素纳米纤维膜开发，通过电纺与热处理增强湿度稳定性，具有pH响应性（ΔE=12.54）、88%抗氧化率和13-15mm抑菌圈，快速响应氨气及虾腐败（ΔE=16.17），实现食品新鲜度可视化监测。

　　

作者：Se Rin Koo、Jun Tae Kim、Kiramage Chathuranga、Jong Soo Lee、Young Il Yoon、Won Ho Park

韩国忠南国立大学有机材料工程系，大田 34134

摘要

食物浪费是一个日益严重的环境问题，部分原因在于难以判断食物是否变质。为了解决这一问题，人们开发了pH敏感的智能包装材料来监测食物的新鲜度。在本研究中，通过静电纺丝技术制备了一种由聚（乙烯醇）（PVA）、槲皮素（Que）和姜黄素（Cur）组成的纳米纤维膜（NFM），并对其进行热处理以增强其在潮湿条件下的耐湿性。此外，将槲皮素和姜黄素加入PVA中赋予了该膜多种功能，包括紫外线屏蔽、抗氧化活性（88%）以及抗菌性能（抑菌圈为13–15毫米）。当暴露于氨气中时，PQC NFM表现出快速的颜色变化，ΔE值为12.54，优于传统薄膜。在虾变质测试中，PQC NFM的颜色变化（ΔE = 16.17）比相应薄膜（ΔE = 13.57）更明显，这表明其具有作为消费者友好型智能包装材料的潜力。

引言

食物浪费是一个重大的全球性挑战，对环境和经济都有深远影响（Scialabba, 2015a）。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，每年约有13亿吨食物被浪费，占全球食品产量的近30%。这种大规模的食物损失导致每年约33亿吨温室气体排放，占全球排放总量的8–10%（Forbes, 2021a）。值得注意的是，大部分食物浪费并非由于食物实际变质，而是由于消费者对食物新鲜度和安全性的判断失误（Ganeson et al., 2023b）。因此，能够提供实时可靠新鲜度信息的先进食品包装技术受到了越来越多的关注（Cheng et al., 2022b）。智能食品包装指的是能够检测食品质量变化并通过视觉、化学或电子信号向消费者传递信息的材料。这些包装系统通常包含气体传感器、pH敏感化合物、比色指示剂和抗菌剂等传感组件（Biji, Ravishankar, Mohan, & Srinivasa Gopal, 2015a）。其中，比色pH敏感指示剂因其简单性、低成本和直观的视觉响应而受到特别关注（Prietto et al., 2017a）。这类系统可以检测与食品变质相关的化学变化，例如氨等挥发性碱性氮化合物的生成，从而引发可见的颜色变化，表明食物新鲜度下降（Realini & Marcos, 2014a）。 在先前的研究中，多种天然pH敏感染料（如花青素）因其广泛的pH响应范围和明显的颜色变化而被广泛研究（Xia et al., 2025）。然而，尽管花青素具有较高的pH响应性，但它们的热稳定性和光稳定性较差（Patras, Brunton, O’Donnell, & Tiwari, 2010a），这限制了其在智能食品包装系统中的实际应用。相比之下，姜黄素是一种从姜黄根茎中提取的疏水性多酚化合物。它在酸性和中性条件下pH敏感性较低，但在碱性条件下会发生明显且可识别的颜色变化（Xiang, Sun-Waterhouse, Cui, Wang and Dong, 2018a, Xiang, Sun-Waterhouse, Cui, Wang and Dong, 2018b）。这一特性使得姜黄素特别适合用于检测与变质相关的碱性挥发性化合物。此外，与其他天然pH敏感染料相比，姜黄素具有更好的热稳定性，适用于涉及热处理的包装系统（Patras, Brunton, O’Donnell, & Tiwari, 2010b; Qin et al., 2015; Yildiz, Sumnu, & Kahyaoglu, 2022）。 槲皮素（Que）是一种从多种植物中提取的黄酮类化合物，具有优异的抗氧化、抗菌活性和紫外线阻挡能力，有助于减缓食品的氧化降解和细菌变质（Li, Yan, Guan, & Huang, 2020a; Masek, Latos, Piotrowska, & Zaborski, 2018a）。最近的研究表明，槲皮素的pH敏感性较低，这表明其在智能包装系统中有潜在的应用价值（Jiang et al., 2024a）。在本研究中，将槲皮素作为功能性添加剂加入包装基质中以增强其保护性能，而姜黄素则继续发挥其pH指示剂的主要作用。 为了实际应用，pH敏感指示剂必须有效地固定在包装基质中，以保护其免受水分、氧气、光线和机械损伤等外部因素的影响。常见的包装基材包括纸张、聚合物薄膜和纳米纤维膜（NFMs）（Luo, Zaitoon, & Lim, 2022a; Vadivel et al., 2019a; Z. Wang, Liu, Zeng, & Huang, 2025）。静电纺丝聚合物纳米纤维基基质由于其高比表面积和多孔结构，相比传统的溶剂浇铸薄膜，能够提高封装指示剂的灵敏度和响应速度，从而更准确地监测食品新鲜度（Guo et al., 2020a）。然而，尽管有关PVA-姜黄素基薄膜和纳米纤维的报道很多，但使用相同成分的薄膜和纳米纤维结构之间的系统比较仍然有限（Chen, Zhang, Bhandari, & Yang, 2020; Huang et al., 2024）。 我们假设，即使材料组成相同，由于纳米纤维膜具有更高的比表面积和多孔结构，其比色灵敏度和对变质相关碱性气体的响应速度也会显著优于传统薄膜。在本研究中，使用水溶性且生物相容的聚合物聚（乙烯醇）（PVA）作为基质材料，通过静电纺丝制备了PVA/槲皮素/姜黄素（PQC）纳米纤维膜（NFM），并与成分相同的溶剂浇铸薄膜进行直接比较。尽管PVA在水体系中具有优异的加工性能，但其高水溶性在潮湿条件下会导致尺寸稳定性较差，限制了其在食品包装中的应用（Pan, Ai, Shao, Chen, & Gao, 2019a）。先前的研究通过使用交联剂（如戊二醛）提高了NFMs的耐水性（He et al., 2024a），但由于这些交联剂的毒性和食品安全性问题，其应用受到限制（Bigi, Cojazzi, Panzavolta, Rubini, & Roveri, 2001）。因此，我们提出了一种简单且环保的热处理方法，无需使用交联剂和有机溶剂，即可提高PQC纳米纤维膜在潮湿条件下的尺寸稳定性（Gao, Luo, Wang, Gao, & Ge, 2015a）。此外，先前的研究还表明，这些负载有姜黄素或槲皮素的纳米纤维膜没有细胞毒性，进一步证明了它们适用于食品包装（Roopesh et al., 2023; Bashir et al., 2025）。 在本研究中，通过氨气暴露和实际食品变质测试系统评估了pH敏感的PQC纳米纤维膜和薄膜作为智能食品包装材料的比色传感性能（图1）。这表明，纳米纤维膜的多孔结构和高比表面积是提高智能食品包装系统灵敏度和响应速度的关键。

材料

通过静电纺丝制备纳米纤维膜

将PVA溶解在去离子水（D·I水）和乙醇（体积比9:1）的混合溶剂中，并在90°C下搅拌1小时以制备PVA溶液。随后向PVA溶液中加入1 wt%的槲皮素...

PQC纳米纤维膜的表征

用于pH传感的酚类化合物（槲皮素和姜黄素）的化学结构通过ATR-IR光谱进行分析。图2a显示了它们官能团的特征峰。槲皮素的O-H伸缩峰位于3400 cm^-1，姜黄素的O-H伸缩峰位于3507 cm^-1。 图2b显示了PVA、PQ和PQC纳米纤维膜的ATR-IR光谱。PVA纳米纤维膜展示了PVA的特征峰，包括O-H伸缩峰（3312 cm^-1）和C-H伸缩峰...

结论

通过静电纺丝含有PVA、槲皮素和姜黄素的溶液，并经过环保的热处理工艺，成功制备了PQC纳米纤维膜，提高了其结构稳定性和耐水性。所得PQC纳米纤维膜表现出优异的抗氧化和抗菌性能，以及对pH变化的明显且敏感的比色响应。值得注意的是，即使与其它成分结合，PQC纳米纤维膜中的姜黄素仍保持其pH依赖性的颜色变化行为...

作者贡献声明

Se Rin Koo：撰写 – 原始草稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。 Jun Tae Kim：方法论、正式分析。 Kiramage Chathuranga：方法论、正式分析。 Jong Soo Lee：监督、审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、监督、方法论。 Won Ho Park：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

未引用的参考文献

Aytac, Ipek, Durgun, Tekinay and Uyar, 2017b Bao et al., 2025a Biji, Ravishankar, Mohan and Srinivasa Gopal, 2015b Cheng et al., 2022a Cui et al., 2024a Dey, Singh, Smita, Biswas and Kumar, 2024b Dou, Zhang, Feng and Jiang, 2015b Enayati et al., 2016a Ezati, Bang and Rhim, 2021a Ezati, Bang and Rhim, 2021b Forbes, 2021b Ganeson et al., 2023a Gao, Luo, Wang, Gao and Ge, 2015b G?ksen et al., 2021 Guo et al., 2020b He et al., 2024b Koshy et al., 2021b Li, Yan, Guan and Huang, 2020b Luo, Zaitoon and Lim, 2022b Ma, Du

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的研究结果。

致谢

本研究得到了韩国政府资助的“国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划”（项目编号：RS-2024-00343186）和忠南国立大学的支持。