一种多功能羧甲基壳聚糖/明胶双层薄膜，其中负载了噬菌体胶囊、花青素以及二氧化钛负载的环糊精-金属有机框架，用于猪肉的保鲜和新鲜度监测

《Food Control》：Multifunctional carboxymethyl chitosan/gelatin bilayer film loaded with phage capsules, anthocyanins, and titanium dioxide-loaded cyclodextrin-metal organic frameworks for pork preservation and freshness monitoring

　　

王慧丽|邓继思|阿尔贝托·达尼埃利|安德拉斯·塞卡奇|史慧

中匈食品科学合作研究中心，西南大学食品科学学院，中国重庆400715

摘要

开发兼具食品保鲜和新鲜度监测功能的多功能包装对于解决猪肉变质和食源性病原体风险问题至关重要，同时还需要应对花青素和噬菌体的不稳定性。本研究通过逐层浇铸法制备了一种多功能双层膜。通过将噬菌体封装在单宁酸、肉桂醛和羧甲基壳聚糖中，制备了具有pH响应性释放和增强噬菌体稳定性的噬菌体胶囊。将花青素和噬菌体胶囊加入明胶中，形成具有pH敏感颜色变化和抗菌性能的内层膜。外层通过向羧甲基壳聚糖中添加负载二氧化钛的环糊精-金属有机框架来制备，从而提供紫外线屏蔽和疏水性。该双层膜表现出优异的机械性能、低水蒸气透过率、对沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的抗菌活性以及抗氧化能力。在4°C的猪肉保鲜测试中，该双层膜有效保持了猪肉的质量，减缓了微生物繁殖和肉类氧化，并延长了猪肉的保质期。此外，含有花青素的薄膜能够通过pH响应性颜色变化来指示猪肉的新鲜度。这种双层膜协同整合了保鲜和监测功能，在猪肉安全和质量控制方面具有广泛的应用潜力。

引言

猪肉因其口感和营养成分而备受重视，但它容易受到微生物污染、脂质氧化和蛋白质降解的影响，从而导致变质、经济损失以及食源性病原体污染带来的食品安全风险（Ma等人，2025；Hernandez-Hernandez等人，2017）。其中，沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7是威胁猪肉安全的主要食源性病原体（Gouvêa等人，2016；Ma等人，2025）。传统的猪肉包装主要采用单层塑料薄膜，仅提供基本的物理屏障作用。它们无法有效抑制微生物生长或延缓氧化劣化，也无法直观反映食品新鲜度的变化。此外，这类由石化材料制成的塑料薄膜不可降解，会造成严重的环境污染（Shan等人，2024）。羧甲基壳聚糖（CMCS）和明胶（Gel）是天然聚合物材料，具有良好的生物相容性、可降解性和成膜性能，常被用作环保的食品包装材料（Pan等人，2024；Shan等人，2024）。

智能食品包装结合了功能性成分和响应性元件，以实现食品的实时保鲜和质量指示（Li等人，2019）。在储存过程中，猪肉中的蛋白质和脂肪会被微生物和酶分解，产生挥发性碱性物质，进而导致食品pH值的变化（Guo等人，2020）。基于食品pH变化的颜色指示是一种有前景的智能包装方法（Wu等人，2024）。许多研究使用溴百里酚蓝和甲基红等合成pH指示剂作为显色剂（Ghaani等人，2016）。尽管这些指示剂响应迅速且显色效果良好，但它们可能会迁移到食品中，从而引发食品安全问题。因此，天然色素因其安全性和可再生性而受到关注（Kaewprachu等人，2024）。

花青素（AC）是一种具有抗菌、抗氧化和pH响应性颜色变化特性的天然色素，使其适用于智能包装（Hong等人，2024；Xu等人，2024；Akhila等人，2023）。正如Kim等人（2022）所报道的，负载有Clitoria ternatea花花青素的明胶/琼脂膜表现出增强的抗氧化活性，并显示出从鲜艳的粉色到绿色的明显颜色转变，因此可作为虾变质的可靠指示剂。然而，花青素容易受到光和热的影响而降解（Zhao, Liu, Zhao, & Wang, 2022）。嵌入技术和引入紫外线阻隔剂是提高包装系统中花青素稳定性的有效策略（Qin等人，2021）。基于环糊精的金属有机框架（CD-MOF）材料由于其独特的多孔结构和优异的稳定性，在活性成分的负载和保护方面受到了广泛关注（Alvarez-Lorenzo等人，2024；Cui, Hu, & Bu, 2020；Shao等人，2022）。二氧化钛具有良好的稳定性、安全性和紫外线吸收能力，常被用作聚合物材料中的紫外线阻隔剂，同时还能改善材料的稳定性和机械性能（Wang等人，2020）。在我们之前的研究中，成功合成了一种新型的负载二氧化钛的环糊精-金属有机框架。它使花青素对高温和紫外线的耐受性分别提高了1.17倍和11.76倍（Deng & Shi, 2025）。

噬菌体是天然的杀菌剂，能够特异性杀死细菌，在食品保鲜领域受到广泛关注（Cui等人，2017；Guo等人，2025）。在我们之前的研究中，我们分离出一种双宿主噬菌体EC-p9-1，它可以同时针对沙门氏菌和大肠杆菌（宿主范围见表S1），为控制猪肉储存过程中的病原体污染提供了有前景的方法。由于噬菌体活性迅速丧失、释放不受控制以及稳定性差，直接添加游离噬菌体是不可取的（Henz等人，2024）。具有Schiff碱结构的胶囊是一种有效的解决方案。通过将噬菌体封装在壁材料中，不仅可以显著提高噬菌体的稳定性，还能实现pH响应性释放。肉桂醛（CIN）是一种安全的抗菌芳香醛，常用于食品包装（Sun等人，2024）。在本研究中，CIN和CMCS被用作胶囊材料来封装噬菌体，而单宁酸（TA）用于制备乳液，以实现CIN和CMCS之间的充分接触和反应。其机制归因于Schiff碱反应形成的亚胺键（-C=N-），这是一种由含有醛基和氨基的化合物之间的动态共价键。由于这些键对pH变化具有很强的可逆性，它们可以为具有Schiff碱结构的材料提供pH触发型的药物释放特性（Zhou等人，2023）。据我们所知，目前很少有研究报道将噬菌体封装在CIN-CMCS复合胶囊中的情况。

在本研究中，通过逐层浇铸法制备了一种用于猪肉保鲜和新鲜度监测的双层膜（GAC-CTCM/CMCS-TiO₂-CD-MOF2）（方案1）。优化了噬菌体胶囊（CTCM）的制备条件，显著提高了其封装效率、释放效率和稳定性。将葡萄皮花青素和CTCM共同加入明胶膜中，形成具有显色和抑菌性能的内层（GAC-CTCM）。同时，将我们之前工作中制备的TiO₂-CD-MOF进一步引入CMCS膜中，构建了具有疏水性和紫外线屏蔽能力的外层（CMCS-TiO₂-CD-MOF），以保持食品质量并保护内层中的活性成分。对该双层膜进行了系统的微观结构、机械性能、屏障性能、pH响应行为以及抗菌和抗氧化活性等方面的表征。此外，还评估了该双层膜在猪肉储存过程中的保鲜效果和新鲜度监测性能，为未来的肉类保鲜和新鲜度监测提供了参考。

章节片段

噬菌体胶囊（CTCM）的制备和表征

噬菌体胶囊的制备基于Niu等人（2026）和Zhou等人（2024）描述的方法进行了轻微修改。所得噬菌体胶囊命名为CTCM。具体步骤如下：将10毫克单宁酸（TA）溶解在10毫升去离子水中，将40毫克肉桂醛（CIN）分散在200微升无水乙醇中。然后在搅拌条件下将CIN逐滴加入TA溶液中。充分混合后，对混合物进行超声处理

CTCM封装效率的优化

反应溶液中亚胺键的形成受pH值的影响。如图1a所示，随着pH值的升高，噬菌体封装率逐渐增加，在pH=7时达到最大值50.7%。在pH=8时，噬菌体封装效率下降。这可能是由于在该条件下Schiff碱反应过快，导致胶囊迅速形成，未能完全封装噬菌体。因此，后续的胶囊制备过程进行了相应调整

结论

总之，本研究成功制备了一种用于猪肉保鲜和新鲜度监测的多功能双层膜（GAC-CTCM/CMCS-TiO₂-CD-MOF2）。通过调整参数，获得了CTCM的最佳制备条件，实现了良好的噬菌体封装效率。CTCM中的噬菌体释放表现出pH响应性，在酸性条件下（pH=5）的释放率为64.44%。胶囊封装策略有效提高了噬菌体的稳定性

CRediT作者贡献声明

史慧：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。王慧丽：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。阿尔贝托·达尼埃利：资源协调。邓继思：初稿撰写、验证、实验设计、数据分析。安德拉斯·塞卡奇：资源协调

Cui等人，2020；Hou等人，2024；Huang等人，2022；Ma等人，2025；Wang等人，2018；Yin等人，2021；Zhang等人，2022；Zhang等人，2022。

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0213900）、中央高校的基本研究经费（SWU-KF25016）以及西南大学的研究生研究与创新项目（SWUS25135）的支持。