pH敏感性材料在智能食品包装中的应用进展
时间：2023-06-07 09:00:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王纪鹏，虢有婕，韩 毅，张龙涛, ，缪 松，郑宝东
（1.福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002；
2.中国-爱尔兰国际合作食品物质学与结构设计研究中心，福建福州 350002；
3.爱尔兰Teagasc食品研究中心，爱尔兰科克 P61C996）
包装是食品生产中必不可少的环节，传统的食品包装通过包材阻隔，控制光、氧气、温度等环境因素对食品的影响，保持品质，延长货架期[1]。随着新材料和新技术的发展，智能包装可实现食品质量实时监测和新鲜度标识[2]，已成为近年来学者关注的焦点。在智能食品包装中，通常以各种信号分子，如利用特殊材料的指示标签、包装膜等引起的颜色变化来直接显示食品的品质变化情况[3]。由固体基质和pH敏感染料组成（如图1所示）的pH指示器是实现该功能的主要元件，其机理是挥发性胺的释放导致包装顶空pH升高；
当挥发性胺在顶空浓度足够高时，会观察到物理捕获在聚合物薄膜中的pH敏感染料的颜色变化[4]。因此，采用pH敏感性材料制备的智能食品包装，可使消费者更加便捷的观测到包装内食品质量变化情况。根据pH敏感性材料的不同可分为化学显色剂型指示器、天然色素显色剂型指示器。
图 1 pH指示器的组成成分Fig.1 Composition of pH indicator
本文将对近年来化学显色剂型指示器、天然色素显色剂型指示器分别与不同的生物聚合物共混后形成的pH响应变色的基本化学过程、变色行为、研究进展及其优点和局限性进行介绍，对其在食品新鲜度检测中的应用进行总结，并展望了其在食品领域的应用前景和面临的挑战。
化学显色剂又称为合成染料显色剂[5-6]，目前常用的合成染料显色剂包括溴甲酚绿、溴甲酚紫、甲基红、甲酚、二甲酚等。当产品发生变质，产生的气体改变了包装环境中的pH，显色剂产生化学显色反应，发挥食品品质变化指示器的作用。
溴甲酚绿（C21H14Br4O5S）是一种高度敏感的pH指示剂，它含有2个酚羟基，属于砜酞染料族。PACQUIT等[4]、LIU等[7]以溴甲酚绿为pH敏感材料，分别固定在溶胶-凝胶、多孔阳极铝膜上制成pH指示器，在强酸性条件（pH3～4）下呈黄色，这与肉变质过程中释放挥发性胺与溴甲酚绿发生反应有关。杜月红等[8]以甲基纤维素和聚乙二醇为基材，添加溴甲酚紫、溴百里酚蓝等酸碱指示剂，制得6种方便、无损的新鲜度指示标签。此类的指示器具有结构简单、成本低的优点，但检测的方向单一。KUSWANDI等[9]采用甲基红和溴甲酚紫，研究两种指示剂在食品变质过程中分别发生变色反应，可以更清晰且实时检测到食品的新鲜度，同时克服单一传感器检测的缺点。
与天然色素显色剂相比，化学显色剂具有低成本，高稳定性的优点[10]，但缺点也很明显。为了提高对食品变质产生的挥发性胺的灵敏性，所有指示器均与包装内的食品紧密贴合，化学显色剂存在一定的溶解性，易污染食品，进入人体后肠道中的细菌可以将其分解成致癌物[11]，存在食品安全隐患。
由于化学显色剂潜在的致癌毒性，研究者开始关注一些天然的pH显色剂，如花青素、姜黄素、茜素、紫草素、甜菜碱等，具有天然可再生、无毒性、环境友好等特点[12]。
2.1 花青素
2.1.1 花青素的变色机理 花青素（Anthocyanins）是一种天然着色剂，具有良好的抗氧化、抗菌和pH敏感性[13]。近年来，基于不同植物来源的生物聚合物（如多糖和蛋白质）和花青素的活性智能包装膜的开发受到越来越多的关注。花青素普遍分布在水果、花卉和蔬菜中，是红色、紫色和蓝色的主要来源之一。研究表明，花青素可以从多种植物（如玫瑰、火龙果、葡萄、车厘子、黑枸杞、蓝莓等）中提取获得，目前已在自然界中鉴定出500多种花青素，且已在智能食品包装中成功应用[14]。花青素属于多酚类黄酮家族，由糖基化的多羟基和多甲氧基组成，两个芳香环由一个线性三碳链连接（如图2所示）。花青素随pH变化的变色特性取决于花青素两性性质所引起的结构变化。在低pH条件下，花青素以黄酮阳离子的形式存在，呈现出最强烈的红色。在pH为4～5时，黄酮阳离子快速水化，红色强度随之降低。随着pH的升高，黄酮阳离子进一步脱质子而形成醌类酸碱，在pH为7时呈现紫色，在pH为8时呈现深蓝色[15]。随着pH的增加，花青素结构改变，颜色呈现由红色到紫色，最后过渡到黄绿色（如图2所示）。
图 2 花青素随pH改变而发生的颜色变化Fig.2 The color change of anthocyanins in response to a change in pH
2.1.2 基于聚合物基质的应用进展及其局限性 抗氧化、抗菌和pH敏感性是富含花青素的提取物的主要特点[16]，花青素与膜基质分子间的相互作用（如氢键和静电相互作用），使富含花青素的膜在pH变化中往往表现出物理性质的改变（如颜色、厚度、含水量、水溶性、光、水汽和氧气阻隔能力、机械性能和热稳定性）。因此，富含花青素的薄膜，其微观结构受到生物聚合物性质、花青素的来源和含量以及薄膜制备条件的影响。近年来，花青素被应用于各种聚合物基质中，与不同的基质复合表现出不同的性能（表1）。
与天然显色剂结合的聚合物可分为生物聚合物与合成聚合物，生物聚合物如多糖中的淀粉及其衍生物、果胶、壳聚糖、纤维素和纤维素衍生物等，蛋白质中的明胶，胶原蛋白，乳清蛋白等；
合成聚合物如聚酯、聚乙烯醇、低密度聚乙烯等。淀粉因其价格实惠、可食用性和可生物降解等特点在包装中被广泛用作固体基质。QIN等[17]以木薯淀粉和黑枸杞花青素为原料制成指示膜，黑枸杞花青素的加入明显改善了木薯淀粉薄膜机械强度低、水汽阻隔能力差、抗氧化能力差等缺点。中性生物聚合物-木薯淀粉通过氢键与花青素相互作用，保持了花青素的稳定性。蒋光阳等[18]以马铃薯淀粉为成膜基材，混合羧甲基纤维素钠提高花青素的稳定性，使得薄膜内部分子间形成较强的相互作用，降低薄膜的水溶性。邹小波等[19]提取玫瑰茄花青素，以淀粉-壳聚糖、壳聚糖-聚乙烯醇、淀粉-聚乙烯两两混合作为成膜基底材料应用于猪肉新鲜度指示。淀粉-花青素薄膜表现出抗氧化和智能pH敏感特性，花青素的添加提高了淀粉膜的阻隔能力和抗拉强度，扩大淀粉在食品包装中的应用。但高含量的花青素可与淀粉形成聚合物，破坏网络的致密性，ZHANG等[20]发现淀粉/壳聚糖/洛神花青素薄膜具有异质性的内部结构，表明高含量的花青素会破坏淀粉和壳聚糖之间的有序排列。目前花青素与淀粉聚合物的复合应用广泛，但其机械强度低、水汽阻隔能力差、抗氧化能力差等问题有待进一步解决。
近年来，各种不同类型的胶体被用于制备食品包装膜，表现出更好的机械性能、热性能。带电生物聚合物（如卡拉胶和结冷胶）通过氢键与花青素相互作用，并呈现出不同的颜色。WU等[21]在结冷胶中加入蝶豆花花青素，开发了具有抗氧化、抗菌等多种功能的智能包装膜，在pH1～14的酸碱度下，发生红色到棕黄色的不同变化。为降低膜的溶胀率，WU等[21]加入经热处理的大豆分离蛋白，通过静电引力和共价键与结冷胶-花青素膜形成相互作用。值得注意的是，热处理大豆分离蛋白有效降低了花青素的释放速率，提高花青素稳定性。ZHAI等[22]以明胶、结冷胶和红萝卜花青素提取物为原料，研制了一种可食用的pH敏感电化学书写膜，在监测食品腐败方面具有很大的潜力。明胶具有较差的机械性能（如易碎性），结冷胶的复配，不仅可以明显改善明胶薄膜的力学性能，还可以增强花青素的热稳定性。因此，明胶/结冷胶混合物被认为是固定花青素的首选成膜剂。此外，有学者利用合成聚合物基材良好的物理力学性能与花青素共混，改善智能食品包装的生成条件。卢立新等[23]采用旋涂法的方法将含有玫瑰茄花青素的新鲜度指示膜用于鲳鱼保鲜中，进一步解决了天然指示剂与聚合物薄膜加工成型中产生无法适应的问题。
在大多数情况下花青素是不稳定的，其颜色和稳定性受到各种因素的影响很大，如pH、光、温度、金属等。在潮湿条件下，其稳定性随着其迁移到智能膜表面而下降。为提高了花青素的颜色稳定性，ZENG等[24]采用酶催化嫁接法将3,4,5-三甲氧基苯甲酸和没食子酸嫁接到蓝莓花青素上，两种酸的嫁接增强了蓝莓花青素的稳定性；
ZHAO等[25]采用迷迭香酸和黄原胶的结合；
许娟妮等[26]利用葡萄糖、海藻糖来提高其稳定性；
赵立仪等[27]采用月桂酰氯酰化处理蓝莓花青素，酰化后蓝莓花青素的光、强氧化剂稳定性有了显著提高。因此，花青素作为智能包装膜的原料需要解决其不稳定的问题，在食品新鲜度监控方面显示出较大的发展潜力
表 1 花青素与不同固体基质的应用Table 1 Application of anthocyanins and different solid substrates
2.2 姜黄素
2.2.1 姜黄素的变色机理 姜黄素（Curcumin）是由两个芳香族丙烯酸聚合而成的二酮类化合物（如图3所示），从姜黄的根茎中提取的一种疏水双酚类物质，由于其明亮的黄色而被广泛用作食品着色剂[28]。姜黄素对还原剂的稳定性较强[29]，且着色性强，不易褪色，但其耐光性、耐热性、耐铁离子性较差。随着pH的增加，姜黄素的颜色呈现出从黄色到橙红色的视觉变化（如图3所示）。近年来，姜黄素的pH响应变色特性已在包装中应用，以指示食品的质量变化[30]。
图 3 姜黄素随pH改变而发生的颜色变化Fig.3 The color change of curcumin in response to a change in pH
2.2.2 基于聚合物基质的应用进展及其局限性 姜黄素与聚合物基质的应用被逐渐开发（表2）。姜黄素因其分散性、染色能力优势、抗氧化活性和pH依赖的溶解度[31]，而被纳入卡拉胶、明胶和纤维素等生物聚合物中，制造出具有pH响应性的智能包装膜[32]。MUSSO等[33]以明胶为基质制备指示器，通过溶液浇铸法使用乙醇-水混合物作为姜黄素的溶剂，增强pH变化的显色能力，且使薄膜指示器具有良好的抗氧化性能。当包装内具有较高的相对湿度时，亲水性聚合物薄膜不可避免地会从包装内部环境中吸收水分，导致指示器中显色剂的浸出[34]。尽管天然色素的浸出不会产生食品安全问题，但由于浸出引起的指示器中显色剂含量的减少，可能会对其指示准确性产生一定的影响。ZHAI等[35]以低密度聚乙烯（LDPE）和姜黄素为原料，采用熔融挤出法制备了疏水膜，LDPE的疏水性使薄膜对pH缓冲溶液具有良好的稳定性，即浸没在pH缓冲溶液中也不会发生明显的颜色变化或姜黄素浸出。研究发现，挤出法和静电纺丝技术可以有效改善天然色素的浸出和湿度对薄膜传感能力影响问题。YILDIZ等[36]将壳聚糖与热稳定、生物相容性和可生物降解的聚乙烯氧化物共混，通过静电纺丝制造出纳米纤维pH传感器，增加了姜黄素的稳定性，有效提高指示剂的准确性。研究表明，以姜黄素为pH响应性的智能包装膜因其水溶性低和在酸性介质中会快速降解受到了限制，目前可使用先进的指示器制备方法进行改善。
多种基质复配后结合姜黄素能够增强指示器的机械性能，阻隔性和耐水性。ZHANG等[37]采用琼脂和聚乙烯醇（PVA）复配，MA等[38]将塔拉胶、聚乙烯醇（PVA）结合姜黄素制备pH指示器膜用于检测新鲜度。生物聚合物（琼脂、塔拉胶、壳聚糖等）与PVA分子链上的羟基形成大量的氢键，使得指示器内部结构紧实，表现出了优异的相容性。近年来新型绿色纳米材料受到了广泛关注，其具有精细的纳米结构、良好的力学强度和较低的热膨胀系数等优点，指示器中掺入纳米纤维素可以改善指示器的机械性能，阻隔性和耐水性，XIAO等[39]合成了球形姜黄素/纤维素纳米晶体胶囊，发现合成膜表现出更高的抗自由基清除活性，并且对pH的变化和氨的存在有明显的颜色响应性。多种pH敏感材料混合物也可以作为产品新鲜度的智能薄膜的良好指示材料，CHEN[40]以淀粉、聚乙烯醇和甘油为基料，制备了含姜黄素和花青素的可视pH传感膜，与单个指标相比，混合指标可以扩大颜色变化的范围。因此在制备姜黄素显色剂型指示器时，在采用不同技术的同时还可考虑使用新型的绿色材料进行复配从而改变智能指示器的性能。
表 2 姜黄素与不同固体基质的应用Table 2 Application of curcumin and different solid substrates
姜黄素薄膜具有完全无毒、适合大规模工业化生产的特点，在智能食品包装中具有良好的应用潜力。但由于姜黄素耐光性较差，暴露在阳光下迅速分解为香草醛、香草酸、阿魏醛和阿魏酸[41]，货架期较短，限制了其在工业上的大规模应用[42]，因此，通过改性或其他技术手段，提高包装膜中姜黄素的光稳定性，是后续研发应关注的问题。
2.3 茜素
2.3.1 茜素的变色机理 茜素（Alizarin）从红莓的根中提取，属于蒽醌染料[43]，醇溶性酚类化合物，呈橙棕色，常被用作纺织品和艺术品的染料。随着pH的变化，茜素的两个羟基与羰基氧原子结合形成分子内氢键（如图4所示），由黄色变为紫色[44]。
图 4 茜素随pH改变而发生的颜色变化Fig.4 The color change of alizarin in response to a change in pH
2.3.2 基于聚合物基质的应用进展及其局限性 茜素是监测pH变化的一种新选择，与不同固体基质的应用越来越广泛（表3），其有足够的挥发性气体敏感性和优异的颜色稳定性，并且与大多数的生物聚合物相容，可改善生物聚合物基薄膜理化和功能特性。EZATI等[30]将茜素加入淀粉-纤维素纸中制备了一种新的pH敏感指示剂，茜素的掺入降低了指示器的水溶性。同时淀粉和纤维素的组合可以形成三维网络，从而增强淀粉的机械性能。此外茜素的塑化功能可以降低聚合物基质之间的内力，提高指示器的柔韧性。EZATI等[45-46]采用溶液浇铸法将茜素与壳聚糖结合，茜素在壳聚糖基体中均匀分布，形成了均匀的膜。在制备方法中，采用静电纺丝可以成功地将茜素掺入纳米纤维中，不会影响纳米纤维的形貌和茜素的变色行为。AGHAEI等[47]以茜素为指示剂，静电纺丝制备了纳米醇溶蛋白纤维，茜素通过分子间氢键作用被包裹在玉米蛋白基质中，显示了pH响应纳米纤维结构作为化学传感器应用的潜力。茜素的掺入大大提高了指示器的抗紫外线性能、热稳定性和表面疏水性，但也发现在不同pH下，茜素的颜色变化范围较窄，较低浓度的茜素不适合作为比色指示剂[48]。茜素指示器有着相对广阔的应用前景，其复合膜的研制和性能的评价工作尚不充分。
2.4 其他天然显色剂及其应用
2.4.1 紫草素 紫草素（Shikonin）是一种鲜艳的红色无毒化合物，属于萘醌类色素，从紫草的根部提取[49]。在氧、光、热或酸或碱的情况下很容易受到影响和发生聚合，在较宽的pH范围内具有良好的pH感应电位，并在室温下稳定。近年来，紫草素已被用于制备彩色指示剂薄膜（表4），但相对于其他色素研究来说，紫草素的应用较少。DONG等[50]的实验表明，紫草素在pH5～9时呈玫瑰色，在pH10～12范围内表现出从蓝紫色到深蓝色的急剧变化（如图5所示），且在碱性pH条件下容易降解[51]。紫草素的颜色随pH变化敏感，可用于智能食品包装应用，实时监测包装食品的质量。
图 5 紫草素随pH改变而发生的颜色变化Fig.5 The color change of shikonin in response to a change in pH
HUANG等[51]用琼脂和紫草素，开发出一种鱼类新鲜度监测指示膜，X射线衍射的结果表明，紫草素在膜中分散良好，形成了致密的结构，提高了比色指示膜的力学性能。ROY等[52]以紫草素和蜂胶为原料制备了明胶/卡拉胶智能膜，利用蜂胶的性质增强了复合膜的防紫外线性能，使得复合膜具有优异的抗菌活性和高抗氧化功能。DONG等[50]、ROY等[53]、EZATI等[54]利用新型材料纳米纤维素，与紫草素混合形成复合膜，具有显著的抗紫外线性能。纤维素含有大量羟基的多孔结构，纤维素的多孔结构不仅有利于紫草素在聚合物基体中的吸附和包埋，而且有利于挥发性化合物的吸附，使得指示膜能够监测pH 的变化。紫草素在碱性条件下降解速度快，如何提高其在指示器中的稳定性是亟待解决的问题。
表 3 茜素与不同固体基质的应用Table 3 Application of alizarin and different solid substrates
表 4 其他天然色素与不同固体基质的应用Table 4 Application of other natural pigments and different solid substrates
2.4.2 甜菜碱 甜菜碱（Betalains）是另一种水溶性天然食用色素，在甜菜和火龙果中呈现红、紫、深红色等多种颜色[55]，比花青素具有更广泛的pH稳定性[56]，其显色反应如图6所示。由于其pH敏感特性，也被用作智能包装的指示剂（表4）。QIN等[57]开发出淀粉/聚乙烯醇与富含甜菜碱的红火龙果果皮提取物相结合的活性智能包装膜，淀粉、聚乙烯醇、甘油和甜菜红素之间形成的氢键极大地提高了薄膜的水汽阻隔性和机械性能。HU等[58]将甜菜碱加入季铵壳聚糖/鱼明胶共混膜，大大提高了薄膜的物理性能（水汽阻隔能力和紫外-可见光阻隔能力）和功能性能（抗氧化、抗菌和氨敏感性）。诸多研究结果表明，利用甜菜碱开发新的pH指示膜具有较大应用前景，但与其他天然色素如花青素、姜黄素相比，甜菜碱变色不明显，仍有较多的研究空间。
图 6 紫草素随pH改变而发生的颜色变化Fig.6 The color change of betalains in response to a change in pH
pH指示型食品智能包装通过对储运期间包装内pH变化发生颜色反应，实现产品品质变化的可视化监测。由于化学显色剂的致癌、有毒、污染环境等缺点，天然显色剂的可再生性和安全性为其作为pH响应性智能材料提供机会，但天然显色剂的热稳定性和光稳定性低，与聚合物的混溶性差，以及湿度较高时的染料浸出等问题，也为其实际应用带来困扰。同时，指示器应用过程也有较多问题需要重视，如：环境因素，如温度、湿度以及干扰气体等的影响，也可能对显色结果产生干扰。为了解决这些问题，以下三个方面，可提供借鉴或思路参考：a.研究先进的指示器制备方法，利用纳米材料或静电纺丝等技术的提高着色剂的稳定性和显色效果；
b.从新的植物来源寻找热稳定的着色剂，或对现有天然显色剂改性，开发更多无污染无毒害、显色局限小、对特征气体响应灵敏度高的指示剂；
b.开发天然无毒的抗菌物质与指示膜进行融合，在指示的同时抑制包装食品的变质速度，延长货架期。
