《食品科学》：昆明理工大学覃宇悦教授等：基于黑苹果果皮花青素的虾鲜度指示膜的制备及应用

近年来，智能包装因其具备能够及时追溯食品安全的能力而受到广泛关注。一般来说，食物变质与pH值变化密切相关，pH值敏感智能指示膜可以通过肉眼可见的颜色变化来反映包装内食品pH值变化情况。 花青素是植物中的水溶性天然色素，具有安全、无毒、对pH值变化敏感的特点， 可作为天然pH值敏感指示剂用于监测pH值变化。

黑苹果（‘黑卡嘎啦’），又名紫霞仙子，源自西藏林芝，产自云南昭通，特殊的苹果品种和独特的高原自然地理条件和超强的紫外线造就了其黑宝石般外观。黑苹果果皮呈深紫色是由于果皮中含有大量花青素，其中主要花青素种类为矢车菊-3-

O

-葡萄糖苷和芍药素-3-

O

-葡萄糖苷，前者含量显著高于后者。

近年来，人们越来越关注使用可生物降解和环保聚合物，如多糖、蛋白质、脂质，作为智能和活性包装薄膜的固体载体。壳聚糖（CS）是天然多糖中唯一的碱性多糖，它具有优异的薄膜成型性、高透明度、生物降解性、生物相容性、抗菌活性等多种生理功能，被广泛用于生物医学材料和食品添加剂。但是，仅由CS制成的薄膜表现出较差的机械性能和强亲水性能。海藻酸钠（SA）是一种食品级多糖，具有良好的成膜性能，将其与CS按质量比1∶9共混成膜时可以获得复合膜的最佳性能，以满足食品包装的需求。

昆明理工大学食品科学与工程学院的陈珂君、杨周昊、覃宇悦*等以CS和SA为成膜基材，通过添加黑苹果果皮花青素（BAA），采用溶液浇铸法制备CS-SA-BAA指示膜，研究BAA添加量对复合膜性能的影响，得到CS-SA-BAA指示膜的最佳制备工艺条件，并对制备出的最优指示膜进行表征及用于虾新鲜度监测研究，以期为天然花青素指示膜应用于食品货架期监测提供参考 。

1 BAA提取液的pH值响应性

由图1可以看出，BAA提取液在pH值为1时显示出典型的红色，这是因为黄烊阳离子的存在。在pH 2～6的范围内，由于形成甲醇假碱和酸性羟基，颜色由红色变为粉色。当pH值达到11时，颜色进一步从灰紫色变为深灰色，这可能是由于花青素在弱碱时转变为灰色的醌式碱结构。之后BAA提取液从棕绿色（pH 12）变成棕黄色（pH 13），最后在pH 14条件下变成黄色，这是花青素暴露于碱性条件下被降解所致。

如图2所示，BAA提取液在pH 1条件下的最大吸收峰位于512 nm波长处，此处峰型来源于黄烊阳离子，随着pH值增加至11，BAA的最大吸收峰由512 nm转移至600 nm附近，这些变化主要归因于花青素化学结构的转变，当溶液环境由酸性到碱性变化时，黄烊阳离子形式存在的花色苷逐渐转变为醌型，进而转变为无色假碱，最后在强碱环境中降解。因此，BAA提取液可以指示溶液的弱酸性、中性和碱性，从而可用于监测肉类产品的变质。

2 智能指示膜的物理性能分析

如表1所示，随着BAA提取物添加量从0增加到20%，薄膜厚度在40.20～52.30 μm范围内逐渐增加。CS-SA-BAA复合薄膜的厚度显著大于CS-SA薄膜（

P

＜0.05），表明BAA提取物的添加会影响薄膜的厚度，这是因为花青素含有的羟基与CS、SA形成具有聚合物分子的复杂结构，从而增加了薄膜的厚度。

如表1所示，与CS-SA膜相比，掺入BAA提取物显著降低了CS-SA复合膜中的水分质量分数（

P

＜0.05）。表明聚合物中的亲水基团可以与BAA提取物形成氢键，亲水基团将限制聚合物和水分子之间的相互作用，从而形成低水分含量的薄膜。Peralta等发现木槿提取物的添加会显著降低CS复合薄膜含水量（

P

＜0.05），与本实验研究结果一致。

如表1所示，将BAA提取物掺入复合膜基质后，随添加量从0增加到20%，复合薄膜拉伸强度从24.50 MPa显著增加到42.00 MPa（

P

＜0.05），这可能是因为BAA提取物含有大量的酚类化合物，其中的羟基可与聚合物形成链之间形成新的氢键，有利于结构的排列和规律性，从而形成了更均匀的薄膜，均质薄膜比非均质薄膜具有更强的机械性能。此外，随着BAA提取物添加量从0增加到20%，断裂伸长率从17.10%显著增加到36.90%（

P

＜0.05），BAA提取液的润滑和填充会降低聚合物的相互作用，从而增强BAA提取液与聚合物链的自由运动体积与流动性，使其难以断裂，柔韧性增强。

3 智能指示膜的微观结构分析

如图3所示，相比而言，CS-SA薄膜具有最光滑、最均匀的表面和横截面，表明CS、SA和甘油具有良好的相容性。随着BAA提取物添加量的增加，CS-SA-BAA薄膜表面变得不均匀和凸起，这是由于花青素分子和聚合物链之间形成了新的氢键。4 种薄膜的横截面均显示出均匀的线条，表明基质中的聚合物有序排列，具有规则的结构。此外，CS-SA-BAA20薄膜比其他薄膜更为粗糙，且显示出轻微的团聚现象，这可能是因为当BAA提取物达到一定浓度时，提取物在成膜溶液中的溶解度不再增加从而析出。

4 智能指示膜的红外光谱分析

如图4所示、BAA提取物在3 595 cm－1（O—H伸缩振动）、2 974 cm－1（CH、烷烃伸缩振动）、1 641 cm－1（C＝C伸缩振动）、1 443 cm－1和1 377 cm－1（—CH3伸缩振动）、1 265 cm－1（C—C伸缩振动）、1 048 cm－1（取代苯）和747cm－1（C—H键从平面外弯曲振动）处出现特征光谱。CS-SA薄膜与CS-SA-BAA复合薄膜显示出相似的红外光谱，4 种薄膜在3 613～3 618 cm－1（O—H伸缩振动），2 959～2 964 cm－1（C—H、烷烃伸缩振动），1 632～1 635 cm－1（C＝C伸缩振动），1 432～1 436 cm－1、1 336～1 341 cm－1（酰胺II带和C－H在平面上弯曲运动），1 167～1 172 cm－1（酰胺III带和C—C伸缩处振动）、751～747 cm－1（C—H键从平面外弯曲振动）处出现特征谱带。考虑到薄膜基质中添加的BAA提取物含量较低，故BAA提取物的添加不会显著改变CS-SA薄膜的特征条带。随着CS-SA薄膜中BAA提取物添加量的增加，智能指示膜的O—H（3 613 cm－1）特征谱带稍微变宽，移至3 617～3 618 cm－1处，这是因为薄膜中的氨基和羟基与BAA提取物中的羟基之间形成氢键诱导所致。此外，酰胺II带和酰胺III带分别从1 432、1 336 cm－1和1 167 cm－1处移至1 434～1 436、1 337～1 341 cm－1和1 168～1 172 cm－1处，酰胺II带和酰胺III带的位移是由于分子间的静电作用。这证实了BAA提取物被成功地固定到CS-SA聚合物中。

5 智能指示膜的紫外线透过率分析

如图5所示，与CS薄膜相比，BAA的加入大幅降低了CS-BP薄膜的透光率。CS-SA-BAA20薄膜的紫外线透过率在200～300 nm波长处接近于0，这是因为薄膜中的花青素具有吸收紫外光的可能性，当紫外线通过薄膜时，被薄膜折射并散射，从而降低了薄膜的紫外线透过率。因此CS-SA-BAA复合薄膜具有优异的紫外线阻隔率，同时，CS-SA-BAA复合薄膜紫外线透过率低于CS-SA膜，说明CS-SA-BAA复合膜降低了CS-SA薄膜的紫外线透过率，使薄膜拥有了更好的紫外线阻隔性能。

6 智能指示膜的pH值智能指示分析

CS-SA薄膜不含有BAA提取物，因此薄膜几乎是透明的。如表2所示，随着BAA提取物添加量的增加，

L

*值显著降低（

P

＜0.05），

a

*值、

b

*值和Δ

E

值均显著增加（

P

＜0.05），薄膜的Δ

E

值反映颜色视觉感知的情况，Mohammadalinejhad等的研究表明，当Δ

E

值高于5时，薄膜的颜色随着环境中pH值的变化而变化，肉眼可以直接区分薄膜的颜色不同。这表明CS-SA-BAA薄膜可以通过肉眼容易分辨，并且可以用作智能指示膜。

由图6可知，没有花青素的CS-SA薄膜在pH 1～14的缓冲液中没有明显的颜色差异。相比之下，CS-SA-BAA复合薄膜显示出pH值敏感性，并且在不同的缓冲液中表现出可视的颜色变化，这归因于花青素的结构转变。在不同pH值溶液中，CS-SA-BAA15薄膜的颜色变化比CS-SA-BAA10和CS-SA-BAA20薄膜的颜色变化更明显。少量的花青素不足以表现出明显的颜色变化，而过量的花青素会引起花青素本身颜色的干扰。Yong Huimin等也报道了含有15%紫甘薯花青素的聚合物薄膜有利于监测食品新鲜度。CS-SA-BAA复合膜的颜色变化也是由于酸性溶液中的阳离子在pH值变为碱性后结构发生了转变。由于虾的腐败与pH值变化密切相关，且CS-SA-BAA15薄膜在不同pH值溶液中的颜色变化更明显，故选择CS-SA-BAA15薄膜作为智能指示膜用于监测虾的新鲜度。

7 智能指示膜在虾保鲜中的应用

CS-SA-BAA15智能指示膜指示剂标签设计及在虾贮藏期间薄膜颜色变化如图7所示。虾的腐败主要是由于微生物及其生化反应所致。贮藏过程中微生物代谢产生的各种挥发性气体从虾中缓慢释放到保鲜盒的顶部空间，然后这些成分在盒子顶部空间积累，并被放置在虾肉上的CS-SA-BAA15薄膜吸收，使薄膜花青素结构发生改变。因此，pH值与TVB-N含量的增加会影响CS-SA-BAA15薄膜的颜色，pH值和TVB-N含量与微生物的生长繁殖密切相关，通常是用作评价水产品新鲜度的重要指标。

如图8所示，随着贮藏时间的延长，虾的pH值呈现出先下降后上升的趋势，pH值下降的主要原因是虾体停止呼吸后虾体内的糖原降解产生乳酸，同时ATP分解产生磷酸，这些酸性物质的积累导致虾的pH值下降；而当虾进入自溶腐败阶段时，虾体内的蛋白质、氨基酸等物质会在蛋白酶和一些碱性微生物的作用下分解成氨类、二甲胺等挥发性含氮物质，导致虾pH值升高。而虾TVB-N含量则随着贮藏时间的延长而升高。TVB-N含量可作为水产品鲜度的评价指标，根据其含量可将鲜度等级划分为一级鲜度（＜15 mg/100 g）、二级鲜度（15～20 mg/100 g）、三级鲜度（20～30 mg/100 g）和完全腐败（＞30 mg/100 g）。当pH值超过7.7时认为虾体已完全腐败变质。新鲜虾TVB-N含量为8.85 mg/100 g，新鲜虾的pH值为7.07，智能指示膜CS-SA-BAA15的初始颜色呈现紫色，贮藏的第4天，CS-SA-BAA15薄膜颜色显示为浅灰色，其TVB-N含量为26.7 mg/100 g，即开始变质，pH值为7.49，低于腐败标准，对应三级鲜度。贮藏第5天时，CS-SA-BAA15薄膜颜色显示为深灰色，此时TVB-N含量为32.5 mg/100 g，pH值为7.77，TVB-N含量和pH值均达到腐败值，故认为腐败不能食用，在贮藏的第6天时，智能指示膜变为黄棕色，对应TVB-N含量和pH值均已超过腐败标准，盒子里的虾有明显的腥臭味和氨味，且虾的色泽暗淡、变黄，表明虾完全腐败。综上所述，将4 ℃贮藏过程中的虾新鲜度划分为3 个等级：0～1 d为一级鲜度（紫色）；2 d为二级鲜度（浅粉色）；3～4 d为三级鲜度（深粉色、浅灰色）；5～6 d完全腐败（深灰色、浅棕色）。

如表3所示，随着贮藏时间的延长，

L

*值逐渐下降，

a

*值、

b

*值和Δ

E

呈现上升趋势，其变化与指示膜的pH值响应行为一致。差异显著性分析表明，不同新鲜度的虾

L

a

b

*值和Δ

E

在具有显著差异（

P

＜0.05），证实利用指示膜颜色对虾鲜度进行区分具有可行性。

如图9所示，CS-SA-BAA15薄膜的Δ

E

与虾样品的pH值和TVB-N含量呈正相关。此外，Δ

E

与pH值（0.862）、TVB-N含量（0.974）拟合曲线方程的决定系数

R

2 较高。由图10可看出，Δ

E

与TVB-N含量（

r

＝0.99，

P

＜0.01）、pH值（

r

＝0.93，

P

＜0.01）呈极显著正相关。以上结果说明，针对于虾的不同新鲜度，CS-SABAA15薄膜可显示出明显的颜色变化，可以将其应用于虾贮存期的新鲜度监测。

结论

本实验利用CS-SA-BAA复合薄膜和BAA提取物制备了用于虾新鲜度指示的智能传感比色膜。结果表明：BAA被成功复合到CS-SA薄膜上，且与CS-SA薄膜之间形成新的相互作用。CA-SA-BAA复合膜比CS-SA薄膜具有更好的机械性能和紫外线阻隔性能。随着BAA提取物添加量的增加，薄膜颜色

L

*值显著下降，

a

b

*值和Δ

E

显著上升。此外，CS-SA-BAA薄膜能在不同的pH值缓冲液中显示出明显的颜色差异，将CS-SA-BAA15薄膜作为智能指示膜在虾保鲜上进行应用，结果表明，虾新鲜度为一级鲜度时（0～1 d）指示膜为紫色；二级鲜度（2 d）时指示膜为浅粉色；三级鲜度时（3～4 d）指示膜为深粉色转浅灰色；腐败时（5～6 d）指示膜为深灰色或黄棕色。因此CS-SA-BAA15薄膜的颜色变化可以反映虾的实时新鲜度变化情况，这表明CS-SA-BAA15复合薄膜可作为智能指示膜实时监测虾的新鲜度。

作者简介

通信作者：

覃宇悦，女 ， 昆明理工大学食品科学与工程学院，教授。 本硕博毕业于华南理工大学， 研究领域为云南食用菌资源研究与利用、食品保鲜技术研究； 主持国家自然科学基金面上项目和地区项目各 1 项，省部级项目 2 项，国家重点实验室项目 2 项，教育部产学研合作教改项目 1 项，参与国家自然科学基金地区项目 2 项，参与省部级项目 2 项。 指导大学生创新创业项目国家级、省级项目共计 6 项，指导互联网 + 大学生创新创业大赛 5 届，指导 “挑战杯“全国大学生系列科技学术竞赛 3 人次。 发表论文 100 多篇，其中以第一作者或通信作者发表 SCI 论文 50 多篇，授权发明专利 3 项。

第一作者：

陈珂君，女，汉族，2021级昆明理工大学食品科学与工程学院，工学硕士在读。主要研究方向为食品保鲜技术研究，主持云南省教育厅科学研究基金研究生项目“壳聚糖复合膜对草莓采后长效保鲜机理研究”，以第一作者发表SCI论文2 篇，EI论文1 篇，申请发明专利2 项。

本文《 基于黑苹果果皮花青素的虾鲜度指示膜的制备及应用》来源于《食品科学》2023年44卷第21期274-281页，作者：陈柯君，杨周昊，余虹达，程桂广，覃宇悦，李 琳。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221124-279。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑；云南师范大学生命科学学院 母朵银；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科技创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

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为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院、中国食品杂志社、国际谷物科技学会（ICC）将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间：2024年 8月 3—4 日，会议地点：中国 湖北 武汉。

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