pH敏感性材料在智能食品包裝中的應用進展

王紀鵬，虢有婕，韓 毅，張龍濤, ，繆 松，鄭寶東

（1.福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002；2.中國-愛爾蘭國際合作食品物質學與結構設計研究中心，福建福州 350002；3.愛爾蘭Teagasc食品研究中心，愛爾蘭科克 P61C996）

包裝是食品生產中必不可少的環節，傳統的食品包裝通過包材阻隔，控制光、氧氣、溫度等環境因素對食品的影響，保持品質，延長貨架期[1]。隨著新材料和新技術的發展，智能包裝可實現食品質量實時監測和新鮮度標識[2]，已成為近年來學者關注的焦點。在智能食品包裝中，通常以各種信號分子，如利用特殊材料的指示標簽、包裝膜等引起的顏色變化來直接顯示食品的品質變化情況[3]。由固體基質和pH敏感染料組成（如圖1所示）的pH指示器是實現該功能的主要元件，其機理是揮發性胺的釋放導致包裝頂空pH升高；當揮發性胺在頂空濃度足夠高時，會觀察到物理捕獲在聚合物薄膜中的pH敏感染料的顏色變化[4]。因此，采用pH敏感性材料制備的智能食品包裝，可使消費者更加便捷的觀測到包裝內食品質量變化情況。根據pH敏感性材料的不同可分為化學顯色劑型指示器、天然色素顯色劑型指示器。

圖 1 pH指示器的組成成分Fig.1 Composition of pH indicator

本文將對近年來化學顯色劑型指示器、天然色素顯色劑型指示器分別與不同的生物聚合物共混后形成的pH響應變色的基本化學過程、變色行為、研究進展及其優點和局限性進行介紹，對其在食品新鮮度檢測中的應用進行總結，并展望了其在食品領域的應用前景和面臨的挑戰。

1 化學顯色劑型指示器

化學顯色劑又稱為合成染料顯色劑[5-6]，目前常用的合成染料顯色劑包括溴甲酚綠、溴甲酚紫、甲基紅、甲酚、二甲酚等。當產品發生變質，產生的氣體改變了包裝環境中的pH，顯色劑產生化學顯色反應，發揮食品品質變化指示器的作用。

溴甲酚綠（C21H14Br4O5S）是一種高度敏感的pH指示劑，它含有2個酚羥基，屬于砜酞染料族。PACQUIT等[4]、LIU等[7]以溴甲酚綠為pH敏感材料，分別固定在溶膠-凝膠、多孔陽極鋁膜上制成pH指示器，在強酸性條件（pH3～4）下呈黃色，這與肉變質過程中釋放揮發性胺與溴甲酚綠發生反應有關。杜月紅等[8]以甲基纖維素和聚乙二醇為基材，添加溴甲酚紫、溴百里酚藍等酸堿指示劑，制得6種方便、無損的新鮮度指示標簽。此類的指示器具有結構簡單、成本低的優點，但檢測的方向單一。KUSWANDI等[9]采用甲基紅和溴甲酚紫，研究兩種指示劑在食品變質過程中分別發生變色反應，可以更清晰且實時檢測到食品的新鮮度，同時克服單一傳感器檢測的缺點。

與天然色素顯色劑相比，化學顯色劑具有低成本，高穩定性的優點[10]，但缺點也很明顯。為了提高對食品變質產生的揮發性胺的靈敏性，所有指示器均與包裝內的食品緊密貼合，化學顯色劑存在一定的溶解性，易污染食品，進入人體后腸道中的細菌可以將其分解成致癌物[11]，存在食品安全隱患。

2 天然色素顯色劑型指示器

由于化學顯色劑潛在的致癌毒性，研究者開始關注一些天然的pH顯色劑，如花青素、姜黃素、茜素、紫草素、甜菜堿等，具有天然可再生、無毒性、環境友好等特點[12]。

2.1 花青素

2.1.1 花青素的變色機理 花青素（Anthocyanins）是一種天然著色劑，具有良好的抗氧化、抗菌和pH敏感性[13]。近年來，基于不同植物來源的生物聚合物（如多糖和蛋白質）和花青素的活性智能包裝膜的開發受到越來越多的關注。花青素普遍分布在水果、花卉和蔬菜中，是紅色、紫色和藍色的主要來源之一。研究表明，花青素可以從多種植物（如玫瑰、火龍果、葡萄、車厘子、黑枸杞、藍莓等）中提取獲得，目前已在自然界中鑒定出500多種花青素，且已在智能食品包裝中成功應用[14]。花青素屬于多酚類黃酮家族，由糖基化的多羥基和多甲氧基組成，兩個芳香環由一個線性三碳鏈連接（如圖2所示）。花青素隨pH變化的變色特性取決于花青素兩性性質所引起的結構變化。在低pH條件下，花青素以黃酮陽離子的形式存在，呈現出最強烈的紅色。在pH為4～5時，黃酮陽離子快速水化，紅色強度隨之降低。隨著pH的升高，黃酮陽離子進一步脫質子而形成醌類酸堿，在pH為7時呈現紫色，在pH為8時呈現深藍色[15]。隨著pH的增加，花青素結構改變，顏色呈現由紅色到紫色，最后過渡到黃綠色（如圖2所示）。

圖 2 花青素隨pH改變而發生的顏色變化Fig.2 The color change of anthocyanins in response to a change in pH

2.1.2 基于聚合物基質的應用進展及其局限性 抗氧化、抗菌和pH敏感性是富含花青素的提取物的主要特點[16]，花青素與膜基質分子間的相互作用（如氫鍵和靜電相互作用），使富含花青素的膜在pH變化中往往表現出物理性質的改變（如顏色、厚度、含水量、水溶性、光、水汽和氧氣阻隔能力、機械性能和熱穩定性）。因此，富含花青素的薄膜，其微觀結構受到生物聚合物性質、花青素的來源和含量以及薄膜制備條件的影響。近年來，花青素被應用于各種聚合物基質中，與不同的基質復合表現出不同的性能（表1）。

與天然顯色劑結合的聚合物可分為生物聚合物與合成聚合物，生物聚合物如多糖中的淀粉及其衍生物、果膠、殼聚糖、纖維素和纖維素衍生物等，蛋白質中的明膠，膠原蛋白，乳清蛋白等；合成聚合物如聚酯、聚乙烯醇、低密度聚乙烯等。淀粉因其價格實惠、可食用性和可生物降解等特點在包裝中被廣泛用作固體基質。QIN等[17]以木薯淀粉和黑枸杞花青素為原料制成指示膜，黑枸杞花青素的加入明顯改善了木薯淀粉薄膜機械強度低、水汽阻隔能力差、抗氧化能力差等缺點。中性生物聚合物-木薯淀粉通過氫鍵與花青素相互作用，保持了花青素的穩定性。蔣光陽等[18]以馬鈴薯淀粉為成膜基材，混合羧甲基纖維素鈉提高花青素的穩定性，使得薄膜內部分子間形成較強的相互作用，降低薄膜的水溶性。鄒小波等[19]提取玫瑰茄花青素，以淀粉-殼聚糖、殼聚糖-聚乙烯醇、淀粉-聚乙烯兩兩混合作為成膜基底材料應用于豬肉新鮮度指示。淀粉-花青素薄膜表現出抗氧化和智能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強度，擴大淀粉在食品包裝中的應用。但高含量的花青素可與淀粉形成聚合物，破壞網絡的致密性，ZHANG等[20]發現淀粉/殼聚糖/洛神花青素薄膜具有異質性的內部結構，表明高含量的花青素會破壞淀粉和殼聚糖之間的有序排列。目前花青素與淀粉聚合物的復合應用廣泛，但其機械強度低、水汽阻隔能力差、抗氧化能力差等問題有待進一步解決。

近年來，各種不同類型的膠體被用于制備食品包裝膜，表現出更好的機械性能、熱性能。帶電生物聚合物（如卡拉膠和結冷膠）通過氫鍵與花青素相互作用，并呈現出不同的顏色。WU等[21]在結冷膠中加入蝶豆花花青素，開發了具有抗氧化、抗菌等多種功能的智能包裝膜，在pH1～14的酸堿度下，發生紅色到棕黃色的不同變化。為降低膜的溶脹率，WU等[21]加入經熱處理的大豆分離蛋白，通過靜電引力和共價鍵與結冷膠-花青素膜形成相互作用。值得注意的是，熱處理大豆分離蛋白有效降低了花青素的釋放速率，提高花青素穩定性。ZHAI等[22]以明膠、結冷膠和紅蘿卜花青素提取物為原料，研制了一種可食用的pH敏感電化學書寫膜，在監測食品腐敗方面具有很大的潛力。明膠具有較差的機械性能（如易碎性），結冷膠的復配，不僅可以明顯改善明膠薄膜的力學性能，還可以增強花青素的熱穩定性。因此，明膠/結冷膠混合物被認為是固定花青素的首選成膜劑。此外，有學者利用合成聚合物基材良好的物理力學性能與花青素共混，改善智能食品包裝的生成條件。盧立新等[23]采用旋涂法的方法將含有玫瑰茄花青素的新鮮度指示膜用于鯧魚保鮮中，進一步解決了天然指示劑與聚合物薄膜加工成型中產生無法適應的問題。

在大多數情況下花青素是不穩定的，其顏色和穩定性受到各種因素的影響很大，如pH、光、溫度、金屬等。在潮濕條件下，其穩定性隨著其遷移到智能膜表面而下降。為提高了花青素的顏色穩定性，ZENG等[24]采用酶催化嫁接法將3,4,5-三甲氧基苯甲酸和沒食子酸嫁接到藍莓花青素上，兩種酸的嫁接增強了藍莓花青素的穩定性；ZHAO等[25]采用迷迭香酸和黃原膠的結合；許娟妮等[26]利用葡萄糖、海藻糖來提高其穩定性；趙立儀等[27]采用月桂酰氯酰化處理藍莓花青素，酰化后藍莓花青素的光、強氧化劑穩定性有了顯著提高。因此，花青素作為智能包裝膜的原料需要解決其不穩定的問題，在食品新鮮度監控方面顯示出較大的發展潛力

表 1 花青素與不同固體基質的應用Table 1 Application of anthocyanins and different solid substrates

2.2 姜黃素

2.2.1 姜黃素的變色機理 姜黃素（Curcumin）是由兩個芳香族丙烯酸聚合而成的二酮類化合物（如圖3所示），從姜黃的根莖中提取的一種疏水雙酚類物質，由于其明亮的黃色而被廣泛用作食品著色劑[28]。姜黃素對還原劑的穩定性較強[29]，且著色性強，不易褪色，但其耐光性、耐熱性、耐鐵離子性較差。隨著pH的增加，姜黃素的顏色呈現出從黃色到橙紅色的視覺變化（如圖3所示）。近年來，姜黃素的pH響應變色特性已在包裝中應用，以指示食品的質量變化[30]。

圖 3 姜黃素隨pH改變而發生的顏色變化Fig.3 The color change of curcumin in response to a change in pH

2.2.2 基于聚合物基質的應用進展及其局限性 姜黃素與聚合物基質的應用被逐漸開發（表2）。姜黃素因其分散性、染色能力優勢、抗氧化活性和pH依賴的溶解度[31]，而被納入卡拉膠、明膠和纖維素等生物聚合物中，制造出具有pH響應性的智能包裝膜[32]。MUSSO等[33]以明膠為基質制備指示器，通過溶液澆鑄法使用乙醇-水混合物作為姜黃素的溶劑，增強pH變化的顯色能力，且使薄膜指示器具有良好的抗氧化性能。當包裝內具有較高的相對濕度時，親水性聚合物薄膜不可避免地會從包裝內部環境中吸收水分，導致指示器中顯色劑的浸出[34]。盡管天然色素的浸出不會產生食品安全問題，但由于浸出引起的指示器中顯色劑含量的減少，可能會對其指示準確性產生一定的影響。ZHAI等[35]以低密度聚乙烯（LDPE）和姜黃素為原料，采用熔融擠出法制備了疏水膜，LDPE的疏水性使薄膜對pH緩沖溶液具有良好的穩定性，即浸沒在pH緩沖溶液中也不會發生明顯的顏色變化或姜黃素浸出。研究發現，擠出法和靜電紡絲技術可以有效改善天然色素的浸出和濕度對薄膜傳感能力影響問題。YILDIZ等[36]將殼聚糖與熱穩定、生物相容性和可生物降解的聚乙烯氧化物共混，通過靜電紡絲制造出納米纖維pH傳感器，增加了姜黃素的穩定性，有效提高指示劑的準確性。研究表明，以姜黃素為pH響應性的智能包裝膜因其水溶性低和在酸性介質中會快速降解受到了限制，目前可使用先進的指示器制備方法進行改善。

多種基質復配后結合姜黃素能夠增強指示器的機械性能，阻隔性和耐水性。ZHANG等[37]采用瓊脂和聚乙烯醇（PVA）復配，MA等[38]將塔拉膠、聚乙烯醇（PVA）結合姜黃素制備pH指示器膜用于檢測新鮮度。生物聚合物（瓊脂、塔拉膠、殼聚糖等）與PVA分子鏈上的羥基形成大量的氫鍵，使得指示器內部結構緊實，表現出了優異的相容性。近年來新型綠色納米材料受到了廣泛關注，其具有精細的納米結構、良好的力學強度和較低的熱膨脹系數等優點，指示器中摻入納米纖維素可以改善指示器的機械性能，阻隔性和耐水性，XIAO等[39]合成了球形姜黃素/纖維素納米晶體膠囊，發現合成膜表現出更高的抗自由基清除活性，并且對pH的變化和氨的存在有明顯的顏色響應性。多種pH敏感材料混合物也可以作為產品新鮮度的智能薄膜的良好指示材料，CHEN[40]以淀粉、聚乙烯醇和甘油為基料，制備了含姜黃素和花青素的可視pH傳感膜，與單個指標相比，混合指標可以擴大顏色變化的范圍。因此在制備姜黃素顯色劑型指示器時，在采用不同技術的同時還可考慮使用新型的綠色材料進行復配從而改變智能指示器的性能。

表 2 姜黃素與不同固體基質的應用Table 2 Application of curcumin and different solid substrates

姜黃素薄膜具有完全無毒、適合大規模工業化生產的特點，在智能食品包裝中具有良好的應用潛力。但由于姜黃素耐光性較差，暴露在陽光下迅速分解為香草醛、香草酸、阿魏醛和阿魏酸[41]，貨架期較短，限制了其在工業上的大規模應用[42]，因此，通過改性或其他技術手段，提高包裝膜中姜黃素的光穩定性，是后續研發應關注的問題。

2.3 茜素

2.3.1 茜素的變色機理 茜素（Alizarin）從紅莓的根中提取，屬于蒽醌染料[43]，醇溶性酚類化合物，呈橙棕色，常被用作紡織品和藝術品的染料。隨著pH的變化，茜素的兩個羥基與羰基氧原子結合形成分子內氫鍵（如圖4所示），由黃色變為紫色[44]。

圖 4 茜素隨pH改變而發生的顏色變化Fig.4 The color change of alizarin in response to a change in pH

2.3.2 基于聚合物基質的應用進展及其局限性 茜素是監測pH變化的一種新選擇，與不同固體基質的應用越來越廣泛（表3），其有足夠的揮發性氣體敏感性和優異的顏色穩定性，并且與大多數的生物聚合物相容，可改善生物聚合物基薄膜理化和功能特性。EZATI等[30]將茜素加入淀粉-纖維素紙中制備了一種新的pH敏感指示劑，茜素的摻入降低了指示器的水溶性。同時淀粉和纖維素的組合可以形成三維網絡，從而增強淀粉的機械性能。此外茜素的塑化功能可以降低聚合物基質之間的內力，提高指示器的柔韌性。EZATI等[45-46]采用溶液澆鑄法將茜素與殼聚糖結合，茜素在殼聚糖基體中均勻分布，形成了均勻的膜。在制備方法中，采用靜電紡絲可以成功地將茜素摻入納米纖維中，不會影響納米纖維的形貌和茜素的變色行為。AGHAEI等[47]以茜素為指示劑，靜電紡絲制備了納米醇溶蛋白纖維，茜素通過分子間氫鍵作用被包裹在玉米蛋白基質中，顯示了pH響應納米纖維結構作為化學傳感器應用的潛力。茜素的摻入大大提高了指示器的抗紫外線性能、熱穩定性和表面疏水性，但也發現在不同pH下，茜素的顏色變化范圍較窄，較低濃度的茜素不適合作為比色指示劑[48]。茜素指示器有著相對廣闊的應用前景，其復合膜的研制和性能的評價工作尚不充分。

2.4 其他天然顯色劑及其應用

2.4.1 紫草素 紫草素（Shikonin）是一種鮮艷的紅色無毒化合物，屬于萘醌類色素，從紫草的根部提取[49]。在氧、光、熱或酸或堿的情況下很容易受到影響和發生聚合，在較寬的pH范圍內具有良好的pH感應電位，并在室溫下穩定。近年來，紫草素已被用于制備彩色指示劑薄膜（表4），但相對于其他色素研究來說，紫草素的應用較少。DONG等[50]的實驗表明，紫草素在pH5～9時呈玫瑰色，在pH10～12范圍內表現出從藍紫色到深藍色的急劇變化（如圖5所示），且在堿性pH條件下容易降解[51]。紫草素的顏色隨pH變化敏感，可用于智能食品包裝應用，實時監測包裝食品的質量。

圖 5 紫草素隨pH改變而發生的顏色變化Fig.5 The color change of shikonin in response to a change in pH

HUANG等[51]用瓊脂和紫草素，開發出一種魚類新鮮度監測指示膜，X射線衍射的結果表明，紫草素在膜中分散良好，形成了致密的結構，提高了比色指示膜的力學性能。ROY等[52]以紫草素和蜂膠為原料制備了明膠/卡拉膠智能膜，利用蜂膠的性質增強了復合膜的防紫外線性能，使得復合膜具有優異的抗菌活性和高抗氧化功能。DONG等[50]、ROY等[53]、EZATI等[54]利用新型材料納米纖維素，與紫草素混合形成復合膜，具有顯著的抗紫外線性能。纖維素含有大量羥基的多孔結構，纖維素的多孔結構不僅有利于紫草素在聚合物基體中的吸附和包埋，而且有利于揮發性化合物的吸附，使得指示膜能夠監測pH 的變化。紫草素在堿性條件下降解速度快，如何提高其在指示器中的穩定性是亟待解決的問題。

表 3 茜素與不同固體基質的應用Table 3 Application of alizarin and different solid substrates

表 4 其他天然色素與不同固體基質的應用Table 4 Application of other natural pigments and different solid substrates

2.4.2 甜菜堿 甜菜堿（Betalains）是另一種水溶性天然食用色素，在甜菜和火龍果中呈現紅、紫、深紅色等多種顏色[55]，比花青素具有更廣泛的pH穩定性[56]，其顯色反應如圖6所示。由于其pH敏感特性，也被用作智能包裝的指示劑（表4）。QIN等[57]開發出淀粉/聚乙烯醇與富含甜菜堿的紅火龍果果皮提取物相結合的活性智能包裝膜，淀粉、聚乙烯醇、甘油和甜菜紅素之間形成的氫鍵極大地提高了薄膜的水汽阻隔性和機械性能。HU等[58]將甜菜堿加入季銨殼聚糖/魚明膠共混膜，大大提高了薄膜的物理性能（水汽阻隔能力和紫外-可見光阻隔能力）和功能性能（抗氧化、抗菌和氨敏感性）。諸多研究結果表明，利用甜菜堿開發新的pH指示膜具有較大應用前景，但與其他天然色素如花青素、姜黃素相比，甜菜堿變色不明顯，仍有較多的研究空間。

圖 6 紫草素隨pH改變而發生的顏色變化Fig.6 The color change of betalains in response to a change in pH

3 結論

pH指示型食品智能包裝通過對儲運期間包裝內pH變化發生顏色反應，實現產品品質變化的可視化監測。由于化學顯色劑的致癌、有毒、污染環境等缺點，天然顯色劑的可再生性和安全性為其作為pH響應性智能材料提供機會，但天然顯色劑的熱穩定性和光穩定性低，與聚合物的混溶性差，以及濕度較高時的染料浸出等問題，也為其實際應用帶來困擾。同時，指示器應用過程也有較多問題需要重視，如：環境因素，如溫度、濕度以及干擾氣體等的影響，也可能對顯色結果產生干擾。為了解決這些問題，以下三個方面，可提供借鑒或思路參考：a.研究先進的指示器制備方法，利用納米材料或靜電紡絲等技術的提高著色劑的穩定性和顯色效果；b.從新的植物來源尋找熱穩定的著色劑，或對現有天然顯色劑改性，開發更多無污染無毒害、顯色局限小、對特征氣體響應靈敏度高的指示劑；b.開發天然無毒的抗菌物質與指示膜進行融合，在指示的同時抑制包裝食品的變質速度，延長貨架期。