花青素pH響應型智能包裝及其在食品新鮮度監測中的應用

曾俊，任小娜，魏健，吳江超

1(喀什大學 生命與地理科學學院，新疆 喀什，844000)2(新疆帕米爾高原生物資源與生態重點實驗室，新疆 喀什，844000)

食品在加工、流通和貯藏過程中，包裝是非常重要的一個工序。包裝的主要目的是保護食品免受外部環境的危害，延長食品的貯存期[1]。但目前常見的食品包裝并不能主動顯示食品的真實質量信息。智能包裝是一種將智能功能與常規包裝相結合的包裝系統，具有感知、檢測、記錄產品外部或內部變化的功能[2]。pH響應型智能包裝因其成本低、體積小、制備方便和指示效果好等優點而備受關注。

用于pH響應的指示劑可以分為合成和天然指示劑2種類型。合成指示劑主要有甲基紅、甲酚紅、溴甲酚綠、溴甲酚紫、溴百里酚藍等[3-4]。大多數合成指示劑具有一定的毒性，難降解，對環境不友好，而且合成指示劑的使用會增加食品安全的隱患。因此，有必要尋找可再生、無毒的天然指示劑來替代合成指示劑。與合成指示劑相比，天然指示劑具有來源廣、成本低、安全性高等優點。近年來，多種天然指示劑如花青素、姜黃素等[5]作為指示物在智能包裝中被使用[6-8]。花青素因其來源廣泛，pH響應范圍廣、安全可靠、以及具有抑菌和抗氧化等特性而被廣泛研究[9-10]。本文對花青素的來源、結構及變色機理進行了闡述，總結了以花青素或富含花青素的提取物為指示劑的pH響應智能包裝膜的制備方法和應用，并對其應用局限性和研究方向進行了分析和展望。

1 花青素的來源及結構

花青素是一類多酚類的黃酮化合物，廣泛存在于花、水果、蔬菜和精選谷物中，使其呈現出不同的顏色，如，橙色、藍色、紫色、粉色和紅色[11-12]。花青素的分子質量為400～1 200，其基本結構是2-苯基苯并吡喃的糖基化多羥基或聚甲氧基衍生物。羥基的數量、羥基的甲基化程度以及附著在分子上的糖基的性質和數量造成花青素在結構上的差異[13]，同時，附著在糖上的脂肪酸或芳香酸的位置、性質和數量同樣也影響著花青素的結構。天然花青素主要有矢車菊素、芍藥素、牽牛花素、錦葵素、天竺葵素、飛燕草素6種[14]，其在植物中的分布為：矢車菊素50%，飛燕草素12%，芍藥素12%，天竺葵素12%，錦葵素7%和牽牛花素7%[15-16]。

2 花青素的變色機理

黃酮離子是花青素的顯色基團，它對pH具有高度的敏感性和不穩定性。在不同的pH值溶液中，由于離子結構的轉變使花青素呈現出不同的結構和顏色。在高酸性條件下(pH<3)，黃酮離子的存在使花青素溶液呈現紅色、紫色或橙色。隨著pH值的增加，黃酮離子在2號位置水化的可能性增加，羥基發生質子轉移反應，黃酮離子在pH值為4～5時轉化為甲醇假堿，呈現為無色或淡粉色，并在pH值為6～7時重新排列其結構，形成共振穩定的醌基形式。在pH值為7～8時醌基進一步脫質子，形成陰離子醌基，使溶液呈現出藍色。在pH>8時形成查爾酮結構，溶液顏色加深，呈現出深褐色[17-18]。

3 花青素pH響應型智能包裝膜的制備方法

在以花青素作為指示劑制備pH響應型智能包裝膜的研究報道中，制膜的方法主要有溶液澆鑄、靜電紡絲、納米顆粒包埋、熱壓和擠壓法等[16,19]。

3.1 溶液澆鑄法

溶液澆鑄法是制備pH響應智能包裝膜研究中使用最廣泛的方法，將配制好的膜液澆鑄在磨具上，在室溫或者特定的溫度下干燥成膜，并將成型的膜置于特定的相對濕度的環境中存放一段時間后再進行應用。該方法操作簡單，成本低，非常適合實驗室規模的制備和應用。天然花青素的熱穩定性較低，在熱壓或擠壓過程中容易因產生的高溫而分解，因此，溶液澆鑄法有利于維持花青素的穩定[20-22]。溶液澆鑄法由于成膜的時間長，處理量少，很難實現大規模的工業生產。CHEN等[23]從甘薯中提取花青素作為指示劑，采用溶液澆鑄技術制備了牛至精油-纖維素納米纖維的pH響應納米纖維包裝膜。在pH值為2～12時，納米包裝膜的顏色由紅色變化到黃色。EZATI等[24]采用溶液澆鑄法制備了富含花青素的茜草色素-殼聚糖pH響應復合膜，并用于檢測魚肉的品質變化。在酸性條件下膜呈現出微黃色，隨著魚肉貯存時間的延長，膜變為淺棕色，表明變質開始，最后復合膜呈紫色，表明魚肉完全變質。ZHANG等[25]基于溶液鑄造技術，研制出含游離和微膠囊包埋的桑渣提取物的車前籽膠pH響應膜。該智能膜在pH值為2～12時表現出較大的紅藍色差。桑渣提取物的加入使包裝膜具有較好的性能和經濟性，是非常具有潛力的活性、pH敏感的食品包裝材料。

3.2 靜電紡絲法

靜電紡絲是一種用于制備聚合物納米纖維的技術，在強電場作用下，將不同的大分子均勻地電紡成數納米量級的超細纖維。因此，靜電紡絲法制備的納米復合纖維具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小、吸光度高等特點，是pH響應型復合膜的潛在候選材料[26-27]。DUAN等[28]采用靜電紡絲技術，以姜黃素和花青素為指示劑，普魯蘭多糖和甲殼素納米纖維為基質，研制了主動智能的靜電紡絲納米纖維包裝膜。在pH敏感性方面，僅含有姜黃素的納米纖維膜對pH響應不敏感，僅含花青素和2種指示劑均有的納米纖維膜顏色隨著pH值的變化發生顯著變化。KUNTZLER等[29]利用靜電紡絲技術，采用螺旋藻提取物作為指示劑，以聚乳酸和聚氧化乙烯為膜液制備出智能納米纖維膜。智能膜的顏色在不同pH值下呈現出從棕色到綠色的變化。MAFTOONAZAD等[27]采用靜電紡絲技術制備了聚乙烯醇和紅甘藍提取物的納米纖維pH感應膜，并用于評價新鮮棗果的質量。隨著鮮棗pH值的降低，膜的顏色由紫色變成深紫色，表明鮮棗完全腐敗。

3.3 納米顆粒包埋法

花青素容易受溫度、光、pH、氧氣等因素影響而發生降解，采用納米顆粒或納米聚合物包埋技術，可增強其穩定性，并提高其顏色變化的顯著性。在pH指示劑的開發中，纖維素納米纖維、結冷膠、殼聚糖、淀粉等天然生物聚合物通常作為結構復合材料來承載和穩定指示劑[30]。ZHANG等[31]利用殼聚糖和TiO2納米顆粒，以黑李皮提取物為pH指示劑，開發出一種pH響應食品包裝膜。在不同的pH值下，復合膜呈現出3種不同的顏色，pH值2～6時為紅色，pH值7～12時為藍色，pH值13時為暗黃色。殼聚糖-TiO2納米顆粒的存在有助于保護食品免受紫外和可見光的輻照，也便于觀察顏色變化。研究表明該pH響應包裝膜可用于評價易變質食品的新鮮度或變質程度。

3.4 熱壓、擠壓法

熱壓和擠壓法是采用熱壓機或擠壓機將含有指示劑的膜液壓縮成膜。該方法可用于包裝薄膜的大規模生產，但在熱壓和擠壓過程中容易產生高溫使指示劑分解，降低其敏感性或失去指示性能。這是制約含天然指示劑的pH響應智能膜大規模生產的主要因素之一。URANGA等[32]將紅甘藍中分離出來的花青素與明膠混合，采用熱壓法制備活性膜。與明膠膜相比，其抗氧化活性、力學性能和疏水性均有所提高，但光學性能略有下降，水蒸氣滲透性提高。GUTIéRREZ等[33]以玉米淀粉、藍莓提取物和納米粘土為原料，采用擠壓法制備pH響應膜。擠出膜未呈現出良好的pH響應性能，這可能是因擠壓過程中色素的降解所致。

4 花青素pH響應型智能包裝膜在食品新鮮 度監測中的應用

食品在貯藏的過程中，隨著食物質量的變化，食物的pH值也會改變。因此，pH值檢測是評判食品新鮮或變質程度的一種方法。在這方面，使用pH響應包裝是實現對食品質量實時監測的一種簡便易行的方法。食品在貯存期品質變化時會發生一系列生物或化學反應，產生有機酸、揮發性含氮化合物或硫衍生物等物質，可與指示劑作用，使指示劑呈現出明顯的顏色變化，以實時監控食品品質[34-36]。以花青素為指示劑的pH響應智能包裝已被廣泛研究應用于各類食品的包裝中。目前的研究報道主要集中在對肉制品、奶制品和水產品等食品的新鮮度監測。

4.1 肉制品

pH的改變是生鮮肉腐敗變質的一個重要的表現因素。揮發性胺類等是肉類在貯存過程中因微生物降解而產生的代謝物質，此類代謝產物會導致肉制品及其包裝環境的pH發生顯著的變化[37-38]。GUO等[39]將甜菜根提取物加入西瓜皮果膠中制備pH敏感指示劑膜，并用于監測冷藏牛肉在貯藏過程中品質的變化。智能膜在較寬的pH值(3～10)范圍內均表現出明顯的顏色響應。在對冷藏牛肉的監控中，隨著冷藏牛肉的腐敗變質，膜的顏色由第0天的粉紅色變為第8天的棕色，這表明該智能膜在冷鮮牛肉品質監測的應用方面具有很大的潛力。ZHU等[40]采用從葡萄皮和山竹皮中提取的天然花青素為指示劑，以木薯淀粉和聚乙烯醇為基質制備了智能pH指示膜。在豬肉貯藏期的監測中，添加了葡萄皮花青素智能膜的顏色呈現出由粉色、藍色、紫色到黃色的變化，含有山竹皮花青素的智能膜的顏色顯示出淺黃色、亮黃色、綠色到深綠色的變化，表明這2種pH響應包裝膜可用于監測豬肉的新鮮度。ZHANG等[41]通過將負載花青素的卵蛋白-海藻酸丙二醇納米復合物加入到聚乙烯醇中制備智能包裝膜，并將其應用于監測豬肉的新鮮度。隨著豬肉新鮮度的降低，膜的顏色呈現出由紫紅色到深藍色的顯著變化，表明其可以用于實時監測肉制品的新鮮度。KOSHY等[42]利用碳點和蝶豆花花青素制備出智能淀粉基生物高分子薄膜。隨著豬肉貯存時間的延長，薄膜的顏色從紫色變為綠色。該膜具有靈敏的pH指示性，可用于檢測包裝豬肉的新鮮度。

4.2 奶制品

奶制品在貯存過程中由于微生物的降解代謝使奶制品的pH值發生變化。PIRSA等[43]采用石榴皮提取物和香蜂草精油作為活性成分，以殼聚糖為基質制備了抗菌生物可降解復合膜并用于奶酪腐敗監測。隨著貯藏時間的延長和貯藏溫度的升高，奶酪的pH值發生變化，因石榴皮中花青素的存在使復合膜的顏色從藍色變為紅色，且變化是肉眼可見的，表明該復合膜可以用來估計奶酪的保質期。MOAZAMI-GOODARZI等[44]將黑胡蘿卜花青素固定在淀粉基質中制備了一種智能新鮮度指示標簽。制備的標簽在4、20 ℃避光和20 ℃光照條件下保存一個月后，在不同的pH值下仍具有顯著的顏色變化，且顏色具有良好的穩定性。在對巴氏殺菌后牛奶的貯存監測中發現，該指示標簽可以實現對鮮奶儲藏時開始腐敗和完全腐敗的過程監測。

4.3 水產品新鮮度監測

目前關于水產品新鮮度的監測報道主要集中在魚、蝦這兩類食品中。魚和蝦在腐敗時會產生揮發性的含氮化合物。揮發性含氮化合物呈堿性，對pH值影響較大，因此，可采用pH敏感膜監測這類食品中的揮發性含氮化合物的含量以實現對新鮮度的監測[45]。NAGHDI等[46]向馬鈴薯淀粉膜中加入甜菜花青素制備出對pH和氨敏感的食品包裝標簽。在對鱸魚4 ℃貯存的監測中，隨著總揮發性氮的增加，標簽的顏色從粉色變為黃色。EZE等[47]以殼聚糖和紫莓香米的酚類提取物為原料，研制了一種多功能比色指示劑膜。該比色膜在pH值為2～12對揮發性氨有顯著的顏色變化。將其應用于鮮蝦保鮮時，該膜因蝦的變質顏色由橙紅色變為黃色，表明該膜具有應用于現場視覺檢測海鮮新鮮度的潛力。WEN等[48]以TEMPO氧化細菌纖維素為基質，采用富含花青素的百里香和紫薯提取物作為指示劑，制備了一種智能活性膜。在對鮮蝦保鮮研究中發現，經過3個周期后，膜仍保持良好的抗氧化、抗菌和顯色反應性能。BAO等[49]以馬鈴薯淀粉為底物，藍莓花青素為指示劑，制備pH敏感的食品新鮮度指示膜。在4 ℃下應用于蝦的新鮮度監測，指示膜靈敏地呈現出由粉紅色到淺灰色，最后到灰綠色的視覺可見的顏色變化，為蝦的新鮮度監測提供了一種新穎、高靈敏度的方法。

4.4 花青素pH響應智能包裝膜的局限性

花青素具有來源廣泛、價格低廉、易于與殼聚糖、纖維素或淀粉等環保型水基聚合物結合的優勢。花青素pH響應膜在監測肉類、奶制品和水產品等食品的新鮮度方面顯示出巨大的潛力。然而目前僅局限在實驗室規模的研究和應用。這可能是由于，首先花青素具有不穩定性，對溫度、pH、氧氣、光等環境因素敏感，在智能膜的制備過程中易發生降解；其次，目前各種制膜工藝均存在相應的缺陷，如，溶液澆鑄、靜電紡絲和納米顆粒包埋法不適合大規模生產，而熱壓、擠壓法容易產生高溫而造成花青素的降解。這使得花青素pH響應智能包裝在實際應用方面仍面臨諸多挑戰。ZHAI等[50]利用結冷膠、明膠和紅蘿卜花青素制備出智能膜，在相對濕度75%和熒光燈下對不同溫度下貯存30 d的花青素智能膜的顏色穩定性進行了測試。隨著膜貯藏時間的延長，紅色逐漸褪去，隨著貯藏溫度的升高，變色更加明顯。花青素在高溫下變色是由于氧化反應和其較低的熱穩定性造成的，這將降低膜在監測時的敏感性。CHAYAVANICH等[51]研究了加入紅蘿卜花青素的明膠-淀粉基智能膜的穩定性。由于花青素的熱穩定性較低，膜的顏色在室溫下比在冷藏溫度下更不穩定。因此，尋找提高花青素穩定性的方法、優化和開發新的制膜工藝、研究提高膜的貯藏性能等，以實現工業化生產和應用將成為今后花青素pH響應智能包裝的研究方向。

5 結論

智能包裝除了具有常規包裝的功能外，還兼具對食品質量信息監測和反饋等功能而備受關注。pH響應型智能包裝是智能包裝中一種簡便快捷、可以無損監測食品新鮮度的方法，為監測和反饋食品的新鮮度和腐敗程度提供新的策略。花青素來源廣泛、無毒、pH響應范圍寬、具有抗氧化和抑菌等功能特點，在pH響應型智能包裝中被廣泛研究。花青素pH響應型智能包裝膜在對肉制品、奶制品和水產品的儲存期新鮮度檢測中表現出顯著的顏色變化，在食品新鮮度監控方面顯示出很大的發展潛力。但是由于花青素的不穩定性和當前的制膜技術不夠成熟，限制了由其制備的智能包裝在消費市場中的普遍應用，這也為今后的研究趨勢明確了方向。