开发高性能虾类智能包装：富含天然碳点的壳聚糖/乳清蛋白分离物/花青素薄膜

《Applied Food Research》：Developing high-performance shrimp smart packaging: chitosan/Whey protein isolate/betacyanins films enriched with natural carbon dots

　　本研究开发了一种基于壳聚糖/乳清蛋白（Ch/WPI）的复合薄膜，整合了马齿苋花青素（MBs）和 chamomile waste碳点（CM-CDs），具有pH响应性、抗菌抗氧化性能及紫外线屏蔽特性。薄膜厚度50-60μm，拉伸强度79.42-91.74MPa，水蒸气渗透率2.54×10^-11 g m^-1 s^-1 Pa^-1，pH 2-12时颜色渐变（粉红→棕黄）。通过48小时虾类包装实验验证，pH从6.3升至7.43时薄膜颜色由粉红变为棕黄，成功监测腐败进程。

　　本研究提出了一种基于壳聚糖/乳清蛋白（Ch/WPI）的新型复合膜材料，该材料嵌入了从四叶草中提取的β-胡萝卜素（MBs）和从洋甘菊废料中合成的碳点（CM-CDs）。这种智能包装膜具有优异的pH响应特性，同时具备显著的抗菌、抗氧化和紫外线屏蔽能力。通过研究发现，该膜材料在物理、机械和光学性能上表现良好，能够有效监测虾类食品的新鲜度变化。随着全球对可持续包装和食品安全的关注日益增加，这种基于天然成分的包装材料为解决传统塑料包装的环境问题提供了新的思路。

### 1. 研究背景

随着食品工业的发展，食品安全问题愈发受到重视。近年来，耐药菌株的增加以及抗生素的滥用，使传统抗菌手段的效果受到限制。为了应对这一挑战，研究者们开始探索非抗生素的天然抗菌方法。此外，传统塑料包装材料因其对环境的破坏性而受到批评，全球已有超过170个国家承诺在2030年前减少塑料使用量。因此，开发可降解、环保的食品包装材料成为研究热点。

壳聚糖（Ch）和乳清蛋白（WPI）是两种广泛应用于食品包装的天然高分子材料。壳聚糖具有良好的生物相容性和抗菌性能，而乳清蛋白则以其高氧阻隔性和生物降解性受到关注。然而，单一使用这些材料存在一些局限性，如壳聚糖的机械强度较低、吸水性较强，而乳清蛋白的热稳定性不足。因此，结合不同天然高分子材料以提高其综合性能成为一种可行的解决方案。

碳点（CDs）作为一种新型的纳米材料，因其独特的光学性质和良好的生物相容性而受到广泛关注。CDs能够有效吸收紫外线，同时具备抗菌和抗氧化功能。利用废料和农业副产品合成CDs不仅有助于资源再利用，还能减少环境污染。此外，CDs的引入可以增强包装材料的机械性能，使其更适合食品包装应用。

β-胡萝卜素是一种天然色素，具有显著的抗氧化性能，同时能够根据pH值变化而改变颜色，使其成为智能包装材料的理想选择。β-胡萝卜素的pH响应特性使其能够用于监测食品的新鲜度变化。因此，结合CDs和β-胡萝卜素，开发一种新型的智能包装膜材料，具有重要的应用前景。

### 2. 材料与方法

本研究采用壳聚糖、乳清蛋白、β-胡萝卜素和CDs作为主要材料，通过溶液浇铸法制备复合膜材料。其中，CDs是通过水热法从洋甘菊废料中合成，而β-胡萝卜素则从四叶草花中提取。通过调整材料配比和制备条件，研究人员制备了多种复合膜材料，并对其物理、化学和光学性质进行了系统分析。

为了评估膜材料的性能，研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对膜的微观结构和化学组成进行了表征。此外，通过测量水接触角、机械强度、拉伸性能、水蒸气透过率（WVP）、水分含量（MC）和水溶性（WS）等参数，进一步验证了膜材料的物理性能。同时，利用紫外-可见光谱（UV-Vis）和DPPH方法评估了膜材料的抗氧化能力，通过盘扩散法检测了其抗菌效果。

### 3. 结果与讨论

通过实验发现，Ch/WPI/MBs/CDs复合膜在多个性能指标上均表现出优异的特性。首先，该膜材料具有良好的pH响应能力，能够在不同pH值下呈现出不同的颜色变化。例如，在pH值为2时呈现粉红色，pH值为4时呈现浅粉色，pH值为6时呈现粉红色，pH值为7时呈现红色，pH值为8时呈现浅玫瑰棕色，pH值为10时呈现黄褐色，pH值为12时呈现黄色。这种颜色变化能够直观地反映食品的新鲜度变化，具有良好的应用前景。

其次，该复合膜在抗菌性能方面表现突出。在实验中，Ch/WPI/MBs/CDs膜对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑菌圈直径分别为20±1.2 mm和15±0.36 mm，显示出较强的抗菌活性。这可能归因于CDs的抗菌机制，即通过与微生物细胞壁的静电相互作用，破坏细胞膜并影响其代谢和营养吸收。此外，CDs在光照下能够产生活性氧（ROS），进一步增强其抗菌效果。

在抗氧化性能方面，该复合膜表现出较高的抗氧化活性，达到83±1.7%。这主要得益于CDs表面的活性基团，如羟基（-OH）和羧基（-COOH），这些基团能够通过电子转移和氢键作用，有效清除自由基，从而延缓食品的氧化过程。β-胡萝卜素的加入进一步增强了膜的抗氧化能力，使其在食品包装中能够发挥更大的作用。

此外，该复合膜在水蒸气透过率、水溶性和水分含量方面也表现出良好的性能。与纯Ch/WPI膜相比，Ch/WPI/MBs/CDs膜的水蒸气透过率显著降低，从6.90×10?11 g m?1 s?1 Pa?1降低至2.54×10?11 g m?1 s?1 Pa?1。这表明膜材料具有良好的水阻隔性能，能够有效防止水分的渗透，从而延长食品的保质期。同时，膜的水溶性也有所降低，这可能与其表面结构的改变有关。

在实际应用方面，研究人员将Ch/WPI/MBs/CDs膜应用于虾类食品的包装中，并在室温下监测其新鲜度变化。实验结果表明，虾类食品在48小时内pH值从6.3升高至7.43，此时膜的颜色从紫色变为棕色，表明食品已经发生腐败。这种颜色变化能够通过肉眼和智能手机摄像头进行监测，为食品新鲜度的实时检测提供了新的手段。

### 4. 结论

本研究开发了一种基于壳聚糖和乳清蛋白的新型智能包装膜材料，该材料嵌入了β-胡萝卜素和CDs，表现出优异的pH响应性、抗菌性和抗氧化性能。通过实验验证，该复合膜材料在物理性能、水阻隔性和环境适应性方面均优于传统包装材料，具有良好的应用前景。此外，该膜材料在监测虾类食品的新鲜度方面表现出色，能够提供实时、可视的检测结果。这些结果表明，Ch/WPI/MBs/CDs复合膜材料在食品包装领域具有重要的研究价值和应用潜力。

### 5. 潜在应用与未来展望

该复合膜材料不仅可以用于食品包装，还可能在其他需要实时监测的领域发挥重要作用。例如，其pH响应特性可以用于监测其他易腐败的食品，如肉类、鱼类和乳制品等。此外，膜材料的抗菌性能使其在食品储存过程中能够有效抑制微生物生长，提高食品安全性。同时，其抗氧化能力可以延缓食品的氧化过程，延长保质期。

未来，研究人员可以进一步优化膜材料的配方，以提高其在不同环境条件下的稳定性和适应性。此外，可以探索该膜材料在其他食品包装应用中的潜力，如用于监测水果和蔬菜的新鲜度。同时，开发更加经济、环保的制备方法，使其更适用于大规模生产，也是未来研究的重要方向。通过进一步研究，这种新型包装材料有望成为食品工业中一种高效、环保的解决方案。