天然色素在食品新鲜度指示膜中的研究应用

食品新鲜度指示包装是智能包装的重要分支，可通过可视化信号为消费者提供食品质量的实时信息。天然色素因其生物相容性、可降解性和灵敏的pH响应特性，成为指示剂的理想选择，其中花青素、姜黄素、茜素和紫草素等天然色素在食品新鲜度指示包装中的应用较为广泛，在生鲜肉类、水产品和果蔬中的实际应用效果显著，有着巨大市场应用潜力。

主要天然色素及其特性

1、花青素

花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性色素，能够在较宽的pH范围内产生明显的颜色变化，从酸性条件下的红色到中性条件下的紫色，再到碱性条件下的蓝色。这种独特的变色特性使其成为食品新鲜度指示剂的优选材料。

研究表明，红甘蓝和紫甘薯是提取花青素的较佳原料，其单乙酰化和双乙酰化形式的花青素含量较高，具有更好的热稳定性和光稳定性，同时表现出更宽的pH依赖色谱。在已报道的研究中，这两种植物原料占比超过35%。

实际应用研究显示，将紫甘薯花青素与羧甲基纤维素和淀粉混合制备的包装膜可有效监测鱼类新鲜度变化。同样，基于可生物降解膜和玫瑰茄花青素的智能指示膜也成功应用于猪肉新鲜度的监测。不过，花青素在高温下的稳定性仍是需要解决的问题，研究发现随着储存温度升高，花青素指示膜的变色更加明显，这主要源于花青素的氧化反应和较低的热稳定性。

2、姜黄素

姜黄素是从姜黄根茎中提取的多酚类化合物，不仅具有多种生物活性，还是一种高灵敏度的酸碱指示剂。其颜色变化源于分子结构的互变异构：在酸性或中性pH下以双酮形式存在呈黄色，在碱性pH下以烯醇形式为主呈现红色。

研究证实，以塔拉胶和聚乙烯醇为基材，加入姜黄素制备的指示膜在不同相对湿度的氨气环境和虾新鲜度检测中均表现出明显的颜色变化。基于k-卡拉胶和姜黄素的指示薄膜不仅提高了热稳定性，还显著增强了膜的抗氧化性、抗湿性和抗拉强度。

为克服姜黄素变色范围有限的局限性，研究人员开发了混合指示剂系统。将姜黄素与花青素按2:8比例混合制备的pH传感薄膜可呈现三种不同的颜色，分别代表鱼类的高新鲜程度、中等新鲜度和变质程度。这种混合染料不仅扩大了颜色变化范围，还增强了单一染料的稳定性。

3、茜素

茜素是从茜草植物根中提取的天然色素，作为一种新型的pH指示剂，在智能包装中展现出良好应用前景。随着pH从酸性到碱性的变化，茜素分子发生质子转移，形成分子内氢键，颜色从黄色变为紫色。

研究表明，添加茜素的醋酸纤维素纳米纤维薄膜可作为鱼类腐败实时指示器。在4℃储存条件下，随着挥发性碱性氮总量的增加和产品pH的升高，该包装传感器在第6天和第12天可观察到明显的视觉颜色变化。以壳聚糖为基材制备的pH响应功能膜，随着包装鱼pH的变化，复合涂层颜色由卡其色变为浅棕色，能有效指示鱼的变质过程。

4、紫草素

紫草素是从紫草干根中提取的萘醌类色素，与花青素相比具有更好的稳定性。其分子结构中的萘扎林部分具有化学活性，对光、热、酸、碱等条件敏感。研究发现，从紫草根中提取的天然色素与琼脂复合制备的指示膜在监测鱼类新鲜度时，由初始的粉色变为蓝紫色，颜色变化明显。

为提高指示膜的机械强度，利用生物降解纤维素和紫草素染料制备的比色传感薄膜显示出较高的拉伸强度和疏水性能，其颜色变化与虾和猪肉的挥发性盐基氮含量密切相关。

新鲜度指示膜的制备方法

1、静电纺丝技术

静电纺丝技术可在温和条件下开发比表面积高的纳米级纤维膜，具有孔隙率高、对环境酸碱性敏感度强的特点。与流延技术相比，静电纺丝制备的纤维膜能有效弥补疏水指标反应灵敏度差的问题。

研究显示，采用静电纺丝技术设计的聚偏氟乙烯纤维膜与洛神花青素和肉桂精油结合，具有良好的结构完整性和稳定性，可呈现从粉红色到蓝色的颜色变化，在4℃条件下有效延长猪肉保质期2天。将聚己内酯与三叶花青素结合制备的双层比色薄膜具有适宜的水蒸气透过率和较高的断裂伸长率，其颜色从淡蓝变至黄绿，可用作虾变质的指示器。

2、纳米技术

纳米技术可有效提高天然色素的稳定性，增强颜色变化效果。纤维素、壳聚糖、淀粉等天然生物聚合物作为固定pH传感材料的基质具有广阔应用前景。

研究表明，将κ-角叉菜胶聚合物作为基质，包埋纳米银颗粒制备的新鲜度指示膜颜色由紫色变为黑紫色再转变为深绿色，保质期至少为240天，适用于鱼类长期保鲜。包埋乳链菌肽制备的指示薄膜具有良好的抗紫外线、抗氧化和抗菌性能，其颜色从红色变为蓝色。

3、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法可用于制备具有均匀孔隙率、高表面积和孔体积的薄膜，具有光学透明度高、化学反应性低和机械刚性好的优点。研究证实，用溶胶-凝胶法制备的比色pH指示剂在20℃储存48小时后，颜色从蓝色变为紫玫瑰色，可以完全区分新鲜和变质的巴氏杀菌牛奶。

用含有茜素的壳聚糖溶胶-凝胶溶液包覆纤维素纸制备的pH敏感指示剂，在食品贮藏过程中受碱性气体影响，颜色从棕色变为紫色，可用于监测碎牛肉的新鲜度。

4、电化学书写和3D打印

电化学书写和3D打印作为新兴的制备技术，为智能包装提供了新的可能性。电化学书写技术通过控制局部pH变化实现图案的精确书写，避免了传统油墨的使用。研究显示，将红萝卜花青素与明胶及结冷胶结合开发的可食用pH敏感薄膜，在pH为2～12时呈橙红至黄色变化，成功使用电化学书写在薄膜上绘制多色图案。

使用3D打印机制备的多层薄膜，将壳聚糖、桑葚花青素和柠檬草精油作为中间层，木薯淀粉作为保护层，当冷冻猪肉变质时，指示膜从红色变为灰蓝色，其RGB值可通过智能手机应用程序自动分析以确定猪肉的新鲜度。

新鲜度指示膜的应用

1、在生鲜肉类中的应用

生鲜肉类在贮藏过程中易发生脂质氧化、蛋白质氧化和微生物污染，产生胺、氨、挥发性碱性氮等物质。基于天然色素的智能包装通过颜色变化监测这些质量指标，为消费者提供直观的新鲜度信息。

研究表明，以紫甘薯花青素为指示剂的聚乙烯醇/琼脂糖薄膜在监测猪肉新鲜度时颜色从浅棕色变为深绿色，新型多孔垫可吸收肉汁以抑制微生物生长，延长保质期。利用紫玉米芯提取物开发的智能包装材料可将农业废弃物转化为有价值的智能包装材料，替代合成石油基塑料材料。

2、在生鲜水产品中的应用

水产品因组织柔软和蛋白质含量高，在捕捞后容易发生腐败变质，产生挥发性硫化物、胺、三甲胺等物质。研究发现，将红甘蓝花青素与羧甲基壳聚糖/氧化海藻酸钠结合，通过丝网印刷制备的指示膜颜色由紫色变为绿色，将BP神经网络集成到智能手机应用程序中，可实现快速标签扫描和鱼鲜度的实时识别。以壳聚糖/聚乙烯醇为基材，蓝花楹花青素为指示剂的薄膜具有高水平的抗氧化和抗菌活性，颜色由粉红色变为灰色再变为淡黄色。

3、在生鲜果蔬中的应用

果蔬在贮藏过程中因呼吸作用产生二氧化碳，导致环境pH变化，基于此原理开发的指示膜可监测果蔬新鲜度。研究显示，基于聚乙烯醇和红甘蓝提取物的静电pH生物传感器可指示pH在2～12范围内的变化，纳米纤维毡由浅蓝色变为深紫色，有效监测鲜枣果实的新鲜度。针对草莓开发的智能指示标签在成熟阶段从紫褐色变为蓝紫色，再变为紫红色；在变质阶段从橘红色变为鲜桔红色，为果蔬质量监测提供了有效手段。

新鲜度指示膜的应用的发展前景及挑战

基于天然色素的食品新鲜度指示包装技术具有广阔的发展前景。花青素、姜黄素、茜素和紫草素等天然色素各具特色，通过静电纺丝、纳米技术、溶胶-凝胶法、电化学书写和3D打印等先进制备技术，能够开发出性能优异的智能指示材料。这些材料在生鲜肉类、水产品和果蔬中展现出良好的应用效果，为食品质量监控提供了新的解决方案。随着技术的不断进步和创新，天然色素指示包装有望在未来食品工业中发挥更加重要的作用，为消费者提供更加安全、可靠的食品质量保障，推动食品包装行业向智能化、绿色化方向发展。

不过，天然色素在食品新鲜度指示包装中的应用仍面临诸多挑战。首先，天然色素的稳定性问题亟待解决，花青素等色素对光、热、氧气敏感，容易发生降解。其次，指示剂的灵敏度和准确性需要进一步提高，确保颜色变化与食品实际腐败程度精确对应。此外，静电纺丝、3D打印等先进制备技术的设备成本高、工艺复杂，制约了其产业化应用。最后，缺乏统一的质量评价标准和法规体系也限制了该技术的推广。

结语

未来，基于天然色素的食品新鲜度指示包装技术的相关研究科着重于以下几个方向：开发复合指示剂系统，通过多种色素复配扩大颜色变化范围和提高区分度；结合物联网、大数据等技术，建立完整的食品质量智能监控系统；进一步开发农业废弃物等可再生资源作为指示剂和基材来源，提高包装的环保性能；建立统一的技术标准和质量评价体系，推动产业化进程；探索新型制备工艺，降低生产成本，提高生产效率。

参考资料：

[1]刘琳,郑佳楠,张友胜,等.天然色素鲜度指示膜在食品包装领域的研究进展[J].中国食品添加剂,2025,36(04):172-180.

[2]韩林娜,戴增辉,顾孟清,等.基于天然色素的食品新鲜度指示包装研究进展[J].食品工业科技,2023,44(03):432-441.

作者简介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。