基于磷酸胆碱修饰壳聚糖的抗菌和防污智能/活性食品包装的开发，用于猪肉新鲜度监测和树莓保鲜

《Food Packaging and Shelf Life》：Development of antibacterial and antifouling smart/active food packaging based on phosphorylcholine-modified chitosan for pork freshness monitoring and raspberry preservation

　　

刘天添|薛佳怡|秦若然|王浩强|张瑞|刘英珠|江龙伟

农业农村部江淮农产品精深加工与资源利用重点实验室，安徽农业大学特色农产品高值化利用工程技术研究中心，食品与营养学院，中国合肥230036

摘要

本研究采用磷脂酰胆碱修饰的壳聚糖（PCCS）作为基质，茜素（AN）作为指示剂，制备了一种具有高效抗菌和防污性能的智能活性包装材料（PCCS-AN）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和¹H核磁共振（NMR）证实了PCCS的成功合成。此外，FTIR和扫描电子显微镜（SEM）显示，加入AN后与薄膜基质形成了氢键，使薄膜变得更加致密。磷脂酰胆碱修饰与AN的协同作用显著改善了壳聚糖薄膜（CS）的性能：提高了其水溶性（21.43%）、断裂伸长率（14.38%）和抗氧化性能（DPPH：71.62%；ABTS：81.81%），并降低了水蒸气透过率（7.33%）。PCCS-AN在短期测试中表现出良好的抗菌活性和有效的抗菌粘附能力。初步的生物降解实验和植物生长实验表明其具有优异的生物降解性，并对小麦生长有积极影响。与不含AN的CS相比，PCCS-AN在pH值和NH₃敏感性方面表现出更明显的颜色变化。在猪肉新鲜度监测过程中，PCCS-AN不仅发生了可见的颜色变化（从黄色变为紫色），还使树莓的保质期延长了6天。本研究为具有高效杀菌和长效防污功能的智能包装材料提供了新的设计思路。

引言

食品包装是食品生产过程中的重要环节，在延长食品保质期和确保食品安全方面发挥着不可替代的作用（Xie等人，2023年）。虽然塑料常用于食品包装，但基于石油的塑料不可生物降解，会造成严重的环境污染，并存在化学物质迁移的风险（Fu等人，2024年）。因此，基于天然聚合物的可生物降解包装材料越来越受到重视（Wang等人，2023a年）。壳聚糖因其优异的成膜性能、生物相容性、可生物降解性和固有的抗菌性能而在食品包装中得到广泛应用。然而，壳聚糖在实际应用中存在一些局限性：（I）其抗菌活性相对较弱，仅在酸性环境中有效（Yin等人，2024a年）；（II）其抗氧化性能较弱（Yin等人，2024b年）；（III）壳聚糖薄膜表面缺乏抵抗初始微生物粘附的能力，容易导致生物膜的形成，从而影响长期的抗菌效果（Liao等人，2025年）。据报道，通过化学修饰和添加天然化合物可以改善壳聚糖薄膜的性能（Wang等人，2023a年；Yin等人，2024b年）。

甜菜碱是一种季铵型水溶性生物碱，其分子结构具有独特的两亲性离子特性，同时带有正负电荷（Yin等人，2024b年）。此外，甜菜碱具有良好的生物相容性、可生物降解性、抗菌性能和亲水性，能有效防止非特异性蛋白质的吸附和污染。因此，通常将壳聚糖与甜菜碱结合使用以改善其抗菌和防污性能。例如，Yin等人（2024b年）以壳聚糖为基质合成了新型的三嗪类两亲性磺酸甜菜碱，制备出具有显著抑菌效果的多功能复合薄膜，同时有效抑制了细菌生物膜的形成。尽管磺酸甜菜碱已被用于壳聚糖的修饰，但磷脂酰胆碱——细胞膜磷脂的天然极性头基团——具有更接近生物膜的表面特性和更强的水合能力。有研究表明，用磷脂酰胆碱修饰聚合物可以形成更致密、更稳定的水合层，从而提高对蛋白质吸附和生物污损的抵抗力（Zeng等人，2012年）。然而，关于磷脂酰胆碱修饰壳聚糖在智能活性食品包装中的应用研究尚不充分，对其成膜行为和包装性能的控制机制仍缺乏清晰的认识。

近年来，智能活性包装因能够实时监测和显示食品新鲜度而受到广泛关注。在食品变质过程中，pH值会显著变化，因此可以根据pH值的变化实时监测包装食品的新鲜度/变质情况（Liu等人，2025年）。天然色素因其可生物降解性、安全性和pH敏感性而成为理想的指示剂材料（Xia等人，2024年）。例如，Zhao等人（2022年）将姜黄素引入壳聚糖/明胶复合薄膜中，通过改变薄膜颜色从黄色变为红色实现了对猪肉新鲜度的实时监测。Khan等人（2024年）将紫草素引入壳聚糖/聚乙烯醇复合薄膜中，通过改变薄膜颜色从红棕色变为深蓝色实现了对虾新鲜度的敏感检测。茜素（AN，1,2-二羟基蒽醌）是一种从茜草植物根中提取的天然食品色素，在酸性和碱性条件下会发生显著的颜色变化（从黄色变为紫色），同时具有抗氧化和防紫外线性能，使其成为理想的pH响应指示剂。尽管之前的研究已经探索了壳聚糖的两性离子修饰以赋予其防污性能，或将功能性材料引入智能活性包装以实现单一的pH响应功能或抗菌/抗氧化性能，但在单一包装系统中整合抗菌活性、防污性能和实时比色传感方面仍存在显著的研究空白。因此，本研究创新性地开发了一种多功能集成智能活性包装薄膜，将具有双重抗菌和防污性能的磷脂酰胆碱以及具有双重pH/NH₃响应性的茜素引入壳聚糖基质中，成功构建了一个结合广谱抗菌活性、持久抗菌膜粘附、实时视觉新鲜度指示和有效食品保鲜功能的集成系统。其功能整合程度远超传统单一功能的包装材料。

为解决这些研究空白，本研究的主要目标如下：（I）为了解决壳聚糖薄膜防污性能不足的问题，引入了磷脂酰胆碱基团，合成了磷脂酰胆碱修饰的壳聚糖，并对其进行了表征。基于其两性离子结构，提高了薄膜表面的防污和抗菌能力；（II）为了提高新鲜度监测能力，引入了茜素，并系统评估了磷脂酰胆碱修饰和茜素负载对薄膜物理化学性质、机械性能、阻隔性能和抗氧化性能的协同效应；（III）为了解决现有活性包装缺乏抗菌和防污性能的问题，对薄膜的抗菌效果和抗细菌粘附能力进行了全面评估。次要目标包括：（IV）评估薄膜的环境友好性，研究了其在土壤中的降解行为及其对土壤微生物群落和植物生长的影响；（V）通过猪肉和树莓作为测试对象，评估了薄膜在食品包装中的双重功能——保持新鲜度的同时作为智能指示剂的作用。这些评估测量了薄膜在储存过程中延长食品保质期的效果以及实时监测食品新鲜度的能力。

本研究首次将磷脂酰胆碱基团和茜素同时引入壳聚糖基质中，制备出一种新型多功能集成包装薄膜，实现了主动保护和智能指示功能的结合。通过分析两性离子基团与功能性分子之间的互补机制，阐明了它们对物理化学性质、抗菌和抗氧化性能的协同效应。此外，还初步验证了该薄膜在保鲜树莓和指示猪肉质量方面的有效性。这为开发具有长期保鲜能力和实时监测功能的下一代环保智能包装材料提供了新的设计理念和实际依据。

章节摘录

材料

材料的具体信息见补充信息S.1部分。

磷脂酰胆碱修饰壳聚糖的合成

首先，将293毫克（2.1毫摩尔）氯化胆碱溶解在10毫升Py/DMSO（1:10，v/v）混合溶剂中；然后使用旋转蒸发器在40°C和-0.1 MPa条件下去除水分；接着加入0.19毫升（1.0毫摩尔）二苯亚磷酸盐，混合物在24±1°C和500转/分钟的磁力搅拌条件下持续搅拌2小时，以确保充分反应生成双取代氯化胆碱。

磷脂酰胆碱壳聚糖的表征

首先，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR，见补充信息中的图S1a）确定了壳聚糖及其衍生物的功能团变化。壳聚糖在3436.4厘米^?1处的强而宽的吸收峰是-OH和-NH的伸缩振动峰；2925.9和2855.1厘米^?1处的峰对应于C–H的伸缩振动；1637.2厘米^?1处的峰可能是乙酰基的CO的振动；1382.7厘米^?1处的峰是

结论

本研究成功开发了一种新型多功能集成智能活性包装薄膜，以磷脂酰胆碱修饰的壳聚糖为基质，茜素为指示剂。该系统在单一可生物降解材料中实现了双重功能：实时视觉新鲜度监测和高效的活性保护。本研究的主要优势如下：（I）薄膜结合了广谱抗菌性能和防污性能

CRediT作者贡献声明

王浩强：实验研究；薛佳怡：软件开发；秦若然：数据整理；刘天添：初稿撰写、软件应用、方法设计、实验设计、概念构思；江龙伟：修订与编辑、项目管理、资源协调、方法设计、资金申请、数据分析、概念构思；刘英珠：修订与编辑、资源协调；张瑞：可视化设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了安徽农业大学人才引进项目（rc352307）、中国博士后科学基金会（2022MD723756）、安徽省教育厅自然科学重点项目（2025AHGXZK30154）以及中国国家留学基金委的资助。