摘要

引言

食物浪費是一個重大的全球性挑戰，對環境和經濟都有深遠影響（Scialabba, 2015a）。根據聯合國糧食及農業組織（FAO）的數據，每年約有13億噸食物被浪費，占全球食品產量的近30%。這種大規模的食物損失導致每年約33億噸溫室氣體排放，占全球排放總量的8–10%（Forbes, 2021a）。值得注意的是，大部分食物浪費并非由于食物實際變質，而是由于消費者對食物新鮮度和安全性的判斷失誤（Ganeson et al., 2023b）。因此，能夠提供實時可靠新鮮度信息的先進食品包裝技術受到了越來越多的關注（Cheng et al., 2022b）。智能食品包裝指的是能夠檢測食品質量變化并通過視覺、化學或電子信號向消費者傳遞信息的材料。這些包裝系統通常包含氣體傳感器、pH敏感化合物、比色指示劑和抗菌劑等傳感組件（Biji, Ravishankar, Mohan, & Srinivasa Gopal, 2015a）。其中，比色pH敏感指示劑因其簡單性、低成本和直觀的視覺響應而受到特別關注（Prietto et al., 2017a）。這類系統可以檢測與食品變質相關的化學變化，例如氨等揮發性堿性氮化合物的生成，從而引發可見的顏色變化，表明食物新鮮度下降（Realini & Marcos, 2014a）。 在先前的研究中，多種天然pH敏感染料（如花青素）因其廣泛的pH響應范圍和明顯的顏色變化而被廣泛研究（Xia et al., 2025）。然而，盡管花青素具有較高的pH響應性，但它們的熱穩定性和光穩定性較差（Patras, Brunton, O’Donnell, & Tiwari, 2010a），這限制了其在智能食品包裝系統中的實際應用。相比之下，姜黃素是一種從姜黃根莖中提取的疏水性多酚化合物。它在酸性和中性條件下pH敏感性較低，但在堿性條件下會發生明顯且可識別的顏色變化（Xiang, Sun-Waterhouse, Cui, Wang and Dong, 2018a, Xiang, Sun-Waterhouse, Cui, Wang and Dong, 2018b）。這一特性使得姜黃素特別適合用于檢測與變質相關的堿性揮發性化合物。此外，與其他天然pH敏感染料相比，姜黃素具有更好的熱穩定性，適用于涉及熱處理的包裝系統（Patras, Brunton, O’Donnell, & Tiwari, 2010b; Qin et al., 2015; Yildiz, Sumnu, & Kahyaoglu, 2022）。 槲皮素（Que）是一種從多種植物中提取的黃酮類化合物，具有優異的抗氧化、抗菌活性和紫外線阻擋能力，有助于減緩食品的氧化降解和細菌變質（Li, Yan, Guan, & Huang, 2020a; Masek, Latos, Piotrowska, & Zaborski, 2018a）。最近的研究表明，槲皮素的pH敏感性較低，這表明其在智能包裝系統中有潛在的應用價值（Jiang et al., 2024a）。在本研究中，將槲皮素作為功能性添加劑加入包裝基質中以增強其保護性能，而姜黃素則繼續發揮其pH指示劑的主要作用。 為了實際應用，pH敏感指示劑必須有效地固定在包裝基質中，以保護其免受水分、氧氣、光線和機械損傷等外部因素的影響。常見的包裝基材包括紙張、聚合物薄膜和納米纖維膜（NFMs）（Luo, Zaitoon, & Lim, 2022a; Vadivel et al., 2019a; Z. Wang, Liu, Zeng, & Huang, 2025）。靜電紡絲聚合物納米纖維基基質由于其高比表面積和多孔結構，相比傳統的溶劑澆鑄薄膜，能夠提高封裝指示劑的靈敏度和響應速度，從而更準確地監測食品新鮮度（Guo et al., 2020a）。然而，盡管有關PVA-姜黃素基薄膜和納米纖維的報道很多，但使用相同成分的薄膜和納米纖維結構之間的系統比較仍然有限（Chen, Zhang, Bhandari, & Yang, 2020; Huang et al., 2024）。 我們假設，即使材料組成相同，由于納米纖維膜具有更高的比表面積和多孔結構，其比色靈敏度和對變質相關堿性氣體的響應速度也會顯著優于傳統薄膜。在本研究中，使用水溶性且生物相容的聚合物聚（乙烯醇）（PVA）作為基質材料，通過靜電紡絲制備了PVA/槲皮素/姜黃素（PQC）納米纖維膜（NFM），并與成分相同的溶劑澆鑄薄膜進行直接比較。盡管PVA在水體系中具有優異的加工性能，但其高水溶性在潮濕條件下會導致尺寸穩定性較差，限制了其在食品包裝中的應用（Pan, Ai, Shao, Chen, & Gao, 2019a）。先前的研究通過使用交聯劑（如戊二醛）提高了NFMs的耐水性（He et al., 2024a），但由于這些交聯劑的毒性和食品安全性問題，其應用受到限制（Bigi, Cojazzi, Panzavolta, Rubini, & Roveri, 2001）。因此，我們提出了一種簡單且環保的熱處理方法，無需使用交聯劑和有機溶劑，即可提高PQC納米纖維膜在潮濕條件下的尺寸穩定性（Gao, Luo, Wang, Gao, & Ge, 2015a）。此外，先前的研究還表明，這些負載有姜黃素或槲皮素的納米纖維膜沒有細胞毒性，進一步證明了它們適用于食品包裝（Roopesh et al., 2023; Bashir et al., 2025）。 在本研究中，通過氨氣暴露和實際食品變質測試系統評估了pH敏感的PQC納米纖維膜和薄膜作為智能食品包裝材料的比色傳感性能（圖1）。這表明，納米纖維膜的多孔結構和高比表面積是提高智能食品包裝系統靈敏度和響應速度的關鍵。

材料

通過靜電紡絲制備納米纖維膜

將PVA溶解在去離子水（D·I水）和乙醇（體積比9:1）的混合溶劑中，并在90°C下攪拌1小時以制備PVA溶液。隨后向PVA溶液中加入1 wt%的槲皮素...

PQC納米纖維膜的表征

用于pH傳感的酚類化合物（槲皮素和姜黃素）的化學結構通過ATR-IR光譜進行分析。圖2a顯示了它們官能團的特征峰。槲皮素的O-H伸縮峰位于3400 cm^-1，姜黃素的O-H伸縮峰位于3507 cm^-1。 圖2b顯示了PVA、PQ和PQC納米纖維膜的ATR-IR光譜。PVA納米纖維膜展示了PVA的特征峰，包括O-H伸縮峰（3312 cm^-1）和C-H伸縮峰...

結論

通過靜電紡絲含有PVA、槲皮素和姜黃素的溶液，并經過環保的熱處理工藝，成功制備了PQC納米纖維膜，提高了其結構穩定性和耐水性。所得PQC納米纖維膜表現出優異的抗氧化和抗菌性能，以及對pH變化的明顯且敏感的比色響應。值得注意的是，即使與其它成分結合，PQC納米纖維膜中的姜黃素仍保持其pH依賴性的顏色變化行為...

作者貢獻聲明

Se Rin Koo：撰寫 – 原始草稿、可視化、方法論、數據整理、概念化。 Jun Tae Kim：方法論、正式分析。 Kiramage Chathuranga：方法論、正式分析。 Jong Soo Lee：監督、審稿與編輯、撰寫 – 原始草稿、監督、方法論。 Won Ho Park：撰寫 – 審稿與編輯、監督、項目管理、資金獲取、概念化。

未引用的參考文獻

Aytac, Ipek, Durgun, Tekinay and Uyar, 2017b Bao et al., 2025a Biji, Ravishankar, Mohan and Srinivasa Gopal, 2015b Cheng et al., 2022a Cui et al., 2024a Dey, Singh, Smita, Biswas and Kumar, 2024b Dou, Zhang, Feng and Jiang, 2015b Enayati et al., 2016a Ezati, Bang and Rhim, 2021a Ezati, Bang and Rhim, 2021b Forbes, 2021b Ganeson et al., 2023a Gao, Luo, Wang, Gao and Ge, 2015b G?ksen et al., 2021 Guo et al., 2020b He et al., 2024b Koshy et al., 2021b Li, Yan, Guan and Huang, 2020b Luo, Zaitoon and Lim, 2022b Ma, Du

利益沖突聲明

作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。

致謝

本研究得到了韓國政府資助的“國家研究基金會（NRF）基礎科學研究計劃”（項目編號：RS-2024-00343186）和忠南國立大學的支持。