荧光预警与颜色提示协同监测猪肉新鲜度：一种氨气响应智能包装膜

包装膜既要阻隔光、氧气和水分，也要告诉人们食物是否还新鲜。猪肉蛋白降解会释放氨气等挥发性含氮化合物，氨气积累通常伴随新鲜度下降。只看外观很难判断早期变化，单一指示信号又难以同时覆盖刚开始的腐败和后期的明显变质。

复合膜由大豆分离蛋白、锌海藻酸盐、茄子皮提取物和氮掺杂碳点组成。前两者构成成膜网络，茄子皮提取物负责酸碱相关的颜色变化，氮掺杂碳点提供荧光信号。两种信号承担的区间不同：碳点先响应较低水平的氨气，茄子皮提取物在氨气积累较多时出现更容易直接观察的色变。外层疏水保护处理改善了膜的耐湿性和界面稳定性。

图1. 氮掺杂碳点、茄子皮提取物的制备，以及大豆分离蛋白/锌海藻酸盐/茄子皮提取物/氮掺杂碳点复合膜的制备流程示意图。

氮掺杂碳点呈近球形，平均粒径约 4.6 nm，分布较窄。320 nm 激发时，最大发射峰约为 417 nm；样品在紫外光下呈蓝色荧光，在日光下接近无色。pH 改变会带来相应的荧光变化：酸性条件下信号减弱，碱性条件下增强。

茄子皮提取物承担的是另一种读出任务。其颜色会随 pH 从酸性到碱性发生变化，颜色转变与其中花青素等多酚结构的质子化和去质子化有关。对包装使用者来说，这种变化不需要先把信号换算成电学数值，但颜色判断的清晰程度仍会受光照、背景颜色和膜表面状态影响。

图2. 氮掺杂碳点的表征结果。（a）氮掺杂碳点的透射电子显微镜图像；（b）氮掺杂碳点的粒径分布；（c）氮掺杂碳点的三维荧光分布图；（d）最佳激发光谱和最大发射光谱；（e）320 nm 激发下不同 pH 条件的发射光谱；（f）不同 pH 条件下氮掺杂碳点溶液在可见光和 365 nm 紫外光下的照片。

碳点加入量不能一味增加。加入量较低时，发光中心不够；加入过多又会聚集，出现荧光猝灭。SPI/ZA/EE/N-CDs2 膜的荧光强度较高，同时保留了可见光透过率和紫外屏蔽能力。加入碳点后，拉伸强度从 8.1 MPa 增至 9.5 MPa，断裂伸长率从 12.3% 增至 16.6%；加上表面涂层后，这两项指标有所下降，防潮性和力学性能之间仍需要取舍。

未改性 SPI/ZA/EE 膜的水接触角为 58.5°，加入碳点后为 68.2°，形成疏水保护层后升到 86.8°。5 ℃储存 168 h 后，膜的荧光强度和色素含量仍保留 85% 以上。高湿度会加快信号衰减；在 85% 相对湿度、25 ℃条件下，颜色保持率的偏差仍低于 10%。这说明涂层提高了稳定性，但不能据此认为材料在所有包装环境中都会保持同样的响应。

膜的热稳定性也呈现出类似的差异。加入碳点后，复合膜在中段热分解过程中的最大失重速率温度由 210.7 ℃提高到 242.2 ℃，700 ℃下的炭残留量由 32.9%提高到 46.2%；表面涂层样品的相应温度为 226.2 ℃，炭残留量为 38.1%。这些结果反映的是材料耐热性变化，不能直接转换成实际货架期的延长时间。

猪肉储存实验中，两种信号出现的时间并不相同。25 ℃下，荧光在 24 h 后开始变化，48 h 内逐渐减弱；5 ℃下，前 36 h 基本稳定，60 h 和 72 h 后才明显增强。冷藏降低了腐败速率，也推迟了挥发性产物积累。这里的信号延迟只说明响应启动较晚，不能理解为材料阻止了肉品腐败。

图3. 涂层 SPI/ZA/EE/N-CDs2 膜在猪肉初始腐败过程中的荧光照片和荧光强度变化（a），以及基于氮掺杂碳点的初始腐败荧光响应机制（b）。

氨气浓度为 0–1000 ppm 时，荧光信号呈线性变化，决定系数为 0.97528，检出限为 8.68 ppm。浓度提高到 1000–5000 ppm 后，颜色变化更明显，红蓝比和红绿比的检出限分别为 370 ppm 和 391 ppm。荧光信号覆盖较早的低水平变化，颜色信号则更适合提示较高氨气积累。

同一套膜因而可以提供两种不同的判断方式：早期阶段通过荧光强度变化发现不容易直接观察的信号，后期阶段则通过颜色变化给出更直观的提示。两者并不是对同一个浓度区间重复测量，而是分别对应不同程度的蛋白降解。研究中对挥发性化合物的比较也显示，氨气引起的荧光响应高于其他测试气体，但这仍属于实验条件下的选择性结果。

后期储存时，25 ℃下猪肉的 TVB-N 和 pH 持续升高，颜色参数也明显变化。5 ℃冷藏减缓了 TVB-N 积累和 pH 上升，膜的颜色变化也更稳定。由此看，茄子皮提取物的色变主要对应后期腐败。实验仍在受控条件下完成，包装尺寸、膜厚均一性、湿度波动和肉品差异，都可能改变实际响应。

实际判读时，荧光信号仍需要紫外光源或成像设备辅助观察；高浓度氨气下的色变则可以直接作为包装上的视觉提示。两种信号能够互相补充，但颜色或荧光变化本身不能代表微生物数量、具体腐败菌种或完整的食品安全结论。

图4. 涂层 SPI/ZA/EE/N-CDs2 膜在猪肉后期腐败过程中的颜色变化（a），以及茄子皮提取物在食物后期变质过程中的响应机制（b）。

这套膜的分工比较清楚：氮掺杂碳点负责早期荧光响应，茄子皮提取物负责较高氨气水平下的颜色提示，大豆分离蛋白/锌海藻酸盐网络和表面涂层负责成膜与稳定。现有结果支持其作为智能包装材料的可行性，但还不足以证明已经适用于商业包装。后续需要扩大样品和环境条件，并检查放大制备后的批次差异。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.148877