SCI论文导读-——上海保圣电子鼻助力西南大学王洪霞副教授团队发表食品包装用结构色生物活性材料增强明胶薄膜阻隔性和抗氧化性的文章
1 研究背景
食品包装在保护食品免受生物、化学和物理等外部因素损害方面一直扮演着重要角色。商业上使用的大多数食品包装材料通常由基于石油的材料制成。然而，大多数基于石油的包装材料难以降解和回收，只能通过焚烧和填埋处理，造成严重的环境危害。使用天然来源的聚合物制造可生物降解的包装材料，以取代通常使用的石油塑料以保护环境，这一领域正在兴起。包括蛋白质和多糖在内的天然聚合物不仅能生产可生物降解的包装材料，还能制备活性包装，当将具有抗氧化和抗菌特性的生物活性材料整合到薄膜基质中时，可以延长食品的保质期并控制食品在储存、运输和分销过程中发生的品质变化。
在天然生物材料中，明胶是目前广泛研究的对象，并且在食品领域作为一种具有出色保鲜和可食用功能的潜在包装材料替代品发挥作用。明胶主要从不同动物（如鱼、猪、牛、鸡、鸭和骆驼等）的骨骼和皮中提取，是一种水溶性纤维状高度纯化的蛋白质，由部分水解的胶原变性而来。明胶有几种类型，包括具有不同比例的羧基和氨基以及等电点（pI）的A型和B型明胶。A型明胶通常是通过使用盐酸、柠檬酸、醋酸或硫酸等酸对胶原进行酸处理来制备的。B型明胶通常是通过使用氢氧化钠或氧化钙等碱进行碱处理过程来开发的。明胶具有多种技术特性，包括稳定优点、分散能力、凝胶化特性、质地化、包埋特性、乳化能力、成膜性能、粘附性、发泡特性以及保水能力，因此在食品和医药应用中具有广泛的应用。除了其保鲜和可食用功能外，明胶因其成膜能力、紫外线光阻隔性能、透明色泽优点、生物降解性、安全性、无毒性、环保特性、可再生性、生物相容性等，成为了一种有前景的包装材料替代品。它还可以与其他生物聚合物协同作用，制造出高质量的功能性包装膜，作为具有潜在实际食品应用的塑料包装材料的有前景的替代品。然而，明胶膜的缺陷，如膨胀和阻隔能力（氧气或水蒸气）限制了其实际应用。增强明胶膜的阻隔性能是必要的，因为低渗透性的膜通常更受欢迎，因为它们能够尽可能保持食品产品的物理化学性质稳定。
壳聚糖是一种天然的阳离子线性多糖，由N-乙酰-D-葡萄糖胺基团通过β(1 → 4)的O-葡糖苷键连接而成，具有出色的成膜能力和与明胶显著的相容性，可以增强性能。作为一种由甲壳素脱乙酰化发展而来的非支链聚合物，壳聚糖可以来源于包括蘑菇、虾、对虾和蟹壳等自然来源。由于其出色的抗菌活性、安全性、可食用性、生物降解性和低成本，壳聚糖在包装领域也得到了广泛应用。然而，壳聚糖膜的缺点，如较差的机械性能和水蒸气阻隔性能，限制了其应用范围，而与其他聚合物的协同作用可以克服这些缺点。将壳聚糖和明胶复合被证明可以赋予它们出色的机械强度和对氧气及光线的阻隔性能，这归因于带正电荷的壳聚糖和带负电荷的明胶之间形成聚电解质复合物。将生物活性材料嵌入到明胶/壳聚糖基质中被提出以进一步促进其功能属性。
天然生物活性物质如红曲红（MR）、藻蓝蛋白（PH）和红花黄（SY），具有出色的抗氧化特性以及卓越的色彩特性，能够赋予生物聚合物基质以卓越的特性。更详细地说，红曲红（MR）作为红曲菌属中重要的次级代谢产物，具有强大的抗氧化、抗菌和抗真菌特性，可用于控制血脂、糖尿病和肥胖症。它也广泛用作亚洲国家食品着色剂，用于食品应用。藻蓝蛋白（PH）是从螺旋藻和蓝藻细胞中获得的，由于其抗氧化活性、抗炎能力、免疫调节能力，以及着色性能，正日益受到研究和应用的关注。特别是，它能够从身体中去除过量的活性氧种类，并提高抗氧化相关酶的活性，因此有可能治疗由氧化应激引起的各种疾病。红花黄可以从红花（Carthamus tinctorius L.）中获得，红花黄在传统中医中已被广泛使用，因其抗氧化活性、抗炎特性、镇痛效果以及心血管保护活动。它还可以展示出在治疗不稳定性心绞痛和冠状动脉炎心脏病方面的一些功效，并提供美观和食品价值。因此，这三种生物活性物质可以为食品应用提供健康益处和卓越的色彩特性，并在促进生物复合膜特性方面具有潜力。
西南大学王洪霞副教授团队在《Food Hydrocolloids》期刊（IF=10.7）上发表了题目为“Enhanced barrier and antioxidant properties of gelatin films by structural-colored bioactive materials for food packaging”的文章（DOI: 10.1016/j.foodhyd.2024.109744），文章研究了通过添加天然生物活性物质（如红曲红、藻蓝蛋白和红花黄）来增强明胶/壳聚糖复合膜的阻隔性能和抗氧化性能，并探讨了其在食品保鲜包装和烹饪包装中的应用潜力，通过流变学、红外光谱、X射线衍射、扫描电镜和原子力显微镜等技术手段，研究了生物活性物质与生物聚合物组分之间的相互作用，系统评价了添加生物活性物质对明胶/壳聚糖复合膜外观、含水量、线性膨胀率、机械性能、阻隔性能（光线和氧气）和抗氧化性能的影响。
文章中评价复合膜包装食品后烹饪气味效果的仪器就是我们上海保圣的电子鼻，那么具体操作方法是什么呢？
2 复合膜制备燕麦粥的研究
1 样品制备
燕麦和大米分别用PE（商用膜）和复合薄膜包装。将PE包装好的大米和燕麦打开，取出PE后，取出食材，放入盛有水的锅中，在电磁炉上加热15 min (800w)，再加热10 min (300w)，得到燕麦粥。复合膜包装的大米燕麦，将食品配料和复合膜一起放入盛有水的锅中，用同样的方法煮熟，最后得到燕麦粥。
2 电子鼻分析
使用电子鼻（cNose，上海保圣）对不同薄膜包装的燕麦粥的气味进行了3次检测，在30 mL样品瓶中处理，在25°C下平衡30分钟，然后进行测试。通过主成分分析(PCA)对所得数据进行分析。
3 实验结果
1 食品包装与烹饪的适用性
图8 (C)不同薄膜包装燕麦粥的实际烹饪比较。(D)不同薄膜包装燕麦粥的电子鼻分析(PCA)
使用商用膜(PE)和复合膜分别对食品材料(大米和燕麦)进行包装，商用膜去掉PE膜后煮熟(不可食用)，复合膜与食品一起煮熟，最终得到燕麦粥样品(图8C)。锅中水在100℃煮沸后，将食品原料连同复合包装膜一起放入锅中，复合包装膜(GC2, GF3, GB3, GY3)无需处理。
电子鼻可以通过化学传感器识别气体和气味，并应用主成分分析(PCA)来可视化样本是否存在聚类。第一主成分和第二主成分的贡献率为82.9%(图8D)，说明了样品的主要气味信息。用复合膜煮熟的粥与用PE包装和不加PE煮熟的粥的气味几乎相同。实验粥(复合薄膜包装原料煮制)具有丰富的大米和燕麦香气，口感微甜，与对照粥(PE包装原料煮制)相似。此外，实验粥(由复合薄膜包装原料烹制而成)色泽突出，具有果冻般的嚼劲，质地多层，口感顺滑丰富，易于咀嚼和吞咽，有利于促进视觉体验，增强愉悦感，刺激食欲，提高再消费潜力。因此，制备的复合薄膜(CF3、GB3和GY3)具有定量功能和直接烹煮食用特性，可作为食品材料的食用内包装。
