Properties and applications of curcumin and perilla essential oil emulsion-based freshness-indicating films in golden pomfret (Trachinotus ovatus) freshness extension
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摘要:
为开发智能绿色鱼类保鲜膜，探究了不同添加量 (1%、3%、5%和7%，w) 的壳聚糖-二氧化钛 (CS-TiO2)复合颗粒紫苏精油乳液与姜黄素、明胶制备的保鲜薄膜 (EP1、EP3、EP5、EP7) 的特性 (机械性能、阻湿性、热稳定性、抗氧化性) 以及薄膜对卵形鲳鲹 (Trachinotus ovatus) 保鲜指标 [挥发性盐基氮 (TVB-N)、硫代巴比妥酸反应物 (TBARS)、羰基、总巯基、抗菌性和指示性能)] 的影响，以明胶制备的薄膜作为对照组 (EP0)。结果表明，相较于对照组，各组薄膜的特性及其对卵形鲳鲹的保鲜效果均显著提升 (p<0.05)。其中，EP7组性质最优，保鲜效果及鲜度指示效果最好。EP7薄膜展现出优异的力学性能 (拉伸强度38.34 MPa，断裂伸长率25.80%) 和阻湿性能 (溶解率32.16%，溶胀率152.18%)，还具有突出的阻隔性能 (水蒸气透过率3.04×10−13 g·m−1·s−1·Pa−1) 和抗氧化活性 (DPPH清除率45.97%，ABTS清除率87.36%)。应用于卵形鲳鲹冷藏保鲜时，薄膜能有效抑制鱼肉腐败变质，7 d后TVB-N和TBARS值分别控制在22.36 mg·100 g−1和0.53 mg·kg−1，同时显著维持蛋白质氧化稳定性 (羰基55.89 μmol·mg−1，总巯基48.86 μmol·mg−1)。在鲜度指示方面，EP7组的颜色随贮藏时间延长由浅黄色变为红棕色，直观反映了鱼肉的鲜度变化。研究表明，开发的姜黄素-紫苏精油乳液保鲜膜兼具延长货架期和智能指示鱼肉鲜度的双重功能。
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关键词:
- 保鲜膜 /
- 卵形鲳鲹 /
- CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液 /
- 姜黄素 /
- 鲜度指示
Abstract:To develop intelligent, green fish freshness-indicating films, we evaluated the physicochemical properties (Mechanical strength, moisture barrier capability, thermal stability, and antioxidant activity) of chitosan titanium dioxide (CS-TiO2) composite particle perilla essential oil lotion with different addition levels (1%, 3%, 5%, and 7%, w) and the freshness-indicating films (EP1, EP3, EP5, and EP7) prepared from curcumin and gelatin. Additionally, we assessed the preservation efficacy of the films on golden pomfret (Trachinotus ovatus) by monitoring total volatile basic nitrogen (TVB-N), thiobarbituric acid reactive substances (TBARS), carbonyl content, total sulfhydryl content, antibacterial activity, and freshness-indicating performance. Pure gelatin film (EP0) served as the control. Results demonstrate that all CS-TiO2-incorporated films exhibited significantly enhanced properties compared with EP0. EP7 films exhibited excellent mechanical properties (Tensile strength 38.34 MPa, elongation at break 25.80%) and moisture resistance (Dissolution rate 32.16%, swelling rate 152.18%). They also demonstrated outstanding barrier properties (Water vapor transmission rate 3.04×10−13 g·m−1·s−1·Pa−1) and antioxidant activity (DPPH scavenging rate 45.97%, ABTS scavenging rate 87.36%). When applied to the refrigerated preservation of golden pomfret, the films effectively inhibited fish spoilage. After 7 d, TVB-N and TBARS values were controlled at 22.36 mg·100 g −1 and 0.53 mg·kg−1, respectively, while significantly maintaining protein oxidation stability (Carbonyl content 55.89 μmol·mg−1, total sulfhydryl content 48.86 μmol·mg−1). For freshness indication, the EP7 group exhibited significant color changes from pale yellow to russet with prolonged storage, correlating with freshness deterioration. Therefore, curcumin and perilla essential oil emulsion-based freshness-indicating films in this research can not only extend the shelf life, but also intelligently indicate the freshness of fish.
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卵形鲳鲹 (Trachinotus ovatus) 也称金鲳，是中国南方重要的经济鱼类，富含蛋白质、不饱和脂肪酸等多种营养成分，具有较高的营养和经济价值[1]。据统计，2023年中国卵形鲳鲹养殖产量高达29.4万吨，在海水鱼类养殖产业中占据重要地位[2]。然而，卵形鲳鲹捕捞后极易因微生物滋生而腐败变质，而传统冷冻保鲜易影响口感和品质，化学保鲜则存在残留风险。因此，开发安全、高效的新型保鲜技术成为产业亟需解决的问题[3]。近年来，兼具抑菌功能与新鲜度实时监测能力的智能活性包装材料，因其绿色、可控等优势，成为水产品保鲜领域的研究热点[4]。
当前食品包装广泛采用聚丙烯 (PP)、聚乙烯 (PE) 等不可降解的高分子材料，这类材料不仅会带来环境负担和资源浪费，还存在化学迁移风险，影响食品安全。因此，开发环境友好、安全无毒的生物可降解薄膜显得尤为重要[5]。天然高分子材料的绿色薄膜主要包括多糖类、蛋白质类、脂质类以及复合型基质[6]。单一成分制备的薄膜通常存在力学性能和阻隔性能差等问题，且在功能性 (如抗菌、抗氧化和新鲜度指示) 拓展方面存在局限。此外，直接将活性成分添加至成膜基质中容易导致稳定性下降或快速分解[7]。针对这一问题，可采用乳液包埋技术对活性物质进行封装，实现可控释放。
明胶凭借其优异的成膜性、低温加工适应性和成本优势，在食品包装领域应用广泛。杜鹂莹等[5] 利用明胶制备的活性膜显著延长了牛肉的货架期。紫苏精油 (PEO) 是一种从紫苏 (Perilla frutescens var. frutescens) 籽中提取的天然功能活性成分，含有多种活性化合物，因其疏水性、生物安全性及抗菌和抗氧化特性备受关注[8]。唐森等[9] 研究表明，紫苏精油壳聚糖复合膜可有效维持雪莲 (Smallanthus sonchifolius) 果的感官品质并延长其货架期。目前关于多重功能特性复合薄膜的研究仍处于起步阶段，尤其在水产品保鲜领域鲜见报道。本团队前期研发了壳聚糖-二氧化钛 (CS-TiO2) 复合颗粒稳定的紫苏精油乳液[10]，提高了精油的稳定性，并达到缓慢持续释放精油的抗菌效果。但此类包装薄膜仅表现出单一保鲜抗菌能力，尚无法实现新鲜度实时监测。姜黄素是一种天然水溶性pH敏感指示剂，在食品储存过程中，它会因包装食品中某些化学物质的作用而发生颜色变化，展现出在智能包装领域重要的应用潜力。本研究拟通过多重功能集成策略，将姜黄素、不同浓度的CS-TiO2复合颗粒及紫苏精油乳液与明胶结合，开发一种兼具保鲜与指示功能的智能薄膜，探明其在卵形鲳鲹保鲜中的应用效果。该薄膜预期实现以下功能：1) 抑制微生物生长，延长卵形鲳鲹货架期；2) 利用姜黄素的pH响应特性，通过颜色直观反映鱼肉鲜度。本研究结果不仅可为卵形鲳鲹等鱼类提供新型智能保鲜解决方案，满足产业需求，还将为深远海养殖水产品的高品质保鲜提供技术支撑。
1. 材料与方法
1.1 材料与试剂
鲜活卵形鲳鲹 [(400±50) g] 购自广州市华润万家超市 (泡沫箱放冰袋密封运输)。
明胶、姜黄素、月桂酸钠、壳聚糖 (CS，分子质量：150 kD；脱乙酰度：95%；黏度：100~200 mPa.s；CAS号：
9012 -76-4) 和紫苏精油 (PEO) 购自上海阿拉丁生化科技有限公司；二氧化钛 (TiO2，纯度：99.3%；粒径：5~10 nm) 购自北京华威瑞科化工有限公司；蛋白质羰基试剂盒 (BC1275)、总巯基试剂盒 (BC1375) 均购自北京阳光生物科技有限公司。1.2 仪器与设备
电子拉力试验机 (东莞东日仪器有限公司)；磁力搅拌水浴锅 (金坛区西城新瑞仪器厂)；全自动凯氏定氮仪 (上海宝英光电)；色度计 (JZ-500型，中国金纬仪器有限公司)；恒温恒湿培养箱 (上海力辰邦西仪器科技有限公司)；红外光谱仪 (日本岛津公司)；热重分析仪 (TGA Q500，TA Instruments，美国)；质构仪 (TA.XTC-20，上海保圣实业发展有限公司)；数显测厚仪 (浙江德清盛泰芯电子科技有限公司)；其他均为实验室常用仪器。
1.3 方法
1.3.1 薄膜的制备方法
于100 mL去离子水中加入2 g的明胶，在40 ℃水浴下溶解得到明胶溶液，将明胶溶液浇铸在玻璃板上，于4 ℃下保持8 h，然后在室温下风干获得薄膜样品，记为EP0。参考Wang等[10]的方法制备CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液备用。
将1.2% (w) 的姜黄素加入2% (w) 的明胶溶液，并分别加入1%、3%、5%、7% (φ) 的CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液，分别混匀后将溶液浇铸在玻璃板上，并在4 ℃下保持8 h，然后在室温下风干得到薄膜样品，分别记为EP1、EP3、EP5、EP7。
1.3.2 保鲜薄膜特性测定方法
1.3.2.1 傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱
将样品采用真空冷冻干燥至恒质量，然后研磨成粉，采用溴化钾(KBr)压片，然后使用红外光谱仪在4 000~500 cm−1的波数范围内分析薄膜的结构特性。每个样品扫描32次[11]。
1.3.2.2 拉伸强度和断裂伸长率
将膜样品裁成2 cm×8 cm条状，置于室温的加湿器中7 d。使用质构仪测定膜的拉伸强度 (TS) 和断裂伸长率 (EB)。测试参数：夹具起始间距30 mm；拉伸速度10 mm·min−1。每组膜测定3个平行，结果取其平均值。
1.3.2.3 水蒸气渗透率、溶胀率和水溶性
将膜样品裁剪为2 cm×2 cm的方形片段，置于120 ℃烘箱中干燥4 h，测量质量 (W1)。随后，将干燥后的薄膜浸入盛有100 mL去离子水的烧杯内，静置24 h。取出后用滤纸吸干表面残留水分，测量质量 (W2)。最后，再次将样品在120 ℃烘干至质量恒定，记录最终质量 (W3) [12]。溶胀率 (SR, %) 和水溶性 (S, %) 的计算公式分别为：
$$ \mathrm{S}\mathrm{R}=\frac{{W}_{2}-{W}_{1}}{{W}_{1}}\times 100\mathrm{\%} $$ (1) $$ {S}=\frac{{W}_{1}-{W}_{3}}{{W}_{1}}\times 100\mathrm{\%} $$ (2) 准确称量15 g无水氯化钙 (CaCl2) 并置于称量瓶中。在瓶口覆盖待测薄膜，用石蜡密封后记录初始质量。将该装置放入装有去离子水的玻璃干燥器内，在25 ℃下放置。每隔2 h取出称量瓶进行质量测定，共重复测量6次[13]。复合膜的水蒸气透过率 (RWVP, %) 的计算公式为：
$$ R_{\mathrm{WVP}}=\frac{V_{\mathrm{WVP}}\times L}{\Delta P} $$ (3) 式中：VWVP为薄膜的水蒸气透过速率 (g·m−2·s−1)；L为薄膜平均厚度 (m)；ΔP为穿过薄膜的水蒸气压差 (3.167 1 kPa)。
1.3.2.4 热稳定性
称取10 mg样品于氧化铝 (Al2O3) 坩埚中，使用热重分析仪在恒定N2流速 (60 mL·min−1) 下进行热重分析，设置升温速率为10 °C·min−1，测试温度范围为30~800 °C[14]。
1.3.2.5 色值
薄膜的表面亮度、红度和黄度色系由色度计测量。测量在标准白色背景上进行[14]。总色差 (ΔE) 计算公式为：
$$ \Delta E=\sqrt{\left(L-{L}^{\mathrm{*}}\right)+\left(a-{a}^{\mathrm{*}}\right)+(b-{b}^{\mathrm{*}})} $$ (4) 式中：L、a 和 b 是标准白色背景的颜色参数值；L*、a* 和 b* 是不同薄膜的颜色参数值。
1.3.2.6 DPPH、ABTS自由基清除试验
使用稳定自由基2,2-二苯基-1-苦基肼 (DPPH) 测定薄膜的抗氧化性。首先，将薄膜样品和DPPH 溶液 (0.1 mmol·L−1) 以2∶1的体积比混合均匀，并在黑暗中反应1 h。反应结束后，用孔径为0.45 μm的过滤器过滤，在517 nm处测量滤液的吸光度[14]。DPPH清除率计算公式如下：
$$ {R}_{\mathrm{D}\mathrm{P}\mathrm{P}\mathrm{H}}=\left(1-\frac{{A}_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{e}}-{A}_{\mathrm{f}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{m}}}{{A}_{\mathrm{D}\mathrm{P}\mathrm{P}\mathrm{H}}}\right)\times 100\mathrm{\%} $$ (5) 式中：RDPPH为DPPH清除率 (%)；Asample、Afilm 和ADPPH 分别为样品溶液、过滤薄膜溶液和DPPH溶液的吸光度。
取 2,2'-联氮-双 (3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸) 二铵盐 (ABTS) 溶于水中，浓度达到7 mmol·L−1，加入2.45 mmol·L−1的过硫酸钾 (K2S2O8) 溶液，避光反应 12~16 h，用乙醇稀释至吸光度为 0.70±0.02 (734 nm)。将薄膜样品和ABTS检测溶液混匀，在无光环境中放置30 min，在734 nm波长下测量吸光度A1[15]。空白对照组记为A0。ABTS自由基清除率 (ηABTS, %) 的计算公式为：
$$ η_{\mathrm{ABTS}}=\frac{A_0-A_1}{A_0}\times 100\mathrm{\%} $$ (6) 1.3.3 薄膜对卵形鲳鲹的保鲜效果
1.3.3.1 鱼的前处理
将鲜活卵形鲳鲹控晕后宰杀，去除头、尾、内脏，再用去离子水冲洗表面血渍与其他杂质，沥干表面水分，将鱼肉分别切成2 cm×2 cm小块，鱼块随机分为4组，分别进行以下处理。对照组 (A组)：将鱼块用PE薄膜包裹；实验组：将鱼块分别用EP0、EP5和EP7薄膜包裹，设为B、C和D组。将各组放于容器中，置于4 ℃保存，分别于贮藏1、3、5、7 d后取样进行以下指标分析。
1.3.3.2 保鲜指示效果
将1.3.3.1的样品在4 ℃下保存7 d，分别观察第 1、第3、第5、第7 天样品的色泽变化并拍照。
1.3.3.3 总挥发性盐基氮 (TVB-N) 测定
参考吕金润等[15] 的方法，使用全自动凯氏定氮仪，对1.3.3.1样品进行TVB-N质量分数测定。
1.3.3.4 硫代巴比妥酸反应物的测定 (TBARS) 测定
参考钟旭美等[1] 的方法，将1.3.3.1的样品进行TBARS测定。
1.3.3.5 羰基值测定
使用蛋白质羰基测定试剂盒测量蛋白质羰基值。准确称量1 g鱼肉，置于提取液中，在冰浴条件下进行匀浆处理和离心 (4 ℃, 5 000 r·min−1, 10 min)。按试剂盒说明书操作，取上清液并测定其在370 nm处的吸光度[16]。
1.3.3.6 总巯基值测定
总巯基测定试剂盒用于总巯基值测定。取鱼肉 0.5 g放入提取液中，按说明书进行匀浆处理和离心分离。收集上清液，并依次加入反应物中，最后测定在412 nm处的吸光度[17]。
1.3.3.7 菌落总数测定
参照国标GB 4789.2—2022《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》测定样品菌落总数。
1.3.4 统计分析
使用SPSS软件对数据进行单因素方差分析 (ANOVA)。p<0.05表示结果具有统计学显著性。
2. 结果
2.1 保鲜薄膜的特性分析
2.1.1 薄膜的颜色
图1显示，当姜黄素和乳液添加量为0时 (PE0)，薄膜表面光滑透明。加入姜黄素后，随着乳液添加量增加，薄膜颜色加深，透明度降低，但表面仍保持均匀和致密。由表1可见，随着乳液浓度增加，复合膜的亮度L* 值从96.44降至35.33，红度a* 值从 −0.58增至 −1.15，黄度b* 值从0.53增至12.12，复合膜的透光率逐渐降低。
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图 1 不同浓度制备的薄膜注：EP0. 对照组薄膜；EP1、EP3、EP5、EP7指分别添加1%、3%、5%、7% (φ) 的CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液制成的薄膜。Fig. 1 Thin films prepared with different concentrationsNote: EP0. Control group film (Without additives); EP1, EP3, EP5, EP7. Films prepared by incorporating 1%, 3%, 5%, and 7% (φ) of CS-TiO2 composite particle-perilla essential oil emulsions, respectively.表 1 薄膜的色度和色差Table 1 Color parameters and color difference of films样品
Sample亮度
Lightness
L*红绿色度
Red-green chroma
a*黄蓝色度
Yellow-blue chroma
b*色差
Color difference
ΔE*EP0 96.44±0.32a −0.58±0.03 a 0.53±0.12 e 61.68±0.49 a EP1 55.10±0.55b −1.40±0.04 bc 6.80±0.21d 41.67±0.57 d EP3 50.58±0.24c −1.53±0.01c 8.52±0.10 c 46.01±0.63c EP5 41.29±0.33d −0.70±0.07a 10.30±0.06b 55.20±0.22b EP7 35.33±0.61e −1.15±0.03b 12.12±0.31a 62.11±0.86a 注：同列的不同字母表示存在显著性差异 (p<0.05)。 Note: Values with different letters within the same column are significantly different (p<0.05). 2.1.2 薄膜的结构
通过傅里叶红外光谱 (FTIR) 分析了各种薄膜的结构 (图2)。图中显示，薄膜在3 400、3 500、1 750~1 400、1 000~800、3 350、2 300、850、1 500 cm−1处出现了明显的吸收峰，表明各组分之间发生了化学键的相互作用。此外，蓝色柱图的特征峰进一步揭示了不同组分之间的相互作用和键合作用。
2.1.3 薄膜的机械性能
薄膜的机械性能如图3所示。随着乳液添加量的增加，复合膜的拉伸强度从21.13显著提升到38.34 MPa，同时断裂伸长率从23.15%略微增至25.80%。表明乳液有效增强了薄膜的抗拉能力、改善了其柔韧性。
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图 3 薄膜的断裂伸长率和拉伸强度注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著差异 (p<0.05)。Fig. 3 Elongation and tensile strength at break of filmsNote: Different letters indicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.1.4 薄膜的阻湿性能
实验结果表明 (图4)，随着乳液添加量的增加，薄膜的水蒸气透过率显著降低，从EP0的4.65×10−13降至EP5的3.24×10−13 g·m−1·s−1·Pa−1。同时，薄膜的水溶性从EP0的36.80%降至EP7的32.16%。此外，薄膜的溶胀率随着乳液添加量的增加而显著降低，从EP0的346.65%降至EP5的146.14%。
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图 4 薄膜的水溶性、水蒸气透过率和溶胀率注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。Fig. 4 Water solubility, water vapor permeability and swelling ratio of filmsNote: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.1.5 薄膜的抗氧化性
实验结果表明 (图5)，未添加姜黄素和乳液的EP0薄膜对DPPH自由基和ABTS自由基的清除率仅分别为11.17%和17.23%，而随着乳液添加量的增加，薄膜的抗氧化性能显著提升，其中EP7薄膜的DPPH自由基清除率达到44.97%，ABTS自由基清除率高达82.36%。
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图 5 薄膜的DPPH自由基和ABTS自由基清除率注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。Fig. 5 DPPH radical scavenging activity, ABTS radical scavenging activity of filmsNote: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.1.6 薄膜的热力学性能
复合薄膜的热量 (TG) 曲线和微商热量分析 (DTG) 曲线如图6所示。薄膜在TG和DTG曲线中显示出多个失重步骤，并且薄膜均具有相似的热分解曲线，反映了不同阶段的热分解行为。第1阶段的热分解行为发生在204.5 ℃之前，第2阶段发生在204.5~346.7 ℃，第3阶段发生在346.7 ℃之后。这表明薄膜各组分在不同温度下发生了显著的热分解行为。
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图 6 薄膜的热力学性能TG曲线 和DTG曲线Fig. 6 TG curve and DTG curve of thermodynamic properties of films2.2 薄膜对卵形鲳鲹的保鲜效果
2.2.1 薄膜对卵形鲳鲹鲜度的影响
由图7可见，EP7薄膜对鱼片保鲜效果显著，贮藏至第7天，其TVB-N值 (22.36 mg·100 g−1) 分别比EP1、EP3、EP5组低70%、56%、47%，产品依然符合GB 2733—2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》的要求 (≤30 mg·100 g−1)。图7显示，各组鱼肉的TBARS值均随贮藏时间的延长而上升，但EP7组始终显著低于其他组。贮藏初期 (第1—第3天) 各组差异不显著；第5—第7天，EP0组TBARS值急剧上升 (0.84 mg·kg−1)，而EP7组增幅缓慢 (0.58 mg·kg−1)，表明该膜能有效抑制脂质氧化的加速。第7天时，EP7组的TBARS值较EP1、EP3和EP5组分别降低24%、20%和7%，且低于脂质酸败临界值 (0.6 mg·kg−1)，证实其具有显著的保鲜优势。
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图 7 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉TVB-N和TBARS 的影响注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。Fig. 7 Effect of film on TVB-N and TBARS in golden pompano meatNote: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.2.2 薄膜对鱼肉蛋白质氧化的影响
如图8所示，在贮藏期间，EP7薄膜表现出显著的抗氧化效果：3~7 d内其包裹鱼肉的羰基值增长显著慢于EP0组，表明能有效延缓蛋白质氧化；同时，各处理组总巯基值虽均呈下降趋势，但EP7组的下降速率最缓，其第7天的质量摩尔浓度(48.86 μmol·mg−1) 较第3天仅下降10.15%，显著优于EP0组(31.67%)和EP1组(22%)的降幅，进一步证明了EP7薄膜的抗氧化保护作用。
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图 8 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉蛋白中羰基和总巯基含量的影响注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。Fig. 8 Effect of film on carbonyl content and total sulfhydryl content in golden pompano meat proteinsNote: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.2.3 薄膜对鱼肉菌落总数的影响
由图9可见，随着贮藏时间的延长，各组鱼片的菌落总数均呈上升趋势，但EP7薄膜包裹的鱼片的菌落总数显著低于EP0和其他低乳液浓度的薄膜。在贮藏初期 (第1—第2天)，各组鱼片的菌落总数差异较小，随着实验的进行，EP7薄膜的优势逐渐显现。在贮藏第7天，EP7组的鱼片菌落总数较EP0和EP1组分别减少42.2%和30.4%。
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图 9 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉冷藏过程菌落总数的影响注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。Fig. 9 Effect of film on total viable count in golden pompano meat during cold storageNote: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).2.2.4 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉鲜度的指示效果
由图10可见，乳液组的薄膜颜色均随贮藏时间延长薄膜颜色由浅黄色逐渐变为红棕色，其中EP7组的变化最为显著。
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图 10 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉鲜度指示图Fig. 10 Freshness indicator diagram of film on golden pomfret fish meat3. 讨论
3.1 复合薄膜的结构特性分析
由于姜黄素的羟基在碱性环境中可以完全电离，因此在浇铸过程中，电离的姜黄素分子重新获得质子，并通过氢键与乳液中的CS-TiO2复合颗粒的壳聚糖分子结合，形成均匀的姜黄素乳液基复合膜[18]。在添加姜黄素和乳液后，薄膜的不透明度显著提高，这可能是因为姜黄素与乳液中的CS-TiO2基质发生相互作用，缩短了大分子链间的距离，阻碍了可见光的透过，从而提高了薄膜的不透明度[10]。为进一步验证这种相互作用机制，对复合膜进行了FTIR表征。复合薄膜的FTIR光谱分析揭示了CS、姜黄素和TiO2的特征峰及其相互作用机制。CS在3 400 cm−1处显示出典型的N−H和O−H伸缩振动峰，而姜黄素的特征峰则出现在3 500 cm−1 (O−H)、1 750~1 400 cm−1 (C=C和C=O) 以及 1 000~800 cm−1 (C−O−C)，表明其结构中的酚羟基、共轭双键和醚键成功保留。复合薄膜在3 350 cm−1处的宽峰表明CS和姜黄素可能通过氢键相互作用，而2 300 cm−1 (C−H) 和850 cm−1 (C−O−C) 的峰进一步证实了姜黄素的负载。1 500 cm−1处的特征峰则归属于TiO2的Ti−O−Ti键，证明了TiO2纳米颗粒的存在，其表面的Ti−OH可能与CS中的羟基形成配位键，从而提高薄膜稳定性。综合来看，CS与姜黄素通过氢键和疏水作用形成的复合结构可能有利于缓释作用，而TiO2的引入有望增强机械性能[10]。
这种分子间的相互作用不仅影响薄膜的光学性质，还对其力学性能产生显著影响。拉伸强度 (TS) 与断裂伸长率 (EB) 的提升主要源于乳液体系中CS-TiO2复合颗粒与姜黄素分子间的多重相互作用。通过红外光谱分析，可以证实姜黄素分子中的酚羟基与CS-TiO2基质中的氨基、羟基之间形成了稳定的分子间氢键网络，这种键合作用不仅提高了复合体系的分子间作用力，还限制了聚合物链段的自由运动，从而显著提升了薄膜的拉伸强度。研究表明，姜黄素通过氢键及范德华力等物理作用有效强化了CS-TiO2乳液基质的内部结构[19]。 TS与EB的持续增长表明以下协同效应：一方面，复合乳液在成膜过程中呈均匀分散状态；另一方面，姜黄素与CS-TiO2及薄膜基体间具有优异的界面相容性，实现了应力的高效传递[10]。此外，良好的力学性能进一步证实该乳液薄膜具备显著的塑化效应，其机制在于姜黄素可削弱聚合物链间作用力，增强分子链运动能力，最终赋予材料更高的延展性。
除力学性能外，复合膜的阻隔性能对食品包装应用至关重要。水溶性和水蒸气透过率是衡量薄膜阻隔性能的重要指标。在食品包装中，低水蒸气透过率可以有效防止水分流失或外界水分的侵入，从而延长食品的保质期；而水溶性是薄膜在水中溶解能力的体现，对于包装材料而言，较低的水溶性有助于薄膜在潮湿环境中的稳定性。薄膜水溶性和水蒸气透过率随乳液量的增加而降低，这可能由于乳液浓度增加时，乳液中CS-TiO2复合颗粒与明胶交联反应不断加强，CS-TiO2复合颗粒基质与明胶之间的氢键相互作用减少了聚合物链间的空隙，增强了壳聚糖和明胶基质的结构紧密性[5]。并且交联反应使得水分子更难渗透和溶解薄膜，限制了水分子的扩散路径，降低了水蒸气渗透性[20]。其次，姜黄素和TiO2本身具有疏水性，其引入增加了薄膜的整体疏水特性，而疏水性的提升使得水分子更难渗透薄膜表面，进一步降低了水蒸气透过率；姜黄素的疏水性也减少了水分子与薄膜的相互作用，进一步抑制了薄膜在水中的溶解[21]。Zeng等[22] 的研究也表明，姜黄素与壳聚糖基质之间的氢键相互作用可能增强薄膜的结构稳定性，形成更为致密的网络，阻碍水分子在薄膜内部的迁移。薄膜溶胀率随乳液量的增加而降低，这一现象可以归因于以下因素：溶胀率与聚合物中电离基团的数量密切相关。TiO2在与薄膜基质交联过程中可能发生离子化反应 (TiOH2+↔TiOH↔TiO−)，导致带正电荷的电离基团 (TiOH2+) 相互排斥，抑制了薄膜的溶胀作用[23]。CS-TiO2复合颗粒与姜黄素、明胶的交联反应减少了聚合物链间的自由度，限制了薄膜在吸水后的膨胀空间，降低了溶胀率。氢键和交联反应共同作用下，薄膜形成了更为致密的网络空间结构，减少了水分子在薄膜内部的滞留，抑制了溶胀现象[24]。上述结果表明，CS-TiO2乳液的添加显著改善了薄膜的水蒸气透过率、水溶性和溶胀率，使其在包装材料领域具有潜在的应用价值。
3.2 复合薄膜的功能特性分析
氧化反应是导致食品营养价值下降和品质劣化的主要因素之一，尤其是在脂肪、维生素和色素等成分中。薄膜的自由基清除率随乳液量的增加而增大，这主要源于紫苏精油富含多种具有强效抗氧化能力的天然化合物，如多酚、黄酮类和挥发性酚类物质。随着乳液的添加，薄膜中引入的抗氧化分子能够通过提供氢原子或电子，直接有效地淬灭 (中和) DPPH自由基和ABTS阳离子自由基，从而显著提升薄膜的清除率[19,25]。其次CS-TiO2复合颗粒稳定作用对精油的释放至关重要。这是因为精油本身是疏水的 (油相)，需要被乳化分散在水相中。CS-TiO2复合物能吸附在油/水界面，形成一层物理屏障 (Pickering乳液稳定机制)，大幅提高了紫苏精油乳液的稳定性[26]。确保了精油均匀分散在薄膜中，减少精油中易氧化或挥发性活性成分 (抗氧化分子) 在乳化、成膜或储存过程中的损失或降解。Wang等[10] 研究也表明CS-TiO2复合颗粒稳定的紫苏精油乳液可在油滴上形成不可逆的界面多层三维弹性网络凝胶结构，乳化液中分离良好的油滴呈现密集分布，这种状态能够延长紫苏精油向水/空气界面的迁移距离，增加紫苏精油分子与界面层之间的分子间相互作用，从而维持紫苏精油的长期缓慢释放。此外，姜黄素是一种天然酚类化合物，其分子结构中含有多个酚羟基和β-二酮基团，这些活性基团通过提供氢原子 (H+) 或单电子中和自由基，终止自由基链反应，表现出显著抗氧化活性[27]。具体而言，姜黄素酚羟基能够与DPPH自由基发生反应，生成稳定化合物。因此，这种高抗氧化活性的改性复合薄膜可用于包装易氧化的食品，减轻氧化降解并延长保质期。
最终，薄膜的热稳定性进一步验证了其结构稳定性。薄膜的热分解分为3个阶段。第1阶段发生在25.0~204.5 ℃：此阶段的质量损失主要归因于薄膜中物理吸附水的释放以及包埋乳液中精油的挥发。这一现象的热稳定性对薄膜在食品包装等领域的应用至关重要，需确保其在常温或低温储存时性能不受水分或挥发性成分流失的影响[11]。第2阶段发生在204.5~346.7 ℃：该阶段的显著质量损失源于结合水及其他低分子量化合物的分解。结合水的释放，表明水分子通过氢键等相互作用与聚合物基质 (如壳聚糖) 结合，其热分解行为直接反映薄膜的分子间作用力强弱，进而揭示结构稳定性。第3阶段发生在346.7 ℃以后：此阶段涉及高分子聚合物的复杂降解过程，包括壳聚糖主链断裂、乙酰基团分解以及CS-TiO2复合颗粒的热分解。后者可能受表面修饰及与壳聚糖相互作用的影响。该阶段分解温度显著提高，证实壳聚糖与CS-TiO2复合颗粒形成了稳定的复合材料结构[11]。
3.3 保鲜应用效果
脂质氧化是导致鱼类食品品质下降的主要原因之一，尤其是在富含不饱和脂肪酸的鱼类中。脂质氧化不仅会导致食品产生不良气味 (如哈喇味) 和风味劣化，还可能生成对健康有害的化合物 (如醛类和酮类)。TVB-N和TBRRS值的变化是评估鱼片新鲜度的关键指标。本实验结果表明，在实验初期 (第1—第3天) ，不同组别的薄膜对TVB-N值的影响差异较小，这可能是因为鱼片的新鲜度较高，微生物活动尚未显著增强。而随着实验的进行，EP7薄膜的优势逐渐显现，特别是在实验后期 (第5—第7天)，其TVB-N 和TBRRS上升趋势明显减缓。这一优异表现可归因于EP7薄膜中紫苏精油和壳聚糖的协同作用机制：首先，紫苏精油中的活性成分可螯合Zn2+ 等金属离子，抑制微生物蛋白酶的活性，从而减少蛋白质的降解 (TVB-N增长的关键因素)；其次，壳聚糖凭借其正电性氨基与细菌细胞膜的负电荷相互作用，破坏其膜结构完整性，进而干扰细菌生理代谢 (导致TBRRS积累的主要原因)[28]。两种成分共同构建了“酶活性抑制-细菌膜破坏”双路径协同效应。此外，紫苏精油可能在初期主导保鲜作用 (如挥发性抗菌作用)，而壳聚糖则在中后期通过长期物理阻隔性和持续抗菌活性进一步抑制腐败进程[29]。马玉英等[30] 研究也表明壳聚糖致膜通透性上升后，紫苏精油活性成分 (如百里香酚) 更易侵入胞内靶点，从源头抑制蛋白酶分泌。较高浓度的乳液提供更多的CS-TiO2复合颗粒物理位点 (如介孔结构) 包埋精油，延长活性成分释放周期，保障后期有效浓度。此外，Zhou等[31] 研究也证明姜黄素可以通过破坏微生物细胞膜、抑制酶活性或干扰DNA复制等方式发挥抑菌作用；而且EP7薄膜的阻隔性能 (如低水蒸气透过率和致密的结构) 也进一步抑制了外界微生物的侵入和鱼片内部水分的流失，延缓了鱼片的腐败过程。与其他单一成分保鲜膜相比，EP7薄膜的协同增效作用使其在长周期保鲜中更具优势。
蛋白质氧化是食品贮藏过程中品质劣变的重要表现之一，不仅会降低食品营养价值，还会影响其质地、风味和功能特性。其中，羰基含量和总巯基值是评价蛋白质氧化程度的直接指标。本实验结果表明，与对照组相比，EP7薄膜包裹的鱼肉在贮藏过程中羰基含量的增幅显著降低。具体而言，EP0组鱼肉的羰基含量在第3—第7天迅速上升，而EP7组增长较慢，表明EP7薄膜能有效抑制蛋白质氧化的加速阶段。此外，随着贮藏时间的延长，EP7薄膜的抗氧化性能逐渐增强。这种效果可能归因于EP7薄膜中的紫苏精油和壳聚糖具有较强的抗氧化活性，尤其是紫苏精油能够清除脂质氧化产生的羟基自由基和过氧自由基[32]。同时，该膜的致密结构和低水蒸气透过率减少了氧气和水分的渗透，延缓了氧化进程[33]。相比之下，EP0薄膜虽具一定阻隔性，但由于缺乏活性抗氧化成分，抑制蛋白质氧化的效果较差。综上所述，高浓度乳液基EP7薄膜能够有效延缓鱼肉蛋白质氧化，延长货架期。
3.4 微生物抑制与智能指示
鱼片中的菌落总数是评估其新鲜度和保鲜效果的关键指标之一。EP7薄膜能够较好抑制微生物的生长，延缓鱼片的腐败进程。这一结果与薄膜对精油的缓释性能和抗菌性能密切相关。紫苏精油的酚羟基能够与微生物细胞膜上的磷脂双分子层发生相互作用，导致细胞膜结构破坏，进而引起细胞内容物泄漏和微生物死亡[34]；此外紫苏精油能够抑制微生物体内关键酶的活性[35]。
姜黄素是一种pH敏感型化合物，其颜色变化与其分子结构在不同pH下的变化相关，在酸性或中性环境中，姜黄素呈黄色，而在碱性环境中，其分子结构发生异构化，导致颜色转变为红棕色[36]。在鱼片保鲜过程中，TVB-N、TBARS等值的增加表明蛋白质被微生物分解生成氨和胺类物质，这些物质导致薄膜内部的pH升高，从而触发了姜黄素的颜色变化[37]。薄膜的颜色变化与TVB-N值的动态变化高度一致，表明薄膜不仅具有保鲜功能，还可通过颜色变化直观地指示鱼片的腐败程度，为消费者和生产者提供了一种实时监测食品安全性的便捷方法。与普通PE薄膜和不含姜黄素的EP0薄膜相比，EP7薄膜的颜色变化特性使其在食品包装中具有独特的优势。
4. 结论
本研究成功构建了一种基于明胶、姜黄素及CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液的智能保鲜薄膜 (EP7)，其机械性能、阻湿性、抗氧化性和热力学性能均显著优于其他实验组。在4 ℃贮藏卵形鲳鲹的实验中，EP7薄膜表现出卓越的保鲜效果：相较于EP0组，第7天时TVB-N值、TBARS值、羰基含量和菌落总数分别降低了56%、31%、13%和42%，同时总巯基值提升了52%。在鲜度指示方面，薄膜的颜色由浅黄色变为红棕色，可直观指示鱼肉腐败程度。结果表明，该智能保鲜薄膜兼具抗氧化、抑菌和鲜度指示功能，其制备工艺简单，能有效延缓鱼肉氧化变质和微生物生长，显著延长货架期，为水产品保鲜提供了新的技术方案和理论基础。
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图 1 不同浓度制备的薄膜
注：EP0. 对照组薄膜；EP1、EP3、EP5、EP7指分别添加1%、3%、5%、7% (φ) 的CS-TiO2复合颗粒紫苏精油乳液制成的薄膜。
Figure 1. Thin films prepared with different concentrations
Note: EP0. Control group film (Without additives); EP1, EP3, EP5, EP7. Films prepared by incorporating 1%, 3%, 5%, and 7% (φ) of CS-TiO2 composite particle-perilla essential oil emulsions, respectively.
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图 3 薄膜的断裂伸长率和拉伸强度
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著差异 (p<0.05)。
Figure 3. Elongation and tensile strength at break of films
Note: Different letters indicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 4 薄膜的水溶性、水蒸气透过率和溶胀率
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。
Figure 4. Water solubility, water vapor permeability and swelling ratio of films
Note: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 5 薄膜的DPPH自由基和ABTS自由基清除率
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。
Figure 5. DPPH radical scavenging activity, ABTS radical scavenging activity of films
Note: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 6 薄膜的热力学性能TG曲线 和DTG曲线
Figure 6. TG curve and DTG curve of thermodynamic properties of films
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图 7 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉TVB-N和TBARS 的影响
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。
Figure 7. Effect of film on TVB-N and TBARS in golden pompano meat
Note: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 8 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉蛋白中羰基和总巯基含量的影响
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。
Figure 8. Effect of film on carbonyl content and total sulfhydryl content in golden pompano meat proteins
Note: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 9 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉冷藏过程菌落总数的影响
注：不同的字母代表不同组薄膜间有显著性差异 (p<0.05)。
Figure 9. Effect of film on total viable count in golden pompano meat during cold storage
Note: Different lettersindicate significant differences among groups of films (p<0.05).
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图 10 薄膜对卵形鲳鲹鱼肉鲜度指示图
Figure 10. Freshness indicator diagram of film on golden pomfret fish meat
表 1 薄膜的色度和色差
Table 1 Color parameters and color difference of films
样品
Sample亮度
Lightness
L*红绿色度
Red-green chroma
a*黄蓝色度
Yellow-blue chroma
b*色差
Color difference
ΔE*EP0 96.44±0.32a −0.58±0.03 a 0.53±0.12 e 61.68±0.49 a EP1 55.10±0.55b −1.40±0.04 bc 6.80±0.21d 41.67±0.57 d EP3 50.58±0.24c −1.53±0.01c 8.52±0.10 c 46.01±0.63c EP5 41.29±0.33d −0.70±0.07a 10.30±0.06b 55.20±0.22b EP7 35.33±0.61e −1.15±0.03b 12.12±0.31a 62.11±0.86a 注：同列的不同字母表示存在显著性差异 (p<0.05)。 Note: Values with different letters within the same column are significantly different (p<0.05). 
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