Development of non-contact pH-responsive PAN/Malva sylvestris nanofibrous sensors for intelligent food packaging and meat freshness monitoring
本研究开发了一种由聚丙烯腈和锦葵提取物组成的非接触式、pH响应型纳米纤维传感器，该传感器通过与pH值和挥发性盐基氮（TVB-N）等变质指标相关的可逆颜色变化，有效地监测肉类新鲜度。
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食品安全往往依赖于包装上一个简单的印刷日期，这是一个静态的承诺，很少能考虑到食物实际腐败的混乱现实。当鱼或肉开始腐烂时，在肉眼观察到变质或闻到异味之前，它们早已经历了不可见的化学变化。这种衰败最可靠的迹象之一是酸碱度（pH值）的变化，因为细菌在分解蛋白质的同时会释放出碱性气体。几十年来，科学家们一直试图寻找一种方法，使这些不可见的转变对消费者变得可见，从而创造出一种能够充当实时新鲜度监测器的“智能”包装。挑战在于寻找一种既能对这些细微化学变化做出反应，又足够耐用以在包装内部潮湿环境中生存，且足够安全以确保绝不接触食物本身的材料。
研究人员现在开发出了一种解决方案，通过结合合成纤维和一种常见的园林植物解决了这些障碍。他们设计了一种微小的、非接触式的传感器，旨在悬挂在食品包装内部，监测空气而非直接接触肉类。通过将一种强韧的塑料聚合物与从常见锦葵植物花瓣中提取的物质编织在一起，他们制造出了一种纳米纤维薄膜，当包装内的食物开始变质时，该薄膜会发生剧烈的颜色变化。这一系统提供了一种观察不可见衰败化学过程的方法，为购物者提供了清晰的视觉信号，准确告知产品何时已过了最佳食用期。
研究人员首先选择了一种名为聚丙烯腈（PAN）的合成聚合物，这种材料以其强度以及被纺成极细丝线的能力而闻名。他们测试了该材料的三种不同浓度，以找到创造平滑、均匀纤维的最佳平衡点。他们最终确定了一个特定的浓度，该浓度能产生一致的纤维网，作为传感器的坚固骨架。在这一骨架中，他们注入了由锦葵（Malva sylvestris）干燥花瓣制成的提取物，这种植物富含被称为花青素的天然色素。这些色素以其能够根据环境酸碱度改变颜色的能力而闻名，随着pH值的升高，颜色会从红色变为紫色、绿色，最后变为黄色。
为了测试这些材料如何协同工作，团队将植物提取物以三种不同的比例混入聚合物溶液中。他们发现，添加的提取物过少会导致颜色不足，而添加过多则会导致纤维变得粗糙且结块。理想的比例是含有百分之二十提取物重量的混合物。这种特定的混合物创造出的纤维不仅强韧稳定，而且具有与植物色素相互作用的独特能力。塑料中的化学基团与植物提取物形成了强力的键合，创造出一种凝聚力强的材料，使其不易吸收水分且更耐热。这种结构完整性至关重要，因为传感器需要在冷藏包装内常见的潮湿、温暖条件下保持完好。
生成的传感器是一种由纤维组成的薄非织造垫，看起来像一小块精致的织物。当暴露在不同水平的酸度下时，该材料会呈现出鲜艳且可逆的颜色转变。在高度酸性的环境下，传感器呈现粉红色。当环境变为中性时，它变为深紫色。如果条件变为碱性，颜色会转向绿色，并最终变为黄色。这种广泛的色彩范围意味着传感器可以检测空气中的细微变化，使其对衰败的早期阶段具有高度敏感性。至关重要的是，研究人员确认该传感器可以放置在包装内而不接触食物，仅依靠在空气中漂浮的气体来触发颜色变化。
为了在现实场景中证明这一概念可行，团队使用储存在冰箱里的新鲜鱼片对传感器进行了测试。他们将一小块传感器贴在容器内盖上，确保它悬浮在鱼肉上方而未与之接触。在十六天的时间里，他们监测了鱼类的腐败情况，测量了挥发性氮化合物的水平以及肉类的酸碱度。随着鱼肉开始变质，细菌释放出碱性气体，提高了包装内空气的pH值。传感器立即做出了反应。在前几天，鱼肉保持新鲜，传感器呈现淡色。到了第十二天，当鱼肉进入腐败预警阶段时，传感器变成了淡黄色。到了第十六天，当鱼肉明显变质并超过安全限度时，传感器变成了明显的黄绿色。
传感器的视觉变化与化学数据完美匹配，高精度地追踪了腐败指标的上升。研究表明，这种简单的非接触式装置可以区分新鲜鱼肉、开始变质的鱼肉以及完全腐烂的鱼肉。材料在整个测试过程中保持稳定，没有表现出在潮湿环境中溶解或降解的迹象。研究人员得出结论，这种聚丙烯腈（PAN）与锦葵提取物的结合创造了一种安全、灵敏且可靠的未来食品包装工具。它提供了一种让消费者通过眼睛而非仅仅通过印刷日期来信任自己的方法，确保食品安全不再是猜测，而是可见的事实。
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