全球向可持续包装的转型常因植物源着色剂掺入生物聚合物薄膜时的低提取效率和有限功能性能而受阻。因此，研究人员研究了从红菠菜（Amaranthus dubius）中提取生物活性化合物，并通过透明度和水蒸气渗透率评估其在淀粉基包装薄膜中的潜在应用。红菠菜提取物使用不同浓度的各种化学溶剂（乙醇、甲醇、乙酸和蒸馏水）以及集成化学-超声辅助提取（UAE）方法获得。结果表明，与常规化学提取相比，集成化学-UAE方法提高了提取性能。在甲醇基条件下，UAE辅助提取实现了13.96%的最高提取率，显著高于常规甲醇提取（6.53%）。尽管使用蒸馏水的超声辅助提取可能影响热和空化敏感的色素（如甜菜红素）的稳定性，但该过程增强了细胞壁破坏并促进了生物活性化合物的释放，导致高抗氧化活性（98.93% DPPH自由基清除活性）。这种从集成水-UAE辅助提取获得的红菠菜提取物随后被纳入淀粉薄膜，导致相较于对照膜，薄膜不透明度增加、光阻隔性能改善以及储存期间水蒸气渗透率降低。这些改进可能有助于更好地保护包装食品免受水分转移和光诱导变质。这些发现表明，Amaranthus dubius可作为旨在延长食品货架期和保持食品质量的活性包装应用的潜在候选者。
论文解读：红菠菜生物活性成分提取及其在淀粉基活性包装薄膜中的应用
研究背景及意义
全球食品包装行业正在经历从被动容纳向主动和智能系统的范式转变，旨在提升食品安全和可持续性。这一演变受到消费者对“清洁标签”产品需求的增长，以及对合成红色着色剂（如赤藓红和阿洛拉红）严格监管审查的驱动，这些合成着色剂已被认为存在潜在过敏性和长期健康风险。因此，亟需生物活性的、植物源着色剂，其能够同时在生物聚合物基质中充当视觉指示剂和功能屏障。红菠菜（Amaranthus dubius）因其富含甜菜红素（betacyanins）而成为此类应用的首选候选者。除了提供鲜艳的红色色素外，这些多酚类化合物还表现出 potent的抗氧化和抗菌特性，使其成为食品保鲜的理想“活性”因子。红菠菜中主要的甜菜红素化合物是amaranthine和decarboxy-amaranthine，其中amaranthine据报道对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有抗菌活性。利用红菠菜作为天然着色剂符合转向可持续和健康意识食品成分的趋势。然而，红菠菜生物活性成分在包装薄膜中的有效利用不仅取决于提取效率，更重要的是取决于提取过程中抗氧化功能的保留。常规溶剂提取可能因细胞壁破坏有限和传质效率低下而无法充分释放富含抗氧化剂的化合物，因此迫切需要一种集成的化学-超声辅助提取（UAE）方法来增强具有高抗氧化活性的功能性生物活性回收，以用于潜在的薄膜应用。本研究旨在评估和比较集成化学-UAE提取方法与常规化学提取法从Amaranthus dubius中获取天然红色着色剂的效果，并探索声空化和化学极性如何影响生物活性回收，及其在淀粉基薄膜中的功能评价，为下一代高阻隔、活性食品包装提供可持续路径。该论文发表在《Food Biophysics》。
主要关键技术方法
研究人员使用了来自马来西亚吉打州昌伦当地农民的红菠菜（叶和茎）作为植物样本。关键实验方法包括：1）样品制备：清洗、52°C脱水至恒重、粉碎成细粉并冷藏储存；2）常规化学提取：使用不同浓度（30%、50%、70%）的乙醇和甲醇，以及不同浓度（1%、3%、5%）的乙酸和氢氧化钠溶液，在25°C下搅拌15分钟后过滤并浓缩；3）集成化学-超声辅助提取（UAE）：在上述化学提取搅拌后，使用40 kHz频率、200 W功率、180 J能量、25°C、15分钟的超声水浴处理，随后过滤浓缩；4）分析测试：使用色度计基于CIELAB色彩空间参数（重点a*值）测定颜色强度，重力烘箱干燥法测定提取率，DPPH自由基清除法测定抗氧化活性，Folin-Ciocalteu法测定总酚含量（TPC，以mg GAE/g表示）；5）薄膜制备与应用：选择抗氧化性能最优的蒸馏水-UAE提取物，采用浇铸法制备含1 mL 40% (w/w)提取物的3%淀粉基可食膜（含10%甘油），45°C初干及室温完全干燥后调理；6）薄膜性能表征：通过重量法测定水蒸气渗透率（WVP，遵循标准方法并计算），以及在600 nm处测定吸光度计算透明度值（T = A600 / x）。
研究结果
干燥红菠菜提取物的提取率（Yield of Dried Red Spinach Extract）
提取率受提取所用化学浓度的显著影响。对于醇类（乙醇30%至70%，甲醇30%至70%）和酸（乙酸1%至3%），提取率随化学浓度增加而显著上升。这一现象可归因于溶剂极性对红菠菜中植物化学物质（如酚酸、类黄酮和甜菜碱化合物）提取行为的影响。增加醇浓度会降低溶剂系统的介电常数，从而提高其对中等极性化合物（如类黄酮和某些酚成分）的亲和力。对于乙酸作为溶剂，浓度从1%增加到5%导致产率从2.30%提高到2.76%，酸性环境有助于分解植物细胞壁。乙醇提取在30%浓度时显示最高产率（7.20%），但在较高乙醇浓度时下降，可能是因为水含量减少影响了极性化合物的溶解。30%乙醇溶液提供更极性的提取环境，改善了甜菜红素等极性化合物的溶剂化和扩散。此外，蒸馏水的存在增强植物细胞壁的肿胀和水合，促进溶剂渗透到细胞内区室，释放结合的生物活性化合物。UAE显著提高了提取率，70%甲醇 via UAE达到最高13.96%的产率，几乎是常规化学方法的两倍。产率提高归因于超声空化破坏植物细胞和促进传质。
颜色分析（Colour Analysis）
红菠菜提取物的颜色根据化学类型及其浓度表现出显著变化。a值（表示红度）显示受化学及其浓度的显著影响。使用1%浓度乙酸（RS-Aa）获得的提取物表现出最高的a 值31.77，表明优异的红色保留。这可能是因为乙酸稳定了红色色素如甜菜红素；在酸性环境中，甜菜红素主要以黄烊盐阳离子形式存在，赋予强烈的红色色调且稳定。对于醇类溶剂（乙醇和甲醇），中间a值被观察到，30%和50%浓度时a 值增加，而70%浓度时a值减少，较高浓度可能促进色素提取但也会导致色素降解。酸性溶剂显著增强甜菜碱的提取和保留，维持红菠菜提取物的特征红色。相反，中性或碱性条件会降解或改变色素，导致红色降低和颜色偏移。对于醇类和酸类溶剂，化学提取法产生的a 值（14.17至31.77）显著高于集成-UAE（1.79至3.52），表明化学提取能更好保留或提取负责红色的甜菜红素色素。蒸馏水提取也遵循此趋势，化学提取a*值15.97，UAE为1.70。UAE中红色降低可能是由于功率和温度升高导致过热和甜菜红素色素降解，空化现象虽然有效破坏细胞壁释放甜菜红素，但也会产生热和氧化应激，导致色素从红色向黄色色调转变。
干燥红菠菜提取物的清除活性（DPPH Scavenging Activity）
清除活性（衡量抗氧化能力）受用于提取干燥红菠菜的化学类型和浓度的显著影响。蒸馏水表现出最高的抗氧化活性，清除率达93.81%，证明其能有效提取亲水性抗氧化化合物。醇类溶剂显示清除活性随浓度增加而下除，较高乙醇浓度降低清除效率，而较低乙醇/水混合物或纯水提高其效率。对于醇类溶剂（乙醇和甲醇），在较低浓度（30%和50%）下，UAE相比化学提取显著增强清除活性（例如乙醇87.90%和81.58%；甲醇89.75%和85.35%）。然而，在70%较高浓度下，抗氧化活性降低，可能是由于超声空化效应导致敏感化合物降解。乙酸提取显示类似模式，UAE在1%浓度时最佳清除活性为88.07%，但在较高浓度（3%和5%）时下降。提取溶剂的极性在决定生物活性化合物回收效率中起着关键作用；抗氧化剂等一些物质表现出中间极性，意味着其溶解度在水-有机溶剂系统中最大化，而非高度浓缩的有机溶剂。水和溶剂的混合物可增强溶剂系统的整体极性和介电常数，增加氢键和与化合物羟基基团的偶极-偶极相互作用。UAE利用超声波产生空化，产生热量和压力破坏植物细胞壁并增强溶剂渗透，从而更快有效地提取抗氧化剂（如酚酸和类黄酮），特别是在较低溶剂浓度下抗氧化剂得以保留。
总酚含量（Total Phenolic Content, TPC）
干燥红菠菜提取物的TPC根据化学提取类型和浓度而变化。红菠菜提取物中的TPC通常随常规和超声辅助提取（UAE）中醇溶剂（乙醇和甲醇）以及乙酸浓度的增加而增加。70%浓度甲醇产生最高的总酚含量（28 mg GAE/g），其次是70%乙醇（23 mg GAE/g），表明甲醇是酚类提取更有效的溶剂。此外，集成化学-超声辅助提取（UAE）显著提高总酚含量（TPC）产量。这主要归因于UAE期间产生的超声能量，其在提取介质内产生强烈的机械振动和湍流，促进细胞壁破坏，允许更好的溶剂渗透并促进酚类化合物从植物基质中释放。酸性溶剂也显示出可观的酚含量，但增加不如醇类溶剂显著。比较蒸馏水的DPPH清除活性和TPC，水提取物尽管TPC较低，但表现出最高清除活性，表明其他亲水性抗氧化剂（如甜菜碱，包括甜菜红素色素）的贡献，这些已知具有强自由基清除特性。此外，DPPH测定可能优先响应特定抗氧化化合物，取决于其溶解度和反应机制。
适用于薄膜的提取物的选择（Selection of Suitable Extract for the Film Application）
由于最高的抗氧化活性（98.93%）及其适用于食品相关应用，选择Amaranthus dubius的蒸馏水提取物。作为无毒和食品级溶剂，水消除了溶剂残留的担忧，同时增强了与亲水性淀粉基薄膜的兼容性，从而使生物活性化合物更安全有效地纳入食品包装系统。由于本研究专注于活性包装的潜在应用，抗氧化活性被优先作为主要选择标准。尽管基于甲醇的提取产生更高的提取率和总酚含量（TPC），但较高的酚含量不一定对应于更强的抗氧化活性，因为抗氧化有效性还取决于提取化合物的组成和相互作用。此外，颜色强度未被视为主要选择标准，因为本研究专注于改善薄膜的水蒸气和光阻隔性能，而非开发颜色指示智能包装系统。
适用薄膜的透明度值和水阻隔性能（Transparency Value and Water Barrier Properties of Applicable Film）
红菠菜处理的淀粉薄膜的透明度值（12.79 ± 0.22）显著高于对照淀粉薄膜（7.67 ± 0.12），表明掺入红菠菜提取物后薄膜透明度降低（即不透明度增加）。这种透明度值增加主要归因于红菠菜中甜菜红素和其他酚类色素的存在，其吸收可见光并赋予薄膜基质红褐色。不透明度的增加有利于活性食品包装应用，因为它提供针对光氧化和光诱导食品（特别是易受氧化酸败的富含脂质食品）变质的额外保护。此外，提取物固体在淀粉网络中的分散增强了光散射，进一步降低光透射率。水蒸气渗透率（WVP）结果揭示了整个7天储存期内的动态渗透行为。在初始阶段（第1-3天），两种薄膜的WVP值均在10⁻⁷ g·m/m²·s·Pa数量级，表明成膜后立即相对紧凑的薄膜结构。然而，从第4天起，WVP值增加到10⁻⁶ g·m/m²·s·Pa数量级，表明储存期间淀粉基质内逐步的结构松弛和分子流动性增加。这可能归因于水分再分布、聚合物网络的部分增塑以及储存期间淀粉链的重排，随后增强了水蒸汽通过薄膜的扩散。有趣的是，红菠菜处理的淀粉薄膜从第一天到第七天始终表现出比对照薄膜更低的WVP值。第7天，处理薄膜记录WVP值为1.43 × 10⁻⁶，而对照薄膜显示较高值2.03 × 10⁻⁶。掺入红菠菜提取物后WVP的降低表明生物活性化合物与淀粉聚合物链有效相互作用，导致更致密且渗透性较低的网状结构。酚类化合物已知与淀粉的羟基形成分子间氢键，从而减少自由亲水位点的可用性并限制水分子通过基质的迁移。此外，分散的色素化合物可能产生更复杂的扩散路径，阻碍水蒸气传输。处理薄膜在储存早期（第1-3天）表现出比对照稍高的WVP，这可能与此前提及的红菠菜提取物中甜菜红素和某些多酚化合物的亲水性有关。这些化合物最初可增加水亲和性并促进新鲜制备薄膜内的水分扩散。然而，随着储存进行，可能发生更强的分子间相互作用和基质稳定，导致与对照薄膜相比渗透性降低，从而改善阻隔性能。
讨论与结论总结
研究人员总结道，红菠菜的提取效率受溶剂类型和浓度的强烈影响，这决定了抗氧化剂、酚类化合物、色素和总体提取率的回收。蒸馏水由于其亲水性，在提取过程中有效保留了生物活性抗氧化化合物，表现出最高的自由基清除活性（93.81%）。同时，醇基和酸基溶剂通过促进细胞壁破坏和在酸性及醇类条件下稳定甜菜红素，提高了提取率和颜色保留。因此，水提取被认为是最适合薄膜掺入的方法，因为它提供了优越的抗氧化活性，同时保持理想的颜色稳定性，使其非常适合开发活性食品包装薄膜。将水提取的红菠菜掺入淀粉基复合薄膜显著改善了薄膜的光阻隔和水阻隔性能。处理过的薄膜表现出增强的不透明度，充当有效的UV-可见光屏障，能够减少富含脂质食品中的光氧化。此外，富含多酚的提取物与淀粉聚合物链之间的分子相互作用促进了更致密和紧凑的薄膜基质，从而在储存期间降低水蒸气渗透率（WVP）。然而，需要进一步全面评估机械、结构和功能特性，以进一步验证机制并充分确立薄膜在活性包装系统中的适用性。
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