2026年3月10日，江南大学食品学院张慜教授团队在JCR分区一区期刊Food Research International （IF:8.0）上在线发表了题为“3D printed Ca2+ crosslinked sodium alginate gel–anthocyanin natural sensor with enhanced structural stability for tracking fruit and vegetable quality”的研究型论文。
随着消费者对食品安全要求的提高，传统包装已难以满足易腐产品全周期质量保障的需求。智能包装通过实时监测温度、气体成分、pH等关键参数，为食品质量监控提供了新途径。其中，比色pH指示标签因成本低和响应直观等优势受到广泛关注。花青素作为一种天然pH敏感色素，在酸性至碱性环境中可呈现红、紫、蓝绿色的变化，具有安全、可降解的特点，是开发环保智能传感材料的理想选择。目前，花青素指示剂主要应用于肉类、海鲜等高蛋白食品，该类食品腐败时多伴随pH上升，利于指示剂显色变化。然而，果蔬腐败过程以呼吸代谢、CO₂积累和酸化为主，且高湿、初始碱性环境会加剧花青素降解褪色，限制了其在该领域的应用。传统成膜技术难以精准调控材料结构和传感组分分布，影响传感器的响应一致性和长期稳定性。
3D打印技术具有高精度、可定制和材料兼容性强的优势，在智能包装领域展现出潜力。前人研究已通过3D打印成功开发了兼具保鲜和监测功能的包装标签，并通过水凝胶结构设计实现了对多种食品新鲜度的监测。海藻酸钠可与Ca²⁺等阳离子交联形成稳定凝胶网络，适用于构建生物包装和传感器基底。
本研究旨在开发一种能够实时监测多种果蔬在贮藏过程中酸化和湿度变化、实现动态品质评估和智能新鲜度指示的传感器。具体流程如下：首先，将8 g海藻酸钠溶于100 g水中制备均匀水凝胶，脱泡后作为生物墨水，通过3D打印机在不同的喷嘴直径、打印速度和填充模式等参数下，打印得到单层平面结构（55 × 55 mm）。打印后的样品经3%（w/v）CaCl₂溶液交联2 h，再切割为直径1 cm的圆片，浸泡在紫薯花青素溶液（浓度梯度0.4–2.0 g/100 mL，pH梯度9–12）中，冻干后固定于滤纸上，形成pH和浓度组合的传感器阵列。对所得海藻酸钠-花青素传感器进行形貌、抗氧化活性和酸响应特性表征；所有果蔬贮藏实验均在4℃冷链条件下进行，经1.5 Hz振动模拟运输后，利用该传感器监测30天内颜色参数（L、a、b*）变化，并基于ΔE量化新鲜度变化；同时，结合磁共振成像、失重率、硬度测试、呼吸速率和叶绿素含量测定，系统评估传感器在果蔬新鲜度监测中的响应性能与可靠性。本研究构建了一种绿色、安全、结构可调的比色响应传感系统，为果蔬实时新鲜度监测提供了实用化解决方案，并展现出在智能包装和冷链系统中集成的良好潜力。
研究亮点
• Ca2+交联增强了海藻酸钠凝胶基质的结构稳定性。
• 在碱性初始条件下成功制备了一种天然花青素传感器。
• 该标签能通过明显的颜色变化对二氧化碳和湿度作出响应。
• 紫薯花青素梯度标签成功应用于监测果蔬的新鲜度。
研究结论
（1）采用紫薯花青素构建的梯度传感器可在pH 9-12范围内工作，其微观组织致密，结构完整性好，环境稳定性高。
（2）在对五种代表性果蔬的冷藏贮藏实验中，该传感器对二氧化碳浓度和相对湿度的变化均表现出明显的ΔE色度响应。
（3）高呼吸强度的产品（蘑菇和西兰花）使在pH 9和10条件下调制的传感器产生显著的酸化响应，而在pH 12下调制的传感器则因色素在碱性高湿环境下不稳定而发生褪色。
（4）对于中低呼吸强度的产品（甜椒、蓝莓和葡萄），传感器的响应反映了二氧化碳释放和湿度诱导降解的综合效应。
（5）所有样品的ΔE拐点或稳定阶段普遍出现在第4-6天（二氧化碳主导阶段）或第10-12天（湿度主导阶段），证明了该传感器在跟踪新鲜度劣变过程中的适应性和有效性。
（6）本研究解决了花青素基传感器在碱性条件下的稳定性问题，为实际高湿度贮藏环境下的智能包装应用提供了一个可扩展、可视化、实时的新鲜度监测平台。
（7）后续研究将系统探究光照条件（包括波长与强度）对花青素传感器显色稳定性的影响，以及果蔬释放的挥发性成分（如酸性/碱性气体、乙醇、乙烯及含硫代谢物等）对传感器性能的干扰。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 不同植物来源花青素的pH稳定性（a）、Ca2+浓度对花青素稳定性的影响（b）、室温下不同pH条件下海藻酸钠-花青素水凝胶的贮藏稳定性和色差分析（c-d）、未交联和Ca2+交联海藻酸钠干燥后的形貌和强度测试（e）。
图3. pH-花青素传感器的制备流程（a）、未交联海藻酸钠和pH-紫薯花青素标签的扫描电镜图像（b）、花青素标签（pH 8）的抗氧化性能（c）、花青素标签的pH响应特性（d）。
图4. 紫薯花青素梯度传感器在不同条件下的响应性能：基于海藻酸钠-Ca²⁺的传感器在不同pH值紫薯花青素溶液中浸泡10 min后的状态（a）、pH响应性能（b）、抗氧化性能（c）、酸响应性能（d）、CO₂响应性能（e）。
图5. 紫薯花青素梯度传感器在不同果蔬新鲜度监测中的应用：大型包装（a）、小型包装（b）以及储存3个月后（先于4°C储存1个月，再于25°C储存2个月）的小包装样品（c）。
图6. 紫薯花青素梯度标签在不同果蔬贮藏期间的ΔE变化：空白对照（a）、西兰花（b）、蘑菇（c）、甜椒（d）、蓝莓（e）、葡萄（f）。
图7. 不同果蔬贮藏期间MRI图像演变（a），贮藏过程中失重率、硬度、呼吸速率和叶绿素含量的变化（b–c）。
作者简介
张慜，江南大学二级教授、“至善特聘教授”，兼任江苏省“生鲜食品智能加工与品质监控”国际联合实验室主任、中国商业联合会“生鲜食品加工与保鲜”重点实验室主任；目前主持十四五国家重点研发计划项目“生鲜农产品供应链品质管控与溯源技术研发”，培养生鲜食品加工与保鲜领域毕业博士/硕士及博士后200余名；发表SCI论文660余篇，入选ELSIVER“中国高被引学者”榜单和Clarivate全球“高被引科学家”榜单；出版生鲜食品品质调控领域专著/编著12本；获批该领域国内外发明专利260余件；研究成果获国家科技进步奖二等奖、江苏省科技进步奖一等奖、中国商业联合会科技进步特等奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国专利优秀奖等科技奖励。