东北农业大学：用3D打印技术制作能检测食品新鲜度的智能标签

展源 2023-11-27

东北农业大学食品学院张华江课题组：用3D打印技术制作能检测食品新鲜度的智能标签 International Journal of Biological Macromolecules

●2023年11月，东北农业大学食品学院张华江教授在《International Journal of Biological Macromolecules》（Q1，IF 8.2）发表题为“3D Printing of Smart Labels with Curcumin-Loaded Soy Protein Isolate”的研究论文， 2021级博士研究生李翰宇为第一作者，张华江教授为通讯作者。

成果介绍

1.1 研究背景

目前，智能标签作为一种能够指示食品新鲜度的材料被广泛研究。然而，利用流延法制备智能标签存在材料浪费多、质量不均匀等问题。相比之下，3D打印技术是一种新兴的增材制造技术，具有设计自由度高、生产成本低等优势。该团队选择了明胶和高浓度甘油作为3D打印材料，通过熔融挤出制备智能标签，避免了高温干燥过程对姜黄素活性的影响，并允许标签的自由定制。本研究同时关注姜黄素作为一种环保型食品新鲜度敏感染料在食品包装中由于低水溶性和稳定性导致的应用问题，并通过无需有机溶剂的pH驱动法解决。

1.2 成果介绍

该研究的主要思路是利用大豆分离蛋白包裹姜黄素，形成具有抗氧化和pH敏感性的复合物，然后与明胶共混制成可打印的墨水。通过3D打印技术，将墨水挤出成所需的标签形状，贴在食品包装上。当食品变质时，pH值会下降，导致姜黄素从SPI中释放出来，使标签由黄色变为红色，从而提示消费者食品的新鲜程度。

为了实现这一目标，该研究首先采用了一种pH驱动的方法，通过水氢键和疏水相互作用，将姜黄素包裹在SPI中。这种方法不需要使用有机溶剂，既环保又安全。然后，将SPI-姜黄素复合物与明胶混合，制成墨水。该墨水具有适合挤出的流变学性质，其屈服应力为400-600 Pa，粘度为122.93-142.82 Pa·s，在最佳打印温度下。当墨水冷却到25 °C时，其复合模量迅速增加到超过2×103 Pa形成凝胶。该研究还通过调节甘油/水的比例，来调节标签的打印性能和机械性能。甘油是一种保湿剂，可以保持水分和降低水活性。它还可以增加明胶凝胶的柔韧性和弹性。

图1凝胶的可打印性。

研究人员进一步将这些智能标签应用到花生油和肉糜上，验证了它们的检测效果。结果显示，当肉糜的总挥发性碱性氮（TVB-N）含量增加时，标签的颜色也从黄色变为红色，与TVB-N含量呈正相关。这些结果表明，该智能标签能够有效地反映食品的新鲜度，为食品安全提供了一种创新的解决方案。

图2 3D打印过程中材料的流变学和热性能。

图3 3D打印后凝胶的力学性能。

图4凝胶的储存稳定性。

图5凝胶的功能活性。

图6花生油和肉末的应用试验。

● 创新性/应用前景

该研究采用了无需有机溶剂的pH驱动方法，将姜黄素包裹在SPI中形成具有抗氧化和pH敏感性的复合物，既环保又安全。通过3D打印技术，制作出可定制的智能标签，避免了传统的溶液铸造和切割方法所带来的材料浪费、厚度不均和成本增加等问题。明胶作为主要凝胶成分，利用其可逆的热转变特性，实现了快速的打印和固化过程，并保护了姜黄素的功能活性，提高了标签的机械稳定性。同时，通过调节甘油/水的比例，实现了对标签的打印性能和机械性能的调控，增加了标签的柔韧性和弹性，防止了水分的吸收和损失，延长了标签的使用寿命。

该研究的应用前景十分广阔，可以为食品新鲜度的实时可视化监测提供一种环保、便捷和可定制的智能标签，有助于提高食品安全水平，减少食品浪费，保障消费者的健康。此外，该研究还可以为其他领域的智能标签的设计和制作提供参考和启示，拓展3D打印技术的应用范围和价值。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128211

内容来源：食品加智食科技

责任编辑：展源

审　　核：何发

东北农业大学：用3D打印技术制作能检测食品新鲜度的智能标签

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