水凝膠具有快速、廉價、操作簡單等優(yōu)點，已被證明是一種實用的魚類新鮮度監(jiān)測方法。同時，其良好的吸濕性提高了刺激響應材料對腐敗過程中產(chǎn)生的目標化學品的顏色響應，在智能包裝中具有很大的應用潛力。有研究團隊開發(fā)了一種基于藻酸鹽-甲基纖維素混合水凝膠的簡單比色氨傳感器，用于監(jiān)測豬肉的腐敗情況。水凝膠指示劑可以清楚地指示肉末的顏色變化，TVB-N含量和pH值的變化與顏色變化呈正相關(guān)，證明了其在指示新鮮度方面的應用潛力。有研究報道了一種以甘蔗渣納米纖維素為基礎(chǔ)的水凝膠指示劑，該指示劑可以通過顏色的變化成功地區(qū)分腐壞物，證明了其在指示新鮮程度方面的應用潛力。還有研究報道了一種蔗渣納米纖維素基水凝膠指示劑，該指示劑能夠成功鑒別雞肉的腐敗。水凝膠內(nèi)的pH指示劑與溶解的CO₂反應后，可以顯示出明顯的顏色變化，從而反映雞肉的新鮮度。雖然比色水凝膠有希望用于監(jiān)測食品的新鮮度，但其仍然面臨一個問題:在零度以下的條件下，冷凍是不可避免的。然而，為減少潛在的腐敗，水產(chǎn)品往往通過冷鏈運輸或儲存在低溫環(huán)境(-20 °C)。在這樣的低溫環(huán)境下，水凝膠型新鮮度指示器的機械強度可能會由于水凝膠內(nèi)部結(jié)冰的現(xiàn)象而降低，從而影響水凝膠的基本功能。同時，冷凍水凝膠的敏感性會受到冰晶融化后產(chǎn)生的水分的影響，這是智能包裝的弊端。因此，迫切需要開發(fā)適用于低溫的水凝膠型指示劑。

近年來，已經(jīng)開發(fā)了一系列策略來增強水凝膠對低溫環(huán)境的耐受性。其中之一是將鹽加入水凝膠中。通過添加這些分子，可以抑制水分子的聚集，并且內(nèi)部氫鍵將被削弱，從而導致水凝膠的低凝固點。因此，它可以有效地防止在零度以下的溫度下在水凝膠內(nèi)部形成冰晶。然而，高濃度的鹽可能會削弱水凝膠的機械性能，并且鹽的泄漏可能會降低水凝膠的抗凍能力。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，嵌入有兩性離子滲透劑（如甜菜堿或脯氨酸）的水凝膠具有良好的抗凍性能。這是因為兩性離子滲透劑可以干擾水分子形成致密的氫鍵結(jié)構(gòu)，從而抑制水的凍結(jié)過程。受上述研究的啟發(fā)，作者希望開發(fā)一種在水凝膠骨架中引入兩性離子的耐寒水凝膠指示劑。

此研究探索了一種快速、簡單和有效的檢測系統(tǒng)，從兩性離子水凝膠(Z-H)和茜素視覺檢測水產(chǎn)品的新鮮度(圖1)。Z-H由2-羧基乙基丙烯酸酯(CAA)，[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(TM)，和2-羥乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)單體使用三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)作為交聯(lián)劑，驗證了Z-H的抗凍性，然后在Z-H中加入茜素染料，實現(xiàn)對低溫保存的魚肉的新鮮度監(jiān)測。并與基于TVB-N的傳統(tǒng)方法進行比較，分析了指示性水凝膠在評價鮭魚新鮮度方面的性能，驗證了其在低溫貯藏和冷鏈運輸中的實際應用潛力。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)在水凝膠中嵌入甜菜堿等兩性離子可以顯著提高水凝膠的抗凍性。因此，作者將兩性官能團引入到水凝膠骨架中，開發(fā)了Z-H。兩性離子基團可以通過靜電作用與水分子相互作用，干擾水分子形成致密的氫鍵結(jié)構(gòu)，從而抑制水的凍結(jié)過程。TM和CAA被認為是制備兩性離子材料的典型單體。因此，以CAA為陽離子單體，TM為陰離子單體，TEGDMA為交聯(lián)劑，采用化學交聯(lián)方法制備Z-H。為了使水凝膠具有更好的力學性能，由于HEMA可以提供額外的氫鍵位點來加強Z-H網(wǎng)絡(luò)，因此研究中以共聚體的形式添加了HEMA。水凝膠的紅外光譜如圖S1所示。1 727 cm^-1處的峰值是-COOH基團的C=O伸縮振動。3 432 cm^-1處的峰為季銨鹽的N-H。這表明水凝膠是兩性離子，基團既帶正電又帶負電。

水凝膠聚合物在水中的溶脹性能尤為重要，因為許多應用都依賴于這一關(guān)鍵性能。已研究了水凝膠在超純水中的室溫溶脹性能，包括時間對水凝膠溶脹率的影響。計算不同時間水凝膠的溶脹比，結(jié)果如圖S2所示。水凝膠樣品的溶脹比在浸泡前60 min顯著增加，并在浸泡1 500 min前保持穩(wěn)定。P-H的溶脹比高于Z-H。這種現(xiàn)象可能是由于Z-H具有較強的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和更多的氫鍵糾纏，使凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，防止水分子進入水凝膠網(wǎng)絡(luò)的空腔。因此，P-H比Z-H具有更好的吸水性。

AZ-H的pH敏感性

為了使水凝膠具有pH響應性，作者以茜素作為pH敏感染料的代表，因為研究人員發(fā)現(xiàn)茜素對pH響應快，顏色變化明顯。顏色的變化是由于茜素在不同pH值下的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，羥基允許質(zhì)子通過分子內(nèi)氫鍵轉(zhuǎn)移。作者還從實驗中觀察到茜素溶液在不同pH值下的視覺色差(圖3A)。在酸性pH (ph3,5)條件下，茜素溶液呈黃色(中性)。隨著pH值的增加，茜素在pH值為7(單陰離子)時顏色由黃色變?yōu)榧t色。當pH值為9時，茜素顏色呈紫色，當pH值為11時，茜素顏色加深。不同pH條件下茜素溶液的UV-Vis光譜如圖3B所示，這也證明了茜素的pH敏感性。

唾液中與淀粉消化相關(guān)的主要酶是唾液α-淀粉酶，它通過切斷α-1,4糖苷鍵將淀粉分解為麥芽糖、麥芽糖和α-限制糊精。研究表明，口腔中的淀粉酶在幾秒內(nèi)大幅降低了淀粉粘度。眾所周知，黏度是決定淀粉團胃排空率的關(guān)鍵因素。唾液α-淀粉酶也能在胃強酸性條件下存活，在小腸中仍有一定活性。

將茜素加入到Z-H中制備指示劑水凝膠，紅外光譜證實指示劑水凝膠制備成功。與Z-H相比，茜素兩性離子水凝膠(AZ-H)的紅外光譜在波數(shù)為1 450和1 584 cm^-1時，也呈現(xiàn)出茜素中芳香環(huán)的?C=C?鍵(圖S1)。結(jié)果表明，水凝膠的制備是成功的。

為了研究魚類腐爛過程中AZ-H對揮發(fā)性氮化合物的敏感性，作者選擇NH3作為代表化合物，研究人員指出，NH3可以模擬魚類腐爛過程中揮發(fā)性氮化合物的產(chǎn)生。由于肉眼觀察的結(jié)果會產(chǎn)生誤差，因此從AZ-H圖像中采集R、G、B值的信號變化。以RGB值的三個分量的總變化率來表征指標的靈敏度。本文研究了指示劑水凝膠在不同時間對不同濃度NH3的敏感性，以評估水凝膠(SRGB)對揮發(fā)性氮化合物的敏感性。如圖3C所示，AZ-H在5 min后變色，水凝膠的SRGB分別增加到20.9% (0.08 mol/L)和58.1% (0.8 mol/L)， 30 min后SRGB分別增加到52.1% (0.08 mol/L)和75.4% (0.8 mol/L)。水凝膠的變色與堿性環(huán)境中茜素酚類氧陰離子的形成有關(guān)。同樣，有研究報道了加入茜素的纖維素納米纖維/聚乙烯醇薄膜在含氨試劑瓶中懸掛時呈紫色。還有研究發(fā)下發(fā)現(xiàn)茜素pH敏感指示劑水凝膠對0.8 mol/L的氨水溶液24 min的靈敏度(SRGB)為72.4%，對氨水表現(xiàn)出較高的靈敏度和顯色響應。指示性水凝膠的快速和高響應性通常是智能食品包裝應用的預期特征。在這個意義上，指示水凝膠被認為適合用作氣體傳感器。