可視化智能包裝在食品新鮮度監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

韓婷婷 孫沖 王道營 劉登勇 曹錦軒

摘 要：食品安全問題是全社會高度關(guān)注的熱點之一，快速、無損地評價食品安全在食品研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，可視化智能包裝發(fā)展迅速，但目前基于該技術(shù)的應(yīng)用范圍、局限性及未來發(fā)展方向缺乏系統(tǒng)總結(jié)，本文對可視化智能包裝的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，討論目前可視化智能包裝在食品檢測領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，分析可視化智能包裝監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確度、精確度不高等問題的原因，總結(jié)可視化智能包裝的發(fā)展趨勢。未來可視化智能包裝會與其他技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科聯(lián)合，在材料的選擇、檢測靈敏度、精確度以及低風(fēng)險、無污染等方面取得更好發(fā)展，實現(xiàn)對食品品質(zhì)的快速、無損實時監(jiān)控，以期為食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：可視化;智能包裝;食品;新鮮度;無損化監(jiān)測

Abstract： As the food safety problem has become a hot issue of widespread public concern， rapid and non-destructive food safety detection has aroused extensive attention in the field of food research. In recent years， visualized smart packaging has burgeoned. However， a systematic review of the application scope， limitations and future direction of visualized smart packaging is currently lacking in the literature. Hence， this article reviews the recent progress in research on visualized smart packaging， discussing its current limitations in the field of food detection， analyzing the factors causing inaccurate and imprecise results of visualized smart packaging， and summarizing its future directions. In the future， visualized smart packaging will be multidisciplinarily combined with other technologies for improved selection of raw materials and increased sensitivity and precision of detection with low risks and without pollution， which is expected to provide a reference for the application of visualized smart packaging in the field of food science.

Keywords： visualization; intelligent packaging; foods; freshness; non-destructive detection

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210721-187

中圖分類號：TS206.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2021）12-0046-08

引文格式：

韓婷婷， 孫沖， 王道營， 等. 可視化智能包裝在食品新鮮度監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 肉類研究， 2021， 35（12）： 46-53. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210721-187.? ? http：//www.rlyj.net.cn

保障食品品質(zhì)是解決食品安全問題的首要環(huán)節(jié)[1]。食品經(jīng)過加工、包裝、貯藏、運輸、銷售，最終被消費者食用，在這些過程中由于外界環(huán)境等因素的變化，往往導(dǎo)致食品失鮮變質(zhì)，其商業(yè)價值降低或失去，加劇浪費，污染環(huán)境，甚至損害消費者的健康[2]。基于以上問題，開發(fā)一種低成本、快速、準(zhǔn)確和非破壞性的設(shè)備來實時評估食品的新鮮度受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。由此，智能包裝的理念應(yīng)運而生，它是運用新型材料對食品包裝進(jìn)行設(shè)計從而達(dá)到對食品品質(zhì)及內(nèi)外部環(huán)境的識別和判斷，以食品腐敗指標(biāo)的形式來監(jiān)測食品的新鮮程度，從而對包裝食品的品質(zhì)進(jìn)行識別和保障[3]。目前，食品新鮮度監(jiān)測研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[4-5]，食品包裝模式出現(xiàn)了新的趨勢，可視化智能包裝逐漸走進(jìn)消費者視野。

可視化包裝屬于智能包裝的范疇，采用可視化包裝能實時監(jiān)測食品新鮮度變化，生產(chǎn)商和消費者都可以通過指示標(biāo)簽快速、準(zhǔn)確、及時獲取食品新鮮度信息，減少商業(yè)損失，避免健康損害[6]。雖然可視化智能包裝材料在食品中的應(yīng)用已有報道，但我國可視化智能包裝還處于初步研究階段，未能大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用[7]。

本文概述近年來可視化智能包裝的研究進(jìn)展，并對其監(jiān)測機理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上展望可視化包裝未來發(fā)展方向。

1 可視化智能包裝的概念

智能包裝是在傳統(tǒng)包裝的基礎(chǔ)上結(jié)合物理、化學(xué)、生物學(xué)及互聯(lián)網(wǎng)等最新科技方法，對食品及食品所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對食品品質(zhì)和安全實時監(jiān)控的包裝方法[8]。在食品領(lǐng)域，根據(jù)工作原理的不同將智能包裝分為3 類，即指示器型、傳感器型和射頻識別標(biāo)簽[9-10]。指示器型和傳感器型智能包裝可以制成指示標(biāo)簽放入食品包裝內(nèi)部，用于食品新鮮度的實時監(jiān)測，其工作機理是食品腐敗或微生物活動產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物與化學(xué)合成或天然指示劑反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化，如圖1所示，根據(jù)標(biāo)簽顏色變化程度能夠直觀判別食品新鮮程度[11]。與傳統(tǒng)的食品質(zhì)量檢測方法相比較，可視化智能包裝無需借助儀器進(jìn)行檢測，也不需要對食品包裝進(jìn)行破壞，通過肉眼即可判斷食品的新鮮程度[12]。

2 可視化智能包裝的分類及應(yīng)用

可視化智能包裝可以直接反映由于物理化學(xué)變化、食品自身酶效應(yīng)及微生物生長繁殖所導(dǎo)致的食品新鮮度變化[13]。食品逐漸失鮮的過程中，指示標(biāo)簽顏色會隨著食品中的酶及微生物代謝產(chǎn)物的增加而發(fā)生改變，其影響因素及部分分類如圖2所示，食品包裝內(nèi)部的水分、溫度、不同微生物的代謝產(chǎn)物等因素都會對指示標(biāo)簽的顏色變化產(chǎn)生影響，根據(jù)檢測指標(biāo)的不同又可以將標(biāo)簽分為pH值敏感型、CO2敏感型、含硫化合物敏感型等類型。

2.1 pH值敏感型指示標(biāo)簽

食品在貯藏期間，由于微生物和酶的作用會產(chǎn)生一系列代謝產(chǎn)物，如TVB-N、NH3、CO2等，這些代謝產(chǎn)物累積到一定濃度時會使食品pH值發(fā)生變化，利用酸堿變化能發(fā)生顏色反應(yīng)的指示劑制成標(biāo)簽，通過指示標(biāo)簽上的顏色變化可以快速辨別食品的新鮮程度。近年來，國內(nèi)外研究人員對多種pH值指示劑、基質(zhì)膜及包裝添加劑做了相關(guān)研究，根據(jù)指示劑的來源可以將pH值指示標(biāo)簽分為兩大類，即化合物指示標(biāo)簽和植物提取物指示標(biāo)簽。

2.1.1 化合物指示標(biāo)簽

化合物指示標(biāo)簽是由于發(fā)生酸堿反應(yīng)導(dǎo)致標(biāo)簽顏色變化。目前研究較多的是基于酚紅、甲基紅、溴甲酚紫、溴百里酚藍(lán)等化學(xué)試劑制備的指示標(biāo)簽。孫媛媛[14]以羥丙基甲基纖維素為基質(zhì)膜，添加溴甲酚紫染色液，制成薄膜指示標(biāo)簽，放置于包裝容器內(nèi)部監(jiān)測豬肉pH值的變化。結(jié)果表明，豬肉在失鮮過程中，標(biāo)簽顏色由黃色變?yōu)榫G色，最終變?yōu)樗{(lán)色，反映了豬肉從新鮮狀態(tài)到次級新鮮狀態(tài)，最終腐敗變質(zhì)的整個過程;標(biāo)簽顏色變化僅與揮發(fā)物含量有關(guān)，與豬肉量無關(guān)。王冰雪等[15]利用定性濾紙為載體，溴甲酚紫為指示劑，制備一種監(jiān)測新鮮豬肉pH值變化的指示標(biāo)簽。結(jié)果表明，隨著貯藏時間延長，鮮肉變?yōu)榇渭夣r肉，并開始腐敗變質(zhì)，此時指示標(biāo)簽的顏色由青綠色變?yōu)闇\紫色，最終變?yōu)樯钭仙伾兓黠@，可以快速判斷豬肉的新鮮度?；诮陙砭G色、環(huán)保、可持續(xù)的包裝理念，Wang Wenqi等[16]設(shè)計了一種可循環(huán)使用的指示標(biāo)簽，用于羅非魚新鮮度的監(jiān)測，該標(biāo)簽以聚苯胺為指示劑，采用鹽酸進(jìn)行合成，標(biāo)簽在新鮮的羅非魚包裝中呈綠色，當(dāng)羅非魚開始變質(zhì)時，標(biāo)簽逐漸變?yōu)榭兹杆{(lán)，變色后的標(biāo)簽用鹽酸進(jìn)行清洗，恢復(fù)原色，可以對羅非魚的新鮮度進(jìn)行3 次以上檢測。

除畜肉、水產(chǎn)品外，果蔬、乳制品的可視化智能包裝應(yīng)用也有廣泛研究。Dirpan等[17]研發(fā)了一種以溴酚藍(lán)為指示劑、細(xì)菌纖維素為基質(zhì)膜的指示標(biāo)簽，將標(biāo)簽固定在包裝盒頂部，用于盒裝芒果新鮮度監(jiān)測，經(jīng)過多組實驗發(fā)現(xiàn)，標(biāo)簽呈深藍(lán)色表示芒果新鮮，呈淺藍(lán)色為次級新鮮，呈綠色為腐敗變質(zhì)，消費者可以清晰地看到包裝盒中芒果的品質(zhì)狀況。Cavallo等[18]研發(fā)了一種專門監(jiān)測牛乳新鮮度的指示標(biāo)簽，標(biāo)簽以亞甲基藍(lán)為指示劑、以丙烯酸改性的聚丙烯薄膜為基質(zhì)膜，用吸附法將指示劑固定在基質(zhì)膜上，形成指示標(biāo)簽，指示標(biāo)簽固定在包裝容器頂部，標(biāo)簽的藍(lán)色若開始變淺則說明牛乳中微生物生長和還原性物質(zhì)產(chǎn)生，此時生產(chǎn)商或銷售商可以對外部環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，以延長牛乳保質(zhì)期，使標(biāo)簽實現(xiàn)監(jiān)測品質(zhì)和延長保質(zhì)期的雙功能。

從安全角度考慮，指示標(biāo)簽與食品接觸時其中的化學(xué)試劑可能會發(fā)生遷移，污染食品，同時影響指示標(biāo)簽顏色變化的敏感性，這與智能包裝的目的相沖突，因此降低指示劑遷移風(fēng)險也是指示標(biāo)簽的重要研究內(nèi)容。針對這一現(xiàn)象，Dowan等[19]以溴甲酚紫為指示劑制備指示標(biāo)簽，為了避免指示標(biāo)簽與雞胸肉接觸，將指示標(biāo)簽設(shè)計為具有超吸收層的3 層結(jié)構(gòu)，如圖3所示，利用聚乙烯醇和高吸收性材料將指示劑固定，雞肉在失鮮的全過程中，標(biāo)簽顯示出對雞胸肉表面pH值變化的良好響應(yīng)，標(biāo)簽顏色由黃變藍(lán)，最終變?yōu)樽仙?，同時未觀察到指示劑遷移到食物表面的現(xiàn)象。Lee等[20]研制了一種3 層結(jié)構(gòu)的指示標(biāo)簽，該指示標(biāo)簽以無色亞甲基藍(lán)為指示劑，添加L-抗壞血酸和L-半胱氨酸的混合物抑制其氧化反應(yīng)，使用低密度聚乙烯薄膜為基質(zhì)膜，對其進(jìn)行固定，防止遷移，以無紡布高度致密片作為外層裂解膜，層層組合制成指示標(biāo)簽，用于監(jiān)測三明治的新鮮度，當(dāng)標(biāo)簽由無色變?yōu)榉€(wěn)定的藍(lán)色時表明三明治變質(zhì)。該標(biāo)簽在使用時有一個激活過程，首先需要外膜層裂解才開始進(jìn)行指示工作，這一原理有利于降低因智能包裝中指示劑遷移而存在的食品安全隱患。

單一指示劑的指示標(biāo)簽通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、輔料添加可以達(dá)到一定的指示效果，但由于單一指示劑顯色范圍存在局限性，因此研究人員開發(fā)了能監(jiān)測更寬pH值范圍的指示標(biāo)簽。在單一指示劑制備的指示標(biāo)簽研究基礎(chǔ)上，Kuswandi等[21]研發(fā)了一種基于甲基紅和溴甲酚紫的雙指試劑標(biāo)簽，用于監(jiān)測牛肉貯藏過程中TVB-N含量、菌落總數(shù)變化引起的pH值變化，甲基紅由紅色變?yōu)辄S色，溴甲酚紫由黃色變?yōu)樽仙?，表明牛肉腐敗變質(zhì)，該標(biāo)簽僅限于指示牛肉的腐敗，未標(biāo)明新鮮度層次，有一定的局限性。Rukchon等[22]將溴百里酚藍(lán)和甲基紅制成雙指試劑標(biāo)簽，實時監(jiān)測雞胸肉中CO2增加引起的pH值變化，當(dāng)指示標(biāo)簽由綠色變?yōu)槌赛S色時表明雞胸肉開始腐敗變質(zhì)。陳慧芝[23]在使用溴百里酚藍(lán)和甲基紅染液制備雙指示劑標(biāo)簽時，還明確了新鮮與次級新鮮冷鮮肉之間的顏色界限，指示標(biāo)簽為紅色時代表肉品新鮮，黃色代表次級新鮮，綠色代表肉品腐敗變質(zhì)。

2.1.2 植物提取物指示標(biāo)簽

采用天然植物提取物指示劑制備指示標(biāo)簽，其安全性相對更高，因此基于天然指示劑制備的指示標(biāo)簽也有較多研究。近年來，國內(nèi)外研究者研究較多的天然指示劑大多來自植物提取物，如從各種深色植物中提取的花青素、從姜黃中提取的姜黃素及從茜草中提取的茜素等，研究者根據(jù)指示劑的顏色變化特性開展了大量研究。李琛等[24]從紫薯、杜鵑花瓣、鳳仙花瓣中提取花青素，將其固定到濾紙上制成3 種指示標(biāo)簽，用于監(jiān)測多寶魚pH值的變化，3 種指示標(biāo)簽的顏色差異源于3 種花青素結(jié)構(gòu)不同，但根據(jù)指示標(biāo)簽顏色的變化均可以直接反映魚肉的新鮮程度，此外標(biāo)簽的監(jiān)測靈敏度與溫度無關(guān)，僅受pH值變化影響，一定程度上縮小了該標(biāo)簽的應(yīng)用局限性。Saliu等[25]以花青素和賴氨酸混合物為指示劑，進(jìn)行水溶液測試后固定到乙基纖維素膜上形成指示標(biāo)簽，用于監(jiān)測包裝內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)變化，進(jìn)而監(jiān)測食品新鮮度。其原理是賴氨酸呈堿性，會使花青素變?yōu)樗{(lán)色，當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)增加至2.5%時，pH值降低，指示標(biāo)簽會逐漸向紫色轉(zhuǎn)變，該標(biāo)簽適用于產(chǎn)CO2較多的食品新鮮度的監(jiān)測，不適用于禽畜、水產(chǎn)品新鮮度監(jiān)測。Kuswandi等[26]從姜黃中提取姜黃素，以細(xì)菌纖維素為基質(zhì)膜，將二者混合制成標(biāo)簽，固定在包裝容器頂部密封，用于監(jiān)測魚蝦類水產(chǎn)品pH值變化，結(jié)果表明，隨pH值增大，指示標(biāo)簽的顏色從黃色變?yōu)槌壬?，然后變?yōu)槌燃t色，顏色變化呈現(xiàn)出魚蝦類產(chǎn)品從新鮮到次級新鮮最終腐敗變質(zhì)的全過程。Prietto等[27]從黑豆皮和紅甘藍(lán)中提取花青素，以玉米淀粉作為基質(zhì)膜，制成pH值指示標(biāo)簽，比較二者在有光、無光、有無冷卻條件下的靈敏度及相關(guān)性能，結(jié)果表明，從紅甘藍(lán)中提取花青素制備的指示標(biāo)簽穩(wěn)定性較高，但二者在相同pH值范圍內(nèi)都會發(fā)生顏色變化，均可用來監(jiān)測魚蝦類水產(chǎn)品的新鮮度。Ezati等[28]從茜草中提取茜素作為指示劑，分別以淀粉纖維素、纖維素-殼聚糖為基質(zhì)膜制成指示標(biāo)簽，用于監(jiān)測虹鱒魚魚片和牛肉糜的新鮮度，pH 2～11條件下2 種標(biāo)簽顏色均變化明顯。近期，Ezati等[29]以萘醌色素紫草素為指示劑，利用吸附法將其固定在纖維素紙上，制備了一種監(jiān)測室溫下魚肉新鮮度的指示標(biāo)簽，新鮮魚使標(biāo)簽呈現(xiàn)紅粉色（pH 5.7），36 h后變?yōu)樗{(lán)紫色，表明已變質(zhì)（pH 6.9），在弱酸和弱堿之間具有明顯顏色變化。

為改善指示標(biāo)簽的拉伸強度、相容性、抗氧化活性等理化性能，研究人員也在積極尋找性能優(yōu)良的標(biāo)簽原料。Zhang Junjun等[30]從玫瑰茄中提取花青素作為指示劑，以淀粉、聚乙烯醇、殼聚糖為基質(zhì)膜制備了多種指示標(biāo)簽，聚乙烯醇的加入能改善膜的相容性、拉伸強度等性能，通過對各種標(biāo)簽性能的比較發(fā)現(xiàn)，淀粉-聚乙烯醇-玫瑰茄花青素指示標(biāo)簽的性能最優(yōu)，并且隨著pH值的增大，其顏色從紅色變?yōu)榫G色，可以直觀判斷豬肉的新鮮度。Ma Qianyun等[31]將姜黃素固定至塔拉膠和聚乙烯醇薄膜中制備指示標(biāo)簽，通過感應(yīng)pH值變化來評價室溫下蝦的腐敗程度，在一定pH值條件下，1～3 min內(nèi)即可看到標(biāo)簽由鮮紅色變?yōu)樯罹G色。近年來也有研究者將靜電紡絲技術(shù)應(yīng)用在標(biāo)簽的制備中，電紡膜由納米纖維組成，纖維間形成致密的孔隙，在應(yīng)用時可以使揮發(fā)性氣體順利透過。Li Tingting等[32]以聚乳酸、柚皮苷和溴甲酚紫為原料，進(jìn)行同軸靜電紡絲，制備和研究能夠保持和監(jiān)測鮭魚新鮮度的pH值敏感聚乳酸-柚皮苷同軸電紡膜。結(jié)果表明，電紡膜成功抑制了熒光假單胞菌中rhlI、rhlR、aprA和fliA基因的表達(dá)，隨著實驗的進(jìn)行，膜的顏色逐漸發(fā)生變化。

隨著研究的不斷深入，科研人員逐漸發(fā)現(xiàn)花青素、姜黃素這類天然指示劑極易受到外界因素（如水分、溫度、O2、CO2等）的影響，引起本身性能的變化，導(dǎo)致監(jiān)測準(zhǔn)確度降低，因此在使用天然指示劑制備指示標(biāo)簽時需要對指示劑進(jìn)行保護(hù)。鄒小波等[33]研究一種用于三文魚新鮮度監(jiān)測的雙膜層，采用結(jié)冷膠和桑葚花青素作為內(nèi)層膜，殼聚糖-聚乙烯醇形成致密隔氧的外層保護(hù)膜，通過逐層組裝制備用于監(jiān)測食品新鮮度的指示標(biāo)簽。結(jié)果表明，在一定溫度下，隨著貯藏時間延長，魚肉逐漸失鮮，pH值增大，標(biāo)簽顏色由暗紅色變?yōu)榈仙詈笞兂伤{(lán)褐色。Choi等[34]以瓊脂和馬鈴薯粉作為固定和保護(hù)花青素的基質(zhì)膜，制成一種智能pH值指示標(biāo)簽，指示標(biāo)簽從紅色變成綠色時，豬肉從新鮮到失鮮變質(zhì)。Musso等[35]利用明膠作為基材包埋姜黃素，制備可食用性薄膜，用于監(jiān)測食品新鮮度，研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH值由酸性到堿性變化，指示標(biāo)簽由黃色逐漸變?yōu)樯罴t棕色，因此可以用于生鮮肉貯藏過程中產(chǎn)生的TVB-N、生物胺等堿性物質(zhì)檢測，進(jìn)而指示食品的新鮮程度。

Majdinasab等[36]研制了一種由海藻酸鹽珠包覆花青素的pH值指示標(biāo)簽，其工作機理如圖4所示，研究人員對魚類的pH值進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)這種pH值型指示標(biāo)簽監(jiān)測魚類等富含蛋白質(zhì)類的食物具有非常高的靈敏度，因此可以作為一種價格低廉的pH值型指示標(biāo)簽。

2.2 含硫化合物指示標(biāo)簽

含硫化合物由于具有刺激性氣味和低識別閾值，對食品的感官品質(zhì)具有顯著影響[37]。硫化氫（H2S）由半胱氨酸產(chǎn)生并由葡萄糖限制引發(fā)。在氣調(diào)包裝條件下，H2S已被確定為含硫蛋白質(zhì)腐敗過程中釋放的主要揮發(fā)物之一[38-39]，因此，可以通過監(jiān)測H2S含量的變化來監(jiān)測禽肉、魚蝦類等含有含硫蛋白質(zhì)食品的新鮮度。Smolander等[40]將肌紅蛋白作為指示劑，附著在瓊脂糖上，利用肌紅蛋白與H2S反應(yīng)生成綠色硫化肌紅蛋白的原理，制備監(jiān)測禽肉腐敗的指示標(biāo)簽。該標(biāo)簽皆為可食用材料，不存在危害物質(zhì)遷移的風(fēng)險，安全性相對較高，但研究發(fā)現(xiàn)，肌紅蛋白對低含量H2S靈敏度較低，致使顏色變化存在滯后現(xiàn)象，需要通過進(jìn)一步優(yōu)化來改善指示效果。

此外，H2S具有較強的還原性，能夠與部分金屬離子反應(yīng)，產(chǎn)生顯著的顏色變化，這些金屬作為指示劑經(jīng)包裝固定后可用于制備可視化指示標(biāo)簽。Zhai Xiaodong等[41]研究一種基于結(jié)冷膠和銀納米粒子的H2S指示標(biāo)簽，Ag與H2S反應(yīng)生成灰黑色的Ag2S，通過肉眼可見的顏色變化能有效監(jiān)測包裝雞胸肉和鰱魚肉的新鮮程度。

Koskela等[42]以醋酸銅印刷紙為原料，利用商用柔性印制電路板工藝，制成一種用于監(jiān)測氣調(diào)包裝雞肉產(chǎn)生的H2S氣體的標(biāo)簽，實驗結(jié)果顯示，醋酸銅標(biāo)簽對一定量的H2S氣體有良好的敏感性。Kato等[43]利用硫酸亞鐵與H2S反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化的原理，借助殼聚糖制成H2S指示標(biāo)簽，監(jiān)測肉品失鮮過程生成的H2S，當(dāng)H2S含量超過100 mg/kg時，標(biāo)簽變?yōu)楹谏?，表明肉品失鮮甚至腐敗變質(zhì)。

許文才等[44]提出，H2S與硝酸鉛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生顏色變化，可以利用該原理制備可視化指示標(biāo)簽，間接反映食品新鮮度。除標(biāo)簽法外，Song Baoyu等[45]利用蔥根生物模板策略，制備介孔SnO2分層結(jié)構(gòu)，可以在高濕大氣（相對濕度85%）中實現(xiàn)ppb級H2S氣體的精確檢測。

2.3 CO2指示標(biāo)簽

CO2氣體通常作為食品的保護(hù)氣體填充在包裝內(nèi)部，但是在食品存放過程中由于包裝材料的泄露、微生物的生長繁殖會造成CO2體積分?jǐn)?shù)的變化，因此CO2體積分?jǐn)?shù)的變化可以作為微生物生長的標(biāo)志，CO2指示標(biāo)簽也可以作為食品新鮮度評價的手段之一[46]。Jung等[47]以乳清蛋白分離物（whey protein isolate，WPI）水溶液作為指示劑，將CO2溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的WPI水溶液，隨著CO2溶解量的增加，WPI水溶液的透明度發(fā)生變化，可以以此衡量CO2產(chǎn)生量，判斷食品新鮮度。Amao等[48]以α-萘酚酞為指示劑，四辛基氫氧化銨為催化劑制成指示標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽與CO2接觸時，會形成{Q+N·xH2O}離子對，當(dāng)CO2達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)時，標(biāo)簽表面形成質(zhì)子化的{Q+HCO3-·（x-1）H2O·HN}，其反應(yīng)機理如圖5所示，標(biāo)簽顏色因此發(fā)生改變。Meng Xiangpeng等[49]開發(fā)了一種不可逆殼聚糖基CO2傳感器，用于監(jiān)測泡菜品質(zhì)，將殼聚糖溶液和考馬斯亮藍(lán)染料（coomassie brilliant blue，BB）混合，得到BB-殼聚糖基CO2指示標(biāo)簽。該指示標(biāo)簽被用于評價15、25 ℃貯藏條件下泡菜的品質(zhì)變化，結(jié)果表明，標(biāo)簽的透明度與用于指示泡菜品質(zhì)的幾個參數(shù)有很好的關(guān)聯(lián)性。邢月[50]以聚乳酸為指示劑，甲基纖維素為基質(zhì)膜，添加聚乙二醇制成指示標(biāo)簽，較優(yōu)配比的指示標(biāo)簽在CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到32.1%的氣體環(huán)境中顏色變化明顯，該指示標(biāo)簽適用于含糖量較高的食品，如蛋糕、面包、饅頭等。除上述通過檢測CO2體積分?jǐn)?shù)直接監(jiān)測食品新鮮度的方法外，Anusannkari等[51]還設(shè)計了一種由熒光指示標(biāo)簽和光學(xué)電路組成的便攜式無創(chuàng)光學(xué)傳感器，利用有機-無機雜化溶膠基質(zhì)將O2和CO2熒光染料固定，制成指示標(biāo)簽，將標(biāo)簽附著在肉類包裝容器內(nèi)壁上，與光學(xué)電路組件集成，通過測定O2和CO2的雙重參數(shù)來評估各種可食用肉類的新鮮度。此外，Puligundla等[52]研究表明，改性銠金屬在不同氣體壞境下會呈現(xiàn)不同的顏色變化，氣體以特殊方式結(jié)合到化合物的中心金屬離子上，而沒有破壞化合物晶格中每個離子的精確位置，這一發(fā)現(xiàn)為可視化智能包裝的應(yīng)用提供了新思路。

2.4 微生物及其他類型指示標(biāo)簽

除上述以食品代謝產(chǎn)物為指示物的可視化指示標(biāo)簽外，還出現(xiàn)了監(jiān)測微生物、溫度等其他因素的可視化指示標(biāo)簽。Guo Jingxing等[53]利用納米金表面增強拉曼散射效應(yīng)制備了一種專門監(jiān)測細(xì)菌代謝物的傳感器，隨著細(xì)菌的生長繁殖，氣體代謝產(chǎn)物逐漸積累，標(biāo)簽產(chǎn)生明顯的顏色變化。Solveiga發(fā)明了一種智能標(biāo)簽，該標(biāo)簽由明膠組成，它的腐敗速度與肉、乳等食品中的蛋白質(zhì)一致，當(dāng)標(biāo)簽凹凸不平時食品失鮮甚至腐敗變質(zhì)[54]。2016年中國無菌包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上，中國科學(xué)院嚴(yán)純?nèi)A院士公布了世界首款納米“智能標(biāo)簽”[55]，其原理是將金屬銀堆積在金納米顆粒上，研制出首款納米智能標(biāo)簽，用于牛乳運輸與銷售過程中的溫度監(jiān)測，溫度升高，殼層厚度增加，引起納米金形狀、尺寸和化學(xué)組成的變化，導(dǎo)致標(biāo)簽顏色由綠變紅，直觀評價牛乳的新鮮度。Jeevahan等[56]開發(fā)了一種超薄變色薄膜，由疏水性聚苯乙烯的納米層和含有大量光子的親水性聚2-乙烯基吡啶（poly-2-vinylphridine，P2VP）制成，該團(tuán)隊將二者的聚合物結(jié)合到一種組裝的超納米級嵌段共聚物中，當(dāng)環(huán)境中有其他物質(zhì)產(chǎn)生時，會使環(huán)境氣壓發(fā)生改變，球形壓頭會對凝膠造成一定壓力，大量光子發(fā)生移動，產(chǎn)生顏色變化;當(dāng)變色凝膠暴露在溶于溶液的離子中時，親水性P2VP層吸水膨脹，材料根據(jù)離子滲入親水層的能力呈現(xiàn)不同的顏色變化。這種納米材料制成的指示標(biāo)簽在遇到不新鮮食物釋放出的化學(xué)物質(zhì)時會發(fā)生變色，可直接反映食品新鮮度，目前在國外已應(yīng)用于番茄、魚、牛肉等多種食品包裝。

3 可視化智能包裝的發(fā)展現(xiàn)狀

可視化智能包裝可以直觀反映食品的品質(zhì)和狀態(tài)，從而幫助銷售商和消費者做出準(zhǔn)確判斷，提高食品的安全性和食用品質(zhì)。近年來對可視化智能包裝的研究成為行業(yè)研究熱點之一，研究成果較多但轉(zhuǎn)化率低，特別是國內(nèi)市場上應(yīng)用可視化智能包裝的食品很少。這是由于可視化智能包裝實驗室成果在轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品應(yīng)用時，主要會受到以下幾個方面因素的限制而難以實現(xiàn)商業(yè)化及規(guī)?；瘧?yīng)用：1）生產(chǎn)成本。一般來說，食品制造企業(yè)的包裝成本不超過產(chǎn)品成本的10%[56]，而智能包裝的生產(chǎn)需要利用高級材料和比較復(fù)雜的專業(yè)化技術(shù)，會大幅度增加包裝成本，增加企業(yè)負(fù)擔(dān);2）安全隱患。目前為止還沒有研究表明指示標(biāo)簽的絕對安全，對于指示標(biāo)簽是否可直接接觸食品也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以智能包裝在使用時可能會發(fā)生指示劑遷移的現(xiàn)象，對食品造成污染;3）材料性能。當(dāng)實驗研究成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)化生產(chǎn)時，可視化智能包裝材料也可能存在一定缺陷。在實際應(yīng)用中，包裝材料可能僅顯示出有限的活性甚至沒有活性，這是由于實驗用食品材料與企業(yè)產(chǎn)品之間通常存在較大的條件差異，例如包裝食品的數(shù)量、理化參數(shù)（如水分活度、溫度）的波動、起始pH值等[57]。

4 結(jié) 語

可視化智能包裝作為食品包裝領(lǐng)域的新興技術(shù)，能否快速實現(xiàn)商業(yè)化并投入市場，取決于包裝的安全性、穩(wěn)定性和法律框架的建立。可視化智能包裝全程能夠?qū)崟r監(jiān)測食品新鮮程度，對容易發(fā)生品質(zhì)劣變的食品意義重大，但該包裝技術(shù)的普遍應(yīng)用仍需要進(jìn)一步的研究與創(chuàng)新，未來發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：1）為有效檢測食品品質(zhì)劣變的特征性物質(zhì)，可視化智能包裝將采用較多的新型指示劑和成膜基質(zhì)，這些新型物質(zhì)具有較高的安全保障，同時不對食品風(fēng)味產(chǎn)生明顯影響，這還需要大量的實驗驗證，以獲得相關(guān)部門支持;2）不新鮮食品會對人體健康造成一定危害，因此不斷提高可視化智能包裝質(zhì)量安全監(jiān)測的準(zhǔn)確性，降低假陽性或假陰性結(jié)果的檢出率也是研究熱點之一;3）部分新鮮食品，尤其是動物源性食品的銷售價格普遍較高，可視化智能包裝的應(yīng)用會大幅度提高產(chǎn)品價格，尋找價格較低的生產(chǎn)原料，開發(fā)可循環(huán)使用的可視化智能包裝能有效降低成本;此外，部分智能包裝需要借助電子設(shè)備以獲取檢測結(jié)果，依托于成熟的互聯(lián)網(wǎng)市場，開發(fā)移動光學(xué)電子檢測設(shè)備也是降低可視化智能包裝使用成本的發(fā)展方向;4）可視化智能包裝并不局限于監(jiān)測食品的新鮮度，還可以具備延長食品保質(zhì)期的附加功能，因此，可視化智能包裝材料與殺菌、防腐等其他食品保鮮物質(zhì)結(jié)合使用也是未來發(fā)展的趨勢，多種包裝材料優(yōu)勢互補可以為食品品質(zhì)提供更強有力的保障;5）未來可視化智能包裝的應(yīng)用會遍及很多領(lǐng)域，在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、紡織業(yè)等領(lǐng)域也將會有較多應(yīng)用，對于材料的性能還需進(jìn)一步研究。

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