蛋白類食品新鮮度的檢測方法

劉興海 李月童 邱詩波 劉玲紅

（1.武漢大學，湖北 武漢 430072；2.湖北淡雅香生物科技有限公司，湖北 武漢 430070）

隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強，消費者越來越重視食品安全問題，尤其是一些容易變質的食物，例如豬肉、海鮮、禽蛋等。食品的新鮮度檢測方法有3 類，分為感官判斷、專業(yè)儀器檢驗和傳感器檢測。目前消費者僅僅依靠視覺嗅覺等感官來判斷食品是否新鮮，但是感官評價具有主觀性和不確定性，容易對食品新鮮度造成誤判。而專業(yè)儀器設備檢測，如色譜、光譜和質譜等技術，成本過高，耗時較長，需要專業(yè)技術人員開展，不能滿足消費者的需求。因而，需要尋求快捷簡便的食品新鮮度檢測方法?？紤]到食物在腐敗變質過程中產(chǎn)生生物胺、揮發(fā)性鹽基總氮（Total Volatile Basic Nitrogen ,TVB-N）、氨氣等揮發(fā)物和微生物代謝產(chǎn)物，它們的濃度和食品新鮮度密切相關，食品新鮮度傳感器通過檢測食品變質揮發(fā)物或微生物新陳代謝產(chǎn)物來實現(xiàn)對食品新鮮度的檢測。因此，傳感檢測技術以其準確、簡便、快捷的優(yōu)點，已成為食品新鮮度檢測的發(fā)展趨勢。

1 蛋白類食品腐敗變質過程分析

1.1 生物胺的產(chǎn)生過程及檢測

生物胺（Biogenic amine, BA）是食品腐敗過程中產(chǎn)生的物質之一，是檢測食品新鮮度的重要指標。生物胺是一類非揮發(fā)性的含氮低分子有機物[1]，包含脂肪胺（腐胺和尸胺）、雜環(huán)胺（組胺和色胺）和芳香胺（酪胺和苯乙胺），如圖1 所示[2]。生物胺廣泛存在于生物體內，尤其是高蛋白質類食品。人體內適量的生物胺對各種生命活動有調節(jié)作用[3]，但過量攝入生物胺會對人體造成嚴重的毒害作用，造成神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)損傷等[4]。

腐敗微生物的大量繁殖使得食品中的蛋白質等營養(yǎng)物質被分解是食品不新鮮甚至腐敗的主要原因，由于生物體內相應的氨基酸進行脫羧反應生成生物胺必須依靠腐敗微生物產(chǎn)生的脫羧酶，因而生物胺含量可以反映食品腐敗變質過程中腐敗微生物的生長情況[6]，故生物胺是檢測蛋白類食品新鮮度的有效手段之一。

1.2 揮發(fā)性鹽基總氮的產(chǎn)生過程及檢測

除了生物胺之外，TVB-N 也是檢測高蛋白質類食物腐敗程度的重要指標。蛋白質類食品在腐敗過程中，蛋白質被分解，生成三甲胺（Trimethylamine, TMA）、二甲胺（Dimethylamine, DMA）和氨（NH3）等揮發(fā)性胺類物質，統(tǒng)稱為TVB-N[7]。實驗證明，微生物降解產(chǎn)生的TVB-N 與微生物生長有著相似的趨勢[8]，因此TVB-N也是檢測食品新鮮度的重要指標。高蛋白食物腐敗產(chǎn)物較為復雜，其檢測方法較多，但在肉類腐敗過程中，TVB-N 的含量是評定肉類新鮮度的客觀指標，是國家現(xiàn)行GB 2707—2016《食品安全國家標準鮮(凍)畜、禽產(chǎn)品》[9]唯一理化指標（表1）。

基于高蛋白食物腐敗指標構建及可視化，如圖2 所示，包括TVB-N 在內，對于生物胺快速、便利、低成本檢測技術的開發(fā)及應用，顯得尤為迫切。

2 食品腐敗監(jiān)測技術

高蛋白類食品是人們日常生活中不可或缺的食品，但是其在貯藏、運輸和銷售過程中非常容易被污染，導致食品的腐敗變質，不僅降低了食品的營養(yǎng)價值，還會危害消費者的身體健康，因而食品新鮮度檢測技術受到了廣泛的關注。傳感檢測技術作為新鮮度檢測技術中的一種，因其快捷、方便、準確且不對食物造成破壞等優(yōu)點脫穎而出，已經(jīng)成為食品新鮮度檢測的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段常見的食品新鮮度傳感檢測技術有以下3 種：比率熒光型傳感技術、生物胺比色型傳感檢測技術以及智能氨氣傳感器技術。

2.1 比率熒光型傳感檢測技術

熒光傳感器是指能夠特異性識別食品腐敗過程中產(chǎn)生的生物胺等物質，并將其濃度轉換成便于探測的熒光信號的新鮮度指示器。熒光傳感器根據(jù)與待檢測物質反應前后熒光的變化情況，可分為3 種類型：熒光增強型（與待測物質反應后熒光增強）、熒光猝滅型（與待測物質反應后熒光減弱甚至猝滅）以及比率型（傳感器發(fā)出雙熒光，與待測物質反應后一種熒光增強另一種減弱）[10]。比率熒光型傳感器不易受物質本身發(fā)光或溶液濃度等外部條件的干擾，常用于定量檢測。

熒光共軛聚合物具有優(yōu)異的靈敏度和低毒性，成為近年來研究和應用廣泛的一類有機熒光傳感材料，但是熒光共軛聚合物具有極差的水溶性和聚集誘導熒光自猝滅的缺點，使得其應用受到限制。兩親性殼聚糖（CS-graft-OA）在水溶液中的濃度高于其臨界濃度時，會自發(fā)組裝形成殼核納米膠束，該膠束來源豐富，安全無毒，并且可以溶解和保護熒光共軛聚合物，具有優(yōu)異的安全性、生物相容性和穩(wěn)定性。利用兩親性殼聚糖膠束包載一種摻雜型的羧基化聚芴共軛聚合物PFTBTCOOH 熒光探針形成生物胺檢測探針，如圖3 所示，脂肪胺可引起該探針發(fā)光，如圖4 所示，該生物胺檢測探針可以用來定量測量水溶液中脂肪胺的含量[12]。

除此之外，金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks,MoFs）具有易于功能化的表面和可調的孔隙率，也是一種在食品新鮮度檢測方面應用廣泛的熒光材料[13]。將甲基紅（Methyl Red,MR）與鑭系金屬有機框架(EuMOFs)結合制成甲基紅@鑭系金屬-有機骨架（MR @ EuMOFs）比率熒光傳感器，將熒光傳感器和一對二邏輯運算相結合，可以檢測食品腐敗過程中多種生物胺的含量[14]。

比率熒光型傳感器操作簡單、響應快速、靈敏度高、選擇性好、可定性定量檢測，因而應用范圍很廣，引起了廣泛關注。

2.2 生物胺比色型傳感檢測技術

生物胺比色傳感主要是使用pH 敏感染料與固體基質結合制成指示器，然后與生物胺進行檢測顯色，通過對生物胺含量與顯色卡色澤對應，判別食物腐敗的程度。生物胺比色型傳感技術被廣泛研究及應用，以化學合成染料和天然染料作為pH 敏感染料的傳感器已有較多的研究應用成果。pH 敏感染料可分為天然染料（如花青素、姜黃素）和化學合成染料（如溴百里酚藍、甲基紅）。固體基質可選用傳統(tǒng)材料如紙張或塑料薄膜，也可選用生物可降解材料如淀粉、蛋白質或多糖等。生物胺比色型傳感技術是應用比較廣泛的新鮮度傳感技術。

表1 國家肉類食品安全檢測判定標準

圖1 高蛋白類食品變質和生物胺產(chǎn)生示意圖[5]

圖2 高蛋白類食品新鮮度的檢測指標及可視化示意圖

圖3 兩親性殼聚糖生成過程（a）和生物胺檢測探針生成過程（b）[11]

圖4 脂肪胺引起生物胺檢測探針發(fā)光的過程[11]

圖5 PANI 新鮮度指示劑用于羅非魚新鮮度的檢測[16]

以化學合成染料為pH 敏感染料的傳感器例如溴甲酚綠溶膠凝膠傳感標簽，可用來檢測魚類食品新鮮度。溴甲酚綠（Bromocresol green, BCG）是一種高度敏感的pH 指標，屬于磺胺鄰苯二甲胺染料組，pH 的輕微增加可以立即觸發(fā)BCG 的可見顏色變化。使用濾紙作為新鮮度指示劑的固體基板，將BCG 加入特定溶液制備BCG 溶膠凝膠溶液并涂覆在濾紙上制備BCG 溶膠凝膠傳感標簽，溶膠-凝膠層提高了傳感標簽的抗潮性能，有助于防止?jié)駳飧蓴_傳感標簽的準確性。該BCG 溶膠凝膠傳感標簽能準確判別魚類的新鮮度[15]。作者所在研究小組，通過聚苯胺（polyaniline,PANI）導電高分子質子化和去質子化過程，PANI 的顏色變化，實現(xiàn)對魚肉新鮮度的有效檢測，如圖5 所示。

除此之外，還有以天然染料為pH 敏感染料的傳感器，天然pH 染料指示劑因其含量豐富、來源廣、成本低、提取方法簡單、變色效果明顯[17]等優(yōu)點而受到廣泛應用。例如基于從美麗藍薊花中提取的花青素并融入細菌纖維素薄膜制成的比色傳感器，可以用于監(jiān)測包裝蝦的新鮮度[18]；將葡萄花色苷通過原位方法嵌入細菌納米纖維素中制成的比色傳感器[19]；以紫草素作為pH 值指示著色劑，以纖維素濾紙作為固體基質的比色傳感器[20]；以茜素染料為pH 值指示著色劑，以玉米醇溶蛋白靜電紡絲納米纖維為固體基質的基于蛋白質的比色傳感器[21]；以玫瑰花色苷為pH 值指示著色劑，以聚乙烯醇/秋葵粘多糖為固體基質的比色傳感器[22]；以紅苷藍花色苷為pH 值指示著色劑，以聚乙烯醇/羧甲基纖維素鈉為固體基質的比色傳感器[23]等。

生物胺比色傳感具有實時、無損、可視化和低成本的優(yōu)點，易于消費者識別食品新鮮度，因而在食品包裝和新鮮度檢測領域有著廣泛的應用。

2.3 智能氨氣傳感器技術

傳感器通過發(fā)射信號，根據(jù)設備的響應來檢測、量化物質和能量，它被認為是未來智能食品包裝行業(yè)中最有前途和創(chuàng)新性的技術[24]。氨氣傳感器可以用來檢測食品包裝中氨氣的濃度。在食物腐敗過程中，產(chǎn)生的氨氣的變化與食物體內TVB-N 變化有著極強的線性相關性，因而氨氣和TVB-N 一樣可以作為檢查食品新鮮度的指標。傳統(tǒng)氨氣傳感技術與新技術如RFID 技術等結合，可制成智能氨氣傳感器，用于食品包裝以檢測食品新鮮度。

在眾多類型的氨氣傳感器中，半導體型傳感器因其制作簡單、操作快捷方便、靈敏度較高等優(yōu)點而成為目前應用最廣泛的一類氨氣傳感器。半導體性傳感器又可分為電阻式和非電阻式傳感器，非電阻型傳感器是通過測試材料本身的物理特性來反映氨氣的濃度[25]，電阻型傳感器是根據(jù)氨氣敏感材料接觸氨氣之后電阻發(fā)生變化來反映氨氣的濃度。半導體型氨氣傳感器常用金屬氧化物、碳納米材料以及導電聚合物等作為氨氣敏感材料[26]，其中導 電 聚 合 物， 例 如 聚 吡 咯（Polypyrrole, PPy）， 聚 乙 炔（Polyacetylene, PA），聚苯胺，聚噻吩（Polythiophene, PTs），由于其強大的電荷轉移和共軛能力而成為一類重要的電子傳感材料。

圖6 PANI / Zn-tpps 4 柔性設備的肉類新鮮度傳感器的原理圖[27]

PANI 具有獨特的質子化機制，良好的化學穩(wěn)定性，優(yōu)異的電導率，易于合成和低毒性的優(yōu)點，可用來制作氨氣傳感器，但純PANI 對NH3靈敏度較低，需要與其他氨敏材料如金屬卟啉復合。武漢大學包裝實驗室通過簡單的一步電沉積方法成功地制備了基于PANI / Zn-tpps4 的新型NH3傳感器，PANI / Zn-tpps4 傳感器具有出色的氣敏特性，包括高響應、實時檢測、良好的循環(huán)耐久性、低檢測限等，且在高溫下仍有良好的傳感性能[27]。由電源、天線、NFC 芯片和PANI/Zn-tpps4 薄膜組成的智能氨氣傳感器，可以貼在肉類食品包裝上，有NFC 功能的智能手機可接收信號，識別肉變質時發(fā)出警示，如圖6 所示。

氨氣傳感器具有檢測成本低、過程耗時短、操作簡便、可移植性好等優(yōu)點，與新技術結合，使消費者能夠更加快捷準確地得到食品安全信息，能夠很好滿足消費者需求。

3 結語

3 種食品新鮮度傳感檢測技術有各自的特點：比率熒光型傳感檢測技術可實現(xiàn)定性定量檢測；生物胺比色型傳感檢測技術的可視化為消費者提供了便利；智能氨氣傳感器技術更加快速準確，在食品新鮮度檢測方面發(fā)揮著巨大的作用，有著光明的發(fā)展前景。從比率熒光型傳感技術到生物胺比色傳感技術再到智能氨氣傳感技術，食品新鮮度傳感檢測技術一直朝著更便捷、更快速、更準確、更易于識別、更智能的趨勢發(fā)展，以便適應各種各樣的食品包裝，使消費者易于判斷食品新鮮度，確保食物品質，保障消費者的生命健康。