智能指示包裝在食品質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

摘要：食品新鮮度是影響食品品質(zhì)和食用安全的重要因素之一，傳統(tǒng)食品包裝不能實時準(zhǔn)確監(jiān)測食物腐敗情況，容易引發(fā)嚴(yán)重的食品安全問題。智能指示包裝具有不用破壞食品的外包裝，僅通過內(nèi)部指示劑顏色的變化，肉眼判斷食品新鮮程度的功能，能夠達(dá)到主動提供食品質(zhì)量信息的目的。文章重點介紹了智能指示包裝的分類及其在果蔬、乳制品、肉類和水產(chǎn)品類等食品質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用，以期為新型智能指示包裝技術(shù)開發(fā)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：智能指示包裝；食品；質(zhì)量監(jiān)測

中圖分類號：TS206.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240422

Application of intelligent indicator packaging in food quality monitoring

Liu Ping1， Ju Rui1， Li Limei2， Han Xiaofei1， Wang Xinyi1

（ 1. College of Life and Health， Dalian University， Dalian， Liaoning 116622； 2. College of Science， Shenyang Agricultural University， Shenyang， Liaoning 110866 ）

Abstract： Food freshness is one of the important factors affecting food quality and food safety. Traditional food packaging can not accurately monitor food corruption in real time， which is easy to cause serious food safety problems. Intelligent indicator packaging has the function of not destroying the outer packaging of the food， but only judging the freshness of the food by the naked eye through the change of the color of the internal indicator， which can achieve the purpose of actively providing food quality information. This paper focused on the classification of intelligent indicator packaging and its application in food quality monitoring of fruits and vegetables， dairy products， meat and aquatic products， in order to provide reference for the development of new intelligent indicator packaging technology.

Key words： intelligent indicator packaging； food； quality monitoring

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對食品的質(zhì)量和安全越發(fā)關(guān)注。近年來，多次發(fā)生過因為食品儲存方法不恰當(dāng)或者由運輸過程而產(chǎn)生的一系列食品腐敗變質(zhì)的問題。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）報告，糧食在生產(chǎn)、收獲和收獲后處理過程中，約有13億t糧食被破壞或浪費，每年給世界造成2.6萬億美元的損失[1]。產(chǎn)生這樣的損失是因為食品中含有豐富的優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等各種細(xì)菌賴以生存的物質(zhì)，所以在加工、流通和銷售過程中容易發(fā)生腐敗。為了保護(hù)并使食品的視覺感官價值更高，出現(xiàn)了食品包裝。消費者判斷食品新鮮程度主要依賴于透過食品外包裝物觀察以及保質(zhì)期，這種方法忽視了食品在貯藏及運輸過程中產(chǎn)生的食品變質(zhì)問題，準(zhǔn)確性較低。傳統(tǒng)的食品包裝形式無法為生產(chǎn)者，銷售者和消費者提供有效的食品新鮮度信息[2]，不適用于當(dāng)今市場需求和食品流通環(huán)境。智能食品包裝具有不用破壞食品的外包裝，僅通過內(nèi)部指示劑顏色的變化，肉眼判斷食品新鮮程度的功能，從而達(dá)到主動提供食品質(zhì)量信息的目的。本文主要綜述了現(xiàn)有智能指示包裝的種類及其應(yīng)用領(lǐng)域，旨在為新型智能指示包裝技術(shù)開發(fā)提供借鑒和參考。

1 智能指示包裝概述

智能包裝利用食品在保存過程中產(chǎn)生的特征氣體與特定試劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)引起包裝內(nèi)指示劑明顯變化的原理，感知、檢測或記錄產(chǎn)品外部或內(nèi)部變化，直觀地向消費者提供食品信息[3]，智能包裝是食品產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的組成部分，一方面可以充當(dāng)食物的保護(hù)殼，能避免食物在運輸過程中受到外界環(huán)境改變所引起的機械損傷或者污染，從而避免這些污染可能對食品質(zhì)量造成的不可估量的影響。另一方面，智能包裝是生產(chǎn)者和消費者之間識別和溝通的工具，能夠為食品提供詳細(xì)的信息，能夠提供食品有效的營養(yǎng)成分、生產(chǎn)日期、最佳食用期限、使用或者儲存條件，使消費者可以在不打開包裝的情況下通過觀察視覺變化來獲得食品的食用狀態(tài)。智能包裝技術(shù)對于消費者選擇安全放心的食品，延長食品的保質(zhì)期有著重要意義。有利于食品的保存和運輸，具有廣闊的市場前景，間接地可以避免食物浪費。近年來，國內(nèi)外的智能包裝技術(shù)越來越先進(jìn)，在已有的食品包裝基礎(chǔ)上添加了更多相關(guān)信息，方便消費者辨識。

2 智能指示包裝的種類

目前已經(jīng)研究出各種指示標(biāo)簽，比如已經(jīng)開發(fā)了基于溫度、新鮮度、二氧化碳和pH值變化的指示標(biāo)簽，用于對食品質(zhì)量的評估。

指示器是一種通過食品包裝向消費者展示關(guān)于食品質(zhì)量、微生物活性和其他相關(guān)信息的裝置[4]，主要基于食品中存在化學(xué)物質(zhì)的濃度差異來反映食物的新鮮度，包括新鮮度指示器、pH指示器、泄露指示器和時間溫度指示器（TTI）[5]等。新鮮度指示器通過敏感原件和食品中產(chǎn)生的特定產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致顯色劑變色，由此來監(jiān)測食品新鮮度，將結(jié)果以直接觀察的信號呈現(xiàn)給消費者[6]。pH指示器是通過包裝中的酸性或堿性氣體與指示劑發(fā)生反應(yīng)而發(fā)生顏色變化[7]。泄露指示器通過包裝中特定的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變指示器顏色，反映出包裝內(nèi)的氣體濃度變化[8]。溫度指示器能夠直觀指示當(dāng)前食品所處的狀態(tài)，溫度指示器分為臨界溫度指示器（CTI）和時間溫度指示器（TTI），前者可以指示食品在儲存過程中是否達(dá)到臨界溫度值，后者可以提供食品供應(yīng)鏈的完整溫度信息。它們的原理是基于溫度變化導(dǎo)致材料出現(xiàn)的物理[9]、化學(xué)[10]、酶促[11]或微生物[12]變化，然后將信息可視化。TTI簡單、經(jīng)濟、易于使用，可用于實時監(jiān)測食品從生產(chǎn)、儲存、銷售到食用階段的溫度數(shù)據(jù)。各類智能指示包裝在食品中的具體應(yīng)用見表1。

3 智能包裝的應(yīng)用

3.1 智能指示包裝在果蔬質(zhì)量檢測上的應(yīng)用

果蔬含水量和含糖量較高，溫度濕度的變化都會導(dǎo)致果蔬的營養(yǎng)成分遭到破壞，使得果蔬的口感、外觀或營養(yǎng)價值降低[19]。智能指示包裝技術(shù)在果蔬保藏應(yīng)用中具有很大潛力，可以跟蹤和評估果蔬的新鮮程度，提示消費者在最佳食用時間內(nèi)食用。

乙烯（C2H4）是大多數(shù)水果成熟時釋放的氣體之一，由于其具有催熟的效果，所以會加快已成熟果蔬的腐敗過程，因此在果蔬生產(chǎn)儲存過程中監(jiān)測C2H4的含量非常重要。Shin等[20]使用C2H4采集劑（高錳酸鉀）開發(fā)了一種獼猴桃成熟度指示標(biāo)簽，隨著C2H4的濃度的增加，指示劑顏色由紫色變?yōu)樽厣?，能反?yīng)C2H4濃度變化。生鮮肉的氣調(diào)保鮮包裝既要保持鮮肉原有紅色，又能防腐保鮮，氣調(diào)包裝的氣體由O2和CO2組成，根據(jù)肉種類不同，氣體組成分各異，CO2的存在能調(diào)節(jié)包裝內(nèi)食品色澤和品質(zhì)的變化。Saliu等[21]制備了一種溴百里酚藍(lán)/四丁基銨離子配對染料，并用它制備了一種對CO2敏感的智能包裝薄膜，使用該膜監(jiān)測泡菜包裝中CO2的變化。實驗證明，在CO2濃度為2.5%環(huán)境下該膜在5 min內(nèi)明顯由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙on等[22]使用天然化合物（漆酶、愈創(chuàng)木酚和半胱氨酸）作為氧氣指示劑，顏色變化的速率與氧氣濃度成正比，能夠根據(jù)氧氣濃度來反映出食物的新鮮度情況（無色轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?。智能包裝的發(fā)展不僅可以提供食品的質(zhì)量信息，還可以更好地延長水果和蔬菜的保鮮時間。

3.2 智能指示包裝在乳制品質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

乳制品是廣譜微生物群的理想培養(yǎng)基，酸化、變質(zhì)是導(dǎo)致乳制品風(fēng)味劣變和漲袋的核心因素，也是乳制品保鮮貯藏技術(shù)所面對的巨大挑戰(zhàn)。為了給消費者提供乳制品的詳細(xì)信息，智能指示包裝在乳制品包裝中應(yīng)用廣泛。

Raji等[23]以紫甘藍(lán)為指示劑，將海泡石礦物納米粘土混合殼聚糖和聚乙烯醇作為成膜基質(zhì)，通過流延法制備了物理性能優(yōu)異的pH敏感薄膜，牛奶變質(zhì)后，伴隨pH值由中性變?yōu)樗嵝?，薄膜也從無色變?yōu)榉奂t色，成功應(yīng)用于牛奶新鮮度的檢測。Ersen Dudu等[24]制備了一款二甲基丙烯酰胺/明膠/玫瑰果基智能水凝膠，作為一種顏色指示器，這款水凝膠在全脂牛奶和奶酪的應(yīng)用實驗中，展示出了肉眼可見的顏色變化，它可以從紅色轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙灾甘救橹破沸迈r度。同時該水凝膠擁有較強的抑菌能力，添加的花青素也讓其擁有抗氧化能力，可能會延長乳制品的保質(zhì)期。Santos等[25]制備了一種以蝶豆花青素復(fù)合海藻酸鈉薄膜，能夠在不同的pH值下改變顏色，具有廣泛的變色范圍。使用該薄膜檢查牛奶的新鮮度時，觀察到產(chǎn)品的pH值（中性到酸性）的變化導(dǎo)致薄膜的藍(lán)色變?yōu)樽仙?，同時應(yīng)用于其他易腐敗產(chǎn)品后也有明顯的變色，指示新鮮度變化，這證明此薄膜可以用作比色新鮮度指示劑。

3.3 智能指示包裝在水產(chǎn)品和肉類質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

肉類和水產(chǎn)品富含蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等營養(yǎng)成分，很容易在微生物的作用下生成生物胺和氨氣，這些氣體會導(dǎo)致水產(chǎn)品品質(zhì)劣化，產(chǎn)生嚴(yán)重的商業(yè)虧損和食品安全問題[26]。用于檢測肉類和水產(chǎn)品新鮮度的傳統(tǒng)方法具有操作復(fù)雜、對食品完整性造成破壞、費時昂貴等缺點。新型智能膜具有低成本、實時、生物可降解和便捷等特點。近年來，基于pH響應(yīng)的智能膜常用于指示肉類和水產(chǎn)品的新鮮度。

Zhao等[27]以藍(lán)莓花青素和矮牽?；ㄇ嗨貫橹甘緞?，殼聚糖、海藻糖和聚乙烯醇為基質(zhì)通過靜電紡絲制備了矮牽?；ㄇ嗨貜?fù)合膜用于指示冷藏條件下豬肉的新鮮度。通過應(yīng)用實驗證明，矮牽?；ㄇ嗨貜?fù)合膜在豬肉新鮮度監(jiān)測方面表現(xiàn)出優(yōu)異的有效性和穩(wěn)定性，隨著豬肉變質(zhì)，顏色明顯從粉紅色變?yōu)樽仙irmoeini等[28]使用從葡萄莖中提取的纖維素作為成膜基材，以紅葡萄花青素為指示劑，制備智能比色氣凝膠（ICA）。ICA在檢測新鮮碎牛肉的腐敗方面顯示出出色的能力，從牛肉的新鮮到腐敗，ICA的顏色從紫色變成了藍(lán)灰色。Sharaby等[29]開發(fā)了蒙脫石/聚乙烯醇-高直鏈淀粉納米復(fù)合物的智能包裝膜，用于檢測雞肉的新鮮度，該智能膜隨著雞肉新鮮度的變化，能從紅色到粉紅色再到淺藍(lán)色，最后變成藍(lán)色。該智能膜除了具有優(yōu)異的變色性能外，還展示出很強的抗氧化、抗菌性能。Bao等[30]通過硫酸軟骨素共沉淀和淀粉基質(zhì)物理包埋，開發(fā)一種具有高響應(yīng)性和敏感性的pH敏感指示膜，能在4 ℃條件下監(jiān)測蝦的新鮮度，并能觀察到從粉紅色變?yōu)闇\灰色最后變?yōu)榛揖G色的過程，通過肉眼就能夠監(jiān)測蝦的新鮮度。

3.4 智能指示包裝在糧食質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

糧食是人們的日常所需品，是維生素、礦物質(zhì)、纖維、粗脂肪、蛋白質(zhì)和必需脂肪酸的重要來源，對人類的健康生活起著重要作用。但是糧食質(zhì)量容易受到生產(chǎn)過程中各種因素的影響，如品種，播種日期、種植實踐、雜草、病害、養(yǎng)分、昆蟲和灌溉管理等因素也會影響其質(zhì)量。因此，對谷物及其制品的質(zhì)量安全性進(jìn)行評價，對保證食品質(zhì)量、真實性和安全性具有重要意義。

Kalantari等[31]通過檸檬酸鹽封端金納米粒子作為傳感元件，構(gòu)建了一種基于銀納米顆粒聚集的三唑類殺菌劑檢測和鑒別的比色傳感器，基于不同種類殺菌劑的顏色變化程度差異，用以判斷糧食中殘留的殺菌劑種類和濃度。該傳感器顯示出良好的實用性，能夠區(qū)分小麥粉和黃瓜樣品的混合物和復(fù)雜介質(zhì)中的三唑。用于監(jiān)測作物復(fù)雜基質(zhì)中的三唑類殺菌劑殘留。伏馬菌素是鐮刀菌產(chǎn)生的一組水溶性次生代謝產(chǎn)物（主要污染玉米、小麥和其他谷物）。Niu等[32]通過伏馬菌素特異性地抑制Ag3PO4納米粒子漆酶活性，制備了一種傳感器，能夠觀察到顏色從紅色變?yōu)榉奂t色的過程，通過手機拍照對比即可得出谷物中伏馬菌素的含量。Khansili等[33]開發(fā)了一種基于二氧化鈰和膨潤土的比色傳感器用于檢測谷物、油籽及豆類中的黃曲霉毒素，當(dāng)傳感器接觸到食品樣品后，在5 s內(nèi)從紅色變成黃色，用以保證食品安全。

4 結(jié) 論

隨著人們生活水平的提高，消費者開始注重食品質(zhì)量問題，新鮮度是評價食品質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)。智能指示包裝不僅可以用于保護(hù)和容納食品，顯著減少食物資源浪費，還是消費者及時了解食品新鮮度和品質(zhì)的信息傳遞工具，有助于保護(hù)消費者飲食健康，規(guī)范生產(chǎn)商和銷售商的責(zé)任意識，也為食品包裝工業(yè)帶來革命性改變。目前關(guān)于智能指示包裝的研究日益深入，智能指示包裝的功能也逐步完善，但其距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有諸多問題亟待解決[34]。① 溫度、濕度等復(fù)雜的環(huán)境因素會干擾指示劑顯色的準(zhǔn)確性。通過引入納米材料與技術(shù)可有效增加指示包裝的pH值敏感性，提升指示包裝的綜合應(yīng)用性。② 目前智能指示包裝系統(tǒng)應(yīng)用方向主要包括肉類、水產(chǎn)品、乳制品等易腐敗食品，對谷物、油籽、豆類等糧食作物的智能指示包裝研究較少，未來可以開發(fā)用于監(jiān)測糧食質(zhì)量參數(shù)的智能指示包裝技術(shù)。③ 智能指示包裝目前主要是在實驗室內(nèi)進(jìn)行小規(guī)模制備，沒有考慮制備成本。如何降低材料和加工操作的成本，提高商業(yè)可行性是亟須解決的問題之一。未來的智能指示包裝材料還應(yīng)該朝著重復(fù)使用、易于回收的方向進(jìn)行開發(fā)，研究綠色環(huán)保的可降解材料，對于維護(hù)環(huán)境友好型社會有著重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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