孫 梅, 付 妍

隨著生活觀念的轉(zhuǎn)變,人們的健康意識不斷增強,對綠色健康食品的追求不斷提高,對食品衛(wèi)生的要求越來越高.豬肉是我國人民主要的肉食來源,是人類膳食結(jié)構(gòu)的重要組成部分,但也是最易腐敗的食品之一.隨著“瘦肉精”以及過量食品添加劑的使用,食品安全問題的重要性已經(jīng)上升到一個前所未有的高度.因此,努力做好肉類新鮮度的檢測,對于保障人民食肉安全、維護消費者的權(quán)益、更好地實施“放心肉”工程,有著重要的現(xiàn)實意義.

近年來,國內(nèi)外專家對肉類新鮮度無損檢測進行了大量的探索和嘗試,取得了很多成果.目前豬肉新鮮度無損檢測有各種方法,包括近紅外光譜技術(shù)[1-3]、超聲波檢測技術(shù)[4-5]、人工嗅覺和人工味覺檢測技術(shù)[6-7]、光學(xué)技術(shù)和計算機視覺檢測技術(shù)[8-10]、多傳感器信息融合檢測技術(shù)等.嗅覺可視化技術(shù)是2000年由美國伊利諾伊大學(xué)厄本那一香檳分校的Suslick K S教授提出的[11],他是利用可視化傳感氣敏材料與待檢測氣體反應(yīng)前后的顏色變化對揮發(fā)氣體(VOCs)進行定性定量分析的.嗅覺可視化傳感器中使用的可視化傳感氣敏材料具有分子識別性功能,所以嗅覺可視化方法可以區(qū)分相似化學(xué)物質(zhì),甚至是化學(xué)性質(zhì)極其相似的同分異構(gòu)體.目前,江蘇大學(xué)的黃星奕小組也在進行有關(guān)可視化傳感器的相關(guān)研究,主要對多種化學(xué)純組分氣體進行識別研究.但進行國際查新表明,國際上還沒有見到氣味可視化裝置在肉類新鮮度方面的公開報道.

1 嗅覺可視化技術(shù)的檢測指標

肉類由于其高蛋白及較高水分的特性,易于腐敗.圖1是肉類腐敗過程中拍攝的典型圖片,它們直觀地反映了肉類(豬肉)腐敗過程中的變化.當(dāng)豬肉由于各種微生物的污染和作用發(fā)生變質(zhì)或者由于自身酶的分解作用引起酸臭性發(fā)酵時,會產(chǎn)生硫化物和其他揮發(fā)性物質(zhì),如氨氣.因此可根據(jù)豬肉在不同時期產(chǎn)生硫化氫和氨氣釋放的程度,通過氣體傳感器采集硫化氫和氨氣的數(shù)據(jù),可用于豬肉新鮮度的檢測和分析.嗅覺可視化技術(shù)對肉類腐敗過程中產(chǎn)生的氨類物質(zhì)的檢測靈敏度非常高(＜50μg/kg),這一精度遠高于人類的檢測嗅覺閾值(＞100 μg/kg).所以,嗅覺可視化技術(shù)將在飲料、酒類、化妝品、調(diào)味品、農(nóng)產(chǎn)品食品香氣檢測方面有著廣闊的應(yīng)用前景.

2 嗅覺可視化傳感器陣列

圖1 肉類腐敗過程Fig.1 Result of pork corruption

嗅覺可視化技術(shù)是一種全新的電子鼻理念,是根據(jù)可視化傳感器與待測氣體反應(yīng)前后的顏色變化對氣體進行定性、定量判別.嗅覺可視化技術(shù)的傳感器檢測不僅利用氣體敏感材料和待測氣體之間的范德華力等很弱的相互作用,而且引入了金屬鍵、極性鍵等較強的化學(xué)反應(yīng),所以嗅覺可視化傳感器具有分子識別功能,能夠區(qū)分相似性的物質(zhì),打破了常見傳感器難區(qū)分相似物質(zhì)的瓶頸,為食品氣味的圖像化指紋奠定了基礎(chǔ).

2.1 嗅覺可視化傳感器材料的選擇

傳感氣敏材料很多,但并不都是可用來制作氣味可視化傳感器的,作為可視化傳感氣敏材料必須具備2個條件:1)該化合物必須與大多數(shù)的氣體分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),且這種反應(yīng)產(chǎn)生的分子間作用力要大于一般物理吸附的范德華力;2)該化合物應(yīng)具有顯色基團,與氣體分子反應(yīng)時能呈現(xiàn)顏色的變化.目前滿足這兩個條件的主要有卟啉類化合物和酸堿指示方劑.我們選擇金屬卟啉做為可視化傳感器的氣敏材料.

2.2 金屬卟啉化合物

卟啉(porphyrin)類化合物是在卟吩(porphin)環(huán)上擁有取代基的一類大環(huán)化合物的總稱,自然界中存在的卟啉化合物大都為金屬卟啉.金屬卟啉由大π共軛有機分子(卟啉環(huán))和金屬離子(M)構(gòu)成,是一類含有金屬離子的大環(huán)高分子化合物,分子結(jié)構(gòu)如圖2.金屬離子位于卟啉環(huán)的中心,卟啉和金屬卟啉分子具有剛性結(jié)構(gòu),周邊官能團的位置和方向可以加以控制,且分子有較大表面,其軸向配體周圍的空間大小和相互作用的控制余地較大.位于金屬卟啉中心的金屬離子與四個吡咯環(huán)上的氮原子連接,由于金屬卟啉軸向配體的配位基是敞開的,因此金屬卟啉作為受體有顯著優(yōu)點,可進行分子大小、形狀、官能團和手性異構(gòu)體的識別.

卟啉化合物在自然界和生物體中廣泛存在,如細胞色素、血紅素、葉綠素等都是卟啉化合物,在生命過程中起著重要的作用.它具有以下的幾個重要功能。

圖2 金屬卟啉的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 molecular structure of metalloporphyrin

1)分子識別能力.卟啉化合物的分子識別功能已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)物質(zhì)的分析,例如,對氨基酸、核苷酸、糖烴生物小分子以及苯醌、胺類、咪唑等有機小分子進行分子識別;在色譜分離中,對稠環(huán)芳烴、富勒烴的形狀進行高選擇性分離.圖3為金屬卟啉的立方體結(jié)構(gòu).

圖3 金屬卟啉的立體結(jié)構(gòu)Fig.3 Sereostructrue of metalloporphyrin

2)具有較強的顯色性能.卟啉化合物的顯色能力很強,是非常有發(fā)展前途的一類超高靈敏的顯色劑.卟啉中心不同的金屬離子(M)可以形成不同顏色的金屬卟啉,如含有相同R取代基的鈷卟啉和三價鐵卟啉在二氯甲烷中的顏色分別是深紫色和墨綠色.更重要的是,當(dāng)金屬卟啉作為化學(xué)反應(yīng)的受體時,外來基團進入卟啉環(huán)內(nèi)與中心金屬離子以及其他基團連接時,金屬卟啉會發(fā)生顏色變化.例如,當(dāng)含氮配體與鐵卟啉軸向配位時,鐵離子上的電子云密度會加大,同時卟啉吡咯環(huán)上的電子云密度也會增大,以上變化反應(yīng)在光譜上就是吸收峰發(fā)生紅移.相同量的不同外來基團或不同量的同一基團會產(chǎn)生不同的顏色變化,從而可以根據(jù)金屬卟啉反應(yīng)前后的顏色變化程度對揮發(fā)氣體(VOCs)進行定性或定量分析.

3)具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,金屬卟啉化合物大多數(shù)不溶于水,是一類疏水性物質(zhì),可以避免環(huán)境中濕度變化給傳感器帶來的影響.

2.3 嗅覺可視化傳感器陣列的研制

確定好嗅覺可視化傳感器材料后,怎樣將這些材料制成傳感器,這既有制作技術(shù)問題,也有工藝問題.嗅覺可視化傳感器材料的獲取和制作是傳感器的核心技術(shù).結(jié)合相類似的傳感器制作工藝,目前嗅覺可視化傳感器主要采用薄膜傳感器制作工藝.該工藝主要是將敏感材料沉積在介質(zhì)襯底(基板)上,形成相應(yīng)敏感材料的薄膜.因些,基板材料的選取會對傳感器的性能產(chǎn)生影響,目前用于嗅覺可視化傳感器制作的基板主要是反相硅膠平板、聚四氟乙烯等疏水性材料.一種化學(xué)顯色劑可以制成一個可視化氣體傳感器,不同顯色劑制成的傳感器其敏感特性不同,將多個不同顯色劑制成的傳感器排列在一起就形成可視化傳感器陣列,這些傳感器的排列組合提高了檢測精度,也極大地拓展了嗅覺可視化的應(yīng)用范圍.因此,嗅覺可視化傳感器一般以陣列的形式出現(xiàn).

嗅覺可視化傳感器陣列制作方法可分以下三個步驟.

1)氣體色敏材料的選擇.選用對氣體有顏色變化的疏水性卟啉化合物作為氣體色敏材料.

2)基地和溶劑的選擇.將可視化氣敏材料以一定的濃度溶解在有機溶劑中,并選用合適的基底平板用來固定色敏材料.

3)點樣制板.通過微量取樣裝置取一定量的氣敏溶液固定到基底平板上,干燥后,再進行下一個氣敏材料的固定.圖4為可視化傳感器陣列反應(yīng)的特征圖像.

2.4 嗅覺可視化傳感器陣列的檢測原理

圖4 嗅覺可視化傳感器陣列Fig.4 Colorimetric sensor array

利用可視化傳感器陣列檢測氣味物質(zhì)時,待檢測氣體以惰性氣體(氮氣)為載氣進入反應(yīng)室,與可視化傳感器陣列反應(yīng),傳感器陣列上的化學(xué)顯色劑就會發(fā)生顏色變化,利用圖像獲取裝置,得到氣體和傳感器陣列反應(yīng)前以及反應(yīng)達到平衡時的傳感器陣列圖像,經(jīng)過圖像處理,提取顯色劑反應(yīng)前后顏色變化的絕對值(ΔR、ΔG、ΔB). ΔR=|Ra-Rb|,ΔG=|Ga-Gb|,ΔB=|Ba-Bb|,式中,R、G、B 紅綠藍三原色,ΔR、ΔG、ΔB三原色分量相減的絕對值.下標b(before)為可視化傳感器陣列與待測氣體反應(yīng)前的圖像,下標a(after)為可視化傳感器陣列與待測氣體反應(yīng)后的圖像.

2.5 檢測裝置的總體設(shè)計思路

這一部分主要是對樣品的檢測與分析裝置做一個簡要的介紹,進一步的實驗完善還在進行中.由于主要是對氣味(氨氣和硫化氫)進行檢測和分析,首先將待測氣體置于氣體收集室中密閉,選擇惰性氣體為載氣,混合氣體的流速和溫度分別用氣閥和恒溫系統(tǒng)來控制,氣體與氣味傳感器發(fā)生作用時顏色的前后變化用掃描儀來記錄.實驗中采用電磁閥來控制氣路中氣體的流向,實現(xiàn)了氣路控制自動化.不同的應(yīng)用場合對于電子鼻進行系統(tǒng)的要求不同,要根據(jù)實際的需要進行系統(tǒng)加以改造.嗅覺可視化最終是通過傳感器反應(yīng)前后顏色變化來實現(xiàn)的,能否獲得高精度的傳感器的顏色變化是影響整個系統(tǒng)精度的因素之一.又由于在狹小的空間中很難布置光源,因此高精度的掃描儀是現(xiàn)在研究中常用的圖像獲取裝置.掃描儀的分辨率、CCD傳感器和光源等參數(shù)對實驗結(jié)果產(chǎn)生重要的影響.

3 結(jié)束語

本文介紹了嗅覺可視化技術(shù)在豬肉新鮮度檢測方面的應(yīng)用,重點介紹了氣敏材料和選擇與可視化陣列的制作過程.嗅覺可視化技術(shù)將為肉類生產(chǎn)企業(yè)和肉類加工企業(yè)提供一種只需單一裝置就可快速有效地對豬肉新鮮度進行檢測的手段,并且該設(shè)備的檢測原理也可以推廣到有毒氣體檢測、蔬菜水果、奶制品等食用消費品等新鮮度檢測、以及農(nóng)藥殘留檢測等相關(guān)領(lǐng)域,對提高大眾生活質(zhì)量和保障民族身體健康具有非常意義.

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