孫曦月 祝寧寧 張延龍

摘 要：食品的新鮮程度在日常生活中是密切相關的，小到對人體的身體健康，大到對大氣、水環(huán)境都有著嚴重的影響。使用科學先進的方法實時的檢測食品的新鮮程度是十分有必要的。本論文就是就新型納米傳感器與檢測體系芯片的相配合實現(xiàn)對食物的檢測。

關鍵詞：食品新鮮度;監(jiān)測體系

一、緒論

1.1 研究背景

1.1.1食品變質(zhì)對大氣環(huán)境的影響

雞蛋、豬肉等富含蛋白質(zhì)的食物，在微生物和酶的作用下，蛋白質(zhì)分解成硫化物、有機胺、糞臭素和醛類，產(chǎn)生腐臭味。

碳水化合物類食物會分解產(chǎn)生單糖、雙糖、醇、醛、有機酸等，產(chǎn)生酸腐味，污染室內(nèi)外空氣。

含油脂較多的食物腐敗時，會有難聞刺鼻、苦味和麻味，俗稱“哈喇味”，這些氣體會排放到空氣中從而污染大氣。

1.1.2食品變質(zhì)對水環(huán)境的影響

油脂含量較高的食品，在密閉空間容易發(fā)酵升溫，產(chǎn)生大量甲烷氣體，由于油脂極易氧化變質(zhì)，這類食品在水中發(fā)生生化反應，產(chǎn)生一系列有害物質(zhì)，從而污染水體，甚至導致水體富營養(yǎng)化[1]。

若大量未經(jīng)處理的變質(zhì)食物被隨意排放，污水隨地表徑流流入周圍水體，將對水體造成大面積污染。

1.1.3食品變質(zhì)對人體健康的影響

人們?nèi)羰秤米冑|(zhì)的食物，會導致食源性疾病，長期食用，還可能引發(fā)胃癌。另一方面，變質(zhì)食物會引來蚊蠅、老鼠等病毒的傳播媒介[2]。如果變質(zhì)的餐廚垃圾未得到有效處理，被牲畜、家禽食用的話，容易使人和牲畜、家禽之間發(fā)生某些傳染病的交叉?zhèn)鞑ァ?/p>

1.2 國內(nèi)外食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.1 國內(nèi)食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.1.1 感官檢驗

感官檢驗是通過觀察肉的顏色、狀態(tài)、氣味、粘度和彈性來確定肉的新鮮度。這種方法簡單、快捷、方便，其結果接近消費者的判斷標準，但這種方法具有主觀性和片面性，很難得出準確的結論。

1.2.1.2 理化指標檢驗

理化檢驗的指標主要有揮發(fā)性鹽基氮、pH值、硫化氫等。目前揮發(fā)性鹽基氮被列入國家標準，可以有規(guī)律地反映出肉品的新鮮度變化，判斷出不同肉品之間的新鮮度差異，但國家標準檢測方法存在操作復雜、實驗設備多、檢測時間長等諸多問題，很難在現(xiàn)場快速檢測。

1.2.1.3 近紅外光譜技術

近紅外光譜技術廣泛應用于食物中氨基酸、蛋白質(zhì)和脂肪的含量測定。近紅外漫反射光譜可以快速分析肉品的新鮮度，且不會對食品造成損害，但預測精度、穩(wěn)定性和檢測范圍有待進一步提高。

1.2.1.4 仿生技術

仿生技術是利用傳感器陣列的模式識別技術，模擬人的視覺、嗅覺、味覺來檢測食品的品質(zhì)，具有實時性、快速性、準確性和無損性[3]，可以定量、定性地評價食品的顏色、氣味、味道[4]。

1.2.2 國外食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.2.1 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術是利用食品在超聲作用下的衰減系數(shù)、吸收特性、傳播速度、固有頻率和聲阻抗，在線檢測食品成分、脂肪厚度和肌肉厚度的方法[5]。該方法適應性強、檢測靈敏、使用靈活、對人體無害。

1.2.3 國內(nèi)外檢測方法優(yōu)缺點的比較

表1.1 各檢測方法的優(yōu)缺點比較

1.3 ?研究目的與意義

所謂的食品的腐敗變質(zhì)，是指食品在一定的環(huán)境因素影響下，由微生物為主的多種因素作用下所發(fā)生的有害的變化，即造成其原有化學性質(zhì)或物理性質(zhì)和感官性狀發(fā)生變化，降低或失去其營養(yǎng)價值和商品價值的過程。

在我們的日常生活中，在不同的時間、溫度等環(huán)境條件下，食物的新鮮程度不同，當食物腐爛變質(zhì)時，會產(chǎn)生一定量有害物質(zhì)，當食物變質(zhì)到嚴重程度，產(chǎn)生的有害物質(zhì)也會隨之增多，從而對環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響。

當我們食用到腐敗變質(zhì)的時候很容易對胃產(chǎn)生很是不好的效果，腐敗變質(zhì)的食品中常含有細菌分泌毒素和食品腐敗后的產(chǎn)物，會干擾到人體的新陳代謝，影響人體組織的正常功能。腐敗變質(zhì)食品里面的微生物以及產(chǎn)生的有毒物質(zhì)就是危害人體健康的罪魁禍首。腐敗變質(zhì)食品對人體的影響，吃后會發(fā)生食物中毒、腸炎、痢疾，表現(xiàn)為：惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉，嚴重時還會危及到生命。例如：腐敗水果中的展青霉素會使人的神經(jīng)系統(tǒng)麻痹，還是腎衰竭的誘發(fā)因素，促使人早衰。有些霉變后的食品產(chǎn)生的毒素甚至有致癌的作用。

例如：

受潮發(fā)霉以后的花生、大米、玉米、堅果等食品產(chǎn)生的黃曲霉素，可引起發(fā)熱、嘔吐、黃疸、昏迷、痙攣，甚至急性中毒死亡，且黃曲霉素的耐熱性高、具有極強的致癌性，尤其對肝臟的破壞力極強;

變質(zhì)的魚蝦會被一些細菌、酵母菌等產(chǎn)生的酶類將其蛋白質(zhì)進行分解，產(chǎn)生胺類、氨、硫化氫等有毒物質(zhì);

霉變后的甘蔗中產(chǎn)生毒真菌。主要損害中樞神經(jīng)系統(tǒng);

霉變后的自制發(fā)酵產(chǎn)品，如臭豆腐、豆瓣醬等，會致使肉毒梭狀芽孢桿菌產(chǎn)生的肉毒毒素引起中毒。

部分霉變后的水果，人們會習慣性的將壞掉的地方切掉后再進行食用，其實，整個水果都已經(jīng)變質(zhì)了，只是暫時沒有表現(xiàn)出腐爛的現(xiàn)象，食用時會感到口味苦，甚至出現(xiàn)惡心、嘔吐等中毒現(xiàn)象;

如若食用下了此類食物，會嚴重危害到我們?nèi)祟惖纳】怠?/p>

因此，對不同環(huán)境條件下食品的有害物質(zhì)進行科學的監(jiān)測與分析，有利于人們及時了解食物的新鮮程度，避免食物變質(zhì)。同時避免誤食變質(zhì)后的食物而導致身體方面的不適以及疾病。

二、食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系的研究

2.1 監(jiān)測體系應用場景

食品變質(zhì)通常是由微生物的生長和繁殖活動引起的，外界環(huán)境是影響微生物生長活動的主要因素[9]。

第一，溫度是影響微生物生長的因素之一，微生物生長的最適宜溫度范圍為16-30℃，最高溫度為37-40℃，一般情況下，溫度低于10℃時，微生物將無法繼續(xù)生長。第二，含水量較高的環(huán)境更適合微生物的生長。第三，當空氣充足時，食物容易腐敗[10]。

因此，食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系的應用場景設置為25℃和4℃的露天環(huán)境和密閉飯盒。

2.2監(jiān)測體系設計原理

食物變質(zhì)后會產(chǎn)生一些特殊物質(zhì)，如肉類變質(zhì)產(chǎn)生揮發(fā)性鹽基氮，魚蝦類水產(chǎn)品變質(zhì)產(chǎn)生揮發(fā)性鹽基氮和有機胺。食物新鮮度越低，揮發(fā)性鹽基氮、有機胺、硫化物的釋放濃度越高。

監(jiān)測體系將新型納米傳感器矩陣與實時時鐘芯片相結合，形成濃度維度和時間維度共同監(jiān)測的二維監(jiān)測指標體系。不同的傳感器組成傳感器矩陣，可檢測揮發(fā)性鹽基氮、有機胺、硫化物的含量，實時時鐘芯片記錄時間，監(jiān)測體系通過神經(jīng)網(wǎng)絡的指數(shù)公式計算后，通過LED屏顯示指數(shù)數(shù)值反映食物的變質(zhì)狀況。

2.3 監(jiān)測體系工作流程

監(jiān)測體系中的各種氣敏元件具有很高的靈敏性與識別性，當監(jiān)測體系進入工作狀態(tài)時，實時時鐘芯片進行時間監(jiān)測，傳感器快速捕捉食物變質(zhì)后散發(fā)的有害氣體。

一方面，實時時鐘芯片進行時間記錄，當測得的時間達到平均變質(zhì)時間，引起LED信號顯示。另一方面，當氣敏元件捕捉到有害氣體時，氣敏元件的電導發(fā)生改變，再通過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理功能，判斷釋放的氣體含量是否超過食品安全國家標準值，最后通過監(jiān)測體系的指數(shù)公式計算，LED屏顯示指數(shù)數(shù)值反映食物的變質(zhì)狀況。

2.4 監(jiān)測體系應用硬件

監(jiān)測體系由三部分組成，分別為氣敏元件部分、程序控制部分、電源部分，將三部分組合后即為監(jiān)測體系。

2.4.1 新型納米傳感器矩陣

新型納米傳感器矩陣由胺類物質(zhì)傳感器、硫化氫傳感器、揮發(fā)性有機物傳感器組成，納米傳感器體積小、靈敏度高，單個氣敏元件尺寸為5*5*2mm。

2.4.2 監(jiān)測體系芯片

程序控制部分中最主要的是Intel公司生產(chǎn)的Curie芯片，Curie芯片集成了一個 32 位 Quark 微控制器，并提供有 384kb 的閃存和 80kb 的 SRAM 內(nèi)存，具有超低功耗特性，其尺寸為35*25*5mm。

程序控制及反饋區(qū)還有可調(diào)電阻模塊、開關模塊、LED模塊等。由電源、程序控制及反饋區(qū)、傳感器區(qū)組合即為監(jiān)測體系。

2.4.3 新型納米傳感器性能

傳感器陣列由不同氣敏元件組成，這些氣敏元件具有廣譜響應特性、交叉靈敏度較大，相當于初級嗅覺神經(jīng)元。一般來說，氣體傳感器陣列可以由幾個獨立的氣體傳感器組成，它采用集成技術制造，體積小，功耗低，易于信號采集和處理。由于單個氣敏傳感器陣列的特性有質(zhì)的區(qū)別，所以除了每個傳感器和氣敏傳感器陣列的響應外，還可以用單個氣敏傳感器來表示氣敏響應的強度，所有的傳感器響應模式都形成在多維空間中，在一定的環(huán)境條件情況下，氣體傳感器陣列上各個傳感器的響應模式與傳感器所識別的氣體一一對應，因此傳感器能夠識別到特定的氣體[11]。

氣體傳感器陣列的選取利用了傳感器“交叉敏感”的特性，確定了多維空間可以包含更多的系統(tǒng)信息，足夠多的獨立傳感器可以提供足夠的信息來表示氣體環(huán)境[12]。

2.5 監(jiān)測體系指數(shù)的研究

本課題研究的監(jiān)測體系是由時間維度和傳感器維度共同監(jiān)測的雙維度食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系，因此評價指數(shù)體系，是一個二元的分段函數(shù)，自變量是儲藏時間和傳感器響應值，評價指數(shù)體系公式如式（3.1）所示：

監(jiān)測體系內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡經(jīng)過計算后，通過體系指數(shù)的數(shù)值結果對食品安全程度給出反饋。F（α）和F（t）分別是以傳感器響應值和儲存時間為自變量的兩個函數(shù)，且函數(shù)值大于0。

通過實驗研究，將某種食物在25℃或4℃對應的最長保鮮時間設定為限定時間，檢測指標含量超過國家標準值時對應的傳感器響應值設定為限定響應值。

當儲存時間超過限定時間，或傳感器響應值超過限定響應值時，指數(shù)N<60，表示食物變質(zhì);儲存時間和傳感器響應值都均未超過限定值時，指數(shù)60

三、結論

由此可見，對于食物的新鮮度檢測，于環(huán)境亦或是于自身身體健康而言，時很有必要的。與傳統(tǒng)的食物新鮮度檢測相比，本課題有如下創(chuàng)新點：

（1）本課題首次搭建了由新型納米傳感器矩陣、實時時鐘芯片和LED屏結合的食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系。

（2）本課題首次應用胺類物質(zhì)納米傳感器對食物新鮮程度進行檢測。

（3）本課題首次設計了時間維度和傳感器維度共同監(jiān)測的雙維度食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系。

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[12] An irreversible spoilage sensor for protein-based food.. 2020，

作者簡介：

孫曦月，女，1997年11月，黑龍江省哈爾濱市，漢族，本科，環(huán)境工程。

通訊作者：鄭力燕，女，1979年8月，天津人，漢族，博士，副教授，環(huán)境監(jiān)測，南開大學濱海學院。

（天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 201913663013 ）

（南開大學濱海學院 ?天津 ?300270）