劉興海 李月童 邱詩波 劉玲紅

（1.武漢大學(xué)，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(qiáng)，消費(fèi)者越來越重視食品安全問題，尤其是一些容易變質(zhì)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(fèi)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(shè)備檢測，如色譜、光譜和質(zhì)譜等技術(shù)，成本過高，耗時較長，需要專業(yè)技術(shù)人員開展，不能滿足消費(fèi)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(zhì)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(guān)，食品新鮮度傳感器通過檢測食品變質(zhì)揮發(fā)物或微生物新陳代謝產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)對食品新鮮度的檢測。因此，傳感檢測技術(shù)以其準(zhǔn)確、簡便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)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(zhì)之一，是檢測食品新鮮度的重要指標(biāo)。生物胺是一類非揮發(fā)性的含氮低分子有機(jī)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(nèi)，尤其是高蛋白質(zhì)類食品。人體內(nèi)適量的生物胺對各種生命活動有調(diào)節(jié)作用[3]，但過量攝入生物胺會對人體造成嚴(yán)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(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)被分解是食品不新鮮甚至腐敗的主要原因，由于生物體內(nèi)相應(yīng)的氨基酸進(jìn)行脫羧反應(yīng)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(zhì)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(zhì)類食物腐敗程度的重要指標(biāo)。蛋白質(zhì)類食品在腐敗過程中，蛋白質(zhì)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(zhì)，統(tǒng)稱為TVB-N[7]。實(shí)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(biāo)。高蛋白食物腐敗產(chǎn)物較為復(fù)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(biāo)，是國家現(xiàn)行GB 2707—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)鮮(凍)畜、禽產(chǎn)品》[9]唯一理化指標(biāo)（表1）。

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

2 食品腐敗監(jiān)測技術(shù)

高蛋白類食品是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡氖称罚瞧湓谫A藏、運(yùn)輸和銷售過程中非常容易被污染，導(dǎo)致食品的腐敗變質(zhì)，不僅降低了食品的營養(yǎng)價值，還會危害消費(fèi)者的身體健康，因而食品新鮮度檢測技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。傳感檢測技術(shù)作為新鮮度檢測技術(shù)中的一種，因其快捷、方便、準(zhǔn)確且不對食物造成破壞等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，已經(jīng)成為食品新鮮度檢測的發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段常見的食品新鮮度傳感檢測技術(shù)有以下3 種：比率熒光型傳感技術(shù)、生物胺比色型傳感檢測技術(shù)以及智能氨氣傳感器技術(shù)。

2.1 比率熒光型傳感檢測技術(shù)

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(zhì)，并將其濃度轉(zhuǎn)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(zhì)反應(yīng)前后熒光的變化情況，可分為3 種類型：熒光增強(qiáng)型（與待測物質(zhì)反應(yīng)后熒光增強(qiáng)）、熒光猝滅型（與待測物質(zhì)反應(yīng)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(zhì)反應(yīng)后一種熒光增強(qiáng)另一種減弱）[10]。比率熒光型傳感器不易受物質(zhì)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(yīng)用廣泛的一類有機(jī)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(dǎo)熒光自猝滅的缺點(diǎn)，使得其應(yīng)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(hù)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(jī)框架（Metal-Organic Frameworks,MoFs）具有易于功能化的表面和可調(diào)的孔隙率，也是一種在食品新鮮度檢測方面應(yīng)用廣泛的熒光材料[13]。將甲基紅（Methyl Red,MR）與鑭系金屬有機(jī)框架(EuMOFs)結(jié)合制成甲基紅@鑭系金屬-有機(jī)骨架（MR @ EuMOFs）比率熒光傳感器，將熒光傳感器和一對二邏輯運(yùn)算相結(jié)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(yīng)快速、靈敏度高、選擇性好、可定性定量檢測，因而應(yīng)用范圍很廣，引起了廣泛關(guān)注。

2.2 生物胺比色型傳感檢測技術(shù)

生物胺比色傳感主要是使用pH 敏感染料與固體基質(zhì)結(jié)合制成指示器，然后與生物胺進(jìn)行檢測顯色，通過對生物胺含量與顯色卡色澤對應(yīng)，判別食物腐敗的程度。生物胺比色型傳感技術(shù)被廣泛研究及應(yīng)用，以化學(xué)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(yīng)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(xué)合成染料（如溴百里酚藍(lán)、甲基紅）。固體基質(zhì)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(zhì)或多糖等。生物胺比色型傳感技術(shù)是應(yīng)用比較廣泛的新鮮度傳感技術(shù)。

表1 國家肉類食品安全檢測判定標(biāo)準(zhǔn)

圖1 高蛋白類食品變質(zhì)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(biāo)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(xué)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(biāo)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(biāo)，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(biāo)簽，溶膠-凝膠層提高了傳感標(biāo)簽的抗潮性能，有助于防止?jié)駳飧蓴_傳感標(biāo)簽的準(zhǔn)確性。該BCG 溶膠凝膠傳感標(biāo)簽?zāi)軠?zhǔn)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(dǎo)電高分子質(zhì)子化和去質(zhì)子化過程，PANI 的顏色變化，實(shí)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(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用。例如基于從美麗藍(lán)薊花中提取的花青素并融入細(xì)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(xì)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(zhì)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(zhì)的基于蛋白質(zhì)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(zhì)的比色傳感器[22]；以紅苷藍(lán)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(zhì)的比色傳感器[23]等。

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

2.3 智能氨氣傳感器技術(shù)

傳感器通過發(fā)射信號，根據(jù)設(shè)備的響應(yīng)來檢測、量化物質(zhì)和能量，它被認(rèn)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(shù)[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(nèi)TVB-N 變化有著極強(qiáng)的線性相關(guān)性，因而氨氣和TVB-N 一樣可以作為檢查食品新鮮度的指標(biāo)。傳統(tǒng)氨氣傳感技術(shù)與新技術(shù)如RFID 技術(shù)等結(jié)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(dǎo)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(diǎn)而成為目前應(yīng)用最廣泛的一類氨氣傳感器。半導(dǎo)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(dǎo)體型氨氣傳感器常用金屬氧化物、碳納米材料以及導(dǎo)電聚合物等作為氨氣敏感材料[26]，其中導(dǎo) 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(qiáng)大的電荷轉(zhuǎn)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(shè)備的肉類新鮮度傳感器的原理圖[27]

PANI 具有獨(dú)特的質(zhì)子化機(jī)制，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的電導(dǎo)率，易于合成和低毒性的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)合。武漢大學(xué)包裝實(shí)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(yīng)、實(shí)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(jī)可接收信號，識別肉變質(zhì)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(diǎn)，與新技術(shù)結(jié)合，使消費(fèi)者能夠更加快捷準(zhǔn)確地得到食品安全信息，能夠很好滿足消費(fèi)者需求。

3 結(jié)語

3 種食品新鮮度傳感檢測技術(shù)有各自的特點(diǎn)：比率熒光型傳感檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)定性定量檢測；生物胺比色型傳感檢測技術(shù)的可視化為消費(fèi)者提供了便利；智能氨氣傳感器技術(shù)更加快速準(zhǔn)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(shù)到生物胺比色傳感技術(shù)再到智能氨氣傳感技術(shù)，食品新鮮度傳感檢測技術(shù)一直朝著更便捷、更快速、更準(zhǔn)確、更易于識別、更智能的趨勢發(fā)展，以便適應(yīng)各種各樣的食品包裝，使消費(fèi)者易于判斷食品新鮮度，確保食物品質(zhì)，保障消費(fèi)者的生命健康。