衣然，馬浩洋，金露達(dá)，劉啟嘉，王洪江，李娟，張東杰,2

微生物型時(shí)間?溫度指示器（TTI）研究進(jìn)展

衣然1，馬浩洋1，金露達(dá)1，劉啟嘉1，王洪江1，李娟1，張東杰1,2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319）

介紹微生物型時(shí)間–溫度指示器（Time Temperature Indicator，TTI）在食品智能包裝中的研究進(jìn)展，為TTI在食品品質(zhì)監(jiān)測上的應(yīng)用提供一定的參考和理論依據(jù)。概述微生物型TTI在食品智能包裝中的研究進(jìn)展，微生物TTI的組成，包括TTI微生物、培養(yǎng)基和pH指示劑；總結(jié)微生物TTI基于總色差（Δ）和可滴定酸度（TA）的響應(yīng)機(jī)制，以及微生物TTI模型的建立，并分析其應(yīng)用和發(fā)展趨勢。大量的文獻(xiàn)證明微生物TTI是可用于監(jiān)測食品貯藏運(yùn)輸過程中溫度歷史的有效工具，有廣闊的發(fā)展前景。

微生物TTI；時(shí)間–溫度指示器；品質(zhì)監(jiān)測；響應(yīng)機(jī)制

近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)逐漸普遍，遠(yuǎn)距離的食品運(yùn)輸也帶來了很多新的問題，消費(fèi)者對(duì)更方便、新鮮和健康的生鮮類食品的需求顯著增加，這對(duì)食品品質(zhì)提出了新的更高的需求，促使智能包裝的研究不斷發(fā)展進(jìn)步[1]。

貨架壽命是食品出廠后，經(jīng)過流通各環(huán)節(jié)，所能保持質(zhì)量完好的時(shí)間，也是包裝的主要質(zhì)量指標(biāo)。生鮮產(chǎn)品的主要問題之一是潛在的微生物腐敗，同時(shí)，運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過程中的環(huán)境條件變化等也會(huì)對(duì)其新鮮度產(chǎn)生影響[2]。傳統(tǒng)的食用有效期標(biāo)注方法是通過假定產(chǎn)品在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)的整個(gè)壽命來確定的，并不能向消費(fèi)者展現(xiàn)產(chǎn)品在運(yùn)輸途中，由于內(nèi)部或外部環(huán)境的變化會(huì)對(duì)貨架壽命產(chǎn)生的影響[3]，因此，實(shí)時(shí)地監(jiān)測生鮮產(chǎn)品的新鮮度變得十分重要。

許多國家已經(jīng)有相應(yīng)的規(guī)定，要求食品包裝上有對(duì)應(yīng)的可以表明其貨架壽命終點(diǎn)的標(biāo)志。同時(shí)采用食用有效日期和指示性標(biāo)志2種方式來告知消費(fèi)者食品新鮮度是否在可食用的范圍內(nèi)，可以更方便地評(píng)估生鮮產(chǎn)品的品質(zhì)劣變，并確保其在貯藏、運(yùn)輸和零售過程中的安全性。智能包裝作為一種指示性標(biāo)志，可以與消費(fèi)者進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)地反饋產(chǎn)品質(zhì)量，并通過感知包裝內(nèi)部或外部的環(huán)境向消費(fèi)者提供品質(zhì)信息和預(yù)警，來實(shí)現(xiàn)上述目的[4]。

智能包裝主要包括指示器[5]、傳感器[6]、數(shù)據(jù)載體等多個(gè)種類，其中指示器類智能包裝的研究和應(yīng)用最為廣泛[7]。時(shí)間–溫度指示器（TTI）可以對(duì)貨架期中食品的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過記錄時(shí)間溫度變化過程指示食品剩余貨架信息[8]。

目前，用于監(jiān)測包裝水果[9-10]、肉[11-14]、鮮牛奶[15]和酸奶[16-17]等新鮮度的TTI越來越多，其中微生物型TTI是非常有前景的智能包裝。文中將對(duì)微生物型TTI進(jìn)行綜述，闡述其基本概念、組成及反應(yīng)原理，分析前人研究的TTI機(jī)理，為微生物型TTI在生鮮食品品質(zhì)監(jiān)測中的研究和應(yīng)用提供參考。

1 基本概念

1.1 智能包裝

Azeredo等[18]認(rèn)為智能食品包裝通常旨在監(jiān)控食品或其周圍環(huán)境的狀態(tài)，以及它們之間的相互作用，通過指示器、傳感器等向消費(fèi)者傳遞信號(hào)來提供有關(guān)食品質(zhì)量安全的信息。

智能包裝通常被分為指示器、數(shù)據(jù)載體和傳感器三大類[19]。智能包裝的種類繁多，其中用于食品的指示器類智能包裝主要有時(shí)間–溫度指示器、新鮮度指示器及氣體指示器[6]。大部分食品的腐敗都與溫度有關(guān)，因此溫度被認(rèn)為是影響食品質(zhì)量安全和保質(zhì)期的關(guān)鍵因素之一。TTI能通過監(jiān)測和記錄食品的溫度累積效應(yīng)來指示食品質(zhì)量變化和剩余貨架期信息，是非常有前景的智能包裝，近年來的研究也顯示出了TTI在食品實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控方面的潛力。

1.2 時(shí)間–溫度指示器

時(shí)間–溫度指示器（TTI）是附著在食品包裝或標(biāo)簽上用來監(jiān)測和記錄產(chǎn)品的時(shí)間–溫度歷史來反饋食品質(zhì)量和安全性的簡單設(shè)備[20]。

TTI通常通過時(shí)間和溫度產(chǎn)生不可逆的顏色變化，向消費(fèi)者和制造商展示食品的品質(zhì)信息，避免在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中因?yàn)檫^高的溫度和過長的時(shí)間導(dǎo)致食品提前達(dá)到適銷限度[21]。具有性價(jià)比高、變化不可逆、使用簡單等特點(diǎn)。根據(jù)不同反應(yīng)機(jī)理，TTI可分為生物型[22]、物理化學(xué)型[23]、酶型[24]、擴(kuò)散型[25-26]、聚合物型、固相反應(yīng)和光敏體系。

1.3 微生物型時(shí)間–溫度指示器

微生物型TTI的工作機(jī)理是通過微生物的生長代謝影響TTI培養(yǎng)基中的酸堿度，隨后培養(yǎng)基的pH值會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致酸堿指示劑顏色發(fā)生相應(yīng)變化[8]。根據(jù)Gao等[27]的研究，微生物TTI被定義為一種不可逆的指示劑，它依賴于TTI微生物的生長和代謝活性對(duì)TTI底物介質(zhì)的酸化，并在pH指示劑中誘導(dǎo)一種漸進(jìn)和定量的顏色變化。微生物型TTI與其他TTI相比具有很多優(yōu)勢[20]，其反應(yīng)與食品微生物腐敗直接相關(guān)，因?yàn)樗从沉宋⑸镌赥TI中的生長和代謝。

2 微生物TTI的組成、響應(yīng)機(jī)制

2.1 微生物TTI的組成

微生物TTI主要由TTI微生物、底物培養(yǎng)基和pH指示劑組成。表1列出了文獻(xiàn)中不同的微生物TTI所用微生物及其培養(yǎng)基和pH指示劑，并列出了相應(yīng)的顏色變化和對(duì)應(yīng)的pH值或可滴定酸度（TA）的變化范圍。

2.1.1 TTI微生物

TTI微生物是TTI中的核心部分，影響著TTI底物培養(yǎng)基和pH指示劑的選擇，因此使用合適的TTI微生物對(duì)微生物TTI非常重要。

微生物腐敗是迄今為止最常見的腐敗原因，通常表現(xiàn)為可見生長（如菌泥、真菌菌絲）、質(zhì)構(gòu)變化（聚合物降解、凝固）或微生物代謝活動(dòng)[34]。大多數(shù)食品的品質(zhì)劣變都是由特定腐敗菌（Specific Spoilage Organism，SSO）的生長代謝活動(dòng)引起的。當(dāng)易腐食品達(dá)到感官排斥時(shí)，SSO達(dá)到一定的種群水平，稱為“腐敗水平”[35]，因此，食品的SSOs可以作為TTI微生物。

微生物TTI的微生物應(yīng)是產(chǎn)酸且不產(chǎn)氣、無毒無害的，最好是可食用的，所以在微生物TTI的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用中，通常用乳酸菌（LAB）菌株作為TTI微生物。主要是因?yàn)長AB對(duì)溫度變化的敏感性和生長速度與許多易腐食品中的SSO接近；并且LAB菌株幾乎都是益生菌，比較安全、衛(wèi)生，對(duì)人體黏膜表面的健康微生物也是有益的，通常被認(rèn)為是安全的（Generally Recognized as Safe，GRAS）[20]。

根據(jù)微生物能夠降低生長底物pH值，并準(zhǔn)確地反映食品品質(zhì)劣變和剩余貨架期的特點(diǎn)，篩選出可用的特異性乳酸菌菌株。表1中列出的幾種微生物TTI所使用的微生物，說明微生物TTI可使用的微生物有Weissella koreensis、Weissella cibaria CIFP 009、清酒乳桿菌等。

2.1.2 培養(yǎng)基

培養(yǎng)基作為微生物TTI的生長基質(zhì)為微生物提供了生長和代謝活動(dòng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)。其組成成分由所用微生物決定，一般含有碳源、氨基酸和氮源、無機(jī)鹽、生長因子、水等，同時(shí)要考慮到培養(yǎng)基應(yīng)具有成本低、制備簡單的特性。表2列出了幾種TTI微生物所用的培養(yǎng)基，其中常用于食品中乳酸菌培養(yǎng)的Man Rogasa Sharpe（MRS）肉湯是微生物TTI較多的選擇。

表1 微生物TTI的組成

注：培養(yǎng)基成分見表2。

表2 微生物TTI培養(yǎng)基成分

2.1.3 pH指示劑

TTI微生物在培養(yǎng)基中生長和代謝，通過pH指示劑顯示出與食品貨架期一致的不可逆的顏色變化，因此，選擇合適的pH指示劑有利于TTI的有效顯色[36]。

Augustin等[37]列出了pH指示劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)：微生物的抑制作用，對(duì)微生物生長有抑制作用的pH指示劑可能會(huì)對(duì)顏色變化產(chǎn)生影響，應(yīng)選擇對(duì)微生物生長無抑制或抑制作用小的pH指示劑作為TTI的指示劑；顏色變化反應(yīng)機(jī)理解釋的簡單性；顏色變化程度，選擇的pH指示劑或pH混合指示劑應(yīng)能顯示出肉眼可查的顏色變化。

Kim等[36]將pH指示劑的選擇方法概括為：確定微生物TTI中微生物生長和乳酸代謝引起的pH變化范圍，同時(shí)，選擇具有相似pH變化范圍的潛在pH指標(biāo)或混合pH指標(biāo)；符合pH指示劑選擇的標(biāo)準(zhǔn)；選擇滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的最佳pH指示劑或混合pH指示劑。

表1列出了基于各微生物TTI相應(yīng)的pH指示劑和其顯示的品質(zhì)劣變過程中的顏色變化，表3列出了TTI中常用的pH指示劑及其指示的pH值范圍和顏色變化。

2.1.4 微生物TTI的結(jié)構(gòu)

在微生物型TTI智能包裝的研究中很少提及TTI在智能包裝中如何進(jìn)行安置的問題。目前已經(jīng)投入商用的CRYOLOG公司的(eO)?[37]和TRACEO?[38]被制成指示標(biāo)簽，用于食品的品質(zhì)監(jiān)測，如圖1所示，使用時(shí)被貼在食品包裝外表面，根據(jù)食品包裝的溫度變化情況來響應(yīng)自身的顏色變化，進(jìn)而對(duì)食品品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。

Sav–On水產(chǎn)品公司從 Avery Dennison 購買的TT SensorTM標(biāo)簽也已投入商用，用于新鮮魚類的包裝，它們由指示器標(biāo)簽和激活器標(biāo)簽組成，貼于托盤封裝表面，如圖2所示，激活后，將根據(jù)溫度暴露情況以預(yù)定的速率從黃色變?yōu)榉奂t色。

表3 pH指示劑及其變化范圍

孟晶晶等[20]在微生物型TTI應(yīng)用于酸奶質(zhì)量管理的研究中，將TTI制成指示卡的形式置于食品包裝外部，通過與食品相似的時(shí)間–溫度積累歷史進(jìn)行食品品質(zhì)的監(jiān)測，其TTI結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)樣品見圖3。

2.2 微生物TTI的響應(yīng)機(jī)制

2.2.1 微生物TTI的響應(yīng)過程

微生物TTI的響應(yīng)機(jī)制是通過活化后的TTI微生物溫度依賴性生長，導(dǎo)致pH下降引起指示劑發(fā)生不可逆的顏色變化的過程。

微生物TTI的響應(yīng)過程可以總結(jié)為溫度感知過程、微生物響應(yīng)過程、食品質(zhì)量指示過程等3個(gè)步驟[20]。

1）溫度感知過程?；罨螅琓TI內(nèi)部的微生物變得活躍，具有溫度依賴性生長的特點(diǎn)。當(dāng)環(huán)境溫度合適時(shí)，微生物開始生長，即TTI開始感知溫度。

2）微生物響應(yīng)過程。微生物TTI的微生物生長和乳酸代謝的速度隨環(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)境溫度越高，速率越快。

圖1 CRYOLOG公司的TTI標(biāo)簽

圖2 用于新鮮魚類包裝的TT SensorTM標(biāo)簽

圖3 孟晶晶所做TTI的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)樣品

3）食品質(zhì)量指示過程。TTI內(nèi)部的微生物生長和乳酸代謝導(dǎo)致pH下降，引起顏色的變化作為信號(hào)傳遞。TTI可以準(zhǔn)確地指示、反映食品在整個(gè)過程中的溫度暴露情況。比較貨架期前后顏色變化，可以判斷食品是否安全，基于TTI顏色變化，可以動(dòng)態(tài)、定性地反映時(shí)間–溫度歷史和食品質(zhì)量。

2.2.2 微生物TTI的響應(yīng)類型

微生物TTI的工作原理本質(zhì)上是基于微生物的變化引起顏色的可視變化，廣泛用于實(shí)時(shí)反映食品的質(zhì)量，如顏色或酸度的反應(yīng)，因此微生物TTI有不同類型的響應(yīng)指標(biāo)，在一些研究中會(huì)測定微生物TTI不同的響應(yīng)指標(biāo)，最終根據(jù)TTI預(yù)測機(jī)制的信息和食品貨架期信息選出最適合的響應(yīng)指標(biāo)，作為TTI的響應(yīng)機(jī)制。微生物TTI的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)有：總顏色差值〔Δ和()〕、可滴定酸度（TA）、pH值、微生物生長情況等。這里主要對(duì)常用的總顏色差值〔Δ和()〕和可滴定酸度（TA）進(jìn)行說明。

2.2.2.1 基于TTI總色差（Δ）的響應(yīng)。

Δ作為一種易于測量的與反應(yīng)發(fā)展有關(guān)的TTI響應(yīng)指標(biāo)，已被廣泛使用，其有效性已在許多研究中得到證實(shí)[39]。

Vaikousi等[35]開發(fā)了一種基于清酒乳桿菌的微生物TTI用于監(jiān)測（Modified Atmosphere Packed，MAP）碎牛肉，以等溫貯藏過程中顏色變化動(dòng)力學(xué)的Δ作為響應(yīng)參數(shù)，得到估算活化能（a），在動(dòng)態(tài)貯藏條件下，微生物TTI在監(jiān)測（MAP）碎牛肉腐敗變質(zhì)過程中，微生物TTI反應(yīng)顯示出了從紅色到黃色的漸進(jìn)性和不可逆轉(zhuǎn)的顏色變化。

Lim等[28]利用乳酸菌開發(fā)了微生物TTI，利用Minolta CM–2500d色度計(jì)在2°觀測角下用D65照明測量TTI系統(tǒng)的Δ值，Δ值的計(jì)算見式（1）。

式中：Δ*為=0時(shí)測量單位時(shí)間亮度（白黑）變化的顏色差值；Δ*為紅綠度差值；Δ*為黃藍(lán)度差值。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差報(bào)告。

隨著pH值的降低，指示劑的顏色也由綠色變?yōu)辄S色，由黃色變?yōu)榧t色。在反應(yīng)初期，pH為7.5時(shí)仍保持綠色，pH為7.0時(shí)變?yōu)辄S色，在pH小于等于5.7時(shí)變?yōu)榧t色。用肉眼確認(rèn)紅色的時(shí)間（Δ為25時(shí)）被認(rèn)為是微生物TTI的終點(diǎn)。

根據(jù)Taoukis和Labuza[21]所描述的TTI顏色反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，將pH指示劑的總顏色變化值()計(jì)算見式（2）。

2.2.2.2 基于可滴定酸（TA）的響應(yīng)。

酸度是另一個(gè)廣泛應(yīng)用的TTI反應(yīng)的響應(yīng)參數(shù)。與使用顏色變化不同，對(duì)于基于酸度的TTI，在進(jìn)行TTI修飾時(shí)考慮了酸度變化或pH變化。Kim等[36]基于乳酸菌（LAB）制備的微生物TTI通過產(chǎn)生乳酸誘導(dǎo)顏色變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)牛肉品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。測定了不同顯色階段的可滴定酸（TA），并將其納入TTI模型。以TA為響應(yīng)，根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算和a。

ln=·+ln0(3)

式中：和0分別為實(shí)時(shí)TA及其初始水平。

此外，Park等[14]也選擇TA作為TTI響應(yīng)的響應(yīng)指標(biāo)，采用類似公式的建模方法。

2.3 微生物TTI的模型

導(dǎo)致食品品質(zhì)劣變的影響因素有很多，包括化學(xué)、微生物、生化和物理反應(yīng)等。數(shù)學(xué)建模是預(yù)測食品因這些反應(yīng)而發(fā)生品質(zhì)劣變的有效方法[40]。食品質(zhì)量變化通常遵循零級(jí)[33, 41]或一級(jí)[11]反應(yīng)。動(dòng)力學(xué)模型通?？梢酝ㄟ^測量一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)參數(shù)，如顏色、酸度、微生物數(shù)量等[42]來評(píng)估食品的貨架壽命。

微生物TTI的響應(yīng)變化可以用時(shí)間（）和反應(yīng)速率常數(shù)（）的函數(shù)建模[43]。確認(rèn)后，可利用Arrhenius方程計(jì)算活化能（a）?；谑称穭?dòng)力學(xué)模型和TTI反應(yīng)模型，可以實(shí)時(shí)地反映食品貯藏運(yùn)輸過程中的溫度累計(jì)歷史，并通過指標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)化為食品品質(zhì)劣變的預(yù)測因子。TTI主要運(yùn)用的一些典型模型和公式總結(jié)見表4。

2.3.1 色差的測定

總色差（Δ）是反映TTI顏色變化的一個(gè)有效的可測參數(shù)[39, 48]。利用色度計(jì)，可以得到*（黑色到白色）、*（綠色到紅色）和*（藍(lán)色到黃色）的值，利用式（1）計(jì)算Δ。

2.3.2 Arrhenius反應(yīng)速率常數(shù)的測定

采用階動(dòng)力學(xué)方程估算TTI反應(yīng)速率常數(shù)的溫度依賴性，由零級(jí)〔式（4）〕和一級(jí)〔式（5）〕反應(yīng)描述。

式中：為食品某一質(zhì)量指標(biāo)在時(shí)間時(shí)的值；0為初始值；為反應(yīng)速率常數(shù)；為反應(yīng)時(shí)間，采用Arrhenius方程兩側(cè)的自然對(duì)數(shù)計(jì)算TTI活化能。

2.3.3 活化能的測定

若食品的反應(yīng)速率常數(shù)為，TTI的反應(yīng)速率常數(shù)為'，確定后通過Arrhenius方程計(jì)算活化能a，該方程已被廣泛用于模擬食品中各種反應(yīng)對(duì)的溫度效應(yīng)和TTI反應(yīng)對(duì)的溫度效應(yīng)[49]。Arrhenius方程可以表示為：

式中：為Arrhenius指前因子（1/）；a為活化能，kJ/mol；為理想氣體常數(shù)〔8.314×10?3J/（K·mol）〕；為絕對(duì)溫度，K。根據(jù)式（7）繪制以1/為軸，ln為軸的線性曲線，并利用該曲線得到a。

a和是反應(yīng)的特征常數(shù)，與溫度無關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于同一反應(yīng)，在一定溫度下，的值是確定的。結(jié)合不同溫度下的Arrhenius方程，得到a可以寫成：

表4 TTI模型及公式

為了更好地估計(jì)表觀和表觀a，可以利用重新參數(shù)化的Arrhenius方程[40]來評(píng)估溫度對(duì)的影響，其中引入了2個(gè)因子（ref和ref）。重新參數(shù)化的Arrhenius方程見式（8）。

式中：ref為參考溫度；ref為參考溫度ref下的反應(yīng)速率常數(shù)。

由于TTI的反應(yīng)和涉及食品劣化的反應(yīng)都遵循一定溫度范圍內(nèi)的Arrhenius，重新參數(shù)化的方程可以納入()和()：

式中：ref和ref分別為和在參考溫度ref下的速率常數(shù)；afood和aTTI分別為食品質(zhì)量變化的a和TTI響應(yīng)變化的a。

2.3.4a的偶合

在得到食品和TTI的a后，需要兩者進(jìn)行偶合，來確定TTI和食品的匹配度。通常認(rèn)為可以應(yīng)用于食品的微生物TTI應(yīng)符合式（11）。

對(duì)于微生物TTI的建立，選擇合適的指標(biāo)參數(shù)也是非常重要的，TTI在食品質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用見圖4。

3 微生物TTI的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

3.1 微生物TTI的應(yīng)用

微生物TTI作為新興的智能技術(shù)，是一種可以附著在食品或食品包裝上的具有高性價(jià)比、變化不可逆轉(zhuǎn)、使用方便等特點(diǎn)的食品質(zhì)量監(jiān)測工具。

微生物TTI通?？梢杂米鞫喾N產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要用于豬肉、牛肉、雞肉等肉制品，酸奶等乳制品以及冷鏈?zhǔn)称?，在運(yùn)輸過程中其能準(zhǔn)確監(jiān)測食品所經(jīng)歷的時(shí)間–溫度歷史。微生物TTI的應(yīng)用情況總結(jié)見表5。

圖4 TTI在食品質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用示意圖

3.2 微生物TTI的優(yōu)點(diǎn)和局限性

微生物TTI作為時(shí)間溫度指標(biāo)，具有安全、成本低、便于使用等優(yōu)勢[50]。與其他可用的非微生物TTI相比，微生物TTI的顯著優(yōu)勢在于它以“不可逆的顏色變化”為響應(yīng)，反映了TTI微生物生長和代謝活性的過程，可以模擬許多食品（尤其是高蛋白和冷鏈?zhǔn)称罚┑膶?shí)際品質(zhì)劣變過程[37]。

在TTI的眾多優(yōu)點(diǎn)背后有一些局限性也是不可忽視的，例如，這樣基于顏色變化的食品品質(zhì)指標(biāo)對(duì)色盲的消費(fèi)者來說是沒有意義的；顏色變化需要顯色的指示劑，通常是化學(xué)試劑，這就可能會(huì)引起安全問題，而天然的顏色指示劑不夠穩(wěn)定，因此穩(wěn)定、安全的顏色指示劑還需要進(jìn)一步開發(fā)[51]。

表5 微生物TTI的應(yīng)用

注：LAB為乳酸菌，AMB為好氧中溫菌，CB為大腸菌群，VBN為揮發(fā)性堿基，Δ為總色差，TA為可滴定酸度。

基于酸度響應(yīng)的優(yōu)勢在于其酸度與食品污染程度的高度相關(guān)性，因此可以更準(zhǔn)確地指示食品的品質(zhì)變化。由于微生物生長的波動(dòng)性，基于酸度的響應(yīng)需要大量的樣本和精確的模型來支持[52]，也是有待研發(fā)解決的問題。

3.3 微生物TTI的發(fā)展趨勢

在當(dāng)下的時(shí)代背景下，食品安全受到越來越高度的重視，這對(duì)食品的貯藏和運(yùn)輸也提出了更高的要求，同時(shí)，由于固定貨架期造成的食品浪費(fèi)及安全問題也亟待改善[18, 53]，向消費(fèi)者傳達(dá)準(zhǔn)確的食品質(zhì)量信息變得尤為重要。TTI的研究應(yīng)運(yùn)而生，相比國外較成熟的體系，國內(nèi)在TTI上的研究開始得較晚。近年國內(nèi)的許多學(xué)者開始投入TTI的研發(fā)，但由于其應(yīng)用性、特異性等原因的限制，真正可以用于食品質(zhì)量檢測，并投入到商業(yè)化生產(chǎn)的TTI仍然很少[4, 54]。

TTI在食品質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域也面臨許多挑戰(zhàn)，限制了其滿足食品工業(yè)要求的能力。綜合一些學(xué)者的觀點(diǎn)認(rèn)為理想的TTI應(yīng)具有體積小、成本低、可讀性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、對(duì)溫度變化敏感、顏色反應(yīng)不可逆、無毒性材料、易用于食品包裝、適應(yīng)高速包裝過程、易活化[55-56]等優(yōu)點(diǎn)。

目前可用于商業(yè)的微生物TTI，可以隨著溫度的上升自動(dòng)激活，因此，必須在冷藏或冷凍溫度下保存，存儲(chǔ)環(huán)境苛刻，并且浪費(fèi)電能；微生物TTI中的游離細(xì)胞容易失去活性[51-52]，因此提出了微生物微膠囊化，微膠囊化是將活細(xì)胞與周圍不利環(huán)境分開屏蔽的過程[57]。據(jù)報(bào)道，將微生物微膠囊化可對(duì)其在提供對(duì)高氧水平、酸性環(huán)境、冷凍和冷藏[58]等惡劣環(huán)境提供保護(hù)，是解決微生物TTI非常有前景的方法。除此之外，微膠囊化試劑是無毒的，形成的基質(zhì)對(duì)微生物體是溫和的，在冷藏或冷凍條件下具有較高的穩(wěn)定性[59]。

還有通過RFID[60]或條形碼技術(shù)集成的微生物TTI。RFID和條形碼作為先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，被認(rèn)為是適合融入TTI的[61-62]，其可以提供指示食品質(zhì)量信息的顏色變化，在實(shí)際應(yīng)用中可以直接被人眼識(shí)別。將信息通信技術(shù)與TTI技術(shù)相結(jié)合，為食品工業(yè)提供了一個(gè)獨(dú)特的發(fā)展機(jī)遇，具有十分重要的意義[63]。

對(duì)于未來TTI的發(fā)展趨勢，應(yīng)注重降低成本和不必要的損耗、減少浪費(fèi)，以及成分的簡化和模型的優(yōu)化。

4 結(jié)語

文中對(duì)國內(nèi)外學(xué)者研究的微生物TTI進(jìn)行了綜述并總結(jié)了其結(jié)構(gòu)組成、響應(yīng)類型和機(jī)制以及相關(guān)模型。通過對(duì)食品和微生物TTI各種指標(biāo)的測定和匹配可以確定適合不同食品的響應(yīng)指標(biāo)，主要有顏色變化（Δ）和可滴定酸度（TA）。最終通過食品反應(yīng)活化能和微生物TTI反應(yīng)活化能的匹配來保證微生物TTI的有效應(yīng)用。近年我國對(duì)智能包裝的重視程度不斷提高，許多學(xué)者對(duì)微生物型TTI進(jìn)行了研究，一些學(xué)者提出將TTI微生物微膠囊化以擴(kuò)展微生物TTI的使用范圍，有的學(xué)者還提出將RFID或條形碼技術(shù)融入微生物TTI，進(jìn)一步發(fā)揮TTI的溫度和貨架壽命監(jiān)測能力。最后對(duì)微生物TTI的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，作為監(jiān)測食品品質(zhì)劣變的智能包裝，微生物TTI的制作應(yīng)在品質(zhì)指標(biāo)和模型的優(yōu)化上作出更多的考慮，提高消費(fèi)者對(duì)微生物TTI的接受度，使微生物TTI更有效地應(yīng)用于生鮮食品品質(zhì)監(jiān)測，保證食品在貯藏和運(yùn)輸過程中的安全性，減少食物浪費(fèi)，發(fā)揮更重要的意義。

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YI Ran1,MA Hao-yang1,JIN Lu-da1,LIU Qi-jia1,WANG Hong-jiang1,LI Juan1,ZHANG Dong-jie1,2

(1. Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Coarse Cereals Engineering Research Center, Daqing 163319, China)

The work aims to introduce the research progress of microbial time-temperature indicator (TTI) in food intelligent packaging, to provide some reference and theoretical basis for the application of TTI in food quality monitoring. The research progress of microbe TTI in intelligent food packaging, the composition of the TTI, including TTI microorganism, culture medium and pH indicator were overviewed. The response mechanism of TTI based on total color difference (Δ) and titratable acidity (TA) was summarized. The TTI model of microorganism was established, and its application and development trend were analyzed. It is proved by large number of literature that microbial TTI is an effective tool for monitoring the temperature history during food storage and transportation. It has vast potential for future development.

microbial TTI; time-temperature indicator; quality monitoring; response mechanism

TS206.6

A

1001-3563(2023)01-0223-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.01.025

2022?07?10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFE0206300）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（XDB–2017–14）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（S202210223041）

衣然（1997—），女，碩士生，主攻智能包裝和農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏保鮮。

王洪江（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槭称钒b及貯藏保鮮技術(shù)；張東杰（1966—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋