新型化學食品標簽——時間－溫度指示器

摘要：本文介紹了一種化學食品標簽——時間-溫度指示器的類型及其化學原理，展現了化學研究在日常生活中的新領域。

關鍵詞：時間-溫度指示器；反應速率；化學原理；應用

文章編號：1005－6629(2008)08－0045－03中圖分類號：R155.5 文獻標識碼：E

隨著社會生活質量的提高，人們越來越多地關心食品的營養健康及感官質量。但食品生產、運輸、儲存、銷售等環節的時間損耗影響著食品品質。如何讓消費者能夠識別食品新鮮度并放心購買成為新的問題。新型化學食品標簽——時間-溫度指示器（Time-Temperature Indicators，TTIs）通過運用化學原理及方法對食品的儲存時間和溫度作出顯示，供商家和消費者參考選擇，是一種化學智能化包裝標簽，在現代食品的生產與銷售中發揮了重要作用。

1時間-溫度指示器簡介

食品變質腐爛的原因主要是由于微生物作用和酶的催化作用，其本質就是食品發生了化學反應。而這些作用（即食品發生的化學反應程度）的強弱均是與溫度緊密相關的。一般來講，溫度降低能使該作用減弱，從而達到阻止或延緩食品腐爛變質速度的目的[1]。因此，在某些易腐食品的生產銷售環節中，對溫度與時間都有相應標準。一旦超過標準，食品的品質就難以保證。TTIs依據一定時間和溫度條件設計成一種結構簡單、能記錄時間-溫度變化的儀器，并被制成標簽貼在食品的外包裝上。根據物理化學中阿侖尼烏斯動力方程公式：k=Aexp(-Ea/RT)，溶液中化學反應速率常數k隨著溫度T因溫度升高而增大。當食品處在超過最高允許溫度的環境時，標簽中的化學溶液開始發生物理或化學的變化，其程度也隨著時間的延長而加劇，并最終通過標簽中溶液的狀態或顏色改變等可視效果來顯現，進而達到指示作用。

2時間-溫度指示器的類型及化學原理

TTIs可以采用機械的、化學的或酶的等多種方法制成，通過機械變形，顏色顯影或顏色變化移動等可視反應來顯示[2]。其本質是運用了多種化學原理，根據工作時采用的不同的化學原理，TTIs可分為兩種類型。

2.1溶液擴散型

根據布朗運動公式(如下式)， 物質的擴散速度隨溫度升高而加快。擴散型指示器正是基于這種特性設計的。它是由兩片墊板組成的封閉盒體。盒體分為a和b兩室。a室內貯藏脂肪酸酯和藍色的鄰苯二甲酸酯混合物。b室內有一條長的吸液芯帶，吸液芯帶可作為混合物擴散的軌道，兩室間用聚酯膜層隔開。當溫度高于聚酯膜的熔點時，隔膜就會熔化，指示器即被“激活”，藍色的混合物沿著吸液芯帶進行擴散。擴散程度隨所處環境的溫度和時間決定。人們通過觀察指示器表面一橫排透明小孔的顏色變化就能了解食品接觸溫度的歷程和剩余保質期，如圖1[3]所示。

2.2 pH-變色反應型

此類型指示器是通過食品前后所經歷的溫度和時間的變化導致TTIs溶液發生化學反應，進而使溶液的pH改變，產生顏色變化的效果來達到指示作用。

2.2.1聚合反應型

聚合反應型指示器是基于乙炔單體的聚合反應而設計的。其反應方程式可表示為：

此反應速率隨著溫度的升高而增大，導致指示器顏色不斷加深，從而起到指示作用。見圖2[4]所示，指示器由兩個圓環組成，反應物包含在小的內圓環里；外環涂上深色作為內環的對比色。隨著溫度升高和反應時間增加，內環顏色逐漸變深。當內環顏色比外環顏色更深時，表明食品已不能食用。此類指示器激活方式比較簡單，一旦接觸溫度高于保存溫度時，即可被激活。因此，指示器在使用前必須一直保存在-18℃或更低的環境中。

2.2.2 酶反應型

酶反應型指示器是根據食品不同的腐敗類型將不同類型的酶加入TTIs的反應溶液中，通過酶對溫度的敏感性和高效催化作用使溶液發生化學反應并引起溶液pH的改變。其中，使用較多的一類為脂肪酶型，其反應方程式如下：

可以看出，酶的催化作用決定了反應速率即質子的釋放速率，而酶反應的顯著特點即對溫度有特定的敏感性，在一定的溫度區間內，溫度越高，酶的催化作用就越強。食品所處環境到達臨界溫度后，酶開始隨著溫度的變化進行催化作用，反應放出質子，溶液的酸性逐漸增強，導致pH指示劑變色引起溶液顏色改變。通過顏色變化的程度可以推測出食品的新鮮程度和剩余保質期。通常指示器由兩個隔開的小囊組成，一個囊中裝入溶有脂肪酶的溶液，另一個囊中裝有各種試劑的混合培養基溶液，溶液中加有pH指示劑。在食品包裝時，隔開的小囊被擠破，培養基溶液與酶溶液進行充分混合。當溫度超過臨界值時，溶液中酶被激活并開始進行催化反應。隨著反應的進行，溶液酸性逐漸增強，pH值下降導致溶液改變顏色，選用不同的pH指示劑會導致溶液顏色發生不同的改變。通過對比包裝上的比色卡，消費者能了解此食品的新鮮程度。這種指示器使用起來比較方便，可以被制成標簽固定在貨架上的散裝包裝袋表面或者安放在產品的外包裝箱里。

表1[5]介紹的是一種脂肪酶型TTIs溶液的化學成分，其酶催化反應可表示為：d[A]/dt=-ka·[A]。式中[A]是培養基溶液（mmol/L）的濃度， ka是反應速率常數（mmol/L·min）， t是反應時間，即食品經歷的儲存時間。培養基溶液酸度即反應體系的pH，2.5mmol的脂肪酸就可以將表1中的溶液pH從8降到7，進而使pH指示劑改變顏色。

表1 TTIs（脂肪酶型）的化學成分

3 化學食品標簽的生活意義

對于大多數食品來說，其腐壞原因主要是儲存環境溫度過高或存放時間過長而導致的食品變質。正是基于對這些原因的深入了解和研究，化學方法和技術在TTIs技術的開發中成為新寵。化學動力學方程式、高分子聚合膜、緩沖劑、pH指示劑等等，在TTIs的開發中大顯身手。從TTIs的工作原理到其使用的材料和試劑，都源自化學科學。可以說，TTIs技術的開發與應用，是化學給予人類的又一貢獻，也是化學提高人們生活水平的又一見證。

對于食品生產銷售中諸多不確定因素，開發一種監測食品品質的儀器十分必要。TTIs作為食品質量監控器，能真實反映食品的品質變化，有助于保持食品質量水平的穩定狀態，在食品監管與消費體系中發揮了重要的作用，其應用領域也越來越寬泛。從冷藏肉類到奶酪、咖啡，TTIs標簽為商家和消費者儲存和選購行為提供了重要的參考依據。近十年來，西方發達國家在TTIs的設計、開發和應用上方興未艾，逐漸形成了食品儲存和銷售的產業鏈。TTIs技術的興起與應用，已經帶動化學工業研究開辟新的領域。

參考文獻:

[1]、[2]、[3]、[4]谷雪蓮，肖洪海等. 食品冷藏鏈中時間-溫度指示器的意義及現狀[J].食品科技，2002（12）：43-45.

[5] S. H. Yoon， C. H. Lee， et al. Time-Temperature Indicator using phospholipid-Phospholipase System and Application to Storage of Frozen Pork[J]. Journal of Food Science. 1994（3）:490.

[6]European Chemical Industry Council.Active indicators.2008-2-29.http://www.cefic.org/Templates/shwNewsFull.asp?HID=1NSID=562.

[7]傅獻彩，沈文霞，姚天揚.物理化學（第四版）下冊[M].北京：高等教育出版社，1990：742-746，998-999.

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