新鮮度指示型包裝技術在生鮮食品的應用進展

趙冬艷，孫金才*，，陳紀算

（1.浙江醫藥高等專科學校 食品學院，浙江 寧波 315100；2.寧波海通食品科技有限公司，浙江 寧波 315300）

生鮮食品是指初級加工的農產品，比較有代表的是果蔬、肉類和水產品。生鮮食品由于加工程度低，在貯藏和運輸過程中，自身物質在外界環境的變化下會發生不同的生理生化變化，導致新鮮度下降。普通的食品包裝上只標明貯存日期或在某日期之前食用的標識，但在實際運輸和貯藏過程中，溫度、壓力、光照等條件都可能影響食品的食用品質，從而造成保質期提前或延遲。隨著現代技術的發展，食品包裝逐漸出現了活性包裝、智能包裝等智慧包裝。活性包裝通過在包裝材料中添加合成或天然物質以期增加加工食品的貨架期，滿足消費者對新鮮、安全食品質量的需求[1]。但是活性包裝無法監測食品在貯藏期間組織結構發生的變化，并且活性包裝中的活性物質可能會向食品中遷移，產生安全問題。因此，活性包裝的應用有一定的局限性[2]。

智能包裝的出現極大彌補了活性包裝的不足，但很長一段時間，智能包裝（Intelligent packaging，IP）沒有一個確切的定義。2005年Yam等[3]對智能包裝的定義進行了明確，他認為智能包裝是能夠執行智能功能（比如檢測、記錄、傳感、通信、跟蹤和應用科學邏輯）的包裝系統，并且具有延長產品貨架期、提高產品質量和安全性的作用，同時對可能出現的質量問題提供預警。智能包裝的特點是通過提供有關運輸和存儲過程中各因素的信息監控包裝食品或環境的狀況。智能包裝按照工作原理分為功能材料型智能包裝、功能結構型智能包裝和信息型智能包裝；根據功能材料不同可以分為新鮮度指示型包裝、泄露型指示包裝、氣體產生和吸收型包裝以及其他類型包裝[4]。智能包裝主要通過指示劑、傳感器和無線射頻識別（RFID）技術來實現其監測功能[5]。

在功能材料型智能包裝中，新鮮度指示型包裝是一類監測食品在貯藏、運輸、銷售過程中新鮮度變化，為消費者提供重要參考的智能包裝系統。智能包裝對食品新鮮度的監測原理是根據食品在貯藏過程中，由于自身呼吸作用、酶和微生物的作用以及環境導致溫度、濕度、光照等因素變化引起的化學作用，生成不同的氣體和化合物，與智能包裝中不同的指示劑或傳感器發生作用，導致包裝顏色改變，產生信號響應，從而指示食品新鮮度的變化[6]。

RFID技術已經在物流和零售業中的門禁系統、行李處理系統、牲畜運輸和自動收費站系統中運用了幾十年，提供了產品在供應鏈運輸過程中的實時信息。RFID技術經常與傳感器和指示劑結合起來應用，能夠監控食品在搬運、儲存、運輸和交付過程中品質的變化[7]。作者從指示劑和傳感器兩個方面介紹應用于生鮮食品的新鮮度指示型包裝技術在國內外研究進展、檢測原理、關鍵技術，并對研究中存在的問題和今后發展的趨勢進行總結和展望。

1 應用智能包裝技術監控生鮮食品新鮮度的指標

新鮮度指示型包裝技術對生鮮食品的監測基于生鮮食品貯藏過程中生理生化變化的生成物，其中以氣體較多。總結近20年文獻中智能包裝技術對各類生鮮食品新鮮度監測的指標，通過不同原料特點對生鮮食品檢測指標分別進行介紹。

1.1 生鮮果蔬指標

果蔬類食品在貯藏、運輸過程中的變化主要是植物生理變化、化學反應和微生物變化[8]，其中呼吸作用是果蔬采后最主要的生理活動。有氧呼吸作用會導致二氧化碳和乙烯氣體的增加，無氧呼吸會生成乙醇、乙醛、乳酸等物質；果蔬微生物的代謝過程也會產生二氧化碳氣體；果蔬正常代謝過程中還會產生乙烯氣體。目前智能包裝技術對生鮮果蔬新鮮度的監測主要集中在二氧化碳、乙烯氣體和有機酸[9-13]。因不同呼吸類型果蔬產生乙烯氣體量的不同，乙烯氣體的監測主要針對呼吸躍變型果蔬。

1.2 生鮮肉類指標

動物屠宰后經過僵直和軟化，依次經歷無氧呼吸生成乳酸和蛋白質分解生成堿性產物，肉類的pH先下降后上升。在貯運過程中，微生物分解是肉類新鮮度下降的主要原因。肉類蛋白質在酶和微生物的作用下，分解產生的三甲胺、二甲胺和氨等胺類物質，統稱為揮發性鹽基氮；由于微生物的生長，二氧化碳也是肉類監測指標之一；在禽肉中微生物代謝會生成大量硫化氫氣體[14]。目前生鮮肉類的監測指標主要是揮發性鹽基氮、二氧化碳和硫化氫氣體[15-26]。

1.3 生鮮水產品指標

生鮮水產品和肉類都屬于動物性食品，因此，肉類的監測指標也適用于水產品[27-34]。除此之外，水產品監測指標還包括在貯藏過程中微生物分解產生的生物胺，例如腐胺、組胺等[35]；水產品中ATP降解產生的降解物，如黃嘌呤、次黃嘌呤等[36-37]。

2 指示劑

指示劑型智能包裝主要利用印刷或黏附在包裝內含有特定試劑的標簽，與食品在貯藏過程中釋放的不同氣體或產物作用產生不同深度的顏色變化，提供包裝食品質量的信息[38]。

2.1 對pH敏感的指示劑

2.1.1 二氧化碳指示劑二氧化碳氣體溶于水，并且溫度越低，溶解度較高，而且溶液呈酸性。生鮮食品貯運環境溫度一般比較低，在貯運過程中，生鮮食品釋放的二氧化碳氣體與包裝上對pH敏感的染料標簽接觸時因呈酸性發生顏色改變，從而監測包裝中食品的腐敗情況。

Chen等[11]構建了鮮切青椒新鮮度指示標簽，其主要原理是包裝內蔬菜的呼吸作用導致二氧化碳濃度增加，利用雙指示劑標簽進行顏色監控。作者采用溴百里酚藍和甲基紅指示劑混合膜溶液，與聚乙二醇-6000（作為增塑劑）和甲基纖維素制備智能包裝標簽的指示膜。由實驗可知二氧化碳濃度與鮮切青椒的菌落總數和感官評分均有高相關性，但是該指示標簽只能用于對鮮切青椒的新鮮度定性判斷。

Rukchon等[20]開發了一種監測無皮雞胸肉新鮮度的混合pH敏感指示劑。指示劑采用兩組對pH敏感染料，一種是在乙醇水溶液中以體積比2∶3的比例混合溴百里酚藍（0.04 g/dL）和甲基紅（0.04 g/dL），另一種是由溴甲酚綠（0.04 g/dL）、溴麝香酚藍（0.04 g/dL）和酚紅（0.04 g/dL）在乙醇水溶液中按體積比6∶9∶35的比例混合而成。由實驗結果得知，腐敗過程中二氧化碳增加量大于貯藏期間揮發性鹽基氮（TVB-N）水平，故采用二氧化碳作為變質代謝物的監測物。混合pH敏感指示劑的總色差的顏色變化與去皮雞胸肉的二氧化碳水平有很好的相關性。

二氧化碳指示劑不僅可以用來對蔬菜、水果、肉制品、水產品新鮮度進行監測，還對甜點[39]、面包、饅頭[40]等糧油食品在貯藏中因微生物繁殖產生的二氧化碳氣體有較好的顏色反應。

2.1.2 其他揮發性物質的指示劑除了二氧化碳氣體外，一些其他的微生物或酶的代謝產物，例如有機酸，也可以作為pH敏感指示劑的目標分子。Kuswandi等[10]在2013年基于溴酚藍制作智能包裝顏色指示劑，對番石榴的新鮮度進行監測。番石榴在貯藏過程中逐漸產生的乙酸等揮發性有機化合物改變包裝頂部pH，結果表明顏色指示劑可用于監測番石榴在環境條件28~30℃下新鮮度的變化。王桂蓮等[12]設計了一種以紅蘿卜溶液中提取的紅色素作為pH敏感染料的水果新鮮度指示標簽。將紅蘿卜紅色素涂布在白色濾紙上，附在聚丙烯薄膜上制備成指示標簽，草莓在貯藏過程中由于微生物和酶的作用產生大量混合有機酸，通過不同pH環境下紅蘿卜紅色素顯示的不同顏色，判斷草莓新鮮度。

此外，揮發性鹽基氮（TVB-N）作為目標分子的指示標簽研究也較多[41-42]。Kim等[18]用吸附法將溴甲酚紫（BCP）固定在濾紙上制備指示試紙，制備好的指示試紙直接放置在雞胸肉表面，對雞胸肉的新鮮度進行實時可視化監測。指示劑的顏色從黃色到藍色，最后變為紫色，表示食品變質；指標響應與pH、揮發性鹽基氮（TVB-N）含量、細菌數量、雞胸肉表面顏色變化相關。

Chun等[29]在紙盤附上一層具有一定孔徑的自粘紙環，在紙環里加入不同質量的溴甲酚綠（BCG）制備成不同質量濃度的指示標簽，研究鯖魚儲藏過程中新鮮度變化。結果發現新鮮度指示劑顏色由黃色變至藍色，其色度值準確地反映了包裝頂空中三甲胺的含量，同時新鮮度指標響應的顏色漸變與魚的品質相關，尤其與魚類最顯著的致腐菌莓實假單胞菌（Pseudomonas fragi）的生長相關。

Kuswandi等[19]在2017年基于雙指示劑甲基紅（MR）和溴甲酚紫（BCP）開發了可檢測揮發性胺類物質的牛肉新鮮度指示標簽。通過MR指示標簽（紅變黃）和BCP指示標簽（黃變紫）顏色的變化監測牛肉新鮮度的變化，并且雙指示劑反應與包裝牛肉的感官評價、pH、TVB-N、細菌生長模式有很好的相關性。

pH敏感指示劑的染料在對食品新鮮度監測中有以下幾個特點：常用的染料有溴百里酚藍、溴甲酚綠、二甲苯酚藍、甲基紅、溴甲酚紅紫等；染料可以單獨使用也可以兩種或多種混合作用，多種混用的優點在于不同染料有各自的顏色反應區間，多種染料混用因顏色互補可以降低對目標物識別的誤差，提高對目標分子識別的準確度，增加反應的靈敏度；除化學合成染料外，基于食品安全，許多學者逐漸轉向對天然染料的研究。目前用于pH敏感指示劑的天然染料主要來源于花青素和姜黃素，兩者各有優缺點。姜黃素作為pH敏感指示劑的穩定性高于花青素，但是花青素在不同pH條件下顏色反應迅速，靈敏度高于姜黃素。以下是不同類型敏感指示劑應用于智能包裝的文獻列表，如表1和表2所示。

表1 化學合成型敏感指示劑應用于智能包裝的文獻列表Table 1 Literature of intelligent packaging applications for chemical synthetic dye indicators

表2 天然敏感指示劑應用于智能包裝的文獻列表Table 2 A list of literature on the application of natural dye indicator to intelligent packaging

2.2 基于化學反應顏色變化的指示劑

貯藏過程中食品因化學因素或生物因素產生的化合物或氣體，在一定的條件下會與蛋白質、酶或其他化學物質發生反應導致顏色改變，從而反映食品新鮮度的變化。

Smolander等[25]研制了一種通過監測禽肉類食品硫化氫濃度判斷新鮮度的指示標簽。其原理是禽肉類食品在貯運過程中由于微生物腐敗產生硫化氫氣體，而硫化氫與肌紅蛋白結合生成綠色的硫紅蛋白，通過顏色的改變來監測禽肉類的新鮮度。作者將肌紅蛋白溶液吸收到瓊脂糖方塊中，分別使用不同厚度的低密度聚乙烯固定在包裝中以制備指示標簽，通過檢測變質過程中產生的硫化氫濃度來判斷禽肉類食品新鮮程度。肌紅蛋白溶液的顏色變化也發生在氮氣和二氧化碳的混合氣體中，而這種混合氣體通常在易腐、非呼吸性產品的氣調包裝中存在。因此通過這些顏色變化可以構建智能包裝指示劑以監測食品品質變化。

Saliu等[26]利用禽肉類釋放的二氧化碳氣體使天然指示劑花青素顏色改變來監測家禽類食品的新鮮度。與對pH敏感的指示劑原理不同，該研究是利用賴氨酸的ε-氨基與二氧化碳形成可逆的氨基甲酸衍生物。賴氨酸、聚賴氨酸、花青素混合水溶液呈現堿性和天藍色，一旦暴露在二氧化碳中，就會變成強烈的紫色，因此天然指示劑花青素的顏色變化可以用來監測家禽類食品新鮮度。

Lang等[13]通過智能包裝指示乙烯的排放量判斷蘋果的貯藏狀態，其原理是利用乙烯和金屬離子發生的還原反應，當Mo（VI）部分還原為Mo（V）時，鉬發色團由白色變成藍色。顏色改變表明果蔬在貯藏過程中乙烯生成量逐漸增加，從而判斷水果的新鮮程度。指示標簽的制備過程如下：將（NH4）6Mo7O24·4H2O、PdSO4、H2O2制備成水溶性指示溶液，用硫酸調整pH為1.4~1.5，目的是改變鉬變色反應的敏感性；把制備的含有指示溶液的濾紙直接固定在單個蘋果上作為指示標簽，指示標簽用可選擇性滲透的聚合物膜進行固定，以防止環境原有高濕度對結果的影響。

2.3 微生物指示劑

造成食品腐敗變質的因素除了化學和物理因素外，生物因素即微生物的生長繁殖也是一個重要的因素。微生物利用食品的營養物質進行繁殖，導致食品內部發生酶解反應、氧化還原反應等生成一系列代謝產物，從而導致食品的新鮮度下降。智能包裝新鮮度指示劑的制備除了以微生物代謝產物為目標分子外，還可以以微生物為目標物。制備反映微生物產生和數量的指示劑用于對食品新鮮度的監測具有更直接、方便和靈敏的優勢。微生物指示劑可以利用特定抗體識別微生物的原理對食品新鮮度進行監測[6]。例如已經商業化的產品Toxin GuardTM是一種以聚乙烯為基礎的包裝薄膜，可以在固定抗體的幫助下檢測特定致病菌（沙門氏菌、彎曲桿菌、大腸桿菌O157和李斯特菌）的存在。當毒素或微生物等分析產物與材料互相接觸時，特定抗體與其結合，包裝薄膜的顏色由白色變為紅色[43]。勞倫斯伯克利國家實驗室已經開發出檢測大腸桿菌O157腸毒素的特定指示材料[44]。該材料由交叉聚合的聚二乙炔分子組成，為深藍色，可用于包裝材料。當毒素與聚二乙炔分子結合時，薄膜的顏色從藍色變為紅色。

在前面介紹的指示劑的應用中可以看到，對微生物代謝產物進行監測的同時，相應的微生物數量也存在一定的變化[20，29]。因此，新鮮度指示劑的發展方向之一是遵循食品腐敗產物的生成規律，利用多種指示劑顯色原理，制備更加靈敏和高效的新鮮度指示劑。

3 傳感器

傳感器是一種將捕捉到的被測量信息按一定規律轉換成電信號或其他信息輸出形式的檢測裝置，以滿足對信息傳輸、處理、儲存、顯示、記錄和控制等要求[45]。與指示劑通過顏色變化顯示食品新鮮度不同，根據定性或半定量產物不同，傳感器可以提供定量信息，對生鮮食品貯運過程中質量變化實現實時定量監測[46]。

3.1 生物傳感器

生物傳感器是能夠檢測結合到食品包裝中的目標代謝物的智能系統，可以以檢測降解產物的形成，并且可以根據所包裝產品的類型進行個性化設計，能夠以比新鮮度指示劑更精確的方式監測食物新鮮度。生物傳感器是一種緊湊的分析設備，可檢測、記錄和傳輸與生化反應相關的信息，其由兩個主要部分組成：識別目標分析物的生物受體和將生物化學信號轉換為可量化的電響應的傳感器[47]。

生物傳感器和化學傳感器的主要區別在于識別層。在化學傳感器中，受體是一種化合物，而生物傳感器的識別層是由生物材料構成的，如酶、抗體、抗原、噬菌體和核酸[48]。Frébort等[35]將來自草豌豆幼苗和真菌黑曲霉的胺氧化酶進行固定（EC1.4.3.6）以構建用于測定胺的流式酶反應器，發現以胺氧化酶為基礎的系統可用于測定腐敗胺（腐胺和組胺），因此該系統可以標記魚肉分解。已優化的平均使用壽命約20 d的生物傳感器顯示對組胺量在7.0~90.0 nmol/L有線性響應，檢出限為4.4 nmol/L；對腐胺在0.9～70.0 nmol/L有線性響應，檢出限為0.5 nmol/L。Yano等[49]開發了一種以酪胺氧化酶為基礎的生物傳感器來監測牛肉的品質，酪胺傳感器可用于評估老化牛肉中的細菌腐敗。Devi等[36]將黃嘌呤氧化酶共價固定在石墨電極表面沉積的殼聚糖和金涂覆的鐵納米顆粒（CHIT/Fe-NPs@Au）上。以XOD/CHIT/Fe-NPs@Au/PGE為 工 作 電 極，Ag/AgCl為參比電極，Pt為輔助電極，通過恒電位儀連接制備黃嘌呤生物傳感器。有學者通過將黃嘌呤氧化酶固定到由鉑、銀和石墨等材料制成的電極上，開發了檢測黃嘌呤（動物組織中的腺嘌呤核苷酸降解產物）的生物傳感器[37]。

3.2 化學傳感器

化學傳感器（接收器）是能夠通過檢測表面吸附特定化合物或氣體的化學選擇性涂層，可以檢測到特定化學物質的存在并通過換能器轉換成信號。傳感器有源或無源取決于測量的外部功率要求[50]。

Kuswandi等[51]在2012年開發了一種基于聚苯胺（PANI）薄膜的智能包裝新型比色方法，含有PANI薄膜的指示器作為實時監測包裝魚頂部空間微生物分解產物的化學傳感器，可以通過對魚類腐敗期間釋放的各種堿性揮發性胺造成的薄膜顏色變化做出響應。PANI薄膜可以使用酸性溶液再生以多次循環使用。因此，PANI薄膜可被視為適合智能包裝應用的低成本傳感器。Kuswandi等[52]在2014年又開發了基于甲基紅的貼紙傳感器，并且用于檢測雞肉切片的新鮮度。通過吸附法將甲基紅固定在細菌纖維素膜上，結果表明基于甲基紅和細菌纖維素膜制備的貼紙傳感器在冷藏環境下可以成功地實時監測雞肉新鮮度。

Suslick等[53]綜述了一系列化學響應染料在多孔膜上制備成傳感器用于檢測目標物為氣味和揮發性有機化合物（VOCs）的應用。這些比色傳感器陣列（CSA）通過使用一系列不同染料作為“光電子鼻”，其顏色變化基于各分子間相互作用，已證明對胺、羧酸和硫醇檢測具有高靈敏度。

Heising等[54]開發了無損監測包裝鱈魚片新鮮度的方法。在貯藏過程中鱈魚片釋放出三甲胺氣體，該方法利用水相電極監測包裝袋頂空中三甲胺濃度，建立了基于傳感器信號（三甲胺）的包裝鱈魚片的監測數學模型，這個模型可以實現無損狀態下監測包裝鱈魚不同階段的新鮮度。

3.3 納米生物傳感器

納米生物傳感器是由納米尺寸的生物識別組分如酶、抗體和受體組成的集成裝置，其與化學物質相互作用，產生化學和電信號[55-57]。納米技術在食品新鮮度上的應用主要側重通過揮發性化合物釋放量來指示食物變質[58]。例如，一些可以判斷食品營養價值的揮發性化合物（如三甲胺、二甲胺、氨、酯、醇、乙烯等）可以作為腐敗指標，用于魚肉、肉類和水果的監測[51，59-60]。 納米技術和新的印刷技術在塑料或柔性基材上集成多種氣體傳感器，作為高效型傳感器用于實時監測食物腐敗和環境溫濕度變化[61-62]。Pandey等[63]報道了一種柔性的電阻納米傳感器用于氨的超靈敏檢測。其工作原理是根據由銀納米粒子和多糖瓜爾豆膠組成的納米復合薄膜上吸附氨的電流變化進行工作。基于這種納米復合材料監測氨的光學傳感器已經存在，但在應用實踐中還需進一步完善[64]。Smolander等[65]發明了一種在塑料薄膜或紙包裝結構上沉積1～10 nm過渡金屬（銀和（或）銅）涂層的傳感器，當與肉類腐敗產生的硫化物揮發物發生反應時，薄薄的涂層變成獨特的深色。

與常見的要求高溫環境操作的氣體傳感器相比，基于氨納米復合材料的傳感器在室溫下操作，且呈現出快速響應的特點。這種柔性的薄膜氨傳感器可以很容易地集成在食品包裝上，鑒于印刷技術和有機電子技術的現狀，未來食品包裝上的智能標簽將由多個納米傳感器（分別監測溫度、濕度和揮發物）組成，可以為消費者、生產商和分銷商提示潛在的食物腐敗危險[66]。

4 展望

新鮮度指示劑或傳感器是為了更好地監測食品在貯藏、流通、銷售過程中的品質，以幫助消費者選擇優質健康的食品。目前新鮮度指示劑（傳感器）存在的主要問題有以下幾個方面：1）智能材料穩定性有待提高，例如新鮮度指標對特定微生物生長的監測和預警能力較低，可能會誤導甚至危害消費者的健康；2）智能材料的安全性，無論pH顯色材料還是傳感器中應用的納米粒子，其中的有害成分都有可能由包裝遷移到食品中；3）模型實驗和真實食物的結果之間的差異，真正的食物系統的復雜性（如包裝食品中脂類和非脂類含量、比例和分布不同，某些物理和化學參數如水分活度、pH等的波動等）使在實驗室獲得的良好的監測結果在實際應用中效果降低；4）新鮮度指示劑（傳感器）的成本高，目前智能包裝的成本預計為最終包裝總成本的50%~100%，然而大多數食品的包裝成本不應超過貨架上商品總成本的10%[67]。

因此為了開發低成本安全的指示標簽和傳感器，需要建立特定的食品數學模型，讓消費者的品質感知轉化成可測量的信息。指示劑或傳感器與新技術結合，例如價格低廉和使用方便的印刷電子技術，將有助于智能系統與包裝材料的集成。可以通過在多種不同的襯底上沉積導電油墨層制造電子設備；先進的油墨技術，如石墨烯油墨，其獨特的機械靈活性、高導電性和化學穩定性等綜合性能，使其成為下一代電子產品的理想選擇；分子印跡技術具備對目標分子富集和特異性選擇的優點，分子印跡技術作為仿生生物傳感器和具有選擇性吸附目標物的優勢，在智能包裝監控食品新鮮度上有較大的發展空間[68]。

智能包裝的另一個巨大潛力是將生物傳感器集成到RFID系統中，從而實現實時傳達產品狀態信息，進而改善產品安全性和庫存管理便捷性，并減少損失，為商業應用提供巨大的發展空間，并為 包裝的智能化體系的理論研究提供更多思路。