刘兴海 李月童 邱诗波 刘玲红

（1.武汉大学，湖北 武汉 430072；2.湖北淡雅香生物科技有限公司，湖北 武汉 430070）

随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，消费者越来越重视食品安全问题，尤其是一些容易变质的食物，例如猪肉、海鲜、禽蛋等。食品的新鲜度检测方法有3 类，分为感官判断、专业仪器检验和传感器检测。目前消费者仅仅依靠视觉嗅觉等感官来判断食品是否新鲜，但是感官评价具有主观性和不确定性，容易对食品新鲜度造成误判。而专业仪器设备检测，如色谱、光谱和质谱等技术，成本过高，耗时较长，需要专业技术人员开展，不能满足消费者的需求。因而，需要寻求快捷简便的食品新鲜度检测方法。考虑到食物在腐败变质过程中产生生物胺、挥发性盐基总氮（Total Volatile Basic Nitrogen ,TVB-N）、氨气等挥发物和微生物代谢产物，它们的浓度和食品新鲜度密切相关，食品新鲜度传感器通过检测食品变质挥发物或微生物新陈代谢产物来实现对食品新鲜度的检测。因此，传感检测技术以其准确、简便、快捷的优点，已成为食品新鲜度检测的发展趋势。

1 蛋白类食品腐败变质过程分析

1.1 生物胺的产生过程及检测

生物胺（Biogenic amine, BA）是食品腐败过程中产生的物质之一，是检测食品新鲜度的重要指标。生物胺是一类非挥发性的含氮低分子有机物[1]，包含脂肪胺（腐胺和尸胺）、杂环胺（组胺和色胺）和芳香胺（酪胺和苯乙胺），如图1 所示[2]。生物胺广泛存在于生物体内，尤其是高蛋白质类食品。人体内适量的生物胺对各种生命活动有调节作用[3]，但过量摄入生物胺会对人体造成严重的毒害作用，造成神经系统和心血管系统损伤等[4]。

腐败微生物的大量繁殖使得食品中的蛋白质等营养物质被分解是食品不新鲜甚至腐败的主要原因，由于生物体内相应的氨基酸进行脱羧反应生成生物胺必须依靠腐败微生物产生的脱羧酶，因而生物胺含量可以反映食品腐败变质过程中腐败微生物的生长情况[6]，故生物胺是检测蛋白类食品新鲜度的有效手段之一。

1.2 挥发性盐基总氮的产生过程及检测

除了生物胺之外，TVB-N 也是检测高蛋白质类食物腐败程度的重要指标。蛋白质类食品在腐败过程中，蛋白质被分解，生成三甲胺（Trimethylamine, TMA）、二甲胺（Dimethylamine, DMA）和氨（NH3）等挥发性胺类物质，统称为TVB-N[7]。实验证明，微生物降解产生的TVB-N 与微生物生长有着相似的趋势[8]，因此TVB-N也是检测食品新鲜度的重要指标。高蛋白食物腐败产物较为复杂，其检测方法较多，但在肉类腐败过程中，TVB-N 的含量是评定肉类新鲜度的客观指标，是国家现行GB 2707—2016《食品安全国家标准鲜(冻)畜、禽产品》[9]唯一理化指标（表1）。

基于高蛋白食物腐败指标构建及可视化，如图2 所示，包括TVB-N 在内，对于生物胺快速、便利、低成本检测技术的开发及应用，显得尤为迫切。

2 食品腐败监测技术

高蛋白类食品是人们日常生活中不可或缺的食品，但是其在贮藏、运输和销售过程中非常容易被污染，导致食品的腐败变质，不仅降低了食品的营养价值，还会危害消费者的身体健康，因而食品新鲜度检测技术受到了广泛的关注。传感检测技术作为新鲜度检测技术中的一种，因其快捷、方便、准确且不对食物造成破坏等优点脱颖而出，已经成为食品新鲜度检测的发展趋势。现阶段常见的食品新鲜度传感检测技术有以下3 种：比率荧光型传感技术、生物胺比色型传感检测技术以及智能氨气传感器技术。

2.1 比率荧光型传感检测技术

荧光传感器是指能够特异性识别食品腐败过程中产生的生物胺等物质，并将其浓度转换成便于探测的荧光信号的新鲜度指示器。荧光传感器根据与待检测物质反应前后荧光的变化情况，可分为3 种类型：荧光增强型（与待测物质反应后荧光增强）、荧光猝灭型（与待测物质反应后荧光减弱甚至猝灭）以及比率型（传感器发出双荧光，与待测物质反应后一种荧光增强另一种减弱）[10]。比率荧光型传感器不易受物质本身发光或溶液浓度等外部条件的干扰，常用于定量检测。

荧光共轭聚合物具有优异的灵敏度和低毒性，成为近年来研究和应用广泛的一类有机荧光传感材料，但是荧光共轭聚合物具有极差的水溶性和聚集诱导荧光自猝灭的缺点，使得其应用受到限制。两亲性壳聚糖（CS-graft-OA）在水溶液中的浓度高于其临界浓度时，会自发组装形成壳核纳米胶束，该胶束来源丰富，安全无毒，并且可以溶解和保护荧光共轭聚合物，具有优异的安全性、生物相容性和稳定性。利用两亲性壳聚糖胶束包载一种掺杂型的羧基化聚芴共轭聚合物PFTBTCOOH 荧光探针形成生物胺检测探针，如图3 所示，脂肪胺可引起该探针发光，如图4 所示，该生物胺检测探针可以用来定量测量水溶液中脂肪胺的含量[12]。

除此之外，金属有机框架（Metal-Organic Frameworks,MoFs）具有易于功能化的表面和可调的孔隙率，也是一种在食品新鲜度检测方面应用广泛的荧光材料[13]。将甲基红（Methyl Red,MR）与镧系金属有机框架(EuMOFs)结合制成甲基红@镧系金属-有机骨架（MR @ EuMOFs）比率荧光传感器，将荧光传感器和一对二逻辑运算相结合，可以检测食品腐败过程中多种生物胺的含量[14]。

比率荧光型传感器操作简单、响应快速、灵敏度高、选择性好、可定性定量检测，因而应用范围很广，引起了广泛关注。

2.2 生物胺比色型传感检测技术

生物胺比色传感主要是使用pH 敏感染料与固体基质结合制成指示器，然后与生物胺进行检测显色，通过对生物胺含量与显色卡色泽对应，判别食物腐败的程度。生物胺比色型传感技术被广泛研究及应用，以化学合成染料和天然染料作为pH 敏感染料的传感器已有较多的研究应用成果。pH 敏感染料可分为天然染料（如花青素、姜黄素）和化学合成染料（如溴百里酚蓝、甲基红）。固体基质可选用传统材料如纸张或塑料薄膜，也可选用生物可降解材料如淀粉、蛋白质或多糖等。生物胺比色型传感技术是应用比较广泛的新鲜度传感技术。

表1 国家肉类食品安全检测判定标准

图1 高蛋白类食品变质和生物胺产生示意图[5]

图2 高蛋白类食品新鲜度的检测指标及可视化示意图

图3 两亲性壳聚糖生成过程（a）和生物胺检测探针生成过程（b）[11]

图4 脂肪胺引起生物胺检测探针发光的过程[11]

图5 PANI 新鲜度指示剂用于罗非鱼新鲜度的检测[16]

以化学合成染料为pH 敏感染料的传感器例如溴甲酚绿溶胶凝胶传感标签，可用来检测鱼类食品新鲜度。溴甲酚绿（Bromocresol green, BCG）是一种高度敏感的pH 指标，属于磺胺邻苯二甲胺染料组，pH 的轻微增加可以立即触发BCG 的可见颜色变化。使用滤纸作为新鲜度指示剂的固体基板，将BCG 加入特定溶液制备BCG 溶胶凝胶溶液并涂覆在滤纸上制备BCG 溶胶凝胶传感标签，溶胶-凝胶层提高了传感标签的抗潮性能，有助于防止湿气干扰传感标签的准确性。该BCG 溶胶凝胶传感标签能准确判别鱼类的新鲜度[15]。作者所在研究小组，通过聚苯胺（polyaniline,PANI）导电高分子质子化和去质子化过程，PANI 的颜色变化，实现对鱼肉新鲜度的有效检测，如图5 所示。

除此之外，还有以天然染料为pH 敏感染料的传感器，天然pH 染料指示剂因其含量丰富、来源广、成本低、提取方法简单、变色效果明显[17]等优点而受到广泛应用。例如基于从美丽蓝蓟花中提取的花青素并融入细菌纤维素薄膜制成的比色传感器，可以用于监测包装虾的新鲜度[18]；将葡萄花色苷通过原位方法嵌入细菌纳米纤维素中制成的比色传感器[19]；以紫草素作为pH 值指示着色剂，以纤维素滤纸作为固体基质的比色传感器[20]；以茜素染料为pH 值指示着色剂，以玉米醇溶蛋白静电纺丝纳米纤维为固体基质的基于蛋白质的比色传感器[21]；以玫瑰花色苷为pH 值指示着色剂，以聚乙烯醇/秋葵粘多糖为固体基质的比色传感器[22]；以红苷蓝花色苷为pH 值指示着色剂，以聚乙烯醇/羧甲基纤维素钠为固体基质的比色传感器[23]等。

生物胺比色传感具有实时、无损、可视化和低成本的优点，易于消费者识别食品新鲜度，因而在食品包装和新鲜度检测领域有着广泛的应用。

2.3 智能氨气传感器技术

传感器通过发射信号，根据设备的响应来检测、量化物质和能量，它被认为是未来智能食品包装行业中最有前途和创新性的技术[24]。氨气传感器可以用来检测食品包装中氨气的浓度。在食物腐败过程中，产生的氨气的变化与食物体内TVB-N 变化有着极强的线性相关性，因而氨气和TVB-N 一样可以作为检查食品新鲜度的指标。传统氨气传感技术与新技术如RFID 技术等结合，可制成智能氨气传感器，用于食品包装以检测食品新鲜度。

在众多类型的氨气传感器中，半导体型传感器因其制作简单、操作快捷方便、灵敏度较高等优点而成为目前应用最广泛的一类氨气传感器。半导体性传感器又可分为电阻式和非电阻式传感器，非电阻型传感器是通过测试材料本身的物理特性来反映氨气的浓度[25]，电阻型传感器是根据氨气敏感材料接触氨气之后电阻发生变化来反映氨气的浓度。半导体型氨气传感器常用金属氧化物、碳纳米材料以及导电聚合物等作为氨气敏感材料[26]，其中导 电 聚 合 物， 例 如 聚 吡 咯（Polypyrrole, PPy）， 聚 乙 炔（Polyacetylene, PA），聚苯胺，聚噻吩（Polythiophene, PTs），由于其强大的电荷转移和共轭能力而成为一类重要的电子传感材料。

图6 PANI / Zn-tpps 4 柔性设备的肉类新鲜度传感器的原理图[27]

PANI 具有独特的质子化机制，良好的化学稳定性，优异的电导率，易于合成和低毒性的优点，可用来制作氨气传感器，但纯PANI 对NH3灵敏度较低，需要与其他氨敏材料如金属卟啉复合。武汉大学包装实验室通过简单的一步电沉积方法成功地制备了基于PANI / Zn-tpps4 的新型NH3传感器，PANI / Zn-tpps4 传感器具有出色的气敏特性，包括高响应、实时检测、良好的循环耐久性、低检测限等，且在高温下仍有良好的传感性能[27]。由电源、天线、NFC 芯片和PANI/Zn-tpps4 薄膜组成的智能氨气传感器，可以贴在肉类食品包装上，有NFC 功能的智能手机可接收信号，识别肉变质时发出警示，如图6 所示。

氨气传感器具有检测成本低、过程耗时短、操作简便、可移植性好等优点，与新技术结合，使消费者能够更加快捷准确地得到食品安全信息，能够很好满足消费者需求。

3 结语

3 种食品新鲜度传感检测技术有各自的特点：比率荧光型传感检测技术可实现定性定量检测；生物胺比色型传感检测技术的可视化为消费者提供了便利；智能氨气传感器技术更加快速准确，在食品新鲜度检测方面发挥着巨大的作用，有着光明的发展前景。从比率荧光型传感技术到生物胺比色传感技术再到智能氨气传感技术，食品新鲜度传感检测技术一直朝着更便捷、更快速、更准确、更易于识别、更智能的趋势发展，以便适应各种各样的食品包装，使消费者易于判断食品新鲜度，确保食物品质，保障消费者的生命健康。