王靜伊，岳崇澤，王之強，王桂英

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150040)

智能包裝(intelligent packaging, IP)是指通過檢測包裝食品的環(huán)境條件，提供在流通和貯藏期間食品品質(zhì)的信息，即利用包裝系統(tǒng)的通信功能輔助消費者決策，在食品質(zhì)量和安全增強方面實現(xiàn)預(yù)期效益[1]。智能包裝分為信息型智能包裝和功能型智能包裝，后者主要包括功能型包裝材料和新型包裝結(jié)構(gòu)等。信息型智能包裝則利用信息技術(shù)反映產(chǎn)品在貯運和銷售過程中的相關(guān)信息[2]，時間-溫度指示器(time-temperature indicator, TTI)作為信息型智能包裝的重要研究方向，近年來已有大量研究。TTI是一種可以感知和記錄產(chǎn)品所處環(huán)境溫度變化的裝置[3]，一般結(jié)合化學(xué)、力學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科，通過自身的反應(yīng)產(chǎn)生某些不可逆的改變以體現(xiàn)環(huán)境溫度的累積變化，在食品、藥品中均有廣泛的應(yīng)用前景。食品質(zhì)量嚴重依賴其流通過程的溫度歷史[4]，根據(jù)食品類型的不同，TTI研究正向高精度、高指向性的方向發(fā)展。本文介紹了近年來不同類別TTI的研究進展，并對目前TTI在商用上遇到的問題及發(fā)展前景進行了總結(jié)和展望，以期對智能包裝的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 TTI的分類及其應(yīng)用

1.1 物理型TTI

1.1.1 擴散型TTI

當(dāng)溫度變化時物質(zhì)擴散的速率會受到影響，研究人員利用分子間熱運動研發(fā)了多種擴散型TTI，如JAFRY等[5]制備了一種多層結(jié)構(gòu)的擴散型TTI，其最上層聚酯膜上的半球形凹槽用于盛裝小分子物質(zhì)的擴散流體，如油酸、辛酸與癸酸等；第5層的聚酯層隔板將TTI在整體上分成了2個盛裝液體的空間，并在兩部分之間形成了流體的擴散孔道；第6層的硝酸纖維素為擴散流體提供擴散路徑。當(dāng)玻璃蓋板受到機械力而破碎后即激活TTI，隨著時間延長和溫度變化即可通過擴散長度判斷產(chǎn)品所經(jīng)歷的溫度歷史。KIM等[6]以常溫下不易氧化、不易水解的棕櫚酸異丙酯(isopropyl palmitate, IPP)作為熔融物質(zhì)，以棉片作為基材制備一種新型的TTI(圖1)，果汁的初始需氧菌計數(shù)為3.7 lgCFU/mL，在15 ℃ 和25 ℃貯存36.6 h和12.5 h后，總需氧菌計數(shù)達到了6 lgCFU/mL的臨界水平，IPP的擴散距離分別為9.7 mm和7.2 mm，以此為依據(jù)，建立了基于擴散和時間溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，所建立模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的吻合性。

a-注射前;b-注射后

擴散型TTI使用方便、響應(yīng)形式清晰，且生產(chǎn)工藝簡單、適用范圍廣泛，在市場上取得了良好的商用效果，美國3MTM公司的Mointor MarkTM是一種擴散型TTI，當(dāng)溫度高于酯質(zhì)熔點時固體酯質(zhì)逐漸融化、擴散，顏色變?yōu)樗{色同時向右移動[7]，根據(jù)擴散速率與溫度的相關(guān)性，可用藍色擴散的位置判斷時間與溫度的累積關(guān)系，Mointor MarkTM目前在售，共7種不同的型號可供選擇；有研究利用Mointor MarkTM監(jiān)測新鮮果汁的質(zhì)量且結(jié)果表明效果良好[8]。庫碼標(biāo)簽是一種擴散型時間-溫度指示標(biāo)簽，由兩部分組件A、B組成(圖2)，啟用前兩部分獨立貯存，將組件A對準(zhǔn)粘貼于組件B上并將組裝好的標(biāo)簽粘貼到產(chǎn)品包裝容器的適當(dāng)位置即可開始使用，當(dāng)標(biāo)簽顏色由無色變?yōu)樯钌某潭缺硎井a(chǎn)品的剩余貨架期[9]，不同型號的庫碼標(biāo)簽可以指示奶制品、冷凍食品、水果、疫苗等。

圖2 庫碼時溫標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)[10]

擴散型TTI對食品的類型沒有嚴格的限制，這既是優(yōu)點也是弊端。優(yōu)點在于以此原理制備的TTI沒有使用限制，這擴大了其應(yīng)用范圍；反觀其降低了在使用中的準(zhǔn)確性，由于不同種類食品對溫度的敏感性各不相同，故部分擴散型TTI僅能反映溫度歷史，不能準(zhǔn)確反映食品質(zhì)量。

1.1.2 金屬納米顆粒TTI

金屬納米粒子獨特的光學(xué)特性使其在傳感器方面被大量研究。LIM等[11]利用明膠溶液和金前驅(qū)體(HauCl4, 1 mmol/L)在等溫條件(80 ℃)下生成金納米粒子(AuNPs)并制成TTI以監(jiān)測溫度變化，根據(jù)明膠濃度不同TTI顏色會從無色變?yōu)闄烟壹t到深藍色，結(jié)果表明，其在冷凍貯存中會出現(xiàn)清晰的顏色變化且顏色信號的強度與暴露的時間成正比。此外，WANG等[12]利用四氯金酸氫(Ⅲ)三水合物(HauCl4·3H2O)和AuNPs制備了明膠基納米金TTI監(jiān)測低溫貯藏產(chǎn)品，明膠作為還原劑和穩(wěn)定劑，用以控制金納米粒子的形狀和顏色，在冰箱冷藏環(huán)境中存放90 d后，TTI的顏色由淺粉色變?yōu)榧t色，該TTI特別適合用于保護高價值的生物產(chǎn)品，例如酶、抗體、血漿、干細胞和其他必須低溫貯存的易腐爛物品。ZHANG等[13]利用WANG的方法制備了基于明膠和納米金粒子的TTI并用于監(jiān)測松餅質(zhì)量，建立了TTI的吸光度和松餅的過氧化值之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TTI由初始的淡黃色變?yōu)樯钭仙珪r表明松餅已不可食用。

1.2 化學(xué)型TTI

1.2.1 聚合反應(yīng)型TTI

聚合反應(yīng)型TTI利用聚合單體發(fā)生聚合反應(yīng)生成固態(tài)聚合物的過程中產(chǎn)生顏色變化，且聚合速度隨著溫度的升高而加快的原理記錄溫度變化。聚二乙炔(polydiacetylene, PDA)是一種在溫敏變色材料和比色傳感器的研究中應(yīng)用廣泛的聚合物[14]，由二乙炔單體在紫外光輻照下聚合而成，具有共軛骨架和氫鍵作用的側(cè)鏈，在熱作用下PDA結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變從而由藍色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色[15](圖3)，在該研究中，利用內(nèi)源乳化法制備凝膠微球固定PDA脂質(zhì)體，然后與表面活性劑吐溫20溶液混合研制出TTI，將TTI的活化能和指示時間與三文魚的活化能和貨架期進行匹配，實現(xiàn)了三文魚貨架期的精確預(yù)測。美國Temptime公司的Fresh-Check?就是基于PDA制備的一種聚合反應(yīng)型TTI，基于固態(tài)聚合反應(yīng)，隨著時間和溫度的累積，標(biāo)簽的反射率降低，標(biāo)簽產(chǎn)生顏色的變化，TTI的“活動”中心的顏色與周圍環(huán)的參考顏色產(chǎn)生顏色差，可以直觀地判斷產(chǎn)品的貨架期情況。由于該標(biāo)簽從生產(chǎn)開始就處于活性狀態(tài)，必須在深度冷凍環(huán)境進行保存體現(xiàn)即時的產(chǎn)品質(zhì)量[17]。SUPPAKUL等[18]研制了一種具有低溫依賴性的TTI，TTI基材為聚二乙炔/二氧化硅納米材料(PDA/SiO2NC)，抽出薄膜擋片激活TTI后在容腔里的Tween 20會向條帶移動，接觸到PDA/SiO2NC條帶時，條帶會迅速由藍色轉(zhuǎn)為紅色，實驗結(jié)果表明，5、10、15、25 ℃條件下，使用該TTI對麥草汁的保質(zhì)期進行預(yù)測，除25 ℃的條件外，TTI的變化與麥草汁的保質(zhì)期均具有較好的匹配性。

圖3 PDA熱致變色機理圖[16]

1.2.2 氧化還原反應(yīng)型TTI

氧化還原型TTI利用化合物與氧發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生顏色變化。GALAGAN等[19]以易褪色油墨為研究對象，研制了一種基于蒽醌衍生物的氧敏感可褪色油墨，通過刮涂機和絲網(wǎng)印刷打印成TTI，其中米色蒽醌磺酸鹽易被亞硫酸氫鈉還原成紅色，與氧氣接觸后又變回米色。在此研究基礎(chǔ)之上，LEE等[20]制備了一種可印刷的TTI，使用前保存在室溫下的真空包裝中，打開后很容易被空氣激活并且色變過程開始。TTI反應(yīng)系統(tǒng)由比色氧化還原材料(無色亞甲藍，無色-MB)、氧化還原反應(yīng)抑制劑(L-抗壞血酸和L-半胱氨酸的混合物，AC)和氧氣(通過0.1 mm厚的醋酸鹽薄膜滲透從周圍環(huán)境中提供)組成，將該TTI用于監(jiān)測三明治的保質(zhì)期，取得了良好的效果。ADIANI等[21]以苯酚、碳酸鈉、過硫化銨為原料，利用苯酚氧化褐變制備了一種監(jiān)測水果微生物生長情況的TTI，對3種微加工水果(菠蘿、石榴，菠蘿蜜)進行了實驗，結(jié)果表明，TTI的顏色變化與3種水果中的微生物生長具有良好的相關(guān)性。

1.2.3 光致變色反應(yīng)型TTI

瑞士汽巴精化公司(Ciba Specially Chemicals & Freshpoint)的OnVuTM(圖4)是利用光化學(xué)反應(yīng)制備的一種光致變色TTI且已經(jīng)投入商用[22]，該TTI基于有機光致變色顏料(苯基吡啶)的光致變色固態(tài)反應(yīng)，在紫外線照射下顏料會由無色變?yōu)樗{色，其中無色時為熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，藍色時為亞穩(wěn)定狀態(tài)。研究人員為其開發(fā)了自動UV充電器，用于激活標(biāo)簽，當(dāng)用紫外光照射標(biāo)簽之后標(biāo)簽將被激活，標(biāo)簽會由無色迅速變?yōu)樯钏{色，此時TTI開始響應(yīng)[22]。在標(biāo)簽激活之后，溫度升高會促進其逆反應(yīng)，標(biāo)簽的褪色程度則反映著時間與溫度的累積效應(yīng)，與窗口外圍的比色卡比對即可直觀地判斷冷鏈運輸中肉類和海鮮的質(zhì)量。

圖4 OnVuTM變色機理示意圖[3]

1.3 酶型TTI

酶型TTI(酶促反應(yīng)型TTI)基于酶化學(xué)并利用溫度影響酶促反應(yīng)速率的影響表達對產(chǎn)品所處環(huán)境溫度變化，一般多以顏色變化為主。除淀粉酶TTI利用淀粉遇碘變藍的原理，其他酶型TTI均需pH指示劑作用以顯示顏色變化。Vitsab?公司的CheckPointTM指示標(biāo)簽是一種已成功商用的酶型TTI(圖5)。其利用脂肪酶水解酯類生成脂肪酸的過程反應(yīng)體系pH值降低，在pH指示劑的作用下使TTI的顏色由綠到亮黃再到橙紅。此TTI有左右2個小袋，一小袋內(nèi)含甘油三酯和pH指示劑，另一個含有脂肪酶溶液，手動按壓或自動將中間的隔斷破壞，兩小袋的內(nèi)含物就會接觸并開始反應(yīng)，TTI就此激活。BRIZIO等[23]利用淀粉和碘之間的絡(luò)合反應(yīng)產(chǎn)生的淀粉酶導(dǎo)致其TTI變色，其變色速率取決于介質(zhì)的時間和溫度。結(jié)果表明，含有6.5%淀粉酶的TTI具有最佳的響應(yīng)效果，該TTI以低成本、簡單、準(zhǔn)確的方式記錄了巴氏殺菌過程。其他學(xué)者利用淀粉酶、漆酶、脲酶、酪氨酸酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、糖化酶和黃嘌呤氧化酶來制備TTI標(biāo)簽的相關(guān)研究情況詳見表1。

表1 部分關(guān)于酶型TTI的研究

圖5 Vitsab?公司的CheckPointTM示意圖[7]

酶型TTI具有精確度高、指示性強的特點，但游離酶活性有限且酶貯存條件嚴格，這極大縮短了TTI的有效使用時長并降低了使用效率，不利于商業(yè)化推廣；而固態(tài)酶型TTI相較于液態(tài)酶型TTI使用效率更高也更穩(wěn)定，故近年來酶型TTI的研究重點是運用智能包裝技術(shù)將酶固定化，常用的固定化酶的方法有微膠囊化、共價結(jié)合、包埋等，如KO?AK等[30]結(jié)合微膠囊技術(shù)，將酪氨酸酶包埋到丙烯酰胺/雙丙烯酰胺凝膠中，制備了一種固態(tài)酶TTI。此外海藻酸鈉的—COOH與殼聚糖的—NH2之間存在靜電作用，可以結(jié)合形成包埋芯材的優(yōu)良壁材[38]，故利用海藻酸鈉/殼聚糖微膠囊包埋固定化酶的研究頗多，如MENG等[35]利用海藻酸鈉/殼聚糖微膠囊固定糖化酶，此固定化糖化酶TTI可用于監(jiān)測冷鮮豬肉的質(zhì)量。為制備更加穩(wěn)定的固態(tài)酶TTI，JHUANG等[26]結(jié)合靜電紡絲技術(shù)將漆酶固定在玉米蛋白纖維上，觀察到隨著時間和溫度的推移反應(yīng)進行到終點，愈創(chuàng)木酚溶液經(jīng)歷了從透明到深紫棕色的變化，且固定化漆酶濃度越高，變色過程越快，表明利用靜電紡絲技術(shù)固定化漆酶效果理想。

1.4 微生物型TTI

大部分微生物型TTI利用微生物產(chǎn)酸的原理，時間和溫度會影響反應(yīng)體系酸堿度的變化程度，在pH指示劑的作用下微生物TTI一般由深色變?yōu)闇\色[39]。表2列舉了部分微生物型TTI相關(guān)研究。

表2 部分關(guān)于微生物型TTI的研究

乳酸菌(lactic acid bacteria, LAB)在許多易腐敗食品中自然生長，其溫度和生長速度接近導(dǎo)致食品腐敗的細菌和病原體，因此，TTI中使用LAB能夠反映食品的微生物降解動力學(xué)，LAB也是最常用于制備食品用TTI的微生物。研究人員同時研究了乳酸菌TTI對牛肉[39]、豬肉[41]及雞肉[40]的監(jiān)測情況，結(jié)果表明乳酸菌TTI的變色情況可以有效地反映肉類食品的腐敗情況。同理，HSIAO等[43]利用清酒乳桿菌制備成微生物TTI，監(jiān)測了石斑魚的腐敗情況。也有研究人員利用楊氏菌制備了微生物TTI模型，在不同溫度環(huán)境中培養(yǎng)基上的菌落斑點會不同程度的從淡黃色變?yōu)樯钭仙玔47]，且結(jié)果表明，此TTI模型與牛肉新鮮度的變化具有較好的吻合性。利用酵母菌制備的TTI較少，有研究者制備了一種內(nèi)含酵母細胞、葡萄糖、甘油、酵母提取物等溶液的TTI，利用酵母菌發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生二氧化碳的原理，根據(jù)TTI小袋膨脹的程度判斷食物暴露在不適溫度下的時間[48]，可用于監(jiān)測新鮮農(nóng)產(chǎn)品的腐敗情況。此外微生物型TTI也可作為新鮮度指示標(biāo)簽使用，如FIROUZ SOLTANI等[49]將乳酸菌基的TTI作為新鮮度指示標(biāo)簽指示蔬菜的新鮮度(圖6)，該標(biāo)簽由凝膠狀透明材料構(gòu)成，隨著時間推移和溫度變化，條形碼的顯示內(nèi)容會逐漸模糊，直到掃描儀無法讀取條形碼表明蔬菜已不再新鮮。

圖6 一種條形碼形式的新鮮度指示標(biāo)簽[50]

微生物TTI在激活前的貯存條件至關(guān)重要，為保證微生物活性需要花費一定的貯存成本，即對于一般的微生物TTI在其使用前需要冷凍，TTI在解凍后方可使用。若貯存不當(dāng)，TTI可能在貯存時就已經(jīng)激活，導(dǎo)致可靠性和使用率低的問題。于是有研究人員為提高微生物穩(wěn)定性將其包埋在海藻酸鈉微球中[51]；MIJANUR RAHMAN等[52]結(jié)合SPG膜乳化技術(shù)，用海藻酸鈉微膠囊負載魏氏菌制成固定化微生物TTI。

CRYOLOG公司的(eo)?是一種已經(jīng)商用的微生物型TTI，利用乳酸菌的代謝活動指示食品腐敗。在使用之前TTI需在冷凍狀態(tài)下保存，以防止乳酸菌在培養(yǎng)基上生長，在室溫條件下解凍幾分鐘后TTI被激活。通過pH指示劑(eo)?可以表達不可逆地顏色變化。ELLOUZE等[53]評估了碎牛肉、五香熟雞肉片在(eo)?作為指示標(biāo)簽時的質(zhì)量和安全指標(biāo)，并利用其進行了對冷熏三文魚新鮮度的監(jiān)測[54]。來自同一公司的TRACEO?也利用了同樣的原理指示食品腐敗[55]。

1.5 其他類型TTI

部分部分TTI無法歸為上述類別中，如KIM等[56]改良了普通生物燃料電池的制備方法，利用電化學(xué)固定法制備出一種自供電TTI，即利用漆酶和葡萄糖氧化酶做酶電極，底物采用不同比例的葡萄糖與疊氮化鈉混合以調(diào)節(jié)溫度依賴性和自身壽命，此自供電TTI輸出的電壓即視作是TTI的響應(yīng)，結(jié)果表明其可用于監(jiān)測牛奶質(zhì)量。

此外多數(shù)TTI中均含有pH指示劑等化學(xué)試劑，若TTI破損其內(nèi)含物泄露到食品包裝內(nèi)部污染食品，則會產(chǎn)生不可控的安全隱患。因此基于天然色素的TTI在近年來成為了研究重點?；ㄇ嗨厥且环N能從自然界提取出來的天然色素，可對pH變化顯示不同顏色，是制成TTI的優(yōu)良原料[57]?；ㄇ嗨鼗鵗TI在監(jiān)測肉類食品質(zhì)量中有著廣泛的應(yīng)用前景，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分解產(chǎn)生具有堿性的胺類化合物和氨的同時，pH值上升隨即花青素基TTI顏色由淺變深。

2 食品用TTI的研究方向與前景展望

2.1 食品用TTI的研究方向

隨著消費者對食品的質(zhì)量要求日益增長，在食品生產(chǎn)、貯運、銷售的過程中，不但要保證食品安全，還要保持風(fēng)味口感、保證營養(yǎng)豐富，TTI在此兩方面均有廣闊的應(yīng)用前景且TTI一般以標(biāo)簽的形式粘貼于普通食品包裝上，是智能包裝技術(shù)與傳統(tǒng)包裝的結(jié)合，對于大規(guī)模商用有廣闊的前景。隨著智能包裝技術(shù)的進步，TTI可以向指示更精準(zhǔn)、成本更低廉、啟用更便捷的方向發(fā)展并有望廣泛應(yīng)用于食品包裝，未來關(guān)于TTI的研究重點應(yīng)著重以下幾方面：

(1)如何降低成本。隨著智能包裝的研究與其在食品包裝中的運用，食品成本有所提高，降低TTI成本至關(guān)重要。降低成本應(yīng)從兩方面入手，一是降低基材的成本，盡量選用價格低廉容易獲取的材料制備TTI；二是降低制作的成本，盡量結(jié)合簡單的包裝技術(shù)和簡單的啟用方式以壓縮TTI成本。

(2)如何避免TTI泄露的隱患。部分TTI內(nèi)含化學(xué)物質(zhì)或微生物作為反應(yīng)物，即便這些反應(yīng)物在經(jīng)驗上安全，可一旦泄露則會有污染食品的可能，如在食品中普遍存在一些小劑量且無毒的化學(xué)試劑或酵母菌等，但關(guān)于這些化學(xué)物質(zhì)能否被人類消化的研究還較少[3]，一旦TTI泄露則有污染食品的可能，這是TTI在應(yīng)用中需要考慮的問題。

(3)如何提高TTI的準(zhǔn)確性。TTI通過自身的反應(yīng)進行模擬食品腐敗過程并表現(xiàn)食品質(zhì)量變化，這就要求計算兩者相關(guān)性的數(shù)學(xué)模型應(yīng)盡量準(zhǔn)確。數(shù)學(xué)模型是否可以再繼續(xù)優(yōu)化和調(diào)整、甚至開發(fā)一種新的數(shù)學(xué)模型，是提高TTI與食品匹配的精確度的重要研究方向。

2.2 食品用TTI的發(fā)展前景展望

由于食品質(zhì)量嚴重依賴于貯藏時間和環(huán)境溫度，而TTI實現(xiàn)了兩者的有機結(jié)合，是最適用于食品、藥品包裝的智能包裝技術(shù)，它可以感知貯運過程中的環(huán)境溫度并將溫度與時間的累積效應(yīng)表達出來，便于消費者即時了解產(chǎn)品的質(zhì)量信息，以滿足消費者對食品品質(zhì)和安全的雙重需求。目前，由于TTI還存在著品種少、成本高和精準(zhǔn)度不夠等問題，還沒有廣泛投入商用。但隨著材料、電子、計算機、通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，時間-溫度指示器也將向著多品種、低成本、高精度和多質(zhì)量指標(biāo)融合的方向快速發(fā)展，使包裝行業(yè)邁入真正的智能化時代。