嗅覺可視化技術(shù)在豬肉新鮮度檢測(cè)中的應(yīng)用

孫 梅, 付 妍

隨著生活觀念的轉(zhuǎn)變,人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng),對(duì)綠色健康食品的追求不斷提高,對(duì)食品衛(wèi)生的要求越來越高.豬肉是我國(guó)人民主要的肉食來源,是人類膳食結(jié)構(gòu)的重要組成部分,但也是最易腐敗的食品之一.隨著“瘦肉精”以及過量食品添加劑的使用,食品安全問題的重要性已經(jīng)上升到一個(gè)前所未有的高度.因此,努力做好肉類新鮮度的檢測(cè),對(duì)于保障人民食肉安全、維護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益、更好地實(shí)施“放心肉”工程,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義.

近年來,國(guó)內(nèi)外專家對(duì)肉類新鮮度無損檢測(cè)進(jìn)行了大量的探索和嘗試,取得了很多成果.目前豬肉新鮮度無損檢測(cè)有各種方法,包括近紅外光譜技術(shù)[1-3]、超聲波檢測(cè)技術(shù)[4-5]、人工嗅覺和人工味覺檢測(cè)技術(shù)[6-7]、光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)[8-10]、多傳感器信息融合檢測(cè)技術(shù)等.嗅覺可視化技術(shù)是2000年由美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄本那一香檳分校的Suslick K S教授提出的[11],他是利用可視化傳感氣敏材料與待檢測(cè)氣體反應(yīng)前后的顏色變化對(duì)揮發(fā)氣體(VOCs)進(jìn)行定性定量分析的.嗅覺可視化傳感器中使用的可視化傳感氣敏材料具有分子識(shí)別性功能,所以嗅覺可視化方法可以區(qū)分相似化學(xué)物質(zhì),甚至是化學(xué)性質(zhì)極其相似的同分異構(gòu)體.目前,江蘇大學(xué)的黃星奕小組也在進(jìn)行有關(guān)可視化傳感器的相關(guān)研究,主要對(duì)多種化學(xué)純組分氣體進(jìn)行識(shí)別研究.但進(jìn)行國(guó)際查新表明,國(guó)際上還沒有見到氣味可視化裝置在肉類新鮮度方面的公開報(bào)道.

1 嗅覺可視化技術(shù)的檢測(cè)指標(biāo)

肉類由于其高蛋白及較高水分的特性,易于腐敗.圖1是肉類腐敗過程中拍攝的典型圖片,它們直觀地反映了肉類(豬肉)腐敗過程中的變化.當(dāng)豬肉由于各種微生物的污染和作用發(fā)生變質(zhì)或者由于自身酶的分解作用引起酸臭性發(fā)酵時(shí),會(huì)產(chǎn)生硫化物和其他揮發(fā)性物質(zhì),如氨氣.因此可根據(jù)豬肉在不同時(shí)期產(chǎn)生硫化氫和氨氣釋放的程度,通過氣體傳感器采集硫化氫和氨氣的數(shù)據(jù),可用于豬肉新鮮度的檢測(cè)和分析.嗅覺可視化技術(shù)對(duì)肉類腐敗過程中產(chǎn)生的氨類物質(zhì)的檢測(cè)靈敏度非常高(＜50μg/kg),這一精度遠(yuǎn)高于人類的檢測(cè)嗅覺閾值(＞100 μg/kg).所以,嗅覺可視化技術(shù)將在飲料、酒類、化妝品、調(diào)味品、農(nóng)產(chǎn)品食品香氣檢測(cè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景.

2 嗅覺可視化傳感器陣列

圖1 肉類腐敗過程Fig.1 Result of pork corruption

嗅覺可視化技術(shù)是一種全新的電子鼻理念,是根據(jù)可視化傳感器與待測(cè)氣體反應(yīng)前后的顏色變化對(duì)氣體進(jìn)行定性、定量判別.嗅覺可視化技術(shù)的傳感器檢測(cè)不僅利用氣體敏感材料和待測(cè)氣體之間的范德華力等很弱的相互作用,而且引入了金屬鍵、極性鍵等較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng),所以嗅覺可視化傳感器具有分子識(shí)別功能,能夠區(qū)分相似性的物質(zhì),打破了常見傳感器難區(qū)分相似物質(zhì)的瓶頸,為食品氣味的圖像化指紋奠定了基礎(chǔ).

2.1 嗅覺可視化傳感器材料的選擇

傳感氣敏材料很多,但并不都是可用來制作氣味可視化傳感器的,作為可視化傳感氣敏材料必須具備2個(gè)條件:1)該化合物必須與大多數(shù)的氣體分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),且這種反應(yīng)產(chǎn)生的分子間作用力要大于一般物理吸附的范德華力;2)該化合物應(yīng)具有顯色基團(tuán),與氣體分子反應(yīng)時(shí)能呈現(xiàn)顏色的變化.目前滿足這兩個(gè)條件的主要有卟啉類化合物和酸堿指示方劑.我們選擇金屬卟啉做為可視化傳感器的氣敏材料.

2.2 金屬卟啉化合物

卟啉(porphyrin)類化合物是在卟吩(porphin)環(huán)上擁有取代基的一類大環(huán)化合物的總稱,自然界中存在的卟啉化合物大都為金屬卟啉.金屬卟啉由大π共軛有機(jī)分子(卟啉環(huán))和金屬離子(M)構(gòu)成,是一類含有金屬離子的大環(huán)高分子化合物,分子結(jié)構(gòu)如圖2.金屬離子位于卟啉環(huán)的中心,卟啉和金屬卟啉分子具有剛性結(jié)構(gòu),周邊官能團(tuán)的位置和方向可以加以控制,且分子有較大表面,其軸向配體周圍的空間大小和相互作用的控制余地較大.位于金屬卟啉中心的金屬離子與四個(gè)吡咯環(huán)上的氮原子連接,由于金屬卟啉軸向配體的配位基是敞開的,因此金屬卟啉作為受體有顯著優(yōu)點(diǎn),可進(jìn)行分子大小、形狀、官能團(tuán)和手性異構(gòu)體的識(shí)別.

卟啉化合物在自然界和生物體中廣泛存在,如細(xì)胞色素、血紅素、葉綠素等都是卟啉化合物,在生命過程中起著重要的作用.它具有以下的幾個(gè)重要功能。

圖2 金屬卟啉的分子結(jié)構(gòu)Fig.2 molecular structure of metalloporphyrin

1)分子識(shí)別能力.卟啉化合物的分子識(shí)別功能已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)物質(zhì)的分析,例如,對(duì)氨基酸、核苷酸、糖烴生物小分子以及苯醌、胺類、咪唑等有機(jī)小分子進(jìn)行分子識(shí)別;在色譜分離中,對(duì)稠環(huán)芳烴、富勒烴的形狀進(jìn)行高選擇性分離.圖3為金屬卟啉的立方體結(jié)構(gòu).

圖3 金屬卟啉的立體結(jié)構(gòu)Fig.3 Sereostructrue of metalloporphyrin

2)具有較強(qiáng)的顯色性能.卟啉化合物的顯色能力很強(qiáng),是非常有發(fā)展前途的一類超高靈敏的顯色劑.卟啉中心不同的金屬離子(M)可以形成不同顏色的金屬卟啉,如含有相同R取代基的鈷卟啉和三價(jià)鐵卟啉在二氯甲烷中的顏色分別是深紫色和墨綠色.更重要的是,當(dāng)金屬卟啉作為化學(xué)反應(yīng)的受體時(shí),外來基團(tuán)進(jìn)入卟啉環(huán)內(nèi)與中心金屬離子以及其他基團(tuán)連接時(shí),金屬卟啉會(huì)發(fā)生顏色變化.例如,當(dāng)含氮配體與鐵卟啉軸向配位時(shí),鐵離子上的電子云密度會(huì)加大,同時(shí)卟啉吡咯環(huán)上的電子云密度也會(huì)增大,以上變化反應(yīng)在光譜上就是吸收峰發(fā)生紅移.相同量的不同外來基團(tuán)或不同量的同一基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生不同的顏色變化,從而可以根據(jù)金屬卟啉反應(yīng)前后的顏色變化程度對(duì)揮發(fā)氣體(VOCs)進(jìn)行定性或定量分析.

3)具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,金屬卟啉化合物大多數(shù)不溶于水,是一類疏水性物質(zhì),可以避免環(huán)境中濕度變化給傳感器帶來的影響.

2.3 嗅覺可視化傳感器陣列的研制

確定好嗅覺可視化傳感器材料后,怎樣將這些材料制成傳感器,這既有制作技術(shù)問題,也有工藝問題.嗅覺可視化傳感器材料的獲取和制作是傳感器的核心技術(shù).結(jié)合相類似的傳感器制作工藝,目前嗅覺可視化傳感器主要采用薄膜傳感器制作工藝.該工藝主要是將敏感材料沉積在介質(zhì)襯底(基板)上,形成相應(yīng)敏感材料的薄膜.因些,基板材料的選取會(huì)對(duì)傳感器的性能產(chǎn)生影響,目前用于嗅覺可視化傳感器制作的基板主要是反相硅膠平板、聚四氟乙烯等疏水性材料.一種化學(xué)顯色劑可以制成一個(gè)可視化氣體傳感器,不同顯色劑制成的傳感器其敏感特性不同,將多個(gè)不同顯色劑制成的傳感器排列在一起就形成可視化傳感器陣列,這些傳感器的排列組合提高了檢測(cè)精度,也極大地拓展了嗅覺可視化的應(yīng)用范圍.因此,嗅覺可視化傳感器一般以陣列的形式出現(xiàn).

嗅覺可視化傳感器陣列制作方法可分以下三個(gè)步驟.

1)氣體色敏材料的選擇.選用對(duì)氣體有顏色變化的疏水性卟啉化合物作為氣體色敏材料.

2)基地和溶劑的選擇.將可視化氣敏材料以一定的濃度溶解在有機(jī)溶劑中,并選用合適的基底平板用來固定色敏材料.

3)點(diǎn)樣制板.通過微量取樣裝置取一定量的氣敏溶液固定到基底平板上,干燥后,再進(jìn)行下一個(gè)氣敏材料的固定.圖4為可視化傳感器陣列反應(yīng)的特征圖像.

2.4 嗅覺可視化傳感器陣列的檢測(cè)原理

圖4 嗅覺可視化傳感器陣列Fig.4 Colorimetric sensor array

利用可視化傳感器陣列檢測(cè)氣味物質(zhì)時(shí),待檢測(cè)氣體以惰性氣體(氮?dú)?為載氣進(jìn)入反應(yīng)室,與可視化傳感器陣列反應(yīng),傳感器陣列上的化學(xué)顯色劑就會(huì)發(fā)生顏色變化,利用圖像獲取裝置,得到氣體和傳感器陣列反應(yīng)前以及反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的傳感器陣列圖像,經(jīng)過圖像處理,提取顯色劑反應(yīng)前后顏色變化的絕對(duì)值(ΔR、ΔG、ΔB). ΔR=|Ra-Rb|,ΔG=|Ga-Gb|,ΔB=|Ba-Bb|,式中,R、G、B 紅綠藍(lán)三原色,ΔR、ΔG、ΔB三原色分量相減的絕對(duì)值.下標(biāo)b(before)為可視化傳感器陣列與待測(cè)氣體反應(yīng)前的圖像,下標(biāo)a(after)為可視化傳感器陣列與待測(cè)氣體反應(yīng)后的圖像.

2.5 檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)思路

這一部分主要是對(duì)樣品的檢測(cè)與分析裝置做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)完善還在進(jìn)行中.由于主要是對(duì)氣味(氨氣和硫化氫)進(jìn)行檢測(cè)和分析,首先將待測(cè)氣體置于氣體收集室中密閉,選擇惰性氣體為載氣,混合氣體的流速和溫度分別用氣閥和恒溫系統(tǒng)來控制,氣體與氣味傳感器發(fā)生作用時(shí)顏色的前后變化用掃描儀來記錄.實(shí)驗(yàn)中采用電磁閥來控制氣路中氣體的流向,實(shí)現(xiàn)了氣路控制自動(dòng)化.不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于電子鼻進(jìn)行系統(tǒng)的要求不同,要根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行系統(tǒng)加以改造.嗅覺可視化最終是通過傳感器反應(yīng)前后顏色變化來實(shí)現(xiàn)的,能否獲得高精度的傳感器的顏色變化是影響整個(gè)系統(tǒng)精度的因素之一.又由于在狹小的空間中很難布置光源,因此高精度的掃描儀是現(xiàn)在研究中常用的圖像獲取裝置.掃描儀的分辨率、CCD傳感器和光源等參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要的影響.

3 結(jié)束語

本文介紹了嗅覺可視化技術(shù)在豬肉新鮮度檢測(cè)方面的應(yīng)用,重點(diǎn)介紹了氣敏材料和選擇與可視化陣列的制作過程.嗅覺可視化技術(shù)將為肉類生產(chǎn)企業(yè)和肉類加工企業(yè)提供一種只需單一裝置就可快速有效地對(duì)豬肉新鮮度進(jìn)行檢測(cè)的手段,并且該設(shè)備的檢測(cè)原理也可以推廣到有毒氣體檢測(cè)、蔬菜水果、奶制品等食用消費(fèi)品等新鮮度檢測(cè)、以及農(nóng)藥殘留檢測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域,對(duì)提高大眾生活質(zhì)量和保障民族身體健康具有非常意義.

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