商業(yè)化時間－溫度指示器的研究進展及應(yīng)用

賈增芹 盧立新，2

（1.江南大學(xué)包裝工程系，江蘇 無錫 214122；2.中國包裝總公司食品包裝技術(shù)與安全重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

商業(yè)化時間－溫度指示器的研究進展及應(yīng)用

賈增芹1盧立新1，2

（1.江南大學(xué)包裝工程系，江蘇 無錫 214122；2.中國包裝總公司食品包裝技術(shù)與安全重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

為了解決食品在流通過程中溫度的可預(yù)測性，國內(nèi)外先后研制基于不同原理（機械學(xué)、化學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)或電子學(xué)的不可逆反應(yīng)）的時間－溫度指示器／劑（time temperature indicator／integrator，TTI）。通過對國內(nèi)外的 TTI進行全面調(diào)研，討論商業(yè)化TTI的適用性，并論述一種新型TTI（微生物型）的研究現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展前景。

時間－溫度指示器；商業(yè)化；適用性；微生物型

食品在生產(chǎn)后的流通、貯藏和消費過程中，它的質(zhì)量和有效貨架壽命主要受其溫度歷史的影響，而食品在冷藏或冷凍流通過程中，通常與食品包裝標(biāo)簽上的推薦溫度存在差別。在相同的環(huán)境和衛(wèi)生條件下生產(chǎn)的食品，流通過程中的溫度很大程度上決定著食品真正的貨架壽命，因此，監(jiān)測和控制食品流通過程中的溫度非常重要［1］。

自從人們意識到流通期間溫度變化對食品最終品質(zhì)起重要作用開始，便希望開發(fā)一種有效而廉價的指示裝置。起初時間－溫度指示卡用在冷凍產(chǎn)品上，最早的TTI裝置就是放置在每一箱食品中的冰塊，冰塊的消失則意味著操作不當(dāng)。從1933年開始，國際上出現(xiàn)了上百個與時間－溫度指示卡相關(guān)的專利（基于機械學(xué)、化學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)或電子學(xué)的不可逆反應(yīng)，其中化學(xué)反應(yīng)原理的占大多數(shù)）［2］。

1 商業(yè)化TTI

1.1 商業(yè)化TTI的發(fā)展現(xiàn)狀

第一個在商業(yè)中使用的TTI是由Honeywell公司開發(fā)的（Renier＆Morin，1962年），但是該TTI價格太高、體積過大。在20世紀(jì)70年代初，美國政府要求在某些產(chǎn)品上使用TTI（OTA，1979年），結(jié)果導(dǎo)致了大量的TTI相關(guān)研究和開發(fā)［3］。

盡管國際上出現(xiàn)了上百個與時間－溫度指示卡相關(guān)的專利，但只有極少的TTI能夠商業(yè)化。食品生產(chǎn)商不愿采用TTI的原因主要考慮價格、可靠性及適用性因素［2］。然而，適用性問題是TTI使用的真正障礙，適用性的關(guān)鍵在于設(shè)計的TTI能否真正反映食品品質(zhì)的變化情況。

目前，已經(jīng)商業(yè)化的TTIs包括擴散型（Monitor Mark?和Freshness Check?，美國3M 公司），酶型（Check Point?，瑞典Vitsab公司），聚合物型（Lifelines Freshness Monitor?和Fresh Check?，美國Lifelines Technology公司）和微生物型（TRACEO?、TRACEO restauration?和 EO?，法國Cryolog公司）。

1.1.1 擴散型 擴散型TTI是利用有色酯質(zhì)染料（如丁基硬脂酸酯、二甲基鄰苯二甲酸鹽、辛酸辛酯）在細(xì)繩上的擴散原理，酯質(zhì)物質(zhì)的熔點決定著TTI響應(yīng)的開始，當(dāng)外界溫度未達到酯質(zhì)的熔點時，酯質(zhì)不熔化，染料不擴散；當(dāng)外界溫度達到酯質(zhì)的熔點時，酯質(zhì)開始熔化，染料擴散，且溫度越高，染料擴散速度越快［4－6］。染料的擴散長度反映了產(chǎn)品經(jīng)歷的時間－溫度歷史。

1.1.2 酶型 酶型TTI利用脂質(zhì)底物與其相應(yīng)的酶發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生酸，導(dǎo)致體系pH降低，從而引起酸堿指示劑的顏色發(fā)生變化，溫度越高，酶促反應(yīng)速率越高［4－6］。TTI顏色變化程度能夠反映產(chǎn)品經(jīng)歷的時間－溫度歷史。

1.1.3 聚合物型 聚合物型TTI利用單體發(fā)生聚合反應(yīng)生成有顏色的高聚物，比如二取代丁二炔晶體通過晶格（R－C═C－C═C－R）能發(fā)生1，4－加成聚合作用形成有顏色的聚合物，溫度越高，聚合反應(yīng)速率越大［4－6］，聚合物的顏色反映產(chǎn)品經(jīng)歷的時間－溫度歷史。

1.1.4 微生物型 微生物型TTI是通過乳酸菌在生長代謝過程中產(chǎn)酸，導(dǎo)致pH降低，來引起指示劑的顏色變化。

1.2 TTI的適用性

最初，通過TTI反應(yīng)評估食品品質(zhì)的方法，是基于凍結(jié)食品等一般食品在貨架期期間有一個完整的溫度相關(guān)曲線（或譜帶）這樣一個假設(shè)，目的就是獲得具有類似的溫度相關(guān)曲線的指示卡，不同的時間對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線上不同的點。事實證明［2］，這種方法并不合理，即使是相同類型的食品，其品質(zhì)惡化與溫度相關(guān)性也有很大的差異。因此，必須要利用精確的動力學(xué)模型，來全面反映食品貨架期內(nèi)品質(zhì)的變化規(guī)律。

在所有溫度下，TTI的工作狀況都應(yīng)與它所監(jiān)控的具體食品有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，但需要建立無數(shù)個TTI模型，這是不切實際的。因此，需要找出一種有實際意義的通用方法，將反映食品品質(zhì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成TTI的反應(yīng)。Taoukis［3］基于阿倫尼烏斯方程，提出了一種基于化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)方法，將經(jīng)歷過相同溫度的TTI和同一類食品的質(zhì)量變化及其剩余貨架壽命聯(lián)系起來。在可知的變化溫度T（t）下，食品質(zhì)量函數(shù)的變化可以用式（1）計算得到：

式中：

A——食品質(zhì)量因子；

F（A）t—— 食品的質(zhì)量函數(shù)；

k——變溫條件下，食品質(zhì)量變化速率反應(yīng)函數(shù)；

kA—— 指前因子（Ahrrneius參數(shù)），h－1；

EA—— 反應(yīng)活化能（Ahrrneius參數(shù)），J／mol；

R—— 通用氣體常數(shù)，R＝8.314J／（mol·K）。

為了計算時間—溫度變化所積累的效應(yīng)，導(dǎo)入一個有效溫度（Teff）的概念，即在相同時間周期內(nèi)，銷售溫度變動引起相同質(zhì)量變化的一個溫度常數(shù)。并用這個數(shù)學(xué)模型驗證3種主要的商業(yè)化TTI（Monitor Mark?、Lifelines Freshness Monitor?和I－Piont?），證實這種方法適合任何類型的食品（冷凍、冷藏食品及貨架壽命穩(wěn)定的食品），但必須準(zhǔn)確地獲取食品的貨架壽命數(shù)據(jù)。Taoukis［4］對TTI和食品進行了系統(tǒng)模擬，以數(shù)學(xué)模型說明TTI對食品質(zhì)量或貨架壽命的反應(yīng)（式（2）、（3））?；谫|(zhì)量因子A，食品質(zhì)量函數(shù)的表達式如下：

式中：

kref—— 參考溫度Tref下的反應(yīng)速率常數(shù)，h－1；

Tref—— 參考溫度，值為273K；

Teff——等效溫度，一個與變化的溫度T（t）產(chǎn)生相同的反應(yīng)或變化的溫度，K。

利用阿倫尼烏斯方程，對TTI的反應(yīng)建模：

式中：

kref——參考溫度Tref下的反應(yīng)速率常數(shù)；

Teff（TTI）——TTI的等效溫度，與TTI經(jīng)歷變化溫度T（t）產(chǎn)生相同效果的溫度［1］，K。

將食品質(zhì)量函數(shù)與Arrhenius模型結(jié)合可以得出：

式中：

A——食品質(zhì)量因子；

F（A）t—— 食品的質(zhì)量函數(shù)；

kA—— 指前因子（Ahrrneius參數(shù)），h－1；

EA—— 反應(yīng)活化能（Ahrrneius參數(shù)），J／mol；

Teff——等效溫度，一個與變化的溫度T（t）產(chǎn)生相同的反應(yīng)或變化的溫度，K。

對于TTI，利用Arrhenius關(guān)系原理有

式中：

X——TTI的變化值；

F（X）t——TTI的響應(yīng)函數(shù)；

k1—— 指前因子（Ahrrneius參數(shù)），h－1；

E1—— 反應(yīng)活化能（Ahrrneius參數(shù)），J／mol；

Teff—— 等效溫度，K。

當(dāng)TTI與它監(jiān)測的食品處于相同的變化溫度T（t）時，通過TTI反應(yīng)量X可以知道F（X）t的值；Teff于是可以通過計算上述方程計算出；通過Teff和食品變質(zhì)的動力學(xué)參數(shù)kA和EA，可以計算出質(zhì)量函數(shù)F（A）t，從而可以計算出產(chǎn)品的質(zhì)量損失及剩余貨架壽命［7］。

如果一種TTI是可行的，并且其動力學(xué)特征已知，那么食品生產(chǎn)商面臨的挑戰(zhàn)將是對食品貨架壽命的研究。貨架期模型的建立必須要選擇和測定有效的質(zhì)量指標(biāo)，其試驗設(shè)計必須要有效地覆蓋所有可能范圍的等溫條件。貨架期模型的應(yīng)用特性還需要經(jīng)過在波動而不等溫的流通鏈條件下進一步驗證。Taoukis等［8］驗證了非等溫條件下，三種已經(jīng)商業(yè)化的 TTI（Monitor Mark?、Lifelines Freshness Moni－tor?和I－Piont?）監(jiān)測食品質(zhì)量的可靠性。選擇了兩種非等溫的試驗條件，① 將食品進行先低溫后高溫暴露，研究高溫歷史對食品的影響；② 溫度呈正弦曲線變化。結(jié)果表明，這3種TTI的反應(yīng)與阿倫尼烏斯預(yù)測模型相吻合，只有Lifelines Freshness Monitor?TTI在經(jīng)歷較長時間的高溫后，低溫下腐敗反應(yīng)速率加快，具有明顯的溫度“歷史效應(yīng)”。這對預(yù)測模型的準(zhǔn)確度來說具有不利影響，然而，食品的腐敗反應(yīng)中也存在溫度“歷史效應(yīng)”，比如脂肪氧化、干燥食品中維生素B1的損失。高溫暴露也可能加速食品中微生物在低溫下的生長速率。對這類食品來說，溫度“歷史效應(yīng)”是有利因素。

TTIs和包裝食品的動力學(xué)（n階反應(yīng)）符合阿倫尼烏斯方程。但是，它很難實現(xiàn)高契合的動力學(xué)數(shù)據(jù)，特別是從復(fù)雜化學(xué)成分的食品建立相關(guān)的模型方程。因此，它也許不能實現(xiàn)指示食品質(zhì)量狀態(tài)的準(zhǔn)確性。為克服這些障礙，Jin Young Han等［9］嘗試了一些經(jīng)驗，運用模糊推斷解決TTI顏色變化估計牛肉（揮發(fā)性鹽基氮）質(zhì)量變化的準(zhǔn)確性。

2 微生物型TTI的研究進展

在食品腐敗變質(zhì)的因素中，由微生物污染所引起的食品腐敗變質(zhì)是最為重要和普遍的。因此，將產(chǎn)酶的微生物源直接用在指示劑體系中，能夠得到在最受關(guān)注的溫度范圍內(nèi)與食品變質(zhì)情況相似的更準(zhǔn)確的溫度響應(yīng)情況。微生物型TTIs比其它類型的TTI更為先進，是因為它們的反應(yīng)與食品的微生物腐敗密切相關(guān)。事實上，在這種TTIs中細(xì)菌的生長和新陳代謝能直接反映食品中細(xì)菌的生長和代謝情況。Ellouze M等［10］通過研究一種基于乳酸桿菌的微生物TTI，得到了微生物TTI的具體動力學(xué)性能（比如活化能EA和終止點的選擇）。

賈林斯基［11］發(fā)明了一種新型的綜合指示體系，該體系采用二元的特異反應(yīng)對，它們由兩種中性底物同時產(chǎn)生酸和堿，一種底物的含量超過另一種。其中，它采用了酵母／甘油三乙酸酯作為第一反應(yīng)對，同時還證明了，其它的產(chǎn)酸微生物包括乳酸桿菌、鏈球菌和足球菌都可用于該體系。

商業(yè)化的生物型TTI是由CRYOLOG公司生產(chǎn)的TRACEO?和EO?，CRYOLOG是一個年輕的法國公司，開發(fā)和銷售了一系列生物TTIs，監(jiān)測敏感性食品的質(zhì)量安全情況。TRACEO?是一個小的藍色的膠黏標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)包含選定的乳酸菌株（LAB）。一旦把該條碼貼在追蹤的冷凍食品的包裝上，根據(jù)經(jīng)歷的時間－溫度歷史，TRACEO?提供了一個清晰的兩方面的反應(yīng)結(jié)果，一旦產(chǎn)品經(jīng)歷的溫度超過臨界溫度，或已達到其使用日期，就會發(fā)生從藍色變?yōu)榉奂t色的不可逆變化，同時伴隨著混濁反應(yīng)?；鞚岱磻?yīng)使人們很難確認(rèn)代碼。因此，該產(chǎn)品代碼不能用掃描儀掃出，于是，能夠?qū)κ袌錾系淖冑|(zhì)食品進行自動化和系統(tǒng)化監(jiān)測。從藍色到粉紅色的顏色變化，警告消費者食品已經(jīng)變質(zhì)。

Ellouze M.等［10］通過研究乳酸菌產(chǎn)生乳酸，對乳酸的pH值建模，研究了一種特定的生物TTI（TRACEO?）的應(yīng)用。Hariklia Vaikousi等［12］利用乳酸桿菌消耗葡萄糖及產(chǎn)生乳酸，使pH發(fā)生改變，產(chǎn)生可視的顏色變化，并將此TTI用于監(jiān)測冷凍食品的質(zhì)量；Theofania Tsironi等［13］將生物型TTI TRACEO?應(yīng)用在碎肉的氣調(diào)包裝上；Els Bobelyn等［14］將這種生物TTI用于監(jiān)測肉制品的質(zhì)量安全上，肉制品腐敗變質(zhì)的終點（微生物數(shù)量、感官質(zhì)量等）與該微生物型TTI的顏色終點（紅色）相一致。

3 前景與展望

目前中國還沒有成熟的商業(yè)用TTI，研究人員對TTI的研究較少，主要集中在電子型TTI和酶制劑TTI。谷雪蓮等［15］研制出能監(jiān)測和記錄冷藏鏈時間－溫度變化和剩余貨架期的指示器，并進行了牛乳在冷藏鏈中保質(zhì)問題的研究。也有人［6，16］以脲酶反應(yīng)為基礎(chǔ)的TTI和以堿性脂肪酶反應(yīng)為基礎(chǔ)的TTI的研制，并取得成功。這兩種TTI均通過反應(yīng)體系中pH值的改變進行顯色。具有顯色范圍廣，顯色靈敏，呈色穩(wěn)定，成本低廉的優(yōu)點。

蔡華偉等［17］進行了淀粉酶型TTI的研制。徐幸蓮等［18］研究了一種堿性脂肪酶型時間溫度指示方法及產(chǎn)品。

此外，呂志業(yè)等［1］將酶化學(xué)反應(yīng)和擴散原理結(jié)合起來，開發(fā)了一種新型的酶擴散型TTI，它可以通過顯色圈的大小來判斷指示器反應(yīng)進行的程度，從而可視的表征食品的剩余貨架壽命。后來，鄭偉洲［19］在這個研究基礎(chǔ)上結(jié)合酶固定化技術(shù)，對現(xiàn)有酶擴散型TTI的顯色效果、激活方式等方面進行優(yōu)化，得到了一種結(jié)構(gòu)簡單、儲藏方便、易于實際應(yīng)用的時間溫度指示器。

目前，由于TTI的成本、可靠性、適用性等問題影響，中國還沒有實現(xiàn)TTI的商業(yè)化。此外，微生物型TTI由于其成本低，能夠得到在最受關(guān)注的溫度范圍內(nèi)與食品變質(zhì)情況相似的更準(zhǔn)確的溫度響應(yīng)情況，將越來越受大家的青睞。TTI的廣泛應(yīng)用，會大大改善食品的安全問題。

1 呂志業(yè).基于酶化學(xué)原理的時間－溫度指示器研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2009.

2 Raija Ahvenainen.現(xiàn)代食品包裝技術(shù)［M］.崔建云，任政發(fā)，譯.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2006：95～112.

3 蔡華偉，任發(fā)政.“時間－溫度指示卡”的研究與應(yīng)用［J］.肉類研究，2006，9（2）：49～52.

4 田秋實，謝晶.時間－溫度指示器（TTI）的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009，36（6）：50～53.

5 李鎂娟，潘治利，黃忠民，等.冷餐鏈用時間－溫度指示卡的研究進展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2010（6）：22～25.

6 吳秋明.應(yīng)用脲酶開發(fā)貨架壽命指示體系的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

7 徐文達，程裕東，岑偉平，等.食品軟包裝材料與技術(shù)［M］.上海：機械工業(yè)出版社，2003：405～429.

8 Taoukis P S，Labuza T P.Reliability of time－temperature indicators as food quality monitors under nonisothermal conditions［J］.Journal of Food Science，1989，54（4）：789～793.

9 Jin Young Han，Min Jung Kim，Soo Dong Shim，et al.Application of fuzzy reasoning to prediction of beef sirloin quality using time－temperature integrators（TTIs）［J］.Food Control，2011，24（1－2）：148～153.

10 Ellouze M，Pichaud M，Bonaiti C，et al.Modelling pH evolution and lactic acid production in the growth medium of a lactic acid bacterium：Application to set a biological TTI［J］.International Journal of Food Microbiology，2008，128：101～107.

11 T.J.賈林斯基.終點明顯的時間－溫度指示劑：中國，92100665.9［P］.1993－01－27.

12 Hariklia Vaikousi，Costas G Biliaderis，Konstantinos，et al.Development of a microbial time temperature indicator prototype for monitoring the microbiological quality of chilled foods［J］.Appled And En－vironmental Microbiology，2008，74（10）：3 242～3 250.

13 Theofania Tsironi，Efimia Dermesonlouoglou，Maria Giannakourou，et al.Shelf life modelling of frozen shrimp at variable temperature conditions［J］.Food Science and Technology，2009（42）：664～671.

14 Els Bobelyn，Maarten L A T M Hertog，Bart M Nicola.Applicability of an enzymatic time temperature integrator as a quality indicator for mushrooms in the distribution chain［J］.Postharvest Biology and Technology，2006（42）：104～114.

15 谷雪蓮，杜巍，華澤釗，等.預(yù)測牛乳貨架期的時間－溫度指示器的研制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（10）：142～146.

16 吳丹.堿性脂肪酶貨架壽命指示體系的開發(fā)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

17 蔡華偉，任發(fā)政，張恒濤，等.淀粉酶型時間－溫度指示卡的研制［J］.食品科學(xué)，2006，27（11）：60～62.

18 徐幸蓮.堿性脂肪酶型時間溫度指示方法及產(chǎn)品：中國，200810196092.X［P］.2009－01－21.

19 盧立新，蔡瑩，鄭偉洲.基于脂肪酶反應(yīng)擴散的時間溫度指示器的制備方法和應(yīng)用：中國，201110023063.5［P］.2011－09－07.

Research and application on commercial time－temperature indicator

JIA Zeng－qin1LU Li－xin1，2

（1.Department of College of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214122，China；2.Key Laboratory of Food Packaging Techniques and Safety of China National Packaging Corporation，Wuxi，Jiangsu214122，China）

In order to solve the food distribution process in the temperature of predictability，TTIs（time－temperature indicator／integrator，referred to as TTI）based on different principles have been developed at home and abroad（mechanics，chemistry，enzymology，microbiology，or electronics irreversible reaction）.This paper have discussed TTIs at home and abroad through a comprehensive research，the commercial applicability of TTI，and a new TTI（microtype）status and it’s future research prospects.

time－temperature indicator／integrator；commercial；applicability；micro－type

10.3969／j.issn.1003－5788.2012.01.066

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（編號：2007AA100408）

賈增芹（1987－），女，江南大學(xué)在讀研究生。E－mail：jiazengqin＠126.com

盧立新

2011－11－01