食物新鮮度監(jiān)測體系的初探

孫曦月 祝寧寧 張延龍

摘 要：食品的新鮮程度在日常生活中是密切相關(guān)的，小到對人體的身體健康，大到對大氣、水環(huán)境都有著嚴重的影響。使用科學先進的方法實時的檢測食品的新鮮程度是十分有必要的。本論文就是就新型納米傳感器與檢測體系芯片的相配合實現(xiàn)對食物的檢測。

關(guān)鍵詞：食品新鮮度;監(jiān)測體系

一、緒論

1.1 研究背景

1.1.1食品變質(zhì)對大氣環(huán)境的影響

雞蛋、豬肉等富含蛋白質(zhì)的食物，在微生物和酶的作用下，蛋白質(zhì)分解成硫化物、有機胺、糞臭素和醛類，產(chǎn)生腐臭味。

碳水化合物類食物會分解產(chǎn)生單糖、雙糖、醇、醛、有機酸等，產(chǎn)生酸腐味，污染室內(nèi)外空氣。

含油脂較多的食物腐敗時，會有難聞刺鼻、苦味和麻味，俗稱“哈喇味”，這些氣體會排放到空氣中從而污染大氣。

1.1.2食品變質(zhì)對水環(huán)境的影響

油脂含量較高的食品，在密閉空間容易發(fā)酵升溫，產(chǎn)生大量甲烷氣體，由于油脂極易氧化變質(zhì)，這類食品在水中發(fā)生生化反應(yīng)，產(chǎn)生一系列有害物質(zhì)，從而污染水體，甚至導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[1]。

若大量未經(jīng)處理的變質(zhì)食物被隨意排放，污水隨地表徑流流入周圍水體，將對水體造成大面積污染。

1.1.3食品變質(zhì)對人體健康的影響

人們?nèi)羰秤米冑|(zhì)的食物，會導(dǎo)致食源性疾病，長期食用，還可能引發(fā)胃癌。另一方面，變質(zhì)食物會引來蚊蠅、老鼠等病毒的傳播媒介[2]。如果變質(zhì)的餐廚垃圾未得到有效處理，被牲畜、家禽食用的話，容易使人和牲畜、家禽之間發(fā)生某些傳染病的交叉?zhèn)鞑ァ?/p>

1.2 國內(nèi)外食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.1 國內(nèi)食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.1.1 感官檢驗

感官檢驗是通過觀察肉的顏色、狀態(tài)、氣味、粘度和彈性來確定肉的新鮮度。這種方法簡單、快捷、方便，其結(jié)果接近消費者的判斷標準，但這種方法具有主觀性和片面性，很難得出準確的結(jié)論。

1.2.1.2 理化指標檢驗

理化檢驗的指標主要有揮發(fā)性鹽基氮、pH值、硫化氫等。目前揮發(fā)性鹽基氮被列入國家標準，可以有規(guī)律地反映出肉品的新鮮度變化，判斷出不同肉品之間的新鮮度差異，但國家標準檢測方法存在操作復(fù)雜、實驗設(shè)備多、檢測時間長等諸多問題，很難在現(xiàn)場快速檢測。

1.2.1.3 近紅外光譜技術(shù)

近紅外光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于食物中氨基酸、蛋白質(zhì)和脂肪的含量測定。近紅外漫反射光譜可以快速分析肉品的新鮮度，且不會對食品造成損害，但預(yù)測精度、穩(wěn)定性和檢測范圍有待進一步提高。

1.2.1.4 仿生技術(shù)

仿生技術(shù)是利用傳感器陣列的模式識別技術(shù)，模擬人的視覺、嗅覺、味覺來檢測食品的品質(zhì)，具有實時性、快速性、準確性和無損性[3]，可以定量、定性地評價食品的顏色、氣味、味道[4]。

1.2.2 國外食品有害物質(zhì)檢測方法

1.2.2.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)是利用食品在超聲作用下的衰減系數(shù)、吸收特性、傳播速度、固有頻率和聲阻抗，在線檢測食品成分、脂肪厚度和肌肉厚度的方法[5]。該方法適應(yīng)性強、檢測靈敏、使用靈活、對人體無害。

1.2.3 國內(nèi)外檢測方法優(yōu)缺點的比較

表1.1 各檢測方法的優(yōu)缺點比較

1.3 ?研究目的與意義

所謂的食品的腐敗變質(zhì)，是指食品在一定的環(huán)境因素影響下，由微生物為主的多種因素作用下所發(fā)生的有害的變化，即造成其原有化學性質(zhì)或物理性質(zhì)和感官性狀發(fā)生變化，降低或失去其營養(yǎng)價值和商品價值的過程。

在我們的日常生活中，在不同的時間、溫度等環(huán)境條件下，食物的新鮮程度不同，當食物腐爛變質(zhì)時，會產(chǎn)生一定量有害物質(zhì)，當食物變質(zhì)到嚴重程度，產(chǎn)生的有害物質(zhì)也會隨之增多，從而對環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響。

當我們食用到腐敗變質(zhì)的時候很容易對胃產(chǎn)生很是不好的效果，腐敗變質(zhì)的食品中常含有細菌分泌毒素和食品腐敗后的產(chǎn)物，會干擾到人體的新陳代謝，影響人體組織的正常功能。腐敗變質(zhì)食品里面的微生物以及產(chǎn)生的有毒物質(zhì)就是危害人體健康的罪魁禍首。腐敗變質(zhì)食品對人體的影響，吃后會發(fā)生食物中毒、腸炎、痢疾，表現(xiàn)為：惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉，嚴重時還會危及到生命。例如：腐敗水果中的展青霉素會使人的神經(jīng)系統(tǒng)麻痹，還是腎衰竭的誘發(fā)因素，促使人早衰。有些霉變后的食品產(chǎn)生的毒素甚至有致癌的作用。

例如：

受潮發(fā)霉以后的花生、大米、玉米、堅果等食品產(chǎn)生的黃曲霉素，可引起發(fā)熱、嘔吐、黃疸、昏迷、痙攣，甚至急性中毒死亡，且黃曲霉素的耐熱性高、具有極強的致癌性，尤其對肝臟的破壞力極強;

變質(zhì)的魚蝦會被一些細菌、酵母菌等產(chǎn)生的酶類將其蛋白質(zhì)進行分解，產(chǎn)生胺類、氨、硫化氫等有毒物質(zhì);

霉變后的甘蔗中產(chǎn)生毒真菌。主要損害中樞神經(jīng)系統(tǒng);

霉變后的自制發(fā)酵產(chǎn)品，如臭豆腐、豆瓣醬等，會致使肉毒梭狀芽孢桿菌產(chǎn)生的肉毒毒素引起中毒。

部分霉變后的水果，人們會習慣性的將壞掉的地方切掉后再進行食用，其實，整個水果都已經(jīng)變質(zhì)了，只是暫時沒有表現(xiàn)出腐爛的現(xiàn)象，食用時會感到口味苦，甚至出現(xiàn)惡心、嘔吐等中毒現(xiàn)象;

如若食用下了此類食物，會嚴重危害到我們?nèi)祟惖纳】怠?/p>

因此，對不同環(huán)境條件下食品的有害物質(zhì)進行科學的監(jiān)測與分析，有利于人們及時了解食物的新鮮程度，避免食物變質(zhì)。同時避免誤食變質(zhì)后的食物而導(dǎo)致身體方面的不適以及疾病。

二、食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系的研究

2.1 監(jiān)測體系應(yīng)用場景

食品變質(zhì)通常是由微生物的生長和繁殖活動引起的，外界環(huán)境是影響微生物生長活動的主要因素[9]。

第一，溫度是影響微生物生長的因素之一，微生物生長的最適宜溫度范圍為16-30℃，最高溫度為37-40℃，一般情況下，溫度低于10℃時，微生物將無法繼續(xù)生長。第二，含水量較高的環(huán)境更適合微生物的生長。第三，當空氣充足時，食物容易腐敗[10]。

因此，食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系的應(yīng)用場景設(shè)置為25℃和4℃的露天環(huán)境和密閉飯盒。

2.2監(jiān)測體系設(shè)計原理

食物變質(zhì)后會產(chǎn)生一些特殊物質(zhì)，如肉類變質(zhì)產(chǎn)生揮發(fā)性鹽基氮，魚蝦類水產(chǎn)品變質(zhì)產(chǎn)生揮發(fā)性鹽基氮和有機胺。食物新鮮度越低，揮發(fā)性鹽基氮、有機胺、硫化物的釋放濃度越高。

監(jiān)測體系將新型納米傳感器矩陣與實時時鐘芯片相結(jié)合，形成濃度維度和時間維度共同監(jiān)測的二維監(jiān)測指標體系。不同的傳感器組成傳感器矩陣，可檢測揮發(fā)性鹽基氮、有機胺、硫化物的含量，實時時鐘芯片記錄時間，監(jiān)測體系通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的指數(shù)公式計算后，通過LED屏顯示指數(shù)數(shù)值反映食物的變質(zhì)狀況。

2.3 監(jiān)測體系工作流程

監(jiān)測體系中的各種氣敏元件具有很高的靈敏性與識別性，當監(jiān)測體系進入工作狀態(tài)時，實時時鐘芯片進行時間監(jiān)測，傳感器快速捕捉食物變質(zhì)后散發(fā)的有害氣體。

一方面，實時時鐘芯片進行時間記錄，當測得的時間達到平均變質(zhì)時間，引起LED信號顯示。另一方面，當氣敏元件捕捉到有害氣體時，氣敏元件的電導(dǎo)發(fā)生改變，再通過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理功能，判斷釋放的氣體含量是否超過食品安全國家標準值，最后通過監(jiān)測體系的指數(shù)公式計算，LED屏顯示指數(shù)數(shù)值反映食物的變質(zhì)狀況。

2.4 監(jiān)測體系應(yīng)用硬件

監(jiān)測體系由三部分組成，分別為氣敏元件部分、程序控制部分、電源部分，將三部分組合后即為監(jiān)測體系。

2.4.1 新型納米傳感器矩陣

新型納米傳感器矩陣由胺類物質(zhì)傳感器、硫化氫傳感器、揮發(fā)性有機物傳感器組成，納米傳感器體積小、靈敏度高，單個氣敏元件尺寸為5*5*2mm。

2.4.2 監(jiān)測體系芯片

程序控制部分中最主要的是Intel公司生產(chǎn)的Curie芯片，Curie芯片集成了一個 32 位 Quark 微控制器，并提供有 384kb 的閃存和 80kb 的 SRAM 內(nèi)存，具有超低功耗特性，其尺寸為35*25*5mm。

程序控制及反饋區(qū)還有可調(diào)電阻模塊、開關(guān)模塊、LED模塊等。由電源、程序控制及反饋區(qū)、傳感器區(qū)組合即為監(jiān)測體系。

2.4.3 新型納米傳感器性能

傳感器陣列由不同氣敏元件組成，這些氣敏元件具有廣譜響應(yīng)特性、交叉靈敏度較大，相當于初級嗅覺神經(jīng)元。一般來說，氣體傳感器陣列可以由幾個獨立的氣體傳感器組成，它采用集成技術(shù)制造，體積小，功耗低，易于信號采集和處理。由于單個氣敏傳感器陣列的特性有質(zhì)的區(qū)別，所以除了每個傳感器和氣敏傳感器陣列的響應(yīng)外，還可以用單個氣敏傳感器來表示氣敏響應(yīng)的強度，所有的傳感器響應(yīng)模式都形成在多維空間中，在一定的環(huán)境條件情況下，氣體傳感器陣列上各個傳感器的響應(yīng)模式與傳感器所識別的氣體一一對應(yīng)，因此傳感器能夠識別到特定的氣體[11]。

氣體傳感器陣列的選取利用了傳感器“交叉敏感”的特性，確定了多維空間可以包含更多的系統(tǒng)信息，足夠多的獨立傳感器可以提供足夠的信息來表示氣體環(huán)境[12]。

2.5 監(jiān)測體系指數(shù)的研究

本課題研究的監(jiān)測體系是由時間維度和傳感器維度共同監(jiān)測的雙維度食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系，因此評價指數(shù)體系，是一個二元的分段函數(shù)，自變量是儲藏時間和傳感器響應(yīng)值，評價指數(shù)體系公式如式（3.1）所示：

監(jiān)測體系內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計算后，通過體系指數(shù)的數(shù)值結(jié)果對食品安全程度給出反饋。F（α）和F（t）分別是以傳感器響應(yīng)值和儲存時間為自變量的兩個函數(shù)，且函數(shù)值大于0。

通過實驗研究，將某種食物在25℃或4℃對應(yīng)的最長保鮮時間設(shè)定為限定時間，檢測指標含量超過國家標準值時對應(yīng)的傳感器響應(yīng)值設(shè)定為限定響應(yīng)值。

當儲存時間超過限定時間，或傳感器響應(yīng)值超過限定響應(yīng)值時，指數(shù)N<60，表示食物變質(zhì);儲存時間和傳感器響應(yīng)值都均未超過限定值時，指數(shù)60

三、結(jié)論

由此可見，對于食物的新鮮度檢測，于環(huán)境亦或是于自身身體健康而言，時很有必要的。與傳統(tǒng)的食物新鮮度檢測相比，本課題有如下創(chuàng)新點：

（1）本課題首次搭建了由新型納米傳感器矩陣、實時時鐘芯片和LED屏結(jié)合的食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系。

（2）本課題首次應(yīng)用胺類物質(zhì)納米傳感器對食物新鮮程度進行檢測。

（3）本課題首次設(shè)計了時間維度和傳感器維度共同監(jiān)測的雙維度食品有害物質(zhì)監(jiān)測體系。

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作者簡介：

孫曦月，女，1997年11月，黑龍江省哈爾濱市，漢族，本科，環(huán)境工程。

通訊作者：鄭力燕，女，1979年8月，天津人，漢族，博士，副教授，環(huán)境監(jiān)測，南開大學濱海學院。

（天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目 201913663013 ）

（南開大學濱海學院 ?天津 ?300270）