二氧化碳氣體指示器在食品包裝中的研究進展

劉 露，唐培浩，程 琛，何曉琳，齊 倩，于婷婷，王洪江

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163319）

一般來說，當(dāng)氣調(diào)包裝（MAP） 用于農(nóng)產(chǎn)品保鮮時，合理調(diào)節(jié)氣體比例和溫度控制是保證氣調(diào)保鮮效果的關(guān)鍵和核心。二氧化碳也是氣調(diào)包裝中的常用氣體，使用MAP技術(shù)包裝水果蔬菜時需嚴(yán)格監(jiān)控包裝內(nèi)二氧化碳濃度。二氧化碳濃度過高，會溶于水果蔬菜中的水，從而形成碳酸，改變水果蔬菜的酸度和口味，甚至引起水果中毒。同時，二氧化碳體積的減少也容易導(dǎo)致包裝萎縮，影響包裝外形的美觀[1]。然而，消費者通過肉眼很難判斷氣調(diào)包裝內(nèi)二氧化碳含量是否在安全合理的范圍內(nèi)，如果氣體比例不當(dāng)，輕者起不到氣調(diào)貯藏的效果，重者引起果蔬氣體傷害、縮短果蔬的貯藏壽命。而且對于其他食品來說，二氧化碳氣體水平的升高是包裝食品腐敗的主要指標(biāo)，而且維持最佳二氧化碳濃度水平有利于避免在氣調(diào)包裝（MAP）條件下導(dǎo)致的食品腐敗。因此，食品包裝內(nèi)的二氧化碳濃度需要被實時監(jiān)測。

指示器/傳感器是一種重要的智能包裝，可以自動監(jiān)測、感知和記錄食品在內(nèi)外環(huán)境循環(huán)中的變化?？梢韵癜b標(biāo)簽一樣通過復(fù)合，印刷或粘貼在包裝上。指示器/傳感器的功能不同于傳統(tǒng)的包裝技術(shù)，它是通過感知指示器/傳感器的視覺物理變化來告知和提醒消費者食品安全，能夠主動與消費者溝通[2]。因此，智能包裝技術(shù)能夠滿足消費者希望獲得更多關(guān)于被包裝食品的信息，如衛(wèi)生狀況、食品是否變質(zhì)、氣調(diào)包裝內(nèi)氣體是否泄漏等，比如利用氧氣指示器監(jiān)測包裝內(nèi)氧氣濃度變化，可根據(jù)指示標(biāo)簽的顏色變化間接得出包裝內(nèi)食品所處的環(huán)境狀態(tài)[3]。與監(jiān)控包裝內(nèi)氧氣類似，包裝內(nèi)二氧化碳也可以通過指示器或傳感器實現(xiàn)監(jiān)控。迄今為止，在監(jiān)測二氧化碳的指示器/傳感器方面取得了很大進展，但它們大多并不是用于食品包裝，而且受到諸如設(shè)備成本高、可預(yù)見性和能量輸入要求等限制，包括安全問題。以智能食品包裝中的指示和監(jiān)控原理出發(fā)，對二氧化碳氣體指示器/傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進行總結(jié)，為我國研究者開展智能食品包裝的基礎(chǔ)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 二氧化碳指示器

二氧化碳指示器以標(biāo)簽的形式放置在包裝內(nèi)，實時監(jiān)測穿過包裝材料的滲透現(xiàn)象、微生物代謝，以及食品基質(zhì)上的酶或化學(xué)反應(yīng)而引起的內(nèi)部二氧化碳變化[2]。二氧化碳氣體指示器也可用于評估活性包裝部件（如CO2清除劑）的功效，或檢測MAP中二氧化碳發(fā)生泄漏。在MAP中，高濃度的二氧化碳被廣泛用作保護氣體。在包裝后的一定階段，二氧化碳濃度的顯著降低是包裝泄漏的明顯特征。然而二氧化碳作為一種脆弱性指標(biāo)是不可靠的，在包裝泄漏過程中微生物的繁殖會產(chǎn)生二氧化碳，這可能導(dǎo)致二氧化碳濃度的變化。因為二氧化碳的積累可以作為微生物生長的標(biāo)志，二氧化碳指示卡也可以作為食品新鮮度的指標(biāo)。

由于氣體指示器放在包裝內(nèi)，因此在設(shè)計這些裝置時必須滿足一些要求，例如不溶于水且無毒（這些部件必須獲得食品接觸批準(zhǔn)）[4]。最廣為人知的氣體指示器用于檢查氧氣和二氧化碳的濃度。由于這些氣體在食品應(yīng)用中的重要性，在過去10年和最近幾年中，許多研究致力于發(fā)展氧氣和二氧化碳指示器[5-8]。大多數(shù)研究基于氧化還原染料（如亞甲基藍、甲基綠、α-萘酚酞、2,6-二氯靛酚或N，N，N"，N"-四甲基對苯二胺）、還原化合物（如還原糖） 和堿性化合物（如氫氧化鈉）[9]。然而，這些指示器在接觸到包裝頂部空間中的水分時，會遭受染料浸出。由于薄膜型氣體指示器能夠克服這些缺點，具有安全可靠的特性，因此近年來逐漸成為研究熱點。

Amao等人[10]以α-萘酚酞為變色染料，四辛基氫氧化銨為催化劑制備薄膜。研究表明，該薄膜的敏感度為10.3，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均小于3 s。當(dāng)薄膜未接觸到二氧化碳氣體分子時，α-萘酚酞以非質(zhì)子化的形式與催化劑形成離子對｛Q+N·xH2O｝ 的形式存在薄膜之中，當(dāng)薄膜遇到一定濃度二氧化碳氣體后，薄膜吸收二氧化碳顏色發(fā)生改變，非質(zhì)子化的離子對｛Q+N·xH2O｝ 與二氧化碳結(jié)合形成質(zhì)子化的 ｛Q+HCO3-·（x-1） H2O·HN｝。其反應(yīng)過程可用下圖表示：

α-萘酚指示劑質(zhì)子化反應(yīng)圖見圖1。

圖1 α-萘酚指示劑質(zhì)子化反應(yīng)圖

國內(nèi)關(guān)于食品包裝用二氧化碳指示器的研究較少，而且基本集中在二氧化碳薄膜型指示器的研究上。胡云峰團隊開展了一系列的二氧化碳指示器的研究[11-13]，以二氧化碳敏感型指示劑甲基紅和溴百里酚藍（3∶2）與成膜材料甲基纖維素、甘油，混合制得氣敏性凝膠，并以棉質(zhì)纖維紙為基材制備指示卡。采用響應(yīng)面分析法得到甲基纖維素添加量、甘油添加量和溶液量的最佳參數(shù)為甲基纖維素1.72 g/100 g，甘油4.27 g/100 g，溶液量11.39 mL。在最佳工藝組合條件下，指示卡具有較好的準(zhǔn)確性，變色明顯，通過肉眼即可觀察分辨，具有較高的實用性。邢月[14]以聚乳酸（PLA）作為基膜原料，通過對指示溶液的配方優(yōu)化，用流延法制得最優(yōu)配比的新鮮度二氧化碳比色指示卡，對指示卡進行性質(zhì)測定，并考查了環(huán)境條件對指示卡指示效果的影響，以蛋糕、饅頭為被包裝物，檢驗了二氧化碳新鮮度指示卡的應(yīng)用效果。

2 二氧化碳傳感器

近20年來，對氣體分析物具有定量和可逆響應(yīng)的傳感器的研究一直是一個熱點。已建立的氣體檢測系統(tǒng)包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Mosfet）、壓電晶體傳感器、安培氧傳感器、有機導(dǎo)電聚合物和電位二氧化碳傳感器。然而，這些系統(tǒng)表現(xiàn)出各種局限性。例如，對二氧化碳和硫化氫的交叉敏感、傳感器膜的污染和分析物（如氧氣）的消耗，并且這些系統(tǒng)在大多數(shù)情況下涉及對包裝的破壞性分析[15]。為了克服這些缺點，最近的發(fā)展特別關(guān)注于新型的氧氣和二氧化碳傳感器。

過去20年中，開發(fā)智能傳感器來量化氧氣在包裝中的滲透量一直是一個主要的研究課題，文獻中發(fā)表的大量著作及市場上的儀器和設(shè)備都證明了這一點。食品包裝用二氧化碳傳感器的發(fā)展滯后于氧氣傳感器，因為氧是導(dǎo)致許多食品降解腐敗的主要因素。然而，特別是自從MAP包裝系統(tǒng)的使用建立以來，控制包裝中的二氧化碳含量對于保質(zhì)期和新鮮度研究同樣重要[16]。傳統(tǒng)的二氧化碳定量和定性分析技術(shù)包括Severinghaus型電極、紅外光譜、氣相色譜和質(zhì)譜。然而，這些技術(shù)有一系列缺點，如儀器通常昂貴、笨重，而且不特別堅固；需要較長的路徑長度；容易受到干擾；缺乏機械穩(wěn)定性；需要相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)備[17-19]。因此，在過去的20年里，人們一直在努力制造靈敏、堅固、快速、廉價、靈活、易于微型化的二氧化碳檢測傳感器。二氧化碳傳感器按照氣體檢測原理可以分為光學(xué)和電化學(xué)兩大類，按照傳感器技術(shù)先進與否又可以分為傳統(tǒng)型和創(chuàng)新型。

二氧化碳傳感器分類見表1。

表1 二氧化碳傳感器分類

2.1 紅外二氧化碳傳感器

紅外二氧化碳傳感器依賴于二氧化碳能夠在波長為4.26 μm的紅外光譜處有吸收峰，二氧化碳濃度與吸收峰的強度成正比，從而對二氧化碳進行測定[32]。

二氧化碳濃度和其紅外吸收峰強度的關(guān)系遵循朗格比爾定律，其規(guī)律如下：

式中：C——二氧化碳濃度；

K——二氧化碳吸收系數(shù)；

L——吸收層厚度；

I——二氧化碳濃度變化后紅外吸收光強度；

I0——二氧化碳濃度變化前紅外吸收光強度。

2.2 電化學(xué)二氧化碳傳感器

Severinghaus二氧化碳傳感器是一種電化學(xué)傳感器。該傳感器的主體是玻璃電極，其內(nèi)部裝入碳酸氫鹽溶液，電極頂部覆蓋二氧化碳滲透膜，水和電解質(zhì)無法穿過該滲透膜。這種傳感器的操作原理是：二氧化碳溶于水后形成碳酸，碳酸經(jīng)水解形成碳酸氫根和氫離子。通過測量電流的強弱（碳酸氫鹽電解質(zhì)溶液）間接測量透過滲透膜的二氧化碳含量[22]。

電極傳感器是一種基于pH值變化的二氧化碳傳感器，具有測量靈活、成本低等優(yōu)點，可用于監(jiān)控包裝內(nèi)食品的質(zhì)量安全。該pH基電極傳感器是一種柔性高分子膜，通過溶膠-凝膠法制備而成。在薄膜制備過程中，氧化銥IrOx和一對微型的IrOx/AgCl電極被安裝在薄膜上，柔性膜上的pH值大小決定了產(chǎn)生電勢的強弱[30]。相比傳統(tǒng)的玻璃類電極傳感器，這種柔性pH基電極傳感器克服了玻璃類電極傳感器的脆性大、不可變形等缺點。

Lee K等人[7]研制了一種分離乳清蛋白基二氧化碳傳感器，添加0.1%WPI的傳感器透明度可以從91.8%變化到24.6%。然而，添加0.3%WPI的傳感器透明度變化范圍為73.7%～7.7%。整個透明度變化過程是不可逆的，不同二氧化碳濃度引起的傳感器透明度變化可以由添加到傳感器中的氯化鈉濃度控制。這種二氧化碳傳感器在二氧化碳引起的食品腐敗和防止果蔬過度成熟等產(chǎn)品包裝領(lǐng)域顯示出很大的應(yīng)用潛力[7]。該傳感器改進了Severinghaus二氧化碳傳感器由于吸收二氧化碳導(dǎo)致pH值減少而產(chǎn)生電信號的缺陷。

卟啉是一種應(yīng)用于化學(xué)傳感器的多功能化學(xué)敏感材料。近年來，各種卟啉聚合物膜被發(fā)展成為氣體傳感器。其中，大部分是基于卟啉染料的光致發(fā)光或光激發(fā)態(tài)猝滅。許多卟啉氣體傳感器由卟啉或其衍生物固定在氣體滲透性聚合物膜上[33]。Borchert N B等人[31]研究了一種光化學(xué)二氧化碳傳感器，該傳感器以四辛基或十六烷基三甲基氫氧化銨為相轉(zhuǎn)移劑，將磷光染料PtTFPP和顯色pH值指示劑α-萘酚酞添加到塑料材料中制備而成。所得到的薄膜傳感器涂層表現(xiàn)出對二氧化碳的強烈的光學(xué)響應(yīng)，在從0～100%二氧化碳濃度范圍內(nèi)響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為1 min和4 min。另一種新型的復(fù)合材料制作而成的微流體光電交叉反應(yīng)傳感器，能夠選擇性吸收溶解的二氧化碳。該微流體裝置包含微孔陣列，孔內(nèi)填充有離子交換聚合物微珠粒，并摻雜與季銨陽離子配對的鹵素染料。該傳感器對不同濃度的溶解二氧化碳提供獨特的響應(yīng)，對其他酸源沒有交叉敏感性[34]。

Meng X等人[35]開發(fā)了一種不可逆殼聚糖基二氧化碳傳感器，用于監(jiān)測泡菜的質(zhì)量（與包裝頂空中二氧化碳氣體分壓相關(guān)）。為此，在體積比為10∶1，10∶2，10∶5的條件下，將0.3%（W/V） 殼聚糖溶液和考馬斯亮藍染料（BB）混合，得到BB-殼聚糖基二氧化碳傳感器。該二氧化碳傳感器被用在25℃和15℃下的泡菜貯藏試驗中，結(jié)果顯示傳感器透明度與用于指示泡菜品質(zhì)的幾個參數(shù)有很好的相關(guān)性。

2.3 光學(xué)二氧化碳傳感器

根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)，光學(xué)二氧化碳傳感器可分為干、濕2種類型，通常使用的是濕型光學(xué)二氧化碳傳感器，因為干型光學(xué)二氧化碳傳感器受溫度和濕度影響較大，測量結(jié)果不夠精確。濕型光學(xué)二氧化碳傳感器的基本組分為pH值敏感染料；水封裝介質(zhì)，一般為溶有染料的碳酸氫鈉；透氣不透水的離子薄膜（Gas proof membrane，GPM），用于覆蓋濕傳感器層[25]。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，改性銠金屬的顏色在性質(zhì)不同的氣體氛圍中能夠使發(fā)生改變，比如在氮氣中改性銠會變成黃色，在一氧化碳中會變成棕色，在氧氣中會變成深藍色[36]。氣體以獨特的方式鎖定在金屬化合物中央，并沒有干擾每個原子在化合物晶體點陣中的確切位置。將改性銠運用在氣調(diào)包裝中，如果氣調(diào)包裝發(fā)生泄漏，根據(jù)改性銠的顏色改變就能實現(xiàn)食品安全預(yù)警。然而，金屬在食品系統(tǒng)中的使用將可能違背食品安全的許可[37]。

Li H等人[38]介紹了一種利用復(fù)合材料檢測二氧化碳的新方法。該技術(shù)使用8-羥基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽（8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonicacid，trisodiumsalt，HPTS） 和NiFe-LDH制備納米復(fù)合材料。在室溫下，該復(fù)合材料對不同濃度的二氧化碳有熒光激發(fā)，從而實現(xiàn)對氣調(diào)包裝中的二氧化碳的檢測。HPTS/NiFe-LDH納米復(fù)合材料通過一步水熱法合成。當(dāng)HPTS/NiFe-LDH納米復(fù)合材料還未發(fā)生熒光反應(yīng)時，陰離子染料HPTS插入層狀鎳鐵合雙氫氧化物NiFe-LDH陽離子夾層間。當(dāng)二氧化碳氣體逐漸通入上述系統(tǒng)，CO32-離子被插入NiFe-LDH層間，然后陰離子染料從NiFe-LDH中釋放，從而導(dǎo)致HPTS的熒光恢復(fù)。在充入二氧化碳氣體之前，HPTS/NiFe-LDH納米復(fù)合材料在水溶液中未表現(xiàn)出紫外光照射下的熒光；充入3.4 mL二氧化碳氣體后，可以觀察到典型的亮綠色熒光。這一研究結(jié)果表明，熒光強度與二氧化碳的量呈線性相關(guān)，這表明HPTS/NiFe-LDH納米復(fù)合材料可以用作選擇性辨別二氧化碳氣體的傳感器。

基于Forester共振能量傳遞機理的二氧化碳傳感器是一種固態(tài)高分子光化學(xué)傳感器，它將指示染料（磷光鉑-卟啉）和α-萘酚酞配合使用，實現(xiàn)了對二氧化碳濃度的精確檢測。此外，研究人員還對開發(fā)的二氧化碳傳感器進行了表征，并檢查了染料遷移造成的毒性?；谕瑯拥脑?，研究人員開發(fā)了采用不同的pH值指示劑染料（蘇丹紅Ⅲ共固定化于溶膠-凝膠基質(zhì)的釕多吡啶絡(luò)合物）的二氧化碳傳感器。該傳感器能夠準(zhǔn)確、快速地檢測出低濃度的二氧化碳（高達0.06%）。盡管2個傳感器都表現(xiàn)出氧檢測的交叉靈敏度，但可以通過適當(dāng)修改來克服這一缺陷。

研究人員用離子對熒光染料8-羥基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽（HPTS） （對pH值和CO2敏感） 和室溫離子液體（RTIL）來感知二氧化碳。發(fā)明涉及聚甲基丙烯酸甲酯或乙基纖維素，并形成納米纖維（直徑約為370～527 nm）的光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器比薄膜基傳感器對二氧化碳的敏感度高出24～120倍，具有更少的響應(yīng)時間，將來有很大潛力被用于智能包裝。

3 結(jié)語

二氧化碳指示器/傳感器的使用可以改變目前人們被動提高食品包裝的質(zhì)量和保質(zhì)期的現(xiàn)狀，積極主動地識別和保護食品的質(zhì)量，也為消費者提供了更安全、健康的環(huán)境。在考慮材料本身的指標(biāo)的同時，考慮其對環(huán)境的影響也是迫切需要的。隨著二氧化碳指示器/傳感器的廣泛使用，指示器/傳感器保存期之后如何處理或回收利用的指標(biāo)，將是我們面臨的一個大問題。顯然，未來的二氧化碳指示器/傳感器將朝著精確、高效、指示范圍寬、可重復(fù)使用、環(huán)境友好的方向發(fā)展，并很容易適應(yīng)各種印刷技術(shù)，以確保大批量生產(chǎn)滿足人們的需要。