基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法的研究進(jìn)展

殷澤生，戴振庭，周瑜，陳舜勝*，張洪才,2*

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)2(上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海，200240)

水產(chǎn)品味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富，富含高質(zhì)量的動(dòng)物蛋白、活性肽、維生素和微量元素等，具有較好的食品價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，深受人民群眾的喜愛[1]。隨著城鄉(xiāng)居民消費(fèi)升級(jí)，人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)、健康食品的需求不斷增強(qiáng)，水產(chǎn)品的消費(fèi)比重不斷增長(zhǎng)，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年全國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量高達(dá)6 549萬t[2]。但由于水產(chǎn)品大多肌肉組織細(xì)嫩且蛋白質(zhì)含量高，在加工或貯運(yùn)過程中，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，直接影響水產(chǎn)品的銷售價(jià)值、加工價(jià)值與食用安全性[3]，造成水產(chǎn)品品質(zhì)下降。因此，新鮮度是衡量水產(chǎn)品品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)新鮮度進(jìn)行快速而有效的檢測(cè)在水產(chǎn)食品安全、貯藏、流通及加工過程有著重要意義[4]。

常見的水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)方法可分為微生物檢驗(yàn)、理化檢驗(yàn)與感官檢驗(yàn)等。盡管這些方法結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但通常耗時(shí)較長(zhǎng)、效率較低、成本較高和步驟繁瑣，不能適應(yīng)當(dāng)下企業(yè)或商場(chǎng)的大規(guī)模使用[5]。近年來新型檢測(cè)方法逐漸成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，如氣味指紋技術(shù)、感官仿生、光譜技術(shù)和生物傳感器等新型快速檢測(cè)手段，這些方法具有速度快、無損檢測(cè)和應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但存在著價(jià)格昂貴、不便攜帶的缺陷性，阻礙了這些方法的廣泛應(yīng)用[6-8]。

因此，研發(fā)快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確價(jià)廉、適用范圍廣的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法對(duì)水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。近年來，鮮度指示劑逐漸成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，鮮度指示劑可通過直觀的顏色變化反映食品的新鮮程度，基于鮮度指示劑可實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)品新鮮度的快速檢測(cè)，具有較好的應(yīng)用潛力[10]。因此，本文將主要綜述基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方式的研究進(jìn)展，并討論其應(yīng)用前景和所面臨的挑戰(zhàn)，為進(jìn)一步的應(yīng)用和研究提供理論參考。

1 基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法概述

1.1 基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法的定義與機(jī)理

食品在加工、貯運(yùn)過程中，在自身和環(huán)境因素的作用下會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)與生物化學(xué)變化，并且在微生物的作用下，食品的新鮮度不斷下降，并產(chǎn)生與之相關(guān)的產(chǎn)物，例如果蔬類產(chǎn)生的乙烯、肉類產(chǎn)生的硫化氫等。鮮度指示劑本質(zhì)上是一種可以與鮮度和品質(zhì)變化產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生相應(yīng)顏色變化的物質(zhì)，通過顏色變化程度可判斷食品的新鮮程度?；邗r度指示劑這種關(guān)聯(lián)性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)食品新鮮度的檢測(cè)，這種檢測(cè)方法具有快速實(shí)時(shí)、非破壞性、成本低、器具小和易操作等特點(diǎn)，近年來受到大量關(guān)注，并且成功應(yīng)用于鮮肉和水果等食品的新鮮度檢測(cè)中[10-12]。

在基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法中，由于水產(chǎn)品在微生物和酶的作用下不斷腐敗變質(zhì)，蛋白質(zhì)等成分逐漸被分解產(chǎn)生如氨氣、二甲胺、三甲胺和生物胺等產(chǎn)物并伴隨著pH值的變化，常采用花青素、溴甲酚紫等可與這些產(chǎn)物或發(fā)生顯色反應(yīng)的指示劑，將其與固定載體結(jié)合制作試紙、標(biāo)簽和包裝等形式，通過指示劑的顏色變化便可判定水產(chǎn)品的新鮮度[13-15](圖1)。

圖1 基于新鮮度指示劑進(jìn)行水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)的機(jī)理示意圖

1.2 基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)方法的的分類與特點(diǎn)

水產(chǎn)品腐敗時(shí)，產(chǎn)生大量揮發(fā)性堿性含氮物(鹽基氮)，使水產(chǎn)品新鮮度變化過程總是伴隨著酸堿度的變化，因此大部分水產(chǎn)品鮮度指示劑檢測(cè)法使用酸堿度(pH值)感知型指示劑，例如花青素和姜黃素等天然提取物型指示劑和溴甲酚紫、溴百里香酚藍(lán)等化學(xué)染料型指示劑。除此之外，還有對(duì)水產(chǎn)品腐敗過程中其他成分敏感的腐敗化學(xué)成分敏感型指示劑，例如基于微生物作用(蛋白質(zhì)分解)的代謝產(chǎn)物(揮發(fā)性胺)敏感的光敏感分子[10,16]。

水產(chǎn)品鮮度指示劑檢測(cè)法應(yīng)用研究中，指示劑通常與固定載體結(jié)合制作成檢測(cè)試紙、指示標(biāo)簽和智能包裝等形式，除進(jìn)行快速新鮮度檢測(cè)外，通過標(biāo)簽和包裝的實(shí)時(shí)顏色變化，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品在貯藏、運(yùn)輸、銷售過程中新鮮度變化[17]。其中，固定載體作為指示劑的載體及反應(yīng)支承物，常選用如纖維素、瓊脂和聚氯乙烯等材料，以保持反應(yīng)靈敏性、提高指示劑穩(wěn)定性和拓展指示劑的功能[18]。近年來基于鮮度指示劑進(jìn)行水產(chǎn)品快速新鮮度檢測(cè)的研究備受關(guān)注(表1)，本文匯總此方面的研究與應(yīng)用動(dòng)態(tài)，以作比較系統(tǒng)的闡述和總結(jié)。

表1 基于鮮度指示劑的快速檢測(cè)在水產(chǎn)品中的應(yīng)用

續(xù)表1

2 基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)的應(yīng)用研究

2.1 基于化學(xué)染料型指示劑的水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)

2.1.1 不同化學(xué)染料型指示劑的應(yīng)用進(jìn)展

酸堿度(pH值)感知型指示劑中的化學(xué)染料型指示劑，具有價(jià)格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定和可工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，在肉制品的新鮮度檢測(cè)中有應(yīng)用廣泛[47]。在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)中，化學(xué)染料型指示劑多為溴甲酚綠、溴甲酚紫和溴麝香草酚藍(lán)(bromothymol blue, BTB)等化學(xué)染料。例如何華鵬等[43]利用溴甲酚紫和BTB作為鮮度指示劑，分別制作2種智能標(biāo)簽，用于青魚(Mylopharyngodonpiceus)的新鮮度檢測(cè)，隨著青魚的腐敗變質(zhì)，2種指示標(biāo)簽的顏色變化與揮發(fā)性鹽基氮結(jié)果均具有顯著相關(guān)性，其中溴甲酚紫標(biāo)簽在青魚超過二級(jí)新鮮度(揮發(fā)性鹽基氮>20 mg/100g)時(shí)顏色從亮黃色變成藍(lán)紫色，可較好辨識(shí)出青魚的新鮮度。而BTB標(biāo)簽雖然顏色變化也較明顯，但平滑性和準(zhǔn)確性相較于溴甲酚紫標(biāo)簽略有不足。

單一的化學(xué)染料指示劑往往變色范圍窄，顏色過渡不平滑，利用化學(xué)染料的復(fù)配可在一定程度上提高指示效果。例如黃佳茵等[41]采用溴甲酚紫和甲基紅溶液3∶2比例，以復(fù)配溴甲酚紫甲基紅作為鮮度指示劑制備鮮度指示膜，用于南美白對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)的實(shí)時(shí)新鮮度監(jiān)測(cè)。蝦在冷藏條件下貯藏4 d，指示膜顏色由紅褐色轉(zhuǎn)為紫褐色，對(duì)應(yīng)次級(jí)鮮度，隨后在貯藏第8天完全腐敗時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，不同鮮度等級(jí)指示膜顏色存在明顯差異且與鮮度化學(xué)指標(biāo)顯著相關(guān)，相較于單一化學(xué)染料指示劑具有更為優(yōu)良的指示效果。

2.1.2 化學(xué)染料型指示劑的安全性研究

化學(xué)染料通常具有明顯的毒性，如亞甲基藍(lán)和甲基溴易導(dǎo)致新生兒貧血癥、高膽紅素血癥等[48]，特別是容易發(fā)生染色液遷移現(xiàn)象，化學(xué)染料容易從固定載體遷移到食物上，對(duì)食品的安全性具有較大的威脅，有學(xué)者通過加強(qiáng)固定的方法來增強(qiáng)化學(xué)染料指示劑的穩(wěn)定性和安全性。例如WANG等[42]利用金屬有機(jī)框架Cr-MIL-101接枝BTB，以CA和PEG-4000為載體制作的指示標(biāo)簽，離子鍵和多孔構(gòu)架阻止染色遷移和改善著色穩(wěn)定性。不僅在草魚(Ctenopharyngodonidella)的新鮮度檢測(cè)中表現(xiàn)出明顯的顏色變化，安全性也一定程度上得到提高；張星輝等[40]利用靜電紡絲技術(shù)，制備BTB/玉米醇溶蛋白比色標(biāo)簽，具有良好的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，在有效監(jiān)測(cè)黃鰭金槍魚(Thunnusalbacores)新鮮度的同時(shí)也具有較好的安全性。

雖然關(guān)于化學(xué)染料鮮度指示劑的應(yīng)用與改善有一定的研究，但安全隱患依然突出，食品安全問題較難避免，并且化學(xué)染料難以降解，潛在的環(huán)境問題也較為嚴(yán)重，商業(yè)應(yīng)用上受到很大的限制。因此目前研究的重點(diǎn)開始偏向?qū)で鬅o毒靈敏的敏感材料[49]。

2.2 基于天然提取物型指示劑的的水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)

天然提取物型指示劑常選用從植物中提取的具有pH響應(yīng)變色特性的提取物，相較于化學(xué)染料，具有來源廣泛、無毒無害、可降解的特點(diǎn)，并且還具有一定的抗菌和藥理作用，因此逐漸成為目前水產(chǎn)品新鮮度指示劑研究的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[18,50]。

2.2.1 不同天然提取物型指示劑的應(yīng)用進(jìn)展

天然提取物種類多樣，目前用來開發(fā)指示劑的主要有花青素、姜黃素、茜草色素、紫草素等，每種提取物均具有不同的特性，近年來有大量利用不同天然提取物進(jìn)行水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)的研究。

花青素是一種多酚類的黃酮化合物，在植物中分布廣泛，已知存在600多種，花青素的黃酮離子對(duì)pH的變化有極高敏感性，可產(chǎn)生顯著的顏色變化，并且具有一定的抗菌作用，是天然提取物型指示劑的極佳來源，近年許多研究都集中在采用不同花青素用于水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)[13]。例如MORADI等[31]以黑胡蘿卜花青素作為鮮度指示劑制作的指示標(biāo)簽，在pH 2～11范圍內(nèi)表現(xiàn)出從紅色到灰色的明顯色差，肉眼可清晰識(shí)別。在鯉魚(Cyprinuscarpio)和虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)的新鮮度檢測(cè)中具有良好的顏色變化，并且與細(xì)菌總數(shù)和揮發(fā)性鹽基氮結(jié)果具有正相關(guān)性，有很好的應(yīng)用潛力；MERZ等[28]采用蒲桃花青素作為指示劑制作的指示膜，用于南美白對(duì)蝦的新鮮度檢測(cè)，結(jié)果表明不同時(shí)間(0～93 d)和溫度(-20～20 ℃)下，顯示出從紅色到藍(lán)色的明顯變化，可用于監(jiān)測(cè)蝦的新鮮度。

姜黃素是從姜黃中提取的一種酚類物質(zhì)，除對(duì)pH具有敏感性外，還具有抗菌抗氧化的作用，不僅可作為鮮度指示劑，還可以提供一定的保鮮作用[51-52]。ZHANG等[23]用姜黃素作為鮮度指示劑，制成一種水凝膜指示薄膜，用于對(duì)羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的新鮮度檢測(cè)，隨著對(duì)蝦貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)出由黃色到紅色的明顯顏色變化，并且與揮發(fā)性鹽基氮也具有相關(guān)性，可為羅氏沼蝦的新鮮度提供了一種有效的鮮度顯示計(jì)。

除此之外，利用不同天然提取物作為指示劑進(jìn)行水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)的研究多種多樣，例如MOHAMMADALINEJHAD等[26]采用藍(lán)薊花天然染料制成的指示劑對(duì)獨(dú)角新-9-對(duì)蝦(Metapenaeusmonoceros)進(jìn)行新鮮度監(jiān)測(cè)，肉眼可明顯分辨出從紫羅蘭色(新鮮)到灰色(半新鮮)再到黃色(變質(zhì))的顏色變化，并與菌落總數(shù)和揮發(fā)性鹽基氮測(cè)定結(jié)果一致；HUANG等[29]以紫草根天然染料制備鮮度指示膜，可通過顏色變化來指示團(tuán)頭魴(Megalobramaamblycephala)的變質(zhì)情況，而且相較于花青素指示劑更具有穩(wěn)定性，在魚類的實(shí)時(shí)新鮮度檢測(cè)上有很好的效果。

2.2.2 天然提取物型指示劑穩(wěn)定性研究

天然提取物指示劑一般安全性較好，但也存在較大缺陷，多數(shù)天然提取物的穩(wěn)定性較差，易受到溫度、pH、O2、光照和金屬離子等外界因素的影響，如花青素容易與自由電子或活性氧基結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中易受到限制[53]。常通過改變基質(zhì)材料和制備方法來增加天然提取物指示劑的穩(wěn)定性和分散均勻性，例如添加殼聚糖、聚乙烯醇和羧甲基纖維素等材料，以及采用溶液澆鑄、納米顆粒包埋法等方法[54-55]。

通過不同基質(zhì)材料與花青素結(jié)合的特性，可提高花青素在貯存和檢測(cè)過程中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。例如JIANG等[27]將羧甲基纖維素/淀粉與紫甘薯花青素復(fù)合，通過產(chǎn)生的新相互作用，不僅提高鮮度指示薄膜的拉伸強(qiáng)度和厚度，也降低了斷裂伸長(zhǎng)率、含水率和透光率。在穩(wěn)定性測(cè)試中，指示薄膜20 d后仍可保持顏色穩(wěn)定，并且在草魚的新鮮度檢測(cè)中也具有良好的指示效果。GE等[33]以氧化甲殼素納米晶/明膠為載體，再與黑米糠花青素復(fù)合制備一種具有pH敏感性和抗氧化活性的納米復(fù)合膜, 具有特異的紫外-可見光阻光性和抗氧化性。在帶魚(Trichiuruslepturus)和對(duì)蝦的新鮮度檢測(cè)應(yīng)用研究中，也具有良好的顏色變化。除了利用基質(zhì)材料的特性外，制備方法也具有重要影響，如MERZ等[28]在制備花青素鮮度指示劑膜時(shí)，以殼聚糖、PVA為基質(zhì)來穩(wěn)定花青素，并且采用溶液澆鑄法，可避免花青素受到高溫而分解，有利于提高花青素的穩(wěn)定性。

基于天然提取物的水產(chǎn)品新鮮度指示劑不僅安全性高，而且簡(jiǎn)單快速靈敏，相關(guān)的研究進(jìn)展很快，具有極高的應(yīng)用潛力。然而天然提取物的提取技術(shù)相對(duì)不成熟，而且由于穩(wěn)定性較差，需要和載體復(fù)合提高穩(wěn)定性，并且相關(guān)制備技術(shù)也不成熟，不具備大規(guī)模生產(chǎn)條件，仍面臨重大挑戰(zhàn)。因此，雖然目前相關(guān)研究較多，但天然提取物指示劑的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室階段，仍需要進(jìn)一步完善，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

2.3 基于其他鮮度指示劑的水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)

由于酸堿度(pH值)感知型鮮度指示劑的敏感性較高，受環(huán)境影響較大，尤其是水產(chǎn)品的pH值變化并非完全線性、pH值與新鮮度的特異性較差，易產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果。因此，尋求其他類型的鮮度指示劑也是目前重點(diǎn)的研究方向之一。

例如對(duì)揮發(fā)性胺具有高特異性、高靈敏響應(yīng)的傳感材料麥?zhǔn)纤峄罨倪秽?meldrum′s activated furan, MAF)，可與胺類化合物發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，形成光敏感分子。李寧等[44]以麥?zhǔn)纤峄罨秽途勐纫蚁?polyvinyl chloride, PVC)為揮發(fā)性胺指示劑和載體，制備一種用于檢測(cè)魚肉新鮮度的MAF/PVC薄膜，結(jié)果表明MAF/PVC薄膜的色差值(ΔE)變化與樣品中揮發(fā)性鹽基氮含量具有較好相關(guān)性，可準(zhǔn)確和快速指示魚肉的新鮮度，并且易于制備、成本較低，在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景。LIU等[46]利用刺激響應(yīng)型PANI和TPE的聚集誘導(dǎo)發(fā)射特性，研制一種新型比色熒光雙模傳感標(biāo)簽，不僅可顯示魚變質(zhì)過程中顏色變化，且可通過紫外光下熒光信號(hào)的變化定量評(píng)估魚類的新鮮度。然而，盡管這類鮮度指示劑加工簡(jiǎn)單、成本低廉，但安全性差，靈敏性和精確度也有待提高。

2.4 基于鮮度指示劑的水產(chǎn)品快速新鮮度檢測(cè)智能化顯示研究

鮮度指示劑的數(shù)字化、智能化應(yīng)用也是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究，相較于人眼識(shí)別，計(jì)算機(jī)對(duì)顏色變化更加敏感和準(zhǔn)確，將含指示劑的標(biāo)簽、膜、包裝等載體與食品一起保藏，其顯色變化和條形碼、傳感器等智能技術(shù)相結(jié)合，通過智能設(shè)備可更直觀清晰地展現(xiàn)新鮮度的狀態(tài)[56]。如FANG等[21]通過絲網(wǎng)印刷法制作的紅甘藍(lán)花青素比色標(biāo)簽，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來確定標(biāo)簽顏色與揮發(fā)性鹽基氮值之間的關(guān)系，消費(fèi)者可通過手機(jī)快速、準(zhǔn)確的識(shí)別標(biāo)簽以確定魚類的新鮮度，準(zhǔn)確率可達(dá)到92.6%。

3 結(jié)語

基于鮮度指示劑的快速測(cè)定憑借其高效、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注?；趐H變化的鮮度指示劑是主要研究熱點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題：

(1)目前大多指示劑的原理都是依據(jù)水產(chǎn)品腐敗產(chǎn)生的酸堿度變化，而pH值的變化對(duì)新鮮度不夠準(zhǔn)確，一些新鮮度高的魚pH值往往先下降后上升,而不是單調(diào)變化，并且環(huán)境因素如濕度、溫度以及包裝的密封性都會(huì)對(duì)指示劑的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響；(2)化學(xué)染料指示劑往往存在安全隱患，而天然色素提取物指示劑則穩(wěn)定性不佳，在實(shí)際應(yīng)用上存在困難；(3)一些指示劑的顏色變化反應(yīng)是可逆轉(zhuǎn)的，易造成錯(cuò)誤的指示。

基于上述問題，水產(chǎn)品鮮度指示劑可在如下方面做進(jìn)一步研究：(1)研發(fā)新型穩(wěn)定、安全的敏感材料，例如對(duì)某些生物胺特異性、敏感性均較好的指示劑；(2)提高鮮度指示劑的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度與靈敏性；(3)尋求更穩(wěn)定、安全的固定載體與制備工藝，提高檢測(cè)的安全性與穩(wěn)定性；(4)基于鮮度指示劑制作的實(shí)時(shí)指示智能標(biāo)簽、包裝對(duì)環(huán)境有較高要求，準(zhǔn)確性容易受到影響，可以嘗試將氣調(diào)包裝技術(shù)與活性包裝技術(shù)有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)存在的問題。