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编辑：缪伊雯/ 主编：张大川、蒋羽鸽/ 学术顾问：寇兴然
山西农业大学（山西省农科院）陈益胜团队：可编程生化喷涂技术助力食品风味可视化研究：牛奶、鱼肉鲜度芯片
Food Bioscience
●食品风味对于感官具有重要作用，是消费者偏好和选择的关键因素。在水产、乳制品等生鲜食品加工储运销售过程中，蛋白质分解产生的不良风味的增加与食品的新鲜度紧密相关，因此食品风味可视化技术对鲜度感知有重要意义。本研究以桑葚花青素溶液为指示剂，利用可编程生化喷涂仪精确设计、制备可以实时在线可视化监控鱼肉和牛奶货架期状态的纸基鲜度芯片（FCPS）。
研究结果表明，在pH值为2 ~ 12的条件下，本研究制备的FCPS具有良好的稳定性和可靠的鲜度指示能力。并进一步探究了FCPS在25℃条件下检测鱼肉和牛奶新鲜度的实用性。在所观察温度下，当TVB-N大于20 mg/mL时，其颜色由红紫色变为灰色。随着pH值的下降，牛奶由紫色变为红色。最后通过智能手机颜色识别软件对颜色进行了定量分析。当S值（新定义的颜色计算方法）小于50或R值大于120时，牛奶或鱼肉肉已经不新鲜了。因此，可编程生化喷涂技术可以用于批量制备智能包装材料，实现包装食品新鲜度可视化监控。
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成果介绍
Results and discussion
基于可编程生化喷涂的FCPS芯片的研制
采用可编程生化喷涂仪可以通过软件参数设计，将溶解有指示剂分子的液体样品均匀喷涂在任意膜材料表面，形成任意二维尺寸的矩形（线型）阵列，实现FCPS芯片的高精度、可重复制备，同时具有材料消耗低、耐腐蚀等优点，也完全克服了传统毛细管、移液枪点样造成的比色区不可控，不均匀，咖啡环效应严重等问题。FCPS暴露于pH 2-12的缓冲溶液后的比色参数如图1(a)所示。当pH值为6时，FCPS变为最接近初始颜色的粉红色。在pH值为2-6(红粉色)、7-10(深粉灰色)和11-12(紫灰绿色)时，FCPS的视觉图像与桑树花青素溶液的颜色变化相似。这说明FCPS可以真实地反映培养基的pH变化。
图1 FCPS在不同pH缓冲溶液下的颜色变化参数
FCPS对氨的灵敏度及稳定性
制备的FCPS对0.8 mL氨的响应决定了FCPS对蛋白质类食品腐烂过程中产生的挥发性氮化合物的反应能力。如图2(a)所示。在第4分钟，由于花青素的结构变化，FCPS的颜色由深胭脂红变为深灰。FCPS对氨气的响应值在第8分钟达到最大值52%。FCPS的快速显色功能令人满意，在富含蛋白质食品的智能包装中具有很大的潜力。其次，本研究对不同批次FCPS的颜色均匀性进行了研究。如图2(b)所示，6批次的FCPS在视觉上呈现出几乎无法区分的颜色变化(∆E<5)，说明它们具有很好的印刷均匀性，可以批量生产。在存储过程中，颜色稳定性直接影响到FCPS的显色性能。在没有光线的情况下，将FCPS分别保存在4℃和25℃储存环境下，记录其颜色变化情况。如图2(c)所示，FCPS具有很高的颜色稳定性。说明在压力喷涂的前提下，以含有大量乙醇的花青素溶液作为印刷溶液，得到了相对干燥的FCPS，其稳定性也显著提高。
图2 FCPS对氨的灵敏度及稳定性参数
FCPS在监测牛奶和鱼肉肉新鲜度中的应用
1在牛奶新鲜度监测中的应用：
由于微生物代谢积累乳酸，降低了牛奶的pH值。如图3所示。在实验中，FCPS被放在牛奶盒的盖子里。虽然在24小时肉眼没有明显的颜色变化，但颜色参数发生了明显的变化。保存36小时后，FCPS变成了红紫色(pH= 4.52)，牛奶的pH值从5.18(24小时)下降到4.53，表明牛奶变质了。如图3(c)所示，牛奶样品的pH值与FCPS 的ΔE值的相关性表明，二者呈较强负相关(R = 0.698)。因此，桑葚花青素传感器可用于牛奶新鲜度的监测。
图3 FCPS在监测牛奶新鲜度中的应用参数
FCPS在鱼肉肉新鲜度监测中的应用：
如图4所示，鱼肉样品保存24 h时，TVB-N含量低于25 mg/100g，总体符合食用要求。根据FCPS对氨的响应结果可以推断，在食物刚刚开始变质的时候，FCPS对TVB-N的反应较快。同样，FCPS初始颜色为粉色，24小时后变为深紫色，ΔE值为16.67，说明样品仍然新鲜。感官腐烂的明显标志开始于48小时，TVB-N含量达到38.5 mg/100g，表明鱼已经腐烂。从0到48 h，FCPS颜色参数变化显著，且鱼肉肉在变质点时FCPS颜色变化的∆E大于5。说明FCPS在鱼的临界食用值处有强烈的颜色变化，这可以为消费者提供及时的饮食建议。这些结果表明，FCPS可以通过颜色变化来判断鱼肉的新鲜度。
图4 FCPS在监测鱼肉肉新鲜度中的应用参数
智能手机微信小程序用来测定牛奶和鱼肉肉的新鲜度
使用微信小程序“颜色识别”，通过拍照获取颜色的R、G、B值。同时，分别建立了牛奶中FCPS颜色值(△S)与pH、鱼中FCPS颜色值(RGB)与TVB-N的关系，用于评价样品新鲜度。如图5 (a)所示，12 h后，牛奶的pH值低于6，说明牛奶已经腐烂，仅通过颜色变化区分临界变质点较难，但通过△S来量化颜色，可以识别牛奶在这段时间的变化，当△S < 50时，牛奶已经不建议食用了。从图5(a)的拟合多项式可以看出，新的颜色量化分析方法可以使颜色变化与牛奶新鲜度参数的相关性更强，相关系数为0.99。说明通过智能手机软件可以很容易地捕捉到牛奶变质过程。如图5(b)所示，随着鱼类TVB-N值的增加，FCPS中颜色的R值逐渐降低。当R值大于120时，样品新鲜，FCPS为浅紫色；R值小于120时，样品腐败，FCPS呈深紫色。小程序直接输出指定颜色的R、G、B值的结果，以FCPS中颜色值作为判定样品新鲜度的判断值，提高了FCPS新鲜度监测的准确性和通用性。
图5 用智能手机微信小程序检测牛奶和鱼肉的新鲜度。
● 创新性/应用前景
本研究以滤纸为基底材料，以花青素为指示剂，制备了一种简单、经济、直观、可靠的FCPS，并用于监测牛奶和鱼肉肉的新鲜度。相对于传统的基于电子元器件的气敏传感装置，该类型的FCPS具有极高的性价比，适合每个单独包装的生鲜食品气调盒。FCPS结合智能手机的颜色识别软件，方便普通消费者在无需拆封包装的前提下，随意选择检测点进行鱼肉或者牛奶新鲜度分析。
参考文献
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221242922401472X
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