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

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶 163319）

一般來說，當氣調包裝（MAP） 用于農產品保鮮時，合理調節氣體比例和溫度控制是保證氣調保鮮效果的關鍵和核心。二氧化碳也是氣調包裝中的常用氣體，使用MAP技術包裝水果蔬菜時需嚴格監控包裝內二氧化碳濃度。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包裝內二氧化碳含量是否在安全合理的范圍內，如果氣體比例不當，輕者起不到氣調貯藏的效果，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，而且維持最佳二氧化碳濃度水平有利于避免在氣調包裝（MAP）條件下導致的食品腐敗。因此，食品包裝內的二氧化碳濃度需要被實時監測。

指示器/傳感器是一種重要的智能包裝，可以自動監測、感知和記錄食品在內外環境循環中的變化?？梢韵癜b標簽一樣通過復合，印刷或粘貼在包裝上。指示器/傳感器的功能不同于傳統的包裝技術，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，智能包裝技術能夠滿足消費者希望獲得更多關于被包裝食品的信息，如衛生狀況、食品是否變質、氣調包裝內氣體是否泄漏等，比如利用氧氣指示器監測包裝內氧氣濃度變化，可根據指示標簽的顏色變化間接得出包裝內食品所處的環境狀態[3]。與監控包裝內氧氣類似，包裝內二氧化碳也可以通過指示器或傳感器實現監控。迄今為止，在監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，而且受到諸如設備成本高、可預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控原理出發，對二氧化碳氣體指示器/傳感器的國內外研究現狀和應用進行總結，為我國研究者開展智能食品包裝的基礎研究提供科學依據。

1 二氧化碳指示器

二氧化碳指示器以標簽的形式放置在包裝內，實時監測穿過包裝材料的滲透現象、微生物代謝，以及食品基質上的酶或化學反應而引起的內部二氧化碳變化[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是不可靠的，在包裝泄漏過程中微生物的繁殖會產生二氧化碳，這可能導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志，二氧化碳指示卡也可以作為食品新鮮度的指標。

由于氣體指示器放在包裝內，因此在設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）[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，許多研究致力于發展氧氣和二氧化碳指示器[5-8]。大多數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，響應時間和恢復時間均小于3 s。當薄膜未接觸到二氧化碳氣體分子時，α-萘酚酞以非質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生改變，非質子化的離子對｛Q+N·xH2O｝ 與二氧化碳結合形成質子化的 ｛Q+HCO3-·（x-1） H2O·HN｝。其反應過程可用下圖表示：

α-萘酚指示劑質子化反應圖見圖1。

圖1 α-萘酚指示劑質子化反應圖

國內關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，并以棉質纖維紙為基材制備指示卡。采用響應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化，用流延法制得最優配比的新鮮度二氧化碳比色指示卡，對指示卡進行性質測定，并考查了環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的傳感器的研究一直是一個熱點。已建立的氣體檢測系統包括金屬氧化物半導體場效應晶體管（Mosfet）、壓電晶體傳感器、安培氧傳感器、有機導電聚合物和電位二氧化碳傳感器。然而，這些系統表現出各種局限性。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，并且這些系統在大多數情況下涉及對包裝的破壞性分析[15]。為了克服這些缺點，最近的發展特別關注于新型的氧氣和二氧化碳傳感器。

過去20年中，開發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，文獻中發表的大量著作及市場上的儀器和設備都證明了這一點。食品包裝用二氧化碳傳感器的發展滯后于氧氣傳感器，因為氧是導致許多食品降解腐敗的主要因素。然而，特別是自從MAP包裝系統的使用建立以來，控制包裝中的二氧化碳含量對于保質期和新鮮度研究同樣重要[16]。傳統的二氧化碳定量和定性分析技術包括Severinghaus型電極、紅外光譜、氣相色譜和質譜。然而，這些技術有一系列缺點，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；缺乏機械穩定性；需要相當復雜的設備[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和電化學兩大類，按照傳感器技術先進與否又可以分為傳統型和創新型。

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系遵循朗格比爾定律，其規律如下：

式中：C——二氧化碳濃度；

K——二氧化碳吸收系數；

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 電化學二氧化碳傳感器

Severinghaus二氧化碳傳感器是一種電化學傳感器。該傳感器的主體是玻璃電極，其內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、成本低等優點，可用于監控包裝內食品的質量安全。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值大小決定了產生電勢的強弱[30]。相比傳統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品包裝領域顯示出很大的應用潛力[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致pH值減少而產生電信號的缺陷。

卟啉是一種應用于化學傳感器的多功能化學敏感材料。近年來，各種卟啉聚合物膜被發展成為氣體傳感器。其中，大部分是基于卟啉染料的光致發光或光激發態猝滅。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出對二氧化碳的強烈的光學響應，在從0～100%二氧化碳濃度范圍內響應時間和恢復時間分別為1 min和4 min。另一種新型的復合材料制作而成的微流體光電交叉反應傳感器，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，對其他酸源沒有交叉敏感性[34]。

Meng X等人[35]開發了一種不可逆殼聚糖基二氧化碳傳感器，用于監測泡菜的質量（與包裝頂空中二氧化碳氣體分壓相關）。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，結果顯示傳感器透明度與用于指示泡菜品質的幾個參數有很好的相關性。

2.3 光學二氧化碳傳感器

根據介質性質，光學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二氧化碳傳感器，因為干型光學二氧化碳傳感器受溫度和濕度影響較大，測量結果不夠精確。濕型光學二氧化碳傳感器的基本組分為pH值敏感染料；水封裝介質，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]。

有學者研究發現，改性銠金屬的顏色在性質不同的氣體氛圍中能夠使發生改變，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包裝中，如果氣調包裝發生泄漏，根據改性銠的顏色改變就能實現食品安全預警。然而，金屬在食品系統中的使用將可能違背食品安全的許可[37]。

Li H等人[38]介紹了一種利用復合材料檢測二氧化碳的新方法。該技術使用8-羥基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽（8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonicacid，trisodiumsalt，HPTS） 和NiFe-LDH制備納米復合材料。在室溫下，該復合材料對不同濃度的二氧化碳有熒光激發，從而實現對氣調包裝中的二氧化碳的檢測。HPTS/NiFe-LDH納米復合材料通過一步水熱法合成。當HPTS/NiFe-LDH納米復合材料還未發生熒光反應時，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。當二氧化碳氣體逐漸通入上述系統，CO32-離子被插入NiFe-LDH層間，然后陰離子染料從NiFe-LDH中釋放，從而導致HPTS的熒光恢復。在充入二氧化碳氣體之前，HPTS/NiFe-LDH納米復合材料在水溶液中未表現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。這一研究結果表明，熒光強度與二氧化碳的量呈線性相關，這表明HPTS/NiFe-LDH納米復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高分子光化學傳感器，它將指示染料（磷光鉑-卟啉）和α-萘酚酞配合使用，實現了對二氧化碳濃度的精確檢測。此外，研究人員還對開發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-凝膠基質的釕多吡啶絡合物）的二氧化碳傳感器。該傳感器能夠準確、快速地檢測出低濃度的二氧化碳（高達0.06%）。盡管2個傳感器都表現出氧檢測的交叉靈敏度，但可以通過適當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）的光學傳感器，該光學傳感器比薄膜基傳感器對二氧化碳的敏感度高出24～120倍，具有更少的響應時間，將來有很大潛力被用于智能包裝。

3 結語

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量和保質期的現狀，積極主動地識別和保護食品的質量，也為消費者提供了更安全、健康的環境。在考慮材料本身的指標的同時，考慮其對環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，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、可重復使用、環境友好的方向發展，并很容易適應各種印刷技術，以確保大批量生產滿足人們的需要。