扩散型时间-温度指示器在预测奇异果品质中的应用

杨加敏，胥义

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海,200093)

由于食品质量和安全容易受到温度和时间的影响，因此在运输过程中对于温度和时间的控制越来越重要[1-5]。时间-温度指示器(time-temperature indicator， TTI)由于可以记录和预测食品分销和储存的温度时间历程受到人们的关注[6]。TTI是一种简单且经济的标签，颜色会随着时间和温度发生变化，将其贴在包装的表面可以监控食品在贮藏和运输过程中的时间温度历史从而反应食品在整个过程中品质的变化情况，预测食品剩余货架期[7-12]。一般来讲，由于食品需要单独分销和售卖，TTI应低成本、可靠、可读，在活化之前有长的保质期且易于活化，没有有毒物质。为了满足上述特征，TTI的颜色变化应与食品的质量变化基本一致，即TTI的颜色变化率必须与食品质量的变化率相匹配，因此表示TTI温度依赖性的活化能与食品品质变化的活化能应该是相匹配的[13]。根据标签的工作原理，目前已经开发出了几种类型的TTI，包括酶型TTI、微生物型TTI、扩散型TTI、聚合型TTI等[14-18]。TTI主要用于对温度变化比较敏感的冷冻和冷藏食品，像鲜奶、冻鱼、肉和海产品，也可以评估灭菌过程[19-26]。尽管TTI在食品中应用越来越广泛，但是在中国还未将其广泛应用于食品中[27]。

新西兰佳沛绿果即奇异果，果肉为绿色，有美白、抗衰老、降低血脂、缓解糖尿病保护肝脏等功效，食用价值和营养价值很高。近年来奇异果越来越受到消费者喜爱，但奇异果常温下不耐贮藏，采后食用品质和商品价值容易降低[28-29]。本文采用一种新型的扩散型TTI，探索了不同贮藏温度下该种TTI的颜色变化和奇异果失重率、可溶性固形物含量、总酸度、VC含量的变化情况，通过Arrhenius方程计算TTI颜色反应和奇异果失重率、可溶性固形物含量、总酸度、VC含量变化的活化能，从而评估TTI颜色变化与奇异果品质变化的匹配情况，有望将其应用在水果运输过程，使其成为水果品质监控的智能化便捷手段。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

奇异果(新西兰佳沛绿果)。库码标签(购自苏州华实热敏科技有限公司)：由参考指示层和和热敏功能层组成，通过中间指示层颜色变化来反映所处环境温度的累积情况，该TTI在参考指示层和功能层接触时即被触发，随着温度和时间的变化颜色由最初的白色变为蓝色。

WZB 45便携式数显析光仪，上海精密科学仪器有限公司；天平，上海众渊实业有限公司；HWS-150智能恒温恒湿箱，上海比朗仪器有限公司。

1.2 试验方法设计

1.2.1 贮藏温度对标签颜色变化的影响

采用4个贮藏温度，即5、10、15和20 ℃。用数码相机识别标签颜色并提取RGB数据(R、G、B分别代表红、绿、蓝3种颜色，各有256级亮度，用数字表示范围为0～255)，采用颜色识别扫描软件对RGB值进行读取，对每张图片读取5次，计算标签反应的活化能Ea值，每组试验重复操作3次。

1.2.2 贮藏温度对奇异果失重率和可溶性固形物含量的影响

采用4个温度5、10、15、20 ℃分别贮藏，测量奇异果失重情况，使用折光仪测量可溶性固形物含量，并计算奇异果失重率和可溶性固形物含量的活化能Ea值，每组试验设3次重复。

1.2.3 贮藏温度对奇异果VC含量和总酸度的影响

分别用2,6-二氯靛酚滴定法和酸碱滴定法分别测定4个贮藏温度下的奇异果的VC含量和总酸度含量，并计算其活化能Ea值，每组试验设3次重复。

1.3 数据处理方法

1)将试验读取的R、G、B值求平均值并计算RGB总值，归一化处理后求其标准偏差。RGB总值计算公式如下：

RGB=65 536*R+256*G+B

(1)

2)用Arrhenius方程计算活化能：

lnk=lnA-Ea/RT

(2)

其中K为反应速率常数，Ea和A分别为活化能和指前因子，R为摩尔气体常数，T为热力学温度。

2 结果与分析

2.1 贮藏温度对标签颜色的影响

表1所示为不同贮藏温度对标签颜色变化过程的影响。不同贮藏温度下，标签的颜色都由白色变为蓝色，在5、10、15和20 ℃下，随着温度的升高标签颜色的变化速度越来越快。其中5 ℃标签的颜色变化速度最慢，15 d后标签颜色才发生明显变化；10 ℃时标签颜色变化速度较快，在3 d时颜色已发生变化，9 d时颜色变化明显；20 ℃下标签颜色变化速度最快，在3 d时标签颜色就发生了显著变化。

对表1中所采集的图片进行颜色值读取，求得RGB总值后进行归一化处理，其结果如图1所示。由图1可看出：4种温度下标签RGB值归一化处理后都为1，且随着时间的增加标签的归一化RGB值整体呈递减趋势。其中温度为5 ℃时，标签的归一化RGB值变化速度最慢，在前3 d内标签颜色变化速度最快，之后标签颜色变化呈现减小的趋势，在15 d时标签的归一化RGB值由1变为0.260；10 ℃时标签的归一化RGB值变化速度较快，随着时间的增加呈直线下降趋势，在15 d内归一化RGB值由1变为0.085；15 ℃时标签的归一化RGB值与5 ℃和10℃ 相比变化速度较快，即随着时间的增加递减速度更快，曲线更陡峭，在15 d时标签的归一化RGB值由1变为0.049；温度为20 ℃时，标签的归一化RGB值变化速度最快，曲线最陡峭，在前6 d内随着时间的增加曲线下降速度最快，之后标签的归一化RGB值随着时间的增加变化较小，曲线平缓，15 d时标签的归一化RGB值由1变为0.037。

表1 贮藏温度对标签颜色的影响Table 1 Effect of storage temperature on the color of TTI

图1 不同温度下RGB值变化曲线Fig.1 Curve of normalized RGB value at differenttemperatures

从表1和图1的结果和分析来看，贮藏温度对标签颜色变化影响显著(P<0.05)，贮藏温度越高，标签的颜色变化越快；在整个颜色变化过程中，标签的RGB值随着时间的增加呈递减趋势，且贮藏温度越高，递减速度越快，曲线越陡峭。PARK[30]的研究表明：贮藏温度越高，食品品质变化越快，食品中细菌数量增长越快，越容易腐败变质，即贮藏温度越高，食品的保质期越短。显然，此标签的变化趋势与贮藏温度对食品品质变化的影响程度具有相似性[31-33]，因此，可以推断此标签在食品品质监测方面有一定的应用潜力。

由图1可得到标签在不同温度下反应的反应速率常数K，结果如表2所示。由表2明显看出，随着温度的升高标签的反应速率常数K值逐渐增加，因此反应速率常数受到温度的影响。根据反应速率常数与温度的关系，以1/T为横坐标，lnK为纵坐标用origin进行作图，拟合后获得一条直线，结果如图2所示。根据公式(2)计算标签反应的活化能，由直线的斜率可得到活化能，由截距获得A值。经计算得标签反应的活化能值为37.302 4 kJ/mol，其中R为8.314×10-3kJ/(K·mol)，结果如表2所示。如果将此标签应用在食品上，则食品和此标签之间的活化能差必须在±25 kJ/mol以内，才能使预测的食物质量误差小于15%[11,25]。

图2 标签反应的Arrhenius图Fig.2 Arrhenius plot of lnk vs. 1/T for label response

表2 不同温度下标签反应速率常数K和活化能EaTable 2 Reaction rate constants K and activationenergy of label at different temperatures

温度/℃KR2Ea/(kJ·mol-1)R2平均值5-0.0850.942 5 10-0.1730.971 437.302 40.623 515-0.2000.971 020-0.2010.809 3

2.2 贮藏温度对奇异果品质的影响

2.2.1 贮藏温度对奇异果失重率和可溶性固形物含量的影响

图3为不同贮藏温度下奇异果失重率和可溶性固形物含量随时间变化图。可明显看出，随着贮藏时间的增加，奇异果失重率整体呈上升趋势，而可溶性固形物含量整体呈下降趋势；5 ℃条件下失重率和可溶性固形物含量变化速度缓慢，随着温度的升高变化速度越来越快，25 ℃条件下失重率和可溶性固形物含量变化速度最快，曲线最陡峭。由此可以得出，奇异果的失重率和可溶性固形物含量与贮藏温度有关，贮藏温度越高，失重率和可溶性固形物含量变化速度越快，奇异果品质越差；因此可以通过控制奇异果的贮藏环境温度减小奇异果的失重率，从而保持其品质，延长货架期。

图3 不同温度下奇异果失重率和可溶性固形物含量变化曲线Fig.3 The weight loss and soluble solids content curveof Kiwi fruit at different temperatures

由图3可以得到不同温度下奇异果失重率和可溶性固形物含量变化速率常数K，结果如表3所示。由表3明显得出，随着温度的升高奇异果失重率和可溶性固形物含量的反应速率常数K逐渐升高，反应速率常数K受到温度的影响。根据反应速率常数与温度的关系，以1/T为横坐标，lnK为纵坐标用origin进行作图，拟合后获得一条直线，结果如图4所示。由公式(2)计算奇异果失重率和可溶性固形物含量的活化能值，由直线斜率可得活化能值，由截距得A值。经计算得奇异果失重率的活化能值为51.759 6 kJ/mol，可溶性固形物含量活化能为47.980 9 kJ/mol，结果如表3所示，其中R为8.314×10-3kJ/(K·mol)。

图4 奇异果失重率和可溶性固形物含量的Arrhenius图lnK与1/TFig.4 Arrhenius plot of lnk vs. 1/T for Kiwi fruit weightloss and soluble solids content

表3 不同温度下失重率及可溶性固形物含量的反应速率常数K和活化能EaTable 3 Reaction rate constants K and activationenergy of weight loss and soluble solids content atdifferent temperatures

指标温度/℃KR2Ea/(kJ·mol-1)R2平均值失重率51015200.001 40.001 90.003 20.004 20.985 00.995 20.987 40.999 551.759 60.985 3可溶性固形物含量51015200.006 70.008 00.009 30.011 20.810 30.822 30.823 40.914 622.932 50.979 9

2.2.2 贮藏温度对奇异果VC含量和总酸度的影响

图5所示为不同贮藏温度下奇异果VC含量和总酸度随时间变化。可明显看出，随着贮藏时间的增加奇异果VC含量和总酸度整体呈下降趋势；5 ℃条件下VC含量和总酸度变化速度缓慢，随着温度的升高变化速度越来越快，25 ℃条件下VC含量和总酸度变化速度最快，曲线最陡峭。由此可以得出，奇异果的VC含量和总酸度与贮藏温度有关，贮藏温度越高，VC含量和总酸度变化速度越快，奇异果品质越差；因此可以通过控制奇异果的贮藏环境温度来减小奇异果的VC含量和总酸度损失，延长货架期。

图5 不同温度下奇异果VC含量和总酸度变化曲线Fig.5 The VC content and total acidity curve of kiwi fruitat different temperatur

由图5可以得到不同温度下奇异果VC含量和总酸度变化速率常数K，结果如表4所示。由表4明显得出，随着温度的升高奇异果VC含量和总酸度的反应速率常数K逐渐升高，反应速率常数K受到温度的影响。根据反应速率常数与温度的关系，以1/T为横坐标，lnK为纵坐标用origin进行作图，拟合后获得一条直线，结果如图6所示。

图6 奇异果VC含量和总酸度的Arrhenius图lnK与1/TFig.6 Arrhenius plot of lnk vs. 1/T for kiwi fruit VCcontent and total acidity

由公式(2)计算奇异果VC含量和总酸度的活化能值，由直线斜率可得活化能值，由截距得A值。经计算得奇异果VC含量的活化能值为36.667 2 kJ/mol，其中R为8.314×10-3kJ/(K·mol)，总酸度活化能为59.243 1 kJ/mol，结果如表4所示。

表4 不同温度下VC含量及总酸度的反应速率常数K和活化能EaTable 4 Reaction rate constants K and activationenergy of VC content and total acidity at differenttemperatures

2.3 扩散型TTI对奇异果品质的表征

表5所示为奇异果品质损失活化能，如果将此TTI应用于水果品质的表征，则标签活化能与水果品质的活化能差值在±25 kJ/mol以内，才能保证预测的食物品质误差小于15%。由研究结果发现，标签活化能值为37.302 4 kJ/mol，与表5结果相对比发现，奇异果失重率、可溶性固形物含量、VC含量和总酸度的活化能与此标签的活化能之差在±25 kJ/mol以内，因此可以用此标签对奇异果的失重率、可溶性固形物含量、VC含量和总酸度进行预测和表征。

表5 奇异果品质损失活化能Ea值Table 5 Kiwi fruit quality loss activation energy Ea value

3 结论

本文通过对不同温度下TTI标签颜色变化、奇异果失重率、可溶性固形物含量、VC含量和总酸度的监测，得出以下几个结论：

(1)贮藏环境温度对标签颜色变化影响显著(P<0.05)，贮藏温度越高，标签的颜色变化越快；在整个颜色变化过程中，标签的RGB值随着时间的增加呈递减趋势，且贮藏温度越高，递减速度越快，曲线越陡峭。此标签可用于预测由扩散，酶反应，水解，脂质氧化造成的部分食品质量损失。

(2)奇异果的失重、可溶性固形物含量、VC含量和总酸度与贮藏温度有关，贮藏温度越高，奇异果的失重率、可溶性固形物含量、VC含量和总酸度变化速度越快，奇异果品质越差；因此可以通过控制奇异果的贮藏环境温度减小奇异果品质损失，延长货架期。

(3)此标签能够实现对奇异果失重率和可溶性固形物含量的预测，有望将其应用于食品运输监控中，实现对食品品质的监控，使其成为食品运输监控的智能化便捷手段。