《食品科学》：中国检验检疫科学研究院刘通研究员等：冷链贮运中生鲜食品劣变的快检技术研究进展

生鲜食品是目前大众消费的主要食品类别之一，主要包括果蔬、肉类、水产品以及乳制品等。作为一类未经烹调、制作等深加工的初级食品，其新鲜度决定着生鲜食品的品质以及质量安全。冷链可以为生鲜食品生产、加工、贮藏、运输、销售等环节提供低温环境，能够有效抑制微生物生长，减缓品质劣变速度，减少因食用劣变食品导致的食源性疾病。近年来，通过应用信息化技术，将指示剂、光谱技术、传感器、质谱技术等快检技术获取的数据结果导入大数据平台，可以通过扫码等便捷手段实现对生鲜食品新鲜和变质情况的查询，有助于监管部门、市场和消费者做出科学合理的决策（图1）。

中国检验检疫科学研究院食品安全研究所的张宜新、刘通*和张峰对指示剂、光谱技术及传感器技术等生鲜食品劣变快检技术的最新进展进行综述，以期为完善冷链贮运中生鲜食品质量安全控制提供参考。

1 指示剂检测

生鲜食品在贮运过程中存在复杂的生理生化反应，冷链环节的缺陷加剧了微生物的分解作用使食品劣变，从而产生了许多标志性化学物质，如果蔬呼吸作用产生的乙烯、CO 2 ；肉类中蛋白质在酶和微生物分解作用下产生的H 2 S和总挥发性盐基氮（TVB-N）以及水产品产生的生物胺（腐胺、组胺等）和ATP降解产物（黄嘌呤、次黄嘌呤（HX）等）。指示剂检测方法通过指示剂与生鲜食品产生的相关成分发生化学反应，并根据颜色的变化评估食品的劣变情况，是一种快速、无损的检测手段。常见的指示剂类型包含pH值指示剂、化学指示剂及TTI等（表1）。

1.1 pH值指示剂

生鲜食品劣变过程中产生的CO2、TVB-N等均会引起食品pH值的明显改变。这种方法基于比色原理将pH值的改变转化为颜色变化，通过pH值指示剂的颜色变化反映食品的劣变情况。pH值敏感染料是pH值指示剂的重要组成部分，分为天然染料和化学合成染料。化学合成染料成本低，但通常具有明显的毒性。相比之下，从水果和蔬菜等植物中提取的天然色素（如花青素、姜黄素等）不仅具有pH值敏感性，而且无毒无害、可生物降解。Yan Jiatong等将天然高分子壳聚糖和蝴蝶布丁花提取物中的花青素结合制备了pH值指示剂，其颜色变化（蓝紫色到深绿色）与TVB-N含量升高密切相关，成功应用于生鲜罗非鱼片的劣变检测。尽管pH值指示剂检测是一种灵敏、操作简单、成本低的方法，但其比色原理大部分依赖于环境pH值的变化，这种变化有时是先下降后上升而不是单向变化，且准确度会受到环境温度、湿度以及包装密封性等因素的影响。

1.2 化学反应指示剂

生鲜食品在贮运过程中产生的化合物也可以与特定的指示剂发生化学反应，引起颜色改变，从而指示其劣变情况。Ding Nan等开发了一种基于掺银普鲁士蓝纳米颗粒水凝胶的比色和光热双模式指示剂，用于检测水产品的劣变。微生物代谢产生的挥发性三甲胺迁移至功能水凝胶中后，导致纳米粒子分解，进而颜色发生变化（从蓝色变为无色）和光热效应消失。研究结果显示，比色和光热信号均与三甲胺的含量（0.21～0.54 μg/g范围内）呈良好的线性关系。此外，化学反应指示剂也被应用于肉类劣变产生的H2S检测。

1.3 TTI

TTI的检测原理是利用生鲜食品在劣变过程中的温度依赖性，通过发生物理或化学变化产生时间-温度累积效应，从而反映生鲜食品的温度变化过程及剩余货架信息，这种时间-温度累积效应通常表现为颜色变化。近年来，应用于生鲜食品劣变实时检测的TTI主要有酶型TTI、物理型TTI、微生物TTI等。Gao Tingting等开发了一种基于金银核壳纳米棒的TTI，用于检测巴氏杀菌牛奶在冷链运输过程中的劣变情况。随着银壳的不断生长，TTI颜色从最初的红色变为橙色、黄色，最后变为绿色，可实时反映牛奶劣变情况。值得注意的是，无论是哪种指示剂检测方法，其应用的化学显色指示剂可能导致安全问题，而来源于天然色素的指示剂又存在不够稳定的缺陷，因此兼具稳定性和安全性的指示剂还需要进一步开发。

2 光谱技术

光谱技术利用光与生鲜食品劣变过程中相关化学物质的相互作用得到光谱信息以鉴别物质的化学组成和相对含量，进一步反映生鲜食品的劣变情况。由于具有非破坏性，无需或仅需较少的前处理操作，荧光光谱、近红外光谱、高光谱成像等光谱技术已被广泛应用于冷链贮运环节生鲜食品劣变的分析检测。手持式、穿戴式等小型化、便携式光谱仪器的发展更是推动了其在现场、快速、实时检测领域的应用。

2.1 荧光光谱技术

具有荧光特性的分子在获得能量后可以在特定波长处被激发出荧光光子。荧光光谱技术利用这一特性对激发出的辐射强度进行定量分析，是一种高灵敏度、高选择性的快速分析技术。然而，传统的荧光光谱法只适用于透明样品，限制了其在食品领域的应用。前表面荧光光谱（FFFS）克服了这一局限，仅用对样品表面的分子进行荧光激发，适用于非透明液体和固体样品的分析。Liu Huan等基于FFFS利用氧化产物与色氨酸的荧光强度比建立了猪肉样品中TVC的定性模型，用于评估不同贮存温度条件下（0、4、7、10、15、20 ℃）猪肉的劣变程度。结果表明，猪肉在贮藏过程中新荧光产物的形成与微生物腐败程度密切相关。除此之外，荧光探针也被用于冷藏猪肉中精胺含量的灵敏检测（检测限（LOD）为76 nmol/L），可实现现场快速、实时、可视化监测。

2.2 NIR技术

NIR获取食品组成和结构的丰富信息，主要由含氢基团（O—H、C—H、N—H和S—H）的倍频和组合波段吸收峰组成。样品中不同成分在特定波段（780～2 500 nm）具有典型的吸收、反射或散射特征，根据这些基团的位置和吸收强度，可以定性或定量地分析其化学成分。为了满足现场、快速、实时检测的需求，近年来小型、便携式NIR仪得到了极大的发展。Wei Wensong等开发了一种手持便携式NIR系统对猪肉中TVB-N特征光谱的变化进行监测，准确率为78.6%。

2.3 HSI技术

传统的光谱技术只能提供单一的光谱信息，无法提供空间信息。HSI将传统光谱学和机器视觉相结合，能够在空间域上提供光谱信息（如可见光光谱（Vis）、Vis-NIR、NIR、荧光光谱），是一种新兴的无损、无污染的快检技术。HSI获得的大量不同波长图像构成一个“超立方体”，具有二维空间维度（x，y）和光谱维度（波长k）。基于三维数据矩阵，HSI可以反映生鲜食品中不同化学成分的分布，指示其劣变情况。考虑到HSI获得图像数据的复杂性和冗余性，以及化学物质含量的动力学特征，HSI技术常结合多种化学计量模型提 高预测精度。如图2所示，Weng Shizhuang等利用不同的矩阵获得草莓高光谱图像后，结合偏最小二乘回归（pPLSR）、支持向量回归（SVR）和局部加权回归（WR）建立了可溶性固形物含量（SSC）、pH值和VC预测的回归模型，生成了SSC、pH值和VC随贮藏时间变化的分布图，可实现草莓中SSC、pH值和VC的无损、准确检测。

此外，在生鲜食品劣变过程中，气味变化往往发生在颜色变化之前，单一的HSI技术无法表征这一信息。为了克服这一局限性，Cheng Jiehong等采用HSI技术和电子鼻技术相结合的方法对不同冻融周期条件下猪肉的含水量数据进行采集，建立了一种改进的决策融合预测模型，能够准确预测因冷链“断链”导致反复冻融的猪肉劣变情况。

3 传感器技术

传感器将感受器接收到的信息通过换能器按一定的规则转换成电信号或其他信号输出形式，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求，是一类覆盖面广、适用性强的检测装置。根据信号输出形式的不同，分为比色传感器、电化学传感器、光学传感器及生物传感器等。各类传感器在生鲜食品劣变检测中的应用见表2。值得注意的是，在包装应用领域中，尽管指示剂不具有传感器的相同特征，但由于它们的感知和监测行为都是通过视觉变化表现出来，因此术语“指示剂”通常被术语“传感器”所替代。

3.1 比色传感器

比色传感器利用传感单元光学性质（吸收或发射）的改变作为输出信号，以实现对待分析物的可视化检测，具有携带方便、操作简单等特点。Zhang Hang等使用两种不同颜色变化的生物胺敏感染料（两性罗丹明和荧光素）作为传感基元，开发了一种聚合物比色传感器，用于检测3 种贮存温度（-20、3、23 ℃）条件下鱼虾样品中的生物胺。该比色传感器可直接涂覆在商业塑料薄膜（如聚酯）的表面，具有优异的传感性能，如多色转变（粉色-无色-黄）、高灵敏度（1.8 nmol）、高选择性（仅生物胺）、长期稳定性等。

为了进一步提高比色传感器的检测效能，基于多个传感器单元的传感器阵列应运而生。传感器阵列通过与目标分析物的交叉响应，可以避免单一传感器响应的不稳定性，提高检测的准确性。Ma Peihua等开发了一种基于MOF基质膜的便携式传感器阵列，用于冷藏过程中鸡胸肉样品产生TVB-N的实时检测，对三甲胺的LOD低至80 μg/g。

3.2 电化学传感器

3.2.1 一般电化学传感器

电化学传感器是一种将化学反应转化为电信号的装置，通常由化学识别系统和物理化学换能器两部分构成，具有选择性好、灵敏度高、LOD低的优势。Lee等以Nafion包覆的5-磷酸铜（Cu 3 (PO 4 ) 2 ）为电极，采用一步浸渍涂覆的方法制备了电化学组胺传感器，在5～500 μg/g的范围内具有良好的线性关系（R 2 ＝0.999），LOD低至3.0 μg/g。但这种检测方法需要对鱼类样品进行复杂的预处理，不适于现场实时检测。

3.2.2 电子鼻技术

电子鼻是由一系列选择性的电化学传感器阵列组成并连接到适当的模式识别系统模仿人类嗅觉，实现对挥发性气体灵敏检测的分析工具，具有检测速度快、灵敏度高的特点。如图3所示，Kim等开发了一种集成痕量胺相关受体纳米盘的便携式电子鼻，可以在肉类贮存3 d后检测到两种目标生物胺（尸胺和腐胺）浓度的急剧变化，快于市售NH 3 和H 2 S传感器（4 d后），具有超高的灵敏度，其LOD分别为26.48 μg/kg和7.29 μg/kg。

然而，电子鼻对温度和湿度非常敏感，且依赖于传感器和分析物之间不稳定化学相互作用（范德华力和物理吸附）产生的微弱信号，极大地影响了检测结果。因此，电子鼻技术也常与其他检测技术相结合，以提高检测结果的准确性和可靠性。Weng Xiaohui等提出了一种结合电子鼻、计算机视觉和人工触觉传感技术评价肉类新鲜度的新方法，通过对6 个气味参数、9 个颜色参数和4 个橡胶参数的融合分析，实现了对冷藏条件下肉类的劣变检测。与单一技术相比，融合技术显著提高了检测性能，但成本偏高。

3.3 光学传感器

光学传感器利用敏感层与被测物质相互作用引起的光信号变化（如荧光猝灭、荧光点亮）实现高选择性的快速检测。光学传感器可以克服电子传感技术由于分析物和目标分子之间非特异性物理吸附而易受到环境中其他物质（特别是湿度）干扰的问题。荧光传感器是生鲜食品劣变检测中最常见的光学传感器之一。Mou Zehuai等开发了一种由橙色发射碳点、NTBC和XOD组成的荧光传感器，用于快速检测罗非鱼中HX的含量。荧光猝灭效率与HX浓度在2～250 μmol/L范围内呈线性关系，LOD为0.61 μmol/L，低于已报道的大多数HX传感器。

然而，在聚集状态下，荧光发光基团分子间的强π-π叠加作用导致的猝灭效应会对光学传感器的检测造成影响。AIE的出现克服了传统荧光团的缺点，AIE发光剂（如四苯基乙烯等）具有可旋转外围苯环部分的螺旋桨状构象或可振动结构，AIE利用聚集态下对分子内自由旋转和振动的限制而引起强烈辐射。基于这一特点，AIE被广泛用于固态传感标签以满足现场、实时检测的需要。为了避免使用有毒合成前体，一些可替代的非芳香族AIE发光剂（如金属纳米团簇）的开发受到关注。Zhang Wenyang等利用谷胱甘肽修饰的铜纳米团簇构建了一种TVB-N响应标签，利用色差和TVB-N浓度之间的线性关系定量评估三文鱼的新鲜度。

此外，为了避免发光浓度、外部环境，特别是监测方法（如人眼和数字分析设备）对光学传感器检测精度的影响，基于多种检测指标的光学传感器被开发并应用于生鲜食品的劣变检测，如比色-荧光双模传感器。Bi Jingran等开发了一种基于金纳米粒的比色和荧光双传感器系统，对三文鱼中组胺含量的LOD分别为0.87 nmol/L和2.04 nmol/L。

3.4 生物传感器

生物传感器由生物分子识别元件和信号转换器构成。样品通过与识别元件发生特异性结合而产生独特的生物学信息，这种特异响应被信号转换器转换为易检测判断的光学或电化学等信号，从而实现选择性检测。常见的生物分子识别元件包括酶、抗原抗体、核酸等生物敏感性材料。基于酶的生物传感器是生鲜食品劣变检测中使用最多的生物传感器之一。此外，一些合成的具有过氧化物酶模拟活性的纳米颗粒已成为更稳定、更具成本效益的生物催化剂替代品。Mustafa等利用CeO2纳米颗粒作为生物传感器的过氧化物酶模拟物、氧化还原放大器和显色指示剂取代了传统检测中使用的过氧化物酶和可溶性染料，用于冷冻鱼类样品中HX的现场检测，使分析成本大幅降低。

尽管上述传感器方法具有操作简单、灵敏度高的优势，但应用的纳米粒子中含有有毒成分均存在迁移到食品中的风险，一定程度上限制了其应用。

3.5 智能传感技术

近年来，智能手机等移动数字设备的广泛普及为经济高效、非侵入性和便携式检测开辟了一条实用的途径。其中，基于光谱的智能手机传感技术，使用内置光学摄像头拍摄图像，通过外部附件或第三方提供的应用程序对图像进行分析，可以有效避免由于肉眼观测造成的错误识别。Zhang Yaqin等通过智能手机结合RGB分析将功能性水凝胶比色传感器根据TVB-N含量产生的颜色信息数字化，实现了鱼类样品变质情况的量化分析。此外，基于深度学习的智能化检测平台也受到了广泛关注。如图4所示，Guo Lingling等将由20 种不同类型多孔纳米复合材料组成的交叉反应比色条形码与深度卷积神经网络（DCNNs）相结合，通过智能手机对肉类新鲜度进行快速、无损的实时监测，可以在30 s内出结果，总体准确率为98.5%。

同时，智能手机的大规模普及促进了无线技术（如无线电频率识别（RFID）、近场通信（NFC））与传感器的结合，这些设备可以实现对整个供应链的实时监控，确保生鲜食品的质量和安全。基于RFID的便携式气敏传感器具有低成本、无电池、可无线测量等特点。Zhang Lei等将银纳米颗粒修饰的二硫化钼纳米片（Ag@MoS2）固定在嵌套的开环谐振器上，制备了一种基于RFID的新型气体传感器，用于实时检测多种肉类的劣变情况。该传感器随着氨浓度的增加谐振频率显著下移，具有灵敏度高（LOD＜1 μg/g）和响应快速（约18.4 s）的特点。与RFID相比，NFC的明显优势在于NFC系统和充当远程阅读器的智能手机之间可以实现点对点通信，提高了个人用户的可操作性。

4 基于质谱的快检技术

敞开式质谱能够在常压环境下对样品进行离子化分析，无需或仅需极少的样品预处理过程，克服了传统色谱-质谱联用法（如GC-MS、液相色谱-质谱以及超临界流体色谱-质谱）所需复杂的样品处理步骤和较长的柱分离时间等缺陷，提供了一种可用于现场、快速、原位、实时检测的可行方案。目前，各种新型敞开式离子化技术，如纸喷雾电离、介质阻挡放电电离、解吸大气压化学电离（DAPCI）等技术的开发已成为质谱分析领域研究的热点。离子迁移谱（IMS）是一种在常压条件下工作的质谱技术，通过气相离子在弱电场中的迁移率检测识别不同种类物质，尤其适用于挥发性有机化合物的检测。与传统GC-MS相比，GC-IMS具有更高的灵敏度和选择性，无需任何预处理操作。Cavanna等通过GC-IMS得到不同批次鸡蛋的挥发性指纹图谱，成功地对新鲜和不新鲜鸡蛋进行了分类，预测准确率为97%。质子转移反应-质谱（PTR-MS）是另一种检测挥发性物质的新兴质谱技术。待测物质通过与离子源中产生的反应母离子H 3 O + 发生质子转移，获取质子进入质量分析器。PTR-MS无需复杂的样品制备以及MS前分离过程，具有实时快速、超高灵敏度检测的优势，LOD可达到纳克级。最近，一种新型的敞开式离子化质谱技术——快速蒸发电离质谱（REIMS），因其能够实时识别和快速分析食品的组织特征，也被用于鉴别冷链贮运中的肉类品质（图5）。该研究团队将食品组学与REIMS相融合，在肉表面划一刀（iKnife技术）即可在3 s内实现冻融肉的鉴别，建立的模型成功区分了新鲜和不同冻融次数的牛肉，对于盲测样品的识别率超过92%。

5 结 语

冷链贮运过程中由于温、湿度等条件失控导致生鲜食品品质劣变，严重影响着食品安全。高效、可靠的快检技术可以极大程度上避免由于冷链贮运环境多种变化引起的食品变质及浪费，提示消费者生鲜食品的变质程度，减少相关疾病的发生。本文综述了冷链运输过程中生鲜食品劣变各类快检技术的最新进展，涉及指示剂、光谱技术、传感器、质谱技术等的相关原理和应用。为了更好地将快检技术应用于冷链运输的日常实践，提高其可用性和普适性，未来生鲜食品的检测技术需围绕改进设备本身（性能、尺寸、价格等）、结合计算机数据模型及人工智能等手段展开：1）开发低成本、小型化、便携式、无损检测设备，适应冷链运输环节原位实时检测的要求；2）研发更具稳定性、生物相容性、可循环利用的无毒、绿色环保材料用于传感器、智能包装等；3）结合计算机辅助的数据处理分析方法（如神经网络等），提高模型预测精度；4）重视多种技术的融合，实现综合指标替代单一指标的多维检测，提高准确性和可靠性；5）开发具备复杂数据处理功能的可自动化输出设备（如智能手机等）及无线、数字化平台，方便工作人员和消费者远程、直观地了解食品劣变信息。总之，通过开发适用于冷链贮运的生鲜食品劣变快速检测技术，对于有效保障冷链食品安全、推动我国冷链食品产业和物流业的健康发展具有重要意义。

作者介绍

通信作者：

刘通，研究员，中国检验检疫科学研究院食品安全研究所。2015年毕业于西班牙巴塞罗那自治大学，获分析化学博士学位，回国后任职于中国检验检疫科学研究院食品安全研究所。从事食品安全分析相关研究，将新型纳米材料、同位素质谱、实时质谱等应用于食品安全分析和仪器研制。研发了系列特异性纳米净化材料和质谱电离源关键元件，开发了食品中非法添加成分的内/外源精准鉴别技术。主持完成国家重点研发计划题1项，参与国家重点研发计划课题3项，北京市科技计划项目1项，研究成果在Food Chemistry、Journal of Agricultural Food Chemistry、Analytical Chemistry等国内外期刊上发表文章50余篇，参编英文专著1 部，获授权发明专利12 件，制定国家标准4 项。获得中国检验检测学会科学技术奖特等奖、中国分析测试协会科学技术奖（CAIA）一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等科技奖励6 项。

第一作者：

张宜新，中国医科大学 硕士研究生。2017年9月至2021年6月就读于大连理工大学，药学专业，获理学学士学位。2021年9月至2024年6月就读于中国医科大学，药物分析学，获医学硕士学位。曾获研究生国家奖学金、国家励志奖学金、辽宁省优秀毕业研究生等荣誉称号。研究方向为复杂样品分离分析方法的创新性研究。硕士期间参与国家重点研发计划项目课题。曾发表成果在Journal of Pharmaceutical Analysis、Food Chemistry、Science of the Total Environment等期刊。

本文《冷链贮运中生鲜食品劣变的快检技术研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷15期295-305页。作者：张宜新，刘通，张峰。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20231124-203。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

长按或微信扫码进行注册

会议招商招展

联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）