基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測方法的研究進展

殷澤生，戴振庭，周瑜，陳舜勝*，張洪才,2*

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(上海交通大學 農業與生物學院，上海，200240)

水產品味道鮮美、營養豐富，富含高質量的動物蛋白、活性肽、維生素和微量元素等，具有較好的食品價值和營養價值，深受人民群眾的喜愛[1]。隨著城鄉居民消費升級，人們對營養、健康食品的需求不斷增強，水產品的消費比重不斷增長，根據國家統計局數據顯示，2020年全國水產品總產量高達6 549萬t[2]。但由于水產品大多肌肉組織細嫩且蛋白質含量高，在加工或貯運過程中，極易發生腐敗變質，直接影響水產品的銷售價值、加工價值與食用安全性[3]，造成水產品品質下降。因此，新鮮度是衡量水產品品質的一項重要指標，對新鮮度進行快速而有效的檢測在水產食品安全、貯藏、流通及加工過程有著重要意義[4]。

常見的水產品新鮮度檢測方法可分為微生物檢驗、理化檢驗與感官檢驗等。盡管這些方法結果相對準確，但通常耗時較長、效率較低、成本較高和步驟繁瑣，不能適應當下企業或商場的大規模使用[5]。近年來新型檢測方法逐漸成為研究與應用的熱點，如氣味指紋技術、感官仿生、光譜技術和生物傳感器等新型快速檢測手段，這些方法具有速度快、無損檢測和應用廣泛的優點，但存在著價格昂貴、不便攜帶的缺陷性，阻礙了這些方法的廣泛應用[6-8]。

因此，研發快速簡便、準確價廉、適用范圍廣的水產品新鮮度快速檢測方法對水產品產業發展具有著重要的現實意義[9]。近年來，鮮度指示劑逐漸成為重點關注對象，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現對水產品新鮮度的快速檢測，具有較好的應用潛力[10]。因此，本文將主要綜述基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測方式的研究進展，并討論其應用前景和所面臨的挑戰，為進一步的應用和研究提供理論參考。

1 基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測方法概述

1.1 基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測方法的定義與機理

食品在加工、貯運過程中，在自身和環境因素的作用下會發生復雜的化學與生物化學變化，并且在微生物的作用下，食品的新鮮度不斷下降，并產生與之相關的產物，例如果蔬類產生的乙烯、肉類產生的硫化氫等。鮮度指示劑本質上是一種可以與鮮度和品質變化產生的化學物質發生反應，并產生相應顏色變化的物質，通過顏色變化程度可判斷食品的新鮮程度?；邗r度指示劑這種關聯性，可實現對食品新鮮度的檢測，這種檢測方法具有快速實時、非破壞性、成本低、器具小和易操作等特點，近年來受到大量關注，并且成功應用于鮮肉和水果等食品的新鮮度檢測中[10-12]。

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

圖1 基于新鮮度指示劑進行水產品新鮮度快速檢測的機理示意圖

1.2 基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測方法的的分類與特點

水產品腐敗時，產生大量揮發性堿性含氮物(鹽基氮)，使水產品新鮮度變化過程總是伴隨著酸堿度的變化，因此大部分水產品鮮度指示劑檢測法使用酸堿度(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、溴百里香酚藍等化學染料型指示劑。除此之外，還有對水產品腐敗過程中其他成分敏感的腐敗化學成分敏感型指示劑，例如基于微生物作用(蛋白質分解)的代謝產物(揮發性胺)敏感的光敏感分子[10,16]。

水產品鮮度指示劑檢測法應用研究中，指示劑通常與固定載體結合制作成檢測試紙、指示標簽和智能包裝等形式，除進行快速新鮮度檢測外，通過標簽和包裝的實時顏色變化，可以實時監測食品在貯藏、運輸、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，以保持反應靈敏性、提高指示劑穩定性和拓展指示劑的功能[18]。近年來基于鮮度指示劑進行水產品快速新鮮度檢測的研究備受關注(表1)，本文匯總此方面的研究與應用動態，以作比較系統的闡述和總結。

表1 基于鮮度指示劑的快速檢測在水產品中的應用

續表1

2 基于鮮度指示劑的水產品新鮮度快速檢測的應用研究

2.1 基于化學染料型指示劑的水產品新鮮度檢測

2.1.1 不同化學染料型指示劑的應用進展

酸堿度(pH值)感知型指示劑中的化學染料型指示劑，具有價格低廉、性質穩定和可工業化生產的特點，在肉制品的新鮮度檢測中有應用廣泛[47]。在水產品新鮮度檢測中，化學染料型指示劑多為溴甲酚綠、溴甲酚紫和溴麝香草酚藍(bromothymol blue, BTB)等化學染料。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種智能標簽，用于青魚(Mylopharyngodonpiceus)的新鮮度檢測，隨著青魚的腐敗變質，2種指示標簽的顏色變化與揮發性鹽基氮結果均具有顯著相關性，其中溴甲酚紫標簽在青魚超過二級新鮮度(揮發性鹽基氮>20 mg/100g)時顏色從亮黃色變成藍紫色，可較好辨識出青魚的新鮮度。而BTB標簽雖然顏色變化也較明顯，但平滑性和準確性相較于溴甲酚紫標簽略有不足。

單一的化學染料指示劑往往變色范圍窄，顏色過渡不平滑，利用化學染料的復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，用于南美白對蝦(Litopenaeusvannamei)的實時新鮮度監測。蝦在冷藏條件下貯藏4 d，指示膜顏色由紅褐色轉為紫褐色，對應次級鮮度，隨后在貯藏第8天完全腐敗時轉變為黑色，不同鮮度等級指示膜顏色存在明顯差異且與鮮度化學指標顯著相關，相較于單一化學染料指示劑具有更為優良的指示效果。

2.1.2 化學染料型指示劑的安全性研究

化學染料通常具有明顯的毒性，如亞甲基藍和甲基溴易導致新生兒貧血癥、高膽紅素血癥等[48]，特別是容易發生染色液遷移現象，化學染料容易從固定載體遷移到食物上，對食品的安全性具有較大的威脅，有學者通過加強固定的方法來增強化學染料指示劑的穩定性和安全性。例如WANG等[42]利用金屬有機框架Cr-MIL-101接枝BTB，以CA和PEG-4000為載體制作的指示標簽，離子鍵和多孔構架阻止染色遷移和改善著色穩定性。不僅在草魚(Ctenopharyngodonidella)的新鮮度檢測中表現出明顯的顏色變化，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，制備BTB/玉米醇溶蛋白比色標簽，具有良好的微觀結構和化學穩定性，在有效監測黃鰭金槍魚(Thunnusalbacores)新鮮度的同時也具有較好的安全性。

雖然關于化學染料鮮度指示劑的應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，并且化學染料難以降解，潛在的環境問題也較為嚴重，商業應用上受到很大的限制。因此目前研究的重點開始偏向尋求無毒靈敏的敏感材料[49]。

2.2 基于天然提取物型指示劑的的水產品新鮮度檢測

天然提取物型指示劑常選用從植物中提取的具有pH響應變色特性的提取物，相較于化學染料，具有來源廣泛、無毒無害、可降解的特點，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品新鮮度指示劑研究的重點關注對象[18,50]。

2.2.1 不同天然提取物型指示劑的應用進展

天然提取物種類多樣，目前用來開發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行水產品新鮮度檢測的研究。

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pH的變化有極高敏感性，可產生顯著的顏色變化，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品新鮮度的檢測[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簽，在pH 2～11范圍內表現出從紅色到灰色的明顯色差，肉眼可清晰識別。在鯉魚(Cyprinuscarpio)和虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)的新鮮度檢測中具有良好的顏色變化，并且與細菌總數和揮發性鹽基氮結果具有正相關性，有很好的應用潛力；MERZ等[28]采用蒲桃花青素作為指示劑制作的指示膜，用于南美白對蝦的新鮮度檢測，結果表明不同時間(0～93 d)和溫度(-20～20 ℃)下，顯示出從紅色到藍色的明顯變化，可用于監測蝦的新鮮度。

姜黃素是從姜黃中提取的一種酚類物質，除對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，用于對羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的新鮮度檢測，隨著對蝦貯藏時間的延長，呈現出由黃色到紅色的明顯顏色變化，并且與揮發性鹽基氮也具有相關性，可為羅氏沼蝦的新鮮度提供了一種有效的鮮度顯示計。

除此之外，利用不同天然提取物作為指示劑進行水產品新鮮度檢測的研究多種多樣，例如MOHAMMADALINEJHAD等[26]采用藍薊花天然染料制成的指示劑對獨角新-9-對蝦(Metapenaeusmonoceros)進行新鮮度監測，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)的顏色變化，并與菌落總數和揮發性鹽基氮測定結果一致；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頭魴(Megalobramaamblycephala)的變質情況，而且相較于花青素指示劑更具有穩定性，在魚類的實時新鮮度檢測上有很好的效果。

2.2.2 天然提取物型指示劑穩定性研究

天然提取物指示劑一般安全性較好，但也存在較大缺陷，多數天然提取物的穩定性較差，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合，在實際應用中易受到限制[53]。常通過改變基質材料和制備方法來增加天然提取物指示劑的穩定性和分散均勻性，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]。

通過不同基質材料與花青素結合的特性，可提高花青素在貯存和檢測過程中的穩定性和準確性。例如JIANG等[27]將羧甲基纖維素/淀粉與紫甘薯花青素復合，通過產生的新相互作用，不僅提高鮮度指示薄膜的拉伸強度和厚度，也降低了斷裂伸長率、含水率和透光率。在穩定性測試中，指示薄膜20 d后仍可保持顏色穩定，并且在草魚的新鮮度檢測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合制備一種具有pH敏感性和抗氧化活性的納米復合膜, 具有特異的紫外-可見光阻光性和抗氧化性。在帶魚(Trichiuruslepturus)和對蝦的新鮮度檢測應用研究中，也具有良好的顏色變化。除了利用基質材料的特性外，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，以殼聚糖、PVA為基質來穩定花青素，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定性。

基于天然提取物的水產品新鮮度指示劑不僅安全性高，而且簡單快速靈敏，相關的研究進展很快，具有極高的應用潛力。然而天然提取物的提取技術相對不成熟，而且由于穩定性較差，需要和載體復合提高穩定性，并且相關制備技術也不成熟，不具備大規模生產條件，仍面臨重大挑戰。因此，雖然目前相關研究較多，但天然提取物指示劑的應用還處于實驗室階段，仍需要進一步完善，以實現工業化生產和應用。

2.3 基于其他鮮度指示劑的水產品新鮮度檢測

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

例如對揮發性胺具有高特異性、高靈敏響應的傳感材料麥氏酸活化的呋喃(meldrum′s activated furan, MAF)，可與胺類化合物發生開環反應，形成光敏感分子。李寧等[44]以麥氏酸活化呋喃和聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)為揮發性胺指示劑和載體，制備一種用于檢測魚肉新鮮度的MAF/PVC薄膜，結果表明MAF/PVC薄膜的色差值(ΔE)變化與樣品中揮發性鹽基氮含量具有較好相關性，可準確和快速指示魚肉的新鮮度，并且易于制備、成本較低，在水產品新鮮度檢測中有良好的應用前景。LIU等[46]利用刺激響應型PANI和TPE的聚集誘導發射特性，研制一種新型比色熒光雙模傳感標簽，不僅可顯示魚變質過程中顏色變化，且可通過紫外光下熒光信號的變化定量評估魚類的新鮮度。然而，盡管這類鮮度指示劑加工簡單、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品快速新鮮度檢測智能化顯示研究

鮮度指示劑的數字化、智能化應用也是當前的熱點研究，相較于人眼識別，計算機對顏色變化更加敏感和準確，將含指示劑的標簽、膜、包裝等載體與食品一起保藏，其顯色變化和條形碼、傳感器等智能技術相結合，通過智能設備可更直觀清晰地展現新鮮度的狀態[56]。如FANG等[21]通過絲網印刷法制作的紅甘藍花青素比色標簽，通過BP神經網絡訓練來確定標簽顏色與揮發性鹽基氮值之間的關系，消費者可通過手機快速、準確的識別標簽以確定魚類的新鮮度，準確率可達到92.6%。

3 結語

基于鮮度指示劑的快速測定憑借其高效、操作簡單、成本低廉等優勢，在水產品新鮮度快速檢測應用方面受到廣泛關注?；趐H變化的鮮度指示劑是主要研究熱點，但在實際應用中還存在一些問題：

(1)目前大多指示劑的原理都是依據水產品腐敗產生的酸堿度變化，而pH值的變化對新鮮度不夠準確，一些新鮮度高的魚pH值往往先下降后上升,而不是單調變化，并且環境因素如濕度、溫度以及包裝的密封性都會對指示劑的準確性產生影響；(2)化學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定性不佳，在實際應用上存在困難；(3)一些指示劑的顏色變化反應是可逆轉的，易造成錯誤的指示。

基于上述問題，水產品鮮度指示劑可在如下方面做進一步研究：(1)研發新型穩定、安全的敏感材料，例如對某些生物胺特異性、敏感性均較好的指示劑；(2)提高鮮度指示劑的穩定性、響應速度與靈敏性；(3)尋求更穩定、安全的固定載體與制備工藝，提高檢測的安全性與穩定性；(4)基于鮮度指示劑制作的實時指示智能標簽、包裝對環境有較高要求，準確性容易受到影響，可以嘗試將氣調包裝技術與活性包裝技術有機結合，彌補存在的問題。