福建农林大学魏萱/庞杰/吴淑一 ACS AMI：检测包装压力和食品新鲜度的生物质水凝胶多功能传感器

2024-03-26 来源：高分子科技

由于微生物污染、温度变化和运输振动的影响，贮存过程中产生了大量(约14%)食品垃圾。提供食品包装压力、食品包装震动、食物新鲜度等检测信号对于优化运输和储存环境、减少食品损失具有重要意义。但是，在食品运输和储存过程中，缺乏对食品腐败膨胀、外部挤压和食品新鲜度信息的综合检测分析。此外，与昂贵和复杂的检测方法如微生物细胞计数、拉曼效应、光谱和质谱法相比，降低经济成本和保持检测设备的灵敏度十分重要。因此，开发检测食品新鲜度和包装压力的低成本和高灵敏度的多功能食品包装传感器是迫切需要解决的重要问题。

近日，福建农林大学机电工程学院魏萱副教授、食品科学学院庞杰研究员与土木与交通工程学院吴淑一副教授在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了三维骨架结构食品压力和新鲜度凝胶多功能传感器的研究。基于柔性压力传感器的压力敏感性和蓝莓花青素膜随pH值改变的颜色变化，检测包装内部膨胀、外部挤压和食品新鲜度。

1.包装压力和食品新鲜度多功能传感器的结构与制备

通过微流体气喷纺丝设备构建MXene增强导电三维骨架结构的柔性压力传感器。通过生物质材料魔芋葡甘聚糖、壳聚糖和蓝莓花青素组成的凝胶膜用于食品新鲜度的检测。将压力传感器和花青素膜结合制备多功能传感器用于运输过程中的肉类食品腐败检测（图1）。

图1. 多功能传感器的制备。(a)传感器的光学图像及包装压力和食物新鲜度检测。(b) MXene/APU纤维网络的制备。(c)三维骨架结构多功能传感器。

2.压力传感器的作用机制与应用

通过有限元模拟纤维和水凝胶膜结构在不同压缩位移载荷下的应力和应变分布。随着压缩量的提高，纤维的形变量明显变大，对应的导电纤维之间的接触增加，电阻降低（图2）。该压力传感器具有良好的传感性能，适用于区分不同材料表面形态、记录脉冲、测量关节运动和检测喉部振动（图3）。

图2. 压力传感器的作用机理。(a)原始状态及(b)在压缩位移分别为0.1,0.2和0.3 mm 的情况下，MXene/APU纤维网和水凝胶薄膜的应力和应变分布。

图3. 柔性传感器的性能及应用。(a) APU及MXene/APU的导电性测试。(b)柔性传感器在5 g重压下的响应和恢复时间。(c)传感器在不同重量和(d)不同拉伸比下的电阻变化。(e)传感器在20%拉伸率的循环拉伸载荷下的电阻。(f)在20 g重量下接触不同粗糙度砂纸的电阻。(g)检测脉搏，(h)手指弯曲，(i)肘弯曲，(j)膝弯曲，(k)吞咽和(l)声音振动时传感器的电阻。

3.食品包装胀袋、外部挤压和食品新鲜度检测

传感器能够区分在运输过程中包装袋内部膨胀和受到外部挤压情况下的电信号（图4）。食物在变质过程中产生的碱性气体，引起传感器电阻变化；花色苷的酚类结构在碱性环境中发生变化，导致传感器膜的颜色变化。多功能传感器在猪肉腐败过程中通过包装的电阻信号和颜色信号来检测猪肉新鲜度。通过测量总挥发性盐基氮，揭示传感器信号与猪肉新鲜度的定量关系（图5）。

图4. 检测包装胀袋和外部挤压。在模拟(a)袋内膨胀、(b)外部挤压和(c)袋内膨胀和外部挤压的组合状态下电阻的变化率。

图5. 多功能传感器在猪肉贮藏中的应用。(a)传感器应用的光学图像。在贮存期间猪肉总挥发性盐基氮浓度和(b)传感器电阻变化率以及(c)总色差。

本研究提供了一种新型的多功能食品包装传感器，能够提供包装内部膨胀、装外包挤压和食品新鲜度信息。MXene/APU薄膜具有良好的压力传感性能；通过生物质水凝胶膜颜色随pH值的变化可表征含蛋白质食品新鲜度。在未来，该装置可促进食品产业相关研究，如提供运输过程中包装外部振动和食品新鲜度之间的关系，这是优化运输和储存条件的重要基础。

论文信息：

英文原题：Multifunctional sensors made with conductive microframework and biomass hydrogel for detecting packaging pressure and food freshness

通讯作者：魏萱，福建农林大学机电工程学院；庞杰，福建农林大学食品科学学院；吴淑一，福建农林大学土木与交通工程学院

作者：刘微，陈婕，叶洪，苏澈，吴浈浈，黄亮，周丽珍

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c19392

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（责任编辑：xu）

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