劉冬青，陳 樸，臧 鵬，杜秉健，徐 楠，向 紅

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州 510642；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，航天營養(yǎng)與食品工程重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100094）

食品保質(zhì)期是指在既定保藏條件下，食品營養(yǎng)、安全和感官等屬性滿足人體攝入的時間跨度[1]。溫度是影響食品保質(zhì)期的主要因素，如對于市面流通的冷鏈?zhǔn)称罚滏湹臄嗔褧斐善湄浖芷诘难杆倏s短，易引發(fā)食品安全和浪費(fèi)問題。世界衛(wèi)生組織提到，從腹瀉到癌癥等200多種疾病是由食用含有有害細(xì)菌、病毒或化學(xué)物質(zhì)的不安全食品引起的[2]。世界自然基金會數(shù)據(jù)顯示，全球每年損耗及丟棄的過期食品數(shù)量高達(dá)10億噸，并且32%的食源性疾病是由于食用儲藏溫度不當(dāng)食品引起的。另外，在航空航天、極地探險、遠(yuǎn)洋作業(yè)等特因環(huán)境下，食品儲運(yùn)成本高昂，通過可靠的貨架期設(shè)計與監(jiān)測，可避免食品損耗和安全問題。傳統(tǒng)食品包裝的按日期確定保質(zhì)期并不能真實(shí)地反映整個生命周期中出現(xiàn)的真實(shí)溫度變化，據(jù)歐盟委員會估計，10%的食物浪費(fèi)與日期標(biāo)簽有關(guān)，有些食物在過了標(biāo)識的貨架期還完好無損，而有些則由于儲存溫度等原因，在標(biāo)識的貨架期內(nèi)就已經(jīng)變質(zhì)[3]，因此，實(shí)時監(jiān)測儲運(yùn)溫度對食品品質(zhì)的影響至關(guān)重要[1]。

時間-溫度指示器[4]（Time-temperature integrator，TTI）是一種用于實(shí)時監(jiān)測食品、藥物等產(chǎn)品安全性的新型指示器，它通過發(fā)生物理或化學(xué)變化來產(chǎn)生時間溫度累積效應(yīng)，從而記錄產(chǎn)品的溫度變化歷程并指示產(chǎn)品剩余貨架信息。TTI成本效益高且對消費(fèi)者友好，可直接附著在食品或食品包裝上[5]。TTI從反應(yīng)到終止的時間長度可以通過不可逆的顏色變化或沿刻度的顏色運(yùn)動來反映，其顯示了與食品品質(zhì)變化和剩余貨架壽命相一致的信息[6]，實(shí)現(xiàn)對食品品質(zhì)的預(yù)測。TTI在食品中應(yīng)用的有效性取決于限制條件下品質(zhì)指標(biāo)動力學(xué)和TTI響應(yīng)的溫度依賴性之間的對應(yīng)關(guān)系。因此，TTI作為保質(zhì)期預(yù)測工具需要研究影響貨架壽命指標(biāo)變化和TTI響應(yīng)的動力學(xué)，以及動力學(xué)參數(shù)的溫度依賴性。通常使用反應(yīng)動力學(xué)模型和Arrhenius方程對數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度依賴性分析[7]。目前大部分的論述都只針對肉類和魚類等冷凍食品，在恒溫和動態(tài)條件下模擬真實(shí)的冷鏈狀態(tài)[8-9]，對TTI的綜述還不夠全面。本文闡述了TTI的基本概況，概括了基于不同工作原理，相應(yīng)的TTI系統(tǒng)的表觀響應(yīng)，最后討論了TTI在食品中的最新應(yīng)用，包括肉制品、水產(chǎn)品和果蔬及鮮牛乳，并總結(jié)了TTI在商業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。

1 時間-溫度指示器基本原理

1.1 時間-溫度指示器動力學(xué)模型

TTI應(yīng)用的先決條件是對目標(biāo)食品品質(zhì)和貨架壽命的溫度依賴性進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)建模。一般通過Arrhenius方程來模擬溫度對TTI反應(yīng)k'和食品中各種反應(yīng)k的影響，用Arrhenius方程描述簡單化學(xué)反應(yīng)對溫度的依賴關(guān)系[10]，可以表示為：

式（1）中：k為反應(yīng)速率常數(shù)；KA為指前因子；Ea表示反應(yīng)的表觀活化能；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為熱力學(xué)溫度（K）；Ea用來描述系統(tǒng)的熱能敏感度，Ea值的范圍可以指示易腐食品的變化過程。KA和Ea是反應(yīng)的特征常數(shù)，本質(zhì)上與溫度無關(guān)，可通過實(shí)驗來確定。

用線性化形式表示為：

在KA和Ea被視為常數(shù)的前提下，因變量lnk與自變量1/T為線性關(guān)系。斜率對應(yīng)表觀活化能Ea，截距與指前因子KA相對應(yīng)[11]。由式（2）可知，活化能的確定是設(shè)計TTI的關(guān)鍵因素，反應(yīng)的表觀活化能反映了溫度對反應(yīng)速率的影響程度。所以，表觀活化能越高，反應(yīng)速率受溫度的影響越顯著。

為了簡化估算Ea的難度，降低KA與Ea之間的相關(guān)性趨勢，溫度對k的影響可以用重新參數(shù)化的Arrhenius方程來評價[10]，由此引入兩個因素（Tref和kref）。重新參數(shù)化的Arrhenius方程如下式：

式（3）中：Tref是參考溫度；kref指參考溫度Tref下的反應(yīng)速率常數(shù)。

通過尋找一個最佳Tref來重新參數(shù)化的概念對于獲得常數(shù)kref和Ea之間接近零的相關(guān)性是至關(guān)重要的，因為通過使兩個參數(shù)之間的相對誤差最小化，它們各自的相對誤差也被最小化[12]。

由于TTI反應(yīng)和涉及食品變質(zhì)的反應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)遵循Arrhenius方程，將重新參數(shù)化后的方程帶入F（P）和F（R）：

式（4）～式（5）中：t是反應(yīng)時間；F（P）和F（R）分別是食品品質(zhì)變化和TTI反應(yīng)的動力學(xué)函數(shù)；kref和k′ref分別為參考溫度Tref下P和R的速率常數(shù)；Eafood和EaTTI分別為食品品質(zhì)變化和TTI反應(yīng)變化的活化能。

1.2 時間-溫度指示器與食品品質(zhì)變化之間的對應(yīng)關(guān)系

確認(rèn)Eafood和EaTTI后，TTI的建立需要確立兩者Ea的關(guān)系。前人研究表明能較好的實(shí)時反映食品品質(zhì)特性的TTI應(yīng)遵循以下公式[13]：

在TTI的建立方面，合適的食品品質(zhì)參數(shù)和易識別的TTI響應(yīng)非常重要。Eafood必須與EaTTI相近[14]，才能夠表示食品的貨架壽命終點(diǎn)與TTI終點(diǎn)相對應(yīng)（圖1），確保TTI的可視化反應(yīng)能真實(shí)反映食品品質(zhì)。當(dāng)EaTTI和Eafood越接近時，對食品品質(zhì)的監(jiān)測越準(zhǔn)確。

圖1 TTI在食品運(yùn)輸與貯藏管理中的應(yīng)用原理圖[15]Fig.1 Schematic diagram of TTI application in food transportation and storage management[15]

與活化能一樣，食品TTI也需要根據(jù)目標(biāo)食品的貨架期進(jìn)行選擇，食品安全和品質(zhì)變化一般遵循零、一、二級動力學(xué)模型，應(yīng)用TTI前，應(yīng)先使用可靠的動力學(xué)模型驗證TTI，由于與食品品質(zhì)相關(guān)的反應(yīng)是多重的和復(fù)雜的，因此食品的保質(zhì)期可以通過一個或多個品質(zhì)指標(biāo)，如顏色、感官評分、微生物數(shù)量和其它理化指標(biāo)來確定。

2 TTI的分類

根據(jù)工作原理，TTI可分為物理型、化學(xué)型、生物型和酶型等。不同工作原理的TTI需要通過不同的表觀響應(yīng)類型來反映儲運(yùn)過程中的食品品質(zhì)變化，如不同顏色反應(yīng)、酸度、擴(kuò)散長度等形式。

2.1 物理型

物理型TTI包含有基于擴(kuò)散類和納米顆粒的TTI等，主要表現(xiàn)為有色物質(zhì)間的物理變化。對于擴(kuò)散類TTI，以色帶的擴(kuò)散距離作為TTI的響應(yīng)。

Kim等[6]以棕櫚酸異丙酯（prototype isopropyl palmitate，IPP）擴(kuò)散為基礎(chǔ)設(shè)計TTI，對溫度使用不當(dāng)下非巴氏殺菌當(dāng)歸（non-pasteurized angelica，NPA）汁的微生物質(zhì)量進(jìn)行了表征和評價。一旦儲存溫度達(dá)到臨界溫度（13.5 ℃），IPP熔化并開始在多孔基質(zhì)中擴(kuò)散，使微孔膜由原本不透明的白色變得透明，從而呈現(xiàn)底層的顏色。該TTI擴(kuò)散的動力學(xué)模型符合菲克第二定律并結(jié)合修正后的Arrhenius基于不同溫度進(jìn)行線性回歸。經(jīng)驗證在恒溫和動態(tài)條件下，NPA果汁中細(xì)菌生長的時間和溫度依賴性以及TTI響應(yīng)均存在相關(guān)性。該TTI系統(tǒng)以超過7.0 mm的IPP擴(kuò)散作為NPA果汁微生物腐敗的閾值，總需氧菌臨界水平為6lg CFU/mL。

Chahattuche等[16]開發(fā)了基于時間溫度依賴性的乳酸擴(kuò)散型TTI，由于乳酸的蒸汽擴(kuò)散導(dǎo)致pH降低，化學(xué)顯色指示劑發(fā)生不可逆的顏色變化，以總色差（ΔE）為響應(yīng)（從綠色變?yōu)榧t色）。在4～45 ℃范圍內(nèi)等溫表征，產(chǎn)生的活化能（Ea）約為50 kJ/mol，該TTI可指示果蔬的品質(zhì)損失情況，如新鮮生菜、蘋果、胡蘿卜等。Galagan等[17]研究得出大多數(shù)果蔬的Ea與該EaTTI相比差值在25 kJ/mol以內(nèi)，以此判斷該TTI可用于果蔬保質(zhì)期預(yù)測。

金納米顆粒具有獨(dú)特的表面等離振子共振效應(yīng)，產(chǎn)生的顏色信號會隨著顆粒表面形態(tài)、尺寸、形狀的變化而不同[18]，該TTI制備簡單、使用方便。另外，Lanza等[19]證明銀納米顆粒的分散體也可以用于TTI的制造。

Wan等[20]開發(fā)了一種在結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電聚合物中基于電化學(xué)偽晶體管的新型TTI，TTI在不同溫度下被激活后可通過色帶遷移長度表示時間溫度歷史，并與射頻識別技術(shù)聯(lián)用，為易變質(zhì)食品提供雙重保護(hù)。

物理型TTI中的擴(kuò)散類是基于有色材料隨溫度升高通過多孔介質(zhì)擴(kuò)散的原理建立的，色帶的擴(kuò)散長度使其更容易理解和識別，相對簡單。其適用溫度范圍廣、生產(chǎn)工藝簡單，具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景。Oli-TecTMTTI（圖2）從琥珀色變?yōu)榧t色表示該標(biāo)簽被激活，紅色時間線將沿著琥珀色的查看區(qū)域緩慢移動，以指示產(chǎn)品的剩余貨架壽命，當(dāng)觀察區(qū)完全變紅時，表明產(chǎn)品已變質(zhì)[21]。

圖2 物理型時間-溫度指示器[21]Fig.2 Physical time-temperature indicator[21]

2.2 化學(xué)型

常見的化學(xué)型TTI包括基于聚合反應(yīng)、光致變色和氧化還原反應(yīng)的時間-溫度指示器，依靠化合物之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生顏色變化。

HEATmarker?是TempTime公司的一種基于二乙炔單體聚合的商用TTI[22]。該TTI由一個作為參考的暗黃色圓圈和涂有二乙炔單體的淺矩形區(qū)域組成。它可以監(jiān)測整個供應(yīng)鏈，如果內(nèi)部矩形的顏色變?yōu)榕c圓圈顏色相同時，說明產(chǎn)品已不能食用。

瑞士巴塞爾Ciba特種化工公司推出的OnVuTMTTI，是一種基于光敏固相反應(yīng)的印刷型TTI（圖3）。彩色油墨在紫外線照射下由無色變?yōu)樗{(lán)色，有機(jī)光致變色顏料以兩種狀態(tài)存在：狀態(tài)A是無色，且熱力學(xué)穩(wěn)定；狀態(tài)B是藍(lán)色，是亞穩(wěn)態(tài)的。在黑暗中，狀態(tài)B以依賴于溫度的速率還原為狀態(tài)A[23]。

圖3 化學(xué)型時間-溫度指示器[1,23]Fig.3 Chemical time-temperature indicator[1,23]

部分化學(xué)型TTI如乙炔聚合基TTI在工業(yè)應(yīng)用中存在潛在的安全隱患，還有一些其它的顏色反應(yīng)也可能涉及影響安全的顯色劑，或通過某化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有害物質(zhì)遷移到食品中，因此需要研究和開發(fā)安全穩(wěn)定的顯色劑，如花青素?；ㄇ嗨貙H、溫度、氣體、光等貯存條件敏感[24]，由于酚類和共軛物質(zhì)的存在，其隨pH環(huán)境變化會呈現(xiàn)不同的顏色。Listyarini等[25]研究了一種基于天然花青素的紙質(zhì)比色標(biāo)簽，將從翠蘆莉中提取的天然染料提取物固定在纖維素紙上，并于13、25、40 ℃下對蝦進(jìn)行測試。隨貯藏時間的延長，溫度的升高，蝦體分解，氨氣釋放量增加，pH升高，指示器由紫粉色變?yōu)樽纤{(lán)色，進(jìn)一步為綠灰色，最后變?yōu)辄S灰色。同樣，Mahmood等[26]采用甲基纖維素和伏?；ɑㄇ嗨鼗旌系姆椒?，制備了一種新型的pH響應(yīng)指示膜來實(shí)時監(jiān)測肉類的新鮮度。

2.3 生物型

常見的生物型TTI包括基于酵母菌和乳酸桿菌的時間-溫度指示器。

Hsiao等[27]以清酒乳桿菌（Lactobacillus sakei，L. sakei）為特異性腐壞菌，0.1 mg/mL氯酚紅為化學(xué)pH指示劑，設(shè)計適用于冷鏈?zhǔn)唪~的TTI。并在4 ℃下測試了TTI特性，發(fā)現(xiàn)ΔE從0（pH6.19）升高為45（pH5.25），導(dǎo)致在第10 d時顏色由紅色、橙色變?yōu)辄S色，而pH的降低歸因于菌株生長產(chǎn)生的乳酸。紫色桿菌（Janthinobacteriumsp.）是一種適合在25 ℃和pH為7.0條件下生長的嗜冷菌，能產(chǎn)生顯色次生代謝物（紫膠素）。Mataragas等[28]使用Baranyi模型擬合紫膠素動力學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)多功能微生物TTI并使用亮度L*參數(shù)作為反映肉質(zhì)變化的響應(yīng)。

丘靈敏等[29]以瑞士乳桿菌菌種作為微生物基礎(chǔ)，采用SPG膜乳化技術(shù)制備固定化微膠囊，根據(jù)微生物的產(chǎn)酸原理制備固態(tài)TTI，該反應(yīng)體系的顏色變化由深綠色變?yōu)辄S色。

Pereira等[30]采用鑄型技術(shù)，在PVA/殼聚糖比為3:7（v/v）的條件下，加入含花青素的植物提取物制備PVA/殼聚糖水凝膠（TTI水凝膠）。其中TTI膜中含花青素的植物提取物的濃度為水凝膠混合物總體積的25%，然后將TTI與巴氏殺菌奶保持接觸，進(jìn)行TTI激活實(shí)驗。隨微生物污染和微生物代謝引起的乳酸積累，TTI與牛奶接觸后，在pH為6.7時（未變質(zhì)的牛奶，ΔE為21.07）呈現(xiàn)深灰色，pH降至4.6（ΔE為36.85）時TTI變成深粉紅色，表明牛奶已經(jīng)變質(zhì)。

生物型TTI大多以酸度為響應(yīng)類型，在進(jìn)行TTI配制時要考慮酸度或pH變化?；谒岫软憫?yīng)的TTI能更準(zhǔn)確的反映食品的新鮮度，但該類型TTI反應(yīng)更多的涉及到微生物，所以需要更多的樣本支持，準(zhǔn)確度要求較高。

2.4 酶型

常見的酶型TTI包括基于水解反應(yīng)和酶促反應(yīng)的時間-溫度指示器。

Dutra等[31]基于淀粉和碘（深藍(lán)色）的絡(luò)合反應(yīng)，隨后被淀粉酶降解，導(dǎo)致藍(lán)色褪去的原理，開發(fā)了新型酶促TTI。這種變色反應(yīng)取決于樣品暴露時的巴氏殺菌時間和溫度，將CIELAB系統(tǒng)chromab*=9.0視為指示“巴氏殺菌結(jié)束”的顏色，研究表明包含6.5%的淀粉酶的TTI原型最適合用于驗證火腿的烹飪。

Jaiswal等[32]以甘油三辛酸酯為底物制備基于脂肪酶的酶促TTI，當(dāng)溫度設(shè)置不當(dāng)時，TTI由最初的綠色變?yōu)槌壬俚郊t色。TTI的pH由8.11降至6.93再到5.75。漆酶是一種多銅氧化酶，也是一種常用的天然酶，作用于多種底物，其原理是通過從底物中吸收電子，將底物轉(zhuǎn)化為自由基，這些自由基可以聚合形成色素。如漆酶氧化愈創(chuàng)木酚產(chǎn)生從透明到深棕色再到深紫棕色的顏色變化從而起到指示作用[33]。在Tsai等[34]的研究中，將漆酶固定在殼聚糖、聚乙烯醇、正硅酸四乙酯靜電紡絲膜上，用愈創(chuàng)木酚染色，建立漆酶TTI來預(yù)測牛奶在儲存期間乳酸菌的生長情況。

對于大多數(shù)TTI來說，通過溫度誘導(dǎo)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為顏色的變化，從而通過顏色變化實(shí)時反映食品品質(zhì)情況。除了基于CIE的單參數(shù)響應(yīng)，如紅綠度和黃藍(lán)度（a*+b*）多個參數(shù)的組合函數(shù)也為TTI顏色響應(yīng)類型。Tsironi等[35]用紫外分光光度法測定TTI的顏色變化，TTI響應(yīng)由標(biāo)準(zhǔn)化的CIELAB（a+b）值來表征，建立了酶濃度和貯藏溫度（-15～5 ℃）對酶促TTI反應(yīng)影響的動力學(xué)模型。TTI的顏色由綠色（0）變?yōu)榧t色（1），橙紅色（0.8）被認(rèn)為是TTI的視覺終點(diǎn)。

式中：a為紅綠度；b為黃藍(lán)度；norm（a+b）為標(biāo)準(zhǔn)化的（a+b）值；T是儲存溫度（K）；Ea是活化能；R是通用氣體常數(shù)；Tref是參考溫度；C是酶濃度；B1、B2是常數(shù)。

酶型TTI比其它TTI對環(huán)境溫度變化更加敏感，同時也比化學(xué)型TTI和物理型TTI更精確。但是在長期儲存過程中，溫度變化會導(dǎo)致酶不穩(wěn)定和不可逆失活，造成巨大成本。

2.5 其它類型

基于CdTe量子點(diǎn)的新型TTI，楊加敏等[36]研究冷鏈貯存和運(yùn)輸過程中CdTe量子點(diǎn)（QDs）的熒光猝滅特性，結(jié)果表明，貯藏時間和溫度對量子點(diǎn)的熒光猝滅有顯著影響。其顏色從紅色變?yōu)槌壬?、綠色直至無色，且積累的溫度越高，時間越長，CdTe量子點(diǎn)猝滅越快，與食品品質(zhì)的變化類似，有望將基于量子點(diǎn)的TTI用于食品品質(zhì)的監(jiān)測。

也有一些其它類型的TTI被報道，如電信號反應(yīng)、納米材料的光學(xué)性能。Kim等[37]通過改造生物燃料電池開發(fā)了一種能輸出電壓的自供電TTI，經(jīng)實(shí)例研究，這種TTI能準(zhǔn)確地預(yù)測牛奶品質(zhì)的變化。

3 TTI在食品保質(zhì)期預(yù)測中的應(yīng)用

食品在保質(zhì)期內(nèi)由于發(fā)生化學(xué)、物理和微生物的變化，從而引起食品品質(zhì)的下降和營養(yǎng)物質(zhì)的降解等。TTI應(yīng)用于食品保質(zhì)期預(yù)測時，需要選擇突出且易于定量和動態(tài)表征的品質(zhì)指標(biāo)，然后通過動力學(xué)模型來匹配TTI和食品保質(zhì)期。相較于其它智能包裝技術(shù)（如條碼技術(shù)、新鮮度檢測技術(shù)、射頻識別技術(shù)）來說，TTI結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測和評估易腐食品的品質(zhì)。

關(guān)于商業(yè)化TTI在食品保質(zhì)期預(yù)測中的應(yīng)用，2019年全球時間-溫度指示器標(biāo)簽市場規(guī)模已超過7.42億美元，時間-溫度指示器標(biāo)簽市場在2020～2030的復(fù)合年增長率估計為6.6%，呈持續(xù)增長態(tài)勢。到2030年，在食品中的應(yīng)用將呈現(xiàn)相對較快的增長速度。目前，瑞典Tem pix AB生產(chǎn)的Tem pix?，法國CRYOLOG公司的TRACEO?和（e O）?和美國3M公司的Monitor Mark?以及Avery Dennision公司的TT SensorTMTTI已被成功商業(yè)化[38-39]，其中，Monitor Mark?通過有色脂肪酸酯在吸水性優(yōu)良的多孔紙芯上的擴(kuò)散距離作為響應(yīng)記錄溫度隨時間的變化。TT SensorTMTTI基于極性化合物在兩個聚合物層之間的擴(kuò)散，其濃度的變化導(dǎo)致熒光指示劑從黃色變?yōu)榱练凵珡亩甘臼称菲焚|(zhì)變化。表1總結(jié)了TTI在水產(chǎn)品、肉制品、果蔬和其它食品保質(zhì)期預(yù)測中的應(yīng)用。表2給出了部分商業(yè)化TTI系統(tǒng)在食品包裝中的應(yīng)用。

表1 TTI在食品保質(zhì)期預(yù)測中的應(yīng)用Table 1 Application of TTI in food shelf life prediction

表2 部分商業(yè)TTI系統(tǒng)在食品包裝中的應(yīng)用Table 2 Application of some commercial TTI systems in food packaging

3.1 TTI在水產(chǎn)品儲藏中的應(yīng)用

隨著水產(chǎn)品在國民飲食結(jié)構(gòu)中比例的增大，消費(fèi)者對水產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，為了保持水產(chǎn)品品質(zhì)不受影響，通常選用低溫儲藏的方式。然而水產(chǎn)品易受高溫環(huán)境的影響，在出口和加工流通過程中，冷鏈溫度的波動會導(dǎo)致其營養(yǎng)損失和品質(zhì)劣化[53]。

Hsiao等[27]開發(fā)了微生物TTI，以ΔE為響應(yīng)并根據(jù)Arrhenius方程，得出4～28 ℃時，TTI和TVB-N的活化能分別為116.8和117.7 kJ/mol。表明該魚產(chǎn)品變質(zhì)過程與TTI響應(yīng)之間存在相似的溫度依賴性。Tsironi等[35]以總揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）和2-硫代巴比妥酸活性物質(zhì)（TBAR）為海產(chǎn)品貯藏品質(zhì)變化的關(guān)鍵指標(biāo)，將光致變色TTI（Ea=123 kJ/mol）進(jìn)行紫外線活化后基于ΔE的響應(yīng)，兩種指標(biāo)的Ea值分別為117和112.4 kJ/mol。結(jié)果表明在整個儲藏期間，TTI的響應(yīng)與冷凍海產(chǎn)品的品質(zhì)變化具有良好的相關(guān)性，可用于預(yù)測冷凍藍(lán)鯊的剩余貨架期。Giannoglou等[40]建立冷凍藍(lán)鯊切片和魷魚品質(zhì)變化相關(guān)指標(biāo)（2-硫代巴比妥酸活性物質(zhì)）的動力學(xué)模型，并選擇紫外活化光致變色TTI和酶促TTI來監(jiān)測其在不同溫度下的品質(zhì)變化進(jìn)而預(yù)測其保質(zhì)期。TTI響應(yīng)通過CIELAB（a+b）值來表征，其溫度依賴性（以Ea值110～120 kJ/mol表示）處于與動態(tài)冷凍鏈中產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)活化能的要求范圍內(nèi)。Tsironi等[41]以牡蠣中副溶血弧菌（VP）和外傷弧菌（VV）為指標(biāo)，根據(jù)其生長情況建立了預(yù)測模型，并基于CIELAB（a+b）響應(yīng)進(jìn)行TTI建模，開發(fā)了基于由溫度依賴的脂質(zhì)底物的酶解引起的pH降低的酶促TTI（Ea=77.8±3.4 kJ/mol）。

美國Temp Time公司的Fresh Check?，能夠利用一種薄涂層的無色炔類單體固相聚合形成有色不透明聚合物后產(chǎn)生的顏色變化來記錄溫度變化。其以假單胞菌最大生長比速率（Ea=86.10 kJ/mol）為品質(zhì)指標(biāo)，建立了基于b*的TTI響應(yīng)（Ea=89.80 kJ/mol），在對大菱鲆品質(zhì)監(jiān)測中，表現(xiàn)出了極高的可靠性。該TTI也被應(yīng)用于三文魚、地中海博克魚、鱸魚、海鮮[53]的保質(zhì)期預(yù)測中。

據(jù)《2018年中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》顯示，全國水產(chǎn)品總量高達(dá)6457.7萬噸，養(yǎng)殖面積約7449.03公頃，水產(chǎn)品的進(jìn)出口總量超過900萬噸，總金額超過300億美元[60]。2019年全國水產(chǎn)品的總產(chǎn)量高達(dá)6480.36萬噸，按2019年價格計算，當(dāng)年全國漁業(yè)經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值高達(dá)26406.50億元，經(jīng)濟(jì)總價值和總產(chǎn)量呈持續(xù)上升的趨勢[61]。時間-溫度指示器可以準(zhǔn)確監(jiān)測水產(chǎn)品的品質(zhì)變化，預(yù)測其保質(zhì)期，因此，時間-溫度指示器在水產(chǎn)品中的應(yīng)用可以增加其經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 TTI在肉制品儲藏中的應(yīng)用

肉與肉制品加工后，通常采用冷藏或冷凍的方式來保證其健康、營養(yǎng)、安全。肉與肉制品在冷藏或冷凍期間反復(fù)凍融或發(fā)生頻繁的溫度波動會使脂質(zhì)氧化和蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致其品質(zhì)急劇下降[62]。由于對溫度的敏感性，肉制品的時間-溫度歷史必須在儲運(yùn)期間進(jìn)行精確監(jiān)測。

Vaikousi等[14]開發(fā)了一種基于L. sakei菌株的生長代謝活動的微生物TTI，模擬在冷鏈條件下監(jiān)測改良?xì)庹{(diào)包裝（MAP）的牛肉肉末品質(zhì)。在0、5、10和15 ℃下，L. sakie在TTI中的生長與乳酸菌（LAB）在肉制品中的生長情況相似，其活化能分別為111.90和106.90 kJ/mol。此外，在等溫冷凍條件下，TTI顏色變化終點(diǎn)與牛肉貯藏期間感官排斥點(diǎn)時間一致。Meng等[42]研制出的基于固態(tài)葡萄糖淀粉酶的TTI，以冷凍鮮豬肉在不同貯藏溫度下硫代巴比妥酸值（TBA）為品質(zhì)變化關(guān)鍵指標(biāo)，通過TBA的動力學(xué)特性得出在冷藏過程中豬肉變質(zhì)的Ea為64.7 kJ/mol，EaTTI為87.7 kJ/mol。采用CIE1976LAB系統(tǒng)中ΔE為TTI的響應(yīng)，從安全（深藍(lán)色）到變質(zhì)（無色）來反映冷鮮肉的保質(zhì)期。但是，Jaiswal等[63]制備的基于淀粉酶的酶促TTI，監(jiān)控供應(yīng)鏈中冷凍（-18±2 ℃）雞肉的品質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)該TTI對冷凍雞肉品質(zhì)監(jiān)測的溫度適用性較小。

Albrecht等[55]基于OnVuTMTTI動力學(xué)，建立激活模型并在一定溫度下對應(yīng)用于不同產(chǎn)品的保質(zhì)期標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)整。驗證了OnVuTMTTI監(jiān)測鮮肉新鮮度和貨架期的適用性，該TTI能準(zhǔn)確地反映實(shí)際冷鏈中的溫度波動。Brizio等[56]通過對冷凍儲運(yùn)鏈的模擬，對整個cobia魚標(biāo)本貨架期進(jìn)行預(yù)測，以此來評估On VuTMTTI的適用性。結(jié)果顯示，TTI的b*變化和AMB生長具有相似的Ea分別為37.52和

36.81 kJ/mol。

Chun等[58]采用Vitsab Check Point?來監(jiān)測豬肉糜的品質(zhì)變化，以揮發(fā)性鹽基氮（VBN）和好氧嗜溫細(xì)菌（AMB）作為品質(zhì)指標(biāo)，a*為響應(yīng)，結(jié)果得出TTI與VBN和AMB的Ea值分別為95.10、92.60和93.90 kJ/mol，a*可以準(zhǔn)確地反映肉糜貯藏間的品質(zhì)變化。

2019年我國肉類消費(fèi)總量達(dá)到9420.3萬噸[64]，2020年牛羊肉總產(chǎn)量分別為672萬噸和492萬噸，且近幾年，牛羊肉價格長期處于高位[65]。預(yù)測到2025年，我國肉類年消費(fèi)量高達(dá)1億噸，且對肉品的需求逐年增長[66]。冷藏和冷凍是目前最廣泛應(yīng)用和安全可靠的保存方法，可以延緩肉制品腐敗，但是在貯藏、流通、銷售等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品對冷鏈系統(tǒng)的溫度要求非常嚴(yán)格，溫度波動對產(chǎn)品品質(zhì)會產(chǎn)生巨大的影響，時間-溫度指示器的應(yīng)用可以確保食品安全，避免食品浪費(fèi)。

3.3 TTI在果蔬儲藏中的應(yīng)用

在冷鏈貯藏中，溫度變化會顯著影響冷藏或冷凍食品的營養(yǎng)價值和感官品質(zhì)，如果蔬等。這些典型的易腐食品，其高含量的營養(yǎng)物質(zhì)，更利于變質(zhì)和致病性微生物的增殖，對品質(zhì)劣化和食品安全造成高風(fēng)險。同時果蔬品質(zhì)在很大程度上受加工、儲存和運(yùn)輸條件的影響。因此在冷鏈系統(tǒng)中對這些產(chǎn)品的時間-溫度條件進(jìn)行連續(xù)的控制具有重要的意義。

Bobelyn等[47]研究了從簡單的線性動力學(xué)模型到更復(fù)雜的機(jī)械模型，其中最優(yōu)的自催化模型是在冷鏈過程中蘑菇顏色L*變化的動力學(xué)（Ea=61.82 kJ/mol）模型?；谶@一結(jié)果選擇了與產(chǎn)品具有相同動力學(xué)行為的復(fù)合酶促TTI（Vitsab）（Ea=50.40 kJ/mol）。Giannakourou等[48]在適當(dāng)?shù)臅r間間隔內(nèi)，以顏色變化的L*為響應(yīng)對豌豆的顏色進(jìn)行測量，用Arrhenius模型表示溫度對品質(zhì)損失速率的影響，其Ea為79.2±19.2 kJ/mol，M2-TTI的活化能為88.2±19.5 kJ/mol。進(jìn)一步建立TTI反應(yīng)動力學(xué)模型和蔬菜制品的動力學(xué)模型，并驗證變溫-時間剖面下的產(chǎn)品品質(zhì)變化，在-3～-20 ℃下預(yù)測值與實(shí)際值基本一致。

康峻菡等[49]研究貯藏溫度和時間對擴(kuò)散基TTI顏色和鮮銀耳品質(zhì)變化的影響，貯藏溫度越高，TTI由白色變?yōu)樗{(lán)色的速度越快，鮮銀耳也越容易腐爛。通過化學(xué)品質(zhì)動力學(xué)模型及Arrhenius方程計算得出TTI的活化能Ea值為36.1135 kJ/mol，鮮銀耳失重率、可溶性糖含量及丙二醛含量的活化能分別為53.3144、53.3368和43.9744 kJ/mol，可以將此擴(kuò)散型TTI用于鮮銀耳貯藏過程中的品質(zhì)監(jiān)測。Yang等[67]基于擴(kuò)散型TTI的RGB值對獼猴桃、草莓和芒果保質(zhì)期進(jìn)行預(yù)測，TTI顏色響應(yīng)與果實(shí)品質(zhì)變化的Ea差異均小于25 kJ/mol。RGB值隨時間的增加而減小，儲存溫度越高，RGB值減小越快，水果品質(zhì)越差，保質(zhì)期越短。

瑞典Vitsab A.B生產(chǎn)的Vitsab Check Point?酶促TTI，基于脂類基質(zhì)經(jīng)酶水解后造成pH下降引發(fā)顏色變化由綠變黃再到橙紅[57]，已被用于蘑菇的貨架期預(yù)測中。

作為果蔬產(chǎn)量大國，水果和蔬菜的產(chǎn)量分別占全球的30%和40%，目前以鮮食果蔬為主，其采后貯藏能力僅為20%左右，現(xiàn)今的加工和貯藏方式極易造成水果腐敗，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[68]。由于果蔬極易受溫度的影響，因此需要對果蔬保質(zhì)期進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測，時間-溫度指示器附著在食品包裝上，通過對流通溫度的監(jiān)測，預(yù)測果蔬熱敏品質(zhì)變化，進(jìn)而指示食品保質(zhì)期。

3.4 TTI在鮮牛奶中的應(yīng)用

酸度是衡量鮮奶品質(zhì)的重要指標(biāo)，通常以此作為判斷乳制品品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。Lu等[46]開發(fā)了一種以酶反應(yīng)和擴(kuò)散原理為基礎(chǔ)的酶基TTI，結(jié)合酶固定化，通過TTI色帶的擴(kuò)散長度來判斷鮮牛奶是否變質(zhì)。結(jié)果顯示以牛奶酸度為腐敗指標(biāo)的活化能為78.4 kJ/mol，EaTTI為75.4 kJ/mol，經(jīng)驗證TTI預(yù)測貨架期的誤差為-1.83%。說明該TTI在預(yù)測冷鏈運(yùn)輸中易腐食品的貨架期方面具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

DeltaTrak生產(chǎn)的WarmMark?，是一種經(jīng)過特殊配制的浸透了紅色化學(xué)物質(zhì)的吸墨紙襯墊，可以在標(biāo)簽的響應(yīng)溫度下熔化，響應(yīng)溫度范圍是-18～37 ℃，已被用于監(jiān)測運(yùn)輸、儲存或加工過程中產(chǎn)品的溫度[52]。

4 結(jié)論與展望

TTI是一種有效的溫度敏感監(jiān)測工具，能夠量化對目標(biāo)食品特性綜合的時間-溫度影響，而不需要產(chǎn)品的實(shí)際溫度歷史信息，已被應(yīng)用于各種冷藏冷凍食品保質(zhì)期的預(yù)測中，特別是肉類、水產(chǎn)品和果蔬等易腐食品保質(zhì)期的預(yù)測。Arrhenius方程是食品和TTI溫度依賴性匹配動力學(xué)中應(yīng)用最廣泛的數(shù)學(xué)模型，而基于顏色的響應(yīng)由于其方便和直接觀察的優(yōu)勢，日益成為TTI中最廣泛使用的響應(yīng)類型。

未來TTI的發(fā)展趨勢應(yīng)該主要集中在成本的降低、多品質(zhì)指標(biāo)的集成和建模的優(yōu)化上，另外在商業(yè)推廣上要提高消費(fèi)者的接受度。時間-溫度指示器的研制及應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)從以下方面研究：目前酶促TTI的高成本和不穩(wěn)定性使其還不能廣泛市場應(yīng)用，與游離酶相比，靜電紡絲納米纖維固定化酶的使用壽命更長、穩(wěn)定性更高、溫度和工作pH范圍更廣。靜電紡絲制備高比表面積納米纖維膜是一種獨(dú)特而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，作為一種優(yōu)良的酶固定化載體使其在酶促時間-溫度指示器研制及商業(yè)化應(yīng)用中具有很大的潛力；基于不同原理的時間-溫度指示器聯(lián)合運(yùn)用，拓寬時間-溫度指示器的應(yīng)用范圍，提升其附加值；食品變質(zhì)過程是許多相關(guān)的品質(zhì)屬性的變化，應(yīng)綜合考慮與變質(zhì)有關(guān)的關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)，可引入計算機(jī)學(xué)習(xí)模型通過調(diào)整參數(shù)來實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)動力學(xué)方程的結(jié)合，從而有效預(yù)測食品保質(zhì)期；將時間-溫度指示器應(yīng)用到航天、軍用和遠(yuǎn)洋食品中，以此確保長期任務(wù)的食品系統(tǒng)的營養(yǎng)效能、感官可接受性和安全性，同時避免食品浪費(fèi)節(jié)約上行資源，提高經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。