• 北京大學張超:可跟蹤、模擬、指示易變質產品實時質量的時間-溫度指示器

    【FBIF2016演講文稿(整理)

    演講嘉賓:張超,博士后研究員,北京大學

    圖為:張超

    演講視頻


    今天跟大家分享一下一個非常專業的領域。大家可以看到,時間溫度智能標簽,這種技術是能用于跟蹤模擬和指示易變質產品的實時質量。在開始之前,請允許我跟大家簡單的介紹一下我們的稀土材料化學及應用國家重點實驗室。這個實驗室是北大的一個實驗室,過去十年間這個實驗室致力于稀土化學材料和工業應用方面的研究。實驗室主任是徐院士,曾經在2008年獲得國家最高的科學技術獎,現任的實驗室主任是嚴院士,也是我的老師。

    今天的分享從溫度時間TTI技術的概述出發,然后進一步講化學TTI的工作原理,北大研發的TTI技術以及它應用在一些易變質食物的實用性測試。

    我們的產品適用于食品、飲品、藥品或者化妝品。因為這些產品質量是會隨著時間逐漸的下降,比如說會有微生物的繁殖,酶的相關反應,水解,蛋白質變性等等。我們可以看到產品上會印一個保質期或者貨架期,這個日期其實是有助于消費者去判斷產品是不是還能用,但是時間其實不是唯一影響到可變質產品的因素,還有一個因素其實是溫度。比如說這一盒牛奶,在4度的時候可能能夠保質28天,但是如果說溫度上升,溫度更高能夠保留幾天?我們知道溫度和貨架期之間是負相關的關系,溫度越高保質期就越短。我們可以來看一個例子,也就是微生物的繁殖,你可以看到微生物的繁殖是非常驚人的(圖1),我們看到N是一個細菌總量,K是繁殖數。K隨著時間會增長,K是繁殖常數,跟溫度相關。溫度越高,增長繁殖就越快。一盒牛奶從出廠到運輸到超市到最后消費者的手中,如果說要知道這個產品的質量究竟如何的話,我們必須要知道整個的運輸鏈當中的溫度的歷史。因為溫度肯定不是恒定的,可能會在不斷的波動當中,這個溫度歷史很重要。如果在運輸過程當中溫度沒有很好的進行控制,可能產品在保質期到之前就已經變質了,也就是說保質期的標簽不一定是可靠的。最近中國就有一個疫苗的事件,疫苗丑聞,這個疫苗其實被暴露于高溫之下,也就使得疫苗的活性減弱了,同樣其他的問題也在其它領域會有發現。

    圖1

    另外一個問題就是說食品浪費,如果說你過度依賴保質期也會導致食品浪費。在2013年自然資源保護協會和哈佛大學一起出版了一篇文章,食品的保質期在美國其實導致了食品的浪費。他們建議停止使用這種最遲上下時間的標志,建立一套通用的時間顯示體系,并且推薦使用智能標簽。我今天跟大家討論的TTI其實就是一種智能標簽,接下來給大家看一看TTI是怎樣工作的工作原理。整個傳輸鏈中溫度歷史是影響到產品的質量的。TTI從最開始的廠家記錄溫度歷史,一路追蹤產品的溫度的歷程。TTI主要的功能是追蹤運輸鏈中的溫度變化,并且去模擬其中的變質程度,并且顯示實際的質量。有兩類TTI,一類是電子類的。電子類可能是數據記錄器或者是射頻識別芯片,比如RFID。電子類一般成本很高,所以說需要回收。一般在超市就要進行回收,在上面記錄的數據消費者拿不到。第二類的TTI是化學類的,使用一些變色的化學方式,比如說染料指示水平,這樣成本比較低,可以用于單個的包裝,并且最終可以到達的消費者手中,也就是可以覆蓋整個的運輸鏈。因為成本很低,所以可以是一次性的。它的問題是可編程性很有限,壽命不會太長。工作原理是怎樣呢?隨著時間,產品的質量其實是下降的,會有微生物的繁殖。我們的工作就是說我們要讓這個智能標簽從綠色變成紅色(圖2),跟時間要進行同步,跟它的變質速度同步。綠色是代表著食品產品質量是最好的。最好的一個狀態,100%的新鮮,藍色是不那么新鮮,紅色就是已經變質了,溫度升高的時候,細菌繁殖會更快,貨架期就縮短了。這種TTI能回應氣溫變化,溫度變化速度增快,這個變色速度也增快,在顯示的圖中,質量和標簽顏色關聯度是正相關的,我們可以把質量和顏色進行關聯,無論溫度是高是低,綠色總是意味著新鮮的,紅色總是意味著已經變質,你可以劃出這樣一個曲線指示它的新鮮程度。

    圖2

    我們北京大學設計出的化學TTI,首先你要有夠鮮明的顏色對比,并且你的調節范圍需要夠廣。就說他可以被適用于大多數的易變質產品,而且必須是低成本無毒害,那你看它的顏色是非常的鮮明,非常的無顏六色,漸漸的會變成橙色黃色綠色藍色紫色,最后變成紅色。

    圖3

    這里大概有幾個非常重要的參數給大家分享,我們可以看到這個試驗所涉及的TTI可以由非常鮮明的顏色對比,而且可調節的范圍很廣,溫度可以從零下四度到六十度,給大家顯示的是自演化雙金屬納米材料(圖3)。這是在電子顯微鏡下的一個情況,會不斷的變厚,顏色也會相應的發生變化,給大家看一些模型的樣品(圖4),最初是綠色的,不斷變成藍色,最后紫色最后紅色,每一個里面都會有一個按紐可以貼在包裝上。

    圖4

    另外想強調的是我們要考慮到它對溫度的敏感性,就前面提到的溫度越高,它的速度會加快,要確保它的標簽它的孵化程度要和溫度敏感性是一樣的,這樣可以進行同步。通過這種方式,我們也可能會在配方里面加入一些添加物,可以對溫度很敏感,或者沒有那么敏感的。這里有一個非常重要的指標叫做表觀活化能(圖5),這是用來描述系統的熱能敏感度。看到Ea的值,在腐壞的過程當中它的變化。這是Ea值的范圍,可以看到其實包含光譜很多的范圍,可以用來指示非常多可腐壞食物的變化的過程。

    圖5

    圖6

    我們就用微生物繁殖作為一個例子(圖6),用攝氏30度,然后做一個記錄。這里可以看到微生物有非常快速的增長,時間可能在這里會有六倍的時間,我們也確保他們兩者對于溫度的敏感性是一致的,隨著時間的推移,我們看到微生物的繁殖倍數,和TTI相應的顏色。如果把時間隱去,可以看一下質量和光譜的顏色是直接相關的(圖7)。放在一起,我們可以看到幾乎是完全對應的。不管溫度是高還是低,變化是一樣的,綠色表示最新鮮,紅色是表示腐壞,同時用TTI用其他的方式比如說用維生素降解(圖8),我們看到整個的過程也是同步的。它的成分包括著色劑、還原劑等等,在這里也做了非常多的關注,可以看到所用的這些成分已經是在食品當中經常使用的。

    圖7

    圖8

    我們大學用了這種可編程性TTI(圖9),能夠更好的去檢驗可腐壞食物的產品質量的變化。我們成立了一家專門的公司來做這事,可能會有智能標簽,里面會有非常明顯的顏色標簽,可以很好的指示可腐壞食物目前的質量變化。如果說這個食物壞了,你連包裝都不用打開。所以TTI主要的好處就是能夠指示實時質量,不管溫度是否有變化。因為是在包裝上面的附屬,它和食物也不會有直接的接觸,你不用擔心污染問題。它是一個質量標志,但是又是非接觸的,而且和大部分的包裝材料又是非常兼容的。

    圖9

    TTI的趨勢也可以說是一個非常小的領域,是智能包裝里面一個小的部分。我們看到科學家們也在討論應該把以前的系統拋棄,更好的去擁抱新的包裝。這種智能的時時的動態的包裝,我們希望TTI可以做非常好的監測。

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    上一篇 2016年10月9日 10:12
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