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福建農(nóng)林大學(xué)魏萱/龐杰/吳淑一 ACS AMI:檢測包裝壓力和食品新鮮度的生物質(zhì)水凝膠多功能傳感器
2024-03-26  來源:高分子科技

  由于微生物污染、溫度變化和運(yùn)輸振動的影響,貯存過程中產(chǎn)生了大量(14%)食品垃圾。提供食品包裝壓力、食品包裝震動、食物新鮮度等檢測信號對于優(yōu)化運(yùn)輸和儲存環(huán)境、減少食品損失具有重要意義。但是,在食品運(yùn)輸和儲存過程中,缺乏對食品腐敗膨脹、外部擠壓和食品新鮮度信息的綜合檢測分析。此外,與昂貴和復(fù)雜的檢測方法如微生物細(xì)胞計數(shù)、拉曼效應(yīng)、光譜和質(zhì)譜法相比,降低經(jīng)濟(jì)成本和保持檢測設(shè)備的靈敏度十分重要。因此,開發(fā)檢測食品新鮮度和包裝壓力的低成本和高靈敏度的多功能食品包裝傳感器是迫切需要解決的重要問題。


  近日,福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院魏萱副教授、食品科學(xué)學(xué)院龐杰研究員與土木與交通工程學(xué)院吳淑一副教授ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表了三維骨架結(jié)構(gòu)食品壓力和新鮮度凝膠多功能傳感器的研究。基于柔性壓力傳感器的壓力敏感性和藍(lán)莓花青素膜隨pH值改變的顏色變化,檢測包裝內(nèi)部膨脹、外部擠壓和食品新鮮度。


1.包裝壓力和食品新鮮度多功能傳感器的結(jié)構(gòu)與制備


  通過微流體氣噴紡絲設(shè)備構(gòu)建MXene增強(qiáng)導(dǎo)電三維骨架結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器。通過生物質(zhì)材料魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和藍(lán)莓花青素組成的凝膠膜用于食品新鮮度的檢測。將壓力傳感器和花青素膜結(jié)合制備多功能傳感器用于運(yùn)輸過程中的肉類食品腐敗檢測(圖1)。 


1. 多功能傳感器的制備。(a)傳感器的光學(xué)圖像及包裝壓力和食物新鮮度檢測。(b) MXene/APU纖維網(wǎng)絡(luò)的制備。(c)三維骨架結(jié)構(gòu)多功能傳感器。

2.壓力傳感器的作用機(jī)制與應(yīng)用


  通過有限元模擬纖維和水凝膠膜結(jié)構(gòu)在不同壓縮位移載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變分布。隨著壓縮量的提高,纖維的形變量明顯變大,對應(yīng)的導(dǎo)電纖維之間的接觸增加,電阻降低(圖2)。該壓力傳感器具有良好的傳感性能,適用于區(qū)分不同材料表面形態(tài)記錄脈沖、測量關(guān)節(jié)運(yùn)動和檢測喉部振動(圖3)。 


2. 壓力傳感器的作用機(jī)理。(a)原始狀態(tài)及(b)在壓縮位移分別為0.1,0.20.3 mm 的情況下,MXene/APU纖維網(wǎng)和水凝膠薄膜的應(yīng)力和應(yīng)變分布。
 

3. 柔性傳感器的性能及應(yīng)用。(a) APUMXene/APU的導(dǎo)電性測試。(b)柔性傳感器在5 g重壓下的響應(yīng)和恢復(fù)時間。(c)傳感器在不同重量和(d)不同拉伸比下的電阻變化。(e)傳感器在20%拉伸率的循環(huán)拉伸載荷下的電阻。(f)20 g重量下接觸不同粗糙度砂紙的電阻。(g)檢測脈搏,(h)手指彎曲,(i)肘彎曲,(j)膝彎曲,(k)吞咽和(l)聲音振動時傳感器的電阻。

3.食品包裝脹袋、外部擠壓和食品新鮮度檢測


  傳感器能夠區(qū)分在運(yùn)輸過程中包裝袋內(nèi)部膨脹受到外部擠壓情況下的電信號(圖4食物在變質(zhì)過程中產(chǎn)生的堿性氣體,引起傳感器電阻變化;花色苷的酚類結(jié)構(gòu)在堿性環(huán)境中發(fā)生變化,導(dǎo)致傳感器膜的顏色變化。多功能傳感器在豬肉腐敗過程中通過包裝的電阻信號和顏色信號來檢測豬肉新鮮度。通過測量總揮發(fā)性鹽基氮,揭示傳感器信號與豬肉新鮮度的定量關(guān)系(圖5 


4. 檢測包裝脹袋和外部擠壓。在模擬(a)袋內(nèi)膨脹、(b)外部擠壓和(c)袋內(nèi)膨脹和外部擠壓的組合狀態(tài)下電阻的變化率。
 

5多功能傳感器在豬肉貯藏中的應(yīng)用。(a)傳感器應(yīng)用的光學(xué)圖像。在貯存期間豬肉總揮發(fā)性鹽基氮濃度和(b)傳感器電阻變化率以及(c)總色差。

  本研究提供了一種新型的多功能食品包裝傳感器,能夠提供包裝內(nèi)部膨脹、裝外包擠壓食品新鮮度信息。MXene/APU薄膜具有良好的壓力傳感性能;通過生物質(zhì)水凝膠膜顏色隨pH值的變化表征含蛋白質(zhì)食品新鮮度。在未來,該裝置可促進(jìn)食品產(chǎn)業(yè)相關(guān)研究,如提供運(yùn)輸過程中包裝外部振動和食品新鮮度之間的關(guān)系,這是優(yōu)化運(yùn)輸和儲存條件重要基礎(chǔ)。


  論文信息:

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

  通訊作者:魏萱,福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;龐杰,福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院;吳淑一,福建農(nóng)林大學(xué)土木與交通工程學(xué)院

  作者:劉微,陳婕,葉洪,蘇澈,吳湞湞,黃亮,周麗珍

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

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