感測器如何顯示你的食物有多新鮮
1. 簡介
食品工業的發展和對食品長期儲存和保存的需求增加，需要開發能夠在產品的整個保質期（生產、儲存、運輸和消費）輕鬆追踪和保存食品新鮮度和安全性的方法）。可以貼在包裝上的智慧感測器和標籤，代表了可以幫助監控產品狀態的下一代技術。這些可以設計用於測量新鮮度標記，並即時提供產品的「品質指數」，測量溫度變化或辨識有害成分的存在。可以添加其他功能以提供保護功能，例如，帶有塗層的包裝可以作為氧氣屏障，以防止變質 [1]。這些方法可以取代，目前用於監測食品和增加樣品通量的昂貴技術。在這裡，我們描述了用於監測食品品質和安全的化學和生物感測器的現狀，這些感測器可用於提高食品的保質期和測量能力。
傳統上，感測器由專門設計用於辨識目標分析物的化學或生物受體，和將辨識過程轉換為可測量信號、產生定量和/或定性輸出的實體感測器組成 [2]。生物感測器或生物感測器依賴於生物分子的辨識特性，例如酶、適體和抗體 [ 3 ]，它們與實體感測器整合，以提高對目標分析物的選擇性。結合過程透過多種方法進行監測，包括比色法 [ 4 ]、電化學 [ 5 ]、光學 [ 6 ] 和基於品質的檢測 [ 7 ]]。雖然生物感測器已經極大地影響了醫學診斷領域，例如廣泛使用的用於血糖監測的電化學生物感測器，佔市場上生物感測器的 85% [ 8 ]，但生物感測器在食品工業等其他領域的使用仍然很有限。處於起步階段，可用的例子很少。
感測器已被用於原材料測試、真實性評估和基因改造材料 [ 7 ]、過敏原 [ 9 ] 和病原體 [ 10 ] 或化學污染的鑑定。感測器在智慧包裝中的應用正在增加 [ 11 ]，並在食品新鮮度評估方面取得了一些商業成功 [ 12 ]]，以化學感測器而非生物感測器為例。本綜述概述了用於食品監測應用的化學和生物感測器的開發和實施，及其作為智慧包裝標籤的潛在用途。討論了一些商業示例，以及來自科學研究的新興技術。此外，還討論了智慧包裝研發的未來趨勢。
2. 活性和功能性封裝的現狀
傳統的包裝方法不僅用於方便產品處理，還用於保存營養價值、延長保質期和減少變質。最近的努力目的在開發智慧和有源包裝技術 [ 13 ]，這些技術能夠提供額外的功能，例如檢測和通信，以便在發生變質時通知消費者，以及保存產品 [ 1 ]。主動包裝的例子，包括使用吸收或發射小袋/墊[ 14 ]，如圖所示圖1. 吸收袋可包含 O 2清除劑 [ 15 , 16 ] 以減少脂肪氧化，乙烯清除劑以減少水果和蔬菜的成熟 [ 17 , 18 , 19 ]，濕度吸收劑，氣味吸收劑和抗菌生長抑製劑 [ 20 ]。發射墊包括抑制肉類中微生物生長的 CO 2 發射器 [ 21 ]、可最大程度減少細菌生長引起的腐敗變質的抗菌防腐劑釋放劑 [ 22]，以及減少油脂氧化的抗氧化劑釋放劑 [ 23 ]。
智慧包裝可以結合感測平台，透過整個食物鏈提供有關食品品質的資訊，例如成分、儲存條件和細菌生長 [ 24 ]。該概念描述於圖1. 現有系統包括時間溫度指示器 (TTI)，它提供產品在儲存和分發期間的熱歷史，使消費者或製造商能夠評估產品狀態 [ 25 ]。例如，MonitorMark ™ 是由 3M ™（3M ™，美國明尼蘇達州梅普爾伍德）開發的 TTI 感測器，目的在監測低於 20°C 的儲存和運輸過程中肉類、魚類和乳製品的熱暴露 [ 26 ]。另一個例子是 CoolVu 指示器 [ 27] 在 Freshpoint-Switzerland 開發，包括金屬和透明標籤。標籤由蝕刻材料組成，目的在提供視覺上的「使用」/「不使用」變化，以告知客戶產品品質的變化。
已經開發了其他平台，來響應包裝頂部空間中成熟過程中氣體的產生 [ 28 ]。一些系統透過射頻辨識 (RFID) [ 29 ] 實現遠端監控。Flex Alert [ 30 ]設計了一種用於檢測包裝食品中的大腸桿菌（E.coli）和沙門氏菌的 RFID 感測器。該技術基於固定在包裝內的柔性 RFID 標籤上的抗毒素。理想情況下，該系統連接到無線網路並產生視覺警報，供農民和生產者即時監控。另一個系統，RipeSense® （ RipeSense，奧克蘭，新西蘭）[ 31] 被設計為在紐西蘭開發的智慧成熟度指示標籤。該系統無需打開包裝即可傳達水果的成熟度，而只需觀察標籤顏色與水果釋放的氣體反應的變化，並放置在包裝頂部。在放出的氣體中，乙烯是使用最廣泛的成熟指示劑，在成熟過程中釋放出來 [ 28 ] (圖 2）。
3. 食品新鮮度/品質監控
隨著時間的推移，新陳代謝或微生物生長會導致包裝食品發生一些變化。例如，氣體釋放或微生物累積的變化，可用於獲取有關食物狀態的資訊，例如新鮮度或降解 [ 32 ]。可以測量這種變化的感測器，可以提供對食品品質的總體估計。例子包括「包裝上的」pH 指示劑，當食品腐爛時，由於與肉類或魚類腐敗過程中產生的揮發性胺的釋放相關的 pH 值變化而改變顏色 [ 33 , 34 ]。在本節中，針對不同類型的食物（包括魚、肉和家禽、穀物、水果和蔬菜）描述了幾種已開發和商業上可用的新鮮度指標。
3.1. 魚、肉和家禽
當肉類、魚類或家禽發生降解時，可以發現不同的腐敗指標顯示脂質腐爛、蛋白質分解和三磷酸腺苷 (ATP) 腐爛。降解速度取決於產品類型、儲存溫度、攝食習慣和收穫方法。評估新鮮度的傳統方法依賴於人類的感官；儘管它們是必不可少的，但它們沒有提供變質食物的定量數據。可以透過化學或生物反應定量測量，降解標誌物的方法，可以提供更精確地評估食品狀態和品質的方法。例如，在魚製品中，主要的新鮮度指標之一是次黃嘌呤，它是由 ATP 代謝降解產生的 [ 35 ]。
卡魯貝等人，(1984) [ 36] 開發了一個基於 5-磷酸肌苷、肌苷和次黃嘌呤含量的魚類新鮮度評估方程。已經開發了幾種具有比色法 [ 37 , 38 , 39 ] 或電化學檢測的酶生物感測器，以使用黃嘌呤氧化酶對次黃嘌呤或黃嘌呤進行生物辨識 [ 41 , 42 ] 來量化次黃嘌呤的水平 [ 40 ]。報導了一種透過將黃嘌呤氧化酶固定在用金奈米粒子修飾的碳糊電極上製備的電化學生物感測器，並在雞肉和肉類樣品上進行了測試，檢測限為 2.2 × 10 -7 M 次黃嘌呤 [ 43]。
為了開發感測器，黃嘌呤氧化酶 (XOD) 透過與戊二醛和牛血清白蛋白 (BSA) 交聯固定在不同類型的電極上：碳糊電極和電沉積金-金盤。在用金奈米粒子 (AuNP) 修飾的碳糊電極上固定 XOD 的情況下，獲得了最高的靈敏度。該感測器在 0.00 和 0.6 V 之間的工作電壓下進行了測試，顯示了在 0.00 V 下工作的可能性，這可以消除干擾化合物，例如抗壞血酸。透過 XOD 檢測次黃嘌呤包括以下步驟，其中次黃嘌呤首先被氧化為黃嘌呤，然後氧化為尿酸：
嚴等人， (2017) [ 44 ] 報導了一種使用具有類過氧化物酶活性的銅奈米簇檢測黃嘌呤的比色感測器。在由黃嘌呤氧化形成的 H 2 O 2存在下，銅奈米簇的使用顯示可增強 3,3',5,5'-四甲基聯苯胺染料 (TMB)的氧化。該感測器的檢測限為 3.8 × 10 -7 M，線性範圍為 5.0 × 10 -7到 1.0 × 10 -4 M。Chen 等人。 (2017) [ 37 ] 開發了一種使用金奈米棒 (GNR) 檢測次黃嘌呤的多色感測器。 H 2 O 2 透過 XOD 氧化次黃嘌呤產生的產物在Fe 2+ 存在下發生芬頓反應產生羥基自由基。在存在羥基自由基的情況下，GNR 被蝕刻形成鮮明的顏色變化。根據 0-1.13 mM 範圍內的次黃嘌呤濃度，產生不同的顏色，如紅棕色、灰色、綠色、藍色、紫色、粉紅色和黃色。該感測器顯示出透過肉眼半定量評估魚提取物中次黃嘌呤水平的能力（圖 3）。
用於辨識魚類降解的其他生物標誌物，是生物胺，如腐胺、屍胺、組胺、酪胺、亞精胺、精胺和色胺，它們是氨基酸微生物脫羧的結果[ 45 ]。用於檢測生物胺的最常見測量系統，是那些基於使用二胺氧化酶 (DAO) 酶的系統，該酶催化生物胺氧化成相應的醛、過氧化氫和氨。這可以透過比色或電化學方法檢測。用於生物胺的酶促生物感測器，已被證明可用於分析奶酪和鳳尾魚的降解 [ 46]。 DAO 酶固定在 Pt 或 Au 電極上，並夾在電合成的聚吡咯 (PPY) 和聚鄰苯二胺 (PPD) 層之間。該感測器顯示出高靈敏度，組胺、腐胺和屍胺的檢測限 (LOD) 在 6-12 μM 範圍內，穩定性約三週，初始靈敏度保留率為 87%。該感測器顯示出作為生物胺存在篩選工具的潛力。
三甲胺氧化物是另一種可用於評估魚類分解的標記物。三甲胺氧化物降解為三甲胺，增加魚腥味 [ 47 ]。透過使用固定在纖維素微粒 [ 48 ]上的 pH 指示染料開發了一種用於檢測氧化三甲胺的比色系統，當食物變質時，纖維素微粒的顏色會從綠色變為紅色。這些顆粒嵌入食品級矽膠中，並安全地整合到食品包裝中。該系統沒有顯示出浸出，並且細胞毒性測試證實了相容性。另一個例子是透過使用加載在多孔 TiO 2 奈米顆粒中的染料來描述的 [ 49]。
在其他示例中，總揮發性鹼性氮 (TVB-N) 透過有機半導體氣體感測器進行量化，該感測器具有多孔頂部金屬電極感測器，該感測器具有奈米結構表面，以增強氣體吸附 [ 50 ]。該感測器能夠檢測 100 ppb，其中氨的可接受水準為 200–300 ppb。用對 pH 值敏感的染料溴甲酚綠 [ 51 ] 製造了一種比色感測器，用於檢測 TVB-N，例如氨和二甲胺。] 並在魚包裝中進行測試。雖然感測器在暴露於因魚腐敗，而進化的 TVB-N 時顏色從黃色變為藍色，但可能會出現假陰性信號。
揮發性有機化合物的量化也已用於評估肉類、魚類和家禽的新鮮度，例如，用於構建瑞士感測器 FOOD 嗅探器的系統 [ 52 ]。Distell 開發了魚新鮮度計和 Torrymeter 來測量魚的新鮮度 [ 53 ]。該感測系統基於測量魚肉皮膚開始變質時的介電特性，提供反映新鮮程度的數值讀數。基於與脂肪含量成正比的水分含量，測量的便攜式肉魚脂肪計也被開發並可用。
由於氨基酸的脫羧、脫氨基和脫硫，肉類中的微生物活動導致產生 NH 3、CO 2 和 H 2 S等化合物。透過檢測 CO 2 代謝物與 pH 敏感染料（溴百里酚藍、溴酚藍、溴甲酚紫、甲基紅、溴甲酚綠、甲基橙、甲基黃、酚紅）的混合物，對去皮雞胸肉進行目視新鮮度監測[ 54 ]]。最敏感的染料混合物是溴百里酚藍和甲基紅，當肉開始變質時，它們會從綠色變成黃色。儘管文獻中已經報導了幾項研究開發用於肉類和魚類包裝的感測器，但普遍缺乏毒性研究以及提出用於食品包裝的感測材料的長期影響。
3.2. 穀物
儲存過程中穀物腐敗的指標之一，是由於蟲害和黴菌腐敗 [ 55 ] 導致穀物變質或產生有害黴菌毒素 [ 56 , 57 , 58 ] 而排放 CO 2。已經報導了開髮用於早期腐敗檢測的 CO 2 感測器 [ 59 , 60 ]。 Neethirajan 等人， (2010) [ 61 ] 開發了一種基於聚苯胺硼酸 (PABA) 導電聚合物的感測器，用於測量 CO 2 模擬穀物散裝中的含量在 380–2400 ppm 範圍內。感測機制基於透過質子化和去質子化的聚苯胺和PABA的翡翠鹽形式，與絕緣翡翠鹼形式之間的轉換。當氣態 CO 2與水反應時，它會產生碳酸，使聚苯胺質子化，並隨著 CO 2分壓的增加進一步增加電導率。
然而，發現感測器的性能取決於相對濕度，應該做進一步的工作來提高靈敏度和響應時間。具有無線傳輸功能的先進感測器概念示例，用於大規模監測此類腐敗以及糧倉中的來源，如圖所示圖 4[ 1 ]。
麩質是穀物分析中另一個值得關注的成分，因為某些人可能會出現麩質不耐症，從而導致消化系統的嚴重疾病 [ 62 ]。最常見的麩質分析方法是透過傳統的酶聯免疫吸附試驗 (ELISA) [ 63 ]。最近，據報導，一種基於抗體的設備僅需 3 分鐘，即可分析各種食品樣品中的麵筋含量 [ 64 ]。麥醇溶蛋白（谷蛋白的一部分）也使用阻抗適體感測器檢測到，其 LOD 為 5 ppm，低於無麩質產品的最大允許水準 20 ppm [ 63 ]。對生物感測器的麩質含量，和無麩質食物進行了測試，並與 ELISA 技術相媲美。懷特等人，(2018) [[ 65 ]開發了一種基於浮柵晶體管（FGT）的電子感測器。抗體和適體都被用作結合不同類型麵筋來源的選擇性受體，例如小麥和大麥。感測器原理及其表面改性示於圖 5. 浮柵電極 (FG-R) 上的抗體或適配體修飾表面易受電位變化的影響（綠色虛線），從而產生電壓偏移。
穀物中黴菌毒素污染引起的毒性分析也具有特殊意義。真菌毒素，例如赭曲霉毒素 A (OTA)、黃曲霉毒素、單端孢菌素、伏馬菌素、玉米赤黴烯酮和麥角生物鹼，是由真菌產生的 [ 66 ]。幾種用於黴菌毒素檢測的生物感測器類型，已被廣泛報導和審查 [ 56 , 67 , 68 , 69 ]。電化學生物感測器被開發用於使用 OTA 特異性適體和辣根過氧化物酶 (HRP) 酶的競爭機制檢測 OTA [ 70]。 OTA 特異性適體固定在順磁性微粒上，在開發的測定中與 HRP-OTA 偶聯物和游離 OTA 競爭。將珠子滴鑄在絲網印刷電極上，並使用差分脈衝伏安法檢測酶促 HRP 反應的產物。
該感測器應用於小麥中的 OTA 檢測，線性範圍為 0.78–8.74 ng/mL，LOD 為 0.07 ± 0.01 ng/mL。在另一項工作中，使用 OTA 特異性適體功能化的二氧化鈰奈米顆粒，作為酶模擬探針用於比色 OTA 檢測 [ 71]。OTA 結合引起二氧化鈰顆粒反應性的變化，這是透過測量二氧化鈰對 TMB 的氧化來評估的。該測定能夠檢測低至 0.15 nM OTA。總體而言，穀物中過敏原和黴菌毒素的估計，需要樣品預處理和目標成分的提取；因此，這些感測機制在食品包裝中的直接應用具有挑戰性。
3.3. 水果和蔬菜
由於需求增加，全球新鮮水果和蔬菜產量急劇增加 [ 72 ]。在美國，大約 40% 的食物被浪費，每年造成約 1650 億美元的損失 [ 73 ]。水果和蔬菜極易腐爛，因此在到達消費者手中之前很容易降解。監測和保存水果和蔬菜的技術，對於減少運輸和儲存過程中的食物損失是必要的 [ 74 ]。許多水果和蔬菜在收穫後由於環境壓力而產生乙烯。即使在極低的濃度下，乙烯也能促進成熟 [ 75 , 76]。與新鮮水果和蔬菜接近的水果老化和蔬菜的存在，也會隨著乙烯的排放而導致老化和成熟。
乙烯可以透過使用乙烯吸收劑或氧化劑（清除劑）去除。清除系統有助於去除，從而降低由於過量生產乙烯，而導致的其他產品的損失。最常用的乙烯清除劑是高錳酸鉀（KMnO 4），它將乙烯氧化成乙二醇，並可進一步氧化成CO 2和H 2 O，產生深棕色MnO 2。基於 KMnO4 顆粒在粘土或活性炭上的乙烯化學吸附，已經開發了幾種商業清除劑[ 77 ]。江等人，(2013) [ 78] 提出了一種透過在介孔二氧化矽上的鉑催化劑上，在低溫下氧化來去除乙烯的方法。即使在 0 °C 下，催化劑也能夠去除 50 ppm 乙烯。
為了控制產品的新鮮度，乙烯感測器可用於檢測快速成熟和防止水果降解。已經報導了幾種用於乙烯檢測的感測器。埃塞爾等人。(2012) [ 28 ] 開發了一種化學電阻感測器，由單壁碳奈米管 (SWNT) 與放置在金電極之間的 Cu (I) 配合物混合而成。與乙烯結合後，發生電阻變化（圖 6一個）; 然而，感測器對乙腈和四氫呋喃等測試溶劑產生了顯著的信號，但這些化合物的低濃度幾乎沒有影響。韋伯等人。(2009) [ 78 ] 開發了一種生物感測器，用於檢測植物產生的乙烯和乙醛。在他們的系統中，基於 Wacker 工藝，乙烯在 PdCl 2上用 Cu (I) 氧化為乙醛，生成的乙醛由 CHO-K1 衍生的感測器細胞系AIR CHO-SEAP 檢測（圖 6乙）。
（一）乙烯化學電阻感測器的示意圖。Cu (I) 複合物和單壁碳奈米管 (SWNT) 的混合物在金電極之間滴注。當乙烯與混合物結合時，電阻會發生變化。（經參考文獻[ 28 ]許可轉載）。( B )雙通道催化生物感測器。水果產生的乙醛 (AcAl) 通過氣相擴散到生物感測器細胞 ( AIR CHO-SEAP)，該細胞經過基因工程改造，可表達構巢曲霉衍生的反式激活因子 AlcR，在乙醛存在下，激活其同源啟動子 PAIR，驅動報告基因 SEAP（AIRCHO-SEAP 細胞）。乙烯在 PdCl 2上被氧化成乙醛基於Wacker工藝的Cu + 。生成的乙醛被AIR CHO-SEAP 捕獲並轉換為 SEAP 表達，作為比色信號進行測量（經參考文獻 [ 78 ]許可轉載）。
揮發性有機化合物 (VOC) 在封閉容器，或包裝中的水果和蔬菜中累積。已經報導了用於檢測這些化合物的指標，例如萜烯、羧酸、醇、醛、硫化合物、氨和茉莉酸鹽 [ 79 ]（圖 7一個）。使用固定在纖維素膜上的溴酚藍，開發的顏色的 pH 指示劑，能夠檢測蕃石榴包裝頂部空間中的 VOC（例如乙酸）釋放。圖 7B）[ 80 ]。該標籤為消費者提供了蕃石榴的新鮮度；但是，需要進行更多調查，以確保使用化學染料的安全性，並限制遷移到食品中的可能性。
4. 食品分析中的生物感測器
對簡單、快速和現場便攜式分析方法的需求，推動了用於食品分析的生物感測器的發展。生物分子（例如酶、免疫系統、組織、細胞器或整個細胞）與各種轉導方法（例如電、熱或光信號）的整合，使得開發各種生物感測設備成為可能 [ 81 ] . 它們的選擇性和相對易於分析，使它們有利於食品分析。該領域生物感測器的發展，通過用於檢測病原體 [ 82 ]、過敏原 [ 83 ] 和其他有毒物質（如殺蟲劑）的生物感測器示例，進行了描述 [ 84 ]] 和黴菌毒素。在本節中，我們將簡要介紹生物感測器在過敏原、毒物和病原體檢測中的應用。
4.1。用於食品過敏原檢測的生物感測器
牛奶、大豆、甲殼類動物、雞蛋、含麩質穀物、花生和堅果（如杏仁、巴西堅果、腰果、核桃）等食品中，存在過敏原是一個增加的安全問題，因為食物過敏的流行，是由於甚至微量的過敏原也在增加。在工業國家，大約 10% 的學齡前兒童患有臨床食物過敏 [ 85 ]。已經開發了多種用於過敏原檢測的 DNA ，或基於免疫的生物感測器 [ 86 ]，但在許多情況下，樣品製備和純化既費力又耗時 [ 9 ]。NIMA 公司（美國加利福尼亞州舊金山）採用基於抗體的檢測，和磁鐵礦珠開發了一種感測器，來檢測 ppm 中的花生過敏原 [ 87]。
Archin (Ara h1) 花生過敏原，透過基於表面等離子共振 (SPR) 免疫的生物感測器，在巧克力棒中檢測 [ 88 ]，優化系統的 LOD 為 0.09 μg/mL。測試和比較了三個系統來檢測 Ara h1 過敏原：無標記檢測、二抗夾心檢測和由功能化磁性奈米珠組成的，基於 NPs 的信號增強 SPR 生物感測器。 NP 增強的 SPR 生物感測器，在三種檢測方法中靈敏度最好，檢測限為0.09 μg/mL，線性範圍為0.1-2 μg/mL，與市售ELISA試劑盒具有良好的相關性。
王等人。 (2011) [ 89] 開發了一種具有 PCR 放大功能的比色矽基光學薄膜生物感測器晶片，並展示了同時辨識大豆、小麥、花生、腰果、蝦、魚、牛肉和雞肉中，發現的八種食物過敏原的能力。圖 8)，LOD 為 0.5 pg。小麥、大麥和黑麥等食物中，含有麩質會導致無法消化麩質的人患乳糖不耐症 [ 90 ]。開發了一種用於 β-乳球蛋白（一種通常在牛奶中發現的過敏原）的無標記電化學免疫感測器，其 LOD 為 0.85 pg/mL [ 91 ]。該感測器是在石墨烯修飾的絲網印刷電極上製造的，電極上固定有 β-乳球蛋白抗體。透過測量[Fe(CN) 6 ] 3-/4- 的還原峰來量化 β-乳球蛋白的結合，隨著 β-乳球蛋白濃度的增加呈線性下降。該感測器應用於奶酪零食、蛋糕和甜餅乾等多個樣品的篩選，結果與商業 ELISA 檢測結果相當。
過敏原檢測晶片。（一）除了陽性對照和標記物（M）外，還發現了食物探針；(二)相應過敏原檢測：1、H 2 O；2、腰果；3、花生；4、小麥；5、大豆；6、雞肉；7、魚；8、蝦；9、牛肉（經參考文獻[ 89]許可轉載。版權所有2011，美國化學會）。
在另一項檢測中，基於適配體辨識，也已檢測到牛奶中的致敏蛋白，例如酪蛋白和 β-乳球蛋白 (β-LG)，其中適配體固定在石墨烯修飾的絲網印刷電極上，採用伏安法檢測 [ 92 ]。該方法在加標的牛奶樣品上進行了測試，沒有顯示出顯著的基質效應。牛奶中另一種常見的過敏原是酪蛋白。據報導，具有局部表面等離子共振 (LSPR) 檢測，和固定化酪蛋白抗體的酪蛋白免疫感測器，可檢測原料奶中的酪蛋白，檢測限為 10 ng/mL [ 93 ]。
乳糖不耐症見於世界各地，約佔北歐人的 15%、黑人和拉丁裔的 80%，以及約 100% 的美洲印第安人和亞洲人 [ 94 ]。它發生在缺乏負責將乳糖消化成半乳糖和葡萄糖的酶（β-半乳糖苷酶）的個體中 [ 95 ]。已經設計了幾種類型的電化學生物感測器，用於利用共固定化的 β-半乳糖苷酶和葡萄糖氧化酶進行乳糖定量 [ 96 , 97 , 98 , 99 ]。一些酶促乳糖感測器，也可用於檢測無乳糖奶製品中的痕量乳糖，例如，LactoSens ®(Directsens, Klosterneuburg, Austria) 生物感測器。酶固定在一次性試紙上，乳糖含量由讀數器直接定量（圖 9) [ 100 ]。
4.2. 用於細菌病原體檢測的生物感測器
根據美國疾病控制和預防中心 (CDC) 的數據，估計感染細菌、病毒和寄生蟲引起的疾病的人數約為 4800 萬 [ 101 ]。世界衛生組織 (WHO) 食源性疾病負擔流行病學參考小組 (FERG) 估計 2010 年全球有 6 億食源性疾病，其中 420,000 人死亡 [ 102 ]。這些疾病的主要原因，是致病菌大腸桿菌和沙門氏菌，導緻美國大多數食源性疾病暴發[ 103]。病原菌的快速檢測在食品分析中起著重要作用。病原體檢測的主要方法是基於聚合酶鏈式反應 (PCR) 或平板計數，這需要樣本富集和較長的分析時間 [ 104 ]。
由於其便攜性和現場檢測潛力，生物感測器代表了病原體檢測的可能替代方案。大多數用於細菌病原體檢測的生物感測器，都是基於免疫和 DNA 辨識的生物感測器，但這些生物感測器需要大量的準備程序，包括標記、多個洗滌步驟 [ 105、106 ]和專門的設施 [ 107 ]]。或者，已提出合成抗菌肽作為辨識劑，能夠檢測和量化四種細菌菌株，即大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌[ 108 ]。合成抗菌肽優於免疫和基於 DNA 的受體，包括低成本、大規模生產和高穩定性。
此外，它們還可用於滅活病原體 [ 109 , 110 ]。還報導了用固定在金晶片上的肽製成的比色生物感測器條，用於檢測單核細胞增生李斯特菌在 LOD 為 2.17 × 10 2 CFU/mL [ 111 ]的牛奶和肉類樣品中。最近，開發了一種特異性結合大腸桿菌的熒光 DNAzyme 探針，並將其列印在環烯烴聚合物透明包裝上（圖 10) [ 112 ]。該研究報告在肉類和蘋果汁樣品中，檢測到大腸桿菌，檢測限為 10 3CFU/mL。
生物感測器可以設計成，結合具有抗菌活性的材料來創建智慧包裝[ 113 ]。銀奈米粒子 (AgNPs) 是研究最廣泛的抗菌劑之一，已被考慮 [ 114 , 115 ]。例如，AgNPs 嵌入羥丙基甲基纖維素聚合物中，顯示出對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌抑製作用[ 116 ]。在另一項研究中，丙烯酰胺與 AgNPs 包埋在紙上共聚，顯示出對大腸桿菌的活性[ 117]。在活性包裝應用中使用 AgNPs 和其他奈米材料，是一個活躍的研究領域。
然而，NPs 從包裝到食品的可能遷移是一個問題，應該在未來的研究中加以考慮 [ 118 ]。有人建議將天然抗菌材料（例如乙醇和精油提取物）用作包裝中具有保護功能的發射器 [ 119 ]。此外，已經證明了在具有抗菌活性的可食用薄膜中使用牛至、迷迭香和大蒜精油的潛力 [ 120 ]。將生物感測平台，與可以檢測和滅活病原體的細菌滅活系統相結合的想法正在興起 [ 10 , 121, 122 ]。開發了一種基於 3D-ZnO 奈米棒的電化學感測器，用於檢測和殺死細菌，顯示 50% 的細菌失活 [ 122 ]。
另一個例子是使用表面增強拉曼散射 (SERS) 矽晶片多功能晶片 [ 121 ]。該晶片用 AgNPs 修飾以滅活細菌，並用 4-巰基苯基硼酸檢測病原體。該測定法將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌檢測到低至 10 2 個細胞/mL，在細菌濃度為 0.5–2 × 10 2 時具有 60% 的滅活效率CFU/毫升。大多數感測器都是為了證明概念而開發的。在考慮將此類平台用於食品包裝之前，需要澄清有關抗菌劑的安全性和有害影響（例如，Ag 的釋放）的問題。此外，報告的感測器應設計為符合法規限制，並應提供廣泛的驗證。
4.3. 用於食品摻假、真實性和毒性評估的生物感測器
食品摻假是以經濟利益為目的，不顧安全考慮，改變食品成分。一些例子包括在食品中使用非法蘇丹染料，在雞片中添加牛 [ 123 ]，以及偽造橄欖油 [ 124 ]。食品摻假越來越受到關注，這就需要可靠的分析方法。一個嚴重的安全問題是在乳製品中摻入三聚氰胺，因為三聚氰胺具有增加蛋白質含量的表觀水準（透過蛋白質定量測定法（凱氏定氮法）測定）。該事件導致約 300,000 名患病兒童和 6 人死亡 [ 125 ]。一種基於抗體的光學生物感測器，被開發用於三聚氰胺檢測 [ 126]。將多複製抗體固定在 SPR 生物感測器的表面，從而得到一個靈敏的平台，測量 IC 50 為 67.9 ng/mL。該感測器對三聚氰胺具有選擇性，但它與滅蠅胺具有交叉反應性，滅蠅胺是一種會腐爛形成三聚氰胺的殺蟲劑。
開發了一種無標記 AgNP 比色感測器，來檢測牛奶中的三聚氰胺 [ 127 ]。由於聚合，AgNPs 在三聚氰胺存在下產生黃紅色。該方法能夠檢測到低至 2.32 μM，低於美國食品和藥物管理局 (FDA) 允許的 20 μM 限值 [ 122 ]。倪等人。 (2014) [ 128 ] 報導了三聚氰胺在 3,3',5,5'-四甲基聯苯胺 (TMB) 和 H 2存在下增強金奈米粒子的過氧化物酶樣活性 O 2，產生藍色形成。該方法顯示出高靈敏度，LOD 為 0.2 nM。
此外，已經描述了生物感測器以確認要求保護的食品成分和濃度。已透過基於固定化酒精氧化酶的電化學生物感測器，估計酒精飲料中的乙醇含量 [ 129 ]。在 Meldola's Blue 存在的情況下，在多壁碳奈米管上開發了一種基於乙醇脫氫酶的生物感測器 [ 130 ]。線性範圍為 0.05–10 mM 乙醇。食品中的葡萄糖評估也由基於電聚合薄膜 [ 131 ] ，或基於碳奈米管鋨聚合物 [ 132 ] 的安培生物感測器確定。
植物油中多酚含量的測定，可以估計產品的抗氧化能力。設計了一種基於 HPR 的電化學生物感測器來評估植物油中的綠原酸含量。該感測器的靈敏度為 0.7 μM，可與傳統檢測方法相媲美 [ 133 ]。開發了一種電化學生物感測器，來區分不同類型的植物油（例如，橄欖油、葵花籽油和玉米油），以及區分不同類型橄欖油（例如，特級初榨、初榨等）的能力。 ) [ 134]。其工作原理是基於不同的多酚含量，從而產生不同的電化學信號。已經開發了幾種類型的感測器，它們利用奈米材料，作為提高檢測靈敏度和便攜性的手段[ 135 ]。
開發了一種便攜式紙基測定法，以使用二氧化鈰 NP 改性紙測定抗氧化能力。NPs 透過表面和氧化還原反應，與抗氧化劑化合物相互作用，對幾種測試的抗氧化劑產生 20-400 μM 的比色響應，例如抗壞血酸、沒食子酸、香草酸、槲皮素、咖啡酸，和表沒食子兒茶素沒食子酸酯 [ 136]。在其他工作中，AgNPs 被包裹在聚乙烯醇 (PVA) 中，以開發一種用於量化抗氧化能力的比色感測器，並展示了一個用於檢測沒食子酸的示例。
檢測原理基於種子介導的 NP 生長。Ag +減少到 Ag 0 累積在感測器表面，顯示顆粒表面增加。感測器中的 PVA 透過提供 AgNPs 作為成核種子，充當沒食子酸還原 Ag +的催化劑。一旦種子形成，它就會在 PVA-AgNP 表面累積，導致紅移。該方法提供了 25 到 200 μM 的線性範圍和 22.1 μM 的 LOD [ 137 ]。
其他摻雜物，例如食品中的谷氨酸鈉 (MGM) 也很受關注。L-谷氨酸是一種天然氨基酸，添加它通常是為了增強食物的風味，增加食物的鮮味。據報導，L-谷氨酸可增加食物攝入量，而不會帶來健康風險 [ 138 ]。然而，已經證明 L-谷氨酸具有神經興奮作用 [ 139 ]。因此，開發可靠的方法，來評估食品中谷氨酸的含量非常重要。透過將谷氨酸氧化酶固定在普魯士藍修飾電極上，開發了一種電流型生物感測器 [ 140]。該生物感測器，能夠以 0.7 nM 的 LOD 檢測 L-谷氨酸。透過用 Nafion 和谷氨酸氧化酶薄膜，對鉑陽極進行功能化建構的電化學生物感測器，能夠選擇性地測量低至 0.3 μM 的谷氨酸濃度 [ 141 ]。
農藥在農業中的廣泛使用導致它們在土壤、地下水和農作物中累積。由於其固有的毒性，有必要控制食品中的農藥含量。據報導，基於乙酰膽鹼酯酶 (AChE) 抑制的生物感測器，可用於檢測殺蟲劑中，使用的氨基甲酸酯和有機磷酸酯[ 142、143、144、145 ]。安德萊斯庫等人。(2002) [ 146] 報導了透過溶膠-凝膠複合材料中的生物包封、金屬螯合親和性和可光聚合聚合物中的截留，對絲網印刷電極上的三種 AChE 固定方法，進行了比較研究。包埋在聚合物基質中的酶，顯示出超過六個月的穩定性。有機磷殺蟲劑檢測的 LOD 範圍為 1-10 nM。作為替代方案，還開發了基於有機磷水解酶的生物感測器，該酶催化有機磷農藥的水解。炭黑和介孔碳修飾電極對檢測有機磷酸酯水解酶，反應產生的對硝基苯酚具有很高的靈敏度 [ 147 ]。該方法能夠檢測低至 0.12 μM 的濃度。
食品行業的另一種重要分析物是雙酚 A (BPA)。BPA 是一種用於製造聚碳酸酯和環氧樹脂的單體，用於製造各種食品包裝，例如水瓶、奶瓶和加工食品罐的塗層材料 [ 148 , 149 ]。接觸 BPA 與健康風險相關，自 2008 年以來，關於禁止在兒童產品中使用 BPA 的問題一直在爭論 [ 150 ]。FDA 已於 2012 年禁止在嬰兒奶瓶和防溢杯中使用聚碳酸酯，並禁止在嬰兒奶包裝中使用基於 BPA 的塗層 [ 151 , 152 ]。因此，BPA檢測是感測領域的一個新興研究課題。
阿爾卡西爾等人，(2012) [ 153] 開發了一種基於酶的 NP 功能化電化學生物感測器，用於快速靈敏地檢測 BPA。與用 Fe 2 O 3 (LOD, 8.3 nM) 和 AuNPs (LOD, 10 nM)修飾的生物感測器相比，用 Ni NPs 修飾的生物感測器，表現出更高的靈敏度和更低的 LOD（7.1 nM）。此外，還開發了一種紙基比色生物感測器，用於檢測包括 BPA 在內的酚類化合物。紙質感測器的 LOD 為 0.86 μM，在 260 天內表現出高穩定性，保留了 92% 的活性。使用 Deng 等人開發的方法，估計了飲用塑料水瓶和飲料罐中的 BPA。 (2014) [ 154]。電化學生物感測器採用分子印跡殼聚醣-石墨烯複合材料選擇性檢測 BPA，據報導 LOD 為 6.0 nM。
5. 結論和未來趨勢
在智慧和有源包裝中實施化學感測器、生物感測器和指示標籤，以及開發能夠對食品和農作物進行新鮮度調查的方法，是一個不斷發展的研究領域。雖然取得了重大進展，但仍需要在現實環境中展示生物感測設備的功能，以評估包裝食品的品質。該領域的主要挑戰之一，是食品樣品的複雜性，以及在沒有事先樣品處理的情況下，直接在封閉包裝中測量降解標誌物的難度。
迄今為止，最成功的感測器示例，是用於檢測揮發性化合物，例如胺和乙烯。在目前的發展狀況下，大多數食品生物感測器仍需要食品樣品預處理。未來的發展應針對降低檢測限，和增加在與樣品簡單接觸時測量標記的可能性。在現場進行任何實施之前，還需要對大量樣品的測量結果進行驗證。在生物感測領域，需要進一步簡化檢測系統，以避免使用多個步驟或試劑，降低成本，並使感測器小型化。
提高生物感測設計中生物元件的穩定性，並確保在包裝食品中儲存期間的長時間可操作性，是另一個需要解決的挑戰，尤其是對於包含酶或抗體等敏感生物辨識元件的系統。還應確定環境參數的影響。科學文獻中報導的大多數感測器都沒有商業化。這些絕大多數都處於初始設計/概念驗證階段，需要付出巨大努力，才能進一步發展為適銷對路的產品，以滿足健康問題和現行法規。此外，由於潛在的遷移和與食品的接觸，在智慧包裝和食品感測器中，整合材料時應充分考慮安全法規。
透過結合使用檢測和食品保存方法來實現多功能性，是另一個不斷發展的研究領域。這些技術的整合是一項挑戰，但新抗菌劑的快速發展，及其在功能性塗層中的組裝，預計將對發展產生積極影響。奈米材料在感測和封裝技術中的應用也在不斷成長，並顯示出巨大的潛力。然而，需要評估毒性問題和安全性，以促進奈米技術在食品工業中的進一步使用。此外，需要確保感測設備的連接性和開發無線、獨立操作的感測器，以促進對大量樣品的快速監測，並在運輸和長期儲存期間提供即時狀態。
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