一种指示水产品新鲜度的智能标签及其制备方法与流程

本发明涉及一种指示水产品新鲜度的智能标签及其制备方法，特别是涉及一种指示鱼类或虾类的新鲜度的智能标签，是一种新材料的应用及其在食品安全领域中的应用。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们对高蛋白食品的需求日益增加，而水产品是蛋白质的良好来源。其中罗非鱼的肉味鲜美，肉质细嫩，含有多种不饱和脂肪酸和丰富的蛋白质，在日本，称这种鱼为“不需要蛋白质的蛋白源”。但是，因富含营养物质和水分，肌肉组织中的结缔组织较少，内源性蛋白酶活跃，自溶速度快，易在物理、化学、微生物等方面发生变化，使得其新鲜度发生变化。水产品的新鲜度是评价其品质的重要标志之一，鲜度影响着最终产品的品质。而挥发性盐基氮的含量与水产品腐败的程度直接相关，挥发性盐基氮含量越多，说明腐败越严重。

水产品新鲜度的传统分析方法，如气相色谱法、液相色谱法等，虽有检测灵敏度高、检出限低等优点，但是成本高、耗时、且操作复杂。因此，出现了比色传感器，2000年出现第一个比色传感器后，出现了ph传感器、气体传感器等。这些传感器用于牛肉、饮料、鸡肉等新鲜度的检测。这些传感器有不损害样品、实时检测样品等优点，但是灵敏度不高。因此，需要开发灵敏度更高的，直观性更好的传感器。鉴于以上技术课题，本发明人首次提出无需损害样品，且能够实时监测新鲜度的智能标签。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种指示水产品新鲜度的智能标签，其特征在于，使用溴甲酚绿ph敏感染料，以阳极氧化铝膜为染料的吸附载体。

本发明所述的智能标签，其特征在于，所述阳极氧化铝膜的孔径小于20～200nm、与表面垂直、且孔密度为10⁹～10¹⁰孔/cm²。

本发明所述的智能标签，其特征在于，所述阳极氧化铝膜的孔径50nm～200nm。

本发明述的智能标签，其特征在于，所述溴甲酚绿ph敏感染料的ph在2.80～2.50范围内。

本发明所述的智能标签，其特征在于，所述溴甲酚绿ph敏感染料的ph在2.65。

本发明所述的智能标签，其特征在于，所述溴甲酚绿浓度为0.02％～0.1％的范围内。

本发明的目的在于还一种指示水产品新鲜度的实时监测方法，采用本发明的第一方面所述的智能标签。

本发明所述的水产品新鲜度的实时监测方法，其特征在于，所述水产品为鱼类或虾类。

本发明进一步提供一种制备新鲜度智能标签的方法，

包括以下步骤：将多孔阳极氧化铝膜浸泡于ph为2.80～2.50的磷酸–乙醇溶液中，然后取出晾干；浸泡于0.02％～0.1％溴甲酚绿(bcg)溶液中，取出晾干；最后放于已打5mm孔的过塑膜中过塑。

根据本发明所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

试样预处理步骤、一次阳极氧化步骤、化学腐蚀步骤、二次阳极氧化步骤、去铝步骤、扩孔步骤、指示剂加载步骤，其中，所述一次阳极氧化步骤和所述二次阳极氧化步骤中，均以铂片为阴极、铝片为阳极，以磷酸溶液为电解液。

根据本发明所述的智能标签的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤包括在h3po4:h2so4:hno3的体积比7:2:1中，95～110℃下化学抛光1～2min的步骤。

根据本发明所述的智能标签的制备方法，其特征在于，所述一次阳极氧化步骤中，所述电解液采用0.4mol/l的磷酸溶液，氧化电压为100v，氧化时间为120min，氧化温度为0～4℃。

根据本发明所述的智能标签的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀步骤为在6％磷酸和1.8％铬酸的混合酸溶液中进行浸蚀6～10h，温度控制在50～60℃。

根据本发明所述的智能标签的制备方法，其特征在于，所述去铝步骤中，使用体积比为3:1的饱和硫酸铜水溶液和盐酸的混合溶液。

本发明提供的智能标签是一种能够准确表征食品新鲜度，并将食品新鲜度信息直观反馈于消费者的一种可视化标签。可根据食品所历经的温度、时间等环境参数的变化来直观表征包装内部食品的质量变化。本发明的智能标签被公认为是可进一步实现食品供应链的精细化管理，减少易腐食品的损耗，提高食品安全性的有效手段。经本发明的发明人首次提出，且无需破坏食品，能够实时监测食品的新鲜度，其灵敏度更高，直观性更好的传感器。

附图说明

图1示出制备智能标签的流程图；

图2为(a)aao膜表面的扫描电子显微镜(sem)图；(b)含bcg指示剂的aao膜表面的sem图；(c)aao膜横截面的sem图；(d)含bcg指示剂的aao膜横截面sem图；

图3示出aao、bcg、aao-bcg的红外吸收光谱；

图4(a)分光测色仪测智能标签所得的a值；(b)分光测色仪测智能标签所得的b值；

图5示出罗非鱼的tvbn值随时间的变化；

图6示出罗非鱼的微生物数量(tvc和pseudomonasspp.)随时间的变化；

图7示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.02％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；

图8示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.04％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；

图9示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.06％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；

图10示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.08％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；

图11示出ph分别为2.80，2.65，2.50，0.1％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化。

具体实施方式

下面，将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明的目的在于提供一种新鲜度智能标签，使用溴甲酚绿ph敏感染料，以阳极氧化铝膜为染料的吸附载体。所述阳极氧化铝膜的孔径为20～200nm、与表面垂直、且孔密度为10⁹～10¹⁰孔/cm²。所述孔径优选是50～200nm。

在本发明中，所述溴甲酚绿ph敏感染料的ph在2.80～2.50范围内。所述溴甲酚绿ph敏感染料的ph优选为2.65。

在本发明中，所述溴甲酚绿浓度为0.02％～0.1％的范围内。

在本发明中，所述的新鲜度智能标签的方法，包括以下步骤：

将阳极氧化铝膜浸泡于ph为2.80～2.50的磷酸–乙醇溶液中，然后取出晾干；浸泡于0.02％～0.1％溴甲酚绿(bcg)溶液中，取出晾干；最后放于已打5mm孔的过塑膜中过塑。

本发明所述的智能标签的制备方法，所述预处理步骤包括在h3po4:h2so4:hno3的体积比7:2:1中，95～110℃下化学抛光1～2min的步骤。

本发明所述的智能标签的制备方法，所述一次阳极氧化步骤中，所述电解液采用0.4mol/l的磷酸溶液，氧化电压为100v，氧化时间为120min，氧化温度为0～4℃。

本发明所述的智能标签的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀步骤为在6％磷酸和1.8％铬酸的混合酸溶液中进行浸蚀6～10h，温度控制在50～60℃。

本发明所述的智能标签的制备方法，所述去铝步骤中，使用体积比为3:1的饱和硫酸铜水溶液和盐酸的混合溶液。

本发明提供的智能标签是一种能够准确表征食品新鲜度，并将食品新鲜度信息直观反馈于消费者的一种可视化标签。可根据食品所历经的温度、时间等环境参数的变化来直观表征包装内部食品的质量变化。所以，智能标签被公认为是可进一步实现食品供应链的精细化管理，减少易腐食品的损耗，提高食品安全性的有效手段。

在本发明中，图1示出制备智能标签的流程图；图2为(a)aao膜表面的扫描电子显微镜(sem)图；(b)含bcg指示剂的aao膜表面的sem图；(c)aao膜横截面的sem图；(d)含bcg指示剂的aao膜横截面sem图；图3示出aao、bcg、aao-bcg的红外吸收光谱；图4(a)分光测色仪测智能标签所得的a值；(b)分光测色仪测智能标签所得的b值；图5示出罗非鱼的tvbn值随时间的变化；图6示出罗非鱼的微生物数量(tvc和pseudomonasspp.)随时间的变化；图7示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.02％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图8示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.04％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图9ph分别为2.80、2.65、2.50，0.06％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图10示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.08％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图11示出ph分别为2.80、2.65、2.50，0.1％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化。

根据本发明的制备方法制备得到的氧化铝膜是一种多孔材料，具有规则性和多孔性。因此，不仅能够很好的吸附指示剂，使得指示剂均匀的分布于氧化铝膜内；而且因其多孔性，指示剂和被检测气体挥发性盐基氮吸附量大，变色更加明显，灵敏度高。

本发明根据罗非鱼腐败变质释放出的总挥发性盐基氮(tvbn)为碱性物质，使用溴甲酚绿(bcg)ph敏感染料，以阳极氧化铝(aao)膜为吸附染料的载体，构建了用于指示罗非鱼新鲜度的智能标签。本发明不限于罗非鱼的新鲜度监测，只要是释放出的总挥发性物为碱性物质的情况，例如各种鱼类、虾类的表征中均可以使用，并不限于此。

本发明中，bcg/aao膜在ph低于3.8时显示黄色，ph高于5.4时显蓝色。当罗非鱼释放出tvbn气体时，该标签会呈现黄色变为蓝色的颜色变化，根据颜色变化可判定罗非鱼的新鲜度。

此外，本发明中，为了更加有效地还进行了微生物分析，tvbn分析，色差分析等，结果显示，这些指标与标签颜色变化的有直接的相关性。因此，构建的新鲜度智能标签具有操作简单、快速、直观、实时检测等优点，弥补了传统方法的样品处理繁琐、对产品有破坏性，仪器价格昂贵等不足，适用于实时指示罗非鱼的新鲜度。

在本发明中，以磷酸作为电解质，采用二次阳极氧化法制备阳极氧化铝膜。然后将阳极氧化铝膜浸泡于溴甲酚绿溶液中，通过吸附方法将溴甲酚绿固定于阳极氧化铝膜中，形成溴甲酚绿/阳极氧化铝膜，构建了指示罗非鱼新鲜度的智能标签。构建的智能标签应用于罗非鱼新鲜度的监测。结果表明，随着时间的增长，罗非鱼释放的挥发性盐基氮含量不断增加，标签的颜色会从黄色变成蓝色，该颜色变化肉眼可以很清楚的辨别。由此可知，该智能标签具有操作简单、快速、直观、实时检测等优点，可实时监测罗非鱼的新鲜度，为罗非鱼新鲜度的监测提供了一种具有前景的方法。

实施例1：阳极氧化铝膜(aao)的制备

(1)试样预处理

将铝片裁剪成直径为25mm的小圆，先在丙酮中浸泡30min，以除去油污。在室温下，在0.1mol/lnaoh溶液中浸泡和超声5min，除去表面的自然氧化物薄膜，再用去离子水清洗干净。最后在混酸(h3po4，h2so4，hno3，体积比7:2:1)中，95～110℃下化学抛光1～2min。

(2)一次阳极氧化

将预处理过的铝片夹在两个薄板之间，放于氧化槽中进行铝阳极氧化，电解液采用0.4mol/l的磷酸溶液，氧化电压为100v，氧化时间为120min，氧化温度为0～4℃。以铂片为阴极，铝片为阳极，试样采cp8-600v型弧氧化电源进行。

(3)化学腐蚀

铝片经一次阳极氧化后，将其放在6％磷酸和1.8％铬酸的混合酸溶液中进行浸蚀6～10h，温度控制在50～60℃。除去第一次阳极氧化形成的氧化铝层，同时能够在铝基片表面上保留有序的周期性凹形结构。

(4)二次阳极氧化

采用和一次阳极氧化同样的条件，进行二次阳极氧化。二次氧化完之后，用蒸馏水洗净，在铝孔中加蒸馏水浸泡5min，然后拆开铝板。

(5)去铝

将氧化后的铝片放于体积比为3:1的饱和硫酸铜水溶液和盐酸的混合溶液中，去掉剩余的铝。

(6)扩孔

将经(5)处理好的铝片，放到40℃的磷酸溶液中40min，进行扩孔，水泡过夜，再用无水乙醇清洗、晾干。

首先，将通过实施例制备的直径为13mm氧化铝膜浸泡于ph2.65的磷酸–乙醇溶液中10min，然后取出晾干，再浸泡于0.1％溴甲酚绿(bcg)溶液中10min，取出晾干，最后放于已打5mm孔的过塑膜中过塑，获得bcg/aao新鲜度智能标签。

进而，实施鱼样品试验，称取50g新鲜罗非鱼样品，放于密封袋中，在距离样品约1cm处，放置制备好的智能标签，密封好，在25℃存放24h。观察标签的颜色变化，标签从黄色变成蓝色。

试验例1挥发性盐基氮的检测

按照行业标准sc/t3032-2007，采用微量测定法测定挥发性盐基氮，温度保持在25℃，每两小时进行一次测定。

试验例2微生物分析

按照国家标准gb4789.2-2010的方法进行细菌总数测定，温度保持在25℃。采用的培养基为cm107，每两小时进行一次测定。

根据国际标准iso13720的方法进行假单胞菌测定，温度保持在25℃。采用的培养基为hb8484-2，每两小时进行一次测定。

试验例3色差分析

称取50g新鲜罗非鱼样品，放于密封袋中，在距离样品约1cm处，放置新鲜度智能标签，密封好，在25℃存放24h。每两小时，用3nh分光测色仪进行检测。

如图2所示，图2(a)aao膜表面的扫描电子显微镜(sem)图；(b)含bcg指示剂的aao膜表面的sem图；(c)aao膜横截面的sem图；(d)含bcg指示剂的aao膜横截面sem图，aao膜结构的快速有效表征是研究其性质与应用的前提和基础。图2(a)是以磷酸为电解质制备的aao膜表面的sem图，从图中可以看出纳米孔的尺寸约为200nm，孔密度较高，孔洞之间无连孔现象，且与表面垂直。通过计算可知，孔密度可达到10⁹～10¹⁰孔/cm²。图2(b)是固定了bcg指示剂的aao膜表面的sem图，可以看出aao膜表面固定了指示剂，指示剂均匀分布在aao膜表面，有利于本实验更好的观察颜色的变化。图2(c)为制得的aao膜横截面的sem图片，孔内壁光滑，孔通道的单向性、均一性都非常好，孔通道之间无交叉现象且与表面垂直。图2(d)是固定了bcg指示剂的aao膜横截面的sem图，由图可见，指示剂均匀的分布在aao膜的内壁。因此，通过本发明制得的aao膜适合作为吸附载体。

如图3所示，图3为aao、bcg、aao-bcg的红外吸收光谱，据红外光谱吸收峰的频率与对应的分子基团振动类型关系可知，aao膜中具有红外吸收特性的主要原因是膜中具有红外吸收物质所含有的化学键，即o-h键、al-o键和p-o键。其中3680～2700cm^-1波段的吸收带为o-h键伸缩振动，说明铝多孔氧化膜中存在有oh^-基团的结构或吸附了h2o；1700～1600cm^-1吸收带是h2o中o-h键的面内振动；1335～1087cm^-1吸收带对应磷酸根中p-o键伸缩振动，它是阳极氧化过程中由电解液扩散吸附到氧化膜中的磷酸根离子引起的；950～700cm^-1波段的吸收带是由al-o键伸缩振动的结果，铝多孔氧化膜的主要成分导致了此波段的吸收。bcg具有红外吸收特性的主要原因是具有红外吸收物质所含有的化学键，即o-h键、c-br键等。其中3680～2700cm^-1波段的吸收带为o-h键伸缩振动，说明bcg中存在有oh^-基团的结构或吸附了h2o；1700～1600cm^-1吸收带是h2o中o-h键的面内振动；650-510cm^-1波段的吸收带为bcg中c-br键的伸缩振动。

综上，如果bcg已固定与aao中，则aao-bcg在650-510cm^-1有吸收峰。由图3可知，bcg-aao在650-510cm^-1有吸收峰，但峰位置有所偏移且峰宽变大，可见bcg已固定于aao中。

如图4所示，图4(a)分光测色仪测智能标签所得的a值；(b)分光测色仪测智能标签所得的b值。在温度为25℃下，利用3nh分光测色仪检测智能标签的颜色变化。其中a值代表样品颜色变化为红到绿，当a为正值时，则样品颜色为红色，当a为负值时，则样品颜色为绿色。b值代表样品颜色变化从黄到蓝，当b为正值时，则样品颜色为黄色，当b为负值时，则样品颜色为蓝色。图4(a)为分光测色仪测得的a值，从图可以看出，随着时间的延长，a值一直为负值且a值呈下降的趋势，因此样品颜色为随着时间的延长，绿色越来越深，肉眼更加容易观察。图4(b)为分光测色仪测得的b值，从图可以看出，随着时间的延长，b值呈下降的趋势，由正数下降到负数，最后几乎趋于平稳，即标签的颜色为蓝色。由此可知，随着时间的延长，罗非鱼慢慢腐败，释放了挥发性盐基氮气体，该气体接触了智能标签，导致颜色从黄色变成了蓝色，此颜色的变化肉眼很容易看到。

如图5所示，罗非鱼的tvbn值随时间的变化。挥发性盐基氮(tvbn)是通常用来衡量动物性食品品质的一个重要指标。挥发性盐基氮指食品中的蛋白质在内源酶或细菌的作用下分解成氨类等碱性含氮挥发性物质。根据gb5009.228-2016的规定，采用微量扩散法检测罗非鱼中挥发性盐基氮的量随时间的变化，结果如图4所示。由图5可知，随着时间的延长，挥发性盐基氮的量增加。根据gb2733-2015的规定，可知，tvbn≤20mg/100g可以食用，tvbn>20mg/100g，食品已经腐败且不可食用。从图5可知，当时间为6h时，tvbn已经超过20mg/100g，由此可知，在本实验条件下，罗非鱼死后6h，tvbn已经超过国家限量。

如图6所示，罗非鱼的微生物数量(tvc和pseudomonasspp.)随时间的变化。大多数水产品腐败主要是由微生物的作用引起的，活菌数的增加和水产品新鲜程度有着密切的关系。新鲜水产品的细菌总数(tvc)为10²～10⁴cfu/g，初期腐败tvc为10⁶cfu/g左右，当增加到10⁷～10⁸cfu/g时，便会感到强烈的腐败臭味。由图6可知，罗非鱼中的菌落总数(tvc)和假单胞菌(pseudomonasspp.)的数量随着时间的延长呈现增长的趋势。贮藏6h时，tvc在10⁶cfu/g左右，9h左右，tvc增加到10⁷cfu/g左右。而假单胞菌从开始的1.0×10²cfu/g，持续增长，18h时为1.2×10⁷cfu/g，与tvc越来越接近。通过与tvbn和色差分析结果比较，可知该结果与智能标签颜色变化有直接相关性。

图7ph分别为2.80、2.65、2.50，0.02％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图8ph分别为2.80、2.65、2.50，0.04％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图9ph分别为2.80、2.65、2.50，0.06％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图10ph分别为2.80、2.65、2.50，0.08％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化；图11ph分别为2.80、2.65、2.50，0.1％bcg的智能标签随时间延长的颜色变化。

将ph分别为2.80、2.65、2.50，bcg浓度分别为0.02％、0.04％、0.06％、0.08％、0.1％的智能标签分别放置于距离罗非鱼约1cm处的密封袋中，观察24h内智能标签的颜色变化。从图6-11可知，随着时间的延长，标签的颜色有黄色变为绿色最后为蓝色。与tvbn值对比，可知，ph2.80的智能标签变色太快，而ph2.50的智能标签变色太慢，ph2.65的则在两者之前，却随着时间的延长，变化明显。因而在后续反应中选择的ph为2.65。此外，从图6-10可知，bcg浓度为0.02％-0.08％虽有颜色变化，但是并不明显；而从图11可知，bcg浓度为0.1％时，颜色不仅变化明显，而且与tvbn值有较为明显的相关性。因此在后续实验中选择0.1％bcg。因此，虽然其他的ph和0.02％-0.08％的bcg均能检测样品，但是选择0.1％bcg和ph2.65的磷酸-乙醇溶液做后续实验更好。

本发明通过采用二次阳极氧化法，以磷酸为电解质，制备阳极氧化铝膜(aao)。然后将阳极氧化铝膜先浸泡于ph为2.65的磷酸-乙醇溶液，再浸泡于0.1％bcg溶液中，利用氧化铝膜的多孔性及规则性将溴甲酚绿固定于氧化铝膜中，形成bcg/aao传感器，构建了指示罗非鱼新鲜度的智能标签。在25℃下，不同贮藏时间，对挥发性盐基氮，微生物数量以及智能标签颜色的变化等指标进行检测。通过本发明制备的智能标签颜色变化与tvbn和微生物数量直接相关。随着时间的增加，tvbn值增大，微生物数量增加，智能标签的颜色从黄色变成蓝色。通过与tvbn对比，可知该智能标签能在样品即将腐败前能被检测，并且颜色较为明显。此外，分别对aao、aao-bcg、bcg进行红外检测，结果显示，bcg能固定于aao中。

本发明的新鲜度智能标签具有操作简单、快速、直观、实时检测等优点，不仅可实时监测罗非鱼的新鲜度，为罗非鱼新鲜度的监测提供了一种具有前景的方法，提高了食品的安全性，满足人们对食品安全性的需求。而且为清晰了解水产品包装食品质量指标提供了一个具有潜力的传感器。