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摘 要：食品的新鲜程度在日常生活中是密切相关的，小到对人体的身体健康，大到对大气、水环境都有着严重的影响。使用科学先进的方法实时的检测食品的新鲜程度是十分有必要的。本论文就是就新型纳米传感器与检测体系芯片的相配合实现对食物的检测。
关键词：食品新鲜度;监测体系
一、绪论
1.1 研究背景
1.1.1食品变质对大气环境的影响
鸡蛋、猪肉等富含蛋白质的食物，在微生物和酶的作用下，蛋白质分解成硫化物、有机胺、粪臭素和醛类，产生腐臭味。
碳水化合物类食物会分解产生单糖、双糖、醇、醛、有机酸等，产生酸腐味，污染室内外空气。
含油脂较多的食物腐败时，会有难闻刺鼻、苦味和麻味，俗称“哈喇味”，这些气体会排放到空气中从而污染大气。
1.1.2食品变质对水环境的影响
油脂含量较高的食品，在密闭空间容易发酵升温，产生大量甲烷气体，由于油脂极易氧化变质，这类食品在水中发生生化反应，产生一系列有害物质，从而污染水体，甚至导致水体富营养化[1]。
若大量未经处理的变质食物被随意排放，污水随地表径流流入周围水體，将对水体造成大面积污染。
1.1.3食品变质对人体健康的影响
人们若食用变质的食物，会导致食源性疾病，长期食用，还可能引发胃癌。另一方面，变质食物会引来蚊蝇、老鼠等病毒的传播媒介[2]。如果变质的餐厨垃圾未得到有效处理，被牲畜、家禽食用的话，容易使人和牲畜、家禽之间发生某些传染病的交叉传播。
1.2 国内外食品有害物质检测方法
1.2.1 国内食品有害物质检测方法
1.2.1.1 感官检验
感官检验是通过观察肉的颜色、状态、气味、粘度和弹性来确定肉的新鲜度。这种方法简单、快捷、方便，其结果接近消费者的判断标准，但这种方法具有主观性和片面性，很难得出准确的结论。
1.2.1.2 理化指标检验
理化检验的指标主要有挥发性盐基氮、pH值、硫化氢等。目前挥发性盐基氮被列入国家标准，可以有规律地反映出肉品的新鲜度变化，判断出不同肉品之间的新鲜度差异，但国家标准检测方法存在操作复杂、实验设备多、检测时间长等诸多问题，很难在现场快速检测。
1.2.1.3 近红外光谱技术
近红外光谱技术广泛应用于食物中氨基酸、蛋白质和脂肪的含量测定。近红外漫反射光谱可以快速分析肉品的新鲜度，且不会对食品造成损害，但预测精度、稳定性和检测范围有待进一步提高。
1.2.1.4 仿生技术
仿生技术是利用传感器阵列的模式识别技术，模拟人的视觉、嗅觉、味觉来检测食品的品质，具有实时性、快速性、准确性和无损性[3]，可以定量、定性地评价食品的颜色、气味、味道[4]。
1.2.2 国外食品有害物质检测方法
1.2.2.1 超声波检测技术
超声波检测技术是利用食品在超声作用下的衰减系数、吸收特性、传播速度、固有频率和声阻抗，在线检测食品成分、脂肪厚度和肌肉厚度的方法[5]。该方法适应性强、检测灵敏、使用灵活、对人体无害。
1.2.3 国内外检测方法优缺点的比较
表1.1 各检测方法的优缺点比较
1.3 研究目的与意义
所谓的食品的腐败变质，是指食品在一定的环境因素影响下，由微生物为主的多种因素作用下所发生的有害的变化，即造成其原有化学性质或物理性质和感官性状发生变化，降低或失去其营养价值和商品价值的过程。
在我们的日常生活中，在不同的时间、温度等环境条件下，食物的新鲜程度不同，当食物腐烂变质时，会产生一定量有害物质，当食物变质到严重程度，产生的有害物质也会随之增多，从而对环境和人体产生不利影响。
当我们食用到腐败变质的时候很容易对胃产生很是不好的效果，腐败变质的食品中常含有细菌分泌毒素和食品腐败后的产物，会干扰到人体的新陈代谢，影响人体组织的正常功能。腐败变质食品里面的微生物以及产生的有毒物质就是危害人体健康的罪魁祸首。腐败变质食品对人体的影响，吃后会发生食物中毒、肠炎、痢疾，表现为：恶心、呕吐、腹痛、腹泻，严重时还会危及到生命。例如：腐败水果中的展青霉素会使人的神经系统麻痹，还是肾衰竭的诱发因素，促使人早衰。有些霉变后的食品产生的毒素甚至有致癌的作用。
例如：
受潮发霉以后的花生、大米、玉米、坚果等食品产生的黄曲霉素，可引起发热、呕吐、黄疸、昏迷、痉挛，甚至急性中毒死亡，且黄曲霉素的耐热性高、具有极强的致癌性，尤其对肝脏的破坏力极强;
变质的鱼虾会被一些细菌、酵母菌等产生的酶类将其蛋白质进行分解，产生胺类、氨、硫化氢等有毒物质;
霉变后的甘蔗中产生毒真菌。主要损害中枢神经系统;
霉变后的自制发酵产品，如臭豆腐、豆瓣酱等，会致使肉毒梭状芽孢杆菌产生的肉毒毒素引起中毒。
部分霉变后的水果，人们会习惯性的将坏掉的地方切掉后再进行食用，其实，整个水果都已经变质了，只是暂时没有表现出腐烂的现象，食用时会感到口味苦，甚至出现恶心、呕吐等中毒现象;
如若食用下了此类食物，会严重危害到我们人类的生命健康。
因此，对不同环境条件下食品的有害物质进行科学的监测与分析，有利于人们及时了解食物的新鲜程度，避免食物变质。同时避免误食变质后的食物而导致身体方面的不适以及疾病。
二、食品有害物质监测体系的研究
2.1 监测体系应用场景
食品变质通常是由微生物的生长和繁殖活动引起的，外界环境是影响微生物生长活动的主要因素[9]。 第一，温度是影响微生物生长的因素之一，微生物生长的最适宜温度范围为16-30℃，最高温度为37-40℃，一般情况下，温度低于10℃时，微生物将无法继续生长。第二，含水量较高的环境更适合微生物的生长。第三，当空气充足时，食物容易腐败[10]。
因此，食品有害物质监测体系的应用场景设置为25℃和4℃的露天环境和密闭饭盒。
2.2监测体系设计原理
食物变质后会产生一些特殊物质，如肉类变质产生挥发性盐基氮，鱼虾类水产品变质产生挥发性盐基氮和有机胺。食物新鲜度越低，挥发性盐基氮、有机胺、硫化物的释放浓度越高。
监测体系将新型纳米传感器矩阵与实时时钟芯片相结合，形成浓度维度和时间维度共同监测的二维监测指标体系。不同的传感器组成传感器矩阵，可检测挥发性盐基氮、有机胺、硫化物的含量，实时时钟芯片记录时间，监测体系通过神经网络的指数公式计算后，通过LED屏显示指数数值反映食物的变质状况。
2.3 监测体系工作流程
监测体系中的各种气敏元件具有很高的灵敏性与识别性，当监测体系进入工作状态时，实时时钟芯片进行时间监测，传感器快速捕捉食物变质后散发的有害气体。
一方面，实时时钟芯片进行时间记录，当测得的时间达到平均变质时间，引起LED信号显示。另一方面，当气敏元件捕捉到有害气体时，气敏元件的电导发生改变，再通过系统内部的数据处理功能，判断释放的气体含量是否超过食品安全国家标准值，最后通过监测体系的指数公式计算，LED屏显示指数数值反映食物的变质状况。
2.4 監测体系应用硬件
监测体系由三部分组成，分别为气敏元件部分、程序控制部分、电源部分，将三部分组合后即为监测体系。
2.4.1 新型纳米传感器矩阵
新型纳米传感器矩阵由胺类物质传感器、硫化氢传感器、挥发性有机物传感器组成，纳米传感器体积小、灵敏度高，单个气敏元件尺寸为5*5*2mm。
2.4.2 监测体系芯片
程序控制部分中最主要的是Intel公司生产的Curie芯片，Curie芯片集成了一个 32 位 Quark 微控制器，并提供有 384kb 的闪存和 80kb 的 SRAM 内存，具有超低功耗特性，其尺寸为35*25*5mm。
程序控制及反馈区还有可调电阻模块、开关模块、LED模块等。由电源、程序控制及反馈区、传感器区组合即为监测体系。
2.4.3 新型纳米传感器性能
传感器阵列由不同气敏元件组成，这些气敏元件具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大，相当于初级嗅觉神经元。一般来说，气体传感器阵列可以由几个独立的气体传感器组成，它采用集成技术制造，体积小，功耗低，易于信号采集和处理。由于单个气敏传感器阵列的特性有质的区别，所以除了每个传感器和气敏传感器阵列的响应外，还可以用单个气敏传感器来表示气敏响应的强度，所有的传感器响应模式都形成在多维空间中，在一定的环境条件情况下，气体传感器阵列上各个传感器的响应模式与传感器所识别的气体一一对应，因此传感器能够识别到特定的气体[11]。
气体传感器阵列的选取利用了传感器“交叉敏感”的特性，确定了多维空间可以包含更多的系统信息，足够多的独立传感器可以提供足够的信息来表示气体环境[12]。
2.5 监测体系指数的研究
本课题研究的监测体系是由时间维度和传感器维度共同监测的双维度食品有害物质监测体系，因此评价指数体系，是一个二元的分段函数，自变量是储藏时间和传感器响应值，评价指数体系公式如式（3.1）所示：
监测体系内部的神经网络经过计算后，通过体系指数的数值结果对食品安全程度给出反馈。F（α）和F（t）分别是以传感器响应值和储存时间为自变量的两个函数，且函数值大于0。
通过实验研究，将某种食物在25℃或4℃对应的最长保鲜时间设定为限定时间，检测指标含量超过国家标准值时对应的传感器响应值设定为限定响应值。
当储存时间超过限定时间，或传感器响应值超过限定响应值时，指数N<60，表示食物变质;储存时间和传感器响应值都均未超过限定值时，指数60<N<100，表示食物安全。
三、结论
由此可见，对于食物的新鲜度检测，于环境亦或是于自身身体健康而言，时很有必要的。与传统的食物新鲜度检测相比，本课题有如下创新点：
（1）本课题首次搭建了由新型纳米传感器矩阵、实时时钟芯片和LED屏结合的食品有害物质监测体系。
（2）本课题首次应用胺类物质纳米传感器对食物新鲜程度进行检测。
（3）本课题首次设计了时间维度和传感器维度共同监测的双维度食品有害物质监测体系。
参考文献：
[1] 胡剑.食物的变质与保存[J].初中生学习指导，2019（20）：58-59.
[2] 袁建国.浅析食品腐败变质的危害及应对措施[J].科技传播，2011（14）：53-57.
[3] 陈锋.食品腐败变质的常见类型、危害及其控制[J].法制与社会，2010（13）：182-183.
[4] 容小翔.谨防变质食品对身体的危害[J].山东食品科技，2001（04）：12-13.
[5] 柳琦，涂郑禹，陈超，吴鹏.计算机视觉技术在食品品质检测中的应用[J].食品研究与开发，2020，41（16）：208-213.
[6] 苏亮，张磊，任鹏程，李志兴，王亚男，岑嶒，宿晨，刘兆平，周萍萍.食品中化学有害物质风险定量模型在计算机系统中的实现[J].中国食品卫生杂志，2020，32（03）：239-243.
[7] 岳振峰.食品中化学性有害物检测关键技术创新及应用[J].中国口岸科学技术，2020（06）：4-9.
[8] 杨玉凤，董庶军，窦晓.加强监测食品中有害元素含量很有必要[J].中国食品，2020（09）：122.
[9] 马冠生.关于“食物变质”，你应该知道这些[J].生命与灾害，2020（08）：40-42.
[10] 何若川.食品腐败变质的危害与对策[J].数码世界，2018（01）：159.
[11] Sophia Elisseeva， Caroline Kelly， Malco Cruz-Romero， et al. The use of optical oxygen sensing and respirometry to quantify the effects of antimicrobials on common food spoilage bacteria and food samples. 2020， 322
[12] An irreversible spoilage sensor for protein-based food.. 2020，
作者简介：
孙曦月，女，1997年11月，黑龙江省哈尔滨市，汉族，本科，环境工程。
通讯作者：郑力燕，女，1979年8月，天津人，汉族，博士，副教授，环境监测，南开大学滨海学院。
（天津市大学生创新创业训练计划项目 201913663013 ）
（南开大学滨海学院 天津 300270）
关键词：食品新鲜度;监测体系
一、绪论
1.1 研究背景
1.1.1食品变质对大气环境的影响
鸡蛋、猪肉等富含蛋白质的食物，在微生物和酶的作用下，蛋白质分解成硫化物、有机胺、粪臭素和醛类，产生腐臭味。
碳水化合物类食物会分解产生单糖、双糖、醇、醛、有机酸等，产生酸腐味，污染室内外空气。
含油脂较多的食物腐败时，会有难闻刺鼻、苦味和麻味，俗称“哈喇味”，这些气体会排放到空气中从而污染大气。
1.1.2食品变质对水环境的影响
油脂含量较高的食品，在密闭空间容易发酵升温，产生大量甲烷气体，由于油脂极易氧化变质，这类食品在水中发生生化反应，产生一系列有害物质，从而污染水体，甚至导致水体富营养化[1]。
若大量未经处理的变质食物被随意排放，污水随地表径流流入周围水體，将对水体造成大面积污染。
1.1.3食品变质对人体健康的影响
人们若食用变质的食物，会导致食源性疾病，长期食用，还可能引发胃癌。另一方面，变质食物会引来蚊蝇、老鼠等病毒的传播媒介[2]。如果变质的餐厨垃圾未得到有效处理，被牲畜、家禽食用的话，容易使人和牲畜、家禽之间发生某些传染病的交叉传播。
1.2 国内外食品有害物质检测方法
1.2.1 国内食品有害物质检测方法
1.2.1.1 感官检验
感官检验是通过观察肉的颜色、状态、气味、粘度和弹性来确定肉的新鲜度。这种方法简单、快捷、方便，其结果接近消费者的判断标准，但这种方法具有主观性和片面性，很难得出准确的结论。
1.2.1.2 理化指标检验
理化检验的指标主要有挥发性盐基氮、pH值、硫化氢等。目前挥发性盐基氮被列入国家标准，可以有规律地反映出肉品的新鲜度变化，判断出不同肉品之间的新鲜度差异，但国家标准检测方法存在操作复杂、实验设备多、检测时间长等诸多问题，很难在现场快速检测。
1.2.1.3 近红外光谱技术
近红外光谱技术广泛应用于食物中氨基酸、蛋白质和脂肪的含量测定。近红外漫反射光谱可以快速分析肉品的新鲜度，且不会对食品造成损害，但预测精度、稳定性和检测范围有待进一步提高。
1.2.1.4 仿生技术
仿生技术是利用传感器阵列的模式识别技术，模拟人的视觉、嗅觉、味觉来检测食品的品质，具有实时性、快速性、准确性和无损性[3]，可以定量、定性地评价食品的颜色、气味、味道[4]。
1.2.2 国外食品有害物质检测方法
1.2.2.1 超声波检测技术
超声波检测技术是利用食品在超声作用下的衰减系数、吸收特性、传播速度、固有频率和声阻抗，在线检测食品成分、脂肪厚度和肌肉厚度的方法[5]。该方法适应性强、检测灵敏、使用灵活、对人体无害。
1.2.3 国内外检测方法优缺点的比较
表1.1 各检测方法的优缺点比较
1.3 研究目的与意义
所谓的食品的腐败变质，是指食品在一定的环境因素影响下，由微生物为主的多种因素作用下所发生的有害的变化，即造成其原有化学性质或物理性质和感官性状发生变化，降低或失去其营养价值和商品价值的过程。
在我们的日常生活中，在不同的时间、温度等环境条件下，食物的新鲜程度不同，当食物腐烂变质时，会产生一定量有害物质，当食物变质到严重程度，产生的有害物质也会随之增多，从而对环境和人体产生不利影响。
当我们食用到腐败变质的时候很容易对胃产生很是不好的效果，腐败变质的食品中常含有细菌分泌毒素和食品腐败后的产物，会干扰到人体的新陈代谢，影响人体组织的正常功能。腐败变质食品里面的微生物以及产生的有毒物质就是危害人体健康的罪魁祸首。腐败变质食品对人体的影响，吃后会发生食物中毒、肠炎、痢疾，表现为：恶心、呕吐、腹痛、腹泻，严重时还会危及到生命。例如：腐败水果中的展青霉素会使人的神经系统麻痹，还是肾衰竭的诱发因素，促使人早衰。有些霉变后的食品产生的毒素甚至有致癌的作用。
例如：
受潮发霉以后的花生、大米、玉米、坚果等食品产生的黄曲霉素，可引起发热、呕吐、黄疸、昏迷、痉挛，甚至急性中毒死亡，且黄曲霉素的耐热性高、具有极强的致癌性，尤其对肝脏的破坏力极强;
变质的鱼虾会被一些细菌、酵母菌等产生的酶类将其蛋白质进行分解，产生胺类、氨、硫化氢等有毒物质;
霉变后的甘蔗中产生毒真菌。主要损害中枢神经系统;
霉变后的自制发酵产品，如臭豆腐、豆瓣酱等，会致使肉毒梭状芽孢杆菌产生的肉毒毒素引起中毒。
部分霉变后的水果，人们会习惯性的将坏掉的地方切掉后再进行食用，其实，整个水果都已经变质了，只是暂时没有表现出腐烂的现象，食用时会感到口味苦，甚至出现恶心、呕吐等中毒现象;
如若食用下了此类食物，会严重危害到我们人类的生命健康。
因此，对不同环境条件下食品的有害物质进行科学的监测与分析，有利于人们及时了解食物的新鲜程度，避免食物变质。同时避免误食变质后的食物而导致身体方面的不适以及疾病。
二、食品有害物质监测体系的研究
2.1 监测体系应用场景
食品变质通常是由微生物的生长和繁殖活动引起的，外界环境是影响微生物生长活动的主要因素[9]。 第一，温度是影响微生物生长的因素之一，微生物生长的最适宜温度范围为16-30℃，最高温度为37-40℃，一般情况下，温度低于10℃时，微生物将无法继续生长。第二，含水量较高的环境更适合微生物的生长。第三，当空气充足时，食物容易腐败[10]。
因此，食品有害物质监测体系的应用场景设置为25℃和4℃的露天环境和密闭饭盒。
2.2监测体系设计原理
食物变质后会产生一些特殊物质，如肉类变质产生挥发性盐基氮，鱼虾类水产品变质产生挥发性盐基氮和有机胺。食物新鲜度越低，挥发性盐基氮、有机胺、硫化物的释放浓度越高。
监测体系将新型纳米传感器矩阵与实时时钟芯片相结合，形成浓度维度和时间维度共同监测的二维监测指标体系。不同的传感器组成传感器矩阵，可检测挥发性盐基氮、有机胺、硫化物的含量，实时时钟芯片记录时间，监测体系通过神经网络的指数公式计算后，通过LED屏显示指数数值反映食物的变质状况。
2.3 监测体系工作流程
监测体系中的各种气敏元件具有很高的灵敏性与识别性，当监测体系进入工作状态时，实时时钟芯片进行时间监测，传感器快速捕捉食物变质后散发的有害气体。
一方面，实时时钟芯片进行时间记录，当测得的时间达到平均变质时间，引起LED信号显示。另一方面，当气敏元件捕捉到有害气体时，气敏元件的电导发生改变，再通过系统内部的数据处理功能，判断释放的气体含量是否超过食品安全国家标准值，最后通过监测体系的指数公式计算，LED屏显示指数数值反映食物的变质状况。
2.4 監测体系应用硬件
监测体系由三部分组成，分别为气敏元件部分、程序控制部分、电源部分，将三部分组合后即为监测体系。
2.4.1 新型纳米传感器矩阵
新型纳米传感器矩阵由胺类物质传感器、硫化氢传感器、挥发性有机物传感器组成，纳米传感器体积小、灵敏度高，单个气敏元件尺寸为5*5*2mm。
2.4.2 监测体系芯片
程序控制部分中最主要的是Intel公司生产的Curie芯片，Curie芯片集成了一个 32 位 Quark 微控制器，并提供有 384kb 的闪存和 80kb 的 SRAM 内存，具有超低功耗特性，其尺寸为35*25*5mm。
程序控制及反馈区还有可调电阻模块、开关模块、LED模块等。由电源、程序控制及反馈区、传感器区组合即为监测体系。
2.4.3 新型纳米传感器性能
传感器阵列由不同气敏元件组成，这些气敏元件具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大，相当于初级嗅觉神经元。一般来说，气体传感器阵列可以由几个独立的气体传感器组成，它采用集成技术制造，体积小，功耗低，易于信号采集和处理。由于单个气敏传感器阵列的特性有质的区别，所以除了每个传感器和气敏传感器阵列的响应外，还可以用单个气敏传感器来表示气敏响应的强度，所有的传感器响应模式都形成在多维空间中，在一定的环境条件情况下，气体传感器阵列上各个传感器的响应模式与传感器所识别的气体一一对应，因此传感器能够识别到特定的气体[11]。
气体传感器阵列的选取利用了传感器“交叉敏感”的特性，确定了多维空间可以包含更多的系统信息，足够多的独立传感器可以提供足够的信息来表示气体环境[12]。
2.5 监测体系指数的研究
本课题研究的监测体系是由时间维度和传感器维度共同监测的双维度食品有害物质监测体系，因此评价指数体系，是一个二元的分段函数，自变量是储藏时间和传感器响应值，评价指数体系公式如式（3.1）所示：
监测体系内部的神经网络经过计算后，通过体系指数的数值结果对食品安全程度给出反馈。F（α）和F（t）分别是以传感器响应值和储存时间为自变量的两个函数，且函数值大于0。
通过实验研究，将某种食物在25℃或4℃对应的最长保鲜时间设定为限定时间，检测指标含量超过国家标准值时对应的传感器响应值设定为限定响应值。
当储存时间超过限定时间，或传感器响应值超过限定响应值时，指数N<60，表示食物变质;储存时间和传感器响应值都均未超过限定值时，指数60<N<100，表示食物安全。
三、结论
由此可见，对于食物的新鲜度检测，于环境亦或是于自身身体健康而言，时很有必要的。与传统的食物新鲜度检测相比，本课题有如下创新点：
（1）本课题首次搭建了由新型纳米传感器矩阵、实时时钟芯片和LED屏结合的食品有害物质监测体系。
（2）本课题首次应用胺类物质纳米传感器对食物新鲜程度进行检测。
（3）本课题首次设计了时间维度和传感器维度共同监测的双维度食品有害物质监测体系。
参考文献：
[1] 胡剑.食物的变质与保存[J].初中生学习指导，2019（20）：58-59.
[2] 袁建国.浅析食品腐败变质的危害及应对措施[J].科技传播，2011（14）：53-57.
[3] 陈锋.食品腐败变质的常见类型、危害及其控制[J].法制与社会，2010（13）：182-183.
[4] 容小翔.谨防变质食品对身体的危害[J].山东食品科技，2001（04）：12-13.
[5] 柳琦，涂郑禹，陈超，吴鹏.计算机视觉技术在食品品质检测中的应用[J].食品研究与开发，2020，41（16）：208-213.
[6] 苏亮，张磊，任鹏程，李志兴，王亚男，岑嶒，宿晨，刘兆平，周萍萍.食品中化学有害物质风险定量模型在计算机系统中的实现[J].中国食品卫生杂志，2020，32（03）：239-243.
[7] 岳振峰.食品中化学性有害物检测关键技术创新及应用[J].中国口岸科学技术，2020（06）：4-9.
[8] 杨玉凤，董庶军，窦晓.加强监测食品中有害元素含量很有必要[J].中国食品，2020（09）：122.
[9] 马冠生.关于“食物变质”，你应该知道这些[J].生命与灾害，2020（08）：40-42.
[10] 何若川.食品腐败变质的危害与对策[J].数码世界，2018（01）：159.
[11] Sophia Elisseeva， Caroline Kelly， Malco Cruz-Romero， et al. The use of optical oxygen sensing and respirometry to quantify the effects of antimicrobials on common food spoilage bacteria and food samples. 2020， 322
[12] An irreversible spoilage sensor for protein-based food.. 2020，
作者简介：
孙曦月，女，1997年11月，黑龙江省哈尔滨市，汉族，本科，环境工程。
通讯作者：郑力燕，女，1979年8月，天津人，汉族，博士，副教授，环境监测，南开大学滨海学院。
（天津市大学生创新创业训练计划项目 201913663013 ）
（南开大学滨海学院 天津 300270）