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福建農林大學魏萱/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、溫度變化和運輸振動的影響,貯存過程中產生了大量(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化運輸和儲存環境、減少食品損失具有重要意義。但是,在食品運輸和儲存過程中,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,與昂貴和復雜的檢測方法如微生物細胞計數、拉曼效應、光譜和質譜法相比,降低經濟成本和保持檢測設備的靈敏度十分重要。因此,開發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,福建農林大學機電工程學院魏萱副教授、食品科學學院龐杰研究員與土木與交通工程學院吳淑一副教授ACS Applied Materials & Interfaces上發表了三維骨架結構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莓花青素膜隨pH值改變的顏色變化,檢測包裝內部膨脹、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構與制備


  通過微流體氣噴紡絲設備構建MXene增強導電三維骨架結構的柔性壓力傳感器。通過生物質材料魔芋葡甘聚糖、殼聚糖和藍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合制備多功能傳感器用于運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)傳感器的光學圖像及包裝壓力和食物新鮮度檢測。(b) MXene/APU纖維網絡的制備。(c)三維骨架結構多功能傳感器。

2.壓力傳感器的作用機制與應用


  通過有限元模擬纖維和水凝膠膜結構在不同壓縮位移載荷下的應力和應變分布隨著壓縮量的提高,纖維的形變量明顯變大,對應的導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,適用于區分不同材料表面形態記錄脈沖、測量關節運動和檢測喉部振動(圖3)。 


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

3. 柔性傳感器的性能及應用。(a) APUMXene/APU的導電性測試。(b)柔性傳感器在5 g重壓下的響應和恢復時間。(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


  傳感器能夠區分在運輸過程中包裝袋內部膨脹受到外部擠壓情況下的電信號(圖4食物在變質過程中產生的堿性氣體引起傳感器電阻變化;花色苷的酚類結構在堿性環境中發生變化,導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。通過測量總揮發性鹽基氮,揭示傳感器信號與豬肉新鮮度的定量關系(圖5 


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

5多功能傳感器在豬肉貯藏中的應用。(a)傳感器應用的光學圖像。在貯存期間豬肉總揮發性鹽基氮濃度和(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;通過生物水凝膠膜顏色隨pH值的變化表征含蛋白質食品新鮮度。在未來,該裝置可促進食品產業相關研究,如提供運輸過程中包裝外部振動和食品新鮮度之間的關系,這是優化運輸和儲存條件重要基礎。


  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,福建農林大學機電工程學院;龐杰,福建農林大學食品科學學院;吳淑一,福建農林大學土木與交通工程學院

  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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(責任編輯:xu)
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