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智能标签 让你远离变质食品

食品、饮料、化妆品……这些产品在保质期内的最后几天,扔还是用?这是个问题。


有营养学家指出,保质期的定义是“产品在正常条件下的质量保证期限”,这意味着,在保质期内商家对产品的质量负责,但保质期不等于最后可使用时间。比如大米、咖啡等食品,在保质期过后,从安全性角度仍是可以食用的。


中科院院士、北京大学化学与分子工程学院教授严纯华并不这么认为:“绝大多数情况下,产品包装上所标示的保质期是在‘该产品在运输、储藏、销售过程中始终在适当条件下(如适当温度和湿度、封装无破损、产品无污染等)保存’这一前提下估算得到的。由于产品在这些过程中不可避免地经历温度等的变化——特别是疫苗等医疗用品更是如此,产品包装上所标示的保质期并不具有充分的可信度,这可能会对公众健康产生威胁。”


两种观点针锋相对,但有一点双方达成共识:保质期并不是认定食物是否变质的唯一标准。这反而让纠结于“扔还是用”的朋友们更加迷茫:我们该如何判断是否变质?


严纯华等人主导的“变色智能标签”相关研究,提出了一个解决方案。


这是一款据称“可指示易变质包装产品实时质量”的“变色智能标签”,研究人员巧妙地利用化学中常见的变色反应,实时地指示包装产品的质量。


研究人员对标签做了什么“手脚”?


严纯华以牛奶中的大肠杆菌繁殖为例,对《中国科学报》记者介绍说,在通常温度范围内(0℃~35℃),大肠杆菌的繁殖速率随温度升高而加快;类似地,大多数化学反应的速率亦随温度升高而加快。如果能找到某个特定化学反应,使它在各个温度下的反应速率与大肠杆菌繁殖速率均吻合,则两者在数学上等价。


“因此,若以此化学反应制备一种智能标签,在牛奶等易变质产品出厂时将标签绑定在包装盒上——这可以保证两者经历相同的温度历程,即可用标签中的化学反应跟踪、模拟进而指示产品的质量变化过程。”严纯华说,此外,为方便读出相关信息,宜选用随时间变色的化学反应。


也就是说,设计智能标签依据的是,牛奶变质过程与标签变色过程在任意温度下均同步。


为了寻找标签材料,研究人员选定了“金纳米棒外延银壳生长”这一化学反应。据介绍,金纳米棒水溶液呈红色,向其中引入银源(硝酸银)及还原剂(维生素c)后,生成的单质银会沉积在金纳米棒表面,形成“核壳结构”(由一种纳米材料——如银微粒,通过化学键或其他作用力将另一种纳米材料包覆起来形成的纳米尺度的有序组装结构)。而随着“银壳”厚度增加,溶液会由红色依次变为橙色、黄色、绿色甚至蓝色、紫色。


严纯华告诉记者,室温条件下,这一化学反应的过程所需的时间可在数分钟到数月(甚至更长)范围内调节。此外,研究人员还找到了简便易行的办法,可调节该反应对温度变化的敏感程度(即表观活化能,其表观活化能可在50~190kj/mol甚至更宽的范围内调节)。


“这些参数范围涵盖了绝大多数易变质产品的变质动力学参数,因而可以跟踪、模拟并指示绝大多数易变质产品的实时质量状况。”严纯华介绍说,研究人员以大肠杆菌为例,已在多个温度下实现了食品变质与标签变色的同步化,“这有望实现在任何时刻,由标签颜色即可反推出产品质量,甚至无须打开产品包装。”


严纯华、副教授孙聆东课题组与同学院的陈兴研究员课题组以及香港中文大学物理系王建方课题组合作完成了这项研究。该项研究一经在2014年第247届美国化学会春季大会暨博览会上报告,就受到了学术界、产业界、媒体和公众的广泛关注。据透露,尽管迄今为止该项研究的后续工作仍在进行中,但已有多家国外著名企业来电来函咨询相关成果,并商谈产业化合作。


记者了解到,此前已有一些技术致力于解决易变质食品质量监测的问题,比如采用数据记录器跟踪并记录产品所经历的温度变化。这些技术往往成本较高,且难以完全覆盖产品“从生产商到消费者”的整个过程,而且消费者很难直观读取其中所记录的信息。


相比较而言,“变色智能标签”性能更可靠,安全性高,并且其原料也并无毒副作用。严纯华对它的产品化充满希望:“这款标签有望将目前的产品质量监控范围拓展到‘从生产商到消费者’的所有环节,并将监控精度推进到单个包装水平,具有很高的潜在应用价值。”

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