摘要：本文介绍了一种化学食品标签――时间-温度指示器的类型及其化学原理，展现了化学研究在日常生活中的新领域。 关键词：时间-温度指示器；反应速率；化学原理；应用
文章编号：1005－6629(2008)08－0045－03中图分类号：R155.5 文献标识码：E
随着社会生活质量的提高，人们越来越多地关心食品的营养健康及感官质量。但食品生产、运输、储存、销售等环节的时间损耗影响着食品品质。如何让消费者能够识别食品新鲜度并放心购买成为新的问题。新型化学食品标签――时间-温度指示器（Time-Temperature Indicators，TTIs）通过运用化学原理及方法对食品的储存时间和温度作出显示，供商家和消费者参考选择，是一种化学智能化包装标签，在现代食品的生产与销售中发挥了重要作用。
1时间-温度指示器简介
食品变质腐烂的原因主要是由于微生物作用和酶的催化作用，其本质就是食品发生了化学反应。而这些作用（即食品发生的化学反应程度）的强弱均是与温度紧密相关的。一般来讲，温度降低能使该作用减弱，从而达到阻止或延缓食品腐烂变质速度的目的[1]。因此，在某些易腐食品的生产销售环节中，对温度与时间都有相应标准。一旦超过标准，食品的品质就难以保证。TTIs依据一定时间和温度条件设计成一种结构简单、能记录时间-温度变化的仪器，并被制成标签贴在食品的外包装上。根据物理化学中阿仑尼乌斯动力方程公式：k=Aexp(-Ea/RT)，溶液中化学反应速率常数k随着温度T因温度升高而增大。当食品处在超过最高允许温度的环境时，标签中的化学溶液开始发生物理或化学的变化，其程度也随着时间的延长而加剧，并最终通过标签中溶液的状态或颜色改变等可视效果来显现，进而达到指示作用。
2时间-温度指示器的类型及化学原理
TTIs可以采用机械的、化学的或酶的等多种方法制成，通过机械变形，颜色显影或颜色变化移动等可视反应来显示[2]。其本质是运用了多种化学原理，根据工作时采用的不同的化学原理，TTIs可分为两种类型。
2.1溶液扩散型
根据布朗运动公式(如下式)， 物质的扩散速度随温度升高而加快。扩散型指示器正是基于这种特性设计的。它是由两片垫板组成的封闭盒体。盒体分为a和b两室。a室内贮藏脂肪酸酯和蓝色的邻苯二甲酸酯混合物。b室内有一条长的吸液芯带，吸液芯带可作为混合物扩散的轨道，两室间用聚酯膜层隔开。当温度高于聚酯膜的熔点时，隔膜就会熔化，指示器即被“激活”，蓝色的混合物沿着吸液芯带进行扩散。扩散程度随所处环境的温度和时间决定。人们通过观察指示器表面一横排透明小孔的颜色变化就能了解食品接触温度的历程和剩余保质期，如图1[3]所示。
2.2 pH-变色反应型
此类型指示器是通过食品前后所经历的温度和时间的变化导致TTIs溶液发生化学反应，进而使溶液的pH改变，产生颜色变化的效果来达到指示作用。
2.2.1聚合反应型
聚合反应型指示器是基于乙炔单体的聚合反应而设计的。其反应方程式可表示为：
此反应速率随着温度的升高而增大，导致指示器颜色不断加深，从而起到指示作用。见图2[4]所示，指示器由两个圆环组成，反应物包含在小的内圆环里；外环涂上深色作为内环的对比色。随着温度升高和反应时间增加，内环颜色逐渐变深。当内环颜色比外环颜色更深时，表明食品已不能食用。此类指示器激活方式比较简单，一旦接触温度高于保存温度时，即可被激活。因此，指示器在使用前必须一直保存在-18℃或更低的环境中。
2.2.2 酶反应型
酶反应型指示器是根据食品不同的腐败类型将不同类型的酶加入TTIs的反应溶液中，通过酶对温度的敏感性和高效催化作用使溶液发生化学反应并引起溶液pH的改变。其中，使用较多的一类为脂肪酶型，其反应方程式如下：
可以看出，酶的催化作用决定了反应速率即质子的释放速率，而酶反应的显著特点即对温度有特定的敏感性，在一定的温度区间内，温度越高，酶的催化作用就越强。食品所处环境到达临界温度后，酶开始随着温度的变化进行催化作用，反应放出质子，溶液的酸性逐渐增强，导致pH指示剂变色引起溶液颜色改变。通过颜色变化的程度可以推测出食品的新鲜程度和剩余保质期。通常指示器由两个隔开的小囊组成，一个囊中装入溶有脂肪酶的溶液，另一个囊中装有各种试剂的混合培养基溶液，溶液中加有pH指示剂。在食品包装时，隔开的小囊被挤破，培养基溶液与酶溶液进行充分混合。当温度超过临界值时，溶液中酶被激活并开始进行催化反应。随着反应的进行，溶液酸性逐渐增强，pH值下降导致溶液改变颜色，选用不同的pH指示剂会导致溶液颜色发生不同的改变。通过对比包装上的比色卡，消费者能了解此食品的新鲜程度。这种指示器使用起来比较方便，可以被制成标签固定在货架上的散装包装袋表面或者安放在产品的外包装箱里。
表1[5]介绍的是一种脂肪酶型TTIs溶液的化学成分，其酶催化反应可表示为：d[A]/dt=-ka・[A]。式中[A]是培养基溶液（mmol/L）的浓度， ka是反应速率常数（mmol/L・min）， t是反应时间，即食品经历的储存时间。培养基溶液酸度即反应体系的pH，2.5mmol的脂肪酸就可以将表1中的溶液pH从8降到7，进而使pH指示剂改变颜色。
表1 TTIs（脂肪酶型）的化学成分
3 化学食品标签的生活意义
对于大多数食品来说，其腐坏原因主要是储存环境温度过高或存放时间过长而导致的食品变质。正是基于对这些原因的深入了解和研究，化学方法和技术在TTIs技术的开发中成为新宠。化学动力学方程式、高分子聚合膜、缓冲剂、pH指示剂等等，在TTIs的开发中大显身手。从TTIs的工作原理到其使用的材料和试剂，都源自化学科学。可以说，TTIs技术的开发与应用，是化学给予人类的又一贡献，也是化学提高人们生活水平的又一见证。
对于食品生产销售中诸多不确定因素，开发一种监测食品品质的仪器十分必要。TTIs作为食品质量监控器，能真实反映食品的品质变化，有助于保持食品质量水平的稳定状态，在食品监管与消费体系中发挥了重要的作用，其应用领域也越来越宽泛。从冷藏肉类到奶酪、咖啡，TTIs标签为商家和消费者储存和选购行为提供了重要的参考依据。近十年来，西方发达国家在TTIs的设计、开发和应用上方兴未艾，逐渐形成了食品储存和销售的产业链。TTIs技术的兴起与应用，已经带动化学工业研究开辟新的领域。
参考文献:
[1]、[2]、[3]、[4]谷雪莲，肖洪海等. 食品冷藏链中时间-温度指示器的意义及现状[J].食品科技，2002（12）：43-45.
[5] S. H. Yoon, C. H. Lee, et al. Time-Temperature Indicator using phospholipid-Phospholipase System and Application to Storage of Frozen Pork[J]. Journal of Food Science. 1994（3）:490.
[6]European Chemical Industry Council.Active indicators.2008-2-29.http://www.省略/Templates/shwNewsFull.asp?HID=1&NSID=562.
[7]傅献彩，沈文霞，姚天扬.物理化学（第四版）下册[M].北京：高等教育出版社，1990：742-746，998-999.
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