成果介绍
研究现况：
乳品智能包装技术分为智能包装和活性包装，其中智能包装定义为监控包装内乳品状况或包装内环境的系统，而活性包装指包含材料、环境和乳品成份整体系统。常见的活性包装系统有水份调节系统、乙烯清理系统、抗菌活性包装和抗氧化剂系统等。常见的智能包装类型有指示器（时间-湿度指示器、新鲜度指示器）、化学传感、生物传感、以及数据载体（射频辨识标签和条码标签）等等。
图1.智能和活性乳品包装的分类及其特点
微流控技术是目前研究较多的智能包装之一，其中“微流控”是指将材料限制在微尺度通道（10-200μm），将流体工艺缩小到微尺度后流体的性质与其在宏观系统中有很大不同。目前智能系统面临多项问题（比如：成本高、材料复杂、安全性低、缺乏可回收性等），与微流控技术相结合有望解决部份现有技术困局。
1.微流控装置的工作原理
典型的微流控装置主要由微通道、微阀、引入器件、控制机构、微泵、反应器和混和器、分离通道、检测系统等微流控部件组成。主体系统主要由传感和执行器按照不同的功能要求组合而成。（1）在剖析前，流体样品须要进行预处理，主要通过集成手动化预处理模块来实现。常见方式有漂洗、预浓缩、萃取、堆积、过滤、细胞裂解、离心和洗脱等操作。（2）分离操作。快速分离微小颗粒在乳品和物理剖析中极其重要。分离操作可以分为主动模式（比如电泳、声泳和磁泳机制）、被动技术（过滤器、物理过滤）。一些常用的分离方式有：液相色谱法，毛细管电泳法，毛细管凝胶电泳法，色谱分离等技术。（3）微流控平台有多种测量方式可用于乳品和物理剖析产品包装技术，比如：光学测量法（萤光检查、间接萤光检查），(b)电物理测量（电压测量，伏安检查）等等。
2.微流控元件制造
微流控元件的制造方式多样，包括软光刻、注塑、离子刻蚀、湿法刻蚀、热压印、原位构造等。微型网路通道是微流控装置中的主要组件。一般，微通道的横截面形状为方形、正圆形、梯形或方形。目前，用于制造微流控装置的材料可分为：(a)无机材料（硅、玻璃、陶瓷等），(b)聚合物(i)聚酰亚胺聚合物（聚二苯基硅烷(PDMS)和SU-8光刻胶材料）和(ii)热塑性聚合物（聚羟基丙烯酸乙酯、聚碳香豆素、聚苯乙烯）。
3.微流控技术在智能乳品包装中的应用
目前，研究人员使用微流控方式对时间-气温指示器、临界气温指示器、食品病支原体传感和乳品质量检查器方面进行研究。在智能乳品包装系统中集成微流控设备在检测包装乳品的安全和质量方面具有巨大潜力。
图2.微流控装置在包装乳品中的应用
3.1活性乳品包装
在乳品包装中加入活性材料与周围环境和乳品成份互相作用，以调节乳品包装的内部环境条件，因而保持乳品安全和质量。常见的活性包装系统有温度控制剂、乙烯吸收剂、除氧剂、二氧化碳调节剂、抗菌剂和抗氧化剂等。近来，研究人员借助微流控纺纱技术制备出由芦笋葡甘露聚糖和银纳米颗粒组成的包装薄膜，显示出优异的抑菌活性、机械性能、热稳定性和疏水性。
3.2智能乳品包装
图3.用于乳品智能包装的传感分类
3.2.1时间-气温指示器
室温是决定产品保质期的关键诱因。对气温敏感的乳品而言，监控整个乳品供应链中的气温变化非常重要。湿度指标按照其功能分为时间-湿度指标（TTI）、临界湿度指标（CTI）和临界水温/时间指标。TTI基于时间和湿度变化而显示，通过乳品中的电物理、微生物或酶促反应所造成相关变化来响应。研究人员制造了一种基于微流控平台的时间-气温传感器装置，通过使用CAMEO切割机和热塑性薄膜压制而成。选择甾醇、辛酸和癸酸作指示气温为5、15和30°C的工作流体，白色颜料以提高可视化疗效。结果表明，该装置在气温波动时反应灵敏。
图4.时间-湿度指示器的设计和布置示意图
3.2.2乳品微生物传感
大肠链球菌、沙门氏菌、金红色猕猴桃杆菌等致病菌是造成食源性疾患暴发的常见病衣原体。为此，及时检测乳品中的微生物至关重要。乳品微生物传感应才能集成到产品包装中，在不破坏包装的情况下测量微生物质量，做到低成本、快速且灵敏。研究人员发明了一种手持式单次移液微流控装置，用于实时监测新鲜禽类包装中的鼠伤寒沙门氏菌。样品通过物理搅拌在微通道中扩散产品包装技术，并通过微流控传感检查后，采用米氏散射测量技术剖析，10分钟即可得出推论，具有良好的可再现性。
3.2.3乳品质量属性检查器
微流控装置可用于检测乳品各项特点，比如感官参数（香味、味道、颜色、质地）和营养价值（碳水化合物、蛋白质和脂肪、维生素、抗营养因子等）。近来，研究人员开发了一种用于快速检查果汁质量的微流控装置。研究人员将微流控系统用商用蜡复印在果汁包装的外表面上，并使用聚酯薄膜密封在纹样的外表面，以保护试剂免受外部污染。当滴加一滴果汁后，在纸中的微通道的毛细力驱动下与试剂容器进行显色反应，进而监测果汁质量。这也促使微流控纸基剖析设备成为目前的研究焦点。
图5.果汁盒与纸基微流控的集成系统
●创新性/应用前景
为了满足消费者需求，须要开发快速、灵敏、便携、方便且低成本的乳品包装设备。微流控技术近些年来发展迅速，早已被研究应用于微生物、重金属、过敏原、生物毒素、农药残留等检查中。相比于原始方式，微流控技术具有测定时间短、低帧率、低成本、高通量、多重检查等优势，然而因为乳品基质的多样性和复杂性，微流控武器制导致本高，无法广泛应用。未来随着技术的发展，微流控设备可以与智能手机、光学生物传感、电子生物传感、纳米生物传感等相结合，提升手动化程度并同时测定多项性能。
参考文献
insmartoffoods
文章链接
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