除了“闻、尝、看”三件套，还能怎么知道食物变质了？
除了“闻、尝、看”三件套，还能怎么知道食物变质了？
随着夏季的到来，食物更容易变质。传统的"一看二闻"方法虽然有效，但有时难以准确判断。近日，土耳其科奇大学开发出一种新型传感器，能够实时监测肉类是否变质，这为食品安全检测带来了新的解决方案。
难辨别是否变质的椰子水 图源：小红书@丹麦小可爱
误食变质食物可能导致呕吐、腹泻等症状，严重时甚至会引发食物中毒。因此，准确判断食物是否变质至关重要。近日，土耳其科奇大学机械工程系Levent Beker团队开发出能监测肉质是否变质的传感器，或许未来我们再也不用"亲身试毒"了。
食物为什么会变质？
首先，我们先了解下食物变质的原理。
食物变质是指食物在储存或加工过程中发生不可逆的质量下降，失去可食用性或安全性的过程。
导致食物变质的主要有以下几个原因：
- 微生物生长：微生物（比如细菌、霉菌和酵母）是食物变质的主要原因之一。它们可以通过空气、水、土壤、人员或工具等途径进入食物，并在适宜的环境条件下生长和繁殖，微生物会分解食物中的营养物质，产生有害的代谢产物，引起腐败和变质。
图源：龙泉新闻
- 氧化反应：指食物与氧气接触时发生的化学反应。氧气可以导致食物中的脂肪、维生素和其他营养物质氧化，导致质量下降和味道变坏。这种反应在暴露于空气或受热、光照等因素影响时尤其常见。
图源：sohu.com
酶活性：食物中的天然酶或细菌酶可以分解食物的营养成分。例如，酶可以使水果变软，肉类变嫩，但过量的酶活性也会导致食物变质。
环境因素：环境条件如温度高、湿度大和光照也会促使食物变质。高温和高湿度提供了理想的生长环境，促进了微生物的繁殖。光照也可以引起食物中某些化学物质的降解和质量变化。
如何辨别食物腐败变质？
在我们的日常生活中，可以使用"观察外观"和"嗅闻气味"的方法来检测家里的食物是否已经变质。
当食物变质时，通常会在外观上出现一些变化，例如颜色改变、失去光泽、出现霉斑或者拉丝现象。固体食物的质地可能会变软或变得粘稠，而液体食物可能会变得浑浊。
发臭变质的肉
图源：sohu.com
变质食物通常会释放出各种令人不愉快的气味，例如蛋白质含量较高的肉类、鱼虾和蛋类食物变质后会产生腐臭味，而食用油和富含油脂的食物变质后可能会有酸臭味。碳水化合物含量较高的粮食、蔬菜和水果变质时可能会散发出酸味或发酵味，而霉变的粮食会散发霉味。
气味是一个相对敏感的指标，通过嗅闻气味通常可以及时判断食物是否已经轻微变质。
土耳其科奇大学机械工程系Levent Beker团队开发出的4平方厘米的微型传感器，通过与智能手机连接进行食物品质分析。
手机监测应用（左）无线传感器（右）示意图（不代表实际操作和数据） 图源：nature.com
研究人员将无线传感器嵌入到鸡肉和牛肉的包装中，在不同的储存条件下，使用传感器从肉类样本中连续读取的数据监测肉品变质情况。
该传感器基于苯乙烯-马来酸酐共聚物（PSMA），通过检测挥发性生物胺的浓度，来判断食物是否变质。PSMA是一种化学物质，其中的马来酸酐会和挥发性生物胺发生化学反应，导致电极的电感发生变化从而得知食物变质情况。
生物胺是由富含蛋白质的食品中的酰胺基团由于腐败过程中的微生物活动而脱羧产生的，这使得生物胺成为监测食品腐败的重要生物标志物，尤其是富含蛋白质的食品。
该传感器重约2克，面积为4平方厘米。它由层压在叉指电极 (IDE)上的胺响应聚合物组成，两者的间隙约150微米，该间隙用于耦合到天线（Antenna）的电容传感器和用于测量和无线数据传输的芯片(NFC)。
一旦马来酸酐与挥发性生物胺反应，其化学结构就会发生变化，介电常数因而发生变化。一旦兼容近场通信 (NFC)的手机靠近传感器放置，芯片接收电源，测量IDE的电容并传输测量数据无线传输至手机，可快速识别食物状况。
图源：nature.com
NFC名字听起来高大上，很有科技感，但实际上这项技术已经应用在我们生活中的方方面面，比如用手机刷开地铁的闸机，学生卡刷开校门等等。
为了演示现实生活中的应用，该无线传感器被嵌入到包装好的鸡肉和牛肉中，使用传感器在各种储存条件下连续获取肉类样品的读数，以检测腐败情况。结果发现在第三天，储存在室温下的样品的传感器输出发生了近 700% 的变化，但储存在冰箱中的样品显示，传感器输出的变化微乎其微。
这个提醒我们，食物保存在冰箱能够有效防止食物腐败。
智能冰箱也能监测食物是否变质了？
随着科技的发展，冰箱也变得越来越智能，甚至一些冰箱宣传称可以检测冰箱内的食物是否变质。根据新闻报道，智能冰箱通过传感器可以24小时监测冰箱内的气味，一旦监测到食物散发出异味，立即通过手机发出预警，并自动开启除菌净味功能，除菌率高达99.99%。
图源：eet-china.com
没错，当前推出的智能冰箱的核心功能就在食物气味检测，比如挥发性有机化合物，就是用于检测食物变质的一个指标。
因此，该冰箱利用高精度传感器和人工智能，采集并分析冰箱中的气体数据。首先，通过采集新鲜和腐烂食物附近的气体样本，建立不同的组合模型来检测既定空气样本中的挥发性有机化合物。通过对大量数据进行分类，并将其应用于人工智能模型开发，从而训练传感器识别食物上明显的细菌生长迹象。一旦传感器训练完成，最终的轻量级人工智能代码将在客户终端产品的系统微控制器上运行，以实现系统控制和管理任务。
智能冰箱和微型传感器的监测原理有何不同？
从原理上来说，智能冰箱检测食物变质和上文提到的微型传感器检测食物变质是一样的，都是基于食物变质后产生的气体。具体有以下几种区别：
检测的气体种类有差别，导致应用的范围不一样。微型传感器主要是检测挥发性生物胺的浓度，智能冰箱检测的范围更广一些，是挥发性的有机化合物，所以微型传感器的应用主要是肉类等高蛋白食品，而智能冰箱检测的范围更广，包含了水果和蔬菜。
使用寿命不同。微型传感器属于一次性的消耗品，因为它是基于表面的化学材料和变质食物挥发产生的气体之间的化学反应，来告诉用户食物是否变质。而智能冰箱的传感器可以重复使用，持续记录数据，方便对采集到的数据，利用人工智能进行建模开发，以便进一步提升传感器的准确度。
通知用户的方式不同。微型传感器使用NFC，这是近距离通信，需要用户在传感器附近才能接收消息。智能冰箱应该使用的是互联网的智能终端，可以通过网络来通知用户，无论用户在哪里，都可以接收到食物变质的通知。
我们期待随着技术的进步，冰箱将变得越来越智能，让我们的生活更便捷。
参考文献
Miniaturized wireless sensor enables real-time monitoring of food spoilage，https://www.nature.com/articles/s43016-023-00750-9
作者：尹广水，洛桑联邦理工学院通信系统在读硕士
编辑：一人白
鸣谢：上海宝信软件股份有限公司 人工智能研究所 沈春锋博士、中科院分子细胞科学卓越创新中心 胡志国博士为本文提供科学指导