《Food Packaging and Shelf Life》：Monitoring the freshness change of stored Pacific whiteleg shrimp through inkjet-printed composite indicator coupled with artificial neural network
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开发喷墨打印三色复合指示剂实时监测白对虾冷藏9天新鲜度，颜色变化与pH、TVB-N、脂质氧化产物及微生物总数显著相关，人工神经网络模型预测精度达R2>0.85。
公天禧|韩振宇|罗晓宇
食品科学与技术专业，生命科学系，北京师范大学-香港浸会大学联合学院，中国广东省珠海市519087
摘要
太平洋白腿虾（Litopenaeus vannamei）是中国大湾区珠海市及其他地区广泛生产的重要水产品。由于其产后储存过程中易变质，质量会随时间显著下降，从而导致渔业潜在的经济损失和食物浪费。因此，开发一种实时监测虾新鲜度变化的方法具有重要意义。在本研究中，我们开发了一种喷墨打印复合指示剂，该方法基于将三种预先配制的墨水（溴甲酚紫、靛胭脂红和还原靛胭脂红）打印在相纸上。这种颜色响应指示剂被应用于包装内部，用于监测在4°C下储存9天的白腿虾的新鲜度变化，并同时进行化学和微生物分析以评估虾的质量。观察发现，指示剂在储存过程中的颜色变化与虾的质量参数（包括pH值、总挥发性碱性氮（TVB-N）、总微生物计数和脂质氧化产物）密切相关。通过对指示剂的颜色响应图像进行处理后，构建了人工神经网络（ANN）模型，显示出很强的预测能力，尤其是对于pH值和过氧化值的预测准确率超过0.85。这些积极的结果表明，所开发的比色指示剂结合ANN可以成为一种潜在的非破坏性方法，用于实时评估虾的新鲜度，也可能适用于具有类似变质机制的其他鱼类和贝类产品。
引言
水产养殖是仅次于农业的第二大食品生产领域，海鲜通常被认为是富含不饱和脂肪和氨基酸的高质量蛋白质来源。太平洋白腿虾（Litopenaeus vannamei）是珠海市和中国大湾区地区的代表性海鲜产品之一。由于幼体存活率高、生长周期短、耐高密度养殖以及饲料中蛋白质需求低，这些虾被广泛养殖（Dai等人，2023年；Dayalan等人，2022年）。与其他水产品类似，由于高水分活度、中性pH值和丰富的营养成分，太平洋白腿虾极易变质，这些因素都促进了酶促降解反应和微生物生长（Das和Mishra，2023年；Gram和Huss，1996年）。虾收获后质量下降立即开始。在储存的虾样本中，新鲜度变化的机制主要包括酶促自溶、氧化反应和微生物生长（Peng等人，2022年；Yu等人，2020年）。这些变质反应会通过虾的颜色、质地、多汁性和不良风味化合物的产生逐渐表现出来。典型的变质指示气体三甲胺（TMA）是一种重要的化学代谢物，可以通过分析方法直接测定，或者通过总挥发性碱性氮（TVB-N）的评估来间接反映（Esposito等人，2018年；Liang等人，2025年）。
在海鲜行业中，可以通过两种主要方法评估产品的新鲜度：描述性感官分析或破坏性化学分析。由于这两种方法耗时且劳动强度大，因此一种非破坏性的快速评估方法非常有价值。一种可能的解决方案是开发和应用比色指示剂，将其作为智能包装组件（Luo等人，2021年；Luo等人，2022年）。最近的一些研究记录了将化学响应性色素成功用作指示剂，以揭示肉类和海鲜在长时间储存过程中的质量损失。例如，Mehrzad等人（2024年）开发了一种基于丝网印刷的天然食品色素指示剂来监测虾的保质期，而Kim等人（2023年）制备了一种比色指示剂，通过将溴甲酚蓝和溴甲酚绿的混合色素溶液涂覆在工业滤纸上来显示鱼的新鲜度。Sohrabi等人（2024年）的研究中，使用负载有花青素的壳聚糖和淀粉纳米颗粒的气凝胶，在冷藏条件下储存9天的绞碎牛肉显示出明显的颜色变化，以此指示其质量下降。类似地，其他研究展示了将花瓣花青素封装在聚合物材料中以监测储存的银鲤和虹鳟鱼片质量下降的潜力（Asadi等人，2025年；Fakhrghasemi等人，2025年）。另一项最新研究开发了一种含有甜菜根皮提取物的智能包装膜，其在应用到储存的虾样本上时，会根据pH值的变化从粉红色变为黄色，从而显示新鲜度的下降（Thakur等人，2024年）。
喷墨打印是一种非接触式数字打印技术，广泛应用于艺术、纺织、汽车和包装等行业。与传统食品包装行业的打印方法相比，喷墨打印在多种材料表面上沉积墨水的效率更高，同时保持了高精度（Luo，2022年；Robertson，2016年）。因此，当需要预先配制液体溶液或悬浮混合物时，喷墨打印可以成为制造指示剂或传感器的有前景的方法（Liu等人，2025年；Luo，2022年）。我们之前的研究已经证明了这种可行性。例如，我们首先通过压电喷墨打印制备了合成pH指示剂墨水，并确认了其对挥发性胺类物质的强敏感性以及新鲜度指示能力（Luo和Lim，2020年；Luo等人，2021年）。在最近的一项研究中，我们还尝试使用从水果废弃物中提取的天然色素开发比色指示剂。从Kyoho葡萄和红皮菠萝蜜果皮中提取的喷墨打印色素对各种食品变质气体显示出可检测的颜色响应（Gong和Luo，2025年）。
近年来，人工智能（AI）发展迅速，其应用范围可能扩展到包装行业，如智能包装（Abekoon等人，2024年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2025年）。不同的机器学习和深度学习算法可以与数据载体、条形码和传感器的开发相结合（Jia等人，2025年；Jyoti等人，2025年）。对于比色指示剂而言，颜色响应数据可以被训练并用于关联和预测关键的食物质量参数。例如，Ghorbanizamani（2025年）记录了手机拍摄的指示剂在鸡肉储存过程中的颜色变化，并确定了组胺随时间的变化，从而建立了用于变质指示的人工神经网络（ANN）模型。研究表明，手机成像和ANN建模的结合为实时食品质量监测提供了一种经济有效的方法。同样，Rezende-de-Souza等人（2022年）也成功地将鱼的颜色变化与TVB-N的增加通过预测性ANN模型联系起来，展示了更快更绿色的新鲜度检测方法。
本研究是我们之前关于使用喷墨打印比色指示剂检测食品变质气体（包括氨、TMA和乙酸）的研究的延续（Gong和Luo，2025年）。本工作的创新之处在于采用了压电喷墨打印来开发复杂的指示剂图案，并结合了ANN模型，以更准确地预测基于指示剂颜色变化的虾的质量变化。与文献中的其他智能包装材料相比，这种方法可以大大减少工作量，并提高指示剂开发和新鲜度指示的精度。具体来说，在本研究中，我们通过压电喷墨打印了三种配制的墨水（溴甲酚紫、靛胭脂红和还原靛胭脂红），制备了一种复合比色指示剂。该指示剂被放置在包装内部，以展示在冷藏条件下储存9天的太平洋白腿虾的潜在颜色变化。确定了虾变质过程中的关键因素，包括pH值、总滴定酸度、TVB-N、脂质氧化产物和微生物生长的变化。构建了ANN模型来研究颜色响应对不同变质参数的预测性能。
材料
溴甲酚紫（≥98%）和靛胭脂红（≥96%）购自上海麦克林生化有限公司（中国上海华通）。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）容器（100毫升，带盖）购自成达化工有限公司（中国宁波）。一次性营养琼脂培养基和磷酸盐缓冲液购自湖南比克曼生物技术有限公司（中国常德）。丙二醛（MDA）测试试剂盒S0131S由Beyotime生物技术有限公司提供。
可打印墨水评估
表1显示了所配制指示剂墨水的物理性质和相应的Z值。由于用于墨水配制的溶剂主要是水，因此墨水的密度和表面张力与水相似。所有三种开发的墨水都表现出近似牛顿流体的特性。有趣的是，尽管在实际打印过程中这些配制的墨水能够顺利从打印机中喷出，但Z值略超出1到10的稳定可打印墨水范围。结论
在本研究中，我们开发了一种喷墨打印的复合比色指示剂，可实现AI集成式的非破坏性监测冷藏储存期间太平洋白腿虾的变质情况。这种渐变颜色的指示剂在4°C下储存9天的虾显示出显著且可检测的颜色变化，颜色参数的变化与关键质量参数（包括pH值、TVB-N、脂质氧化产物和常见海鲜成分）的变化密切相关。
CRediT作者贡献声明
公天禧：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理。罗晓宇：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。韩振宇：撰写——原始草稿、正式分析、数据管理。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32350410396）和北京师范大学-香港浸会大学联合学院，珠海（项目代码：UICR0300025）的研究资助。
