بررسی حسگرهای زمان-دما در بسته بندی هوشمند

ماندگاری بسیاری از محصولات غذایی به تغییرات دما بسیار حساس است، که یکی از دلایل اصلی زوال و زیان اقتصادی در این محصولات فساد پذیر در طول حمل و نقل، جابجایی، توزیع، ذخیره سازی و مصرف است.
برای محدود‌ کردن رشد میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا یا تشکیل سم برای اکثر محصولات فاسد شدنی در رژیم غذایی ما و شامل طیف گسترده‌ای از غذاهای طبیعی، فرآوری شده، خام و پخته شده با منشاء حیوانی و گیاهی، FDA این غذاها را به عنوان TCS (کنترل زمان و دما برای ایمنی) تعریف کرده است. غذاهایی که برای اطمینان از کیفیت و ایمنی آنها به زمان و کنترل دما نیاز دارند (FDA، 2013).
با این حال، نوسانات و شوک‌های دمایی کنترل نشده تقریباً برای همه کالاها در سراسر زنجیره تامین اجتناب ناپذیر است و چنین نوساناتی ممکن است مصرف کنندگان را به قضاوت نادرست در مورد تاریخ فروش یا تاریخ مصرف محصولات بر اساس برچسب ایده‌آل تاریخ انقضاء روی محصول سوق دهد.
بسته بندی بر اساس نظارت بر دما و در نظر گرفتن زمان برای ارائه اطلاعات لازم در مورد کیفیت و ایمنی مواد غذایی در طول فرآیند گردش مواد غذایی به مصرف کنندگان حیاتی است.
برای پرداختن به این موضوع، حسگرهای زمان-دما برای نظارت بر تغییرات وابسته به زمان و دما در کیفیت و یا ایمنی محصول توسعه یافته‌اند. حسگرهای زمان-دما معمولاً نشانگرهای غیرمستقیم هستند و معمولاً در صنایع غذایی استفاده می‌شوند زیرا در مقایسه با سایر دستگاه‌های نظارت بر دما نسبتاً کوچک، مقرون به صرفه و کاربر پسند هستند.

 

دسته بندی حسگرهای زمان-دما در بسته بندی هوشمند

حسگرهای زمان-دما به طور کلی به بسته‌های مصرف کننده یا کانتینرهای حمل و نقل جداگانه متصل می‌شوند و می‌توان آنها را بر اساس قابلیت هایشان به سه نوع طبقه بندی کرد:
(1) نشانگرهای دمایی بحرانی (اینها فقط نشان می دهند که آیا یک محصول در معرض دمای بالاتر یا گاهی کمتر از دمای مرجع قرار گرفته است).
(2) حسگرهای زمان-دما بحرانی (اینها نشان دهنده اثر تجمعی تغییرات زمان-دمای روی کیفیت یا ایمنی محصول زمانی است که یک محصول در معرض دمای بالاتر از دمای مرجع قرار گرفته است).
(3) نشانگرهای تاریخچه کامل (نظارت مداوم بر نحوه تغییر دما با زمان در طول تاریخچه محصول).

اصول کار پایه نشانگرهای زمان-دما

اصول کار پایه حسگرهای زمان-دما شناسایی پاسخ‌های برگشت ناپذیر در قالب تغییرات آنزیمی، الکترونیکی، شیمیایی، نانوذراتی یا بیولوژیکی پس از قرار گرفتن محصول در معرض دمای بالاتر است.

حسگرهای زمان-دما مبتنی بر الکترونیک

حسگرهای زمان-دما مبتنی بر الکترونیک به عنوان یک دستگاه الکترونیکی تعریف می‌شوند که می‌تواند با استفاده از یک حسگر حرارتی که سیگنال‌های دما را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، هشداری در مورد کیفیت یک محصول ارائه دهد و پس از آن سیگنال‌های الکتریکی را به یک خروجی بصری نهایی تبدیل می‌کند.
از آنجایی که دستگاه‌های خواندنی برای حسگرهای زمان-دما مبتنی بر الکترونیک پیچیده و تخصصی هستند، این نوع حسگرهای زمان-دما عموماً گران و ناخوشایند هستند یا ممکن است نیاز به آموزش از سوی مصرف‌کنندگان داشته باشند که منجر به کاهش پذیرش بازار (توسط تولید کننده محصول، مصرف کننده و خرده فروش) و دامنه کاربردهای تجاری را محدود می‌کند.
با این حال، در مقایسه با سایر انواع حسگرهای زمان-دما، حسگرهای مبتنی بر الکترونیک دقت نسبتا بالایی دارند و به طور کلی فناوری های برتر برای نظارت و ثبت تاریخچه حرارتی یک محصول هستند. علاوه بر این، بیشتر انواع حسگرهای زمان-دما الکترونیکی، سازگار با محیط زیست هستند و می‌توانند بازیافت شوند.
با توسعه حسگرهای مبتنی بر الکترونیک، برخی از حسگرهای زمان-دما الکترونیکی جدید اختراع شده‌اند که برای انجام آزمایش نیازی به دستگاه‌های خواندنی حرفه‌ای یا پرسنل آموزش دیده ندارند. این فناوری، راحتی بیشتری را برای مصرف کنندگان فراهم می‌کند و تقاضای بازار برای بسته بندی هوشمند را افزایش می‌دهد.
با این حال، برای تسهیل استفاده از حسگرهای زمان-دما مبتنی بر الکترونیک در بازار جهانی، بدون به خطر انداختن دقت و ایمنی، نشانگرهای زمان-دما باید کوچکتر، کم هزینه‌تر و از لوازم الکترونیکی قابل بازیافت ساخته شده باشند.

انواع دیگر حسگرهای زمان-دما (حسگرهای زیستی و شیمیایی)

برای انواع دیگر حسگرهای زمان-دما (مانند مبتنی بر نانوذرات، مبتنی بر آنزیم، مبتنی بر شیمی و مبتنی بر زیست شناسی)، تغییر رنگ برگشت ناپذیر راه اصلی برای تعیین تاریخچه حرارتی محصول است.
تغییر رنگ می‌تواند تغییرات وابسته به زمان و دما را در کیفیت و یا ایمنی محصول نشان دهد. این نوع از نشانگرها معمولاً روی بسته بندی محصول چسبانده می‌شوند یا با چاپ یا پوشش در بسته بندی محصول قرار می‌گیرند و هزینه کمتری دارند، خواندن راحت‌تر و کوچکتر از حسگرهای زمان-دمای الکترونیکی هستند.
اندازه، شکل و مورفولوژی سطح تغییر نانوذرات فلزی بر اساس سناریوی زمان-دمایی است که در معرض آن قرار می‌گیرند. نانوذرات زمانی که برای مدت زمان معینی در معرض دمای خاصی قرار می‌گیرند، تغییر رنگ برگشت ناپذیری از خود نشان می‌دهند و این ویژگی آنها را برای حسگرهای زمان-دما بسیار مفید می‌کند.

 

نشانگر تاریخچه حرارتی مبتنی بر ژلاتین/AuNP (نانوذرات طلا) (THI)

یک نشانگر تاریخچه حرارتی مبتنی بر ژلاتین/AuNP (نانوذرات طلا) (THI) ایجاد کرد که پس از 6 ساعت قرار گرفتن در معرض دمای 30 درجه سانتی گراد، سیگنال رنگی واضحی را نشان می‌دهد. شدت سیگنال رنگ متناسب با مدت زمان قرار گرفتن در معرض دمای مورد نظر بود. علاوه بر این، شدت رنگ AuNPs در غلظت ژلاتین 2٪ حداکثر بود.
با این حال، نشانگرهای زمان-دما مبتنی بر ژلاتین / AuNP به طور خاص برای ذخیره سازی در دمای پایین طراحی شده‌اند و دارای چندین مزیت در مقایسه با THI های مبتنی بر آلژینات/AuNP هستند، از جمله حساسیت کمتر به تغییر رنگ، محدوده باریک تر نظارت بر دما، و ناتوانی در تهیه ماتریس های جامد مانند THI.
به دلیل این ویژگی‌ها، یک THI پلاسمونیک ابداع شد که از رزونانس سطحی پلاسمونی AuNP‌های سنتز شده در محل در آلژینات بهره می‌برد که می‌تواند با افزودن یون‌های کلسیم دو ظرفیتی به هیدروژل جامد، تبدیل شود و برای استفاده نهایی مناسب‌تر و کاربردی‌تر است.

نشانگرهای زمان-دما مبتنی بر آنزیم

در حسگرهای زمان-دما مبتنی بر آنزیم، واکنش هیدرولیز یک آنزیم با یک بستر باعث درجات مختلفی از تغییر رنگ بسته به تاریخچه زمان و دمای واقعی می‌شود. رنگ مشاهده‌ شده یک TTI می‌تواند اثر تجمعی زمان و دما را نشان دهد و از این اطلاعات می‌توان برای اجرای ارزیابی پویا از ماندگاری باقی‌مانده محصول استفاده کرد.
به عنوان مثال، شکل زیر یک برچسب TTI (Vitsab Checkpoint) را نشان می دهد که یک نمونه معمولی از حسگرهای مبتنی بر آنزیم است. برچسب TTI را می‌توان با اعمال فشار ملایم بر روی “پنجره” فعال کرد تا یک واکنش آنزیمی بین آنزیم و سوبسترا آغاز شود. پنجره TTI در مرکز کلمات “Check Point” رنگ را از سبز به نارنجی به قرمز تغییر می دهد تا مراحل مختلف قرار گرفتن در معرض حرارت را نشان دهد.
یک رنگ سبز همگن در “پنجره” نشان دهنده مخلوط شدن آنزیم و مینی کیسه‌های بستر است که به نوبه خود نشان دهنده شرایط حمل و نگهداری عالی برای غذاهای بسته بندی شده است. اگر «نقطه بررسی» زرد تا نارنجی روشن باشد، نشان می‌دهد که برچسب TTI به زمان پاسخگویی دمایی از پیش تعیین‌شده خود رسیده است و محصول دیگر قابل قبول نیست.

 

نشانگرهای زمان-دما شیمیایی

حسگرهای زمان-دما شیمیایی بر اساس بسیاری از واکنش‌های شیمیایی مختلف (مانند واکنش های پلیمر شدن، فتوکرومیک و اکسیداسیون) هستند و به دلیل تجمع تغییرات در زمان و دما، تغییر رنگ مشخصی را ارائه می‌دهند.
در حال حاضر، برخی از نمونه‌های TTI مبتنی بر شیمی عبارتند از ، HEATmarker (N.J., U.S.A.) و Evigence Sensors. اصول عملکرد و ویژگی های عملکرد آنها را می‌توان با مراجعه به وب سایت‌های رسمی تولید کنندگان محصول به دست آورد.

 

نشانگرهای زمان-دما مبتنی بر زیست شناسی

اصول عملکرد حسگرهای زمان-دما مبتنی بر زیست شناسی به طور کلی مبتنی بر تغییر pH در شرایط خاص، به ویژه در دمای معین است، که منجر به تغییر رنگ می‌شود که اثر تجمعی زمان و دما را نشان می‌دهد.

 

جمع بندی

باتوجه به تحقیقات فعال در مورد شاخص‌های غیرمستقیم، این شاخص‌ها دارای مشکلات زیادی هستند، مانند افزایش هزینه کل زنجیره تامین، معرفی مسائل ایمنی به دلیل مهاجرت نامطلوب احتمالی اجزای شیمیایی، داشتن دقت و قابلیت اطمینان در شرایط کنترل نشده (مانند ضربه، فشرده سازی و ارتعاش) و با محدودیت‌های قانونی خاصی در اروپا مواجه است.
بنابراین، برای گسترش دامنه کاربردهای شاخص‌های غیرمستقیم در بازار جهانی، تحولات آتی باید به سمت بهبود پایداری و حساسیت نشانگرها به تاریخچه دمای واقعی، مانند استفاده از پلیمرهای زیستی غیرسمی و حتی خوراکی برای نشان دادن تاریخچه حرارتی هدایت شود.
محصولی با تغییر رنگ برگشت ناپذیر همچنین می‌تواند در مقررات قانونی حاکم بر بسته بندی هوشمند اصلاحاتی انجام دهد. با توجه به تحقیقات و شیوه نوینی که برچسب هوشمند ویرا مبتنی بر آن طراحی شده است، این برچسب‌ها با استفاده از روش شبیه‌سازی و نیاز نداشتن به ارتباط با محیط داخلی بسته بندی، در نوع خود منحصر به فرد بوده و تمام مشکلات حوزه تاریخ‌های انقضاء را حل کرده و همچنین مشکلات برچسب‌های زمان-دما (مبتنی بر زیست شناسی یا نشانگرهای شیمیایی) را که ذکر شده است، ندارد.