時間–溫度指示器在冷鏈運輸中的應用進展

蔡夢琪，李琳，俞朱敏，萬仕剛，葉常青，宋延林

專題：綠色印刷包裝功能材料與器件

時間–溫度指示器在冷鏈運輸中的應用進展

蔡夢琪1，李琳1，俞朱敏1，萬仕剛1，葉常青1，宋延林2

（1.蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215009；2.中國科學院化學研究所，北京 10080）

研究時間–溫度指示器（Time-Temperature Indicator，TTI）在產品包裝和冷鏈物流中的價值和意義，并對冷鏈物流過程實施嚴格的監控義，以保障公眾醫療衛生安全和食品衛生安全。簡述幾種常見TTI的類型及原理，并概述TTI的研究現狀，同時總結TTI技術的發展趨勢并對其在我國的商用前景進行展望。TTI歷經幾十年的發展技術已較為成熟，已在冷鏈運輸、物流管理等領域發揮很大作用。TTI技術的應用和發展前景廣闊，與智能包裝、物流管理等領域的技術結合發展會加速其在我國的商業化進程。

時間–溫度指示器；冷鏈運輸；智能包裝；公共衛生安全

隨著對新冠肺炎疫苗、HPV疫苗、OPV疫苗等疾病預防疫苗的需求量增加和公眾衛生安全意識提高，人們對冷鏈運輸的要求也不斷提高。2016年“非法疫苗案”中，涉及疫苗為正規疫苗廠家生產的合格產品，但其運輸途中未按照規定經行冷鏈運輸管理，無法確保疫苗使用藥效，引發了極大的隱患和公眾焦慮。此外，新冠疫情蔓延以來全球疫苗運輸量激增，暴露冷鏈運輸存在嚴重不足。全球疫苗免疫聯盟（The Global Alliance for Vaccines and Immunization，GAVI）指出，若無法判斷疫苗的存儲和運輸過程是否符合規定，需將其丟棄以確保接種人群不會因注射異變的疫苗而感染，但這又難免造成巨大的浪費。確保疫苗安全性對冷鏈存儲和運輸提出了嚴格的要求[1-3]。

另一方面，人們對食品安全性和品質的要求日益增長，對食品冷鏈管理的要求愈加嚴格[4-5]。由于許多地區沒有足夠的資源來識別、應對和控制日益增加的食源性疾病負擔，每年食源性疾病導致美國估計有4 800萬人患病，導致128 000人住院和3 000人死亡[6]。因此需要對存有安全風險的食品進行快速有效的調查以識別，減少食源性疾病發生的數量。再者，根據世界糧食計劃署（World Food Program, WFP）的數據（www.wfp.org/stories/5-facts-about-food-waste- and-hunger），全球供人類消費的糧食供應中有三分之一（每年13億噸）被浪費，而其中因微生物腐敗而損失的糧食據估計占比25%[7]。冷鏈運輸既可以減少食品浪費，也可確保食品安全和品質，對于食品產業和公共衛生具有十分重要的意義。除此之外，生物樣本、藥品，以及血清、煙草、化妝品和電子產品等[8-9]均有冷鏈運輸的需求。

受路況、氣候、設備等不可控因素影響，無法確保冷鏈過程溫度始終處于理想范圍內。冷鏈中溫度發生變化會導致產品中微生物滋生或產品失效等問題，產品“保質期”標簽則無法真實反映其實際品質情況[10]。時間–溫度指示器（Time Temperature Indicator, TTI），亦稱時間–溫度積分器（Time Temperature Integrators, TTI），通過監測和記錄產品的溫度積累效應來反映產品質量和貨架壽命等信息，是一種對貨物狀態進行可視化實時監測的新型智能標簽。TTI通常附在食品外包裝上進行溫度跟蹤和質量指示[11]，具有安全、實用、易讀和方便的特點[12]，可以增強消費者對產品質量的信心。文中總結了多種TTI的基本工作原理，結合研究現狀介紹了它們的在冷鏈運輸的應用場景，并對TTI的發展趨勢進行概述。

1 TTI的工作原理

TTI工作原理的數學本質是關于時間和溫度的函數。通過建立時間（）和反應速率常數（）的動力學模型確定值，用Arrhenius方程計算活化能（a）[13]。活化能（Activation Energy，a）可表示指示劑與底物之間反應所需的能量，即反應的難易程度。TTI的活化能aTTI與待測物的反應活化能a待測物必須匹配，實現在相同外界條件下（如溫度變化）反應速率同步，進而確保TTI指示的準確性。二者通常必須要滿足式（1）：

(1)

當活化能差值為40 kJ/mol，根據動力學模型計算出的溫度與真值相差0.4～1.8 ℃；當溫度與真值相差1 ℃，誤差范圍在10%～15%[14]。基于待測物和TTI建立可靠的動力學模型可以真實地反映溫度的累積效應，并將其量化為冷鏈物流中貨物質量惡化的預測因子。目前認為當活化能的差值≤25 kJ/mol時，TTI可進行準確指示。此外，TTI反應終點與貨物的實際保質期終點需要匹配[15]（圖1）。Ea的匹配保證TTI指示的精確度，而反應終點的匹配保證TTI準確判斷待測物品是否處于安全期限內。所有TTI設計思路的本質都是構建TTI指示劑底物的反應和物品反應相匹配的數學模型，由TTI反應導致的顏色等信號的變化觀察待測物品的時間–溫度反應進程，根據反應類型和指示劑反應底物的不同，目前TTI主要可分為擴散型、生物酶分解型、聚合反應型、微生物型[16]。

圖1 TTI的設計原理

Fig.1 Schematic diagram for TTI design

1.1 擴散型TTI

擴散型（Diffusion-Based）TTI出現較早，由熱熔融型材料、毛細纖維材料和顯色指示卡構成。其原理較為簡單：當外界環境溫度較低時，熱熔融型材料維持固態；當溫度超過其熔點時，熱熔融型材料變為液態被毛細纖維層吸收。根據布朗運動規律，擴散速率隨溫度的升高而加快，因此擴散情況可以反映貨物的時間–溫度累積效應[17]。Park等[18]在檢測未經巴氏殺菌的當歸汁水時，設計的一種以棕櫚酸異丙酯（Isopropyl Palmitate，IPP）為擴散相的TTI，底部是紅色的，上層覆蓋白色的棉片，一端固定著存有IPP的墊層（圖2a）。當環境溫度升高，IPP轉變為液相在白色棉片的毛細纖維上擴散，被液體浸潤的棉花在光照下呈透明色，顯現出紅色底層，其紅色長度的位移符合時間和溫度函數規律。

基于物理擴散的簡單機制和清晰的讀取外觀是擴散型TTI的優勢。大多數反應型TTI都是根據顏色的變化來反映時間–溫度進程[19]，而擴散型TTI能夠直接觀察移動顏色邊界的設計顯然在視覺反映上更加直觀。然而，擴散型TTI也存在一定缺點。在TTI一端固定熔融物質需用到堅硬的包裹外殼會使其笨重且昂貴。例如，商業化的擴散型TTI——Monitor MarkTM（3M公司）中，熱熔材料作為隔膜置于顯色劑與吸收芯之間，溫度超標時薄膜融化而使顯色劑擴散，但是為了保護多空松軟的吸收層不會受外力破壞，基底材質比較堅硬，且為了讀取方便TTI也需要一定長度，導致體積大、不靈活[20]。除此之外，擴散型TTI最大的劣勢在于其低溫敏性。因此，純粹基于物理擴散的TTI正逐漸被淘汰。

圖2 不同類型的時間–溫度指示器

1.2 酶促型TTI

酶促型（Enzyme-based）TTI依靠脂質底物在特定條件下（溫度較高時）發生水解或催化氧化還原等反應形成有色產物，改變TTI顏色從而指示時間–溫度變化[21]。例如，Brizio等[22]設計的用于評估家禽肉類的熱腐敗進程的酶促型TTI。其底物含碘和淀粉，低溫時淀粉酶活性低，淀粉與碘絡合反應呈藍色，隨著溫度升高淀粉酶活性增強，淀粉水解程度增加，TTI的藍色逐漸變為無色（圖2b）。酶促型TTI具有性能穩定，成本低廉等優點。

漆酶是TTI最常用的生物酶，具有安全性高、對人體無害、環境友好等特點，常用于食品工業中食品飲料增色[23]。此外，漆酶可作用的底物范圍十分廣泛，包括芳香酚、胺和偶氮染料，可制備出活化能范圍廣泛的TTI。通常，漆酶與對苯二酚、香蘭素反應生成單寧酸和重氮衍生物愈創木酚來增強顏色。為了提升漆酶TTI的穩定性和應用范圍，Chen等[24]建立了一種新的漆酶固定化方法。將漆酶固定在比表面積為17.05 m2/g的靜電紡殼聚糖/聚乙烯醇纖維上，增強了漆酶的耐受性和穩定性。Chen的課題組[25]嘗試了引入一種正硅酸酯用于增加靜電紡絲纖維的附著力和靜電紡絲纖維薄膜的穩定性，成功預測了溫度波動期間牛奶中的乳酸菌的生長。除此之外，添加NaN3作為酶抑制劑，也可以擴大該漆酶TTI著色速率和a范圍[26]。

1.3 聚合物型TTI

聚合物型（Polymer-Based）TTI也被歸為化學型指示器，通過聚合反應和分子構象轉變引起的顏色變化從而用于時間–溫度指示。聚合物型TTI最常用的是炔烴生成烯烴的聚合反應，見式（2）。

（R1C≡C—C≡CR2）→R1[—C=C—C=C]R2(2)

外界溫度變換引起聚合物型TTI中的炔烴（R1C≡C—C≡CR2）發生聚合反應生成烯烴聚合物（R1[—C=C—C=C—]R2）。相較于乙炔，乙烯在特征波長較短，因此隨反應進行吸收光譜的特征吸收峰發生藍段，宏觀上表現為TTI顏色變化或色密度增大。聚合反應的速率與溫度增長成正比，以色度和色密度反映時間–溫度的累積效應，與TTI附有的參考色進行對比判斷貨物是否處于安全使用期限內（圖2c，來自https://temptimecorp.com/home-chinese/ heatmarker-）。Chandrawati等[27]開發的一種用于監測新鮮牛奶的聚二乙炔/氧化鋅（PDA/ZnO）聚合物型TTI，通過二乙炔單體種類用以調節TTI的靈敏度，利用復合材料PDA/ZnO在酸性介質中發生解離產生顏色變化判斷鮮奶中微生物含量，用以區分新鮮的（pH為6.8～6.0），不新鮮的（pH為6.0～4.5）和變質的牛奶（pH為4.5～4.0）。相較于基于物理擴散與生物原理的TTI，基于化學反應原理的聚合物型TTI設計較為復雜，且聚合物大多含有毒性，存在的化學試劑泄漏等風險。但聚合物型TTI原理特性使其能夠與產品包裝相結合，仍是十分具有發展潛力的TTI類型。

1.4 微生物型TTI

所有類型的TTI中，只有微生物型（Microbial）TTI的反應直接與監測物上的微生物數量關聯，因此微生物型TTI具有較高的準確性[28]。微生物型TTI通常包含TTI微生物、介質基質、pH指示劑等3個部分，其核心為TTI微生物。TTI微生物的代謝活性和生長速度與環境溫度變化密切相關，可誘導pH指示劑發生漸進的、定量的顏色變化。微生物TTI的響應機制可分為三階段，分別包括溫度感知階段、微生物生長階段和指示劑反應階段。Dong等[29]用絲印法制備微生物型TTI，包含生長介質和染料混合物的特殊生物漿料組分。隨著微生物生長繁殖，pH值的下降，可以直觀地觀察到pH指示劑的發生了不可逆的顏色變化，從最初的深藍色到明亮的黃綠色，最后變成紅色（圖2d）。

微生物型TTI的pH變化可能會抑制TTI微生物的生長速率，因此需要篩選合適的菌種。目前其主要應用于監測豬肉、牛肉、雞胸肉等高蛋白食品。

1.5 其他類型TTI

除了上述4種類型之外，還有根據物理化學、化學、固態反應、光敏反應劃分類型的TTI。無線射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號來識別目標對象并獲取相關數據，由標簽和閱讀器兩部分組成。標簽進入閱讀器發出的磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的信息，解讀器讀取信息并解碼后，送至系統的信息處理中心進行有關數據處理[30]。為了將TTI技術更好的用于冷鏈物流管理，可將RFID技術與TTI相結合，實現TTI的多元應用。Wan等[31]將TTI與RFID技術相結合，嘗試將溫度和時間作為調控RFID標簽射頻信號強弱的開關，研究了一種導電聚合物材料制備的TTI，用來監督和跟蹤易腐食品的安全性。結構如圖3，由下至上分別是基質材料、活性層、遷移層、封裝層。遷移層中封裝著特殊的化學介質，溫度會影響其向前遷移的速率，通過肉眼可以觀察到遷移前端的移動，此部分作為TTI標簽反映時間–溫度的累積效應。活性層是導電聚合物材料，其導電率與化學介質的遷移長度的歸一化變化擬合良好。活性層可直接與RFID標簽連接，實現射頻信號的電路開關。當遷移層的化學介質遷移至末端，激活層的電阻在很短的時間內迅速增加使電路關閉。該器件可以實現在產品保質期結束時快速關閉RFID標簽。這種新的TTI–RFID系統可以給食品的安全性監管提供雙重保障。

圖3 RFID與偽晶體管TTI的作用原理

光子晶體是一種新興功能性材料。Berli等[32]將光子晶體材料應用于TTI，實現輕薄小巧的外觀（圖4）。通過硅的電化學蝕刻制成光子晶體，其中形成了具有交替納米級孔隙率的微尺度層的周期性結構。將一種熱塑型聚合物滲透誘導晶體，可使其折射率發生不可逆的變化，導致肉眼可見的反射光的漸進式偏移。所采用的熱塑性聚合物呈現出溫度依賴性黏度，該黏度可由Arrhenius方程很好地表示，因此，每種反射顏色都與系統的時間–溫度歷史相關聯，代表受監控產品的劣化程度。

圖4 基于光子晶體材料的TTI

2 TTI在冷鏈運輸中的應用研究

國內對于TTI的研究起步稍晚，商用型TTI剛剛開始出現[33-34]，如蘇州華實熱敏科技有限公司生產銷售的TTI標簽，不過其應用仍然很有限。目前，商品化的TTIs包括：Monitor Mark?、CheckPoint?、Fresh-Check?、Lifelines Freshness Monitor?、ShockWatch?、TRACEO?、(eO)?、Timestrip?、Keep-it?、VarioSens?和 WarmMark?TTI標簽等[30,35-36]。表1列舉了一些商品化的TTI及其所屬類型。冷鏈運輸中，不同類型的產品對存儲和運輸溫度要求不一，需要使用不同的TTI貼合實際應用場景。以下介紹一些針對不同產品類型的TTI在冷鏈物流方面的應用研究。

表1 已實現商品化的TTIs

Tab.1 Commercialized TTIs

2.1 肉類和水產品

中國電子商務的蓬勃發展顛覆了原本傳統水產的銷售模式[37-38]。全球海運冷鏈行業市場擴張，推動運輸鏈中水產品質量監控的廣泛需求[39]。位于瑞典利姆港的VITSAB International A.B公司就此開發了用于監測熏魚產品質量的酶促型TTI[40]。選用根瘤蚜脂肪酶開發了兩種不同類型的酶促型TTI，即以肉豆蔻酸甲酯作為脂質底物的M型TTI標簽和以三月桂堿甘油三月桂酸酯/三棕櫚胺三棕櫚酸甘油酯的混合物作為底物的LP型TTI標簽。當根瘤蚜脂肪酶水解反應導致pH值逐漸降低，外觀從綠色轉化到紅色的顏色響應。通過使用以對硝基苯基月桂酸酯為底物的分光光度法測量脂肪酶活性來對標記進行質量控制。TTI反應被動力學研究和建模為脂肪酶濃度（U）的函數。應用開發的模型，確定了TTI監測各個煙熏產品的保質期所需的酶濃度。開發出的LP–17U、M–17U和M–5U酶促TTI標簽分別應用于監測真空包裝煙熏鱒魚片、煙熏鮭魚片和熏鰻魚片的質量。

長時間的低溫環境對于TTI的性能提出了挑戰。傳統的TTI有效作用時間通常約為1周，幾乎沒有TTI可以在超過100 d的低溫下依舊保持良好的工作性能。美德拉反應是一種非酶褐變反應，羥基化合物的還原糖類物質和氨基化合物的氨基酸或者蛋白質反應生成黑色或棕色的大分子物質。Koseki等[41]制備了含不同比例d?木糖醇和磷酸氫二鈉甘氨酸溶液的TTI，在室溫下緩慢進行美德拉反應，可實現在?0.5 ℃溫度下有效工作200 d，反應速率可隨反應物濃度靈活變化。其中，TTI?brown 40 d左右變成微棕色，77 d左右變成淺棕色（對應冷鏈運輸中牛肉的貨架期），最終變成深棕色，可以記錄100 d以上時間–溫度的累積效應；TTI?yellow 77 d后變為淺黃色，100 d后變為透明黃色，200 d后變為暗黃色。

2.2 乳制品

長期暴露在低溫環境下，會對TTI中的指示微生物產生不利影響。孟晶晶等[42]利用SPG膜獲得粒徑均一的微膠囊，將乳酸菌封裝在微膠囊中以固定和保護乳酸菌，使乳酸菌在低溫下保存更久。微膠囊抑制了微生物生長，使得微生物只能進行發酵作用，導致原來的活化能曲線由非線性變成線性，從而實現對酸奶質量更加精確檢測。TTI由基質和微生物微膠囊組成，外觀輕盈小巧，附著性能簡便優異，同時采用Monte–Carlo模擬法來探索大規模冷鏈運輸種監控酸奶質量的可能性，極大的推進了奶制品TTI的商用進程。

Xie等[43]制備了一種基于脲基嘧啶超分子的新型形狀記憶聚合物（Shape-Memory Polymer，SMP），具有時間–溫度依賴性，為奶制品的監測提供了一種新思路。外力作用下SMP發生形變，其恢復過程受溫度影響（圖5a），由聚合物的等速應力松弛實驗可得活化能a為151.1 kJ/mol。SMP在不同程度的應力作用下由于聚合物內部的交聯作用產生不同程度的雙折射現象，其偏振光下的顏色也會隨應力松弛而改變。由于這種聚合物在周圍的自然光下保持透明，研究者將這種材料比喻為“隱形時鐘”（圖5b）。在SMP不同區域壓印強度和溫度可實現圖案化，并且其會隨時間變色（圖5c）。將應力松弛溫度提高會導致應力衰減速度更快，從而加速雙折射圖案的演化（圖5d）。由于所有區域都達到了最大應力松弛程度，這些圖案最終消失從而消除了空間色彩對比。將納米尺寸的點陣圖案模壓到聚合物表面產生結構色（圖5e）。將“MILK”的圖案壓印在膠片上，“MI”和“LK”分別在60 ℃和25 ℃壓印1 min，4個字母的顏色都可以在冰箱溫度下保持。在返回室溫后下4個字母隨時間消失，通過改變壓印溫度可以改變字母消失的順序。SMP對時間和溫度的敏感性顯示其具有應用于TTI的潛力（圖5f）。將2瓶鮮奶都貼上相同的由SMP材料制成的TTI標簽，分別置于室溫和冰箱中儲存。10 h后室溫儲存的TTI標簽上“勾”字消失而冰箱儲存的TTI標簽的“勾”字依然清晰可見，如果將兩者在室溫下再放置10 h，2瓶鮮奶上的標志均消失。顯然，這種標簽能夠反映乳品質量且增加了包裝的趣味性。

2.3 果蔬類

蔬果中的維生素在常溫環境下儲存會逐漸流失，通過立即速凍新鮮的蔬果能很好地防止維生素流失。隨著超聲波速凍、超低溫急凍等技術的應用，冷凍食品的品質不斷提升，冷凍果蔬也越來越流行。Rachtanapun等[44]制備了一種基于羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）薄膜復合納米材料的聚合型TTI，用于監測水果和蔬菜的溫度變化情況。他們選用聚二乙炔（polydiacetylene，PDA）作為溫敏變色材料，摻雜銀納米顆粒（Silver Nanoparticles，AgNPs）即增強PDA與聚合物鏈官能團的強離子相互作用，也抑制微生物生長，進一步添加甘油調控PDA溫敏特性。該研究將納米材料技術與TTI相結合，表明含PDA/AgNPs的CMC薄膜具有應用于智能包裝的潛力。

圖5 一種基于形狀記憶聚合材料來監測乳制品質量變化的時間–溫度指示器

2.4 醫用疫苗

mRNA疫苗在對抗流行疾病表現優異，但若要保證效果穩定，存儲和運輸都需在冷凍環境下進行[45]。時間?溫度指示器（TTI）是一款能夠有效記錄超溫狀態的智能設備，能夠簡單有效的應用在疫苗和生物制品上[46]。隨著研究深化和技術逐漸成熟，又細分出了疫苗熱標簽（Vaccine Vial Monitors，VVM），專指用于監控冷鏈疫苗效價的時間–溫度指示器。從構想到研發再到最后落實使用，VVM技術歷經了12年（1979—1991年）。基于最初的VVM原理，針對不同疫苗做出了調整，現已開發出多種新型VVM旨在應用于不同種類疫苗的冷鏈溫度監控[46-47]。VVM的研發和使用，很大程度幫助了一些發展中地區的醫療公益，防治流行疾病在貧困地區的擴散[48]。Temtime公司開發的HEATmarker?是一款成功的VVM自1996年起用于監測脊髓灰質炎（OPV）疫苗的貯存溫度環境。HEATmarker?采用丁二炔作為熱敏材料，當外界溫度發生變化，其顏色發生不可逆地變暗。如圖2c，中間方形部分是熱敏材料制成，外部是顏色對比環。

張嘉帥等[49]以Temptime公司生產的二乙炔指示劑標簽為基礎，嘗試開發了一種可印刷的聚合型時間–溫度指示劑，用以實時監控冷鏈疫苗的效價信息。二乙炔單體一定溫度的催化下會發生固相聚合反應產生顏色變化，根據這一特性將該組分混合至油墨基質中通過印刷的方式制作成時間溫度指示器標簽來指示產品。張配備了4種2,4?己二炔?1,6?二烷基脲材料，并研究了其在不同溶劑中的重結晶實驗，通過改性避免了晶體提前聚合使之粉末粒徑降低至10～12 μm，達到油墨印刷的最佳粒徑要求，并對不同配方的指示劑的顯色動力學規律進行研究。依據疫苗冷鏈儲存條件及疫苗失效的溫度范圍調節烷基脲產物的配比，明確該指示劑的原料及其制備方法。此項工作通過配制不同指示劑油墨顏料，將油墨由絲網印刷的方式印刷到標簽底紙上制作成指示劑標簽，實現了不同種類疫苗的質量監控，為時間–溫度標簽的制備方法提供了新思路。

3 TTI發展趨勢

最早的TTI可以追溯到1962年Honeywell公司研發的第1個商用溫度標簽，在以金屬銅作為陰極的電池中，用經過化學處理的測試濾紙吸收電解液，此濾紙與陰極銅釋放出的氫氧根離子反應變色，顏色邊界受溫度的影響移動至不同刻度標線[50]，但由于造價昂貴且體積龐大被放棄使用。20世紀70年代，Hu[51]研發了基于氧氣響應薄膜的輕便型TTI。如今TTI已問世數十年，其發展趨勢可以概括為以下幾個方面。

與納米材料技術結合，開發新型智能包裝材料[52]。一方面，TTI與食品、藥品的監測密切接觸，需要保證其本身的安全性和穩定性；另一方面，整個包裝產業再也正朝著綠色化、可回收的方向轉變，而TTI作為一次性使用品，其材料也一定會朝向生物安全、環境友好性發展。除此之外，納米技術可以使TTI實現輕巧的外觀，增加實用性。

與物流管理技術結合，使時間–溫度信息能更加高效地反饋給管理者。TTI在積極與條形碼、RFID等物流管理的技術結合。通過選擇感光油墨等對紫外線敏感的印刷材料作為pH指示劑。這種試劑會隨著時間–溫度的累積轉變為無色，超過保質期時條形碼褪色。當結賬時，無法被條形碼掃面儀器讀取。例如，FreshCode? TTI智能條形碼是一款一維標準條形碼，但還兼具檢測和記錄整個供應鏈中的溫度的功能。2007年，歐盟支持的一個名為“Chill-On”的項目設計了一種電子元件，將TTI連接到RFID轉發器，不僅提高了管理效率，還降低了溫度傳感器與RFID結合使用的供應鏈成本。該系統通常包括安裝在卡車或船舶后部內部的RFID集成器。食品包裝上的RFID標簽將定期記錄溫度信息，并通過全球移動通信系統（GMS）和互聯網將數據和標簽的唯一ID傳輸到物流合作伙伴運行的數據庫。食品的剩余保質期則根據時間和溫度信息計算動態變化。

與智能包裝領域技術結合，拓展TTI商用性[53]。智能包裝也是一個新出現的概念，19世紀商品全球化的趨勢使得包裝需要兼具美觀和判斷產品質量的功能。一些智能包裝可以實現監測氧氣、新鮮度、溫度等參數對產品的影響。目前已經有很多成功的商用案例。位于美國加州的Cloudleaf公司通過在疫苗容器上安裝傳感器，來獲取疫苗的位置、溫度、濕度、震動情況等數據。這些數據會被傳感器在線傳送至云端，通過AI算法判斷是否需要采取措施以避免疫苗暴露在安全條件區間之外的環境，逐步實現無人管理系統。類似的還有以色列初創公司Varcode生產的新型智能標簽，可以跟蹤整個供應鏈中的產品并實時監測它們的運輸時間和溫度。

除了在冷鏈中的應用，TTI技術的成熟也促使其在其他領域發揮用途。最近的研究也顯示了TTIs在食品加工[54]、電池安全性能評估[55]、紅細胞單位的表面溫度[56]和植物栽培過程中實時質量監測中的潛力。累積溫度代表每日平均溫度之和，也可用來當作食品加工完成度和農作物成熟度等客觀指標。Lee等[57]應用TTI來管理甜瓜的種植，防止因未及時采摘而導致的農產品浪費，提高農業管理的效率。不過，目前TTI技術的應用焦點仍將集中在食品和疫苗的冷鏈運輸領域。

4 結語

中國冷鏈運輸起步較晚，目前與發達國家存在差距，具體表現為冷鏈流通率低、冷鏈物流企業檢測技術不夠先進、冷鏈物流服務市場信息流通不暢，缺乏RFID、GIS、GPRS等動態技術的輔助。雖然我國冷鏈運輸存在諸多問題，但發展態勢良好。目前我國冷鏈物流規模持續擴大，冷鏈管理、審查體系也在逐步完善，國內TTI技術的應用和發展具有很大潛力。具備較高的精度和易得的制備方法，TTI現已被認可為是一種經濟有效的冷鏈監控工具，但該技術的商業化仍處于起步階段，成本、安全性和適用性一直是該技術在冷鏈應用中被廣泛采用所面臨的主要挑戰。總之，實現國內TTI技術的商業化不僅需要技術革新，還需同現代化的物流管理、智能包裝等領域的技術結合發展。

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Application of Time-Temperature Indicator in Cold Chain Transportation

CAI Meng-qi1, LI Lin1, YU Zhu-min1,WAN Shi-gang1, YE Chang-qing1, SONG Yan-lin2

(1.Suzhou University of Science and Technology, Jiangsu Suzhou 215009, China; 2.Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 10080, China)

The work aims to study the value and significance of time-temperature indicator (TTI) in product packaging and cold chain logistics and implement strict monitoring on the cold chain logistics process to safeguard public health and food hygiene safety. The types and principles of several common TTI were briefly described and the research status of TTI was summarized. At the same time, the development trend of TTI technology was generalized and its commercial prospect in China was expected. After decades of development, TTI technology was relatively mature and played an important role in cold chain transportation, logistics management and other fields. TTI technology has a broad application and development prospect. When combined with technologies in the fields of intelligent packaging and logistics management, TTI technology will speed up its commercialization process in China.

time-temperature indicator (TTI); cold chain transportation; intelligent packaging; public health safety

TS207.3

A

1001-3563(2022)19-0001-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.001

2022–05–12

國家自然科學基金（51873145）；江蘇省自然科學基金——優秀青年基金項目（BK0170065）；江蘇省高校自然科學研究重大項目（17KJA430016）；江蘇省“六大人才高峰”項目（XCL?79）；江蘇省第五期“333工程”項目（BRA2018340）；江蘇省青藍工程

蔡夢琪（1999—），女，碩士生，主攻綠色印刷材料。

葉常青（1985—），男，博士，教授，主要研究方向為光電功能材料。

責任編輯：曾鈺嬋