智能包裝的發(fā)展及應(yīng)用

李涵瑜，孫飛龍，羅如夢(mèng)，張明月，錢(qián)婧雪，賈光鋒

（1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710600 ；2.陜西哈默生物科技有限公司，陜西 西安 710048）

0 引言

包裝對(duì)于生活來(lái)說(shuō)必不可少，小到圓珠筆芯大到航天器械都需要包裝，而智能包裝正是包裝領(lǐng)域的新興技術(shù)之一。包裝的傳統(tǒng)功能是保護(hù)物品免受外界影響，并通過(guò)文本、圖像等對(duì)物品進(jìn)行說(shuō)明，方便人們的生活。隨著科技的發(fā)展與人們生活水平的提高，包裝逐漸增加了更多的用途，比如促銷(xiāo)，就是通過(guò)包裝向消費(fèi)者傳達(dá)商品信息從而促進(jìn)商品銷(xiāo)售。

智能包裝的主要目的是向產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的每一個(gè)環(huán)節(jié)（比如產(chǎn)品制造商、零售商和消費(fèi)者）傳遞關(guān)于產(chǎn)品的信息，包括產(chǎn)地、運(yùn)輸途徑以及最重要的關(guān)于食品的質(zhì)量信息等[1]。智能包裝可以直觀(guān)顯示出食品的新鮮程度以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行溯源等。

本文將對(duì)智能包裝的概念、各種不同類(lèi)型的智能包裝的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并對(duì)智能包裝的發(fā)展前景做出展望。

1 智能包裝的概念

2001 年在“活性包裝和智能包裝的效果、對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境沖擊和消費(fèi)者接受程度（ACTIPAK-FAIR CT98—4170）”的研究項(xiàng)目中，歐洲12 家食品包裝合作研究單位和食品企業(yè)首次提出智能包裝的概念：智能包裝是在產(chǎn)品流通與銷(xiāo)售過(guò)程中，監(jiān)測(cè)包裝食品環(huán)境條件和獲取食品質(zhì)量與安全信息的包裝技術(shù)[2]。

現(xiàn)在，智能包裝主要指的是通過(guò)一系列的創(chuàng)新手段使它除了具有一般的包裝與提供產(chǎn)品信息功能之外，還可以通過(guò)監(jiān)控包裝內(nèi)部（比如產(chǎn)品的代謝物）和外部環(huán)境的變化為人們提供關(guān)于產(chǎn)品的實(shí)時(shí)信息，這樣不僅提高了產(chǎn)品的安全性，而且可以跟蹤產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和可溯源能力[3]。

舉例來(lái)說(shuō)，智能包裝常用于包裝生鮮菜蔬，通過(guò)包裝的顏色顯示或者用戶(hù)掃描二維碼、條形碼等，使用戶(hù)直觀(guān)了解到該產(chǎn)品的新鮮度、品質(zhì)優(yōu)劣等。智能包裝目前也用于藥品、化妝品的溯源，溯源碼所采用的RFID（頻射識(shí)別系統(tǒng)）亦可歸類(lèi)于智能包裝范圍。

2 智能包裝的發(fā)展現(xiàn)狀

智能包裝是各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的綜合產(chǎn)物。如今國(guó)際上有許多公司都在進(jìn)行智能包裝的研發(fā)與創(chuàng)新嘗試。應(yīng)用于食品保藏的抗菌材料“Zeomic”[4]具有一定的抗菌性能，可以有效抑制細(xì)菌的繁殖，“Zeomic”這種抗菌材料首次展示于荷蘭Moeimura Bros（Europe）公司。美國(guó)山姆和沃爾瑪公司正在使用由美國(guó)EnVision 公司提供的ScripTalk 技術(shù)[5]，通過(guò)讀取RFID 標(biāo)簽識(shí)別每瓶藥物來(lái)幫助視障人士來(lái)獲取他們的處方信息，為其提供了很大便利。

智能包裝在我國(guó)起步較晚，但是發(fā)展及其迅速。四川愛(ài)扽公司發(fā)明的RAS（RFID for Antifaker with Status）使標(biāo)簽和標(biāo)的物品實(shí)現(xiàn)了一一綁定，確保了被標(biāo)的物品的唯一性，使得防偽、溯源得以真正實(shí)現(xiàn)。目前，四川愛(ài)扽公司已與中國(guó)防偽行業(yè)協(xié)會(huì)、國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局、商務(wù)部、中航信、勁嘉、深圳市防偽協(xié)會(huì)等開(kāi)展廣泛的合作[5]。現(xiàn)如今，藥店里大部分藥品包裝盒上都有溯源碼，部分化妝品包裝也應(yīng)用了此技術(shù)。北京大學(xué)嚴(yán)純?nèi)A等[6]研究了一種智能溫度敏感型材料“智能變色標(biāo)簽”，該標(biāo)簽可以通過(guò)變色過(guò)程反應(yīng)內(nèi)裝物過(guò)期或者因?yàn)闇囟扔绊懚冑|(zhì)的狀態(tài)等。

3 智能包裝的分類(lèi)

如今，智能包裝技術(shù)主要分為3 大類(lèi)，分別是傳感器類(lèi)（以生物傳感器和氣體傳感器為主）、指示標(biāo)簽類(lèi)和數(shù)據(jù)載體類(lèi)（RFID 標(biāo)簽、條形碼）等。其中指示標(biāo)簽類(lèi)中的pH 指示器、時(shí)間-溫度指示器和氣體指示器以及數(shù)據(jù)載體類(lèi)中的RFID 標(biāo)簽的研究最受關(guān)注。故本文重點(diǎn)對(duì)以上4 種智能包裝的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

3.1 pH指示器

pH 指示器主要用于檢測(cè)食品的新鮮程度。pH指示器的主要原理是通過(guò)食品中微生物的代謝活動(dòng)、酶的消化作用等生長(zhǎng)活動(dòng)產(chǎn)生的CO2、SO2等揮發(fā)性物質(zhì)，引起食品的pH 發(fā)生變化，被指示器檢測(cè)到，再由指示器反映給使用者[7]。通常，pH 指示劑主要由固體基質(zhì)和pH 染料組成。

先前的染料大多為化學(xué)染料，表1 是常見(jiàn)的基于化學(xué)染料的pH 指示器的情況。

表1 常見(jiàn)基于化學(xué)染料的pH指示器

用化學(xué)染料制成的指示器具有顯色靈敏、成本低等優(yōu)勢(shì)，但是由于以化學(xué)染料制成的指示劑需與物體緊密接觸，而部分化學(xué)染料又具有一定的溶解性，可能會(huì)滲入物體，對(duì)人體健康造成隱患。

近年來(lái)，使用天然食品著色劑的pH 指示劑越來(lái)越多，已經(jīng)被諸多學(xué)者進(jìn)行研究，表2 展示了部分基于天然色素的pH 指示劑的情況。

表2 基于天然色素的pH指示劑的研究

3.2 時(shí)間-溫度指示器

時(shí)間溫度指示劑（Time-temperature indicator，TTI）是一種可以感知和記錄產(chǎn)品所處環(huán)境溫度變化的裝置[16]，在食品、藥品的包裝中均有廣泛的應(yīng)用前景。功能大致可分為確定產(chǎn)品溫度是否在規(guī)定范圍內(nèi)、顯示產(chǎn)品是否因溫度變化致使其質(zhì)量受到影響、監(jiān)控產(chǎn)品在整條供應(yīng)鏈中的數(shù)據(jù)[17]。根據(jù)工作原理的不同，時(shí)間溫度指示器分為物理型、化學(xué)型、生物型、酶型TTI 等[18]。

3.2.1 物理型TTI

物理型TTI 即有色物質(zhì)隨著時(shí)間和溫度的推移，通過(guò)多孔介質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，具有可直觀(guān)監(jiān)測(cè)、方便預(yù)估易腐食品微生物的質(zhì)量等特點(diǎn)[19]。物理型TTI 包含有基于擴(kuò)散類(lèi)和納米顆粒的TTI 等，主要表現(xiàn)為有色物質(zhì)間的物理變化。對(duì)于擴(kuò)散類(lèi)TTI，以色帶的擴(kuò)散距離作為T(mén)TI 的響應(yīng)[20]，表3 展示了部分關(guān)于物理型TTI 的研究。

表3 物理型TTI的研究

3.2.2 化學(xué)型TTI

化學(xué)型TTI 基于某些化學(xué)反應(yīng)，利用相應(yīng)試劑在一定的時(shí)間內(nèi)溫度累積下所發(fā)生的顏色變化，具有易于監(jiān)測(cè)新鮮度、低成本、激活方便等特點(diǎn)[20]，表4 展示了部分關(guān)于化學(xué)型TTI 的研究。

表4 化學(xué)型TTI的研究

3.2.3 生物型TTI

生物型TTI 即利用微生物在特定環(huán)境中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)來(lái)致使指示劑顏色發(fā)生變化，具有便于控制、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[20]。表5 展示了部分關(guān)于生物型TTI 的研究。

表5 生物型TTI的研究

3.2.4 酶型TTI

酶型TTI 利用酶和底物發(fā)生水解反應(yīng)，再通過(guò)時(shí)間與溫度的積累，致使指示劑顏色產(chǎn)生變化[33]，具有可動(dòng)態(tài)向消費(fèi)者顯示食品剩余貨架期、成本低、性能較穩(wěn)定等特點(diǎn)[34]。表6 展示了部分關(guān)于酶型TTI的研究。

表6 酶型TTI的研究

3.3 氣體指示器

氣體指示器作為信息智能包裝中的一種有效載體，它能夠?qū)Πb內(nèi)環(huán)境中特定氣體敏感并與之發(fā)生反應(yīng)，以監(jiān)測(cè)包裝內(nèi)食品的新鮮度。消費(fèi)者在選購(gòu)商品時(shí)能夠通過(guò)包裝上氣體指示器的變化得到產(chǎn)品的有效信息，以便做出正確選擇[39]。生活中常見(jiàn)的水果蔬菜成熟后會(huì)散發(fā)出大量的乙烯，蛋白質(zhì)含量豐富的肉制品變質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生易揮發(fā)的含氮或硫的化合物，通過(guò)特定的氣體指示器來(lái)檢測(cè)食品散發(fā)出的氣體的濃度來(lái)判斷食品的新鮮度及安全性。表7展示了部分關(guān)于氣體指示器的研究。

表7 氣體指示器的研究

3.4 RFID標(biāo)簽

條形碼是一種光學(xué)機(jī)器可讀的符號(hào)，由條形圖案和空格組成，通過(guò)識(shí)別號(hào)表示產(chǎn)品和制造商。由于其形式簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，條形碼是至今最常用的標(biāo)識(shí)產(chǎn)品和便于庫(kù)存控制的符號(hào)[44]。射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）是識(shí)別領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，該技術(shù)是基于物體上的標(biāo)簽和詢(xún)問(wèn)器之間的無(wú)線(xiàn)（特別是射頻波）通信。與條形碼等其他識(shí)別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更方便產(chǎn)品識(shí)別[45]。

ZHOU 等[46]通過(guò)將RFID 芯片和傳感器集成到包裝薄膜上用于包裝豬肉，實(shí)現(xiàn)了靈活的智能包裝系統(tǒng)?？梢允褂弥悄苁謾C(jī)方便地檢查產(chǎn)品質(zhì)量和包裝的完整性。OCCHIUZZI CECILIA 等[47]給出了RFID 的復(fù)介電常數(shù)隨熟化的實(shí)驗(yàn)表征和一個(gè)帶標(biāo)簽水果的無(wú)源RFID 訊問(wèn)系統(tǒng)的近場(chǎng)數(shù)值模型，并提取了熟化過(guò)程中RFID 鏈路電磁度量的變化規(guī)律。使RFID 系統(tǒng)能夠識(shí)別多達(dá)3 個(gè)成熟水平的包裝水果。在測(cè)試中即使由非熟練操作者執(zhí)行，通過(guò)識(shí)別RFID 標(biāo)簽，總體準(zhǔn)確率也高于85%。斯道拉恩索全新ECO RFID 標(biāo)簽[48]專(zhuān)為單品級(jí)貼標(biāo)和即食食品追蹤溯源而設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)的RFID 標(biāo)簽，ECO Meal標(biāo)簽不需要在商品進(jìn)微波爐前揭除，并可在紙張回收流程中回收。

目前RFID 標(biāo)簽技術(shù)廣泛應(yīng)用于藥品、化妝品包裝中，既有利于生產(chǎn)商、零售商對(duì)產(chǎn)品的推廣，又有利于消費(fèi)者的使用安全，消費(fèi)者可以?huà)呙铇?biāo)簽得到產(chǎn)品的相關(guān)信息及是否被開(kāi)封,從而確定產(chǎn)品的真?zhèn)蝃49]。各大圖書(shū)館[50]也開(kāi)始使用RFID 技術(shù)管理圖書(shū)，實(shí)現(xiàn)了自助借書(shū)還書(shū)、智能盤(pán)點(diǎn)書(shū)目等功能，很大程度上減少了圖書(shū)館工作人員的工作量。

4 期待與展望

4.1 期待

我國(guó)智能包裝技術(shù)起步較晚，雖有眾多科研工作者為之努力，但我國(guó)智能包裝領(lǐng)域仍需大量人才進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)明，另外含重金屬材料的智能包裝的后續(xù)處理仍未解決。期待我國(guó)智能包裝能以多類(lèi)型、低成本、綠色清潔為主的姿態(tài)在包裝行業(yè)擁有一席之地。

4.2 展望

目前，電商行業(yè)興盛，消費(fèi)者樂(lè)于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)商品。但正是由于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)，消費(fèi)者不能即時(shí)看到產(chǎn)品的真實(shí)質(zhì)量，通過(guò)智能包裝的加持，可以讓消費(fèi)者看到產(chǎn)品的質(zhì)量信息，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行追蹤溯源與查驗(yàn)真?zhèn)?，在很大程度上提高了消費(fèi)者網(wǎng)購(gòu)的安全性。

智能包裝由于其自身的優(yōu)越性，在食品、藥品、現(xiàn)代物流行業(yè)與新零售領(lǐng)域有著巨大的潛力?！爸袊?guó)制造2025”戰(zhàn)略中明確提出我國(guó)包裝向智能化方向邁進(jìn)的目標(biāo)[51]?？梢哉f(shuō)我國(guó)的智能包裝發(fā)展定會(huì)成為未來(lái)包裝產(chǎn)業(yè)的主流趨勢(shì)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)查閱近年來(lái)關(guān)于智能包裝的相關(guān)文獻(xiàn)，重點(diǎn)整理總結(jié)了關(guān)于pH 指示器、時(shí)間-溫度指示器、氣體指示器和RFID 標(biāo)簽4 種類(lèi)型智能包裝的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)為智能包裝在未來(lái)的電商業(yè)、食品、藥品、現(xiàn)代物流行業(yè)與新零售領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。

目前對(duì)于智能包裝的研究雖然較多，但除了部分藥品和化妝品等有RFID 標(biāo)簽可查詢(xún)真?zhèn)芜M(jìn)行溯源等，智能標(biāo)簽并未在蔬果肉類(lèi)等食品上進(jìn)行廣泛應(yīng)用。其主要原因是：一些智能包裝的生產(chǎn)成本和加工過(guò)程還有待進(jìn)一步優(yōu)化，以及與食品直接接觸的智能包裝的毒理研究尚不明確等。由于智能包裝在我國(guó)的食品領(lǐng)域的應(yīng)用還處在探索和推廣中，故將相關(guān)研究成果實(shí)際應(yīng)用到食品工業(yè)領(lǐng)域的后續(xù)轉(zhuǎn)化工作亟待加強(qiáng)。