李涵瑜，孫飛龍，羅如夢，張明月，錢婧雪，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

包裝對于生活來說必不可少，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)功能是保護物品免受外界影響，并通過文本、圖像等對物品進行說明，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，就是通過包裝向消費者傳達商品信息從而促進商品銷售。

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

本文將對智能包裝的概念、各種不同類型的智能包裝的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進行概述，并對智能包裝的發(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、對經(jīng)濟環(huán)境沖擊和消費者接受程度（ACTIPAK-FAIR CT98—4170）”的研究項目中，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)品流通與銷售過程中，監(jiān)測包裝食品環(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)品的實時信息，這樣不僅提高了產(chǎn)品的安全性，而且可以跟蹤產(chǎn)品來實現(xiàn)自動識別和可溯源能力[3]。

舉例來說，智能包裝常用于包裝生鮮菜蔬，通過包裝的顏色顯示或者用戶掃描二維碼、條形碼等，使用戶直觀了解到該產(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（頻射識別系統(tǒng)）亦可歸類于智能包裝范圍。

2 智能包裝的發(fā)展現(xiàn)狀

智能包裝是各個領(lǐng)域發(fā)展的綜合產(chǎn)物。如今國際上有許多公司都在進行智能包裝的研發(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。美國山姆和沃爾瑪公司正在使用由美國EnVision 公司提供的ScripTalk 技術(shù)[5]，通過讀取RFID 標簽識別每瓶藥物來幫助視障人士來獲取他們的處方信息，為其提供了很大便利。

智能包裝在我國起步較晚，但是發(fā)展及其迅速。四川愛扽公司發(fā)明的RAS（RFID for Antifaker with Status）使標簽和標的物品實現(xiàn)了一一綁定，確保了被標的物品的唯一性，使得防偽、溯源得以真正實現(xiàn)。目前，四川愛扽公司已與中國防偽行業(yè)協(xié)會、國家食品藥品監(jiān)督管理總局、商務(wù)部、中航信、勁嘉、深圳市防偽協(xié)會等開展廣泛的合作[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)嚴純?nèi)A等[6]研究了一種智能溫度敏感型材料“智能變色標簽”，該標簽可以通過變色過程反應(yīng)內(nèi)裝物過期或者因為溫度影響而變質(zhì)的狀態(tài)等。

3 智能包裝的分類

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

3.1 pH指示器

pH 指示器主要用于檢測食品的新鮮程度。pH指示器的主要原理是通過食品中微生物的代謝活動、酶的消化作用等生長活動產(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 是常見的基于化學(xué)染料的pH 指示器的情況。

表1 常見基于化學(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，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，可能會滲入物體，對人體健康造成隱患。

近年來，使用天然食品著色劑的pH 指示劑越來越多，已經(jīng)被諸多學(xué)者進行研究，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 時間-溫度指示器

時間溫度指示劑（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)隨著時間和溫度的推移，通過多孔介質(zhì)進行擴散，具有可直觀監(jiān)測、方便預(yù)估易腐食品微生物的質(zhì)量等特點[19]。物理型TTI 包含有基于擴散類和納米顆粒的TTI 等，主要表現(xiàn)為有色物質(zhì)間的物理變化。對于擴散類TTI，以色帶的擴散距離作為TTI 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)試劑在一定的時間內(nèi)溫度累積下所發(fā)生的顏色變化，具有易于監(jiān)測新鮮度、低成本、激活方便等特點[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[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)，再通過時間與溫度的積累，致使指示劑顏色產(chǎn)生變化[33]，具有可動態(tài)向消費者顯示食品剩余貨架期、成本低、性能較穩(wěn)定等特點[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)測包裝內(nèi)食品的新鮮度。消費者在選購商品時能夠通過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]。生活中常見的水果蔬菜成熟后會散發(fā)出大量的乙烯，蛋白質(zhì)含量豐富的肉制品變質(zhì)后會產(chǎn)生易揮發(fā)的含氮或硫的化合物，通過特定的氣體指示器來檢測食品散發(fā)出的氣體的濃度來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標簽

條形碼是一種光學(xué)機器可讀的符號，由條形圖案和空格組成，通過識別號表示產(chǎn)品和制造商。由于其形式簡單、價格低廉，條形碼是至今最常用的標識產(chǎn)品和便于庫存控制的符號[44]。射頻識別系統(tǒng)（RFID）是識別領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，該技術(shù)是基于物體上的標簽和詢問器之間的無線（特別是射頻波）通信。與條形碼等其他識別系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更方便產(chǎn)品識別[45]。

ZHOU 等[46]通過將RFID 芯片和傳感器集成到包裝薄膜上用于包裝豬肉，實現(xiàn)了靈活的智能包裝系統(tǒng)。可以使用智能手機方便地檢查產(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)隨熟化的實驗表征和一個帶標簽水果的無源RFID 訊問系統(tǒng)的近場數(shù)值模型，并提取了熟化過程中RFID 鏈路電磁度量的變化規(guī)律。使RFID 系統(tǒng)能夠識別多達3 個成熟水平的包裝水果。在測試中即使由非熟練操作者執(zhí)行，通過識別RFID 標簽，總體準確率也高于85%。斯道拉恩索全新ECO RFID 標簽[48]專為單品級貼標和即食食品追蹤溯源而設(shè)計，不同于傳統(tǒng)的RFID 標簽，ECO Meal標簽不需要在商品進微波爐前揭除，并可在紙張回收流程中回收。

目前RFID 標簽技術(shù)廣泛應(yīng)用于藥品、化妝品包裝中，既有利于生產(chǎn)商、零售商對產(chǎn)品的推廣，又有利于消費者的使用安全，消費者可以掃描標簽得到產(chǎn)品的相關(guān)信息及是否被開封,從而確定產(chǎn)品的真?zhèn)蝃49]。各大圖書館[50]也開始使用RFID 技術(shù)管理圖書，實現(xiàn)了自助借書還書、智能盤點書目等功能，很大程度上減少了圖書館工作人員的工作量。

4 期待與展望

4.1 期待

我國智能包裝技術(shù)起步較晚，雖有眾多科研工作者為之努力，但我國智能包裝領(lǐng)域仍需大量人才進行創(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。期待我國智能包裝能以多類型、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，消費者樂于通過互聯(lián)網(wǎng)購買商品。但正是由于通過互聯(lián)網(wǎng)購買，消費者不能即時看到產(chǎn)品的真實質(zhì)量，通過智能包裝的加持，可以讓消費者看到產(chǎn)品的質(zhì)量信息，對產(chǎn)品進行追蹤溯源與查驗真?zhèn)?，在很大程度上提高了消費者網(wǎng)購的安全性。

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。“中國制造2025”戰(zhàn)略中明確提出我國包裝向智能化方向邁進的目標[51]?？梢哉f我國的智能包裝發(fā)展定會成為未來包裝產(chǎn)業(yè)的主流趨勢之一。

5 結(jié)語

本文通過查閱近年來關(guān)于智能包裝的相關(guān)文獻，重點整理總結(jié)了關(guān)于pH 指示器、時間-溫度指示器、氣體指示器和RFID 標簽4 種類型智能包裝的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，認為智能包裝在未來的電商業(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 標簽可查詢真?zhèn)芜M行溯源等，智能標簽并未在蔬果肉類等食品上進行廣泛應(yīng)用。其主要原因是：一些智能包裝的生產(chǎn)成本和加工過程還有待進一步優(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。