智能包裝技術在食品供應鏈中的應用研究進展

周云令，魏 娜，郝曉秀，王再英，李俞函

（天津職業大學包裝與印刷工程學院，天津 300410）

隨著經濟時代的發展，食物浪費與食物損耗日漸成為一個全球性的問題。據聯合國糧食及農業組織粗略估計，全球每年約1/3（約13億 t）的糧食被損耗或浪費[1]。與此同時，氣候變化政府互助組織報告中指出[2]，2010—2016年由食物浪費引起的人為溫室氣體排放所占比例達8%～10%。在食品供應鏈中，包裝是維持食品品質、減少食物浪費以及保障食品安全必不可少的環節。傳統包裝多利用包裝材料的阻隔性對產品進行“被動”保護[3-4]。活性包裝技術將包裝的功能由“被動”轉為“主動”，即通過加入抗菌劑、抗氧化劑、釋放劑、吸收劑等主動調控包裝內部環境，對食品起到更好的保護效果[5-7]。盡管活性包裝技術延長了食品保質期，減少了食物浪費，但其存在食品信息傳遞（如食品品質變化信息，外界與內部環境交換信息，生產、消費及貯存信息）的監測盲區。

智能包裝最大的優勢在于其能夠實時跟蹤產品，便于信息交換，為包裝決策提供信息支持。同時，消費者對新鮮產品的迫切需求以及直觀的品質辨識度需求為智能包裝帶來了新的發展契機。據英國一家公司預測[8]，2019—2023年，全球智能包裝市場規模將增長30.2億 美元，復合年均增長率達8%。《中國包裝工業發展規劃（2016—2020年）》強調重點發展綠色包裝、安全包裝、智能包裝，大力倡導適度包裝，強力推進軍民通用包裝，全力構建資源節約、環境友好、循環利用、持續發展的新型產業格局[9]。通過Web of Science檢索，近十年來，以“intelligent packaging”和“smart packaging”為主題的文章數目分別達2 596 篇和1 637 篇，自2012年起，關于智能包裝研究的文章數量大幅增加，平均文章數目為150 篇/年；在中國知網上，以“智能包裝”為主題的文章為743 篇，對比可見，國內關于智能包裝的文獻數量滯后于國外。另外，智能包裝高昂的成本、新材料的安全性以及較低的認可度一直是阻礙其市場化的主要原因[10]。綜上，智能包裝的研究已成為包裝領域研究的熱點，國內相關研究的概述還不能滿足智能包裝技術推廣宣傳的需求。

本文通過綜述國內外智能包裝的發展歷程，厘清了智能包裝的定義與分類；同時，概述了智能包裝在食品領域的研究進展，并指出智能包裝的發展趨勢。以期推廣智能包裝技術的應用，減少食物浪費。

1 智能包裝的概述

1.1 智能包裝的定義

傳統包裝的基本功能主要有4 種：保護、交互、便捷、容納[11]，而智能包裝屬于包裝交互功能的延伸。智能包裝的定義存在眾說紛紜、界定不清的問題。學術界對智能包裝認可度較高的定義主要有3 種：1）1999—2001年歐洲學會研究項目“Evaluating safety, effectiveness,economic environmental impact and consumer acceptance of active and intelligent packaging (ACTIPAK-FAIR CT98-4170)”中，將智能包裝定義為：在運輸和貯存過程，一種可監控包裝食品狀態，提供包裝食品品質信息的系統。2）2005年，Yam等[12]將智能包裝定義為是一類具有如檢測、感知、記錄、追蹤、交流、邏輯等智能功能的包裝系統，該系統能在延長貨架期、增強產品安全、提高產品品質、提供有效信息、警示產品問題等方面提供有效的幫助。3）2004年和2009年歐洲食品安全局分別頒布的食品接觸材料法規Regulation (EC) No.1935/2004以及Regulation (EC) No.450/2009中將智能包裝定義為可以監測食品和環境信息的包裝材料或物品[13]。在眾多對智能包裝的定義中，第二種較為全面、廣泛，為現今多數學者、機構沿用[14-18]。因此，本文對于智能包裝的定義以此為準。

值得一提的是，智能包裝英文檢索詞“intelligent packaging”與“smart packaging”在學術界存在一定的爭議。在某些期刊雜志與學術論文中，二者可以進行替換[19-20]，也有學者認為二者不可替換，認為“smart packaging”是結合智能包裝與活性包裝的一種新型包裝[12,21-22]。

1.2 活性包裝與智能包裝的區別

歐洲食品安全局食品接觸材料法規Regulation (EC)No.450/2009中提到，活性包裝是一種在食品及其所處環境中進行物質吸收或釋放的系統[13]。活性包裝出現較智能包裝早，是對包裝進行“重新思考”的產物。在早期食品包裝領域中，智能包裝被認為從屬于活性包裝。實際上，二者在定義及作用上有明顯的區別，活性包裝是包裝中保護功能的延伸，而智能包裝是包裝中交互功能的延伸[12]（圖1），智能包裝在供應鏈循環中主要負責監測產品自身或所處環境的信息，而活性包裝會主動采取措施（如釋放抗氧化劑）來保護產品。

圖1 活性包裝與智能包裝的區別[12]Fig.1 Difference between active packaging and intelligent packaging[12]

1.3 智能包裝與智能包裝技術的關系

明確智能包裝與智能包裝技術的關系，對理解智能包裝具有重要意義，而多數文獻對兩種概念的闡述比較模糊[23-25]，易引起混淆。智能包裝技術主要是指實現信息交互的各類技術手段（如時間-溫度指示劑（time-temperature indicator，TTi）、射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術）。而智能包裝（系統）是一個系統性概念，智能包裝系統的實現需要借助智能包裝技術、智能包裝設備以及物聯網技術。2005年，Yam等[12]提出了食品供應鏈中智能包裝（系統）概念圖（圖2），其將智能包裝（系統）分為4 個模塊，由智能包裝技術（設備）、數據層、數據處理和食品供應鏈數據流組成。智能包裝技術是一種技術手段，如果將指示劑類、傳感器類以及RFID類智能包裝技術理解為智能包裝，那對于智能包裝的認識會變得狹隘。

圖2 食品供應鏈中智能包裝（系統）示意圖[12]Fig.2 Intelligent packaging (system) in food supply chain[12]

2 智能包裝技術的分類及應用

國內對智能包裝技術的分類方法主要有兩種：1）按指示劑類、傳感器類、信息技術類加以區分[10,26-28]；2）以功能材料類、功能結構類、信息技術類為區分[23]。兩種分類方式從不同的角度概括智能包裝技術的種類，但類別間的區分較模糊、界定不明確；同時，新興技術也相繼出現并應用于智能包裝[29-30]，進一步放大了該分類弊端。為避免造成類別混亂，本文從智能包裝的定義出發，結合新出現的智能包裝技術，將智能包裝技術分為環境感知類、品質感知類和信息交換類。

2.1 環境感知類

除了食品本身的因素外，環境因素（如溫度、濕度、機械壓力等）是影響食品安全與品質的間接因素。環境的改變可能引起食品品質相關的動力學變化，加速食品的腐壞。因此，部分智能包裝技術將環境因素的變化作為評估食品品質的主要因素。環境感知類智能包裝技術主要是指一類監測食品包裝外部或者內部環境條件的傳感器或指示劑。環境感知類智能包裝技術主要包含TTi、泄漏指示劑、氣體指示劑。

2.1.1 時間-溫度指示劑

TTi體積小、使用簡單、監測效率高，可有效監測食品的品質，提高消費者對食品的信任度。TTi作為一種顯示產品累積時間-溫度歷史的設備或智能標簽，可通過時間-溫度積累效應來實時監測并記錄產品從制造、貯運到消費者之間各個環節的溫度歷史，保證食品的實際品質和安全性，被廣泛應用于易腐壞產品的品質檢測[31]。

根據指示劑中顏色變化工作原理的不同，TTi可分為物理型、化學型、生物型以及酶型4 類。物理型TTi主要是依靠有色物質間的物理變化（如物理擴散），這類物理變化均與溫度、時間等參數有密切關系，物理型TTi包括擴散類TTi、納米類TTi等；化學型TTi是依靠分子或化合物間的化學反應而產生顏色的變化，其反應速率受到溫度與時間的影響，常見的化學型TTi包括聚合類TTi、光致變色類TTi、氧化還原類TTi；生物型TTi通過檢測微生物在特定溫度時間中產生的酸性物質來標定指示劑顏色的變化，常見的生物型TTi包括乳酸菌類TTi、酵母菌類TTi；生物酶的水解作用與酶促反應是酶型TTi產生顏色變化的重要因素，而酶的水解作用、酶促反應與溫度關聯度較高。酶型TTi相對其他類型的TTi來說，具有性能穩定、生產成本低以及可控性好的特點[32]。常見的酶型TTi包括水解作用類TTi、酶促反應類TTi。表1列舉了不同類型TTi所用基材及應用。

表1 部分TTi基材及應用Table 1 Substrates and applications of time-temperature indicators

TTi相較于其他智能包裝技術來說，工藝簡單，成本較低，已被廣泛應用于監測和評估冷凍食品的品質[48]。表2給出了部分商業化的TTi及其供應商。

表2 不同類型TTi商業名稱及供應商Table 2 Different types of time-temperature indicators and their suppliers

2.1.2 泄漏指示劑/氣體指示劑

食品供應鏈的每一個環節都可能發生包裝泄露，造成包裝內部環境的改變，間接對食品的品質產生影響。如包裝內氧氣的含量會直接影響微生物生長速率以及油脂的氧化程度，進而影響產品的品質。泄漏指示劑或氣體指示劑能夠監測食品包裝中氣體成分（如CO2或者O2）變化，提醒消費者產品安全。

空氣中CO2的含量較低，可作為包裝泄漏的理想監測目標。Yusufu等[56]研發出一種基于比色分析的真空包裝氣壓指示劑，通過監測真空包裝環境中CO2的含量來指示包裝的完整性。該指示劑依靠溶于乙基纖維素非水溶液的pH顯色劑（鄰甲酚酞）的顯色變化來對CO2含量的變化產生響應，可用作食品真空包裝完整性指示劑，且價格低廉。

比色氧氣泄漏指示劑是應用較廣泛的一類泄漏指示劑。該類指示劑多以納米級粒子作為光催化劑來控制氧化還原染料（如亞甲基藍）的顯色反應。實驗中常將指示劑噴涂在塑料薄膜上來制備氧氣指示劑膜[57-59]。

比色氧氣泄漏指示劑的發展方向為低成本化、制作工藝簡便化。Lawrie等[60]研發一種可噴墨打印的紫外線激活的氧氣指示劑。指示劑由氧化還原染料（亞甲基藍）、半導體光催化劑（TiO2）和犧牲電子供體（酒石酸）組成，通過噴墨打印的方式噴涂在聚酯薄膜上，形成氧氣泄漏指示劑薄膜。Khankaew等[61]開發出一種新型的紫外線激活的生物型氧氣泄漏指示劑，該指示劑由聚合物、生物型染料、納米半導體（ZnO、TiO2）、電子供體（甘油、山梨糖醇）、表面活性劑組成，實驗證明氧氣濃度與指示劑的變色具有良好關聯性；同時，其制作工藝簡單，具有廣闊的市場應用前景。

自然光波對光催化型比色氧氣指示劑存在一定的干擾。Wen Jenwei等[62-63]研發一種非侵入式的氧氣泄漏指示劑，分別以載有Ag的TiO2納米管（Ag-TNT）、合成TiO2納米管兩種材料作為光催化劑，與亞甲基藍和羥乙基纖維素制備成氧氣指示劑。實驗表明，以Ag-TNT、合成TiO2納米管為半導體光催化劑能有效排除自然光波（波長＞380 nm）干擾，同時縮短指示劑的激活時間。

由于比色氧氣指示劑對氧氣的敏感度高，需存儲在厭氧的環境中，導致其應用成本過高。Jang等[64]開發出一種壓力激活式的比色氧氣指示劑，將指示劑的3 種成分（亞甲基藍、葡萄糖和氫氧化鈉）分裝于兩個不同腔室，使用時只需通過壓力使腔室間隔膜破裂，有效解決了比色氧氣指示劑儲存成本高的問題。Won等[65]利用天然化合物（漆酶、愈創木酚和半胱氨酸）重新設計比色氧氣指示劑，以兩個腔室進行常規儲存，使用前壓力破除阻隔膜即可解決其需厭氧儲存問題。

氧氣泄漏指示劑所采用的氧化還原染料存在滲漏的問題。Vu等[66-68]研究3 種不同包封物（藻酸鹽聚合物、卡拉膠、多巴胺）與氧氣指示劑膜中染料滲漏的關系，通過將不同包封物涂覆在指示劑薄膜上，制備不同性能的氧氣指示劑，有效解決了染料類氧氣指示劑膜與水接觸時發生的染料浸出問題，避免指示劑對食品的二次污染。

泄漏指示劑適用于肉制品品質的監測。Insignia Technologies公司開發了一款泄漏指示劑Leak Detection IndicatorsTM（圖3），使用時只需將指示劑粘貼在外包裝膜上，當包裝發生泄漏時，指示劑的圓心會變成藍色[69]。

圖3 商業用泄漏指示劑實例Fig.3 Examples of commercial leak indicators

2.2 品質感知類

品質特性感知類的智能包裝技術不再依靠某一要素（如溫度、時間）側面反映食品的品質，其對食品品質的監測更直接、全面。

2.2.1 新鮮度監測技術

隨著人們生活水平提高，食品的腐壞度不再是人們評判食品品質的唯一標準，而新鮮度評判是未來食品發展的一種重要方向。食品的新鮮度受自身新陳代謝的影響，食品類型、微生物類型、儲存條件以及包裝形式等因素會影響食品的新陳代謝。新鮮度檢測技術常以食品的代謝產物（如葡萄糖、乙醇、有機酸、三磷酸腺苷降解產物和生物胺）與指示劑間響應關系來預測食品的新鮮度[17]。

新鮮度監測智能包裝技術的發展方向趨于低成本化與非破壞式檢測。Anusankari等[70]開發出一種基于熒光傳感薄膜的光學檢測傳感器，可定性/定量檢測肉制品的新陳代謝產物——氧氣、CO2的濃度變化，用來判別肉制品的新鮮度，所設計的傳感器具有非破壞式、簡便、低成本等優點。Ezati等[71-72]以揮發性鹽基氮（total volatile nitrogen，TVB-N）含量為檢測指標，利用茜素作為染料成分，分別開發基于纖維素-殼聚糖、基于淀粉纖維素的茜素染料的茜素新鮮度指示劑，通過監測碎牛肉、冷凍虹鱒魚片的新鮮度，證明開發的新鮮度指示劑變色范圍與TVB-N含量具有良好的響應關系。

光譜成像與氣相色譜法可有效檢測食品新陳代謝產物，該技術手段也被廣泛應用于食品新鮮程度監測中。Cavanna等[73]利用離子遷移譜法耦合氣相色譜法，鑒別不同新鮮度雞蛋的化學揮發物，通過建立數據模型來有效預測雞蛋新鮮度，該方法具有檢測快、靈敏度高、效率高等優點。Cheng Junhu等[74]將多光譜成像技術應用于魚片新鮮度監測中，通過多光譜圖像中的關鍵波長進行建模，并同時預測魚片化學變質過程中TVB-N含量、硫代巴比妥酸反應物值和K值（鮮度指標），驗證了開發快速在線監測新鮮度系統的可行性。

2.2.2 成熟度監測技術

部分食物經采摘或加工后，會進入貯存、流通以及消費等環節，每個環節都可能發生食品的熟化，影響其新鮮度。因此，監控食品的成熟度對保證食品品質以及提高消費信心有重要作用。成熟度指示劑/傳感器是通過監測產品熟化過程中的代謝產物及副反應來達到監測指示的目的。Diaz等[75]利用氣相色譜串聯質譜法監測不同熟化時間下龍舌蘭酒的揮發物質，得出揮發物質含量與熟化時間的關系，探索其在龍舌蘭酒品質控制中的效用。有效積溫是評價蔬菜及水果作物的成熟度的重要指標，Lee等[76]開發出一種預測甜瓜成熟度的方法，該方法借助基于美拉德反應的TTi，監測有效積溫并預測甜瓜的成熟度。

成熟度指示劑適用于果蔬等產品的包裝。水果的成熟度會影響其口感，Jenkins公司開發了一種成熟度監測商用的標簽Ripesense?（圖4），通過標簽與果蔬成熟過程中釋放出的酯類物質產生顯色反應來監測產品的新鮮度及口感[77]。

圖4 商業用成熟度指示劑實例Fig.4 Examples of commercial maturity indicators

2.3 信息交換類

包裝既是產品的載體，又是產品數據信息的載體。智能包裝能實現信息的自動存儲、識別以及交換功能，有效幫助生產者及分銷商降低成本，使消費者提升消費體驗。數據信息交換類智能包裝技術主要包括條碼技術、RFID技術、增強現實（augmented reality，AR）技術等。

2.3.1 條碼技術

條碼技術利用光學識別原理工作，將數據信息儲存在特定寬度及厚度的圖形標識符號中，并通過特殊設備進行信息識別。根據形狀的不同分為兩種類型：一維條碼和二維條碼。一維條碼是以寬度不等的黑白條杠按特定規律線性排列而成；二維條碼則采用二維幾何圖形進行編排。條碼技術能實現信息的快速讀取，且無需額外的設備及人員。表3是包裝中幾種常見的條碼及圖示。

表3 包裝中常見的條碼及圖示Table 3 Common barcodes and icons in packaging

2.3.2 射頻識別技術

RFID是一種基于無線傳感器的自動識別技術，能夠以非接觸的方式自動讀取特殊標簽的信息。通常RFID系統包含3 個部件：RFID標簽、讀寫器以及數據管理系統[78-81]。其中，RFID標簽內置信號發射的天線及數據儲存的芯片，讀寫器用于采集RFID標簽內部信息，數據管理系統用于接收及處理讀寫器收集的信息。RFID標簽根據供電方式的不同，可分為主動式標簽、被動式標簽以及半主動式標簽：主動式標簽（也稱有源標簽）內嵌電池，能夠實時與讀寫器進行數據交換；被動式標簽（也稱無源標簽）內部無供能裝置，只有當讀寫器靠近時才能激活數據傳遞的功能；半主動式標簽內部也存在電源，但與主動式標簽不同，其電池僅供芯片的數據存儲功能，無法實現信息的實時交互[82]。RFID技術具有可追溯性、效率高、非接觸式等特點，被廣泛應用于肉制品、乳制品、漁業、烘焙以及飲料行業[83]。

傳感器技術與RFID技術的結合是現代食品質量安全的一個方向。貯運過程中影響食品品質的重要因素有3 個：微生物生長而引起的酸度變化、濕度的變化以及溫度的變化[84]。在冷鏈中，溫度傳感器與RFID結合使用能提高供應鏈管理的效率、減少浪費、降低成本。Shafiq等[85]開發了一種無源RFID溫度傳感器，用于監控易腐壞食物或藥品的冷鏈環境溫度，為了控制使用成本，其設計的傳感器還可重復使用。Lorite等[86]設計了一種基于溶劑相變點的臨界溫度傳感器，利用顏色不可逆變化的原理并結合RFID技術，實現了對易腐壞食品的實時監控。Trebar等[87]利用RFID與溫度傳感器結合方式，監控鱸魚在物流中的溫度變化情況，確定鱸魚運輸過程中保存的最佳方式。將RFID技術與濕度傳感器結合，亦可以有效監控并分析內包裝的環境，保證食品安全。Nair等[88]基于無芯片RFID開發出了一種濕度傳感器，可用于監測環境濕度的變化，具有良好的應用前景。食品品質受多種因素的影響，RFID與多參數傳感器技術的結合是解決食品品質監測有效性的一種技術手段。Quintero等[89]開發了一種半主動式RFID智能標簽，該標簽能夠進行多參數的測定，該智能標簽可有效地測定內環境的溫度、濕度以及氨含量。

RFID技術在推廣應用中面臨一些問題，如成本過高、金屬箔包裝中存在信號被削弱或屏蔽的現象。借助現代印刷技術制備無芯片的RFID標簽是解決RFID標簽成本問題一種方式。Feng Yi等[90]研發出一種能監測濕度的無芯片RFID標簽，該RFID標簽能夠直接打印于傳統包裝上，極大降低了RFID標簽的制造成本。Shao Botao等[91]設計一種基于電容/電感諧振原理的無芯片RFID標簽，結合疊印工藝實現RFID標簽的無芯片化。噴墨打印技術是實現RFID標簽生產低成本化的重要途徑。Wang Yan等[92]利用噴墨打印技術，結合表面改性和化學沉積工藝制造了RFID柔性金屬天線，為RFID標簽低成本化提供了可能。

2.3.3 增強現實技術

AR技術是利用計算機創建的虛擬圖像來增強現實環境的技術，通過計算機模擬仿真形成虛擬圖像，將其疊加于現實的環境中，形成一種現實與虛擬混合的環境[93]。相對于RFID技術，AR技術的優勢體現在交互體驗環節，能激發一種全新的消費體驗，從而吸引消費者興趣。值得一提的是，AR技術的體驗環節無需消費者或零售商再花費額外的設備費用（使用智能手機即可），無疑讓AR技術更具有市場競爭優勢。Blippar公司將AR技術應用于兒童軟糖的包裝設計中，將趣味游戲嵌入AR系統進行商品營銷與推廣[94]。Skywell Software公司將AR技術與3D跟蹤在線內容傳遞技術結合，實現在智能包裝中轉播足球實況，借以增加產品與消費者交互體驗[95]。AR技術在食品包裝中的應用見圖5。

圖5 AR技術在食品包裝中的應用實例Fig.5 Examples of the application of augmented reality in food packaging

3 結 語

智能包裝滿足了人們對食品品質、安全方面的深層次需求，為傳統包裝行業帶來了新的發展契機，智能包裝運用于海鮮類、肉類等產品的報道已屢見不鮮，但智能包裝實現真正意義上的商業化還需時日，存在以下4 個方面的問題：1）成本問題。智能包裝設備及材料的費用占智能包裝成本約50%～100%，遠超常規包裝，導致其成本偏高[22]。同時，某些智能包裝技術應用過程中還需負擔額外的設備支出，導致消費者與零售商對智能包裝的接受度不高，這些因素都制約了智能包裝的市場推廣。2）監測的可靠性。食品腐壞受多種因素（如食品種類、初加工、包裝工序）的影響，研究中多以單因素（如溫度、濕度）的監測值預測食品品質情況，監測結果與品質間相關性有待進一步驗證。另外，智能包裝預測食品品質所用的數據模型與真實結果間的關連性也會影響智能包裝的可靠性。3）安全性。部分智能包裝會直接與食品接觸，其所用材料及分解產物可能發生毒性遷移問題，會對食品安全性構成威脅，國內尚缺少評估智能包裝材料毒性及遷移問題的測試方法及模型。4）立法問題。歐盟于2004年和2009年分別頒布了關于食品接觸性活性和智能材料及物品新規Regulation (EC) No.1935/2004、Regulation(EC) No.450/2009，國內尚未有權威的立法來確保智能包裝流通及檢測的安全性。

智能包裝的實時監控功能對食品安全有重大意義，未來的發展趨勢主要有以下3 個方面：1）低成本化。如利用印刷電子技術、噴墨打印以及3D打印等技術，制作低成本的無芯片RFID。2）新材料新技術。納米科技技術可用于智能包裝的研發中，如開發微型/納米傳感器，讓智能包裝技術運用更加便捷。3）多功能的智能包裝。將多種技術手段結合，能拓寬智能包裝的應用范圍，提升其附加值，如傳感器技術與RFID技術的結合、活性包裝技術與智能包裝技術的結合、納米技術與RFID技術的結合。