智能活性包裝材料的研究進展

吳楊林 李春偉

摘 要：本文總結歸納了智能包裝材料中變色以及發光包裝材料、智能指示劑及其應用以及智能活性包裝材料的應用進展，并對智能活性材料在包裝領域中的應用前景進行展望。

關鍵詞：智能活性材料; 指示劑; 吸收劑; 智能包裝; 活性包裝

中圖分類號：TS206? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）11-165-002

智能包裝是指與其他包裝相比，它可以對包裝四周環境進行“把握”“鑒別”“分辨”;也可以將包裝內部信息準確傳達的新型包裝。此外它還可以判斷食品的最佳食用期限，保持新鮮度^[1]。

1.智能包裝

包裝從遠古時期便被人們發明和使用，隨著20世紀新材料、新技術的不斷涌現，智能包裝進入了人們的視線。第一代與第二代智能包裝的區別在于前者只利用一種技術，而后者則不止融合一種技術，它們的出現都使包裝更加方便，推動經濟社會發展，更易于消費者使用。1992年，就有專家在倫敦的“智能包裝”會議上提出：包裝或產品的單個組件還是組合組件中，利用一種集成化元件或固有特性把符合特定要求的那一部分融合到商品的包裝中，或者直接體現在商品本身。例如德國的柔性OLED發光包裝是世界首例發光包裝，可以給消費者視覺沖擊，提高購買率。加拿大的Cool light光致變色啤酒包裝是世界首例光致變色啤酒包裝。美國的Oculto光電啤酒包裝開創美國啤酒市場多次先例，采用發光二極管，并利用網絡連接，便可使用手機掃描參加抽獎等。蘇格蘭的Pull&Time有效期變色監控標簽，可以監測食物變化。英國和德國的SABMiller溫度變色啤酒包裝，利用由溫度變化而改變顏色的油墨，再融合印刷技術，將傳感器、顯示、電池技術無縫整合到包裝上，讓消費者根據顯示品嘗到最佳口感。中國的低成本變色監控標簽可以鑒別食品。

2.智能包裝材料

在食品安全問題不斷出現的情況下，智能包裝材料也成為了包裝行業研發的重點。在飛速發展的新時代，研究人員研發出越來越多的新型材料，這些新型材料可以投入到包裝中，結合高新技術，解決之前包裝領域中無法克服的問題。目前，智能材料在感知外界刺激，如壓力、溫度、濕度、PH值、電場或磁場、光等時，具有自我判斷和自我優化的功能^[2]。它使生產和服務實現最優化。

2.1變色包裝材料

變色包裝材料目前階段研究的主要有電致變色，光致變色，熱致變色，壓致變色等。其基本原理是指受到外界某種感應源刺激時，通過顏色變化來做出回應。它可以應用于包裝的很多領域，例如警示提醒，裝飾防護，熒光開關，防偽等。例如用分光光度法來測量食品包裝材料中甲醛含量。鹽酸苯肼、變色酸等在某種條件下與甲醛反應，人們可以根據顏色深淺來判斷甲醛含量。例如可以根據天然花青素的顏色變化來看三文魚的新鮮程度。研究調查發現，美國雜貨店通常根據產品的美學展示來選擇照明，但是很少意識到色溫對于牛奶質量的影響^[3]。因此如果研究出因色溫不恰當而使包裝材料跟著變色的包裝，不僅可以提醒消費者謹慎購買，并保證牛奶質量，還可以避免資源浪費。據了解，以天然食品著色劑為原料合成的生物可降解聚合物，由于著色劑的加入，使樣品具有智能材料的特性，在各種外界條件下會發生非常明顯的顏色變化。

2.2發光包裝材料

發光包裝材料的種類有很多，它是指材料在受到一些外界刺激后開始發光。主要類型有陰極射線發光，電致發光，輻射發光等^[4]。如各種用于交通中的提示牌、發光油墨等。它能夠簡便快速、準確靈敏的測定包裝內物品的情況，為食品安全及其他物品使用安全提供了可靠的保障。例如利用室溫磷光、激發依賴發光、多元防偽編碼以及熒光壽命等納米材料進行熒光防偽和加密。

3.智能指示劑材料

智能包裝按工作原理可分為：材料型、結構型以及信息型三種類型的智能包裝。

3.1時間溫度指示劑（TTI）

TTI系統即時間溫度指示劑系統，通過它把食品的存儲時間和貯存溫度表示出來，是建立在多種學科基礎上的監控顯示系統^[5]。TTI是一種簡單、廉價的裝置，可以附著在食品包裝上，間接反應食品在運輸，存儲和銷售期間的溫度歷史和質量變化，并且能根據食品的質量變化預計最遲銷售時間。

3.2泄露指示劑

泄露指示劑主要是在流通過程中檢測包裝是否產生泄露。對于易腐敗產品包裝大多要求氧氣少、二氧化碳多的形式來延長食品的保存期。泄漏指示劑主要內容是氧氣和二氧化碳， 然后分別用來檢測其含量。此類指示器主要以油墨印刷或標簽形式應用于食品氣調包裝內^[6]。例如研究發現由電鉻，二氧化鈦和EDTA組成的觸發式氧指示劑，經評估可用于改性空氣包裝。

3.3新鮮度指示劑

新鮮度指示劑是指反應和監測包裝內部環境變化。消費者可根據顏色深淺來判斷是否新鮮，從而決定是否購買^[7]。新鮮度指示劑主要應用于肉類、水產品和乳制品等，在果蔬產品上的應用較少。例如將二氧化碳為特征氣體制備能準確反應藍莓的新鮮度的指示劑。美國的Infratab新鮮度指示標簽可通過軟件、監控、追蹤產品在整個供應鏈中狀態，尤其是易腐敗的產品。

3.4乙烯指示劑

乙烯會讓一些不完全可立即食用的果實開始部分成熟，能使水果和蔬菜在一定條件下利用乙烯促進成熟或使其腐敗迅速，使其貨架壽命減短^[8]。例如澳大利亞的聯邦科學與工業研究組織研制出一種特殊的清除系統，與乙烯反應時會出現一種顏色變化，通常呈粉紅色，通過其反應呈現出來的顏色可以判斷是否反應良好，且可以鑒定出乙烯清除劑。

3.5射頻識別技術

射頻識別技術（RFID）是一種非接觸式，具有高安全性以及可以重復利用的數據通信技術。RFID技術在物流包裝中不僅可以識別生產環節的代碼信息，還可以在倉儲環節中進行自動化分揀，運輸環節可以實時記錄物流信息，配送環節可以進行精準核查信息，消費者購買時還可以在商場中查詢商品的相關憑證^[9]。利用RFID技術還可以精準地識別藥品包裝，及時發現藥丸的錯誤信息，并且因為其唯一且難以復制的性能，可以起到高度防偽作用。

4.智能活性材料

活性包裝材料是指在真空、氣調包裝中使用的新型材料，其最直觀的表現就是綠色環保。常見的活性包裝可分為氧氣清除型，抗菌型，溫度控制型，水分清除型，乙烯吸收型，抗氧化劑釋放型等幾類包裝。活性包裝材料對食品方面的應用很廣泛，例如利用淡色啤酒，聚乙烯醇和明膠研制了一種新型的智能活性食品包裝膜，不僅能延長食品中的魚，雞的貨架壽命，而且能對魚，雞的新鮮度進行視覺監測。歐洲特別研究中心將能改變內裝物原來的儲存條件的物質定義為活性包裝。其可以延長食品貨架期，減壓保鮮，起到很好的保質作用。活性包裝的種類包括：氧氣清除劑，乙烯吸收劑，二氧化碳除氧劑等。

4.1氧氣清除劑

氧氣清除劑是指利用一些物質完全吸收或溶解包裝中氧氣的高效包裝技術。如在有水的環境下1g鐵可以與300ml氧氣反應，蒙脫土和殼聚糖等納米顆粒在改性過程中也可以清除氧氣^[10]。以鐵粉為基質制備的復合薄膜，可用于意大利面保藏，觀察可得，微生物生長非常緩慢，由此可以證實鐵可以作為一種有效的氧氣清除劑。同時鐵粉還可以浸漬在聚乙烯薄膜中，通過增加表面積而提高清除能力。經試驗可得，乙醇緩釋劑結合吸氧劑的儲存包裝方式是延長高溫流化糙米貨架期的最佳方法，并且可以保持良好的風味。

4.2水分吸收劑

水分吸收劑一般是指吸水，保水，或防潮。例如以發芽小麥淀粉為原料，添加聚環氧乙烷制備氣凝膠，可得到很好的吸水效果，可以作為食品優良的吸水劑，且包裝成分非常安全。

4.3乙烯吸收劑

乙烯清除劑可以抑制或減少果蔬中的乙烯，從而減緩成熟和腐敗的速度。1-MCP與乙烯吸收劑在黃心梨和獼猴桃上都具有延緩老化、推遲產生褐變的作用，其中以1.0μL/L1-MCP與MA+2效果最佳，乙烯吸收劑是安全可靠的保鮮材料^[11]。

4.4二氧化碳生成劑和除去劑

果蔬在剛摘取后會呼吸產生二氧化碳，氧氣自然減少，可以抑制霉菌、酵母菌生長，使其不會快速腐爛。例如采用間斷高濃度二氧化碳處理的方式延長獼猴桃的貯藏期^[12]。大白菜在氧氣3%～5%，二氧化碳8%～10%的存儲環境及其他適宜的操作下可保鮮五到六個月。在高溫貯藏條件下，高濃度二氧化碳對水稻貯藏效果有顯著作用。在對新產的咖啡包裝中放入可以控制二氧化碳含量的獨立小包，可以使咖啡儲存時間加長。

5.結語

智能活性包裝材料以自身的性能為主，結合高新技術，將材料的感知驅動和信息處理等集為一體，為了更好地運用，人們將其擴展到智能活性包裝上。智能活性包裝可以給消費者提供安全有效的信息，還可以延長食品的貨架期，節省資源，綠色環保等的作用。盡管目前智能活性包裝還有一些問題有待解決，但是毋庸置疑的是傳統包裝必將逐漸被淘汰，取而代之的是新型智能活性包裝。

基金項目：黑龍江省自然科學基金資助項目（LH2019E001）;中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2572018BL09）

參考文獻：

[1] DRAGO E， CAMPARDELLI R， PETTINATO M，et al. Innovations in smart packaging concepts for food： An Extensive Review[J]2020，9（11）：42

[2]張凡.淺談防偽包裝印刷及其發展趨勢[J]印刷雜志，2017，（07）：40-45

[3] WANG A， DUNCAN S E， WHALLEY N W，et al. Interaction effect of LED color temperatures and light-protective additive packaging on photo-oxidation in milk displayed in retail dairy case[J]FOOD CHEMISTRY，2020，323：126699

[4]張彥伍.應用于光學防偽的光致發光材料及性能分析[J]中小企業管理與科技（下旬刊），2018，（09）：192-193

[5] MATARAGAS M， BIKOULI V C， KORRE M，et al. Development of a microbial Time Temperature Indicator for monitoring the shelf life of meat[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies， 2019， 52：89-99

[6]陳丹青，廖雨瑤，李偉，等.泄漏指示劑在氣調包裝中的應用研究[J]包裝學報，2016，8（04）：71-77

[7]王芳，陳滿儒，趙郁聰，等.冷鮮肉新鮮度指示標簽的研究及應用進展[J]包裝工程，2020，41（05）：83-90

[8]郭鵬飛，何昊葳，付亞波，等.氣敏類智能包裝標簽技術的研究進展[J]包裝工程，2018，39（11）：13-18

[9]楊海波，趙爽.基于射頻識別技術的物流包裝及應用[J]全國流通經濟，2020，（12）：20-21

[10]劉金銘，孔保華，王輝.抗氧化活性包裝阻氧性與活性劑應用研究進展[J]包裝工程，2021，42（05）：111-118

[11]趙猛，閻根柱，施俊鳳，等.1-甲基環丙烯與乙烯吸收劑對黃金梨防褐保鮮效果的研究[J]保鮮與加工，2019，19（04）：42-48

[12]陳志偉，戢小梅，李秀麗，等.獼猴桃貯藏及加工研究進展[J]農業與技術，2019，39（24）：38-45

作者簡介：吳楊林，1997年生，女，碩士研究生，研究方向為智能包裝。通訊作者簡介：李春偉，1981年生，男，博士，副教授，研究方向為智能包裝與功能薄膜。