活性包裝與智能包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用進展

劉濤，李帥，張海波，孫秀蘭，葉永麗*

（1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室，食品學院，食品安全與質量控制協同創新中心，江蘇 無錫 214000；2.火星人廚具股份有限公司，浙江 嘉興 314400）

果蔬是一類營養豐富的食物，不僅能夠為人們提供日常生活中必需的營養物質，還能預防肥胖、糖尿病、高血壓和冠心病等多種慢性疾病[1-2]。我國作為農業大國，果蔬的產量以及消費總量均居世界前列。然而，由于缺乏有效的貯藏保鮮方法，我國每年約有1.3 億t 蔬菜和1 200 萬t 水果在貯藏運輸過程中發生腐敗變質，損耗率占總量的20%～30%[3-4]。此外，誤食腐敗變質的果蔬會引起人體胃腸道功能紊亂，嚴重時可造成人體臟器損傷。因此，開發有效的貯藏保鮮方法對于延長食品貨架期、降低食物浪費和保障食品安全具有十分重要的意義。

食品包裝是食品供應鏈的重要組成部分，對果蔬保鮮至關重要。有效的包裝不僅降低了外部環境和機械損傷對果蔬質量造成的不良影響，還能減緩果蔬呼吸作用并控制果蔬水分流失和微生物生長。活性包裝和智能包裝是兩類新型的功能性包裝，其通過與果蔬的保鮮方法相結合，可延長果蔬貨架期并實時監測果蔬質量變化[5]。其中，活性包裝利用包裝內的活性物質進行果蔬貯藏環境的動態調節，來延長果蔬貨架期[6]；智能包裝則借助指示劑和傳感器實時評估果蔬質量和貯藏環境變化，來提供果蔬的質量信息[7-8]。

目前，智能包裝和活性包裝已在食品行業得到廣泛應用。然而，除了極少數已經商品化的智能包裝和活性包裝外，許多研究仍處于實驗室應用階段，無法在實際場景中進行應用。因此，本文綜述活性包裝和智能包裝在改善果蔬貯藏環境和監測果蔬質量變化中的最新研究進展，并分析其在實際應用中面臨的挑戰。同時，探討新型果蔬包裝技術未來的發展方向，以期為新型包裝技術的開發提供參考和幫助。

1 活性包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用

2009 年，歐盟在發布的《食品接觸性活性和智能材料及物品新規》中將活性包裝中與食品相互作用的包裝系統定義為“人為添加的用于吸收包裝內食物吸收及釋放的或包裝內環境中的物質”[9]，即借助包裝作為活性物質的載體，改善食品貯藏環境，以延長果蔬貨架期（圖1）。根據包裝功能的不同，可將活性包裝分為氣體清除包裝、抑菌包裝和濕度調控包裝等。

圖1 活性包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用Fig.1 Application of active packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

1.1 氣體清除包裝

適宜的氣體貯藏環境可降低果蔬呼吸作用、抑制果蔬表面微生物生長并減緩果蔬氧化進程[10]。作為基于自發氣調研發的新型氣體調控策略，氣體清除包裝借助氣體吸收劑或清除劑動態調節包裝內的氣體成分。氣體清除包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用見表1。

表1 氣體清除包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用Table 1 Application of gas scavenger packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

1.1.1 O2清除包裝

包裝內O2含量過高時，會加劇食品的氧化和微生物的生長[21]。O2清除包裝借助氧清除劑（金屬粉末、α-生育酚、抗壞血酸和鄰苯三酚等）與包裝內O2進行反應，以快速降低包裝內O2濃度，縮短氣體平衡的時間[22]。

鐵粉是食品工業中應用最廣泛的商業氧清除劑，具有價格低、使用簡單和安全性高的優勢。Escobar等[11]將鐵粉與聚丙烯酸鈉粉末混合作為脫氧劑，發現其質量比為1∶1 時，包裝內O2和CO2的濃度在25 d 內穩定控制在16.8% 和5%，將露露果的貨架期延長至25 d。Nimitkeatkai 等[13]評估了商業O2清除劑Oxygen Absorber Help Save?和C2H4清除劑Ethyl-GONE?對楊梅的保鮮效果，結果顯示，該活性包裝能緩解楊梅質量、顏色和抗壞血酸含量的降低，將楊梅的貨架期延長至30 d。Singh 等[14]使用涂膜鄰苯三酚的低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）薄膜用于去皮大蒜的包裝，可將大蒜的貨架期延長至30 d，顯著降低大蒜貯藏期內的呼吸速率、質量和微生物數量。

1.1.2 CO2清除包裝

高濃度的CO2能抑制微生物生長，但同時也會引起果蔬酸化并加劇無氧呼吸作用，對果蔬的感官品產生不利影響。CO2清除包裝借助NaOH、KOH 和CaO等活性物質來降低包裝內CO2的濃度，以改善果蔬貯藏環境[23]。

Aday 等[15]研究了商業CO2氧氣清除劑EMCO-B（2Na?CO?·3H?O、Na2CO3、NaCl 和膨潤土）對貯藏期內草莓質量的影響，結果表明，EMCO-B 能顯著降低草莓糖代謝過程并維持草莓的感官品質，將草莓貨架期延長至30 d。為了簡化包裝步驟，Wang 等[16]使用瓊脂作為基質、甘油作為增塑劑、碳酸鈉和甘氨酸鈉作為CO2清除劑制備了一種用于蘑菇貯藏的包裝膜，該薄膜可將包裝內CO2濃度控制在3%～4%，低于蘑菇貯藏5%的耐受限值。此外，該薄膜還能吸收包裝內過量的水分，降低了蘑菇貯藏5 d 后的顏色、硬度和風味等感官品質的損失。

1.1.3 C2H4清除包裝

C2H4是一種具有催熟作用的揮發性氣體，能夠調節果蔬發育和成熟的過程。然而，高濃度的C2H4會導致果蔬過早成熟，甚至腐爛。據統計，由于C2H4過高導致的食物浪費占水果總產量的10%～80%[24]。因此，清除包裝內過量的C2H4對調控果蔬成熟、延長果蔬貨架期十分重要。常用的C2H4清除物質可分為合成抑制劑、吸收劑和催化劑[25-26]。

1-MCP 是目前應用最廣泛的C2H4抑制劑，能與C2H4競爭結合C2H4受體并抑制多個轉錄因子的表達[27]。周嘉佳等[17]將1-MCP、聚丙烯酸和乙基纖維素混合物涂抹在紙基材料上制備了1-MCP 緩釋包裝紙，使用該包裝紙不僅降低了杏果的呼吸作用，還能緩解杏果硬度、可滴定酸和可溶性固形物含量的損失。沸石、活性炭和金屬有機框架等是一類具有高比表面積的C2H4吸附材料，可將C2H4進行高效的吸附[18]。然而，隨著貯藏時間延長，吸附劑對C2H4的吸附效率可能會顯著降低[28]。與吸附劑相比，KMnO4、O3和ZnO等催化劑具有更高的C2H4清除能力[29]。Al2O3納米纖維膜對KMnO4具有高負載性能，以Al2O3納米纖維膜負載KMnO4制備的C2H4清除包裝膜，能在25 min 內降解包裝內73%的C2H4，可延緩香蕉成熟過程[19]。為進一步提升KMnO4的C2H4催化性能，Wang 等[20]利用KMnO4可催化分解吸附于浮巖表面的C2H4的特性，開發了一種同時具有吸附和催化作用的新型C2H4清除劑，可將牛油果每小時的C2H4和CO2產量分別控制在0 μL/kg 和25 μL/kg，使牛油果貨架期延了7 d。然而，KMnO4毒性較高不宜與食品直接接觸。雖然將KMnO4與果蔬包裝材料相結合能提升食品安全性，但會改變包裝材料的顏色，影響消費者的消費欲望。因此，開發適合特定果蔬的乙烯清除包裝薄膜，在提高乙烯清除性能同時，改善包裝材料的理化性質，仍是未來研究的主要方向。

1.2 抑菌包裝

抑菌包裝以包裝材料作為抑菌劑載體，通過緩慢釋放抑菌劑，可實現對果蔬表面微生物的長效控制。抑菌包裝常用抑菌劑按其成分不同可分為天然抑菌劑、有機抑菌劑和無機抑菌劑3 類。

植物精油是從植物中提取的一種揮發性芳香物質，具有優良的抗菌抗氧化活性，已廣泛應用在果蔬保鮮中[30]。然而，傳統的精油涂膜和熏蒸處理雖然操作簡便，但其強烈的氣味可能影響消費者的購買意愿[31]。因此，需要將精油與微膠囊包埋、多層薄膜封裝和靜電紡絲技術相結合，以進一步提升精油的穩定性并掩蓋氣味[32]。Shao 等[33]制備了肉桂精油微膠囊并將其與紙基材料相結合，制備了具有抑菌活性的肉桂精油緩釋蘑菇包裝紙。微膠囊系統的引入不僅降低了精油的氣味，還能延長肉桂精油在紙基材料上的釋放時間，改善了貯藏期內蘑菇的硬度，避免水分凝結加速蘑菇腐爛。有機抑菌劑價格低、抑菌性能較強，更適合在抑菌包裝中進行大規模應用[34]。殼聚糖（chitosan，CS）是一種安全和可降解的多糖物質，已廣泛應用于新型食品包裝材料的研發中[35]。為了提升CS 薄膜的機械和抗菌性能，Liu 等[36]使用了CS、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）和多孔石墨氮化碳（graphitic carbon nitride，g-C3N4）制備了新型食品包裝膜，PVA 提升了CS 薄膜的機械性能，多孔的g-C3N4具有光催化活性殺菌劑，使用該包裝薄膜可顯著抑制草莓表面大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，將草莓的貨架期延長至96 h。此外，CS-PVA-g-C3N4復合膜能夠進行溶解再生，重生后的包裝薄膜的機械性能和抗菌性能并不會發生顯著降低。與有機抑菌劑相比，無機抑菌劑安全性更高且不易產生耐藥性。Jiang 等[37]在研究海藻酸鹽/納米Ag 涂抹處理對蘑菇保鮮效果的影響時發現，納米Ag 能抑制香菇表面酵母菌和霉菌的生長，降低了蘑菇的質量損失、質地軟化和褐變程度。同樣使用涂抹方式，Koushesh等[38]研究了ZnO/羧基纖維素活性涂層對即食石榴貯藏保鮮的效果，涂層中的納米ZnO 顯著降低石榴表面的酵母和霉菌的數量。與有機抑菌劑相比，使用無機抑菌劑的抑菌涂層對并不會對果蔬本身的口感和風味產生影響，使其更容易被消費者接受。然而，無機抑菌劑的抑菌效果會受到納米顆粒形狀、大小和濃度等因素的影響[39]。因此，抑菌包裝材料的配比和應用必須考慮不同的場景。

1.3 濕度調控包裝

貯藏環境相對濕度較高時，不僅會加速腐敗微生物的生長，還會影響果蔬感官品質。為克服傳統果蔬包裝膜水蒸氣透過率較差的問題，濕度調控包裝將吸濕劑以小袋包裝、襯墊或托盤等形式添加至包裝內，可實現高效的濕度調控功能。用于吸收包裝內水分的吸濕劑按照成分不同可分為有機吸濕劑和無機吸濕劑兩類。

果糖是糖類物質中吸濕性能最強的單糖，它在環境濕度相對濕度大于55%時開始吸收水分，并且能長時間保持吸濕性。研究人員在對比含有不同濃度果糖的果盤對草莓的保鮮效果時發現，果糖的添加量為30%時，果盤的吸濕性效果最佳，并且草莓在貯藏5 d后減重不到0.9%，遠低于6% 的最低可接受度[40]。無機吸濕劑的吸濕能力更強，且具有較高的耐熱性，更適合通過熔融擠壓成型工藝添加至包裝材料中。Rux等[41]制備的3 層結構濕度調節托盤可減少包裝內氣體與外界環境發生氣體交換，并阻止了吸濕劑向果蔬表面遷移，中間層添加12%NaCl 時可將托盤的吸水量提高約73%。然而，吸濕托盤在吸收水分時也加劇了果蔬水分的損失。因此，針對不同貯藏需求的果蔬仍需進一步優化吸濕劑的種類及濃度。

近年來，針對果蔬的不同特性開發了多種類型的活性包裝，在維持果蔬感官品質和延長果蔬貨架期中發揮著重要作用。將活性物質以小袋包裝的形式添加至包裝內，雖然能在短時間內調節果蔬貯藏環境，但存在誤食和破損等安全隱患。將活性物質與包裝材料相結合是解決該問題有效的方法，但兩者兼容性較差。此外，目前已報道的許多活性包裝存在成本高、穩定性差的問題，無法產業化應用。因此，在未來的發展中，如何提高包裝材料的穩定性、降低包裝成本和提升消費者的接受度，仍然是活性包裝產業化亟待解決的問題。

2 智能包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用

智能包裝是一種新興的食品包裝技術，可實時監測包裝內果蔬的pH 值、溫/濕度、微生物代謝物和化學物質等指標，并將其轉化為直觀的顏色或數字信號，以提示消費者丟棄變質食品并減少食物浪費[42-44]。根據包裝功能的不同，可將智能包裝分為新鮮度監測包裝、氣體監測包裝和溫度監測包裝等，智能包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用見表2。

表2 智能包裝在果蔬貯藏保鮮中的應用Table 2 Application of intelligent packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

2.1 新鮮度監測包裝

在貯藏、運輸和銷售過程中，果蔬會因微生物生長和自身生理活動而失去新鮮度，同時包裝內某些特征物質（CO2、有機酸、揮發性鹽基氮和H2S 等）也會發生改變。通過監測這些物質在包裝內的積累水平與pH值變化的關系，可準確判斷果蔬的新鮮度。目前，智能包裝中用于響應pH 值變化的主要是基于pH 值敏感性染料（溴百里香酚藍、溴酚藍、甲基紅、花青素和姜黃素等）[43]。此類染料在感知pH 值變化后能產生明顯的顏色變化。

為了以非接觸的方式監測果蔬的新鮮度，許多研究者開發了基于pH 值敏感染料的新鮮度指示標簽。Kim 等[46]使用油墨打印機打印了用于監測蘋果新鮮度的指示標簽，該標簽能夠感應蘋果釋放的乙醛，通過標簽上甲基化顏色的變化能夠準確判斷蘋果的新鮮度。此外，3D 打印技術也可用于新鮮度指示標簽的制備。Zhou 等[49]使用同軸3D 打印技術制備了一種多功能指示標簽，其外殼為負載藍莓花青素的纖維納米纖維，內殼為CS/1-MCP。使用該標簽可將荔枝的保質期延長至6 d，同時借助花青素的顏色變化能夠精準指示荔枝的新鮮度。這種具有果蔬保鮮與新鮮度監測雙功能3D 打印指示標簽，有望克服智能包裝功能單一的不足，為開發多功能智能包裝提供了新的思路。Zong等[48]將紫甘薯多酚提取物加載到淀粉/明膠薄膜中，開發了金針菇新鮮度監測的包裝薄膜，隨著金針菇貯藏時間的延長，薄膜的顏色由最初的綠色變為灰紫色，最后變為黃色。然而，包裝薄膜直接與食品接觸，使用未知安全水平的合成化合物可能會對消費者健康構成威脅[56]。因此，在開發指示新鮮度的包裝薄膜中應盡可能的考慮天然染料。

2.2 成熟度監測包裝

成熟度監測包裝是一種新型的食品包裝，它采用指示標簽、傳感器等技術手段來監測果蔬的成熟度[57]。此類包裝可實時、非接觸地測量包裝內C2H4、揮發性醛、硫化物和顏色等變化，以幫助消費者了解水果的食用質量。

Iskandar 等[50]使用乙烯-乙烯醇共聚物、甘油和鉬酸銨制備了用于監測牛油成熟度的指示標簽，該標簽能感知牛油果成熟過程中釋放的C2H4，且標簽顏色變化與果實品質下降之間具有較強的相關性。除了乙烯之外，許多果蔬成熟階段釋放的揮發性醛和硫化物也可用于指示果蔬的成熟度。其中，揮發性醛可用于獼猴桃[52]、松露[58]和水蜜桃[59]的成熟度指標，而硫化物指標主要作為榴蓮的成熟度指標[53]。Ripesense?作為世界上首個商業化應用的水果成熟度指示標簽，可感知梨成熟過程中釋放的芳香化合物，通過指示標簽的顏色變化以準確判斷梨的成熟度。該設計與借助指示劑的智能包裝相比，基于傳感器的新鮮度監測包裝能更加快速和靈敏判斷果蔬的成熟度。Li 等[51]研發了基于還原氧化石墨烯/二硒化鎢/鉑異質結的電阻型乙烯傳感器，該三元異質結傳感器在室溫下對乙烯表現出更高的靈敏度和更快的p 型響應，對10 mg/L 乙烯的靈敏度為0.001%，響應和恢復時間為33 s 和13 s，可精準判斷香蕉的成熟度。然而，傳感器的使用無疑增加了包裝的成本。因此，如設計簡單便捷以及經濟實惠的傳感器，對未來傳感器在智能包裝中的大規模應用十分重要。

2.3 溫度監測包裝

食品在貯藏過程中的溫度波動會顯著影響果蔬的感官品質及營養價值，因此實時監測食品貯藏期間環境的溫度變化對于判斷食品的質量十分重要。傳統的食品溫度監測器只能對貯藏環境的溫度進行整體檢測，而溫度監測包裝能感知和記錄單個食品溫度的積累變化過程。時間溫度指示劑（temperature-time integrator，TTI）是目前果蔬溫度監測包裝中應用最廣泛的指示系統，除了能夠用于感知和記錄果蔬貯藏期內溫度變化的歷程，還能作為因溫度波動而造成食品質量損失的指標。

TTI 發揮作用主要依賴于酶、機械和微生物等之間的反應，這些反應往往能夠產生一系列不可逆的變化，從而判斷果蔬貯藏期間的溫度變化過程。目前，市場上已有許多成熟的TTI 技術，主要有Monitor Mark?、TimeStrip Plus TTI?和Fresh-Check?等產品。在特定的貯藏溫度下暴露一段時間后，指示器上的藍色條帶會從左向右遷移，肉眼觀察藍色條帶的位置即可準確判斷包裝內食物的溫度時間變化過程。除了借助TTI 判斷果蔬的溫度時間變化過程，還能根據阿倫尼烏斯方程分別計算食品與TTI 的活化能（activation energy，Ea），當兩者之差的絕對值低于25 kJ/mol 時，TTI 還能作為預測食品質量的指標[60]。例如，Yang 等[55]開發的一種由功能層和指示層組成的擴散型TTI。在TTI 被激活后，功能層中的顯色元素將擴散到指示層中。通過研究TTI 的顏色變化，構建了獼猴桃、草莓和芒果質量的預測模型，該模型能準確預測水果的質量損失、可溶性固形物與維生素C 的含量、可滴定酸度和抗氧化能力等水果質量指標，誤差小于15%。作為一種無損、非接觸、低成本和精準的果蔬質量判定方法，該TTI 有望在食品行業得到廣泛應用。

目前，已報道的智能包裝大多是基于果蔬單一指標的評估，而忽略其它對產品穩定性和質量影響顯著的因素。因此，可通過多種指標的同時測定，更準確地捕捉果蔬新鮮度、成熟度等的變化，以提升評估果蔬質量的準確性和靈敏度。此外，可將活性包裝可與智能包裝相結合，在發揮抗菌、抗氧化和其它貯藏功能的同時，實現果蔬質量監測功能。未來，智能包裝的研發應更注重多指標評估技術的開發，在降低成本和符合法律監管的同時，擴展其實際應用的可行性。

3 活性包裝與智能包裝應用面臨的問題與挑戰

歐美等發達國家在功能性包裝的研究起步早、應用成熟，而我國雖然在功能性包裝行業取得了許多創新性的研究成果，但研發的包裝很少能夠投入實際應用，且目前市場上大規模應用的包裝材料主要依賴進口。所以，開發出能夠實際應用的、擁有自主知識產權的和經濟有效的功能性包裝十分重要。

目前，活性包裝和智能包裝在實際應用時面臨的障礙和限制主要有：1）已報道的許多功能性包裝都是在實驗室可控環境中進行測試的，實際應用時復雜的外界環境會嚴重影響包裝的性能，換言之，這些包裝材料并不穩定，在接觸復雜的外界環境后極易被破壞。因此，應繼續開發兼容性更高的包裝材料，在確保有效發揮包裝功能的同時，保持其穩定性；2）包裝內添加的活性物質大多需要與食品或包裝材料直接接觸，才能發揮功能性包裝的最大效果，這些活性物質可能會隨著貯藏時間的延長逐漸滲入食品中，其是否會對消費者的飲食安全造成影響，仍需要進一步驗證。所以，在開發功能性包裝之前，必須仔細評估其對食品安全造成的影響，使其實際應用時符合相應的法律法規；3）新型的成膜包裝材料大都不可降解，大規模的應用會造成一定的環境污染問題。未來，隨著合成生物學的不斷發展，生物基的包裝材料將逐步代替以聚合物為主的包裝材料，這些新型材料將擁有更高的安全性和可降解性；4）商品化的功能性包裝價格較貴，如何降低包裝得加工成本有待進一步解決。進一步優化包裝材料的生產工藝、繼續開發用于智能包裝的活性物質，仍是目前的研究重點。

4 總結與展望

功能性果蔬包裝是基于傳統果蔬包裝開發的新型果蔬保鮮策略，其不僅具有傳統食品包裝的容納、保護和展示的功能，還能延長果蔬的貨架期并監測包裝內果蔬的質量變化，受到了人們廣泛關注。隨著包裝技術的不斷發展以及大規模應用，功能性包裝在降低食物浪費、保障食品安全和降低經濟損失中展現出巨大潛力。

未來的工作應主要集中在以下兩個方面：首先，研發新型的包裝材料和活性物質，使其不會對食品質量造成影響，并繼續降低包裝成本；其次，改善包裝材料與活性物質之間的相互作用，使活性物質在食品包裝內持續穩定的釋放，以提升果蔬貨架期。隨著人們對于綠色環保、低碳生活要求的不斷提高，可降解、多功能和安全可靠的食品包裝將逐步代替傳統以聚合物和紙基為主的食品包裝。此外，隨著萬物互聯技術的不斷發展，功能性包裝將通過網絡和終端設備幫助人們有效判斷和篩選他們需要的食品。