智能包装技术在食品行业的应用概述

PRINTING FIELD 2019.01
一、前言
包装在食品流通过程中起着重要作用。

食品包装能有效保护食品，使食品流通更加便利，避免食品受外界环境条件如微生物、水分、氧气、光线、灰尘和机械作用等因素的影响；在销售方面，食品包装能够展示食品的具体信息，以更好地促进食品销售。

随着食品安全问题越来越多地出现在公众面前，消费者对食品质量和安全性也愈加重视。

食品生产、销售、贮存方式的变化和科学技术的进步，使得包装技术也随之进步。

目前，智能包装技术受到食品工业的广泛关注并得以迅速发展。

智能包装（Intelligent Packaging，IP）具有感知、检测、记实、追踪、通信、逻辑等智能功能，可追踪产品、感知包装环境、通信交流，从而促进决策，更好地达到实现包装功能的目的。

智能包装在整个供应链中都具有信息交流功能（图1），从原材料供给开始，到产品制造、产品包装、物流配送，再到消费者手中，使用后包装废弃物的处置，
智能包装技术在食品行业的应用概述
付秋莹
智能包装承担着信息感知、储存、传递、反馈的重要功能。

二、食品包装中的智能系统
智能包装系统可以通过三种主要技术来实现,具体如下。

1.指示剂
指示剂通过可视的变化，如颜色变化、色彩浓度的增强或颜色沿直线的扩散，为包装食品提供直
图1 智能包装信息交流功能示意图
观和定性（或半定量）的信息。

⑴时间-温度指示剂
时间-温度指示剂（t i m e-t e m p e r a t u r e indicators，TTIs）提供食品物流过程中所经历的温度信息，通过时间-温度积累效应指示食品剩余货架寿命。

其基本原理是基于机械、化学、电化学、酶或微生物学变化，通常以机械变形、颜色发展或颜色运动的形式展现。

如图2所示，T T I可作为小贴纸放入运输容器或单个容器中，如果食物暴露于不同的外界温度，则会反映出不可逆转的化学变化。

目前，时间-温度指示剂已被应用于易腐食品包装、冷链运输和高温杀菌等监测。

⑵新鲜度指示剂
新鲜度指标提供有关因微生物生长或化学变化而导致产品质量变化的直接信息。

利用食品在贮藏过程中产生的某些特征气体与特定试剂产生特征颜色反应、温度激活生物学反应，以及酶作用等引起指示标签变化，判断食品新鲜度。

如海鲜新鲜度指示剂是基于总挥发性碱性氮含量（T V B-N），即挥发性胺，通过电导率和p H值变化检测，展现海鲜的新鲜度。

硫化氢在老化过程中，由肉基质释放的蛋白质与肌红蛋白的颜色相关，所以硫化氢指示剂可用于确定肉制品的质量。

S m o l a n d e r等人根据这一原则开发了一种新鲜度指示器，用于改良禽肉的气调包装。

其他新鲜度指标基于对其他微生物代谢产物如乙醇、二乙酰和二氧化碳的敏感性。

如图3所示，R i p e S e n s e是第一款通过改变颜色来指示水果成熟度的新鲜度标签，它通过果实成熟时释放的香气反应而起作用，最初是红色的，然后是橙色，最后变为黄色。

每种颜色代表水果不同阶段的成熟度，消费者可根据吃水果时期望水果的成熟状态进行选择。

⑶气体指示剂
标签形式的气体浓度指示剂需放置在包装内，用来监测由于包装材料上的渗透现象、微生物代谢以及食品基质上的酶或化学反应而导致内部气体的
（a）新鲜程度
（b）时间带
（c）追踪标记
（d）标记点
图2 TTIs典型示意图
图3 RipeSense指示剂的示意图
PRINTING FIELD 2019.01变化。

气体指示剂也用于评估活性包装组分（例如
O 2和C O
2
清除剂）的功效或检测泄漏的发生。

因为指
示剂放置在包装内，所以在设计时必须满足非水溶性、无毒等要求。

由于氧气和二氧化碳在食品应用中的重要性，近些年来，许多研究都致力于开发氧气和二氧化碳的气体指示剂；一部分气体指示剂也基于氧化还原染料（例如亚甲蓝、2,6-二氯靛酚或N，N，N0，N'-四甲基对苯二胺），还原化合物（如还原糖）和碱性化合物（如氢氧化钠）。

然而，这类指示剂在与包装顶部空间中的湿气接触时会受到染料浸出的影响，而最近出现的紫外线活化比色氧气指示剂，采用封装和涂层技术，很好地解决了燃料浸出的问题。

2.数据载体
数据载体设备，也被称为自动识别设备，使食品供应链内的信息流更加真实有效。

数据载体设备不提供关于食品质量状态的任何类型的信息，而是用于食品供应链的自动化、可追溯性、防盗以及防伪保护等。

此外，数据载体通常放置在第三层包装（例如多箱容器、运输板条箱、托盘、大型纸板包装）上。

食品包装行业中最重要的数据载体设备是条形码标签和R F I D标签，它们属于提高智能系统便利性的主要类别。

⑴条形码
20世纪70年代，第一个通用产品代码（U P C）条形码被应用到市场，由于其成本低且易于使用，被越来越多地用于大型零售贸易和商店。

目前国内常用的一维条码包括U P C码、E A N码、交叉25码、39码、C o d a b a r码等，这些一维条码需要与数据库相连，且防伪性和纠错能力差。

1987年问世的49码(C o d e49)是人们现在熟知的二维条码。

二维条码采用多种元素宽度，是一种多行连续性，且长度可变的字母数字式码制。

随后出现的另外几种二维条码主要有C o d e16K、P D F417、SuperCode、DataMatrix码、MaxiCode等。

随着对二维条码的深入研究，越来越多的条码不断产生，它们信息容量更大、保密性更好、纠错能力更强，在食品安全可追溯系统中得到了广泛的应用。

⑵射频识别系统
R F I D识别是数据载体设备中最先进的技术。

R F I D系统包括三个主要元件：由连接到微小天线的微芯片形成的标签，返回无线电信号并从标签接收答案的读取器，以及桥接R F I D硬件和企业应用程序的中间件（本地网络、W e b服务器等）。

R F I D技术的两个明显特点是能够在标签中大量存储各种代码，并且可以远距离传输和传递信息，从而改进了产品自动识别和可追溯性操作。

先进的R F I D 系统（2.45 G H z超高频有源标签）的读取距离可达100 m，存储容量高达1 M B。

目前，R F I D技术包括有源标签和无源标签两种，主要区别在于有源标签依赖于电池，而无源标签则不依赖于电池。

在食品行业中，R F I D技术主要应用于产品的识
图4 RFID标签
别和可追溯性、冷链监测、牲畜管理和货架寿命预测等。

如嵌入无电池射频发射器的p H传感器，用于原位监测鱼产品的变质过程；带有温度传感器的R F I D标签、气体传感器、阅读器和服务器，构成猪肉新鲜度追踪系统；带有能够测量温度、湿度和挥发性胺类化合物存在的传感器R F I D标签，用于评估鳕鱼的新鲜度。

3.传感器
传感器被认为是未来智能包装系统最有前途和创新的技术。

它是一种能感受被测量物体并按照某种特定规律转换成可用信号的装置。

大多数传感器由四个主要部件组成：
⑴受体，即传感器的感测部分，由发生表面化学反应的取样区域（通常为化学选择性涂层）表示。

检测分析物相关的能量变化（氧化还原电位、pH值、温度或光）而引起受体性质的变化；
⑵转换元件，即传感器的测量部分（例如电极），能够转换能量变化，并将物理或化学信息转换为有用的分析信号（例如电、光学、热学）；
⑶信号处理电子器件；
⑷信号显示单元。

理想的传感器应具备如下特征：
⑴对目标物种的特异性，即选择性；
⑵对目标物种浓度变化的敏感性；
⑶响应时间迅速；
⑷使用寿命长；
⑸体积小以及低成本。

近年来，不同类型的传感器被应用到食品行业，如电化学传感器和发光传感器。

其中集成到食品包装中的柔性印刷化学传感器，可监测到与食品腐败变质和包装泄漏相关的挥发性有机化合物及气体分子。

随着生物技术的突破，可实现生物体内细胞、抗体或酶之类的生物成分的分离和提纯，这些成分可作为生物敏感元件被整合到生物传感器上。

⑴生物传感器
化学传感器和生物传感器之间的主要区别在于识别层。

在化学传感器中，受体是化合物；生物传感器的识别层由生物材料制成，如酶、抗体、抗原、噬菌体和核酸等。

目前，大多数为食品工业应用开发的生物传感器，还停留在概念验证的初级阶段，下一步研究重点在于如何将生物传感器整合到食品包装中去。

美国SIRA技术公司开发了Sentinel食品系统，这是一种包装条形码技术，可以提示消费者产品的安全性。

该技术基于生物传感器原理，即生物传感器携带特定病原体的抗体，呈条形码附着膜的形式。

在存在细菌污染的情况下，并入生物传感器中的墨水将变成红色，并且扫描条形码时不能传输数据。

加拿大Flex Alert公司开发了检测食品供应链中包装食品的大肠杆菌、沙门氏菌以及黄曲霉毒素的商用柔性生物传感器。

⑵气体传感器
气体传感器是进行气体分析与系统检测的部图5 柔性印刷电子传感器
PRINTING FIELD 2019.01
分，即感知气体并确定其浓度的器件，其工作原理是将感知到的气体成分和浓度信息转换为电子信息，从而达到气体测定的目的。

已建立的气体检测系统包括碱性氧化物半导体场效应晶体管、压电晶体传感器、安培氧传感器、有机导电聚合物以及电位二氧化碳传感器等。

然而，这些系统受到各种限制，例如对二氧化碳和硫化氢的交叉敏感性，传感器膜的污染以及分析物（例如氧气）的消耗，并且这些系统在大多数情况下会对产品包装造成破坏。

为了克服上述气体传感器的缺陷，最近的研究主要集中在开发新型氧气和二氧化碳传感器。

Huber 等人提出了一种新的非破坏性和无创性光纤氧气传感器来量化容器和塑料瓶的氧气渗透性。

Borchert 等人开发了一种光化学二氧化碳传感器。

三、阻碍因素及展望
智能包装技术在提高食品的安全性、质量、可追溯性以及方便消费者等方面具有着重要的作用，因此关于智能包装技术的研究越来越多。

发达国家关于食品安全方面的智能包装已研究了较长时间，并被大范围应用于实际生产中，而国内市场中却很少见到应用智能包装技术的食品。

阻碍智能包装技术在国内食品市场发展的因素有以下几点。

⑴消费者的食品安全意识不强以及对有关智能包装技术方面的知识有所欠缺；
⑵食品市场监管尚不健全，假劣产品随处可见的环境中，部分生厂商和经销商不希望智能包装的出现；
⑶国内技术水平相对落后，不能保证安置于包装内的智能包装物质的安全性，并且包装成本较高。

随着食品安全意识逐渐增强，消费者强烈希望能够减少食物质变、腐烂和药物过期等损失，因此智能包装在食品行业有着广阔的上升空间和发展前景。

当然，要想立足于国内食品市场，智能包装技术的发展还需考虑很多因素。

首先，要求技术进步，确保智能包装物质的安全性，降低食品包装生产成本；其次，提高消费者对智能包装技术认可度，对包装内的智能系统进行充分的标识，让消费者亲身体会到智能包装技术所带来的安全和便利；最后，顺应可持续包装理念，解决包装循环利用的
问题。

作者单位：天津科技大学
关键词：智能包装 指示剂 数据载体 传感器。