2018年《智能包装》栏目优秀论文推送
王艳娟，王桂英，王艺萌
（东北林业大学，哈尔滨）
摘要：目的研究智能包装科技成果在食品包装领域的应用进展。方法综述食品智能包装的科技特点，按照工作机理分类对制品智能包装的应用进行解读。探讨食品类智能包装在中国外的演进现状，及现在影响智能包装发展的安全难题。结果智能包装的加入在饮料包装的安全检测、追踪溯源等方面发挥着非常重要的作用，其虽然推进了食品包装的用途化、信息化和智能化，并且提高了食品包装的安全与管控水平。结论智能包装是将来食品包装发展的研究热点和方向，还必须着力提升食品智能包装科技的科普率。
关键词：智能包装；食品包装；包装科技；应用发展
现在，包装是现代货物贸易必不可少的元素，起到保护产品不受内部条件制约的关键作用。包装制造是一个中国性的行业食品包装技术题库，其特征是外部的多样性。随着他们对食品包装安全的日渐关注，着重表现在消费者对延长新鲜肉类保质期的需求上，制造商为满足行业需求需要提供现代和安全的智能包装，这对饮料包装市场来说既是挑战也有包装科技新一轮发展的动力。智能包装成为最有演进潜力的包装科技之一，融合了诸多新型包装科技，使更多的智能化元素应用于食品包装中，以便达到便于储存和运输、延长肉类的货架期和保持食品味道品质等功用，最大限度地为食品安全提供保障，为消费者提供更方便的服务。在中国，随着智能包装的应用日益受到推广，智能已变成包装市场的演进方向，也是食品包装发展的必定趋势。
1食品类智能包装的科技特点
特色的食品包装是从食品自身出发进行保护，智能包装科技更多地关注影响食品品质的内部原因，如微生物、氧气、异味和光线，其借助对外界环境的检测、控制，达到确保食品品质和延长食品货架期的目的。智能包装科技最大的特征是信息化，模拟人类对外界信息的个别感知用途，用来检测食品的新鲜度、医药制品的真伪等，形成了一套完美的智能机制。随着智能包装科技的日趋成熟，在食品、印刷工程、通信工程、物理、无机生物等多门学科中已受到广泛应用。食品智能包装在稳步追踪并迅速反馈食品质量信息的同时，方便了制造商对制品问题的处置，提高了管控效率，为食品质量和营养价值提供了最大限度的保障。
2智能包装在食品工业中的应用
食品包装创新的目标在于优化、组合或延展等基本用途，由食品包装创新逐步缩减到智能包装的研发，这一演变反映出制品工业对智能包装的需求。食品智能包装在应用过程中可以推动对包装环境的认知、记录和测试，利用有效的包装方案节约资源，减少产品损失，并缓解供应链中制品的品质和安全难题。按其工作原理将智能包装分为：功能材料型、功能结构型、信息型。主要表现于运用材料、结构对包装进行切实干预，使得在包装功能和食品保障上进一步受到规范；运用信息的汇总、控制和处置提升对包装管理平台进行改进。
2.1功能材料型智能包装
运用用途材料型智能包装的主要目的是为满足这些特定包装的需求，通过在包装工艺中应用一些具有用途性的包装材料食品包装技术题库，来提高和降低包装的个别功能。与特色包装材料相比，智能包装材料会与包装制品进行互动，改变包装食品的条件，提高生物安全性和触觉特性，在确保品质的同时延长食品的保质期。植物叶子是最早用于“智能”包装的材料，在欧洲、亚洲和非洲等地区，采用动物叶子对制品进行包装是保留下来的特色。利用不同的动物叶子所具有的清香、着色物质、酶或抗酸物质与肉类相互作用，发挥其色泽、感官特点及其抑制微物理腐败的功能。随着他们构建的加深，植物树叶在饮料包装中随着频率和时间的差异而变化的特点也被用于烹饪或成为新鲜度指标。目前，智能包装材料在肉类、药品包装中受到了广泛应用，这类材料常见作指示型包装和气体形成吸收型包装。
2.1.1新鲜度指示型包装
食品腐败的主要原因是得到微物理污染、自身酶的制约，以及环境浓度、湿度、光和氧的功效。新鲜度标示型包装通过测试制品腐败变质过程中形成的CO2气体、挥发性含氮化合物和H2S等成分来指示新鲜度。芬兰VTT生物物理试验室研发了一款新鲜度指示剂，专门对于肉、禽类新鲜度进行测试，指示剂中所带有的肌红蛋白可以与产品造成的挥发性氧气H2S相结合，生成白色的硫化物肌红蛋白。将此新鲜度标示剂放在包装内部，只要有H2S气体生成，指示剂就会出现可视性色彩差异。英国某大学开发的一款新鲜度智能指示塑料包装袋，通过在包装材料中添加一种特殊添加剂，可智能反应出包装食品的品质问题，当放置的食物新鲜度增加到某一界限，智能塑料包装袋就会出现颜色变化。
2.1.2泄露型指示包装
泄露指示剂用以测试制品包装在流通环节中的完整情况。气调包装成为未来鲜切和新鲜肉类包装的主力军，常在其外部放置标签形式的气体泄露指示剂，起着监测包装内部气体构成差异的作用。
氧气指示剂利用气体传感器指示包装内部氧气的存在，并对液态阶段和溶解态进行量化。典型的可视化氧气指示剂是运用氧化还原染料进行操作，Mills报道的UV激活氧气指示剂薄膜，将电子体SED和砷化镓催化剂纳米颗粒SC一起封装在聚合物上面，利用氧化还原染料对气体的脆弱性进行判定，比如甲基蓝在无氧状态下显示无色，一旦遇到氧气，无色甲基蓝立刻被氧化为白色。非可视氧气指示剂是一种会发出荧光的内源指示剂，通过扫描可以在不妨碍食品品质的状况下对气体浓度进行检测，如Zeev等人开发的纳米级荧光氧气传感器，可以完成鼠类吞噬细胞没分子氧浓度的监测，较可视性标示剂非常客观具体。
2.1.3气体形成和吸收型包装
包装内的氢气会加速食品的氢化变质，影响风味，降低营养品质，缩短保质期，因此控制制品包装中的氮气含量，可选用脱氧包装技术将包装中的氧浓度降至196.4mg/m3。®氧气吸收剂是世界上第1枚自动粘贴氧气吸收剂，将其粘贴于必须保护的制品包装内，可以有效避免制品酸败和营养价值损失，在包装市场已取得中国和国际奖项。目前以铁粉氧化为基础的脱氧剂使用最为广泛，日本的三菱瓦斯化学公司打造了一款二价铁氧气清除剂，将该修复剂贴于包装内即能有效消除包装内的氧气含量。
CO2可以促进食物表面微生物的生长繁衍，降低呼吸频率，所以高温度的CO2对延长食品储存期限相当有利。三菱瓦斯化学公司制造了一种名为“保险锁囊”的产品，它展现着吸收包装袋内的O2和CO2，此产品已成功应用于咖啡包装中。
乙烯会加速食物和水果的成熟，即使在低密度下也会使果实软化和衰老，导致蔬菜变黄，出现斑点，因此包装内的乙烯需要消除。日本的®和®乙烯吸收剂运用沸石嵌入聚乙烯来吸附包装内的乙烯气体，此种吸附剂极大地降低了水果和马铃薯的软化，以及洋葱中氨基酸的降解。在食物储藏包装中常见带有高锰酸钾的硅胶作为烯烃吸收剂，将吸附剂封装在带有乙烯高渗透率的小袋中，乙烯吸收剂通常配合脱氧剂使用，将两者放在食物包装模式中，吸收乙烯后高锰酸钾从白色氧化成黑色。
2.1.4其他类型包装
中国某公司研发的一种金属薄膜，在外力作用下薄膜会出现色彩变化。由最初的柔和色调成为黑色，且薄膜会开始脱落，剥落部位发生花纹，为消费者发出警告讯号，提示该包装极大可能已被启封过，此类包装材料很合适成为包封记号。
2.2功能结构型智能包装
功能结构型智能包装指为满足安全的产品包装、可靠的仓储物流等诸多特定需求，从而对包装结构进行相应的降低或优化的一类智能型包装。相较于功能性材料的研制，功能结构型智能包装多借助于物理数学原理，大多数是化学学上的机理，通过变革整合并且食品包装更具备简便性和安全性，为其提供更好的行业效果。在用途结构型智能包装中最典型的有手动报警、自动加热和自动冷却。
在自动报警包装模式中，包装袋上方嵌有借助压力作用推动报警的封闭报警系统。当包装袋内的制品质量出现差异时，其膨胀造成的压力经常小于预设置的压力值，报警系统都会被开启，这样可以提醒消费者食品已发生质量问题，同时顾客也可依此将商品下架。
自动加热的速食餐包装是未来智能包装的一个重要应用，自动加热型包装是一种运用压铸形成的多层、无缝的容器，容器内层分多个房间，利用简单的物理原理，在没有内部热源的状况下释放热量自动控温食品。日本自动加热的烧酒罐，在饮用前只应该在罐底的凹槽内插入“附用”的塑料小棒，水便会在瞬间与生石灰混合到一起，只需3min才能将一罐清酒加热至58℃。自动冷却型包装较加热型层次要少，生产商将冷凝器、干燥剂、蒸发槽放在包装内部，利用形成的蒸汽和液体可在短时间持续增加食品温度。CrownCorkseal公司和公司合作研发的自动冷却罐，能在3min内将一罐355mL的饮料温度升高16.7℃。自动控温、冷却这2种智能型包装面对的消费群主要是野外作业人士，如冒险、钓鱼、单车爱好者等。
2.3信息型智能包装
信息型智能包装科技主要是指在整个流通链中以体现包装内容物品质变化信息为主的新型包装科技。信息型智能包装可以推动对制品的精细化管理，对肉类存储、运输到销售整个过程中的食品品质、环境、参数信息进行追踪，为食品的安全提供更高效率的保障。常见的信息型智能包装科技有条形码技术、RFID技术、TTI技术。
2.3.1条形码技术
条形码在饮料包装和运输管理中处处可见，它的应用已有20年之久，其技术已非常成熟。生活中常用的条形码主要是一维码和二维码，相非常而言，二维码具有编码密度高、信息量大、防伪功能强和成本低等方面的特点。在中国范围内，每天都必须长期运用到条形扫码，应用范围更是包含了各个市场和领域，在食品类中条形码更是起到安全追溯的作用。美国大学开发的一款智能化微波加热包装，通过微波炉上采用的条码扫描仪对编入食品加工信息的信息码进行扫描，与微处理器协作合作控制微波炉的加温效果。这种包装就变成一个在饮料、包装和微波炉之间设立起方便信息通道的契机。应用条形码技术能迅速地进行信息的获得，极大地便利了他们的生活，且确保了食品的质量。
2.3.2RFID技术
射频识别（RFID）是一种基于标签读取的手动识别系统，这种科技可以在没有人为干预下使用无线传感器来辨识产品并搜集数据。目前，国内外专家利用RFID技术结合包装标识实现了对酒类原产地的溯源和供应链流程的管控，其中包含关系人民生活的肉、蛋、奶、蔬菜、水果、生鲜肉类和农作物等。在美国RFID电子标签已经如同商品条码一样普及，国内智能包装方面RFID也开始应用于食品品质监督，如2007年上海已将RFID电子标签应用于月饼包装，为消费者提供了产品的品质信息。RFID标签读取能力超强，可以借助调用器将数据库中信息进行处置并执行，极大地便利了产品分类和货物流通管理。现今RFID技术虽然可以存取温度、相对湿度等即时信息，甚至可以读取营养成分和烹调指引等信息。近几年，在RFID的基础上又提供了一种信息交换的方式，国内外已有将RFID用于活体动物从出生到屠宰全过程的范例。
研究证实，RFID食品追踪系统优于黑白纸条形码，它推动了供应链的可视性，使得供应链上的迅速自动化步骤透明化，产品信息推动了共享。2015年RFID标签的使用量已超过10000亿枚，有专家预计，在不久之后，智能标签将贴在每个独立包装产品上，从RFID的需求上从而见得，智能包装颇具广阔的行业形势。2009年五粮液集团斥巨资购入了RFID系统，用来满足对其高端产品的安全防伪和原产地追源等用途的还要。使用RFID标签后，每瓶五粮液酒都拥有其特有的标签，避免了人为设置和伪造。此外，采用RFID系统改进和提高了五粮液集团产品的操作步骤，使得包装流水线的运作及产品流通和物流极其准确化、数据化和完善化。
2.3.3TTI技术
有些饮料人们习惯以制造日期来判定是否变质，而以牛奶为代表的还要冷链物流的肉类对温度特别脆弱，因此在运输链条上控制其储存温度变得尤为重要。在这种的背景下，时间频率指示器TTI应运而生。近几年来，对TTI的研究和关注也愈发越多，在许多文献中已显示温度指标（TTI）已深入食品包装领域。TTI是借助时间频率累积效应来指示食品温度的差异历程，预测剩余货架期等信息。按照工作原理，TTI分为物理型、酶型、微物理型、纳米型等，在使用过程中按照形状或结构出现不可逆的差异来认知所处环境的颠覆。法国的“不二价”连锁商店将TTI标签正式应用于新鲜食品中。这种标签形似射击用的靶心，在正中心的圆环内带有一种特征化合物，外围是许多圈套圈的透明圆环。利用食品上的细菌随着频率下降和时间减短而降低的特点，当内圈变黑时，就表明食品不再新鲜，消费者可以按照标签色彩的差异来判定食品能否因高温存放时间过久而变质。统计显示，使用这些标签后商场客户退货现象显著降低。
3食品类智能包装科技的演进现状
3.1食品智能包装在国内的发展
食品智能包装模式在美国一些国家的应用发展已日渐成熟，针对智能包装在食品安全上的应用，一些发达国家已进行了较长时间的研究，并有很广的应用范围。据学者推测，新一代智能包装是食品包装的今后。据估计，所谓创新型包装的总量约占包装市场单价值的5％，其中35％属于智能包装系统。尽管现有智能包装在所有包装的销售价值中所占的总量不大，但从专利申请数量和授权总数上从而窥见其销售量在将来几年会逐渐下降。在国内，新鲜度、TTI指示标签或者RFID系统等智能包装科技尚未实现了商业化。国外的一些研究小组将食品包装与RFID技术相结合，通过射频辨识系统鉴别食品反应分泌的聚合物，获得观测信号电子势的差异，用以判定食品的品质和剩余货架期。日本某公司开发出一种用于动物制品保鲜的智能包装材料“”，该抗菌材料由离子工艺制成，根据沸石阴阳离子交换的机理，抑制微生物的生长繁衍，尤其适合鱼类饮料的储存。可果美公司借助采用无线射频识别科技（RFID），使每个西红柿都附有可记录来源的RFID卷标记录，通过RFID卷标提供的信息在增加可果美生产效益的同时使产品的来源更透明化。
3.2食品智能包装在中国的发展
随着全球经济的演进，世界包装行业总规模从2002年的3828亿港元下降至2012年的6739亿港元，年均复合增长率为5.82%，表明包装市场在中国范围受到大幅、稳定的下降。由于我国在智能型包装方面起步较晚，所以现在正进入迅速发展阶段。在政府相关制度的扶持下，中国智能包装市场也受到了不错的效益。中国农业高校成功开发出应用于猪肉新鲜度标示的TTI标签，上海海洋大学开发出应用于饮料包装的迅速检测食品新鲜度的“电子鼻”和监测致病菌“生态芯片”，这都将有助于我国智能包装科技的演进。随着RFID技术在我国的逐步推广，电子门票在旅行景点、演出会、运动会等场合都受到了应用，2008年上海奥运会更是首次将射频识别科技应用于奥运门票中，成功地提升了奥运门票的防伪能力和检票速度。根据推测，预计到2018年世界包装工业总收入将超过10000亿港元。根据统计资料显示，截止“十二五”末，我国包装企业已发展到25万余家，其中小型规模企业有3万余家。2015年包装工业总收入突破1.8万万元，位列全国38个主要工业门类的第14位。在食品包装科技方面，智能包装主要应用于延长肉类的货架期和饮料卫生安全的监控，集中于指示剂的应用。
智能包装的特点是显而易见的，但仍然存在着影响发展的诱因，尤其明显的是成本和安全难题。食品智能包装涉及一些先进科技，具有较高的开发利润，一般占整个包装成本的50%~80%。一种智能包装的形成除了要经过漫长的开发期、测试期、推广期，还要考量失败的或许性，在利润控制精益化的行业经济氛围下，好多企业并不愿意进行这种风险投资。对于消费者来说，智能包装其实保证了饮料的安全性，但是较普通包装的价格要高，所以能否可以接受，还不太能确定。
包装被定义为防护产品的屏障，从这个含义上讲，包装应与产品互不妨碍，因此在饮料智能包装材料中，还应考量材料的构成成分向食品迁移的或许性，如新鲜度标签、气体泄露指示剂等，一些带有活性的物质也许会迁移到食物中，或是在包装线的运营管理中引起相应问题。包装中化学成分的迁移程度和迁移剂的毒性这二者就会给人类健康带来风险。欧美等国家对特定物质的迁移限量都有相应法规，主要方式为借助迁移实验来量化食品中的有害物质，以此进行判断，一般包装中化学成分的迁移限量为0.01~60mg/kg。RFID标签在检测食品质量、提供相关产品信息方面发挥着越来越重要的作用，但是现在也存着数据易缺失泄露，缺乏相应行业标准，高频射线对身体的健康有妨碍等弊端，这些都影响着RFID的行业推广。
4结语
随着时代的演进，包装所肩负的功能也愈发越多。食品包装在具备包装所带有的基本用途外，同时也对食品安全和管控等方面强调了规定。虽然食品智能包装存在一定的安全隐忧，但瑕不掩瑜，智能包装成为效果明显的包装方案将会给食品包装工业带来革命性的颠覆。21世纪的智能包装，将着力突出延长食品保质期、监控食品品质等用途。随着制造科技的不断优化，生产者和消费者用途模式知识的累积以及食品安全的有效运作，预计在将来几年，智能包装将作为食品包装发展的导向，因此有必要更好地理解智能包装科技，掌握它的体系，减少不利方面的制约，并基于潜在危害进行精确检测。
第一作者：王艳娟（1993—），女，东北林业学校本科生，主攻食品智能包装科技。
通信作者：王桂英（1968—），女，博士，东北林业学院副主任，主要研究方向为包装工艺与设施、智能包装科技。
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