智能包装研究及应用进展

智能包装研究及应用进展摘要：包装的创新旨在提高、结合或者是扩展传统包装的四大基本功能。智能包装就是包装创新的体现，它是指对环境因素具备“识别”和“判断”，并对感知信息作出响应的功能型包装。本文阐明了智能包装的定义与分类，详细分析了智能包装在国内外的发展、应用现状及市场前景，并提出了智能包装在各个领域的发展趋势，如时间-温度指示剂（TTI）、气体指示剂（GI）、射频识别技术（RFID）等领域。本文不仅全面地总结了智能包装的发展历程，并且是包装研究人员的创新灵感来源。关键词：智能包装；食品包装；指示剂；RFID引言虽然传统的包装对早期的商品物流系统做出了巨大的贡献，但随着现代社会变得越来越复杂，社会中的每一个个体（商品生产、加工、物流运营商、零售商和消费者）都需要具有创新性的包装,来保证商品的安全、质量和可追溯性，这需要可以集成在包装的技术。为了包装创新商业的可行性和成功性被目标群体所接受,他们必须符合日益严厉的监管要求，最低限度地添加防腐剂，最后获得比使用新技术的花费还要有益的结果。此外，包装的创新也应该旨在减少环境压力，考虑可持续发展问题（防止浪费、有效地利用资源、流程优化、回收和再利用）。如图1，传统意义上包装的功能有四个，分别是保护、流通、便捷和储存。这几个功能并不是互相排斥的，例如，食品包装通过信息流通功能可以为消费者提供便捷的使用方法，也可以为生产者提供物流信息以实施监管。活性包装的出现突破了传统包装难以保存新鲜食物的缺陷。但是，随着科技的发展，智能包装将在活性包装的基础上结合物理、化学、计算机等科技使得包装“智能化”，智能包装能够在一定程度上代替人工，做出有效的沟通和合理决策，并且第一时间能够获取、存储、处理和分享信息。智能包装和聪明包装往往在各种会议和研讨会上交替使用,但这些术语也被几个期刊和杂志的作者赋予不同的含义。Brody等人[1]定义的智能包装为一个可以感觉和沟通的包装系统,而聪明包装是一个同时拥有活性包装和智能包装的功能的术语。Clarke[2]定义的智能包装是一个包含逻辑能力的术语，聪明包装是一个具有沟通功能的术语。Rijk[3]定义的智能包装,通过监控包装中食品的条件来传达关于在运输和储存过程中食物质量的信息。这些定义的一个主要弱点是他们自由地组合智能包装（聪明包装）的特性，却没有认真判断其意义和目的。模棱两可,含糊不清的定义也大大限制了智能包装的效用。1智能包装的定义根据《现代汉语词典》，“智能”这个词的定义是“智慧和能力”，可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况做出优化反应，发挥控制功能的能力。如图2，智能包装是指对环境因素具有“控制”、“识别”和“判断”功能的包装，它可以识别和显示包装空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间和包装内容物的泄露物质等重要参数。因此，智能包装可应用于数据记录媒介，如：二维码和RFID；或者是应用于包装指示剂，如：气体指示剂、生物传感器和时间—温度指示剂（TTI）。智能包装是一个作为能使用智能功能(如检测、传感、记录、跟踪、沟通，并应用科学逻辑)以促进决策的制定，从而实现延长货架寿命、提高安全、提高质量、提供信息、警告可能出现的问题等功能的包装系统。我们认为智能包装的独特性在于它的沟通能力：因为包装与商品在供应链过程中经常一起移动，包装是商品最好的搭档，包装也处于传达商品即时状态最好的位置。我们相信智能包装的出现表示包装的概念有了另一范式的提升——包装从一个平庸的执行者到一个聪明的沟通者的改变。正如前面提到的，规范智能包装定义的目的是鼓励人们以创新和有效的方式提升包装的交流功能。2智能包装的分类智能包装是一个多元学科的交叉应用领域，支撑智能包装的学科主要有材料科学、人工智能、现代控制理论、微电子学、计算机科学等等。智能包装分为三类，分别是功能材料型智能包装、功能结构型智能包装及信息型智能包装，如表1。2.1功能材料型智能包装功能材料型智能包装是为了实现改善和增加包装的功能，而应用新型智能包装材料，以达到和完成特定包装的目的。目前研制的功能材料型智能包装通常是采用湿敏、光电、温敏、气敏等功能材料，并且对环境因素具有“识别”和”判断”功能。复合制成的包装材料可以识别和显示包装内部的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数。功能材料型智能包装对于需长期储存的包装商品很有发展前景。功能材料型智能包装一般具有时间-温度记录标志、氧气和二氧化碳等气体指示标志、光致变色标志、物理冲击记录标志、微生物污染标志等功能。这些功能材料与包装材料复合使包装变得更加“智能”[4]。时间-温度记录标志（图3）是指通过机械、化学和酶的作用机理，提供产品的储存条件信息，比如瑞士Ciba公司的QnVn标签[5]；氧气和二氧化碳等气体指示标志即通过氧化还原染色剂来监测包装是否泄漏，能够为消费者提供现场判断依据，从而确定包装食品的食用安全性，为消费者的身心健康起到保护作用，如，气调包装破损后，外界氧气进入包装内，通过智能包装体系的应用，可以将与氧气反应变色的油墨印刷在包装内，随着氧气浓度的增大，油墨的颜色变化较明显，从而确定包装的完好程度，如图4；光致变色标志，如美国国际造纸公司将以色列能量纸公司（PowerPaper）开发出来的一种超薄柔软电池用于包装，即将新型电池像油墨一样“印刷”在产品的包装上，使包装具有声音、灯光，以及其他特殊效果，因而制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者；物理冲击记录标志，如光学涂料试验中心和PA技术公司研制出的一种在外力作用下会变色的塑料薄膜，膜上涂有不同波长的反向干涉涂层，在正常情况下涂层呈明亮色彩，一旦被动用，涂层便开始产生变化，比如剥落、变成灰色、剥落部分产生花纹等，均为消费者提供了此包装曾启封过的警示信号[5]；微生物污染标志，通过pH染色剂或与某些代谢物反应的染色剂来监测食品包装中的微生物。2.2功能结构型智能包装功能结构型智能包装为了使包装具有某些特殊功能和智能型特点，而增加或改进部分包装结构。功能结构的增加或改进一般侧重包装的安全性、可靠性和部分自动功能，从而使包装的商品使用更加安全和便捷。这种功能结构型智能包装表现有自动加热、自动冷却、自动报警等。这三种包装都是增加了包装的部分结构，而使包装具有部分自动功能。自动加热型包装是一种多层、无缝的容器，以注塑成型方法制成，容器内层分成多个间隔，产品可自我加热，如图5。其加热原理是：当使用者拿下容器上的箔，并按压容器底部时，容器内的水及石灰石便会产生化学反应，释放热能，进而令产品加热[5]。比如日本自加热清酒罐和雀巢公司推出的330mL自动加热牛奶咖啡罐。自动冷却型包装内置一个冷凝器、一个蒸发格及一包以盐做成的干燥剂，在包装的底部储藏冷却时由催化作用所产生的蒸气及液体，它能在几分钟内将容器内物品的温度降低至17℃。比如CrownCork&Seal公司和Tempra技术公司合作研发的自动冷却罐结构。自动报警型包装即将一个封闭的报警系统内嵌在包装袋底部，靠压力作用实现报警。当包装袋内食品胀袋产生的压力大于设计的标准压力时，报警系统就会自动报警,来提醒商家和消费者食品质量已不适宜食用[6]。表1智能包装的分类分类内涵例子功能材料型功能材料型智能包装是为了实现改善和增加包装的功能，而应用新型智能包装材料，以达到和完成特定包装的目的防泄漏气体指示包装时间—温度指示剂功能结构型功能结构型智能包装为了使包装具有某些特殊功能和智能型特点，而增加或改进部分包装结构自动加热食品包装自动冷却罐功能信息型信息型智能包装主要是指能反映包装内容物及其内在品质和储存、运输、销售过程信息的新型包装牛奶可溯源RFID包装2.3信息型智能包装信息型智能包装主要是指能反映包装内容物及其内在品质和储存、运输、销售过程信息的新型包装。这种智能包装应具有记录商品在仓储、运输、销售期间，周围环境对其内在品质影响的信息及商品生产信息、销售分布信息的功能。记录和反映这些信息的技术涉及微生物、化学、动力学和电子技术[7]。信息型智能包装具有极好的发展活力和前景。RFID技术即为信息型智能包装的应用典范，如图6。射频识别技术RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境，并且识别工作无须人工干预。此技术不仅优化整个包装供应链（产品从生产、物流到消费），而且使物流管理、反馈控制、信息识别的效率和准确度得到提高，更为重要的是可凭借其辨识读取的不可被复制性和加密设置，对基于传统材料和设计的包装防伪给予强有力的补充[8]。它可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，应用在包装最重要的两大领域——物流和防伪。3智能包装的应用现状及发展3.1智能包装的国内应用现状及发展中国包装行业近年来飞速发展，是中国经济经济增长不可忽视的贡献者，发展趋势见图表1。2014年全国包装工业总产值完成14800亿元，成为仅次于美国的世界第二包装大国。为迈向包装强国，重点抓包装制造业、现代包装服务业和绿色资源再生业。包装行业的高新技术开发资金由当初的年3000万元，逐步增长到现今的年1.2亿元，带动企业科技创新，获得百个专利。2015年，中国包装工业总产值已接近突破1.5万亿。我国对功能材料型智能包装、功能结构型智能包装方面的研究相对较晚，尤其是气调包装。我国气调保鲜技术虽然起步比较晚，但是发展迅速[9]。20世纪90年代以来，随着人们对食品气调贮藏的认识逐步提高，我国的食品气调贮藏已经占果实贮藏总量的百分之十几。但气调包装的普及与推广应用还需要一个过程。尽管我国在智能包装的技术研发水平和应用领域还存在一些不足，但随着我国科技力量的不断提升，我们在某些方面也取得了许多令人可喜的成绩。智能包装技术方面，中国农业大学已成功开发用于新鲜猪肉的TTI标签，但还没有得到大量的应用；其他智能包装体系如鲜度指示、病源微生物指示等也在进行研究，上海海洋大学新开发的快速检测食品新鲜度的“电子鼻”和检测致病菌的“生态芯片”技术；无线射频识别电子标签（RFID）虽然在2007年开始用于月饼产品，但还未普及到其他食品；全球首条集装箱电子标签国际航线诞生于上海，对整个航运业产生了深远的影响；中国第一张“RFID手机地铁票”在广州正式试用；国家数字图书馆、武汉图书馆RFID项目成功启动；芬欧蓝泰投资1亿元在广州兴建了其世界最大的电子标签生产基地来强化与中国电子标签使用者、系统集成商的联系[10]，将有助于我国智能包装技术发展。3.2智能包装技术的国外应用及发展在1970年代，因为无处不在的杂货店为了促进库存商品的重新排序和更加方便有序的结帐，UPC条形码（通用产品代码）诞生了[11]。UPC条形码是一种线状的符号组成的棒状和空间来代表12位数的数据。其微薄的存储容量只允许储存非常有限的信息，如厂家编号和项目编号，对额外信息的编码不留余地。随着扫描仪变得越来越强大和价格越来越低廉，二维条形码也越来越受欢迎[12]。它允许附加的信息繁多，如营养信息，烹饪指令，食品生产商的网站地址，甚至是图形、音频和视频。便携式数据的优点是，它们立即可用，无需访问外部数据库。条形码和RFID标签可以使电子记录信息共享，尤其是使外部仪器能够快速测量界面的质量属性和监控食品安全。例如，pH值、微生物快速检测设备[13]或无损质量测量仪器[14]。然而，随着广度和深度的增加，可追溯系统本身并不足以改善食品安全；科学相关的食品模型和用户友好的软件也需要充分利用可用的额外食物相关的数据。为预防因错误造成的诉讼并且提高患者保健质量，阿斯特捷利康(AstraZeneca)公司做出了贡献25亿枚用于耳咽管病症麻醉剂的RFID标签已经完全解决了过去使用麻醉剂发生的剂量错误。医院采血错误和输血错误在一些地方不断增加，因此2006年，标本和血袋的RFID标签在美国、法国英国和德国很快被采纳。最近，一些研究小组在食品包装上结合RFID标签和传感器。通过结合射频识别系统与食品反应分泌的聚合物，如生物胺，可以获得基于射频识别系统的探测信号的电子势的变化[15]。另一种传感器是使用