智能活性包装材料的研究进展

吴杨林 李春伟

摘 要：本文总结归纳了智能包装材料中变色以及发光包装材料、智能指示剂及其应用以及智能活性包装材料的应用进展，并对智能活性材料在包装领域中的应用前景进行展望。

关键词：智能活性材料; 指示剂; 吸收剂; 智能包装; 活性包装

中图分类号：TS206       文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）11-165-002

智能包装是指与其他包装相比，它可以对包装四周环境进行“把握”“鉴别”“分辨”;也可以将包装内部信息准确传达的新型包装。此外它还可以判断食品的最佳食用期限，保持新鲜度^[1]。

1.智能包装

包装从远古时期便被人们发明和使用，随着20世纪新材料、新技术的不断涌现，智能包装进入了人们的视线。第一代与第二代智能包装的区别在于前者只利用一种技术，而后者则不止融合一种技术，它们的出现都使包装更加方便，推动经济社会发展，更易于消费者使用。1992年，就有专家在伦敦的“智能包装”会议上提出：包装或产品的单个组件还是组合组件中，利用一种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装中，或者直接体现在商品本身。例如德国的柔性OLED发光包装是世界首例发光包装，可以给消费者视觉冲击，提高购买率。加拿大的Cool light光致变色啤酒包装是世界首例光致变色啤酒包装。美国的Oculto光电啤酒包装开创美国啤酒市场多次先例，采用發光二极管，并利用网络连接，便可使用手机扫描参加抽奖等。苏格兰的Pull&Time有效期变色监控标签，可以监测食物变化。英国和德国的SABMiller温度变色啤酒包装，利用由温度变化而改变颜色的油墨，再融合印刷技术，将传感器、显示、电池技术无缝整合到包装上，让消费者根据显示品尝到最佳口感。中国的低成本变色监控标签可以鉴别食品。

2.智能包装材料

在食品安全问题不断出现的情况下，智能包装材料也成为了包装行业研发的重点。在飞速发展的新时代，研究人员研发出越来越多的新型材料，这些新型材料可以投入到包装中，结合高新技术，解决之前包装领域中无法克服的问题。目前，智能材料在感知外界刺激，如压力、温度、湿度、PH值、电场或磁场、光等时，具有自我判断和自我优化的功能^[2]。它使生产和服务实现最优化。

2.1变色包装材料

变色包装材料目前阶段研究的主要有电致变色，光致变色，热致变色，压致变色等。其基本原理是指受到外界某种感应源刺激时，通过颜色变化来做出回应。它可以应用于包装的很多领域，例如警示提醒，装饰防护，荧光开关，防伪等。例如用分光光度法来测量食品包装材料中甲醛含量。盐酸苯肼、变色酸等在某种条件下与甲醛反应，人们可以根据颜色深浅来判断甲醛含量。例如可以根据天然花青素的颜色变化来看三文鱼的新鲜程度。研究调查发现，美国杂货店通常根据产品的美学展示来选择照明，但是很少意识到色温对于牛奶质量的影响^[3]。因此如果研究出因色温不恰当而使包装材料跟着变色的包装，不仅可以提醒消费者谨慎购买，并保证牛奶质量，还可以避免资源浪费。据了解，以天然食品着色剂为原料合成的生物可降解聚合物，由于着色剂的加入，使样品具有智能材料的特性，在各种外界条件下会发生非常明显的颜色变化。

2.2发光包装材料

发光包装材料的种类有很多，它是指材料在受到一些外界刺激后开始发光。主要类型有阴极射线发光，电致发光，辐射发光等^[4]。如各种用于交通中的提示牌、发光油墨等。它能够简便快速、准确灵敏的测定包装内物品的情况，为食品安全及其他物品使用安全提供了可靠的保障。例如利用室温磷光、激发依赖发光、多元防伪编码以及荧光寿命等纳米材料进行荧光防伪和加密。

3.智能指示剂材料

智能包装按工作原理可分为：材料型、结构型以及信息型三种类型的智能包装。

3.1时间温度指示剂（TTI）

TTI系统即时间温度指示剂系统，通过它把食品的存储时间和贮存温度表示出来，是建立在多种学科基础上的监控显示系统^[5]。TTI是一种简单、廉价的装置，可以附着在食品包装上，间接反应食品在运输，存储和销售期间的温度历史和质量变化，并且能根据食品的质量变化预计最迟销售时间。

3.2泄露指示剂

泄露指示剂主要是在流通过程中检测包装是否产生泄露。对于易腐败产品包装大多要求氧气少、二氧化碳多的形式来延长食品的保存期。泄漏指示剂主要内容是氧气和二氧化碳， 然后分别用来检测其含量。此类指示器主要以油墨印刷或标签形式应用于食品气调包装内^[6]。例如研究发现由电铬，二氧化钛和EDTA组成的触发式氧指示剂，经评估可用于改性空气包装。

3.3新鲜度指示剂

新鲜度指示剂是指反应和监测包装内部环境变化。消费者可根据颜色深浅来判断是否新鲜，从而决定是否购买^[7]。新鲜度指示剂主要应用于肉类、水产品和乳制品等，在果蔬产品上的应用较少。例如将二氧化碳为特征气体制备能准确反应蓝莓的新鲜度的指示剂。美国的Infratab新鲜度指示标签可通过软件、监控、追踪产品在整个供应链中状态，尤其是易腐败的产品。

3.4乙烯指示剂

乙烯会让一些不完全可立即食用的果实开始部分成熟，能使水果和蔬菜在一定条件下利用乙烯促进成熟或使其腐败迅速，使其货架寿命减短^[8]。例如澳大利亚的联邦科学与工业研究组织研制出一种特殊的清除系统，与乙烯反应时会出现一种颜色变化，通常呈粉红色，通过其反应呈现出来的颜色可以判断是否反应良好，且可以鉴定出乙烯清除剂。

3.5射频识别技术

射频识别技术（RFID）是一种非接触式，具有高安全性以及可以重复利用的数据通信技术。RFID技术在物流包装中不仅可以识别生产环节的代码信息，还可以在仓储环节中进行自动化分拣，运输环节可以实时记录物流信息，配送环节可以进行精准核查信息，消费者购买时还可以在商场中查询商品的相关凭证^[9]。利用RFID技术还可以精准地识别药品包装，及时发现药丸的错误信息，并且因为其唯一且难以复制的性能，可以起到高度防伪作用。

4.智能活性材料

活性包装材料是指在真空、气调包装中使用的新型材料，其最直观的表现就是绿色环保。常见的活性包装可分为氧气清除型，抗菌型，温度控制型，水分清除型，乙烯吸收型，抗氧化剂释放型等几类包装。活性包装材料对食品方面的应用很广泛，例如利用淡色啤酒，聚乙烯醇和明胶研制了一种新型的智能活性食品包装膜，不仅能延长食品中的鱼，鸡的货架寿命，而且能对鱼，鸡的新鲜度进行视觉监测。欧洲特别研究中心将能改变内装物原来的储存条件的物质定义为活性包装。其可以延长食品货架期，减压保鲜，起到很好的保质作用。活性包装的种类包括：氧气清除剂，乙烯吸收剂，二氧化碳除氧剂等。

4.1氧气清除剂

氧气清除剂是指利用一些物质完全吸收或溶解包装中氧气的高效包装技术。如在有水的环境下1g铁可以与300ml氧气反应，蒙脱土和壳聚糖等纳米颗粒在改性过程中也可以清除氧气^[10]。以铁粉为基质制备的复合薄膜，可用于意大利面保藏，观察可得，微生物生长非常缓慢，由此可以证实铁可以作为一种有效的氧气清除剂。同时铁粉还可以浸渍在聚乙烯薄膜中，通过增加表面积而提高清除能力。经试验可得，乙醇缓释剂结合吸氧剂的储存包装方式是延长高温流化糙米货架期的最佳方法，并且可以保持良好的风味。

4.2水分吸收剂

水分吸收剂一般是指吸水，保水，或防潮。例如以发芽小麦淀粉为原料，添加聚环氧乙烷制备气凝胶，可得到很好的吸水效果，可以作为食品优良的吸水剂，且包装成分非常安全。

4.3乙烯吸收剂

乙烯清除剂可以抑制或减少果蔬中的乙烯，从而减缓成熟和腐败的速度。1-MCP与乙烯吸收剂在黄心梨和猕猴桃上都具有延缓老化、推迟产生褐变的作用，其中以1.0μL/L1-MCP与MA+2效果最佳，乙烯吸收剂是安全可靠的保鲜材料^[11]。

4.4二氧化碳生成剂和除去剂

果蔬在刚摘取后会呼吸产生二氧化碳，氧气自然减少，可以抑制霉菌、酵母菌生长，使其不会快速腐烂。例如采用间断高浓度二氧化碳处理的方式延长猕猴桃的贮藏期^[12]。大白菜在氧气3%～5%，二氧化碳8%～10%的存储环境及其他适宜的操作下可保鲜五到六个月。在高温贮藏条件下，高浓度二氧化碳对水稻贮藏效果有显著作用。在对新产的咖啡包装中放入可以控制二氧化碳含量的独立小包，可以使咖啡储存时间加长。

5.结语

智能活性包装材料以自身的性能为主，结合高新技术，将材料的感知驱动和信息处理等集为一体，为了更好地运用，人们将其扩展到智能活性包装上。智能活性包装可以给消费者提供安全有效的信息，还可以延长食品的货架期，节省资源，绿色环保等的作用。尽管目前智能活性包装还有一些问题有待解决，但是毋庸置疑的是传统包装必将逐渐被淘汰，取而代之的是新型智能活性包装。

基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（LH2019E001）;中央高校基本科研业务费专项资金资助項目（2572018BL09）

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作者简介：吴杨林，1997年生，女，硕士研究生，研究方向为智能包装。通讯作者简介：李春伟，1981年生，男，博士，副教授，研究方向为智能包装与功能薄膜。