活性包装与智能包装在果蔬贮藏保鲜中的应用进展

刘涛，李帅，张海波，孙秀兰，叶永丽*

（1.江南大学 食品科学与技术国家重点实验室，食品学院，食品安全与质量控制协同创新中心，江苏 无锡 214000；2.火星人厨具股份有限公司，浙江 嘉兴 314400）

果蔬是一类营养丰富的食物，不仅能够为人们提供日常生活中必需的营养物质，还能预防肥胖、糖尿病、高血压和冠心病等多种慢性疾病[1-2]。我国作为农业大国，果蔬的产量以及消费总量均居世界前列。然而，由于缺乏有效的贮藏保鲜方法，我国每年约有1.3 亿t 蔬菜和1 200 万t 水果在贮藏运输过程中发生腐败变质，损耗率占总量的20%～30%[3-4]。此外，误食腐败变质的果蔬会引起人体胃肠道功能紊乱，严重时可造成人体脏器损伤。因此，开发有效的贮藏保鲜方法对于延长食品货架期、降低食物浪费和保障食品安全具有十分重要的意义。

食品包装是食品供应链的重要组成部分，对果蔬保鲜至关重要。有效的包装不仅降低了外部环境和机械损伤对果蔬质量造成的不良影响，还能减缓果蔬呼吸作用并控制果蔬水分流失和微生物生长。活性包装和智能包装是两类新型的功能性包装，其通过与果蔬的保鲜方法相结合，可延长果蔬货架期并实时监测果蔬质量变化[5]。其中，活性包装利用包装内的活性物质进行果蔬贮藏环境的动态调节，来延长果蔬货架期[6]；智能包装则借助指示剂和传感器实时评估果蔬质量和贮藏环境变化，来提供果蔬的质量信息[7-8]。

目前，智能包装和活性包装已在食品行业得到广泛应用。然而，除了极少数已经商品化的智能包装和活性包装外，许多研究仍处于实验室应用阶段，无法在实际场景中进行应用。因此，本文综述活性包装和智能包装在改善果蔬贮藏环境和监测果蔬质量变化中的最新研究进展，并分析其在实际应用中面临的挑战。同时，探讨新型果蔬包装技术未来的发展方向，以期为新型包装技术的开发提供参考和帮助。

1 活性包装在果蔬贮藏保鲜中的应用

2009 年，欧盟在发布的《食品接触性活性和智能材料及物品新规》中将活性包装中与食品相互作用的包装系统定义为“人为添加的用于吸收包装内食物吸收及释放的或包装内环境中的物质”[9]，即借助包装作为活性物质的载体，改善食品贮藏环境，以延长果蔬货架期（图1）。根据包装功能的不同，可将活性包装分为气体清除包装、抑菌包装和湿度调控包装等。

图1 活性包装在果蔬贮藏保鲜中的应用Fig.1 Application of active packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

1.1 气体清除包装

适宜的气体贮藏环境可降低果蔬呼吸作用、抑制果蔬表面微生物生长并减缓果蔬氧化进程[10]。作为基于自发气调研发的新型气体调控策略，气体清除包装借助气体吸收剂或清除剂动态调节包装内的气体成分。气体清除包装在果蔬贮藏保鲜中的应用见表1。

表1 气体清除包装在果蔬贮藏保鲜中的应用Table 1 Application of gas scavenger packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

1.1.1 O2清除包装

包装内O2含量过高时，会加剧食品的氧化和微生物的生长[21]。O2清除包装借助氧清除剂（金属粉末、α-生育酚、抗坏血酸和邻苯三酚等）与包装内O2进行反应，以快速降低包装内O2浓度，缩短气体平衡的时间[22]。

铁粉是食品工业中应用最广泛的商业氧清除剂，具有价格低、使用简单和安全性高的优势。Escobar等[11]将铁粉与聚丙烯酸钠粉末混合作为脱氧剂，发现其质量比为1∶1 时，包装内O2和CO2的浓度在25 d 内稳定控制在16.8% 和5%，将露露果的货架期延长至25 d。Nimitkeatkai 等[13]评估了商业O2清除剂Oxygen Absorber Help Save®和C2H4清除剂Ethyl-GONE®对杨梅的保鲜效果，结果显示，该活性包装能缓解杨梅质量、颜色和抗坏血酸含量的降低，将杨梅的货架期延长至30 d。Singh 等[14]使用涂膜邻苯三酚的低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）薄膜用于去皮大蒜的包装，可将大蒜的货架期延长至30 d，显著降低大蒜贮藏期内的呼吸速率、质量和微生物数量。

1.1.2 CO2清除包装

高浓度的CO2能抑制微生物生长，但同时也会引起果蔬酸化并加剧无氧呼吸作用，对果蔬的感官品产生不利影响。CO2清除包装借助NaOH、KOH 和CaO等活性物质来降低包装内CO2的浓度，以改善果蔬贮藏环境[23]。

Aday 等[15]研究了商业CO2氧气清除剂EMCO-B（2Na₂CO₃·3H₂O、Na2CO3、NaCl 和膨润土）对贮藏期内草莓质量的影响，结果表明，EMCO-B 能显著降低草莓糖代谢过程并维持草莓的感官品质，将草莓货架期延长至30 d。为了简化包装步骤，Wang 等[16]使用琼脂作为基质、甘油作为增塑剂、碳酸钠和甘氨酸钠作为CO2清除剂制备了一种用于蘑菇贮藏的包装膜，该薄膜可将包装内CO2浓度控制在3%～4%，低于蘑菇贮藏5%的耐受限值。此外，该薄膜还能吸收包装内过量的水分，降低了蘑菇贮藏5 d 后的颜色、硬度和风味等感官品质的损失。

1.1.3 C2H4清除包装

C2H4是一种具有催熟作用的挥发性气体，能够调节果蔬发育和成熟的过程。然而，高浓度的C2H4会导致果蔬过早成熟，甚至腐烂。据统计，由于C2H4过高导致的食物浪费占水果总产量的10%～80%[24]。因此，清除包装内过量的C2H4对调控果蔬成熟、延长果蔬货架期十分重要。常用的C2H4清除物质可分为合成抑制剂、吸收剂和催化剂[25-26]。

1-MCP 是目前应用最广泛的C2H4抑制剂，能与C2H4竞争结合C2H4受体并抑制多个转录因子的表达[27]。周嘉佳等[17]将1-MCP、聚丙烯酸和乙基纤维素混合物涂抹在纸基材料上制备了1-MCP 缓释包装纸，使用该包装纸不仅降低了杏果的呼吸作用，还能缓解杏果硬度、可滴定酸和可溶性固形物含量的损失。沸石、活性炭和金属有机框架等是一类具有高比表面积的C2H4吸附材料，可将C2H4进行高效的吸附[18]。然而，随着贮藏时间延长，吸附剂对C2H4的吸附效率可能会显著降低[28]。与吸附剂相比，KMnO4、O3和ZnO等催化剂具有更高的C2H4清除能力[29]。Al2O3纳米纤维膜对KMnO4具有高负载性能，以Al2O3纳米纤维膜负载KMnO4制备的C2H4清除包装膜，能在25 min 内降解包装内73%的C2H4，可延缓香蕉成熟过程[19]。为进一步提升KMnO4的C2H4催化性能，Wang 等[20]利用KMnO4可催化分解吸附于浮岩表面的C2H4的特性，开发了一种同时具有吸附和催化作用的新型C2H4清除剂，可将牛油果每小时的C2H4和CO2产量分别控制在0 μL/kg 和25 μL/kg，使牛油果货架期延了7 d。然而，KMnO4毒性较高不宜与食品直接接触。虽然将KMnO4与果蔬包装材料相结合能提升食品安全性，但会改变包装材料的颜色，影响消费者的消费欲望。因此，开发适合特定果蔬的乙烯清除包装薄膜，在提高乙烯清除性能同时，改善包装材料的理化性质，仍是未来研究的主要方向。

1.2 抑菌包装

抑菌包装以包装材料作为抑菌剂载体，通过缓慢释放抑菌剂，可实现对果蔬表面微生物的长效控制。抑菌包装常用抑菌剂按其成分不同可分为天然抑菌剂、有机抑菌剂和无机抑菌剂3 类。

植物精油是从植物中提取的一种挥发性芳香物质，具有优良的抗菌抗氧化活性，已广泛应用在果蔬保鲜中[30]。然而，传统的精油涂膜和熏蒸处理虽然操作简便，但其强烈的气味可能影响消费者的购买意愿[31]。因此，需要将精油与微胶囊包埋、多层薄膜封装和静电纺丝技术相结合，以进一步提升精油的稳定性并掩盖气味[32]。Shao 等[33]制备了肉桂精油微胶囊并将其与纸基材料相结合，制备了具有抑菌活性的肉桂精油缓释蘑菇包装纸。微胶囊系统的引入不仅降低了精油的气味，还能延长肉桂精油在纸基材料上的释放时间，改善了贮藏期内蘑菇的硬度，避免水分凝结加速蘑菇腐烂。有机抑菌剂价格低、抑菌性能较强，更适合在抑菌包装中进行大规模应用[34]。壳聚糖（chitosan，CS）是一种安全和可降解的多糖物质，已广泛应用于新型食品包装材料的研发中[35]。为了提升CS 薄膜的机械和抗菌性能，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）制备了新型食品包装膜，PVA 提升了CS 薄膜的机械性能，多孔的g-C3N4具有光催化活性杀菌剂，使用该包装薄膜可显著抑制草莓表面大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长，将草莓的货架期延长至96 h。此外，CS-PVA-g-C3N4复合膜能够进行溶解再生，重生后的包装薄膜的机械性能和抗菌性能并不会发生显著降低。与有机抑菌剂相比，无机抑菌剂安全性更高且不易产生耐药性。Jiang 等[37]在研究海藻酸盐/纳米Ag 涂抹处理对蘑菇保鲜效果的影响时发现，纳米Ag 能抑制香菇表面酵母菌和霉菌的生长，降低了蘑菇的质量损失、质地软化和褐变程度。同样使用涂抹方式，Koushesh等[38]研究了ZnO/羧基纤维素活性涂层对即食石榴贮藏保鲜的效果，涂层中的纳米ZnO 显著降低石榴表面的酵母和霉菌的数量。与有机抑菌剂相比，使用无机抑菌剂的抑菌涂层对并不会对果蔬本身的口感和风味产生影响，使其更容易被消费者接受。然而，无机抑菌剂的抑菌效果会受到纳米颗粒形状、大小和浓度等因素的影响[39]。因此，抑菌包装材料的配比和应用必须考虑不同的场景。

1.3 湿度调控包装

贮藏环境相对湿度较高时，不仅会加速腐败微生物的生长，还会影响果蔬感官品质。为克服传统果蔬包装膜水蒸气透过率较差的问题，湿度调控包装将吸湿剂以小袋包装、衬垫或托盘等形式添加至包装内，可实现高效的湿度调控功能。用于吸收包装内水分的吸湿剂按照成分不同可分为有机吸湿剂和无机吸湿剂两类。

果糖是糖类物质中吸湿性能最强的单糖，它在环境湿度相对湿度大于55%时开始吸收水分，并且能长时间保持吸湿性。研究人员在对比含有不同浓度果糖的果盘对草莓的保鲜效果时发现，果糖的添加量为30%时，果盘的吸湿性效果最佳，并且草莓在贮藏5 d后减重不到0.9%，远低于6% 的最低可接受度[40]。无机吸湿剂的吸湿能力更强，且具有较高的耐热性，更适合通过熔融挤压成型工艺添加至包装材料中。Rux等[41]制备的3 层结构湿度调节托盘可减少包装内气体与外界环境发生气体交换，并阻止了吸湿剂向果蔬表面迁移，中间层添加12%NaCl 时可将托盘的吸水量提高约73%。然而，吸湿托盘在吸收水分时也加剧了果蔬水分的损失。因此，针对不同贮藏需求的果蔬仍需进一步优化吸湿剂的种类及浓度。

近年来，针对果蔬的不同特性开发了多种类型的活性包装，在维持果蔬感官品质和延长果蔬货架期中发挥着重要作用。将活性物质以小袋包装的形式添加至包装内，虽然能在短时间内调节果蔬贮藏环境，但存在误食和破损等安全隐患。将活性物质与包装材料相结合是解决该问题有效的方法，但两者兼容性较差。此外，目前已报道的许多活性包装存在成本高、稳定性差的问题，无法产业化应用。因此，在未来的发展中，如何提高包装材料的稳定性、降低包装成本和提升消费者的接受度，仍然是活性包装产业化亟待解决的问题。

2 智能包装在果蔬贮藏保鲜中的应用

智能包装是一种新兴的食品包装技术，可实时监测包装内果蔬的pH 值、温/湿度、微生物代谢物和化学物质等指标，并将其转化为直观的颜色或数字信号，以提示消费者丢弃变质食品并减少食物浪费[42-44]。根据包装功能的不同，可将智能包装分为新鲜度监测包装、气体监测包装和温度监测包装等，智能包装在果蔬贮藏保鲜中的应用见表2。

表2 智能包装在果蔬贮藏保鲜中的应用Table 2 Application of intelligent packaging in the storage and preservation of fruits and vegetables

2.1 新鲜度监测包装

在贮藏、运输和销售过程中，果蔬会因微生物生长和自身生理活动而失去新鲜度，同时包装内某些特征物质（CO2、有机酸、挥发性盐基氮和H2S 等）也会发生改变。通过监测这些物质在包装内的积累水平与pH值变化的关系，可准确判断果蔬的新鲜度。目前，智能包装中用于响应pH 值变化的主要是基于pH 值敏感性染料（溴百里香酚蓝、溴酚蓝、甲基红、花青素和姜黄素等）[43]。此类染料在感知pH 值变化后能产生明显的颜色变化。

为了以非接触的方式监测果蔬的新鲜度，许多研究者开发了基于pH 值敏感染料的新鲜度指示标签。Kim 等[46]使用油墨打印机打印了用于监测苹果新鲜度的指示标签，该标签能够感应苹果释放的乙醛，通过标签上甲基化颜色的变化能够准确判断苹果的新鲜度。此外，3D 打印技术也可用于新鲜度指示标签的制备。Zhou 等[49]使用同轴3D 打印技术制备了一种多功能指示标签，其外壳为负载蓝莓花青素的纤维纳米纤维，内壳为CS/1-MCP。使用该标签可将荔枝的保质期延长至6 d，同时借助花青素的颜色变化能够精准指示荔枝的新鲜度。这种具有果蔬保鲜与新鲜度监测双功能3D 打印指示标签，有望克服智能包装功能单一的不足，为开发多功能智能包装提供了新的思路。Zong等[48]将紫甘薯多酚提取物加载到淀粉/明胶薄膜中，开发了金针菇新鲜度监测的包装薄膜，随着金针菇贮藏时间的延长，薄膜的颜色由最初的绿色变为灰紫色，最后变为黄色。然而，包装薄膜直接与食品接触，使用未知安全水平的合成化合物可能会对消费者健康构成威胁[56]。因此，在开发指示新鲜度的包装薄膜中应尽可能的考虑天然染料。

2.2 成熟度监测包装

成熟度监测包装是一种新型的食品包装，它采用指示标签、传感器等技术手段来监测果蔬的成熟度[57]。此类包装可实时、非接触地测量包装内C2H4、挥发性醛、硫化物和颜色等变化，以帮助消费者了解水果的食用质量。

Iskandar 等[50]使用乙烯-乙烯醇共聚物、甘油和钼酸铵制备了用于监测牛油成熟度的指示标签，该标签能感知牛油果成熟过程中释放的C2H4，且标签颜色变化与果实品质下降之间具有较强的相关性。除了乙烯之外，许多果蔬成熟阶段释放的挥发性醛和硫化物也可用于指示果蔬的成熟度。其中，挥发性醛可用于猕猴桃[52]、松露[58]和水蜜桃[59]的成熟度指标，而硫化物指标主要作为榴莲的成熟度指标[53]。Ripesense®作为世界上首个商业化应用的水果成熟度指示标签，可感知梨成熟过程中释放的芳香化合物，通过指示标签的颜色变化以准确判断梨的成熟度。该设计与借助指示剂的智能包装相比，基于传感器的新鲜度监测包装能更加快速和灵敏判断果蔬的成熟度。Li 等[51]研发了基于还原氧化石墨烯/二硒化钨/铂异质结的电阻型乙烯传感器，该三元异质结传感器在室温下对乙烯表现出更高的灵敏度和更快的p 型响应，对10 mg/L 乙烯的灵敏度为0.001%，响应和恢复时间为33 s 和13 s，可精准判断香蕉的成熟度。然而，传感器的使用无疑增加了包装的成本。因此，如设计简单便捷以及经济实惠的传感器，对未来传感器在智能包装中的大规模应用十分重要。

2.3 温度监测包装

食品在贮藏过程中的温度波动会显著影响果蔬的感官品质及营养价值，因此实时监测食品贮藏期间环境的温度变化对于判断食品的质量十分重要。传统的食品温度监测器只能对贮藏环境的温度进行整体检测，而温度监测包装能感知和记录单个食品温度的积累变化过程。时间温度指示剂（temperature-time integrator，TTI）是目前果蔬温度监测包装中应用最广泛的指示系统，除了能够用于感知和记录果蔬贮藏期内温度变化的历程，还能作为因温度波动而造成食品质量损失的指标。

TTI 发挥作用主要依赖于酶、机械和微生物等之间的反应，这些反应往往能够产生一系列不可逆的变化，从而判断果蔬贮藏期间的温度变化过程。目前，市场上已有许多成熟的TTI 技术，主要有Monitor Mark™、TimeStrip Plus TTI®和Fresh-Check®等产品。在特定的贮藏温度下暴露一段时间后，指示器上的蓝色条带会从左向右迁移，肉眼观察蓝色条带的位置即可准确判断包装内食物的温度时间变化过程。除了借助TTI 判断果蔬的温度时间变化过程，还能根据阿伦尼乌斯方程分别计算食品与TTI 的活化能（activation energy，Ea），当两者之差的绝对值低于25 kJ/mol 时，TTI 还能作为预测食品质量的指标[60]。例如，Yang 等[55]开发的一种由功能层和指示层组成的扩散型TTI。在TTI 被激活后，功能层中的显色元素将扩散到指示层中。通过研究TTI 的颜色变化，构建了猕猴桃、草莓和芒果质量的预测模型，该模型能准确预测水果的质量损失、可溶性固形物与维生素C 的含量、可滴定酸度和抗氧化能力等水果质量指标，误差小于15%。作为一种无损、非接触、低成本和精准的果蔬质量判定方法，该TTI 有望在食品行业得到广泛应用。

目前，已报道的智能包装大多是基于果蔬单一指标的评估，而忽略其它对产品稳定性和质量影响显著的因素。因此，可通过多种指标的同时测定，更准确地捕捉果蔬新鲜度、成熟度等的变化，以提升评估果蔬质量的准确性和灵敏度。此外，可将活性包装可与智能包装相结合，在发挥抗菌、抗氧化和其它贮藏功能的同时，实现果蔬质量监测功能。未来，智能包装的研发应更注重多指标评估技术的开发，在降低成本和符合法律监管的同时，扩展其实际应用的可行性。

3 活性包装与智能包装应用面临的问题与挑战

欧美等发达国家在功能性包装的研究起步早、应用成熟，而我国虽然在功能性包装行业取得了许多创新性的研究成果，但研发的包装很少能够投入实际应用，且目前市场上大规模应用的包装材料主要依赖进口。所以，开发出能够实际应用的、拥有自主知识产权的和经济有效的功能性包装十分重要。

目前，活性包装和智能包装在实际应用时面临的障碍和限制主要有：1）已报道的许多功能性包装都是在实验室可控环境中进行测试的，实际应用时复杂的外界环境会严重影响包装的性能，换言之，这些包装材料并不稳定，在接触复杂的外界环境后极易被破坏。因此，应继续开发兼容性更高的包装材料，在确保有效发挥包装功能的同时，保持其稳定性；2）包装内添加的活性物质大多需要与食品或包装材料直接接触，才能发挥功能性包装的最大效果，这些活性物质可能会随着贮藏时间的延长逐渐渗入食品中，其是否会对消费者的饮食安全造成影响，仍需要进一步验证。所以，在开发功能性包装之前，必须仔细评估其对食品安全造成的影响，使其实际应用时符合相应的法律法规；3）新型的成膜包装材料大都不可降解，大规模的应用会造成一定的环境污染问题。未来，随着合成生物学的不断发展，生物基的包装材料将逐步代替以聚合物为主的包装材料，这些新型材料将拥有更高的安全性和可降解性；4）商品化的功能性包装价格较贵，如何降低包装得加工成本有待进一步解决。进一步优化包装材料的生产工艺、继续开发用于智能包装的活性物质，仍是目前的研究重点。

4 总结与展望

功能性果蔬包装是基于传统果蔬包装开发的新型果蔬保鲜策略，其不仅具有传统食品包装的容纳、保护和展示的功能，还能延长果蔬的货架期并监测包装内果蔬的质量变化，受到了人们广泛关注。随着包装技术的不断发展以及大规模应用，功能性包装在降低食物浪费、保障食品安全和降低经济损失中展现出巨大潜力。

未来的工作应主要集中在以下两个方面：首先，研发新型的包装材料和活性物质，使其不会对食品质量造成影响，并继续降低包装成本；其次，改善包装材料与活性物质之间的相互作用，使活性物质在食品包装内持续稳定的释放，以提升果蔬货架期。随着人们对于绿色环保、低碳生活要求的不断提高，可降解、多功能和安全可靠的食品包装将逐步代替传统以聚合物和纸基为主的食品包装。此外，随着万物互联技术的不断发展，功能性包装将通过网络和终端设备帮助人们有效判断和筛选他们需要的食品。