智能指示型標簽

林華敏　李彥韋　趙海東　謝軻　孫繆洋　黃少云

導語

食品從生產加工到銷售必然要經過物流及倉儲環節，很大一部分食品還需要冷鏈運輸和冷庫儲藏，物流及倉儲環節的溫濕度、通風、衛生等諸多因素都會對食品的品質及貨架期產生影響。例如，溫度每升高6℃，食品中腐敗微生物生長速度就會翻一倍，相應的貨架期縮短一半。隨著信息化的高速發展，食品包裝在信息時代也已經逐漸向智能化方向發展，智能指示型標簽可以隨包裝應用在食品上，對食品物流及倉儲環節的各環境因子進行監控，通過可見的顏色變化給消費者提供食品物流環節溫度條件、實時品質等相關信息。

智能指示型標簽根據其響應的因子和指示目的的不同，主要包括時間-溫度指示標簽、檢測溫度濫用標簽、食品新鮮度標簽、果品成熟度標簽及包裝泄漏指示標簽等。在歐美等發達國家，一些市場應用的商業化標簽產品，已經在食品、藥品及農產品的物流包裝中發揮了質量管控的積極作用，可謂一類成本低廉、使用便捷的“神器”。以下，筆者將通過部分市場化應用的產品，展現智能指示型標簽的功能及應用場景。

技術分類及原理

1.時間-溫度指示標簽

時間-溫度指示標簽（Time-Temperature Indicators， TTIs）是一種通過時間-溫度積累效應來實時監測和記錄食品從制造、儲運到銷售各環節的溫度歷史的裝置。它可以根據時間溫度的變化，模擬食品的變質過程，進而反映食品的品質狀態并指示食品剩余貨架壽命。其基本原理主要基于酶促反應、物理擴散、化學反應等，通常以機械變形或顏色變化的形式表現為可觀察的響應形式。從工作原理上主要分為物理型、化學型和生物型。

2.溫度濫用指示標簽

溫度濫用指示標簽是一種監控和記錄商品在運輸過程中是否經歷極端溫度環境的裝置。它能夠有效監控并顯示疫苗、藥品、化學試劑等對溫度要求苛刻的商品在運輸過程中是否經歷過極端溫度變化，從而保障商品的安全性。其基本原理是：指示劑中含有對溫度敏感物質，其在某個極低或極高溫度范圍發生化學反應，進而產生可見的顏色變化，達到溫度濫用指示的? ?目的。

3.新鮮度指示標簽

新鮮度指示標簽是一種通過與食品儲存過程中微生物的代謝產物發生反應而出現相應變化，指示食品新鮮程度的裝置。它可以直接監控食品儲存過程中的代謝反應，直觀、實時地反映食品的真實新鮮程度。其基本原理是利用食品在貯藏過程中產生的某些特征氣體與特定試劑產生特征顏色反應、溫度激活生物學反應，以及酶作用等引起指示標簽變化，從而對食品新鮮度作出判斷。根據工作原理主要可以分為O2敏感型、pH敏感型、含氮化合物敏感型、CO2敏感型和H2S敏感型等。

4.成熟度指示標簽

成熟度指示標簽是一種監測食品成熟過程中的代謝產物，反應食品成熟程度的裝置，主要用于果蔬包裝。它是以果蔬成熟過程中的代謝產物為監測對象，可以響應與果蔬成熟度相關的特征代謝產物的有無以及濃度高低，以成熟度展現給消費者，為消費者的消費行為提供參考與保障。其基本原理是利用果蔬在成熟過程中產生的某些特征氣體與特定試劑產生特定的顏色反應，引起指示標簽變色，以判斷食品成熟程度。

5.包裝泄漏指示標簽

包裝泄漏指示標簽是一種用于MAP包裝（氣調包裝）中，通過監控包裝內部氣體氛圍的變化，檢測包裝完整性，判斷內容物是否變質的裝置。它能夠檢測氣調包裝的完整性，大大降低了包裝在倉儲、物流、銷售等過程中破損或泄漏所造成的損失。其基本原理主要基于氧氣、二氧化碳等氣體指示劑檢測氣體氛圍的變化，來間接指示包裝的完整性。根據組成氣調包裝的氣體氛圍，主要可以分為O2指示標簽和CO2指示標簽。

1.時間溫度指示劑

時間溫度指示劑（Time Temperature Indicator，簡稱TTI），通常是指一種儀器或一種智能標簽，可以通過直觀的方式（如顏色變化等）指示它經歷的時間溫度的變化。由于時間溫度指示劑可以快速準確地響應時間和環境溫度的變化，它被廣泛應用在許多對產品環境有嚴格要求的領域當中，比如食品領域、藥品領域等。隨著時間溫度指示劑不斷地發展，越來越多的時間-溫度指示劑誕生并投入市場使用，下面將介紹幾種功能獨特、用途廣泛的時間-溫度指示劑。

EVIGENCE SENSORS是以色列Evigence Sensors公司研發的TTI標簽，它可以通過標簽變色顯示食品的貨架期，讓消費者及時獲知食品是否變質，以防造成不必要的浪費。該標簽的主要功能區是位于中心的綠色圓圈，它是一個時間-溫度指示劑，隨著時間的推移，圓圈的顏色會逐漸變深，最終變成紅棕色，消費者可根據標簽的顏色指導自己的購買行為。顯而易見，溫度越高，標簽顏色變化速度就會越快，通過改變圓圈周圍比對區的貨架期標識即可匹配食品不同物流倉儲環境的應用場景。該標簽的生產成本較低，可以直接應用到食品包裝高速生產流水線上，不需要對現有設備進行過多調整，同時也不會受到光線和紫外線的影響。需要特別指出的是，它可以通過智能手機配合名為SMART DOTTM的APP進行掃描，使消費者獲取更多商品信息，增加了包裝的交互功能（如圖1）。

英國的Insignia Technologies公司研發的Insignia After Opening Freshness Timer Intelligent LabelsTM標簽，該產品通過指示標簽的變色時間，間接顯示包裝開啟后食品的實時品質，其本質也是一種TTI產品。該標簽的核心是一種專用的智能色素，這種色素的顏色可以隨環境中CO2濃度和環境溫度的變化而發生改變。應用在MAP包裝中時，當包裝開啟前，包裝內充滿CO2，此時標簽呈黃色;當包裝被打開后，包裝內的CO2釋放到空氣中，CO2濃度降低，標簽感受到這種變化隨即被激活。隨著開啟時間的延長，標簽指示區逐漸變為紅色，最終變為紫色（如圖2），比較標簽指示區的實時顏色與比對區的顏色來確定包裝的開啟時間，以此提醒消費者及時食用。當標簽完全變為紫色時，食品已經變質，不能食用。與其他TTI標簽產品類似的是，環境溫度越高，標簽顏色變化越快，通過調整比對區的貨架期數據即可適用于不同環境溫度下的貯存條件。另外，標簽變色快慢可以通過改變色素的含量進行靈活調整，以適應不同種類食品的不同的貨架壽命。

英國公司Timestrip的TimestripTM標簽是專為冷鏈運輸環境開發的系列產品。這種標簽可以應用在不同的溫度和不同種類食品的冷鏈物流中以監測食品實時品質狀態。以TimestripTM Food TP252型標簽為例，該標簽是一種時間-溫度指示劑，主要由三部分構成：左側的激活按鈕，中間的開關狀態標識，右側的指示面板（如圖3所示）。使用時按下左側的開關按鈕后，中間的標識會顯示英文“ON”，表示標簽已經被激活。隨著時間的推移，右側的指示面板會逐漸被藍色填充，藍色充滿指示面板則說明運輸的食品流通時間過長，不可被食用。該標簽產品可以實時顯示食品在冷鏈運輸環境條件下的流通時間，防止因運輸時間過長食品腐敗變質造成食用中毒。同系列產品還包括TimestripTM Seafood、Timestrip Food 8℃和Timestrip Food 10℃。

2.監測環境溫度濫用的標簽

物流運輸、倉儲及銷售過程中溫度的劇烈變化是影響商品品質的一大因素。對于需要冷鏈運輸的產品如生鮮、疫苗、藥物、血液制品等對溫度敏感的產品，物流倉儲過程中的溫度控制極為重要。溫度濫用，顧名思義就是產品在以上各環節經歷過溫度過高或過低的一段時間。如何獲知這一時間的長短或確定產品是否曾經暴露在過高或過低的溫度下？可以監測環境溫度濫用的智能指示標簽為我們提供了便利的解決方案。

FCPTM Descending Temperature Indicator是一款監測溫度驟降的智能標簽。標簽中心顯示區域初始時呈綠色，當運輸或倉儲環境溫度下降到設定閥值時，顯示區域就會變為紅色，表明該食品在物流倉儲過程中經歷過一次溫度驟降，而這可能會對食品的品質產生影響。該標簽是自激活型，經歷溫度驟降標簽會立即發生不可逆的顏色變化，以此提醒食品物流過程中的溫度濫用歷史。

除了溫度驟降，在實際操作中，溫度驟升或溫度超出限定范圍的信息對于食品流通各環節參與者評估食品品質更為重要。Timestrip公司推出了一款能指示物流倉儲環節中溫度濫用的標簽，它結合了上文提到的FCP Descending Temperature Indicator標簽產品以及自身推出的Timestrip PLUS標簽技術，通過FCP Descending Temperature Indicator指示物流倉儲中溫度超出低溫閥值的情況（圖4右圖下部）;通過Timestrip PLUS指示溫度超出高溫閥值的情況（圖4右圖上部），兩者相結合可以指示該產品在物流倉儲環境中是否超出其限定的溫度范圍。這對于對溫度敏感的食品、藥品等產品至關重要。例如一款Timestrip Complete 0℃～8℃的標簽產品，主要針對藥品的冷鏈運輸，用于監測運輸倉儲環境中的溫度濫用，如果實際溫度超出0℃～8℃的規定范圍，標簽即顯示出不可逆的顏色變化，為評估藥品的安全性和有效性提供依據。

另外一款名為TEMPIX標簽也是專為監測溫度濫用而開發的產品，它可以結合商品條形碼一起使用（如圖5）。第一步，先印刷好商品條形碼和指示線;第二步，滴加活化劑，將標簽激活;第三步，貼上TEMPIX標簽。在物流倉儲環節如果經歷溫度濫用（超出規定的溫度范圍），則TEMPIX標簽觀察區指示線變得不清晰甚至消失，同時，其附近的條形碼也被破壞（圖5b）;而當觀察區指示線清晰可見，且條形碼區域未造破壞，則說明該商品在物流倉儲環節未經歷溫度濫用（圖5a）。該標簽可以通過調節指示線與條形碼區域的距離以適應不同溫度要求的食品，同時它適用于-35℃～32℃的不同倉儲溫度條件。

3.反映食品新鮮度的標簽

食品的新鮮程度是影響食品品質、食用安全的重要因素之一。食品新鮮度不僅決定著商品的價格，也是影響消費者購買意愿與食用者健康的關鍵指標。傳統的食品新鮮度檢測指標如揮發性鹽基氮（TVB-N）、細菌總數（TVC）、感官評價等受限于專業設備和專業技術人員，無法快速得到結果。開發一種簡單快捷，無須破壞包裝，能實時顯示食品新鮮度的技術對于食品流通各環節參與者迫在眉睫，新鮮度智能指示型標簽應運而生。

Kao Chimigraf公司的Freshcode新鮮度指示標簽，與以往通過時間積累間接指示新鮮度的標簽不同，它是通過直接監測包裝內食品在貨架期及腐敗過程中產生的特征氣體，基于食品腐敗不同階段所產生特征氣體的種類及濃度具有相關性的原理，顯示其真實的新鮮度。該款新鮮度指示標簽的中心區域印刷了白色智能油墨，這種油墨能夠捕捉到氣調包裝內雞胸肉腐敗過程中釋放的揮發性特征氣體。隨著雞胸肉腐敗程度加劇，腐敗所產生的揮發性氣體（H2S及胺類物質）不斷增多，標簽中心指示區域的油墨逐漸改變顏色，消費者通過觀察其顏色，即可獲知食品的實時新鮮度（如圖6）。當指示區域完全變黑時，所包裝的食品不再適合食用。該標簽產品為消費者提供關于食品新鮮程度的及時可靠信息，一方面可以減少食物的浪費;另一方面通過對食品腐敗的精準指示能降低消費者因食用變質肉中毒的風險。

4.反映果品成熟度的標簽

為了挑選成熟度合適的水果，以往消費者主要通過觀察顏色、觸碰硬度、嗅聞氣味等方法來加以判斷。這不僅令顧客感到麻煩，對水果來說也是一種“折磨”，同時根據個人主觀感受不一致也容易會出現偏差。有沒有更科學便捷的方法來區分水果的成熟度？研究表明，水果成熟時會釋放出揮發性的植物內源激素，而且隨著成熟程度的增加，其濃度不斷升高。由新西蘭園藝標簽行業的主要供應商詹金斯集團聯合新西蘭植物與食品研究所合作開發的ripeSense?標簽正是基于水果的這一特性。

RipeSense?標簽是世界上第一個水果成熟度智能指示標簽（如圖7），它能夠通過監測水果果實成熟后所產生的特征氣體來間接反映其成熟度。當果實堅硬而不成熟時，標簽會呈現出原始的紅色，這時果肉硬脆;后來標簽逐步變成橙色，表示水果已經完全成熟，此時食用最佳;隨著時間延長，標簽最后會變成黃色，此時表示水果過度成熟，果實軟而多汁。通過標簽不同的顏色來反映果實不同的成熟階段，消費者可結合自身需要選擇某一成熟度的產品。目前，該指示標簽已經應用于獼猴桃、甜瓜、芒果和梨等水果的包裝上。

5.指示包裝泄漏的標簽

包裝的完整性對于食品包裝至關重要，因為一旦包裝發生破損或泄漏，包裝外的O2會引起食品氧化而變質，另外，對于MAP包裝，包裝內填充的利于食品或果蔬存儲的工作氣體會因為包裝泄漏而逸出，這些都將對被包裝產品的品質帶來影響。Leak Detection IndicatorsTM的標簽產品是專為MAP包裝設計的泄漏指示標簽。當標簽隨封蓋膜置于包裝內時，標簽指示區域顯示初始顏色——黃色，如果包裝發生泄漏，即使是針眼造成的緩慢泄漏，標簽也會“感知”包裝內氣氛的變化，進而變為藍色（圖8），即指示該包裝發生了泄漏，提醒消費者謹慎購買或銷售商對其加以處置。

在國外，功能廣泛、效果顯著的智能指示型標簽已經在食品、藥品和農產品的物流、倉儲及銷售等各個領域得到了廣泛的應用，我國在這方面的研究才剛剛起步，一些可見的應用也僅限于高端商品市場，離真正市場化普遍應用還有較遠的距離。但是，智能指示型標簽在食品品質實時監控、減少食物浪費、保障食品安全等方面的積極作用已經初步顯現，同時它具備自帶信息、與消費者交互、避免開封檢驗、快捷便利等諸多優點，相信在不久的將來，隨著人們食品安全意識和消費體驗欲求的提高，我國也會加大自主研發力度，更多的智能指示型標簽也將會走向大眾市場。武漢大學校級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：S2019217001）

責任編輯：李倩 liqian@cprint.cn