從起源詞匯看食品智能包裝技術的發展趨勢

闞旭飛 李光安 戴子喆

（上海工程技術大學，上海 松江 201620）

“智能包裝”這一專業術語引進中國才剛剛20年，由于語境和文化上的差異，國內有些文章將更適合代表智能包裝的Intelligent Packaging與其父概念Smart Packaging相混淆，甚至將其與傳統包裝進行直接比較，這種方式有失妥當，時常會造成對“智能包裝”概念的誤解。簡單來說，Smart Packaging通常指智能包裝這一技術，是一個大概念，它包含了Intelligent Packaging在內的許多小概念。本文將 “智能包裝”與“智能包裝技術”的關系從英文學術詞匯上進行區別、比較和分析，并結合近年來的發展趨勢及浮現的問題進行探討。

1 智能包裝技術的概念

除了印象中人們所熟知的傳統包裝與智能包裝的區別以外，在英文語境中，根據Callaghan等[1]和Grady等[2]的觀點，智能包裝技術可分為活性包裝與智能包裝（圖1），因Smart Packaging有時寫為Smart Packaging System[3]或Smart Packaging Technology[1-2]，且二者都包含智能包裝和活性包裝[2]的部分，所以Schaefer和Cheung[4]在2018年進一步論證了智能包裝技術、活性包裝和智能包裝三者之間的關系。Fang等[5]同時將活性包裝與智能包裝作為包裝的新技術和新材料來討論。為避免語境歧義，這里所講的“智能包裝技術”是廣義上包含帶有傳感器或物聯網等技術的綜合概念，它包含了智能包裝與活性包裝兩種不同的技術，即Smart Packaging Technology。所以在中文論文里，不妨使用“智能包裝技術”來對應Smart Packaging或Smart Packaging Technology，而使用“智能包裝”來對應Intelligent Packaging。

圖1 智能包裝技術的分類

2 智能包裝技術的源流

條形碼是有記錄以來最早應用于包裝的數字化技術[6]，早在20世紀30年代，John Kermode、Douglass Young和Harry Sparkes三人發明了世界上第一個條形碼，并于1934年獲得美國專利[7-8]，當時條形碼被設計問世僅僅是為了解決郵政工作人員分揀郵票單據繁瑣的問題，卻意外地拉開了智能化包裝的序幕。此后，一位哈佛商學院的學生Wallace Flint于1932年發表了第一篇關于通用商品代碼的碩士論文。到了之后的20世紀40年代，Norman Joseph Woodland和Bernard Silver發明了一個類似莫爾斯電碼的圓形一維碼，這種碼由幾個黑白同心圓組成，也被稱作牛眼條形碼[9-10]，旨在結賬時讀取商品信息。然而，受限于當時的技術條件，激光掃描系統非常昂貴，直到1974年GS1組織成立，為條形碼設計了統一的標準后，掃描系統的成本方才降低，而箭牌口香糖在超市進行出售則是該技術第一次正式應用到商業領域[6]。因此，數字化技術的支持使食品在供應鏈中獲得唯一代碼，在一定程度上避免了假冒偽劣，保護了商家與消費者的利益，同時也標志著食品包裝開始進入智能化時代。

3 食品智能包裝技術的分類

3.1 食品類活性包裝

活性包裝超越了傳統功能的包裝，其包裝產品與環境相互作用，以延長食品的保質期或改善其包裝內部的環境，從而保持包裝食品的良好質量。曾鳳霞等[11]認為，活性包裝是指通過應用新型智能包裝材料，改善和增加包裝的功能，以達到和完成特定包裝的目的。不僅如此，Miltz等[12]認為產品、包裝與環境相互作用以達到食品的貨架期延長或實現某些特性的系統，也屬于活性包裝定義的范疇。另外，活性包裝還包括各種功能的應用，如利用吸收劑進行溫度控制、除氧、水分控制,還可以添加化學物質,如鹽、糖、CO2、抗氧化劑等[13]?？偠灾钚园b體系主要包括吸收劑和釋放劑兩種功能[14]。

3.1.1 抗菌技術 抗菌技術是一種減少、抑制或阻止可能存在于包裝食品或包裝材料本身中微生物的生長[15]并最大限度地降低食物傳播疾病概率[16]的一種新型技術。常用的抗菌化合物有無機酸、無機鹽、有機酸酯和復雜的多肽。亞硝酸鹽和亞硫酸鹽廣泛存在于肉類和蔬菜等食物中。最常見的有機酸酯是乳酸酯、山梨酯和對羥基苯甲酸酯[17]。在另一項研究中，Silva等[18]將芫荽油加入環糊精復合物中，環糊精復合物被證明對廣泛的食源性病原體具有良好的抗菌性，因此可能用于活性食品包裝膜[19-20]。例如，肉桂油/β-環糊精復合物已被并入靜電紡成的聚乙烯醇納米纖維中，顯示出對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的強大抵抗作用[21]。實驗結果表明，靜電紡絲膜比鑄膜更能有效地抑制微生物生長，這是由于靜電紡絲工藝條件較溫和，減少了精油的損失。因此，靜電紡絲是新型抗菌食品包裝材料的理想選擇。

3.1.2 納米封裝技術 納米技術的發展為食品包裝行業帶來了一場全新革命，主要方式是在食品包裝中加入了天然抗菌物質，以保護食品在儲存和分發過程中免受有害的生物變化和環境威脅[22-23]。例如，將乳酸鏈球菌肽封裝在納米脂質體中以使乳酸鏈球菌肽獲得更高的保留率并且可控釋放[24]。納米封裝技術的主要目標在于開發納米立方體、納米棒、納米膠囊等填充生物活性化合物的納米載體[25]。因此，相應的智能包裝是在包裝膜或涂層中添加納米載體，而不是將各抗菌劑以自由形式結合在一起。所以目前該技術在食品產業生產活性包裝系統中是最有效的[26]。

3.1.3 除濕技術 在歐美等發達國家中，家禽類等高水分生肉通常封裝在包裝里進行銷售，所以很容易因肉所包含的水分滋生細菌并加速霉菌的生長，從而導致變質或保質期縮短。針對這種情況，Ozdemir等[27]認為，控制食品包裝中多余水分積累的有效方法是使用對水蒸氣有很高阻隔性的吸濕器。最常見的吸濕系統由位于兩層微孔或非織造聚合物之間的高吸水性聚合物組成。這種材料通常以各種尺寸的薄片供應，且多用于新鮮肉類產品[28]。

3.2 食品類智能包裝

智能包裝的主要目的在于檢測食品的狀況或周圍的環境[29]，其大多借助近場通訊技術（NFC）、物聯網技術（IoT）、射頻識別技術（RFID）等技術交叉融合，對產品的運輸進行溯源追蹤并且為產品提供防偽認證。這些技術能夠檢測、感知、記錄、跟蹤整個食品鏈中產品的質量和狀態[30]。除了應用于生肉包裝的時間溫度指示器、氧氣及完整性指示器等功能性指示器，同樣還有應用于生鮮包裝的生物傳感器[31]，其精度很高，能夠檢測、記錄和傳送包裝中發生的大部分生物的反應信息[30]。

3.2.1 時間溫度指示器 時間溫度指示器標簽（圖2）是一款應用在冷鏈物流環節中監測冷藏與冷凍食品是否過期、同時檢測溫度是否達標的智能標簽[32]：如根據OnVu的光致變色參照（圖3），標簽的顏色會隨著時間的流逝而變化[33]。顏色越深，表明溫度越低，越新鮮，反之越淡，則代表溫度越高，越接近過期時間。

圖2 具有時間溫度指示器標簽的智能包裝設計

圖3 光致變色型

該標簽采用感受溫度的特殊油墨材料，是一種性價比較高且使用十分方便的產品。從貼上標簽的這一刻起，溫度計中心的指示器被紫外線激活而變成深藍色，然后它就監測著冷鏈物流的環節。

3.2.2 近場通信技術 近場通信技術(NFC)是一種無須攝像頭的短程無線通信技術。只要把具有近場通信功能的智能手機放在標簽附近，就能與它通信。這種技術已經開始出現在各大零售店和交通系統中，改變了消費者在收銀臺付款的方式，無須處理實體貨幣，也無須簽名或安全數字等常規認證過程[34]。該標簽的設計可以實時檢測瓶子是否密封（圖4），并通過點擊智能手機的NFC進行讀取，同時為相關行業提供重要的防偽協議。該技術的一個重要優勢是它可以在供應鏈的所有階段提供透明的防偽機制。例如為運輸到市場上的每一瓶葡萄酒進行追蹤，確保它們在包裝、運輸、庫存和購買時都處于原廠密封狀態。

圖4 具有防偽標簽的智能包裝設計

3.2.3 病原體指示器 除了以上反映食品變質的技術外，還發展出了能直接檢測肉類及肉制品的致病微生物污染程度的指示器。這些病原體指示物是一種生物傳感器，實際上是一種可以檢測、記錄和傳遞病原體引起生化反應信息的分析設備[30]。在這個系統中，一種針對目標病原體的抗體附著在條形碼處一部分的膜上。病原體的存在會導致局部暗色條的形成，使條形碼在掃描時無法讀取[35]。使用該系統能夠檢測出沙門氏菌、彎曲桿菌、大腸桿菌和李斯特菌等細菌。

4 食品智能包裝技術存在的問題及其發展趨勢

雖然智能包裝設計有明顯的應用價值，但在大規模應用時仍然存在著許多挑戰，而想克服這些挑戰需要付出較大的代價。

4.1 問題

4.1.1 科學與產業間的壁壘 雖然Active Packaging也就是活性包裝一詞是在30多年前提出的[36]，但是這個術語對一般的產業來說是相當新的，在市場上的應用也相對較少。比如，基于納米纖維素包裝應用的研究熱度正在迅速升溫：通過使用納米纖維素，以纖維為基礎的包裝可以在不損害其可持續性的屬性之外，賦予其抗菌的性能[37]。然而，材料成分和材料加工的最佳選擇，如靜電紡絲技術與包裝產品之間的有效融合需要在未來幾年進行更多的研究，以充分實現納米纖維素在包裝中廣泛應用的潛力[38-39]。

4.1.2 立法與實踐間的壁壘 如何保證智能包裝在收集用戶個人信息的同時防止泄露？盡管有《中華人民共和國網絡安全法》第四章中第四十一條、第四十二條和第四十四條的明確規定，但由于一些不法分子或黑客利用網絡作案的隱蔽性，通過非法的手段破解獲取用戶信息，甚至有學校直接倒賣學生信息到網絡黑市上。這些交易信息經過多手轉賣，所以很難查清信息泄露的最終去向，從而達到精準有效打擊犯罪分子的目的。

4.1.3 消費者與行業之間的壁壘 在O’Callaghan等[1]做的一份智能包裝接受度的調查中，對于面包類食品包裝結合科技的額外費用，愿意支付的人僅占32.7%，拒絕支付的人占67.3%，且對于智能包裝的接受程度高于活性包裝。拒絕額外付費的主要原因在于消費者認為包裝并不重要，或者認為技術還沒有被研究充分，也許會對后代帶來未知的健康和環境風險。然而，一項國內的最新調查結果發現[40],對于活性包裝和智能包裝的不接受程度都在56%左右，這大多是由于消費者對食品包裝的新技術知之甚少，導致他們認為智能包裝技術有很大的不確定性。因此，兩篇文章當中亟須解決的都是消費者對智能包裝技術的信任和了解問題。

4.2 發展趨勢

4.2.1 全球市場領域 根據Fuertes等[41]的研究發現，預計到2026年，美國智能包裝的市場將繼續發展，以每年7.4%的速度增長。此前，中國提出了“中國制造2025”戰略，推動并加速了包裝的智能化進程[42]。我國2016年的智能包裝行業產值達到了1 366.5億元，約合209億美元，由華經產業研究院公布的數據統計，2019年我國智能包裝行業產值達到1 724.5億人民幣，約合263億美元。有數據研究預測，到2024年，我國智能包裝行業市場有望突破2 000億元[43]。由此可見，智能包裝在我國的市場潛力巨大。

4.2.2 抗病毒領域 最近全球新冠肺炎疫情肆虐，許多公司開始在價值鏈的各個階段探索抗病毒包裝的解決方案。該解決方案可以減少生產和使用過程中的交叉感染，為客戶提供安全保障。然而，當前解決方案的有效性存在混亂和溝通不明確的問題，如將技術轉移到應用中的困難、使用測試實驗室來驗證概念的困難等，這也使得起草一個可行的商業案例本身成為一大挑戰。

4.2.3 生物聚合物領域 隨著最低限度加工食品需求的日益增長，高效和創新的包裝技術已成為確保食品保存和保護新政策的重要組成部分。近年來，由于生物聚合物的生態效益和無毒的特性，在一些包裝的研究中已經普遍將其作為傳統能源的替代品，但其工業規模的商業化進程仍受到其自身阻礙，如熱屬性和機械屬性以及相關制造和加工費用高額的限制。因此，以生物聚合物為基礎的包裝材料的工業化需要進一步調查和研究，旨在改善其微生物的數量和質量，以延長貨架期和增加營養價值。

5 結語與展望

本文以英文文獻這一智能包裝技術的起源為主、中文文獻為輔，介紹了食品智能包裝的細化分類及其發展趨勢。在為其他學者查找相關文獻時明確概念目標的同時，對當前食品智能包裝做出總結和歸納。設計創新離不開技術與材料的支撐和靈活運用,食品智能包裝設計同樣需要,尤其是智能功能的實現與其相應材料和技術的使用密切相關。目前的智能包裝在交互層面多以小程序、掃一掃或應用程序體現[44]，這類技術多以視覺形式為消費者展示對相關產品的溯源。所以要做好食品智能包裝設計，必須先了解智能原理、各種智能技術與方法、智能材料的性質,并靈活整合到智能包裝設計上,設計符合時代需求與發展的智能包裝。智能化包裝設計的出現突破了傳統的包裝體系,呈現出數字化、網絡化等特點，這些特點正是順應了當代的趨勢，符合消費者及品牌商的心理需求。

雖然目前的智能包裝設計有著明顯的商業應用價值，但在大規模應用時仍然存在許多挑戰，克服這些挑戰需要相關人員嘗試不同的創新業務模式和方法，如成本問題、法律上的監管與隱私問題、數據所有權問題、消費者與行業間的問題等。所以目前既需要技術的更新迭代，使其成本進一步降低，也需要政府完善相關法律制度，關于智能包裝問題還需要媒體對廣大消費者進行普及教育。