从起源词汇看食品智能包装技术的发展趋势

阚旭飞 李光安 戴子喆

（上海工程技术大学，上海 松江 201620）

“智能包装”这一专业术语引进中国才刚刚20年，由于语境和文化上的差异，国内有些文章将更适合代表智能包装的Intelligent Packaging与其父概念Smart Packaging相混淆，甚至将其与传统包装进行直接比较，这种方式有失妥当，时常会造成对“智能包装”概念的误解。简单来说，Smart Packaging通常指智能包装这一技术，是一个大概念，它包含了Intelligent Packaging在内的许多小概念。本文将 “智能包装”与“智能包装技术”的关系从英文学术词汇上进行区别、比较和分析，并结合近年来的发展趋势及浮现的问题进行探讨。

1 智能包装技术的概念

除了印象中人们所熟知的传统包装与智能包装的区别以外，在英文语境中，根据Callaghan等[1]和Grady等[2]的观点，智能包装技术可分为活性包装与智能包装（图1），因Smart Packaging有时写为Smart Packaging System[3]或Smart Packaging Technology[1-2]，且二者都包含智能包装和活性包装[2]的部分，所以Schaefer和Cheung[4]在2018年进一步论证了智能包装技术、活性包装和智能包装三者之间的关系。Fang等[5]同时将活性包装与智能包装作为包装的新技术和新材料来讨论。为避免语境歧义，这里所讲的“智能包装技术”是广义上包含带有传感器或物联网等技术的综合概念，它包含了智能包装与活性包装两种不同的技术，即Smart Packaging Technology。所以在中文论文里，不妨使用“智能包装技术”来对应Smart Packaging或Smart Packaging Technology，而使用“智能包装”来对应Intelligent Packaging。

图1 智能包装技术的分类

2 智能包装技术的源流

条形码是有记录以来最早应用于包装的数字化技术[6]，早在20世纪30年代，John Kermode、Douglass Young和Harry Sparkes三人发明了世界上第一个条形码，并于1934年获得美国专利[7-8]，当时条形码被设计问世仅仅是为了解决邮政工作人员分拣邮票单据繁琐的问题，却意外地拉开了智能化包装的序幕。此后，一位哈佛商学院的学生Wallace Flint于1932年发表了第一篇关于通用商品代码的硕士论文。到了之后的20世纪40年代，Norman Joseph Woodland和Bernard Silver发明了一个类似莫尔斯电码的圆形一维码，这种码由几个黑白同心圆组成，也被称作牛眼条形码[9-10]，旨在结账时读取商品信息。然而，受限于当时的技术条件，激光扫描系统非常昂贵，直到1974年GS1组织成立，为条形码设计了统一的标准后，扫描系统的成本方才降低，而箭牌口香糖在超市进行出售则是该技术第一次正式应用到商业领域[6]。因此，数字化技术的支持使食品在供应链中获得唯一代码，在一定程度上避免了假冒伪劣，保护了商家与消费者的利益，同时也标志着食品包装开始进入智能化时代。

3 食品智能包装技术的分类

3.1 食品类活性包装

活性包装超越了传统功能的包装，其包装产品与环境相互作用，以延长食品的保质期或改善其包装内部的环境，从而保持包装食品的良好质量。曾凤霞等[11]认为，活性包装是指通过应用新型智能包装材料，改善和增加包装的功能，以达到和完成特定包装的目的。不仅如此，Miltz等[12]认为产品、包装与环境相互作用以达到食品的货架期延长或实现某些特性的系统，也属于活性包装定义的范畴。另外，活性包装还包括各种功能的应用，如利用吸收剂进行温度控制、除氧、水分控制,还可以添加化学物质,如盐、糖、CO2、抗氧化剂等[13]。总而言之，活性包装体系主要包括吸收剂和释放剂两种功能[14]。

3.1.1 抗菌技术 抗菌技术是一种减少、抑制或阻止可能存在于包装食品或包装材料本身中微生物的生长[15]并最大限度地降低食物传播疾病概率[16]的一种新型技术。常用的抗菌化合物有无机酸、无机盐、有机酸酯和复杂的多肽。亚硝酸盐和亚硫酸盐广泛存在于肉类和蔬菜等食物中。最常见的有机酸酯是乳酸酯、山梨酯和对羟基苯甲酸酯[17]。在另一项研究中，Silva等[18]将芫荽油加入环糊精复合物中，环糊精复合物被证明对广泛的食源性病原体具有良好的抗菌性，因此可能用于活性食品包装膜[19-20]。例如，肉桂油/β-环糊精复合物已被并入静电纺成的聚乙烯醇纳米纤维中，显示出对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的强大抵抗作用[21]。实验结果表明，静电纺丝膜比铸膜更能有效地抑制微生物生长，这是由于静电纺丝工艺条件较温和，减少了精油的损失。因此，静电纺丝是新型抗菌食品包装材料的理想选择。

3.1.2 纳米封装技术 纳米技术的发展为食品包装行业带来了一场全新革命，主要方式是在食品包装中加入了天然抗菌物质，以保护食品在储存和分发过程中免受有害的生物变化和环境威胁[22-23]。例如，将乳酸链球菌肽封装在纳米脂质体中以使乳酸链球菌肽获得更高的保留率并且可控释放[24]。纳米封装技术的主要目标在于开发纳米立方体、纳米棒、纳米胶囊等填充生物活性化合物的纳米载体[25]。因此，相应的智能包装是在包装膜或涂层中添加纳米载体，而不是将各抗菌剂以自由形式结合在一起。所以目前该技术在食品产业生产活性包装系统中是最有效的[26]。

3.1.3 除湿技术 在欧美等发达国家中，家禽类等高水分生肉通常封装在包装里进行销售，所以很容易因肉所包含的水分滋生细菌并加速霉菌的生长，从而导致变质或保质期缩短。针对这种情况，Ozdemir等[27]认为，控制食品包装中多余水分积累的有效方法是使用对水蒸气有很高阻隔性的吸湿器。最常见的吸湿系统由位于两层微孔或非织造聚合物之间的高吸水性聚合物组成。这种材料通常以各种尺寸的薄片供应，且多用于新鲜肉类产品[28]。

3.2 食品类智能包装

智能包装的主要目的在于检测食品的状况或周围的环境[29]，其大多借助近场通讯技术（NFC）、物联网技术（IoT）、射频识别技术（RFID）等技术交叉融合，对产品的运输进行溯源追踪并且为产品提供防伪认证。这些技术能够检测、感知、记录、跟踪整个食品链中产品的质量和状态[30]。除了应用于生肉包装的时间温度指示器、氧气及完整性指示器等功能性指示器，同样还有应用于生鲜包装的生物传感器[31]，其精度很高，能够检测、记录和传送包装中发生的大部分生物的反应信息[30]。

3.2.1 时间温度指示器 时间温度指示器标签（图2）是一款应用在冷链物流环节中监测冷藏与冷冻食品是否过期、同时检测温度是否达标的智能标签[32]：如根据OnVu的光致变色参照（图3），标签的颜色会随着时间的流逝而变化[33]。颜色越深，表明温度越低，越新鲜，反之越淡，则代表温度越高，越接近过期时间。

图2 具有时间温度指示器标签的智能包装设计

图3 光致变色型

该标签采用感受温度的特殊油墨材料，是一种性价比较高且使用十分方便的产品。从贴上标签的这一刻起，温度计中心的指示器被紫外线激活而变成深蓝色，然后它就监测着冷链物流的环节。

3.2.2 近场通信技术 近场通信技术(NFC)是一种无须摄像头的短程无线通信技术。只要把具有近场通信功能的智能手机放在标签附近，就能与它通信。这种技术已经开始出现在各大零售店和交通系统中，改变了消费者在收银台付款的方式，无须处理实体货币，也无须签名或安全数字等常规认证过程[34]。该标签的设计可以实时检测瓶子是否密封（图4），并通过点击智能手机的NFC进行读取，同时为相关行业提供重要的防伪协议。该技术的一个重要优势是它可以在供应链的所有阶段提供透明的防伪机制。例如为运输到市场上的每一瓶葡萄酒进行追踪，确保它们在包装、运输、库存和购买时都处于原厂密封状态。

图4 具有防伪标签的智能包装设计

3.2.3 病原体指示器 除了以上反映食品变质的技术外，还发展出了能直接检测肉类及肉制品的致病微生物污染程度的指示器。这些病原体指示物是一种生物传感器，实际上是一种可以检测、记录和传递病原体引起生化反应信息的分析设备[30]。在这个系统中，一种针对目标病原体的抗体附着在条形码处一部分的膜上。病原体的存在会导致局部暗色条的形成，使条形码在扫描时无法读取[35]。使用该系统能够检测出沙门氏菌、弯曲杆菌、大肠杆菌和李斯特菌等细菌。

4 食品智能包装技术存在的问题及其发展趋势

虽然智能包装设计有明显的应用价值，但在大规模应用时仍然存在着许多挑战，而想克服这些挑战需要付出较大的代价。

4.1 问题

4.1.1 科学与产业间的壁垒 虽然Active Packaging也就是活性包装一词是在30多年前提出的[36]，但是这个术语对一般的产业来说是相当新的，在市场上的应用也相对较少。比如，基于纳米纤维素包装应用的研究热度正在迅速升温：通过使用纳米纤维素，以纤维为基础的包装可以在不损害其可持续性的属性之外，赋予其抗菌的性能[37]。然而，材料成分和材料加工的最佳选择，如静电纺丝技术与包装产品之间的有效融合需要在未来几年进行更多的研究，以充分实现纳米纤维素在包装中广泛应用的潜力[38-39]。

4.1.2 立法与实践间的壁垒 如何保证智能包装在收集用户个人信息的同时防止泄露？尽管有《中华人民共和国网络安全法》第四章中第四十一条、第四十二条和第四十四条的明确规定，但由于一些不法分子或黑客利用网络作案的隐蔽性，通过非法的手段破解获取用户信息，甚至有学校直接倒卖学生信息到网络黑市上。这些交易信息经过多手转卖，所以很难查清信息泄露的最终去向，从而达到精准有效打击犯罪分子的目的。

4.1.3 消费者与行业之间的壁垒 在O’Callaghan等[1]做的一份智能包装接受度的调查中，对于面包类食品包装结合科技的额外费用，愿意支付的人仅占32.7%，拒绝支付的人占67.3%，且对于智能包装的接受程度高于活性包装。拒绝额外付费的主要原因在于消费者认为包装并不重要，或者认为技术还没有被研究充分，也许会对后代带来未知的健康和环境风险。然而，一项国内的最新调查结果发现[40],对于活性包装和智能包装的不接受程度都在56%左右，这大多是由于消费者对食品包装的新技术知之甚少，导致他们认为智能包装技术有很大的不确定性。因此，两篇文章当中亟须解决的都是消费者对智能包装技术的信任和了解问题。

4.2 发展趋势

4.2.1 全球市场领域 根据Fuertes等[41]的研究发现，预计到2026年，美国智能包装的市场将继续发展，以每年7.4%的速度增长。此前，中国提出了“中国制造2025”战略，推动并加速了包装的智能化进程[42]。我国2016年的智能包装行业产值达到了1 366.5亿元，约合209亿美元，由华经产业研究院公布的数据统计，2019年我国智能包装行业产值达到1 724.5亿人民币，约合263亿美元。有数据研究预测，到2024年，我国智能包装行业市场有望突破2 000亿元[43]。由此可见，智能包装在我国的市场潜力巨大。

4.2.2 抗病毒领域 最近全球新冠肺炎疫情肆虐，许多公司开始在价值链的各个阶段探索抗病毒包装的解决方案。该解决方案可以减少生产和使用过程中的交叉感染，为客户提供安全保障。然而，当前解决方案的有效性存在混乱和沟通不明确的问题，如将技术转移到应用中的困难、使用测试实验室来验证概念的困难等，这也使得起草一个可行的商业案例本身成为一大挑战。

4.2.3 生物聚合物领域 随着最低限度加工食品需求的日益增长，高效和创新的包装技术已成为确保食品保存和保护新政策的重要组成部分。近年来，由于生物聚合物的生态效益和无毒的特性，在一些包装的研究中已经普遍将其作为传统能源的替代品，但其工业规模的商业化进程仍受到其自身阻碍，如热属性和机械属性以及相关制造和加工费用高额的限制。因此，以生物聚合物为基础的包装材料的工业化需要进一步调查和研究，旨在改善其微生物的数量和质量，以延长货架期和增加营养价值。

5 结语与展望

本文以英文文献这一智能包装技术的起源为主、中文文献为辅，介绍了食品智能包装的细化分类及其发展趋势。在为其他学者查找相关文献时明确概念目标的同时，对当前食品智能包装做出总结和归纳。设计创新离不开技术与材料的支撑和灵活运用,食品智能包装设计同样需要,尤其是智能功能的实现与其相应材料和技术的使用密切相关。目前的智能包装在交互层面多以小程序、扫一扫或应用程序体现[44]，这类技术多以视觉形式为消费者展示对相关产品的溯源。所以要做好食品智能包装设计，必须先了解智能原理、各种智能技术与方法、智能材料的性质,并灵活整合到智能包装设计上,设计符合时代需求与发展的智能包装。智能化包装设计的出现突破了传统的包装体系,呈现出数字化、网络化等特点，这些特点正是顺应了当代的趋势，符合消费者及品牌商的心理需求。

虽然目前的智能包装设计有着明显的商业应用价值，但在大规模应用时仍然存在许多挑战，克服这些挑战需要相关人员尝试不同的创新业务模式和方法，如成本问题、法律上的监管与隐私问题、数据所有权问题、消费者与行业间的问题等。所以目前既需要技术的更新迭代，使其成本进一步降低，也需要政府完善相关法律制度，关于智能包装问题还需要媒体对广大消费者进行普及教育。