闞旭飛 李光安 戴子喆

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 松江 201620）

“智能包裝”這一專業(yè)術(shù)語引進(jìn)中國才剛剛20年，由于語境和文化上的差異，國內(nèi)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(tǒng)包裝進(jìn)行直接比較，這種方式有失妥當(dāng)，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(shù)，是一個大概念，它包含了Intelligent Packaging在內(nèi)的許多小概念。本文將 “智能包裝”與“智能包裝技術(shù)”的關(guān)系從英文學(xué)術(shù)詞匯上進(jìn)行區(qū)別、比較和分析，并結(jié)合近年來的發(fā)展趨勢及浮現(xiàn)的問題進(jìn)行探討。

1 智能包裝技術(shù)的概念

除了印象中人們所熟知的傳統(tǒng)包裝與智能包裝的區(qū)別以外，在英文語境中，根據(jù)Callaghan等[1]和Grady等[2]的觀點，智能包裝技術(shù)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(jìn)一步論證了智能包裝技術(shù)、活性包裝和智能包裝三者之間的關(guān)系。Fang等[5]同時將活性包裝與智能包裝作為包裝的新技術(shù)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(shù)”是廣義上包含帶有傳感器或物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)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(shù)，即Smart Packaging Technology。所以在中文論文里，不妨使用“智能包裝技術(shù)”來對應(yīng)Smart Packaging或Smart Packaging Technology，而使用“智能包裝”來對應(yīng)Intelligent Packaging。

圖1 智能包裝技術(shù)的分類

2 智能包裝技術(shù)的源流

條形碼是有記錄以來最早應(yīng)用于包裝的數(shù)字化技術(shù)[6]，早在20世紀(jì)30年代，John Kermode、Douglass Young和Harry Sparkes三人發(fā)明了世界上第一個條形碼，并于1934年獲得美國專利[7-8]，當(dāng)時條形碼被設(shè)計問世僅僅是為了解決郵政工作人員分揀郵票單據(jù)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(xué)院的學(xué)生Wallace Flint于1932年發(fā)表了第一篇關(guān)于通用商品代碼的碩士論文。到了之后的20世紀(jì)40年代，Norman Joseph Woodland和Bernard Silver發(fā)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(jié)賬時讀取商品信息。然而，受限于當(dāng)時的技術(shù)條件，激光掃描系統(tǒng)非常昂貴，直到1974年GS1組織成立，為條形碼設(shè)計了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)后，掃描系統(tǒng)的成本方才降低，而箭牌口香糖在超市進(jìn)行出售則是該技術(shù)第一次正式應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域[6]。因此，數(shù)字化技術(shù)的支持使食品在供應(yīng)鏈中獲得唯一代碼，在一定程度上避免了假冒偽劣，保護(hù)了商家與消費者的利益，同時也標(biāo)志著食品包裝開始進(jìn)入智能化時代。

3 食品智能包裝技術(shù)的分類

3.1 食品類活性包裝

活性包裝超越了傳統(tǒng)功能的包裝，其包裝產(chǎn)品與環(huán)境相互作用，以延長食品的保質(zhì)期或改善其包裝內(nèi)部的環(huán)境，從而保持包裝食品的良好質(zhì)量。曾鳳霞等[11]認(rèn)為，活性包裝是指通過應(yīng)用新型智能包裝材料，改善和增加包裝的功能，以達(dá)到和完成特定包裝的目的。不僅如此，Miltz等[12]認(rèn)為產(chǎn)品、包裝與環(huán)境相互作用以達(dá)到食品的貨架期延長或?qū)崿F(xiàn)某些特性的系統(tǒng)，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(yīng)用，如利用吸收劑進(jìn)行溫度控制、除氧、水分控制,還可以添加化學(xué)物質(zhì),如鹽、糖、CO2、抗氧化劑等[13]?？偠灾?，活性包裝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(shù) 抗菌技術(shù)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(shù)。常用的抗菌化合物有無機(jī)酸、無機(jī)鹽、有機(jī)酸酯和復(fù)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(jī)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(huán)糊精復(fù)合物中，環(huán)糊精復(fù)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(huán)糊精復(fù)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(qiáng)大抵抗作用[21]。實驗結(jié)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(shù) 納米技術(shù)的發(fā)展為食品包裝行業(yè)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(zhì)，以保護(hù)食品在儲存和分發(fā)過程中免受有害的生物變化和環(huán)境威脅[22-23]。例如，將乳酸鏈球菌肽封裝在納米脂質(zhì)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(shù)的主要目標(biāo)在于開發(fā)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(yīng)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(jié)合在一起。所以目前該技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活性包裝系統(tǒng)中是最有效的[26]。

3.1.3 除濕技術(shù) 在歐美等發(fā)達(dá)國家中，家禽類等高水分生肉通常封裝在包裝里進(jìn)行銷售，所以很容易因肉所包含的水分滋生細(xì)菌并加速霉菌的生長，從而導(dǎo)致變質(zhì)或保質(zhì)期縮短。針對這種情況，Ozdemir等[27]認(rèn)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(tǒng)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(yīng)，且多用于新鮮肉類產(chǎn)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(huán)境[29]，其大多借助近場通訊技術(shù)（NFC）、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT）、射頻識別技術(shù)（RFID）等技術(shù)交叉融合，對產(chǎn)品的運輸進(jìn)行溯源追蹤并且為產(chǎn)品提供防偽認(rèn)證。這些技術(shù)能夠檢測、感知、記錄、跟蹤整個食品鏈中產(chǎn)品的質(zhì)量和狀態(tài)[30]。除了應(yīng)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(yīng)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(fā)生的大部分生物的反應(yīng)信息[30]。

3.2.1 時間溫度指示器 時間溫度指示器標(biāo)簽（圖2）是一款應(yīng)用在冷鏈物流環(huán)節(jié)中監(jiān)測冷藏與冷凍食品是否過期、同時檢測溫度是否達(dá)標(biāo)的智能標(biāo)簽[32]：如根據(jù)OnVu的光致變色參照（圖3），標(biāo)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(biāo)簽的智能包裝設(shè)計

圖3 光致變色型

該標(biāo)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(chǎn)品。從貼上標(biāo)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(lán)色，然后它就監(jiān)測著冷鏈物流的環(huán)節(jié)。

3.2.2 近場通信技術(shù) 近場通信技術(shù)(NFC)是一種無須攝像頭的短程無線通信技術(shù)。只要把具有近場通信功能的智能手機(jī)放在標(biāo)簽附近，就能與它通信。這種技術(shù)已經(jīng)開始出現(xiàn)在各大零售店和交通系統(tǒng)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(shù)字等常規(guī)認(rèn)證過程[34]。該標(biāo)簽的設(shè)計可以實時檢測瓶子是否密封（圖4），并通過點擊智能手機(jī)的NFC進(jìn)行讀取，同時為相關(guān)行業(yè)提供重要的防偽協(xié)議。該技術(shù)的一個重要優(yōu)勢是它可以在供應(yīng)鏈的所有階段提供透明的防偽機(jī)制。例如為運輸?shù)绞袌錾系拿恳黄科咸丫七M(jìn)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(tài)。

圖4 具有防偽標(biāo)簽的智能包裝設(shè)計

3.2.3 病原體指示器 除了以上反映食品變質(zhì)的技術(shù)外，還發(fā)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(yīng)信息的分析設(shè)備[30]。在這個系統(tǒng)中，一種針對目標(biāo)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(dǎo)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(tǒng)能夠檢測出沙門氏菌、彎曲桿菌、大腸桿菌和李斯特菌等細(xì)菌。

4 食品智能包裝技術(shù)存在的問題及其發(fā)展趨勢

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

4.1 問題

4.1.1 科學(xué)與產(chǎn)業(yè)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(shù)語對一般的產(chǎn)業(yè)來說是相當(dāng)新的，在市場上的應(yīng)用也相對較少。比如，基于納米纖維素包裝應(yīng)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(chǔ)的包裝可以在不損害其可持續(xù)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(shù)與包裝產(chǎn)品之間的有效融合需要在未來幾年進(jìn)行更多的研究，以充分實現(xiàn)納米纖維素在包裝中廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(guī)定，但由于一些不法分子或黑客利用網(wǎng)絡(luò)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(xué)校直接倒賣學(xué)生信息到網(wǎng)絡(luò)黑市上。這些交易信息經(jīng)過多手轉(zhuǎn)賣，所以很難查清信息泄露的最終去向，從而達(dá)到精準(zhǔn)有效打擊犯罪分子的目的。

4.1.3 消費者與行業(yè)之間的壁壘 在O’Callaghan等[1]做的一份智能包裝接受度的調(diào)查中，對于面包類食品包裝結(jié)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(rèn)為包裝并不重要，或者認(rèn)為技術(shù)還沒有被研究充分，也許會對后代帶來未知的健康和環(huán)境風(fēng)險。然而，一項國內(nèi)的最新調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)[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(shù)知之甚少，導(dǎo)致他們認(rèn)為智能包裝技術(shù)有很大的不確定性。因此，兩篇文章當(dāng)中亟須解決的都是消費者對智能包裝技術(shù)的信任和了解問題。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 全球市場領(lǐng)域 根據(jù)Fuertes等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)計到2026年，美國智能包裝的市場將繼續(xù)發(fā)展，以每年7.4%的速度增長。此前，中國提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，推動并加速了包裝的智能化進(jìn)程[42]。我國2016年的智能包裝行業(yè)產(chǎn)值達(dá)到了1 366.5億元，約合209億美元，由華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院公布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019年我國智能包裝行業(yè)產(chǎn)值達(dá)到1 724.5億人民幣，約合263億美元。有數(shù)據(jù)研究預(yù)測，到2024年，我國智能包裝行業(yè)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(lǐng)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(chǎn)和使用過程中的交叉感染，為客戶提供安全保障。然而，當(dāng)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(shù)轉(zhuǎn)移到應(yīng)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(yè)案例本身成為一大挑戰(zhàn)。

4.2.3 生物聚合物領(lǐng)域 隨著最低限度加工食品需求的日益增長，高效和創(chuàng)新的包裝技術(shù)已成為確保食品保存和保護(hù)新政策的重要組成部分。近年來，由于生物聚合物的生態(tài)效益和無毒的特性，在一些包裝的研究中已經(jīng)普遍將其作為傳統(tǒng)能源的替代品，但其工業(yè)規(guī)模的商業(yè)化進(jìn)程仍受到其自身阻礙，如熱屬性和機(jī)械屬性以及相關(guān)制造和加工費用高額的限制。因此，以生物聚合物為基礎(chǔ)的包裝材料的工業(yè)化需要進(jìn)一步調(diào)查和研究，旨在改善其微生物的數(shù)量和質(zhì)量，以延長貨架期和增加營養(yǎng)價值。

5 結(jié)語與展望

本文以英文文獻(xiàn)這一智能包裝技術(shù)的起源為主、中文文獻(xiàn)為輔，介紹了食品智能包裝的細(xì)化分類及其發(fā)展趨勢。在為其他學(xué)者查找相關(guān)文獻(xiàn)時明確概念目標(biāo)的同時，對當(dāng)前食品智能包裝做出總結(jié)和歸納。設(shè)計創(chuàng)新離不開技術(shù)與材料的支撐和靈活運用,食品智能包裝設(shè)計同樣需要,尤其是智能功能的實現(xiàn)與其相應(yīng)材料和技術(shù)的使用密切相關(guān)。目前的智能包裝在交互層面多以小程序、掃一掃或應(yīng)用程序體現(xiàn)[44]，這類技術(shù)多以視覺形式為消費者展示對相關(guān)產(chǎn)品的溯源。所以要做好食品智能包裝設(shè)計，必須先了解智能原理、各種智能技術(shù)與方法、智能材料的性質(zhì),并靈活整合到智能包裝設(shè)計上,設(shè)計符合時代需求與發(fā)展的智能包裝。智能化包裝設(shè)計的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的包裝體系,呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等特點，這些特點正是順應(yīng)了當(dāng)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(shè)計有著明顯的商業(yè)應(yīng)用價值，但在大規(guī)模應(yīng)用時仍然存在許多挑戰(zhàn)，克服這些挑戰(zhàn)需要相關(guān)人員嘗試不同的創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式和方法，如成本問題、法律上的監(jiān)管與隱私問題、數(shù)據(jù)所有權(quán)問題、消費者與行業(yè)間的問題等。所以目前既需要技術(shù)的更新迭代，使其成本進(jìn)一步降低，也需要政府完善相關(guān)法律制度，關(guān)于智能包裝問題還需要媒體對廣大消費者進(jìn)行普及教育。