智能包裝是通過監視包裝食品的環境條件,獲得食品在運輸和貯藏期間其品質和安全性信息的包裝技術。智能包裝可以識別和顯示包裝空間的溫度、濕度、壓力以及密封的程度、時間等一些重要參數。
一、智能包裝技術及分類
智能包裝技術包括功能材料型智能包裝、功能結構型智能包裝及信息型智能包裝等。具體體現為：利用新型的包裝材料、結構與形式對商品的質量和流通安全性進行積極干預與保障，利用信息收集、管理、控制與處理技術完成對運輸包裝系統的優化管理等。
1、功能材料型智能包裝技術的特點
功能材料型智能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。目前研制的材料型智能包裝，通常是采用光電、溫敏、濕敏、氣敏等功能材料，對環境因素具有“識別”和“判斷”功能的包裝。包裝材料復合制成，它可以識別和顯示包裝內空間的溫度、濕度、壓力以及密封的程度、時間等一些重要參數。這是一種很有發展前景的功能包裝，對于需長期儲存的包裝商品尤為重要。
2、功能結構型智能包裝技術的特點
功能結構型智能包裝是指通過增加或改進部分包裝結構，而使包裝具有某些特殊功能和智能型特點。功能結構的改進往往從包裝的安全性、可靠性和部分自動功能入手進行，這種結構上的變化使包裝的商品在使用時更加安全和便捷。
這種功能結構型智能包裝最有代表性的是自動加熱和自動冷卻包裝。這兩種包裝都是增加了包裝的部分結構,而使包裝具有部分自動功能。自動加熱型包裝是一種多層、無縫的容
器,以注塑成形方法制成,容器內層分成多個間隔,容許產品自我加熱。它的加熱原理是:當使用者拿下容器上的箔,并按壓容器底部時,容器內的水及石灰石便會產生化學反應,發放熱能,進而令產品加熱。自動冷卻型包裝內置一個冷凝器、一個蒸發格及一包以鹽做成的干燥劑,冷卻時由催化作用所產生的蒸氣及液體會貯藏于包裝的底部。
3、信息型智能包裝技術的特點
信息型智能包裝技術主要是指以反映包裝內容物及其內在品質和運輸、銷售過程信息為主的新型技術。這項技術包括兩方面：其一，商品在倉儲、運輸、銷售期間，周圍環境對其內在質量影響的信息記錄與表現；其二，商品生產信息和銷售分布信息的記錄。記錄和反映這些信息的技術涉及化學、微生物，動力學和電子技術。信息型智能包裝技術是最有發展活力和前景的包裝技術之一。
二、智能包裝材料
智能包裝材料通常包括光電、熱敏、濕敏、氣敏等功能材料,這些材料可以廣泛應用于食品和藥品包裝。如在食品包裝中,“智能”包裝能改變顏色,讓顧客知道食品新鮮程度,顯示是否由于貯存時溫度變化或包裝泄漏而導致食品變質敗壞。另外可口可樂公司曾做過的一次促銷活動,在產品的收縮膜標簽中隱藏著一個中獎信息。消費者購買可口可樂產品,并將它們存放在冰箱中才能知道自己是否中獎,這是因為這種標簽是用溫度敏感的油墨印制而成的,只有在溫度下降到一定程度的時候才能被人眼察覺到。
智能包裝材料根據被包裝商品的不同，具有如下功能：
(1)?能夠直接提供關于產品的質量、充填氣體、包裝件儲藏條件等信息；
(2)?能吸收包裝食品釋放的氧氣，防止細菌增長，降低食品變質風險，延長貨架壽命
(3)?能通過外包裝顏色的改變，讓顧客知道食品新鮮程度，顯示包裝物是否敗壞。
（4）通過時間-溫度指示劑記錄食品在貯存和銷售期間溫度變化的連續過程，預示食品質量變化情況。（TTI指示劑）
(5)通過氣調包裝調節包裝內氣體的環境，以減緩氧化速度，延長貨架壽命。（MAP包裝）
(6)通過包裝物中微生物生長過程中產生的新陳代謝產物與某種指示劑反映的情況來直接指示產品中的微生物質量。（新鮮度指示劑）
(7)利用可以同加速水果、蔬菜衰老的乙烯發生反應的指示劑（澳大利亞的CSIRO），呈現出顏色變化來指示食品情況。（乙烯指示劑）
可以預見，未來食品用智能包裝會含有更復雜的、遠程可讀的非視覺信息，油墨技術的進步也許能用上更精細的印刷線路。標簽可能會像芯片一樣，電子標簽可以作為時間-溫度、泄露或新鮮度指示劑，可能會隨著電子學和生物科技的進步而具有更加智能的作用。
三、食品智能包裝系統
食品智能包裝系統有兩類，一類是直接用于食品質量控制的包裝體系，如氣調包裝技術（CAP/MAP），另一類以指示器的形式，提供產品部分指標信息，直接或間接說明食品貨架期品質情況。
為了控制包裝內的特定氣體,使用了能吸收或釋放特定氣體的化學物質。其功能體系包括使用殺菌劑、脫氧劑、氣味吸收劑或釋放劑、光線阻隔劑、防霧劑、防粘劑、穩定劑和酶抑制劑等。
1、吸收氧氣系統
食品包裝中存在的氧會加速許多食品的腐敗和變質。氧可以引起許多食品產生異味、顏色變化和營養價值的流失,并能加速細菌的繁殖。而脫氧劑是所有活性包裝技術中研究得最多和獲得專利最多的領域。放入包裝中的裝有脫氧劑的獨立小袋已經獲得了商業應用。小袋中的脫氧劑通常是研磨得很細的氧化鐵，還可將脫氧劑設計成直接與包裝材料結合。不過這種脫氧劑就由含烯鍵的不飽和碳氫化合物和一種過渡金屬催化劑組成。它的組份是經過特殊設計的以便克服在低溫下氧吸收速度慢的缺點。
其他潛在的氧氣清除系統還有很多,他們一般被整合到薄膜組織中,與包裝實現一體化。例如反應染料和維生素C體系,它們可以整合到薄膜組織中以減少包裝內氧氣含量。如美國罐頭公司制造了一種薄膜,把金屬鉑整合到薄膜組織中以減少滲入包裝袋內的氧氣量,這種薄膜非常昂貴,只適合軍用。另有一種技術就是將氧化酶固定在薄膜內側。具有代表性的酶有：葡萄糖氧化酶和酒精氧化酶。
2、二氧化碳清除劑和發生劑
一方面一些食品需要較高的CO2水平,如肉禽類,他們需要借助CO2來抑制表面微生物的生長,從而延長貨架期;而另一方面低O2高CO2水平情況則導致厭氧菌的生長,加快食品腐敗變質。高水平CO2也會促使水果進行無氧呼吸,積累不良產物。每一種食品具有最佳的包裝氣體組成對應最長貨架期,氣調包裝技術基于這樣的原因而建立。在調節氣體包裝中需要產生各種濃度的二氧化碳來適應特定食品要求，但由于大多數塑料薄膜對二氧化碳比對氧有更大的滲透性,因此在某些包裝中需要加緊產生二氧化碳以維持必要的氣體組成。相反,某些食品如咖啡會釋放出二氧化碳,必須使二氧化碳被吸收,以避免食品變質或脹破包裝。現已完成的二氧化碳吸收系統或發生系統在商業應用上也僅少數,故仍是重要的研究課題。
3、乙烯清除劑
乙烯對某些新鮮的和未完全成熟的水果和蔬菜能起到一種激素和熟化引發劑的作用。它能加速衰老和減少它們的貨架壽命。乙烯吸收系統能不可逆地吸收水果或蔬菜產生的乙烯,且只需少量的清除劑。一種特殊的清除系統,當同乙烯反應時會呈現粉紅色并可用來顯示反應的程度和乙烯清除劑的存在。
還有能起到類似效果的比較常見的有：裝入利于乙烯滲透袋的清除劑；直接將清除劑加人到包裝薄膜中,而起反應的是高錳酸鉀,它把乙烯氧化成醋酸醋和乙醇并使乙醇鈍化等。
4、干燥劑
代謝過程會產生水分,這會使包裝袋中水氣壓上升,導致表面微生物腐敗,尤其是真菌,如一些酵母和霉菌的生長。一袋干燥劑可以減輕這個問題。新鮮的西紅柿和鱷梨的室溫儲存運用了這一技術。在冷凍條件下,這些食品會遭到冷害,顏色和風味發生變化。如果儲存在室溫下,冷害損失減少,但食品基礎代謝增加,代謝產物水分積累后會很快導致食品的腐敗,使用于燥劑可以消除這個問題。如日本ShowaDenkoCo開發了一種薄膜,該薄膜為雙層形式,在雙層之間含有丙二醇。將這種薄膜覆在魚體表面,它會吸收水分,同時抑制致病菌生長,使海魚的貨架壽命增加2~4d。
5、抗菌劑/殺菌劑
除了代謝和化學腐敗以外,食品還有微生物腐敗,這也是一種新鮮食物主要的腐敗類型。如果致病菌在食品表面生長,那么一種可以釋放殺菌劑的薄膜或制劑是十分有用的,該殺菌劑可以是抗氧化劑。現在商業上主要運用的抗菌劑有Freund酒精抗菌劑。它是一個薄膜小袋,內含包容有酒精的硅膠,薄膜具有良好的酒精滲透性。這種制劑已經在面包、奶酪和一些半干燥食品上得到很好地運用。將該制劑堆積在食品表面,可以抑制霉菌和致病菌的生長。Ladania和Dhillon研究表明,一種能產生SO2的薄膜通過阻止霉菌生長,在冷藏條件下延長葡萄貨架期80d。
四、食品質量指示器包裝體系
1、氣體指示器
氣體指示器貼在食品包裝袋內側,可以提供氣調包裝袋中的氣體（O2和CO2）和濃度信息,間接說明食品的質量狀況,為了保證產品的質量,氣調包裝袋必須保證它的完整性。
2、氧氣指示器
氧氣指示器分為兩類,一類是可視化氧氣指示器,另一類是非可視化氧氣指示器。20世紀70年代末,第一個用于食品包裝描述氧氣含量的可視指示器專利產生。氧氣指示器的研究開發工作是和氧氣凈化體系緊密聯系在一起的。典型的可視化氧氣指示器由氧化還原指示劑,還原化合物和堿化合物組成。也有人以酶促反應為基礎建立指示體系。通常指示器從還原狀態到氧化狀態的顏色變化為從白色或粉紅色到藍色。該指示器可以以薄片形式鑲在薄膜內或制成印刷層形式。非可視化氧氣指示器是一個內置體系,會發熒光,通過掃描測定熒光強度能在不破壞食品包裝的情況下定量測定包裝中的氧氣含量。與可視化的氧氣指示器相比,它反映氧氣含量更客觀,更準確。
3、新鮮度指示器
新鮮度指示劑主要是以微生物生長和代謝導致pH值變化,形成有毒化合物、異味、氣體和黏滑物質為基礎。其貼在包裝袋內側,直接指示產品質量狀況。產品中微生物代謝物與指示劑反應,指示產品質量信息。現已有很多以不同原理建立的新鮮度指示器專利,如用于禽類產品的硫化氫新鮮度指示器。目前商業運用的新鮮度指示器比較少,一種可以和魚體產生的胺類物質起反應,從而發生顏色變化以指示魚類新鮮度的指示器在商業上運用比較成功。其他的指示體系還有CO2、乙烯和氨氣含量指示體系等。
4、時間溫度指示器
時間溫度指示器是一種簡易的質量控制裝置,可以對產品的整個貨架期中的一些關鍵參數進行操縱、監控和記錄,通過時間溫度積累效應指示食品的溫度變化歷程和剩余貨架信息。Taoukis等人根據功能和傳達的信息提出三類時間溫度指示劑,分別為臨界溫度指示劑、臨界溫度/時間指示劑和時間溫度積分指示劑。
（1）臨界溫度指示劑(Critical Temperature Indicators,CTIs)
CTIs可以顯示食品的溫度是否超過或者低于參考溫度,但不能顯示存放高于或低于臨界溫度的時間長度。CTI適用于當因溫度影響而發生相變,且質構劣化為不可逆的食品。與食品品質相關的溫度主要是高溫,所以目前關于最高溫度指示劑(Maximum Temperature Indicators)的研究比較多,例如它可以用于顯示冰凍食品的融化溫度,同時還適用于高于臨界溫度后，就會造成蛋白質變性的產品。
（2）臨界溫度/時間指示劑(Critical Temperature/TimeIndicators,CTTIs)
CTTIs顯示暴露在臨界溫度以上連續時間的累積效應,這種效應可轉換成相應的食品在臨界溫度條件下的允許陳列時間。與CTIs的主要區別是:CTTIs將超過臨界溫度的溫度值及其與時間的積分效應反應出來,但也只反映出商品所經歷的部分時間溫度歷程。CTTIs適用于超過臨界溫度以上以一定速率發生變質反應的產品,可用于指示在冷鏈中斷后，高于臨界溫度的情況下，產品質量變化與時間有關的一類產品。例如高于臨界溫度時微生物的生長和酶反應的進行。微波處理指示劑從廣義上講,也屬于CTTIs的一種。在微波食品的包裝上安置微波處理指示劑(DI),該指示劑可以體現溫度時間積累效應,以顏色變化指示微波處理的時間終點。
（3）時間溫度積分指示劑(Time-Temperature Indicatorsor Integrator,TTIs)
時間溫度積分指示劑指示的是在食品周期中的時間響應。它們以一個指標表述全部的時間-溫度歷史記錄,可用于指示流通過程中的“平均”溫度,還可以反映與連續的因溫度所造成食品質量損失的反應,進而預示食品的質量變化情況。TTIs的作用原理主要是通過機械、化學、電化學、酶、微生物等的不可逆反應來反映時間溫度的變化,這些不可逆的變化主要是通過機械形變、顏色擴散或移動來表現的。由于這些變化與溫度相關,隨著溫度的增加變化速度也增加,因此可以利用這些變化來反應貯存的時間和溫度。
5、微波處理指示器
從廣義上講,微波處理指示器也屬于時間溫度指示器的一種。一些研究表明,微波處理不能很好地殺滅食品本身污染的微生物。Dealler和lacey指出腌制品如果內部熱處理不足,則會加快食品表面敗壞過程。微波處理的食品由于內在品質的差異和處理時間短,加熱不當,容易引起疾病。隨著消費者使用微波爐直接加熱新鮮食品或冷藏食品（其中一些是氣調包裝的）趨勢的增加,這種潛在的危險進一步增大。
五、智能包裝應用實例
芬蘭的VTT生物技術實驗室研制的智能包裝指示劑已經取得實質性的成果。這種指示劑的關鍵意義在于具有直接給出有關食品質量、包裝和預留空間氣體、包裝的貯藏條件等信息的能力。保鮮指示劑通過對微生物生長期間新陳代射的反應，直接指示出食品的微生物質量。它包括:滲漏指示劑和保鮮指示劑。
該機構研究的滲漏指示劑專為MAP(氣調包裝)的O2滲漏檢測設計。該指示劑以氧敏感性染料為基礎,適用MAP食品質量控制。該劑中還含有吸氧成分,可延長食品的貨架壽命,并能防止指示劑與MAP中殘留的O2發生反應。指示劑裝入合成薄膜內,進一步防止包裝過程中指示劑發生氧化。O2指示劑的優勢在于其不可逆性。VTT也利用漆酶催化促酶反應形成有色產物,研究滲漏指示劑的構成。在有氧條件下,漆酶可氧化多種基質。可視指示劑的構成要求生成有色產物,如從ABTS可生成從淺綠到深綠的有色產物。這種指示劑遇氧發生反應,出現快速明顯的顏色變化,從而顯示包裝體破損信息。
保鮮指示劑是針對肉、禽類產品在包裝體內產生的揮發性氣體如:H2S的含量變化來顯示產品新鮮程度。H2S與肌紅蛋白形成綠色顏料硫化肌紅蛋白。利用肌紅蛋白保鮮指示劑中硫化肌紅蛋白的形成,對MAP禽肉進行質量控制。這些可視覺探測顏色變化的以肌紅蛋白為主要成分的指示劑，貼在內裝新鮮禽肉的包裝淺盤的封蓋材料內表面,其顏色變化與禽肉質量相互關聯,即H2S氣體一經產生,指示劑隨即發生顏色變化。
有一種食品安全指示包裝技術是一種摻雜染料的塑料圓片，通過與食品在包裝袋內釋放出的氣體發生作用，顯示肉類和蔬菜是否變質。這種塑料片放入食品包裝袋后，如果包裝袋中的食品腐爛，就會釋放出氣體，使塑料片改變顏色。消費者根據塑料片的顏色，就能知道食品是否變質。這種智能包裝技術只能向消費者表明食品是否變質，而另一種智能包裝技術則可以控制包裝袋內的環境延長食品的保鮮期。
不同的水果和蔬菜需要在一定的氧和二氧化碳濃度下才能保鮮，而氧和二氧化碳的濃度在密封包裝袋中難以控制。因為當溫度較高時，包裝袋內的水果或蔬菜會消耗較多的氧，并釋放較多的二氧化碳。如不進行調節，食品的保鮮期勢必縮短。為了解決這一難題，美國加利福尼亞州門洛帕克市的一家公司正在研究一種名為Intelimer的包裝膜。這種膜在溫度發生變化時，會自行改變透氣性，以使不同的食品保持在最佳的氧和二氧化碳濃度比例之下。減緩食品變質速度的另一種方法，是用氧清除劑以清除氧氣，控制包裝袋內的空氣環境，從而避免食品氧化變質。
法國有一種被稱為“時間溫度指示”的包裝技術。它用于指示食品的新鮮程度，目前主要被設計用于鮮肉及乳品加工業產品的標示。實際上它是一個標簽，這種標簽有許多圈套圈的透明圓環，中心的環臺有一種化學物質。這種化學物質會隨時間和溫度不同而由透明變成黑色。由于食品上的細菌隨溫度和時間的增加而增加，因此化學物質變黑的程度會越來越嚴重。
還有一種更為獨特的智能包裝技術——智能啤酒密封罐技術，這種啤酒罐有上下兩部分，上部分裝啤酒，啤酒外層用含水凝膠包裹；下部分由真空層、干燥劑和熱吸收劑層組成。在擰開啤酒罐時，罐內壓力下降，引起罐內水分蒸發，使啤酒溫度下降。蒸發的水被干燥劑吸收，同時熱吸收劑吸收熱量，可使啤酒在3分鐘內自動冷卻16．7℃，從而讓人們喝到爽口的冰鎮啤酒。
日本研制了一種乙醇蒸氣釋放小包，此小包由紙與乙烯醋酸乙烯酯共聚物積層材料制成，內裝55%食品級酒精、10%水分及35%的二氧化硅粉末。有時為了掩蔽酒精味，可加入少量的香料。小包的大小取決于食品的重量、食品的水分活度和要求的食品貨架壽命。食品的水分活度越低，所需的酒精量越少，此酒精蒸氣可控制10種不同的霉菌、15種細菌及3種致腐敗的酵母菌。此方法可用于餅干、奶酪、半干魚類等食品的保藏，特別適合魚類的保藏。
變色包裝也是一種智能包裝，它通過包裝材料顏色的變化來顯示產品質量的改變。德國一家公司就在研究此類包裝。其基本原理是在包裝材料內加入適量的特殊化學元素，例如鐵元素。當包裝內的產品變質時，內部氧氣的含量隨之變化，鐵元素隨著氧濃度的變化發生一定的化學變化，表現在外觀上就是包裝容器的顏色發生變化。消費者由此可以判斷所購產品是否已經變質。
食品保鮮指示器是一種可粘貼的食品新鮮性指示標簽。它被肉類生產商、分銷商等貼在包裝好的鮮肉上，用于探測肉類產品的新鮮程度及是否變質。當標簽上的“Q”內部顏色呈現為桔黃色時，表明產品是新鮮的；隨著產品變質程度的增加，“Q”內部顏色開始由桔黃色向灰色漸變。這種標簽是由食品級的可顯示材料制成的，其成本不到肉類食品平均包裝總價格的1％，相當經濟。
溫度-時間監測標簽可以記錄產品8周的時間與溫度數據。比如，如果消費者懷疑糖果產品的保存溫度不在要求范圍內，則可以將糖果包裝展平并測量它的尺寸，這種標簽就會將所有的警示整合，并提供可視化顯示。所有通過標簽獲取的數據可以被下載下來并可以圖形表示。這種標簽可以裝入食品等級包裝中，也可以貼在紙箱上或直接粘貼在產品上。它的溫度-時間范圍可以由廠家預先設置，還可以通過相關的識別設備和軟件下載標簽中的信息。
六、智能包裝發展趨勢
美國、日本和澳大利亞等國家的智能包裝技術目前已部分成功商業化,并應用于延長食品的貨架壽命和監視食品品質和安全。對于智能包裝,時間溫度指示劑和氧指示劑是最普遍的產品。
智能包裝還將向使用簡單、價格低廉、能承擔多任務的方向發展。它們將與產品的質量相關(而不是與環境相關),更容易明白,容易讀取(如具清晰的和標準化的色澤變化,特別是作為消費者閱讀時),使用前容易貯存等。
智能包裝技術既可以方便消費者選擇安全放心的食品，又可以延長食品的保質期，有利于食品的保鮮和運輸。將在監測食品質量、全程跟蹤產品流通等方面發揮其重要作用,具有極廣闊的發展前景。
