智能包装研究及应用进展

智能包装的研究与应用进展包装创新旨在改善、结合或拓展传统包装的四大基本功能。智能包装是包装创新的体现。它指的是对环境因素有“识别”和“判断”并对感知信息有反应的功能性包装。阐述了智能包装的定义和分类，详细分析了智能包装在国内外的发展、应用现状和市场前景，提出了智能包装在各个领域的发展趋势，如时间-温度指示器(TTI)、气体指示器(GI)、射频识别技术(射频识别)等领域。本文不仅全面总结了智能包装的发展，也是包装研究者创新灵感的来源。关键词：智能包装；食品包装；指标；射频识别介绍尽管传统包装对早期商品物流系统做出了巨大贡献，但随着现代社会变得越来越复杂，社会中的每一个人(商品生产、加工、物流运营商、零售商和消费者)都需要创新的包装来确保商品的安全性、质量和可追溯性，这需要能够集成到包装中的技术。为了让目标群体接受包装创新业务的可行性和成功，他们必须满足日益严格的监管要求，至少添加防腐剂，并最终获得比使用新技术成本更有利的结果。此外，包装创新还应旨在减少环境压力，并考虑可持续发展问题(废物预防、资源的有效利用、流程优化、回收和再利用)。如图1所示，在传统意义上，包装有四种功能：保护、流通、方便和储存。这些功能并不相互排斥。例如，食品包装可以通过信息流通功能为消费者提供方便的使用方法，也可以为生产者提供物流信息来实施监管。活性包装的出现突破了传统包装难以保鲜的缺陷。然而，随着科学技术的发展，智能包装将在主动包装的基础上结合物理、化学、计算机等技术，使包装“智能化”。智能包装在一定程度上可以替代人力，进行有效的沟通和合理的决策，并且能够首先获取、存储、处理和共享信息。在各种会议和研讨会中，智能包装和智能包装经常互换使用，但这些术语也被一些期刊和杂志的作者赋予不同的含义。布罗迪等人(1)将智能包装定义为一种可以感知和交流的包装系统，而智能包装是一个兼具主动包装和智能包装功能的术语。克拉克2将智能包装定义为一个包含逻辑能力的技术术语。智能包装是一个具有沟通功能的术语。Rijk3定义的智能包装通过监控包装中食品的状况，在运输和储存过程中传输食品质量信息。这些定义的主要缺点之一是，它们随意结合了智能包装(智能包装)的特征，而没有认真判断其含义和目的。含糊不清的定义也极大地限制了智能包装的实用性。1智能包装的定义根据现代汉语词典，“智力”一词的定义是“智力和能力”。它能发现故障并自我修复，并根据实际情况做出最佳响应，充分发挥控制功能。如图2所示，智能包装是指对环境因素具有“控制”、“识别”和“判断”功能的包装。它可以识别和显示重要参数，例如包装空间的温度、湿度、压力、密封过程、时间和包装内容物的泄漏物质。因此，智能包装可以应用于数据记录介质，如二维码和射频识别。或应用于包装的指示器，如气体指示器、生物传感器和时间-温度指示器(TTI)。智能包装是利用智能功能(如检测、传感、记录、跟踪、通信和科学逻辑的应用)来促进决策的包装系统，从而实现延长保质期、提高安全性、改善质量、提供信息、警告可能出现的问题等功能。我们认为智能包装的独特性在于它的沟通能力：因为包装和商品在供应链过程中经常一起移动，包装是商品的最佳伙伴，包装也是传达商品实时状态的最佳位置。我们相信智能包装的出现意味着包装的概念已经被另一个范式所改进。包装已经从一个平庸的主管变成了一个聪明的沟通者。如前所述，标准化智能包装定义的目的是鼓励人们以创新和有效的方式提高包装的沟通功能。2智能包装的分类智能包装是一个多学科交叉的应用领域。支持智能包装的学科主要包括材料科学、人工智能、现代控制理论、微电子学、计算机科学等。智能包装分为三大类，即功能材料型智能包装、功能节点配置型智能包装和信息型智能包装，如表1所示。2.1功能材料的智能包装功能材料型智能包装是为了改善和增加包装的功能。应用新型智能包装材料来达到和完成特定包装的目的。目前，功能材料型智能包装通常由湿敏、光电、温敏、气敏等功能材料制成，具有对环境因素的“识别”和“判断”功能。复合包装材料可以识别和显示包装内的温度、湿度、压力、密封度和时间等重要参数。功能材料的智能包装对于需要长期储存的包装商品有很大的发展前景。功能材料型智能包装一般具有时间-温度记录标记、氧气和二氧化碳等气体指示标记、光致变色标记、物理冲击记录标记、微生物污染标记等功能。这些功能材料和包装材料的结合使得包装更加“智能”。时间-温度记录标记(图3)是指通过机械、化学和酶的作用机制提供产品的储存条件信息，如瑞士汽巴公司的QnVn标签5；氧气、二氧化碳等气体指标通过氧化还原染料监测包装是否泄漏，为消费者提供现场判断依据，从而确定包装食品的食用安全性，保护消费者的身心健康。例如，在改性气氛包装损坏后，外部氧气进入包装。通过智能包装系统的应用，响应氧气而变色的油墨可以印刷在包装上。随着氧气浓度的增加，油墨的颜色变化明显，从而决定了包装的完整性，如图4所示。光致变色标志，如美国国际纸业公司使用以色列电力纸业公司的超薄软电池进行包装，即一种新型电池像油墨一样“印刷”在产品的包装上，使包装具有声音、光线等特殊效果，从而制造商可以通过产品包装更有效地吸引消费者。物理冲击记录标记，例如由光学涂层测试中心和pa技术公司开发的在外力作用下会变色的塑料薄膜，涂有不同波长的反向干涉涂层。正常情况下，涂层明亮。一旦被动使用，涂层开始发生变化，如剥落、变灰，剥落部分产生图案。所有这些都给消费者提供了包装已经开封的警告信号5；微生物污染标记，通过与某些代谢物反应的酸碱度着色剂或着色剂来监测食品包装中的微生物。2.2功能结构智能包装功能结构智能包装为了使包装具有一些特殊的功能和智能特性，增加或改进了一些包装结构。功能结构的增加或改进一般侧重于包装的安全性、可靠性和一些自动化功能，从而使包装的商品更安全、使用更方便。这种功能性和结构性的智能包装具有自动加热、自动冷却、自动报警等特点。这三种包都增加了部分包结构，使包具有部分自动功能。自动加热型包装是一种多层无缝容器，通过注射成型制成。如图5所示，容器的内层被分成多个间隔，产品可以自身加热。加热原理是当用户取下容器上的箔片并按压容器底部时，容器中的水和石灰石将产生化学反应，释放热能，并进一步加热产品5。例如，日本的自热清酒罐和雀巢的330毫升自热牛奶咖啡罐。自动冷却式包装内设有冷凝器、蒸发格栅和盐制干燥剂袋。冷却过程中催化作用产生的蒸汽和液体储存在包装的底部。它可以在几分钟内将容器内的温度降低到17。例如，皇冠软木密封和Tempra技术共同开发了自动冷却水箱结构。自动报警包装是指在包装袋底部嵌入一个封闭的报警系统，通过压力实现报警。当食物产生的压力膨胀时ExampleFunctional material typeFunctional material type intelligent packaging is to improve and increase the function of packaging. New intelligent packaging materials are applied to achieve and complete the purpose of specific packaging.Leak-proof gas indicating packaging time-temperature indicatorFunctional structural typeIn order to make the packaging have some special functions and intelligent characteristics, functional structure type intelligent packaging increases or improves some packaging structures.Automatic heating food packaging automatic cooling tankFunctional information typeInformation-based intelligent packaging mainly refers to a new type of packaging that can reflect the contents of the packaging and its internal quality as well as the information of storage, transportation and sales processMilk Traceable RFID Packaging2.3 Information-based intelligent packaging Information-based intelligent packaging mainly refers to a new type of package that can reflect the contents of the package and its internal quality, as well as the information during storage, transportation and sales. This kind of intelligent packaging should have the function of recording the information about the influence of the surrounding environment on the internal quality of goods during storage, transportation and sales, as well as the production information and sales distribution information of commercial products. Techniques for recording and reflecting this information involve microbiology, chemistry, kinetics and electronics 7. Information-based intelligent packaging has excellent development vitality and prospects. RFID technology is the application model of information-based intelligent packaging, as shown in Figure 6. Radio frequency identification technology RFID is a non-contact automatic identification technology. It can automatically identify target objects and obtain relevant data through radio frequency signals. It can work in various harsh environments without manual intervention. This technology not only optimizes the entire packaging supply chain (products from production, logistics to consumption), but also improves the efficiency and accuracy of logistics management, feedback control and information identification. More importantly, it can provide a powerful supplement to the anti-counterfeiting of packaging based on traditional materials and designs by virtue of its non-replicability and encryption settings that can be read and identified. It can identify high-speed moving objects and multiple labels at the same time, and is fast and convenient to operate. It is applied to logistics and anti-counterfeiting in the two most important fields of packaging.3 Application Status and Development of Intelligent Packaging3.1 The domestic application status and development of intelligent packaging The rapid development of Chinas packaging industry in recent years is an indispensable contributor to Chinas economic growth. The development trend is shown in Figure 1. In 2014, the total output value of the national packaging industry reached 148 billion yuan, making it the worlds second largest packaging country after the United States. In order to become a strong packaging country, the focus should be on the packaging manufacturing industry, modern packaging service industry and green resource recycling industry. The high-tech development fund in the packaging industry has gradually increased from 30 million yuan per year to 120 million yuan per year today, bringing technological innovation to enterprises and obtaining 100 patents. In 2015, the total output value of Chinas packaging industry has nearly exceeded 1.5 trillion yuan. The research on functional material type intelligent packaging and functional structure type intelligent packaging is relatively late in China, especially modified atmosphere packaging. Although the controlled atmosphere preservation technology in China started relatively late, it developed rapidly 9. Since the 1990s, with the gradual improvement of peoples understanding of controlled atmosphere storage of food, controlled atmosphere storage of food in China has accounted for more than 10% of the total storage of fruits. However, the popularization and application of modified atmosphere packaging still need a process. Although there are still some deficiencies in the research and development level and application field of intelligent packaging technology in China, with the continuous improvement of Chinas scientific and technological strength, we have also made many gratifying achievements in some aspects.在智能包装技术方面，中国农业大学已经成功开发了新鲜猪肉的TTI标签，但尚未收到大量申请。其他智能包装系统，如新鲜度指示和病原微生物指示也在研究中。上海海洋大学还在研究新开发的用于快餐新鲜度检测的“电子鼻”和用于致病菌检测的“生态芯片”技术。尽管自2007年以来，射频识别技术(RFID)已被应用于月饼产品中，但它并未被推广到其他食品中。世界上第一家集装箱电子标签国际航运公司诞生于海上，对整个航运业产生了深远的影响。中国首张“无线射频识别手机地铁票”在广州正式试用；国家数字图书馆和武汉图书馆的射频识别项目成功启动。UPM蓝泰投资1亿元在广州建设全球最大的电子标签生产基地，加强与中国电子标签用户和系统集成商的联系，为中国智能包装技术的发展做出贡献。3.2国外智能包装技术的应用和发展是在20世纪70年代。通用产品代码(UPC条形码)诞生于无处不在的杂货店，以促进库存的重新排序和更方便有序的结账。UPC条形码是由线性符号组成的条形和空格，用于表示12位数据。它的存储容量很小，只能存储非常有限的信息，如制造商编号和产品编号，没有空间对附加信息进行编码。随着扫描仪变得越来越强大和便宜，二维条形码变得越来越受欢迎。它允许广泛的附加信息，如营养信息，烹饪说明，食品制造商的网站地址，甚至图形，音频和视频。可移植数据的优点是它们可以立即使用，并且不需要访问