智能包装的发展与应用简介

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：智能包装的发展与智能结构的发展密不可分。随着智能材料的不断发展，其应用范围拓展到了包装，于是出现了“智能包装”的概念。表1-1是检测类智能包装类型、机制和应用。按照智能包装的主要应用范围来分类，可将智能包装分为食品智能包装、药物智能包装和化妆品智能包装等。功能结构型智能包装最有代表性的是自动加热型和自动冷却型包装。

包装技术的发展是随着商品流通的发展需要而发展起来的。人们依靠包装把产品从生产地输送到消费者手中。在这个过程中，包装实现了许多功能。这些功能可分为三大类：容器和保护、信息传递、便利性。这也是传统包装的功能和特点。随着市场经济的发展和技术的进步，人们在包装中加入更多的智能化技术成分，以满足日益复杂的流通系统的要求和用户对产品功能的需求，使其具备了传统的包装技术无法达到的功能。

智能包装的发展与智能结构的发展密不可分。20世纪50年代，人们提出了智能结构，当时把它称为自适应系统。在智能结构发展过程中，人们意识到智能结构的发展越来越需要智能材料的研究与开发。于是在20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。智能材料就是材料体系要集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料的智能属性，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。近年来所形成的“智能科学与技术”，是以人工智能理论和方法为核心，研究如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能，如何设计和构建具有高智能水平的计算机应用系统。因此，一个完整的智能行为周期为：从机器感知到知识表达；从机器学习到知识发现；从搜索推理到规划决策；从智能交互到机器行为，再到人工生命等构成了智能科学与技术学科特有的认识对象。

随着智能材料的不断发展，其应用范围拓展到了包装，于是出现了“智能包装”的概念。1992年在伦敦召开的“智能包装”会议上给出了智能包装的一个定义：在一个包装、一个产品或产品－包装组合中，有一类集成化元件或一项固有特性（元件），通过此类元件或特性把符合特定要求的职能成分赋予产品包装的功能中，或体现于产品本身的使用中。

具体来讲，智能包装就是利用新型的包装材料、包装结构与包装形式对商品的质量和流通安全性进行积极干预与保障；利用信息收集、管理、控制与处理技术完成对运输包装系统的优化管理等。

1．智能包装的分类

智能包装的分类有不同的方法。一般可以分为两大类。

（1）按诊断或检测技术（Diagnostic Technologies）分类，主要类型包括时间-温度指示标签/器（Time-Temperature Integrators/Indicators，TTIs）、新鲜度指示标签、热敏油墨（Thermochromic Inks）、氧指示标签、包装泄漏标签、二氧化碳指示标签、致病菌指示标签等。表1-1是检测类智能包装类型、机制和应用。

表1-1　常见的检测类智能包装类型、机制和应用

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续表

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（2）按信息技术（Communicating Technologies）分类，主要类型包括无线射频识别电子标签（Radio Frequency IDentification，RFID）、防盗窃电子监视标签（Electronic Article Surveillance，EAS）、电磁识别标签（Electro-Magnetic IDentification，EMID）等。

当然，也可以按照工作原理来分类，将智能包装分为功能材料型智能包装、功能结构型智能包装及信息型智能包装。按照智能包装的主要应用范围来分类，可将智能包装分为食品智能包装、药物智能包装和化妆品智能包装等。

智能包装是一个多元学科交叉的应用领域，支撑智能包装的学科主要有材料科学、微电子学、现代控制理论、计算机科学、人工智能等。多个领域的技术进步与发展对智能包装的开发与应用又起着推动作用，呈现出相辅相成的关系。

2．功能材料型智能包装

功能材料型智能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。目前的材料型智能包装通常采用光电、温敏、湿敏、气敏等功能材料，这些材料对环境因素具有“识别”和“判断”的功能，即可以识别和显示包装微空间的温度、湿度、压力及包装密封的程度等一些重要参数。这是一种很有发展前途的功能包装，对于需长期储存的包装产品尤为重要。

功能材料型智能包装的用途十分广泛，技术发展十分迅速，出现了许多技术成熟的产品。美国光学涂料试验中心和PA 技术公司研制出一种在外力作用下会变色的塑料薄膜，膜上涂有不同波长的反向干涉涂层。在正常情况下涂层呈明亮色彩，一旦被动用，涂层便开始剥落，薄膜变成灰色，剥落部分还会产生花纹，从而提供了此包装启封过的警示信号。这种材料很适合用作包装封记。美国国际造纸公司采用以色列能量纸（Power Paper）公司开发出来的一种超薄柔软电池，用于一些消费产品的包装，这种新型电池可像油墨一样被“印刷”在产品的包装上，使之增加灯光、声音，以及其他一些特殊效果，可让制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者。

3．功能结构型智能包装

功能结构型智能包装是指通过增加或改进部分包装结构，而使包装具有某些特殊功能和智能型特点。功能结构的改进往往从包装的安全性、可靠性和部分自动功能入手，这种结构上的变化使包装的商品使用更加安全和方便简洁。

功能结构型智能包装最有代表性的是自动加热型和自动冷却型包装。这两种包装都是增加了包装的部分结构，而使包装具有部分自动功能。自动加热型包装是一种多层、无缝的容器，以注塑成型方法制成，容器内层分成多个间隔，允许产品自我加热。其加热原理是：当使用者拿下容器上的箔，并按压容器底部时，容器内的水及石灰石便会产生化学反应，产生热能，进而令产品加热。自动冷却型包装内置一个冷凝器、一个蒸发格及一包以盐做成的干燥剂，冷却时由催化作用所产生的蒸汽及液体会储藏于包装的底部。这项技术也可应用于普通容器，它能在几分钟内将容器内物品的温度降低至17℃。这两种智能自动型包装适合野外作业人士使用，如探险、单车、钓鱼爱好者等。

通过有目的地改变包装的结构，还可以大大提高包装商品的安全性。包装的安全性主要是针对未成年儿童和智力低下及残障人士开发的。这种包装称为儿童安全包装。儿童安全包装比普通包装结构更复杂、成本更高，但有数据显示，这种包装显著降低了包装物对儿童的伤害，能够有效保障儿童安全。目前市场上的儿童安全包装，主要结构特点大约有以下几种。

①压扭盖：这是一个复合式的瓶盖，由同时进行的按压和扭转两个动作来完成。

②掀开盖：这也是较流行的儿童防护盖。使用时要求盖与瓶上的记号（箭头）对准，然后在瓶子凸缘缺口处掀开瓶盖的凸耳，将包装打开。

③泡罩式包装：为防止儿童打开普通的泡罩包装，要求从角上撕开背面粘贴纸，或用力把内装物从背面压出。

④迷宫式盖：这是一种依靠智力技巧开启的包装形式。

⑤拉拔盖：瓶盖密封由外盖下部带有2 个向内凸的舌头（高1～2mm，长2～3mm）和内塞组成。需加一定的力做拉拔动作以克服内塞与瓶口间的摩擦力。这些动作儿童难以完成。

⑥单剂量药物防童包装：这是一种能防止儿童误服的单剂量药物包装。

⑦卡口片防童瓶：瓶上装有一种卡口式封盖，比迷宫式盖简单，其原理类似于插口式灯座。

美国在1981年公布的《环境保护机构条例》中对上述因素及瓶和封闭物的结构性能给予了足够的重视，做出了相应的规定：在初始试验后，如在包装造型、材料、容量、封闭物材料或盖子衬垫物等方面有所变动就需再做试验，以确认其对儿童安全的保护性。

包装结构的改变可以提高包装的可靠性，起到智能防伪的作用。这类包装又称为“显窃启包装”（Tamper Evident Packaging，TEP），它们是只有通过打开或破坏一个显示物或障碍物才能取出内部产品的一种包装。这个显示物或障碍物一旦破损就给后来的消费者提供可见的证据。这类包装最典型的结构是可破坏盖，原称防盗盖。这种金属或塑料盖可对密封的被破坏提供可见的痕迹，它被大量用于OTC 药品、饮料、食品等包装。目前，主要有两种可破坏显窃启盖：一种是断开式或撕拉式；另一种是真空式。也可辅以内封物（见瓶口内封闭）以达到显窃启目的。

功能结构式智能包装通过改变包装的部分结构和装置，使包装具有一定的智能功能。这种结构上的变化具有开发成本低、功能效果明显的特点，可作为短期开发的主要目标。

4．功能信息型智能包装

功能信息型智能包装技术主要是指以反映包装内容物及其内在品质和运输、销售过程信息为主的新型技术。

这项技术包括两方面：其一，商品在仓储、运输、销售期间，周围环境对其内在质量影响的信息记录与表现；其二，商品生产信息和销售分布信息的记录。记录和反映这些信息的技术涉及化学、微生物、动力学和电子技术。信息型智能包装技术是最有发展活力和前景的包装技术之一。

反映商品质量的信息型智能包装技术主要是利用化学、微生物和动力学的方法，记录包装商品在生命周期内商品质量的改变。一般来说，由于商品仓储环境和包装内在环境的改变，引起商品变质的信息多采用化学和微生物的方法来记录，而运输过程中的严重跌落、倾倒的信息可通过动力学的计算来记录，用化学的方法来显示。在记录包装内环境的变化方面，芬兰VTT 生物技术实验室研制的智能包装指示剂已经取得实质性的成果。这种指示剂的关键意义在于具有直接给出有关食品质量、包装和预留空间气体、包装的储藏条件等信息的能力。保鲜指示剂通过对微生物生长期间新陈代射的反映直接指示出食品的微生物质量。它包括渗漏指示剂和保鲜指示剂。该机构研究的渗漏指示剂专为气调包装（MAP）的氧气渗漏检测设计。该指示剂以氧敏性染料为基础，适用于气调包装食品质量控制。该剂中还含有吸氧成分，可延长食品的货架寿命，并能防止指示剂与气调包装中残留的氧气发生反应。指示剂装入合成薄膜内，以防止包装过程中指示剂发生氧化。氧气指示剂的优势在于其不可逆性。VTT 实验室也利用漆酶催化促酶反应能够形成有色产物来研究渗漏指示剂的构成。在有氧条件下，漆酶可氧化多种基质。可视指示剂的构成要求生成有色产物，如用ABTS [2，2-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐]可生成从浅绿到深绿的有色产物。这种指示剂遇氧发生反应，出现快速明显的颜色变化，从而显示包装体破损信息。

保鲜指示剂是针对肉、禽类产品在包装体内产生挥发性气体（如H2S）的含量变化来显示产品新鲜程度。H2S 与肌红蛋白形成绿色颜料硫化肌红蛋白。人们利用肌红蛋白保鲜指示剂中硫化肌红蛋白的形成，对气调包装的禽肉进行质量控制。将以肌红蛋白为主要成分的指示剂贴在内装新鲜禽肉的包装浅盘的封盖材料内表面，这样指示剂的颜色变化与禽肉质量相互关联，即H2S 气体一经产生，指示剂随即发生颜色变化。

许多精密贵重的商品对运输条件有着极其严格的要求。因此，为了避免纠纷，需要一种记录动力学信息的装置，记录在运输过程中对商品可能造成损坏的动力学行为（如跌落、倾倒等）信息。这种记录动力学行为信息的装置，往往由被隔离的2 种化学粉末组成，一旦被严禁的动力学行为发生，则隔离被解除，2 种化学成分发生反应，显示出第3 种颜色。收货方在未开启商品包装的情况下，通过这种记录显示装置，便可以了解商品在运输过程中是否安全。

能显示商品生产和销售信息的智能包装对于用户掌握商品的使用性能和自动物流管理有着积极的作用。这种智能包装一般由记录信息的电子芯片、软件和条形码组成，也称为电子信息组合包装（Electronics Combined Packaging）。

由美国Rutgers 大学开发的智能化微波加热包装（Intelligent Microwaveable Package），就是这种包装的实例。这种智能型微波加热包装是一个良好的信息载体，它将食品加工的信息编入包装的信息码，由微波炉上配备的条码扫描仪和微处理器来获得这些加工信息，控制微波炉的加热效果。这样就建立起了食品、包装和微波炉之间的信息通道。

将商品的所有信息，如名称、成分、功能、产地、保质期、重量、价格、使用指南、警告等，以数码形式储存于包装上的微芯片中，消费者可以很方便地读取这些信息。带有电子数据信息的包装涵盖面很广，它可以运用在包括食品在内的几乎所有产品上。

现代物流的信息化发展对包装的智能化提出了更高的要求，因为物流信息化发展和管理的一个基本物质基础就是包装的智能化。物流管理所需要的信息，大部分应该由包装来携带。也就是说，如果包装上的信息量不足或错误，将会直接影响物流管理中各活动的进行，如果没有包装智能化的配合，现代物流管理所配备的扫描设备、计算机管理都将无用武之地。可跟踪性运输包装（Traceable Transport Packaging）的目标就是开发一种有利于自动化管理的运输包装技术形式，使运输容器在流通路线上能被全程跟踪，方便控制中心完成对运输路线和在线商品的调整和管理，达到商品流通运输的快捷化、最佳路径化和低运输成本的目的，借助信息网络和卫星定位系统构筑一个智能型物流体系。

例如，宝洁公司正在研制的智能包装技术能够预测顾客购物的情况，从而最优地管理库存。这里所说的智能包装技术是嵌入汰渍洗衣粉包装内部的低成本微处理器，以此最终建立无缝的、整合的供应链管理。公司可借此跟踪每件产品从生产到售出的全过程，最终使高度复杂的数据共享成为现实。根据这些信息，实现工厂、卡车、货架、购物车、商品和银行等彼此无缝地传送信息，而无须人工扫描输入。对于宝洁公司而言，供应链周期缩短2 天，意味着可减少15 亿美元的经营成本。

智能包装的发展与应用简介

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