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智能包装：监控传感器食品质量安全
班邦·库斯万迪、尤迪·维卡索诺，
Jayus，Aminah Abdullah，Lee Yook Heng先生
穆萨·艾哈迈德
传感和仪表
食品质量安全
ISSN 1932-7587号
第五卷
组合3-4
传感器和仪表。食品质量。（2011年）5： 137-146个
数字对象标识10.1007/s11694-011-9120-x
智能包装：食品质量监测传感器和安全
班邦库斯旺迪尤迪威卡索诺
李耀恒
穆萨·艾哈迈德。
接收日期：2011年1月14日/接受日期：2011年11月22日/在线发布日期：2011年11月30日
斯普林格科学 商业媒体有限责任公司2011
摘要：几十年来，人们对化学传感器和生物传感器的发展进行了研究，开发出了新颖有趣的传感器装置，在包括食品技术在内的许多领域有着巨大的应用前景。将这种传感器结合到食品包装技术中，产生了我们称之为智能包装的产品。这些是真正的综合性和跨学科的系统，从化学、生物化学、物理和电子以及食品科学和技术等领域汲取专业知识。智能包装利用化学传感器或生物传感器监测从生产者到消费者的食品质量和安全。这种技术可以产生多种传感器设计，适用于监测食品质量和安全，如新鲜度、病原体、泄漏、二氧化碳、氧气、pH值、时间或温度。因此，这项技术对于消费者、当局和食品生产商来说是在线质量控制和安全所必需的，并且在开发集成在食品包装中的新的传感系统方面具有巨大的潜力，这些新的传感系统超越了现有的传统技术，如重量、体积、颜色的控制和外表。
关键词：智能包装 化学传感器 生物传感器 食品质量与安全
引言：多年来，食品行业在食品饮料包装的帮助下响应了人们多样化选择方便食品的呼声。传统上，选择包装材料是为了方便和避免与食品发生不必要的相互作用[1]。在20世纪，食品包装进一步的发展，如含有抗微生物和氧气清除剂的包装，已经为延长保质期和保护食品免受环境影响建立了新的先例。这些新包装系统被称为活性包装[2]。
然而，无处不在的全球趋势，如食品的工业加工增加，食品的进口和出口增加，新鲜食品的制备时间减少，迫使食品和饮料包装行业研究更新、更先进的包装解决方案，以满足对更健康、更安全、更功能性和更便宜，也更方便的加工食品的需求。因此，虽然保护和保存食品一度被视为食品包装的主要作用[3]，但便利性也迅速成为同样重要的问题。在食品包装中越来越重要的其他元素包括溯源能力、篡改指示和可持续性[4]。这些新的包装系统被称为智能包装。
本文综述了智能包装技术与食品质量安全传感器技术的集成、概念和原理以及在食品质量安全中的应用，包括用于检测微生物和污染物的传感器。此外，还讨论了射频识别（RFID）标签在食品包装中的识别、跟踪和认证应用。
智能包装概念
智能包装被定义为包装产品或包装产品配置的一个组成部分或固有属性，它确认了适合产品自身功能和使用的智能性[5]。其他定义说明，智能包装是指包装功能根据外部或内部条件的变化而打开和关闭，可以包括就产品的状态与客户或最终用户进行沟通[6]。因此，智能包装可以被称为监控包装食品的状态以提供质量信息的系统在运输和分销过程中[7]或通过简单的定义，智能包装是感知和通知产品状况的包装。因此，该术语可以广义地使用，包括有关产品标识、真实性和溯源能力、篡改证据和盗窃保护以及安全和质量问题的特征。
智能包装的功能与响应触发事件而变活性包装的功能之间有一个重要的区别，例如，填充、确保紫外线照射、释放压力等，然后继续，直到过程耗尽。图1显示了活性包装和智能包装之间的包装功能模型[7]。表1列出了市场上已经存在的一些活性包装和智能包装正在开发的概念。活性包装的一个很好的例子是氧气清除剂，它可以被注入包装系统中，而不是作为小袋或标签添加。一个例子是Darex oxygen清除剂，它可以被整合到牙冠、易拉罐和各种金属和塑料封口中。该系统为啤酒、葡萄酒、番茄制品、水果饮料等产品提供风味稳定性和延长保质期。而智能包装的一个很好的例子是时间-温度指示器（TTI），它显示物理特性（通常是颜色或形状）的不可逆变化，以响应温度历史。这些装置的试验目的是模拟食品在相同温度下的某些质量参数的变化。有些设计用于监测气体的演变和沿分销链的温度变化，而另一些则设计用于消费包装。为了用作食品质量安全监测装置，装置的变化率必须与食品的变质率密切相关。设备变化率还必须与运输和分布期间随时间的温度变化相关[9]。
图1包装功能模型[7]
表1 有源和智能封装示例
活性包装 智能包装
抗菌时间- 温度指示器
乙烯清除 微生物腐败传感器/指标
加热/冷却 物理冲击指示器
吸湿 泄漏传感器
气味和香味吸收/释放 过敏原传感器
除氧 微生物生长传感器
缓蚀剂 病原体和污染物 传感器
虽然活性包装包含了控制氧化、微生物生长和水分的强大方法，但智能包装设计有助于监测食品质量[10]。TTI、成熟度指示器、化学传感器、生物传感器和RFID都是智能包装中的组件。这些智能设备大多还没有得到广泛的商业应用，但有两个越来越著名，即TTIs和RFID。
TTIs对食品的新鲜度和安全性具有重要的指示作用。他们监控并告知哪些食品是安全的，哪些是不安全的。当食物储存在不太理想的条件下，如极热或冰冻。对于不应冷冻的食品，TTI将指示食品是否不当地暴露在低温下。相反，TTI可以说明对热敏感的食物是否暴露在不自然的高温下以及暴露时间。
射频识别通过标签、读卡器和计算机系统提供对食品包装的无线监控。它在食品工业中的用途非常广泛，从促进食品的可追溯性到提高供应链的效率。但是，也许RFID在食品包装中的最终好处是，它加快了库存周转并改进了跟踪。RFID系统有利于许多食品生产运营和供应链。为了提高食品质量和安全，发展智能食品包装需要RFID技术在食品工业和食品科学的整合中得到更广泛的应用[7]。像沃尔玛和家得宝这样的零售连锁店已经使用了RFID，因为RFID系统通过跟踪食品来源提供安全和保障效益，零售商正在考虑将这项技术集成到他们的管理供应链中。
智能包装原理
包装中的“智能”是一个宽泛的术语，涵盖了许多功能，具体取决于包装的产品，包括食品、饮料、药品以及各种类型的健康和家居用品。当前和未来功能“智能”的示例包装（a）保持完整性并积极防止食品变质（保质期）；（b）增强产品属性（如外观（颜色）、味道、风味、香气、粘度和质地）；（c）积极响应产品或包装环境；（d）向消费者传达产品信息、产品历史或状况；（e）协助打开并表明密封完整性；（e）确认产品真伪或防伪并采取防盗措施。然而，并非所有这些功能都会显示在智能包装中。实际上，智能包装将侧重于感官，并告知产品的安全状态（显示食品安全或食品不安全）和质量（显示新鲜度、成熟度或硬度）。在这个方向上，智能包装是一种包装，它能够跟踪产品，感知包装内外的环境，并告知制造商、零售商和消费者产品的状况[11]。
对包装信息的需求日益增长，意味着在提供这些信息方面必须有一个步骤性的变化，这将推动对智能包装的需求，特别是对食品的需求。消费者越来越需要知道产品中含有哪些成分或成分，以及产品应如何储存和使用。例如，智能标签和贴纸将能够通过提供视觉信息的薄膜设备直接与客户通信。药品和保健品上的视觉安全和处置说明将用于告诉消费者应如何消费和消费后的处置。智能包装中的药物递送系统将被编程为将患者信息传回医疗中心。药物递送和通过无线或
电子技术正处于相对幼稚的阶段，未来几年可能会出现它们在包装中的集成发展。
另一个重要的需要是消费者安全保障，特别是对于易腐食品。问题是，例如，一份冷冻即食餐是否安全使用或食用，目前这是由“最佳”日期戳来回答的。然而，这并不考虑产品在储存或运输过程中是否无意中暴露在高温下。未来，基于食品中的物理、化学或酶活性的微生物生长和时间-温度视觉指标（TTI）将对产品质量、安全性和保质期条件给出清晰、准确和毫不含糊的指示。最近开发了许多新型的TTI。例如，拉尼和亚伯拉罕发展了低成本TTI的新酶反应。Yan等人[13] 基于淀粉酶与淀粉的反应，开发了一种新型淀粉酶TTI。Galagan和Su[14]开发了一种基于可褪色墨水的新型比色TTI。Vaikousi等人。[15] 开发了一种新的TTI系统，该系统基于sakei乳酸杆菌菌株的生长和代谢活性，用于监测整个冷藏食物链的食品质量。
当传感器与食品包装集成时，它们可以检测食品中的化学物质、病原体和毒素。许多集成光学、免疫分析和表面化学的生物传感器已经被开发出来用于检测致命的肉里有沙门氏菌。例如，检测葡萄球菌肠毒素B、大肠杆菌、沙门氏菌[16]和李斯特菌单胞菌的生物传感器已经开发出来[17]。传感器还可以检测食物中的蛋白质过敏原，例如防止对花生的不良反应，坚果和谷蛋白[18]。然而，近年来，由于传感器领域与食品相关的许多工作，这一领域的进展显著。
应用
时间-温度指示器
给一个自加热或自冷却容器一个传感器，告诉消费者它的温度是正确的，并且包装变得“智能”（这种包装目前是商用的）。最常用的TTI是一个热变色墨水点，用于指示产品在制冷或微波加热后处于正确的使用温度。可以在美国和英国购买用于煎饼的塑料容器用热变色墨水点标记，表明糖浆在微波加热后处于合适的温度。类似的例子可以在超市货架上找到，货架上有橙汁包装标签，标签上采用了基于热变色的设计，以便在冷藏橙汁冷到可以饮用时通知消费者，如图2[19]所示。
图2热变色油墨的应用[15]
目前市场上的tti有基于不同原理的工作机制，即化学、物理和生物。对于化学或物理反应，它是基于化学反应或对时间和温度的物理变化，如酸碱反应、熔融反应、聚合反应等；而对于生物反应，它是基于生物活性的变化，如微生物、孢子或酶对时间或温度的变化温度。商用TTI见表2。
3M公司的MonitorMarkTM[20]有两个版本，一个用于监控分发，一个用于工业的阈值指示器，另一个用于消费者信息，即智能标签。前者是一个温度超常指示器，这意味着它不会产生任何反应，除非超过预定温度。它是基于一种特殊物质，具有选定的熔点和蓝色染料。薄膜条将灯芯与在激活阶段移除的储液罐分离。在这一点上灯芯，白色的，显示在窗口。当暴露在超过临界温度的温度下时，物质融化并开始通过多孔灯芯扩散，导致如图3所示出现蓝色。有不同临界温度在-15到26度之间的可用指示器。
图3 3MTM的MONITORMARKTIS产品[16]
表2商用TTI示例
产品 公司
MonitorMarkTM 3MTM
Timestrip Timestrip Plc
Fresh-Check LifeLines
CheckPoint Vitsab
消费者标签是一个部分历史指标，当暴露于高于建议的储存温度时会改变颜色，并且也会随着产品达到保质期结束而改变。工作原理基于蓝色染料的熔化和扩散，如前所述[16]。Timestrips是一种智能标签，用于监控产品的打开时间或使用时间。他们可以测量从几分钟到一年多的时间，在冰箱里，在正常环境下，甚至在高温下。时间旅行是一种特殊的多孔膜，食物及液体通过它以一致和可重复的方式融合。时间行程通过按下启动按钮激活，该按钮使液体直接接触到膜。然后，物理定律接手，液体以一致且完全可重复的方式通过膜扩散。在时间行程的顶面上，已经打印了标记，其传达自激活以来的所有重要时间，以及如图4所示的用于品牌和其他图形的空间。由于大多数应用都需要时程才能粘附到包装或产品上，因此可以从底部的各种胶带中选择，以满足客户的特定需求。
图4 Timestrip Plc的TTIs产品[17]
Fresh-Check，该新指示器作为自粘标签，可用于易腐产品，确保消费者在购买时和在家时产品仍然新鲜。如图5所示，新鲜支票的活动中心圆不可逆转地变暗，在较高温度下变快，在较高温度下变慢较低的温度，因此很容易看到何时使用或不使用产品日期代码内的食品。当活性中心暴露在温度下一段时间后，它会逐渐改变颜色，以显示食品的新鲜度。这种全历史指示剂的工作机理是基于由二乙炔单体组成的聚合物的颜色变化。它由一小圈聚合物组成，周围有一个供颜色参考的印刷环。这种聚合物开始呈浅色，然后逐渐变暗，这取决于它的颜色，而这种颜色往往反映了温度的累积暴露。聚合物变色的速度与食品质量损失的速度成正比，因此温度越高，聚合物变色的速度就越快。如果包装中心的颜色比参考环深，建议消费者不要食用产品。
图5 Fresh-Check TTIs的新检查产品[18]
图6 Vitsab[19]的检查点TTIs产品
CheckPoint [23]是一个简单的粘贴标签，贴在食品纸箱上，用于检查温度是否滥用。检查点监控从加工厂到
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