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食品智能包装技术特点及应用
时间:2013-10-07   来源: 包装前沿   阅读:4945次

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包装在食品供应链中具有十分重要的作用。随着人们对食品品质和安全性要求的提高,食品包装也发生着巨大的变化,各种新型包装技术不断发展,智能包装便是其中一种非常具有发展潜力的包装技术。
智能包装是通过监视包装食品的环境条件,获得食品在运输和贮藏期间其品质和安全性信息的包装技术智能包装可以识别和显示包装空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数。
一、智能包装技术及分类
智能包装技术包括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等。具体体现为:利用新型的包装材料、结构与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、功能材料型智能包装技术的特点
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。目前研制的材料型智能包装,通常是采用光电、温敏、湿敏、气敏等功能材料,对环境因素具有“识别”和“判断”功能的包装。包装材料复合制成,它可以识别和显示包装内空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数。这是一种很有发展前景的功能包装,对于需长期储存的包装商品尤为重要。
2、功能结构型智能包装技术的特点
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进行,这种结构上的变化使包装的商品在使用时更加安全和便捷。
这种功能结构型智能包装最有代表性的是自动加热和自动冷却包装。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,以注塑成形方法制成,容器内层分成多个间隔,容许产品自我加热。它的加热原理是: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,发放热能,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气及液体会贮藏于包装的底部。
3、信息型智能包装技术的特点
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。
二、智能包装材料
智能包装材料通常包括光电、热敏、湿敏、气敏等功能材料,这些材料可以广泛应用于食品和药品包装。如在食品包装中,“智能”包装能改变颜色,让顾客知道食品新鲜程度,显示是否由于贮存时温度变化或包装泄漏而导致食品变质败坏。另外可口可乐公司曾做过的一次促销活动,在产品的收缩膜标签中隐藏着一个中奖信息。消费者购买可口可乐产品,并将它们存放在冰箱中才能知道自己是否中奖,这是因为这种标签是用温度敏感的油墨印制而成的,只有在温度下降到一定程度的时候才能被人眼察觉到。
智能包装材料根据被包装商品的不同,具有如下功能:
(1) 能够直接提供关于产品的质量、充填气体、包装件储藏条件等信息;
(2) 能吸收包装食品释放的氧气,防止细菌增长,降低食品变质风险,延长货架寿命
(3) 能通过外包装颜色的改变,让顾客知道食品新鲜程度,显示包装物是否败坏。
(4)通过时间-温度指示剂记录食品在贮存和销售期间温度变化的连续过程,预示食品质量变化情况。(TTI指示剂)
(5)通过气调包装调节包装内气体的环境,以减缓氧化速度,延长货架寿命。(MAP包装)
(6)通过包装物中微生物生长过程中产生的新陈代谢产物与某种指示剂反映的情况来直接指示产品中的微生物质量。(新鲜度指示剂)
(7)利用可以同加速水果、蔬菜衰老的乙烯发生反应的指示剂(澳大利亚的CSIRO),呈现出颜色变化来指示食品情况。(乙烯指示剂)
可以预见,未来食品用智能包装会含有更复杂的、远程可读的非视觉信息,油墨技术的进步也许能用上更精细的印刷线路。标签可能会像芯片一样,电子标签可以作为时间-温度、泄露或新鲜度指示剂,可能会随着电子学和生物科技的进步而具有更加智能的作用。
三、食品智能包装系统
食品智能包装系统有两类,一类是直接用于食品质量控制的包装体系,如气调包装技术(CAP/MAP),另一类以指示器的形式,提供产品部分指标信息,直接或间接说明食品货架期品质情况。
为了控制包装内的特定气体,使用了能吸收或释放特定气体的化学物质。其功能体系包括使用杀菌剂、脱氧剂、气味吸收剂或释放剂、光线阻隔剂、防雾剂、防粘剂、稳定剂和酶抑制剂等。
1、吸收氧气系统
食品包装中存在的氧会加速许多食品的腐败和变质。氧可以引起许多食品产生异味、颜色变化和营养价值的流失,并能加速细菌的繁殖。而脱氧剂是所有活性包装技术中研究得最多和获得专利最多的领域。放入包装中的装有脱氧剂的独立小袋已经获得了商业应用。小袋中的脱氧剂通常是研磨得很细的氧化铁,还可将脱氧剂设计成直接与包装材料结合。不过这种脱氧剂就由含烯键的不饱和碳氢化合物和一种过渡金属催化剂组成。它的组份是经过特殊设计的以便克服在低温下氧吸收速度慢的缺点。
其他潜在的氧气清除系统还有很多,他们一般被整合到薄膜组织中,与包装实现一体化。例如反应染料和维生素C体系,它们可以整合到薄膜组织中以减少包装内氧气含量。如美国罐头公司制造了一种薄膜,把金属铂整合到薄膜组织中以减少渗入包装袋内的氧气量,这种薄膜非常昂贵,只适合军用。另有一种技术就是将氧化酶固定在薄膜内侧。具有代表性的酶有:葡萄糖氧化酶和酒精氧化酶。
2、二氧化碳清除剂和发生剂
一方面一些食品需要较高的CO2水平,如肉禽类,他们需要借助CO2来抑制表面微生物的生长,从而延长货架期;而另一方面低O2高CO2水平情况则导致厌氧菌的生长,加快食品腐败变质。高水平CO2也会促使水果进行无氧呼吸,积累不良产物。每一种食品具有最佳的包装气体组成对应最长货架期,气调包装技术基于这样的原因而建立。在调节气体包装中需要产生各种浓度的二氧化碳来适应特定食品要求,但由于大多数塑料薄膜对二氧化碳比对氧有更大的渗透性,因此在某些包装中需要加紧产生二氧化碳以维持必要的气体组成。相反,某些食品如咖啡会释放出二氧化碳,必须使二氧化碳被吸收,以避免食品变质或胀破包装。现已完成的二氧化碳吸收系统或发生系统在商业应用上也仅少数,故仍是重要的研究课题。
3、乙烯清除剂
乙烯对某些新鲜的和未完全成熟的水果和蔬菜能起到一种激素和熟化引发剂的作用。它能加速衰老和减少它们的货架寿命。乙烯吸收系统能不可逆地吸收水果或蔬菜产生的乙烯,且只需少量的清除剂。一种特殊的清除系统,当同乙烯反应时会呈现粉红色并可用来显示反应的程度和乙烯清除剂的存在。
还有能起到类似效果的比较常见的有:装入利于乙烯渗透袋的清除剂;直接将清除剂加人到包装薄膜中,而起反应的是高锰酸钾,它把乙烯氧化成醋酸醋和乙醇并使乙醇钝化等。
4、干燥剂
代谢过程会产生水分,这会使包装袋中水气压上升,导致表面微生物腐败,尤其是真菌,如一些酵母和霉菌的生长。一袋干燥剂可以减轻这个问题。新鲜的西红柿和鳄梨的室温储存运用了这一技术。在冷冻条件下,这些食品会遭到冷害,颜色和风味发生变化。如果储存在室温下,冷害损失减少,但食品基础代谢增加,代谢产物水分积累后会很快导致食品的腐败,使用于燥剂可以消除这个问题。如日本ShowaDenkoCo开发了一种薄膜,该薄膜为双层形式,在双层之间含有丙二醇。将这种薄膜覆在鱼体表面,它会吸收水分,同时抑制致病菌生长,使海鱼的货架寿命增加2~4d。
5、抗菌剂/杀菌剂
除了代谢和化学腐败以外,食品还有微生物腐败,这也是一种新鲜食物主要的腐败类型。如果致病菌在食品表面生长,那么一种可以释放杀菌剂的薄膜或制剂是十分有用的,该杀菌剂可以是抗氧化剂。现在商业上主要运用的抗菌剂有Freund酒精抗菌剂。它是一个薄膜小袋,内含包容有酒精的硅胶,薄膜具有良好的酒精渗透性。这种制剂已经在面包、奶酪和一些半干燥食品上得到很好地运用。将该制剂堆积在食品表面,可以抑制霉菌和致病菌的生长。Ladania和Dhillon研究表明,一种能产生SO2的薄膜通过阻止霉菌生长,在冷藏条件下延长葡萄货架期80d。
四、食品质量指示器包装体系
1、气体指示器
气体指示器贴在食品包装袋内侧,可以提供气调包装袋中的气体(O2和CO2)和浓度信息,间接说明食品的质量状况,为了保证产品的质量,气调包装袋必须保证它的完整性。
2、氧气指示器
氧气指示器分为两类,一类是可视化氧气指示器,另一类是非可视化氧气指示器。20世纪70年代末,第一个用于食品包装描述氧气含量的可视指示器专利产生。氧气指示器的研究开发工作是和氧气净化体系紧密联系在一起的。典型的可视化氧气指示器由氧化还原指示剂,还原化合物和碱化合物组成。也有人以酶促反应为基础建立指示体系。通常指示器从还原状态到氧化状态的颜色变化为从白色或粉红色到蓝色。该指示器可以以薄片形式镶在薄膜内或制成印刷层形式。非可视化氧气指示器是一个内置体系,会发荧光,通过扫描测定荧光强度能在不破坏食品包装的情况下定量测定包装中的氧气含量。与可视化的氧气指示器相比,它反映氧气含量更客观,更准确。
3、新鲜度指示器
新鲜度指示剂主要是以微生物生长和代谢导致pH值变化,形成有毒化合物、异味、气体和黏滑物质为基础。其贴在包装袋内侧,直接指示产品质量状况。产品中微生物代谢物与指示剂反应,指示产品质量信息。现已有很多以不同原理建立的新鲜度指示器专利,如用于禽类产品的硫化氢新鲜度指示器。目前商业运用的新鲜度指示器比较少,一种可以和鱼体产生的胺类物质起反应,从而发生颜色变化以指示鱼类新鲜度的指示器在商业上运用比较成功。其他的指示体系还有CO2、乙烯和氨气含量指示体系等。
4、时间温度指示器
时间温度指示器是一种简易的质量控制装置,可以对产品的整个货架期中的一些关键参数进行操纵、监控和记录,通过时间温度积累效应指示食品的温度变化历程和剩余货架信息。Taoukis等人根据功能和传达的信息提出三类时间温度指示剂,分别为临界温度指示剂、临界温度/时间指示剂和时间温度积分指示剂。
(1)临界温度指示剂(Critical Temperature Indicators,CTIs)
CTIs可以显示食品的温度是否超过或者低于参考温度,但不能显示存放高于或低于临界温度的时间长度。CTI适用于当因温度影响而发生相变,且质构劣化为不可逆的食品。与食品品质相关的温度主要是高温,所以目前关于最高温度指示剂(Maximum Temperature Indicators)的研究比较多,例如它可以用于显示冰冻食品的融化温度,同时还适用于高于临界温度后,就会造成蛋白质变性的产品。
(2)临界温度/时间指示剂(Critical Temperature/TimeIndicators,CTTIs)
CTTIs显示暴露在临界温度以上连续时间的累积效应,这种效应可转换成相应的食品在临界温度条件下的允许陈列时间。与CTIs的主要区别是:CTTIs将超过临界温度的温度值及其与时间的积分效应反应出来,但也只反映出商品所经历的部分时间温度历程。CTTIs适用于超过临界温度以上以一定速率发生变质反应的产品,可用于指示在冷链中断后,高于临界温度的情况下,产品质量变化与时间有关的一类产品。例如高于临界温度时微生物的生长和酶反应的进行。微波处理指示剂从广义上讲,也属于CTTIs的一种。在微波食品的包装上安置微波处理指示剂(DI),该指示剂可以体现温度时间积累效应,以颜色变化指示微波处理的时间终点。
 (3)时间温度积分指示剂(Time-Temperature Indicatorsor Integrator,TTIs)
时间温度积分指示剂指示的是在食品周期中的时间响应。它们以一个指标表述全部的时间-温度历史记录,可用于指示流通过程中的“平均”温度,还可以反映与连续的因温度所造成食品质量损失的反应,进而预示食品的质量变化情况。TTIs的作用原理主要是通过机械、化学、电化学、酶、微生物等的不可逆反应来反映时间温度的变化,这些不可逆的变化主要是通过机械形变、颜色扩散或移动来表现的。由于这些变化与温度相关,随着温度的增加变化速度也增加,因此可以利用这些变化来反应贮存的时间和温度。
5、微波处理指示器
从广义上讲,微波处理指示器也属于时间温度指示器的一种。一些研究表明,微波处理不能很好地杀灭食品本身污染的微生物。Dealler和lacey指出腌制品如果内部热处理不足,则会加快食品表面败坏过程。微波处理的食品由于内在品质的差异和处理时间短,加热不当,容易引起疾病。随着消费者使用微波炉直接加热新鲜食品或冷藏食品(其中一些是气调包装的)趋势的增加,这种潜在的危险进一步增大。
五、智能包装应用实例
芬兰的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、包装的贮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应,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MAP(气调包装)的O2渗漏检测设计。该指示剂以氧敏感性染料为基础,适用MAP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MAP中残留的O2发生反应。指示剂装入合成薄膜内,进一步防止包装过程中指示剂发生氧化。O2指示剂的优势在于其不可逆性。VTT也利用漆酶催化促酶反应形成有色产物,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,如从ABTS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的挥发性气体如: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。利用肌红蛋白保鲜指示剂中硫化肌红蛋白的形成,对MAP禽肉进行质量控制。这些可视觉探测颜色变化的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,其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。
有一种食品安全指示包装技术是一种掺杂染料的塑料圆片,通过与食品在包装袋内释放出的气体发生作用,显示肉类和蔬菜是否变质。这种塑料片放入食品包装袋后,如果包装袋中的食品腐烂,就会释放出气体,使塑料片改变颜色。消费者根据塑料片的颜色,就能知道食品是否变质。这种智能包装技术只能向消费者表明食品是否变质,而另一种智能包装技术则可以控制包装袋内的环境延长食品的保鲜期。
不同的水果和蔬菜需要在一定的氧和二氧化碳浓度下才能保鲜,而氧和二氧化碳的浓度在密封包装袋中难以控制。因为当温度较高时,包装袋内的水果或蔬菜会消耗较多的氧,并释放较多的二氧化碳。如不进行调节,食品的保鲜期势必缩短。为了解决这一难题,美国加利福尼亚州门洛帕克市的一家公司正在研究一种名为Intelimer的包装膜。这种膜在温度发生变化时,会自行改变透气性,以使不同的食品保持在最佳的氧和二氧化碳浓度比例之下。减缓食品变质速度的另一种方法,是用氧清除剂以清除氧气,控制包装袋内的空气环境,从而避免食品氧化变质。
法国有一种被称为“时间温度指示”的包装技术。它用于指示食品的新鲜程度,目前主要被设计用于鲜肉及乳品加工业产品的标示。实际上它是一个标签,这种标签有许多圈套圈的透明圆环,中心的环台有一种化学物质。这种化学物质会随时间和温度不同而由透明变成黑色。由于食品上的细菌随温度和时间的增加而增加,因此化学物质变黑的程度会越来越严重。
还有一种更为独特的智能包装技术——智能啤酒密封罐技术,这种啤酒罐有上下两部分,上部分装啤酒,啤酒外层用含水凝胶包裹;下部分由真空层、干燥剂和热吸收剂层组成。在拧开啤酒罐时,罐内压力下降,引起罐内水分蒸发,使啤酒温度下降。蒸发的水被干燥剂吸收,同时热吸收剂吸收热量,可使啤酒在3分钟内自动冷却16.7℃,从而让人们喝到爽口的冰镇啤酒。
日本研制了一种乙醇蒸气释放小包,此小包由纸与乙烯醋酸乙烯酯共聚物积层材料制成,内装55%食品级酒精、10%水分及35%的二氧化硅粉末。有时为了掩蔽酒精味,可加入少量的香料。小包的大小取决于食品的重量、食品的水分活度和要求的食品货架寿命。食品的水分活度越低,所需的酒精量越少,此酒精蒸气可控制10种不同的霉菌、15种细菌及3种致腐败的酵母菌。此方法可用于饼干、奶酪、半干鱼类等食品的保藏,特别适合鱼类的保藏。
变色包装也是一种智能包装,它通过包装材料颜色的变化来显示产品质量的改变。德国一家公司就在研究此类包装。其基本原理是在包装材料内加入适量的特殊化学元素,例如铁元素。当包装内的产品变质时,内部氧气的含量随之变化,铁元素随着氧浓度的变化发生一定的化学变化,表现在外观上就是包装容器的颜色发生变化。消费者由此可以判断所购产品是否已经变质。
食品保鲜指示器是一种可粘贴的食品新鲜性指示标签。它被肉类生产商、分销商等贴在包装好的鲜肉上,用于探测肉类产品的新鲜程度及是否变质。当标签上的“Q”内部颜色呈现为桔黄色时,表明产品是新鲜的;随着产品变质程度的增加,“Q”内部颜色开始由桔黄色向灰色渐变。这种标签是由食品级的可显示材料制成的,其成本不到肉类食品平均包装总价格的1%,相当经济。
温度-时间监测标签可以记录产品8周的时间与温度数据。比如,如果消费者怀疑糖果产品的保存温度不在要求范围内,则可以将糖果包装展平并测量它的尺寸,这种标签就会将所有的警示整合,并提供可视化显示。所有通过标签获取的数据可以被下载下来并可以图形表示。这种标签可以装入食品等级包装中,也可以贴在纸箱上或直接粘贴在产品上。它的温度-时间范围可以由厂家预先设置,还可以通过相关的识别设备和软件下载标签中的信息。
六、智能包装发展趋势
美国、日本和澳大利亚等国家的智能包装技术目前已部分成功商业化,并应用于延长食品的货架寿命和监视食品品质和安全。对于智能包装,时间温度指示剂和氧指示剂是最普遍的产品。
智能包装还将向使用简单、价格低廉、能承担多任务的方向发展。它们将与产品的质量相关(而不是与环境相关),更容易明白,容易读取(如具清晰的和标准化的色泽变化,特别是作为消费者阅读时),使用前容易贮存等。
智能包装技术既可以方便消费者选择安全放心的食品,又可以延长食品的保质期,有利于食品的保鲜和运输。将在监测食品质量、全程跟踪产品流通等方面发挥其重要作用,具有极广阔的发展前景。
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