保障食品品质是解决食品安全问题的首要环节[1]。食品经过加工、包装、贮藏、运输、销售，最终被消费者食用，在这些过程中由于外界环境等因素的变化，往往导致食品失鲜变质，其商业价值降低或失去，加剧浪费，污染环境，甚至损害消费者的健康[2]。基于以上问题，开发一种低成本、快速、准确和非破坏性的设备来实时评估食品的新鲜度受到业内广泛关注。由此，智能包装的理念应运而生，它是运用新型材料对食品包装进行设计从而达到对食品品质及内外部环境的识别和判断，以食品腐败指标的形式来监测食品的新鲜程度，从而对包装食品的品质进行识别和保障[3]。目前，食品新鲜度监测研究受到越来越多学者的关注[4-5]，食品包装模式出现了新的趋势，可视化智能包装逐渐走进消费者视野。
可视化包装属于智能包装的范畴，采用可视化包装能实时监测食品新鲜度变化，生产商和消费者都可以通过指示标签快速、准确、及时获取食品新鲜度信息，减少商业损失，避免健康损害[6]。虽然可视化智能包装材料在食品中的应用已有报道，但我国可视化智能包装还处于初步研究阶段，未能大规模生产和应用[7]。本文概述近年来可视化智能包装的研究进展，并对其监测机理进行分析，在此基础上展望可视化包装未来发展方向。
1 可视化智能包装的概念
智能包装是在传统包装的基础上结合物理、化学、生物学及互联网等最新科技方法，对食品及食品所处环境进行监测，从而实现对食品品质和安全实时监控的包装方法[8]。在食品领域，根据工作原理的不同将智能包装分为3 类，即指示器型、传感器型和射频识别标签[9-10]。指示器型和传感器型智能包装可以制成指示标签放入食品包装内部，用于食品新鲜度的实时监测，其工作机理是食品腐败或微生物活动产生的挥发性化合物与化学合成或天然指示剂反应产生颜色变化，如图1所示，根据标签颜色变化程度能够直观判别食品新鲜程度[11]。与传统的食品质量检测方法相比较，可视化智能包装无需借助仪器进行检测，也不需要对食品包装进行破坏，通过肉眼即可判断食品的新鲜程度[12]。
图1 指示标签指示机理示意图
Fig. 1 Schematic of the working mechanism of indicator labels
2 可视化智能包装的分类及应用
可视化智能包装可以直接反映由于物理化学变化、食品自身酶效应及微生物生长繁殖所导致的食品新鲜度变化[13]。食品逐渐失鲜的过程中，指示标签颜色会随着食品中的酶及微生物代谢产物的增加而发生改变，其影响因素及部分分类如图2所示，食品包装内部的水分、温度、不同微生物的代谢产物等因素都会对指示标签的颜色变化产生影响，根据检测指标的不同又可以将标签分为pH值敏感型、CO2敏感型、含硫化合物敏感型等类型。
图2 可视化智能包装影响因素及分类
Fig. 2 Factors affecting visual intelligent packaging and its classification
2.1 pH值敏感型指示标签
食品在贮藏期间，由于微生物和酶的作用会产生一系列代谢产物，如TVB-N、NH3、CO2等，这些代谢产物累积到一定浓度时会使食品pH值发生变化，利用酸碱变化能发生颜色反应的指示剂制成标签，通过指示标签上的颜色变化可以快速辨别食品的新鲜程度。近年来，国内外研究人员对多种pH值指示剂、基质膜及包装添加剂做了相关研究，根据指示剂的来源可以将pH值指示标签分为两大类，即化合物指示标签和植物提取物指示标签。
2.1.1 化合物指示标签
化合物指示标签是由于发生酸碱反应导致标签颜色变化。目前研究较多的是基于酚红、甲基红、溴甲酚紫、溴百里酚蓝等化学试剂制备的指示标签。孙媛媛[14]以羟丙基甲基纤维素为基质膜，添加溴甲酚紫染色液，制成薄膜指示标签，放置于包装容器内部监测猪肉pH值的变化。结果表明，猪肉在失鲜过程中，标签颜色由黄色变为绿色，最终变为蓝色，反映了猪肉从新鲜状态到次级新鲜状态，最终腐败变质的整个过程；标签颜色变化仅与挥发物含量有关，与猪肉量无关。王冰雪等[15]利用定性滤纸为载体，溴甲酚紫为指示剂，制备一种监测新鲜猪肉pH值变化的指示标签。结果表明，随着贮藏时间延长，鲜肉变为次级鲜肉，并开始腐败变质，此时指示标签的颜色由青绿色变为浅紫色，最终变为深紫色，颜色变化明显，可以快速判断猪肉的新鲜度。基于近年来绿色、环保、可持续的包装理念，Wang Wenqi等[16]设计了一种可循环使用的指示标签，用于罗非鱼新鲜度的监测，该标签以聚苯胺为指示剂，采用盐酸进行合成，标签在新鲜的罗非鱼包装中呈绿色，当罗非鱼开始变质时，标签逐渐变为孔雀蓝，变色后的标签用盐酸进行清洗，恢复原色，可以对罗非鱼的新鲜度进行3 次以上检测。
除畜肉、水产品外，果蔬、乳制品的可视化智能包装应用也有广泛研究。Dirpan等[17]研发了一种以溴酚蓝为指示剂、细菌纤维素为基质膜的指示标签，将标签固定在包装盒顶部，用于盒装芒果新鲜度监测，经过多组实验发现，标签呈深蓝色表示芒果新鲜，呈浅蓝色为次级新鲜，呈绿色为腐败变质，消费者可以清晰地看到包装盒中芒果的品质状况。Cavallo等[18]研发了一种专门监测牛乳新鲜度的指示标签，标签以亚甲基蓝为指示剂、以丙烯酸改性的聚丙烯薄膜为基质膜，用吸附法将指示剂固定在基质膜上，形成指示标签，指示标签固定在包装容器顶部，标签的蓝色若开始变浅则说明牛乳中微生物生长和还原性物质产生，此时生产商或销售商可以对外部环境进行调整，以延长牛乳保质期，使标签实现监测品质和延长保质期的双功能。
从安全角度考虑，指示标签与食品接触时其中的化学试剂可能会发生迁移，污染食品，同时影响指示标签颜色变化的敏感性，这与智能包装的目的相冲突，因此降低指示剂迁移风险也是指示标签的重要研究内容。针对这一现象，Dowan等[19]以溴甲酚紫为指示剂制备指示标签，为了避免指示标签与鸡胸肉接触，将指示标签设计为具有超吸收层的3 层结构，如图3所示，利用聚乙烯醇和高吸收性材料将指示剂固定，鸡肉在失鲜的全过程中，标签显示出对鸡胸肉表面pH值变化的良好响应，标签颜色由黄变蓝，最终变为紫色，同时未观察到指示剂迁移到食物表面的现象。Lee等[20]研制了一种3 层结构的指示标签，该指示标签以无色亚甲基蓝为指示剂，添加L-抗坏血酸和L-半胱氨酸的混合物抑制其氧化反应，使用低密度聚乙烯薄膜为基质膜，对其进行固定，防止迁移，以无纺布高度致密片作为外层裂解膜，层层组合制成指示标签，用于监测三明治的新鲜度，当标签由无色变为稳定的蓝色时表明三明治变质。该标签在使用时有一个激活过程，首先需要外膜层裂解才开始进行指示工作，这一原理有利于降低因智能包装中指示剂迁移而存在的食品安全隐患。
图3 多层指示标签结构示意图
Fig. 3 Schematic of multilayer indicator label structure
单一指示剂的指示标签通过结构设计、辅料添加可以达到一定的指示效果，但由于单一指示剂显色范围存在局限性，因此研究人员开发了能监测更宽pH值范围的指示标签。在单一指示剂制备的指示标签研究基础上，Kuswandi等[21]研发了一种基于甲基红和溴甲酚紫的双指试剂标签，用于监测牛肉贮藏过程中TVB-N含量、菌落总数变化引起的pH值变化，甲基红由红色变为黄色，溴甲酚紫由黄色变为紫色，表明牛肉腐败变质，该标签仅限于指示牛肉的腐败，未标明新鲜度层次，有一定的局限性。Rukchon等[22]将溴百里酚蓝和甲基红制成双指试剂标签，实时监测鸡胸肉中CO2增加引起的pH值变化，当指示标签由绿色变为橙黄色时表明鸡胸肉开始腐败变质。陈慧芝[23]在使用溴百里酚蓝和甲基红染液制备双指示剂标签时，还明确了新鲜与次级新鲜冷鲜肉之间的颜色界限，指示标签为红色时代表肉品新鲜，黄色代表次级新鲜，绿色代表肉品腐败变质。
2.1.2 植物提取物指示标签
采用天然植物提取物指示剂制备指示标签，其安全性相对更高，因此基于天然指示剂制备的指示标签也有较多研究。近年来，国内外研究者研究较多的天然指示剂大多来自植物提取物，如从各种深色植物中提取的花青素、从姜黄中提取的姜黄素及从茜草中提取的茜素等，研究者根据指示剂的颜色变化特性开展了大量研究。李琛等[24]从紫薯、杜鹃花瓣、凤仙花瓣中提取花青素，将其固定到滤纸上制成3 种指示标签，用于监测多宝鱼pH值的变化，3 种指示标签的颜色差异源于3 种花青素结构不同，但根据指示标签颜色的变化均可以直接反映鱼肉的新鲜程度，此外标签的监测灵敏度与温度无关，仅受pH值变化影响，一定程度上缩小了该标签的应用局限性。Saliu等[25]以花青素和赖氨酸混合物为指示剂，进行水溶液测试后固定到乙基纤维素膜上形成指示标签，用于监测包装内CO2体积分数变化，进而监测食品新鲜度。其原理是赖氨酸呈碱性，会使花青素变为蓝色，当CO2体积分数增加至2.5%时，pH值降低，指示标签会逐渐向紫色转变，该标签适用于产CO2较多的食品新鲜度的监测，不适用于禽畜、水产品新鲜度监测。Kuswandi等[26]从姜黄中提取姜黄素，以细菌纤维素为基质膜，将二者混合制成标签，固定在包装容器顶部密封，用于监测鱼虾类水产品pH值变化，结果表明，随pH值增大，指示标签的颜色从黄色变为橙色，然后变为橙红色，颜色变化呈现出鱼虾类产品从新鲜到次级新鲜最终腐败变质的全过程。Prietto等[27]从黑豆皮和红甘蓝中提取花青素，以玉米淀粉作为基质膜，制成pH值指示标签，比较二者在有光、无光、有无冷却条件下的灵敏度及相关性能，结果表明，从红甘蓝中提取花青素制备的指示标签稳定性较高，但二者在相同pH值范围内都会发生颜色变化，均可用来监测鱼虾类水产品的新鲜度。Ezati等[28]从茜草中提取茜素作为指示剂，分别以淀粉纤维素、纤维素-壳聚糖为基质膜制成指示标签，用于监测虹鳟鱼鱼片和牛肉糜的新鲜度，pH 2～11条件下2 种标签颜色均变化明显。近期，Ezati等[29]以萘醌色素紫草素为指示剂，利用吸附法将其固定在纤维素纸上，制备了一种监测室温下鱼肉新鲜度的指示标签，新鲜鱼使标签呈现红粉色（pH 5.7），36 h后变为蓝紫色，表明已变质（pH 6.9），在弱酸和弱碱之间具有明显颜色变化。
为改善指示标签的拉伸强度、相容性、抗氧化活性等理化性能，研究人员也在积极寻找性能优良的标签原料。Zhang Junjun等[30]从玫瑰茄中提取花青素作为指示剂，以淀粉、聚乙烯醇、壳聚糖为基质膜制备了多种指示标签，聚乙烯醇的加入能改善膜的相容性、拉伸强度等性能，通过对各种标签性能的比较发现，淀粉-聚乙烯醇-玫瑰茄花青素指示标签的性能最优，并且随着pH值的增大，其颜色从红色变为绿色，可以直观判断猪肉的新鲜度。Ma Qianyun等[31]将姜黄素固定至塔拉胶和聚乙烯醇薄膜中制备指示标签，通过感应pH值变化来评价室温下虾的腐败程度，在一定pH值条件下，1～3 min内即可看到标签由鲜红色变为深绿色。近年来也有研究者将静电纺丝技术应用在标签的制备中，电纺膜由纳米纤维组成，纤维间形成致密的孔隙，在应用时可以使挥发性气体顺利透过。Li Tingting等[32]以聚乳酸、柚皮苷和溴甲酚紫为原料，进行同轴静电纺丝，制备和研究能够保持和监测鲑鱼新鲜度的pH值敏感聚乳酸-柚皮苷同轴电纺膜。结果表明，电纺膜成功抑制了荧光假单胞菌中rhlI、rhlR、aprA和fliA基因的表达，随着实验的进行，膜的颜色逐渐发生变化。
随着研究的不断深入，科研人员逐渐发现花青素、姜黄素这类天然指示剂极易受到外界因素（如水分、温度、O2、CO2等）的影响，引起本身性能的变化，导致监测准确度降低，因此在使用天然指示剂制备指示标签时需要对指示剂进行保护。邹小波等[33]研究一种用于三文鱼新鲜度监测的双膜层，采用结冷胶和桑葚花青素作为内层膜，壳聚糖-聚乙烯醇形成致密隔氧的外层保护膜，通过逐层组装制备用于监测食品新鲜度的指示标签。结果表明，在一定温度下，随着贮藏时间延长，鱼肉逐渐失鲜，pH值增大，标签颜色由暗红色变为淡紫色，最后变成蓝褐色。Choi等[34]以琼脂和马铃薯粉作为固定和保护花青素的基质膜，制成一种智能pH值指示标签，指示标签从红色变成绿色时，猪肉从新鲜到失鲜变质。Musso等[35]利用明胶作为基材包埋姜黄素，制备可食用性薄膜，用于监测食品新鲜度，研究发现，随着pH值由酸性到碱性变化，指示标签由黄色逐渐变为深红棕色，因此可以用于生鲜肉贮藏过程中产生的TVB-N、生物胺等碱性物质检测，进而指示食品的新鲜程度。Majdinasab等[36]研制了一种由海藻酸盐珠包覆花青素的pH值指示标签，其工作机理如图4所示，研究人员对鱼类的pH值进行评估，发现这种pH值型指示标签监测鱼类等富含蛋白质类的食物具有非常高的灵敏度，因此可以作为一种价格低廉的pH值型指示标签。
图4 海藻盐-花青素指示机理示意图
Fig. 4 Schematic representation of the mechanism of action of alga beads with anthocyanins as an indicator
2.2 含硫化合物指示标签
含硫化合物由于具有刺激性气味和低识别阈值，对食品的感官品质具有显著影响[37]。硫化氢（H2S）由半胱氨酸产生并由葡萄糖限制引发。在气调包装条件下，H2S已被确定为含硫蛋白质腐败过程中释放的主要挥发物之一[38-39]，因此，可以通过监测H2S含量的变化来监测禽肉、鱼虾类等含有含硫蛋白质食品的新鲜度。Smolander等[40]将肌红蛋白作为指示剂，附着在琼脂糖上，利用肌红蛋白与H2S反应生成绿色硫化肌红蛋白的原理，制备监测禽肉腐败的指示标签。该标签皆为可食用材料，不存在危害物质迁移的风险，安全性相对较高，但研究发现，肌红蛋白对低含量H2S灵敏度较低，致使颜色变化存在滞后现象，需要通过进一步优化来改善指示效果。
此外，H2S具有较强的还原性，能够与部分金属离子反应，产生显著的颜色变化，这些金属作为指示剂经包装固定后可用于制备可视化指示标签。Zhai Xiaodong等[41]研究一种基于结冷胶和银纳米粒子的H2S指示标签，Ag与H2S反应生成灰黑色的Ag2S，通过肉眼可见的颜色变化能有效监测包装鸡胸肉和鲢鱼肉的新鲜程度。Koskela等[42]以醋酸铜印刷纸为原料，利用商用柔性印制电路板工艺，制成一种用于监测气调包装鸡肉产生的H2S气体的标签，实验结果显示，醋酸铜标签对一定量的H2S气体有良好的敏感性。Kato等[43]利用硫酸亚铁与H2S反应产生颜色变化的原理，借助壳聚糖制成H2S指示标签，监测肉品失鲜过程生成的H2S，当H2S含量超过100 mg/kg时，标签变为黑色，表明肉品失鲜甚至腐败变质。许文才等[44]提出，H2S与硝酸铅发生化学反应，产生颜色变化，可以利用该原理制备可视化指示标签，间接反映食品新鲜度。除标签法外，Song Baoyu等[45]利用葱根生物模板策略，制备介孔SnO2分层结构，可以在高湿大气（相对湿度85%）中实现ppb级H2S气体的精确检测。
2.3 CO2指示标签
CO2气体通常作为食品的保护气体填充在包装内部，但是在食品存放过程中由于包装材料的泄露、微生物的生长繁殖会造成CO2体积分数的变化，因此CO2体积分数的变化可以作为微生物生长的标志，CO2指示标签也可以作为食品新鲜度评价的手段之一[46]。Jung等[47]以乳清蛋白分离物（whey protein isolate，WPI）水溶液作为指示剂，将CO2溶解于质量分数0.3%的WPI水溶液，随着CO2溶解量的增加，WPI水溶液的透明度发生变化，可以以此衡量CO2产生量，判断食品新鲜度。Amao等[48]以α-萘酚酞为指示剂，四辛基氢氧化铵为催化剂制成指示标签，当标签与CO2接触时，会形成{Q+N·xH2O}离子对，当CO2达到一定体积分数时，标签表面形成质子化的{Q+HCO3-·（x-1）H2O·HN}，其反应机理如图5所示，标签颜色因此发生改变。Meng Xiangpeng等[49]开发了一种不可逆壳聚糖基CO2传感器，用于监测泡菜品质，将壳聚糖溶液和考马斯亮蓝染料（coomassie brilliant blue，BB）混合，得到BB-壳聚糖基CO2指示标签。该指示标签被用于评价15、25 ℃贮藏条件下泡菜的品质变化，结果表明，标签的透明度与用于指示泡菜品质的几个参数有很好的关联性。邢月[50]以聚乳酸为指示剂，甲基纤维素为基质膜，添加聚乙二醇制成指示标签，较优配比的指示标签在CO2体积分数达到32.1%的气体环境中颜色变化明显，该指示标签适用于含糖量较高的食品，如蛋糕、面包、馒头等。除上述通过检测CO2体积分数直接监测食品新鲜度的方法外，Anusannkari等[51]还设计了一种由荧光指示标签和光学电路组成的便携式无创光学传感器，利用有机-无机杂化溶胶基质将O2和CO2荧光染料固定，制成指示标签，将标签附着在肉类包装容器内壁上，与光学电路组件集成，通过测定O2和CO2的双重参数来评估各种可食用肉类的新鲜度。此外，Puligundla等[52]研究表明，改性铑金属在不同气体坏境下会呈现不同的颜色变化，气体以特殊方式结合到化合物的中心金属离子上，而没有破坏化合物晶格中每个离子的精确位置，这一发现为可视化智能包装的应用提供了新思路。
图5 α-萘酚指示剂质子化反应
Fig. 5 Protonation of α-naphthol indicator
2.4 微生物及其他类型指示标签
除上述以食品代谢产物为指示物的可视化指示标签外，还出现了监测微生物、温度等其他因素的可视化指示标签。Guo Jingxing等[53]利用纳米金表面增强拉曼散射效应制备了一种专门监测细菌代谢物的传感器，随着细菌的生长繁殖，气体代谢产物逐渐积累，标签产生明显的颜色变化。Solveiga发明了一种智能标签，该标签由明胶组成，它的腐败速度与肉、乳等食品中的蛋白质一致，当标签凹凸不平时食品失鲜甚至腐败变质[54]。2016年中国无菌包装产业发展论坛上，中国科学院严纯华院士公布了世界首款纳米“智能标签”[55]，其原理是将金属银堆积在金纳米颗粒上，研制出首款纳米智能标签，用于牛乳运输与销售过程中的温度监测，温度升高，壳层厚度增加，引起纳米金形状、尺寸和化学组成的变化，导致标签颜色由绿变红，直观评价牛乳的新鲜度。Jeevahan等[56]开发了一种超薄变色薄膜，由疏水性聚苯乙烯的纳米层和含有大量光子的亲水性聚2-乙烯基吡啶（poly-2-vinylphridine，P2VP）制成，该团队将二者的聚合物结合到一种组装的超纳米级嵌段共聚物中，当环境中有其他物质产生时，会使环境气压发生改变，球形压头会对凝胶造成一定压力，大量光子发生移动，产生颜色变化；当变色凝胶暴露在溶于溶液的离子中时，亲水性P2VP层吸水膨胀，材料根据离子渗入亲水层的能力呈现不同的颜色变化。这种纳米材料制成的指示标签在遇到不新鲜食物释放出的化学物质时会发生变色，可直接反映食品新鲜度，目前在国外已应用于番茄、鱼、牛肉等多种食品包装。
3 可视化智能包装的发展现状
可视化智能包装可以直观反映食品的品质和状态，从而帮助销售商和消费者做出准确判断，提高食品的安全性和食用品质。近年来对可视化智能包装的研究成为行业研究热点之一，研究成果较多但转化率低，特别是国内市场上应用可视化智能包装的食品很少。这是由于可视化智能包装实验室成果在转化为实际产品应用时，主要会受到以下几个方面因素的限制而难以实现商业化及规模化应用：1）生产成本。一般来说，食品制造企业的包装成本不超过产品成本的10%[56]，而智能包装的生产需要利用高级材料和比较复杂的专业化技术，会大幅度增加包装成本，增加企业负担；2）安全隐患。目前为止还没有研究表明指示标签的绝对安全，对于指示标签是否可直接接触食品也没有统一标准，所以智能包装在使用时可能会发生指示剂迁移的现象，对食品造成污染；3）材料性能。当实验研究成果转化为商业化生产时，可视化智能包装材料也可能存在一定缺陷。在实际应用中，包装材料可能仅显示出有限的活性甚至没有活性，这是由于实验用食品材料与企业产品之间通常存在较大的条件差异，例如包装食品的数量、理化参数（如水分活度、温度）的波动、起始pH值等[57]。
4 结 语
可视化智能包装作为食品包装领域的新兴技术，能否快速实现商业化并投入市场，取决于包装的安全性、稳定性和法律框架的建立。可视化智能包装全程能够实时监测食品新鲜程度，对容易发生品质劣变的食品意义重大，但该包装技术的普遍应用仍需要进一步的研究与创新，未来发展趋势主要有以下几个方面：1）为有效检测食品品质劣变的特征性物质，可视化智能包装将采用较多的新型指示剂和成膜基质，这些新型物质具有较高的安全保障，同时不对食品风味产生明显影响，这还需要大量的实验验证，以获得相关部门支持；2）不新鲜食品会对人体健康造成一定危害，因此不断提高可视化智能包装质量安全监测的准确性，降低假阳性或假阴性结果的检出率也是研究热点之一；3）部分新鲜食品，尤其是动物源性食品的销售价格普遍较高，可视化智能包装的应用会大幅度提高产品价格，寻找价格较低的生产原料，开发可循环使用的可视化智能包装能有效降低成本；此外，部分智能包装需要借助电子设备以获取检测结果，依托于成熟的互联网市场，开发移动光学电子检测设备也是降低可视化智能包装使用成本的发展方向；4）可视化智能包装并不局限于监测食品的新鲜度，还可以具备延长食品保质期的附加功能，因此，可视化智能包装材料与杀菌、防腐等其他食品保鲜物质结合使用也是未来发展的趋势，多种包装材料优势互补可以为食品品质提供更强有力的保障；5）未来可视化智能包装的应用会遍及很多领域，在医疗卫生、环境保护、纺织业等领域也将会有较多应用，对于材料的性能还需进一步研究。
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