1 果蔬智能包装指示技术的分类与原理
水果和蔬菜在贮藏和流通过程中，不仅容易受到生理性腐败和微生物腐败的影响，还会因内源酶作用、外源微生物侵染以及贮存、运输和销售过程中的机械损伤而发生品质劣变，从而导致其整体质量下降。为了开发能够指示果蔬质量变化的智能包装系统，需要识别主要的质量指示代谢物，也称为目标代谢物。其中，主要的质量指示代谢物包括CO2、乙烯、醛类、含硫挥发物、挥发性有机酸、乙醇和叶绿素等。通过包含指示标签和传感器的指示系统检测一种或多种代谢物，以确定果蔬质量变化。根据检测原理不同，可将指示系统分为时间-温度指示器和新鲜度指示器。
1.1 时间-温度指示器
贮存期间时间和温度的波动会显著影响水果和蔬菜的器官性质和营养价值，甚至导致微生物滋生。时间-温度指示器（Time-temperature indicator，TTI）是一种可以贴在包装内部，反映食品在贮运过程中时间和温度的智能包装。其原理是将温度作为隐射食品中物理、化学、微生物或酶反应程度的重要指标，反映食品成分的变化程度。TTI可以对货架期中果蔬的参数进行监测，通过记录时间、温度的变化过程指示果蔬剩余货架信息，具有性价比高、变化不可逆、使用简单等特点。根据不同反应机理，TTI可分为微生物型、物理化学型、酶型。
1.2 新鲜度指示器
新鲜度指示器是通过敏感原件和果蔬中产生的特定产物发生化学反应，导致显色剂变色，由此来监测果蔬新鲜度，将结果以直接观察的信号呈现给消费者。采集后果蔬的生理活性可生成含二氧化碳、有机酸、乙烯等代谢产物，诱导果蔬贮存环境发生不可逆转变。针对不同代谢产物所开发的新鲜度指示器的原理也不相同。
2 果蔬新鲜度监测的智能包装指示材料
智能包装指示材料是指在果蔬贮藏与流通过程中，能够自动检测包装内部环境及果蔬品质变化，并根据检测结果进行信息显示与记录的一类新型包装材料。利用智能包装的信息交流功能，消费者可以通过包装上的指示判断果蔬的品质。这些材料不仅种类丰富，而且不同种类材料的作用也各不相同；响应性材料可用于智能包装薄膜指示，纳米材料可用于增强智能包装薄膜特性，多糖基材料可用于智能包装薄膜的合成（图1）。
图1 果蔬新鲜度监测的智能包装指示材料
Fig.1 Intelligent packaging indicator materials for monitoring the freshness of fruits and vegetables
2.1 果蔬智能包装指示的响应性材料
天然色素和纳米材料常被用作响应性材料。天然色素是自然界中存在的物质，如类胡萝卜素、花青素、姜黄素，因安全性高、成本低等特点而被广泛应用于果蔬智能包装指示材料中。纳米材料因显著优势，包括大表面积，坚固的物理和化学稳定性以及可靠的靶向反应性而被用于制造食品质量监测的智能包装指示材料。
2.2 增强果蔬智能包装的纳米材料
纳米材料的引入革新了智能食品包装，在果蔬类包装上，提升了其功能性、响应性和可持续性。其独特的性质，包括高表面积和抗菌活性，成为开发先进包装系统的理想对象。含有多种纳米颗粒的纳米复合材料可以提升果蔬包装薄膜的屏障性能、机械强度和抗菌效能，从而延长保质期并确保果蔬安全。这些材料通过生物传感器和物联网集成实现实时监测，从而提升可追溯性并延长保质期。
2.3 果蔬智能包装的多糖材料
常用包装材料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，都是由石油基塑料制成的。使用此类一次性包装材料将带来不可否认的环境挑战，不利于可持续发展。多糖因易于获取，高丰度和低成本，以及无毒、可生物降解，具有生物相容性、可再生性和环保性而被公认为合成塑料的有前景替代品。
3 智能包装指示在果蔬提质保鲜、减损方面的应用
水果和蔬菜的劣化速率取决于多种因素，如呼吸和蒸腾速率、乙烯的生成速率、水果的损伤情况，以及多种酵母和霉菌的生长，对于不同类型的果蔬所采取的处理方式也大不相同。根据果蔬的呼吸类型可分为高呼吸型果蔬、呼吸跃变型果蔬、低呼吸型果蔬。智能包装需要调控果蔬的保存条件，如温度、气体成分和湿度，并且联合相应的智能包装指示系统进行检测。
3.1 高呼吸型果蔬智能包装指示
高呼吸型果蔬采摘后呼吸性极强，生命活动旺盛，营养消耗极快，腐烂速度较快，极易失水、黄化，以草莓、蘑菇、菠菜最具代表。新鲜采摘的水果和蔬菜的呼吸更为活跃，释放的二氧化碳使包装呈酸性环境，一般用pH敏感型指示系统进行指示。
3.2 呼吸跃变型果蔬智能包装指示
呼吸跃变型果蔬在成熟过程中会出现一个明显的呼吸高峰，高峰期前、后果实迅速成熟、软化、转色、增香。这些反应与乙烯有重要关系，乙烯（C2H4）是一种植物生长调节剂，能影响或加速成熟和衰老。控制乙烯，低温条件，可推迟呼吸高峰，延长贮藏期。针对呼吸跃变型果蔬释放乙烯的特点，将金属氧化物等光催化材料引入生物纳米复合膜中，可实现对乙烯的有效降解，从而延缓果实成熟与衰老过程。
3.3低呼吸型果蔬智能包装指示
低呼吸型果蔬在成熟过程中无呼吸高峰，呼吸强度一直缓慢下降，乙烯生成量很低，采后不能后熟，必须在植株上成分才能成熟，以葡萄、樱桃最具代表性。针对低呼吸型果蔬乙烯释放少、难以后熟的特点，通过引入CD-MOFs等多孔载体实现活性物质（如姜黄素、花青素）的稳定化与缓释，可有效抑制果蔬变质与品质劣变。
4 技术挑战与局限性
果蔬智能包装指示技术通过集成敏感指示单元（如天然色素、纳米传感器），可动态响应果蔬代谢过程中产生的CO2、乙烯等信号，实现新鲜度的实时监测与预警，在果蔬品质智能化管控领域展现出广阔应用前景，而在性能稳定性、成本与规模化生产和包装材料的安全性评价等方面仍需提升。
4.1 果蔬品质智能化管控
智能包装指示系统能够对产品及其周围环境变化进行实时监测并作出响应。依托新鲜度指示器和时间-温度指示器，实现对pH值、CO2、氧气以及时间和温度等关键指标的动态监控，从而直观反映食品质量与安全状况。在此基础上，智能包装正由传统的可视化指示向信息化与数字化方向发展。通过融合条形码、二维码及射频识别（RFID）等数据载体技术，不仅能够向消费者提供更加全面的产品信息，还可实现产品在供应链中的位置追踪以及温度、湿度等环境参数的实时记录与管理。尤其是RFID技术，凭借高效的数据存储与识别能力，可实现对产品流通过程的精准监控，从而优化库存管理并提升物流效率。然而，每种产品中嵌入RFID标签成本高昂，且对包装回收存在挑战，而持续的研究旨在降低这些成本。该技术在易于集成、直销机会和可读性方面带来了显著优势，然而，在批量识别和安全方面存在明显局限性。未来，随着物联网技术的不断发展，智能包装有望实现指示功能与数据交互的深度融合，构建集质量监测、信息传输与智能决策于一体的综合系统，进一步推动食品包装向智能化和精细化管理方向发展。
4.2 性能稳定性与可靠性
性能稳定性是智能指示材料在仓储、加工、冷链、货架等全生命周期内，保持指示灵敏度、响应速率、信号辨识度及识别精度不衰减、不漂移、不失效的能力，其优劣直接决定技术的实用性与产业化可行性。目前，果蔬智能包装指示技术多依赖天然安全的指示组分（如花青素、姜黄素）与可降解基材（如壳聚糖、淀粉），这类材料本身存在光、热、氧敏感性，同时面临冷链高湿、温度波动、加工胁迫等复杂外界环境的影响，导致性能稳定性不足，成为制约该技术规模化应用的最大障碍。此外，酶基指示单元（如氧化酶、脱氢酶）的贮存稳定性更差，在常温仓储30 d后，酶活性残留不足30%，无法实现有效的信号响应。智能包装多采用壳聚糖、淀粉、果胶、纤维素等生物基可降解基材，这类基材的结构稳定性极差。在高湿仓储环境下，基材易吸湿溶胀，力学强度下降40%~60%，导致指示层与基材剥离；长期贮存还会引发基材脆化，孔隙坍塌，堵塞气体传输通道，使指示组分无法接触CO2、乙烯等目标代谢产物，进一步加剧指示功能的衰减。
4.3 成本与规模化生产
智能包装指示技术在推广过程中还面临成本高和规模化生产困难的问题。目前许多指示器依赖功能性染料、纳米材料或微型传感器等较为昂贵的材料，同时在制备过程中往往需要精细化加工或多层复合结构，这使得生产成本明显高于传统食品包装。此外，相关制备工艺尚未完全实现标准化和工业化，大规模连续生产技术仍不成熟，导致产品稳定性和一致性难以保证。较高的制造成本和规模化生产技术的不足，在一定程度上限制了智能包装指示技术在食品工业中的广泛应用。
4.4 包装材料的安全性评价
包装材料应具备良好的安全性、力学性能和阻隔性能。首先，材料应无毒且稳定，避免有害物质向果蔬迁移。智能包装使用的成膜基材多为不可降解的物质，不仅影响人们的身体健康，而且容易造成环境污染。现在使用的指示剂通常来源于化学合成，对人体有较大的危害。其次，材料应具有适宜的机械性能（如强度与柔韧性），以满足不同应用需求。此外，包装材料需具备有效的气体阻隔能力和物理稳定性，以控制水分、氧气及其它气体的传递，并在光照、温度和湿度变化条件下保持结构稳定。在实际贮藏过程中，环境因素（如湿度、氧气及温度波动）仍可能导致食品品质劣变。湿度变化会影响食品质构，氧气则可促进脂质氧化、褐变反应及微生物生长，同时加速果蔬呼吸和乙烯合成。此外，pH值变化也会进一步影响食品品质与安全。包装材料在设计时需综合考虑对果蔬贮藏环境的调控能力，以保障食品在整个贮藏期内的质量。
5 未来趋势与展望
食品工业迎来人工智能时代，果蔬智能包装指示技术是保障果蔬品质与安全的重要手段，也为食品包装工业带来革命性改变。本文阐述果蔬智能包装指示技术的分类与原理，各种指示材料以及在不同类型果蔬方面的应用、技术挑战与局限性。智能包装指示的功能正在逐步完善，然而，其距离大规模商业化应用还有诸多问题亟待解决。果蔬智能包装指示技术将朝着绿色化、智能化、多功能集成和数字化监测等方向发展。首先，在材料研究方面，逐渐从传统化学染料转向天然来源的智能指示材料，如从果蔬皮废弃物中提取花青素、类胡萝卜素等天然色素，用于制备pH响应型新鲜度指示膜，实现资源化利用与可持续发展。其次，在技术层面，未来智能包装将与物联网、云服务等技术结合，实现对温度、湿度、乙烯和挥发性气体等多参数的实时监测，从而提高果蔬品质追踪和供应链管控能力。此外，随着人工智能与大数据技术的发展，智能包装系统还可通过数据分析预测果蔬货架期并优化贮运条件，实现更加精准的质量控制。同时，研究也更加重视可降解生物基材料和多功能复合包装的开发，以兼顾食品保鲜、环境友好和智能监测等多重需求，推动果蔬智能包装指示技术向低成本、可持续和规模化应用方向发展。
原文链接：
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=sb6TFb_dKpo7GOXQ5aOBCRv6vAF4FaffqbaKq573cF4CB2cRkX5-PP_fnZ1ffkMlkcLdG6ZrvwC7od_QK2W4VHWyxWINKV6h1grRhVHBQriSIaj32z1nh_GtXYJvpeVYCzKx3xnb0_velQ4vrBcWrMhHzqtqk9YqKh6g-wkPsQjfo1evb2Gm9g==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
