包裝用智能標(biāo)簽的應(yīng)用及研究進(jìn)展

　　從20世紀(jì)六七十年代開始，智能化浪潮日漸高漲，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們逐步將智能化應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。90年代之后，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活方式的改變，使全球包裝工業(yè)得到迅速發(fā)展，包裝在商品流通中的地位也變得越來越重要，人們開始將智能化應(yīng)用到包裝領(lǐng)域中來。在滿足包裝基本功能的前提下，充分體現(xiàn)個(gè)性消費(fèi)需求，彰顯人文關(guān)懷和拓展產(chǎn)品功能的智能包裝逐漸興起。智能包裝是未來包裝業(yè)發(fā)展的方向之一，盡管這項(xiàng)技術(shù)還沒有完全商業(yè)化應(yīng)用，但它對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量與安全性，以及可追溯性方面可以起到非常重要的作用，給消費(fèi)者帶來了很大的便利性，有巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，智能包裝中的智能成分主要以能夠傳感和指示包裝內(nèi)外環(huán)境變化及產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)變化的智能標(biāo)簽的應(yīng)用為主體，可以說智能標(biāo)簽的應(yīng)用和研究進(jìn)展在某種程度上就代表了智能包裝的應(yīng)用和研究進(jìn)展。鑒于國內(nèi)目前對(duì)智能包裝的商業(yè)化應(yīng)用和研究較少，消費(fèi)者對(duì)其的了解也較少，文中將以闡明智能包裝的概念作為切入點(diǎn)，對(duì)智能包裝進(jìn)行簡單的介紹，并重點(diǎn)對(duì)智能標(biāo)簽的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為我國智能包裝的基礎(chǔ)研究提供素材。

　　1 智能包裝

　　智能包裝早在很多年前就開始頻繁出現(xiàn)在一些文獻(xiàn)、雜志和會(huì)議上，但一直以來對(duì)于智能包裝的定義學(xué)術(shù)上仍然沒有統(tǒng)一的說法，例如，Karel[1]將智能包裝定義為含有可以反映產(chǎn)品變化的傳感器并且能夠做出相應(yīng)的反應(yīng)來抑制產(chǎn)品發(fā)生有害變化的包裝。Takhistov等[2]認(rèn)為智能包裝是能夠?qū)崿F(xiàn)智能功能(如感知、檢測環(huán)境，記錄信息，定位追蹤，交流等)的包裝，這種包裝可以感知包裝內(nèi)外環(huán)境變化、對(duì)產(chǎn)品出現(xiàn)的問題作出反饋、延長產(chǎn)品保質(zhì)期、提高安全性，并且可以追蹤產(chǎn)品位置。Yam等[3]將智能包裝定義為利用包裝系統(tǒng)的交流功能通過監(jiān)測包裝內(nèi)外環(huán)境的變化，能夠做出判斷和控制并且反映產(chǎn)品狀態(tài)的科學(xué)技術(shù)。智能包裝雖已成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，但業(yè)界對(duì)智能包裝的定義仍在發(fā)展中，明確這一概念對(duì)界定智能包裝的產(chǎn)業(yè)邊界及其細(xì)分市場非常重要。綜合相關(guān)文獻(xiàn)和法規(guī)，結(jié)合智能包裝的功能和實(shí)現(xiàn)形式認(rèn)為智能包裝是指人們通過創(chuàng)新思維，在包裝中加入了更多的信息和智能成分，使其既具有通用的包裝基本功能，又能夠執(zhí)行智慧型功能(包括感知、檢測、記憶、跟蹤、通信、判斷、執(zhí)行等)，具有一定信息處理與決策能力，滿足商品的特殊要求和特殊環(huán)境條件的一類包裝產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)。

　　智能包裝的出現(xiàn)使包裝的功能得到延伸，滿足了各種不同的需求。具有信息處理能力的智能包裝，拓展了包裝的信息傳達(dá)功能。具有調(diào)節(jié)包裝微環(huán)境的智能包裝，延伸了包裝的基本防護(hù)功能(變被動(dòng)為主動(dòng))。具有改善環(huán)境相容性的綠色包裝，衍生了包裝的環(huán)境保護(hù)功能。智能包裝的任務(wù)是監(jiān)測包裝內(nèi)容物的質(zhì)量狀況，反饋質(zhì)量影響因素的變化信息，響應(yīng)系統(tǒng)維護(hù)與修復(fù)的控制指令，使商品在流通周期內(nèi)，延長保質(zhì)期、增強(qiáng)安全性(跟蹤、溯源、預(yù)警、防偽等)、保證商品質(zhì)量。

　　智能包裝由智能組件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和包裝件等3個(gè)要素構(gòu)成，智能組件則為由若干智能材料、智能元件、中央處理單元等構(gòu)成的信號(hào)(發(fā)生、記錄、儲(chǔ)存、發(fā)送)處理器和控制器。其中，智能材料包括各種功能油墨和涂料(導(dǎo)電、溫敏、濕敏、氣敏、光敏、磁敏、壓敏等材料)、形狀記憶材料、氣體選擇透過材料、印刷電子材料等。智能元件包括各類指示器(如時(shí)間-溫度指示器、密封性指示器、新鮮度指示器等)、各類傳感器(如重力傳感器、加速度傳感器、PH傳感器、生物傳感器、氣體傳感器、基于熒光的氧傳感器等)、條形碼和射頻識(shí)別標(biāo)簽(RFID)等。中央處理單元包括各類嵌入式電子型、納米型、有機(jī)型、生物型等微型芯片。這些智能組件通常貼附于包裝上或置于包裝內(nèi)部，將其稱為智能標(biāo)簽。

　　2 智能標(biāo)簽的研究進(jìn)展

　　智能標(biāo)簽可以傳達(dá)產(chǎn)品中或產(chǎn)品包裝中某種物質(zhì)的存在或缺乏的信息，顯示某2種或多種物質(zhì)的反應(yīng)程度，或者某種特殊物質(zhì)的濃度，從而說明產(chǎn)品的質(zhì)量狀況，多數(shù)情況下，這些信息都是通過直接的視覺變化表現(xiàn)出來的。盡管用于包裝的智能標(biāo)簽是多種多樣的，但是根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)情況來看，大致有以下幾種類型：時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽、新鮮度智能標(biāo)簽、氣體型智能標(biāo)簽和射頻識(shí)別標(biāo)簽[4]。

　　2.1 時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽(TTI)

　　2.1.1 定義及分類

　　人們購買食品藥品時(shí)習(xí)慣于靠生產(chǎn)日期判斷其是否變質(zhì)，而以牛奶、疫苗為代表的需冷鏈運(yùn)輸?shù)氖称匪幤?，單靠生產(chǎn)日期無法監(jiān)控質(zhì)量而成為盲區(qū)。時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽(TTI)是一種可以感知和記錄環(huán)境變化和產(chǎn)品質(zhì)量變化的裝置，一般通過化學(xué)、力學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)生不可逆反應(yīng)，使其顏色或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化來判斷其所處的環(huán)境的變化，可以對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)運(yùn)輸、儲(chǔ)存及銷售階段的一些重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，并通過時(shí)間溫度積累效應(yīng)指示產(chǎn)品的溫度變化歷程和顯示剩余貨架期等信息。食品、藥品等的質(zhì)量易受溫度波動(dòng)與時(shí)間變化的影響較大，因此將時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽應(yīng)用于食品包裝、藥品包裝以及對(duì)溫度、時(shí)間等有要求的包裝中，記錄產(chǎn)品在全供應(yīng)鏈期間的時(shí)間-溫度歷史，可以良好地表征產(chǎn)品的實(shí)時(shí)狀態(tài)[5]。

　　時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽是目前智能包裝中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一，國外在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)進(jìn)行了研究并開始商業(yè)化應(yīng)用，到20世紀(jì)70年代，美國政府就要求在某些特殊的產(chǎn)品上必須應(yīng)用TTI。目前，瑞典Vitsab公司、美國3M公司和Lifelines Technology公司、法國Cryolog公司等相繼研究并開發(fā)了TTI，并已得到商業(yè)化應(yīng)用[6—7]。相對(duì)來說，國內(nèi)關(guān)于 TTI的研究起步較晚，并且主要集中在TTI理論方面的研究上，商業(yè)化應(yīng)用較少。目前國內(nèi)外的科學(xué)研究和已實(shí)現(xiàn)或接近商業(yè)化應(yīng)用的主要有擴(kuò)散型TTI、聚合型TTI和酶型 TTI[8—9]等。

　　2.1.2 擴(kuò)散型TTI

　　擴(kuò)散型TTI利用的是熱熔性指示劑(如丁基硬脂酸酯、辛酸辛酯等)的擴(kuò)散原理制成的，將其放置或集成于包裝中時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度高于某一設(shè)置值時(shí)，其中的熱熔性指示劑熔化并開始擴(kuò)散，溫度越高，熱熔性指示劑的擴(kuò)散速度越快，因此可以根據(jù)熱熔性指示劑的擴(kuò)散情況來反映產(chǎn)品經(jīng)歷的時(shí)間-溫度歷史，從而判斷產(chǎn)品的狀態(tài)和剩余貨架壽命，這種智能標(biāo)簽的適用范圍和使用期與指示劑的類型密切相關(guān)。美國3M公司生產(chǎn)的Monitor Mark智能標(biāo)簽見圖1。當(dāng)產(chǎn)品的儲(chǔ)存溫度高于某一個(gè)值時(shí)，標(biāo)簽內(nèi)的物質(zhì)開始擴(kuò)散，并且隨著環(huán)境溫度上升，標(biāo)簽內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散加快，通過觀察標(biāo)簽上的進(jìn)度條可直接看出產(chǎn)品剩余貨架期。當(dāng)整個(gè)刻度條被充滿時(shí)，表明該產(chǎn)品已無法再繼續(xù)使用[10]。這類智能標(biāo)簽原理比較簡單，技術(shù)也較成熟，在國外很多年前就已經(jīng)得到商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

圖1 Monitor Mark智能標(biāo)簽，擴(kuò)散型TTI

Fig.1 Monitor Mark intelligent label,diffusion TTI

　　2.1.3 聚合型TTI

　　聚合型 TTI利用的原理是聚合單體發(fā)生聚合反應(yīng)生成固態(tài)聚合物的過程中，顏色會(huì)逐漸發(fā)生變化。在反應(yīng)過程中，外界溫度越高，聚合反應(yīng)速率越大，其顏色變化越明顯，以此來反映產(chǎn)品經(jīng)歷的時(shí)間-溫度歷史，可以直接用肉眼將其顏色與參考色對(duì)比來評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量的變化[11]。此類智能標(biāo)簽在使用前對(duì)于保存溫度要求較為嚴(yán)格，一旦接觸溫度高于某一個(gè)值，即被激活開始發(fā)生聚合反應(yīng)，目前主要用于對(duì)冷藏食品的監(jiān)控。聚合型TTI見圖2，它由2個(gè)同心圓環(huán)組成，智能標(biāo)簽被激活后，隨著溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的增加，內(nèi)部圓換的顏色逐漸變暗，溫度越高反應(yīng)時(shí)間越長，內(nèi)部圓環(huán)顏色變化越大。當(dāng)內(nèi)部圓環(huán)顏色比外部圓環(huán)顏色深時(shí)，意味著該產(chǎn)品的貨架期終結(jié)。

圖2 聚合型TTI

Fig.2 Polymeric TTI

　　在目前應(yīng)用的聚合型TTI中，應(yīng)用最早最為廣泛的一類是以含乙炔基團(tuán)單體的固態(tài)聚合反應(yīng)為原理制成的聚合型TTI。在該聚合反應(yīng)中，單體中的聯(lián)乙炔基團(tuán)在熱的作用下發(fā)生加成聚合反應(yīng)生成聚聯(lián)乙炔(PDA)化合物，反應(yīng)過程中，其顏色會(huì)由藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色，并且溫度越高顏色變化的速率越快，由此產(chǎn)生的溫度-速率-顏色三者之間的變化關(guān)系就能夠用來指示食品的品質(zhì)的變化。例如，Phollookin等[12]提出用聚氯乙烯和聚乙酸乙烯酯組成的聚酯用作絲網(wǎng)印刷油墨配方的基質(zhì)，將印刷出透明的 PDA薄膜作為熱反應(yīng)標(biāo)簽，可以用于 20～−65 ℃的環(huán)境中記錄產(chǎn)品的質(zhì)量變化。Song等[13]用丙炔胺和異氰酸酯合成了一種乙炔化合物并研究了它的聚合反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該化合物隨著聚合反應(yīng)程度的增加顏色由白變藍(lán)再變黑。錢志勇等[14]發(fā)明的基于PDA膜殼和兩親性聚合物溶液的TTI，可以檢測0～50 ℃環(huán)境下產(chǎn)品質(zhì)量的變化。

　　2.1.4 酶型TTI

　　酶型TTI通常利用酶和底物水解致使pH值發(fā)生改變，配合pH指示劑，產(chǎn)生可見的顏色變化，或者是酶直接催化底物發(fā)生有顏色變化的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品品質(zhì)變化的檢測。酶型TTI具有穩(wěn)定性強(qiáng)、成本較低以及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為時(shí)間溫度指示器研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。目前酶型TTI商業(yè)化應(yīng)用很少，還處于研究階段，并且目前所做的研究主要針對(duì)食品包裝領(lǐng)域，由于食品的品質(zhì)與其所經(jīng)歷的時(shí)間溫度歷史密切相關(guān)，并且食品的質(zhì)量與時(shí)間、溫度的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系可以通過質(zhì)量方程表示，而酶型TTI可以通過改變酶的類型與濃度，添加輔酶、抑制劑等手段使其具備與食品質(zhì)量變化相近的活化能，因此酶型TTI的顏色變化可以較為精確地顯示出食品的質(zhì)量變化。

　　這類智能標(biāo)簽在國內(nèi)外的研究較多，所研究的酶的類型主要包括脂肪酶、漆酶、脲酶、淀粉酶等，如KIM K等[15]研究出一種基于漆酶的酶型TTI，可以通過這種智能標(biāo)簽的顏色變化來預(yù)測食品剩余貨架壽命。Wang Y等[16]和Wu D等[17]分別研究了基于脲酶和基于黑曲脂肪霉的TTI。呂志業(yè)、盧立新等[18]對(duì)堿性脂肪酶時(shí)間溫度器變色效應(yīng)進(jìn)行了研究，后來開發(fā)出一種新型酶型TTI，可以通過顯色圈大小來判斷其反應(yīng)進(jìn)行的程度，從而可視地表征食品剩余的貨架壽命。唐圓圓[19]等以糖化酶、淀粉為主要原料，研制出的固態(tài)酶型TTI不僅激活方便，而且通過改變其反應(yīng)配方，可用于指示不同產(chǎn)品的貨架期。馮欽等[20]研究了淀粉酶型TTI反應(yīng)體系的穩(wěn)定性和最佳適用條件。喬磊等[21]研制出了堿性脂肪酶型時(shí)間溫度智能標(biāo)簽，并評(píng)估了該 TTI在貯藏中作為冷鮮豬肉的質(zhì)量指示器使用時(shí)的可靠性。酶型TTI是一種種類豐富，性能穩(wěn)定且易于控制的智能標(biāo)簽，有較大的發(fā)展?jié)摿?，值得繼續(xù)研究。

　　2.1.5 其他類型的TTI

　　隨著智能標(biāo)簽研究的逐漸深入，除了以上幾種研究和應(yīng)用較多的時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽外，光致變色型TTI、納米型TTI、電化學(xué)型 TTI等新型 TTI也逐漸成為研究熱點(diǎn)。OnVuTM TTI(見圖3)是一種新型基于光色固態(tài)反應(yīng)原理的可印刷的智能標(biāo)簽，用于印刷這種TTI的油墨經(jīng)紫外線照射后可由無色變?yōu)樗{(lán)色，未激活的TTI穩(wěn)定且不隨時(shí)間延長而變化，當(dāng)其被激活后，卡上以熱轉(zhuǎn)換帶(TTR)的形式覆蓋一層濾光片，避免陽光再激發(fā)。濾光片的褪色與時(shí)間、溫度及光照強(qiáng)度成比例，因此油墨的顏色變化可以顯示產(chǎn)品環(huán)境的時(shí)間-溫度歷史。根據(jù)智能標(biāo)簽上以環(huán)形形式印刷在油墨周圍的參考色可以判定產(chǎn)品的貨架期，并且可以通過改變參考色的顏色使此種 TTI應(yīng)用于不同的產(chǎn)品。Brizio[22]將 OnVuTM智能標(biāo)簽應(yīng)用于冷凍雞肉儲(chǔ)存運(yùn)輸中，達(dá)到了對(duì)冷凍雞肉的質(zhì)量監(jiān)控。王衛(wèi)[23]等對(duì)一種新型光致變色 TTI的紫外激活時(shí)間和不同環(huán)境溫度對(duì)其變色過程的影響進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了此類TTI的可靠性。

圖3 OnVuTM型TTI

Fig.3 OnVuTM TTI

　　盡管我國在智能包裝起步較發(fā)達(dá)國家晚，智能標(biāo)簽在市場上的應(yīng)用不及發(fā)達(dá)國家廣泛，但近年來隨著我國在智能標(biāo)簽方面研究的日漸深入，也取得了一些先進(jìn)性成果。例如，我國中科院院士嚴(yán)純?nèi)A團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了世界首款納米型TTI，其基本原理是，隨著時(shí)間推移，金屬銀逐漸沉積在金納米顆粒上，形成厚度連續(xù)變化的殼層，改變了納米顆粒的尺寸、形狀和化學(xué)組成，從而改變標(biāo)簽顏色，且其變色速率與時(shí)間和溫度精準(zhǔn)耦合。該智能標(biāo)簽可實(shí)時(shí)、可視化、精準(zhǔn)監(jiān)控食品和藥品的儲(chǔ)運(yùn)和保存溫度，保障食品和藥品的品質(zhì)安全，并且具有成本低廉、安全便捷、直觀顯示、兼容性強(qiáng)和應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢。

　　可見，雖然TTI種類很多，反應(yīng)原理也各有不同，但它們的共同點(diǎn)是都可以通過時(shí)間-溫度累積效應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行指示，使消費(fèi)者可以很方便地通過可視的顏色變化來了解產(chǎn)品的質(zhì)量變化情況。盡管國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)TTI的研究很多，但目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的TTI較少，且主要出現(xiàn)在食品和藥品行業(yè)，這可能是由于 TTI的成本較高，激活不方便或體積過大等問題。尤其是在國內(nèi)，對(duì)TTI的研究還處于科研階段，我國由于現(xiàn)今水平相對(duì)落后，反而具有良好的發(fā)展勢頭，隨著對(duì)科研的投入增大，相信我國TTI的發(fā)展及應(yīng)用一定會(huì)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

　　2.2 新鮮度智能標(biāo)簽

　　新鮮度指示卡的出現(xiàn)源自人們對(duì)健康、新鮮的食物需求的增加，將新鮮度指示卡放在食品包裝中可以在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中實(shí)時(shí)監(jiān)測食品的質(zhì)量變化。食品新鮮度的衰減可能是由于食品暴露在有害環(huán)境中導(dǎo)致微生物生長繁殖或食物中自身的物質(zhì)之間相互發(fā)生反應(yīng)，新鮮度指示卡可以直接提供食物中有關(guān)微生物生長情況或發(fā)生化學(xué)變化的質(zhì)量信息。微生物新陳代謝是食品變質(zhì)的主要原因，食品中腐敗微生物的代謝會(huì)產(chǎn)生許多代謝產(chǎn)物，如有機(jī)酸、揮發(fā)性含氮化合物、生物胺、乙醇、含硫化合物等，大量不同概念的新鮮度指示卡就是根據(jù)這些腐敗微生物的代謝產(chǎn)物會(huì)引起指示標(biāo)簽變色的原理制成的，它反應(yīng)了細(xì)菌的生長和新陳代謝，因此能夠更加真實(shí)地反映食品的品質(zhì)。例如，Vaikousi H等[24]利用乳酸桿菌消耗葡萄糖產(chǎn)生乳酸，使pH發(fā)生改變，產(chǎn)生可視的顏色變化，并將此智能標(biāo)簽用于監(jiān)測冷凍食品的質(zhì)量。Ellouze M等[25]通過研究乳酸菌產(chǎn)生乳酸，對(duì)乳酸的pH值建模，研究出一種特定的新鮮度指示卡。海鮮、肉類等產(chǎn)品的變質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量的揮發(fā)性含氮化合物，大部分用于監(jiān)測海鮮新鮮度的智能標(biāo)簽通過利用電導(dǎo)法[26]、pH值[27]等方法檢測揮發(fā)性含氮化合物(如胺類)的原理制成的。孫媛媛等[28]通過測定了豬肉中揮發(fā)性鹽基氮的含量，研究了一種能夠根據(jù)包裝內(nèi)豬肉的腐敗程度顯示不同顏色的智能標(biāo)簽，用于指示豬肉的新鮮度。

　　還有一類智能標(biāo)簽是通過監(jiān)測包裝中氧氣、二氧化碳或乙烯等氣體的含量來判定果蔬、食物等的新鮮度[29—30]。食物中微生物的生長和果蔬等呼吸作用的主要產(chǎn)物是二氧化碳，因此二氧化碳含量的上升標(biāo)志著食品新鮮度的下降。Jung等[29]根據(jù)在泡菜發(fā)酵過程中乳酸菌生長代謝產(chǎn)生的二氧化碳不斷增高使得包裝的pH迅速降低的原理，制成了表征泡菜新鮮度的智能標(biāo)簽。Nopwinyuwong A等[31]基于pH染色原理制成的可監(jiān)測二氧化碳得智能標(biāo)簽，來實(shí)時(shí)監(jiān)控中等濕度下保存的甜點(diǎn)的新鮮度。果蔬類產(chǎn)品成熟之后會(huì)釋放乙烯氣體，因此通過測定乙烯的含量可以表征果蔬類產(chǎn)品的新鮮度[32]，由新西蘭Enterprises公司開發(fā)的可監(jiān)測乙烯濃度的智能標(biāo)簽可以用來判斷水果的成熟度。此外，附帶能夠監(jiān)測氧氣和二氧化碳濃度智能標(biāo)簽的包裝還可以起到防泄露的作用，正常情況下一些需要密封的包裝或氣調(diào)包裝中都有規(guī)定的氣體比例，一旦包裝出現(xiàn)破損，會(huì)導(dǎo)致氣體的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，因此這類智能標(biāo)簽可以實(shí)時(shí)監(jiān)控包裝的完整性。

　　目前，新鮮度智能標(biāo)簽已在發(fā)達(dá)國家的部分食品中有了商業(yè)化的應(yīng)用，未來用于包裝的智能標(biāo)簽不應(yīng)僅僅是一個(gè)信息載體，還應(yīng)該是一種分析工具，可以用來表征產(chǎn)品的安全性與新鮮度，應(yīng)該將電子學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合起來，以更加智能化的功能來指示產(chǎn)品的新鮮度。

　　2.3 射頻識(shí)別標(biāo)簽(RFID)

　　2.3.1 組成及原理

　　射頻識(shí)別標(biāo)簽由微芯片和微型天線組成，芯片內(nèi)儲(chǔ)存有產(chǎn)品的相關(guān)信息，天線用于發(fā)射信號(hào)，每個(gè)標(biāo)簽都有唯一的編碼。射頻識(shí)別標(biāo)簽與讀寫器、通信和基礎(chǔ)設(shè)施(如局域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等)共同組成射頻識(shí)別系統(tǒng)，其中讀寫器用于發(fā)射無線電信號(hào)和讀寫標(biāo)簽的信息，通信和基礎(chǔ)設(shè)施的作用是把射頻識(shí)別硬件與企業(yè)應(yīng)用聯(lián)系起來，起到橋梁作用[33]。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的磁場時(shí)，讀寫器會(huì)發(fā)出射頻信號(hào)，標(biāo)簽感應(yīng)到這個(gè)信號(hào)后，會(huì)將存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)信息通過天線送給讀寫器，讀寫器接收并處理該信號(hào)后，將其返回給計(jì)算機(jī)等信息系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作。RFID最顯著的2個(gè)優(yōu)點(diǎn)一是標(biāo)簽儲(chǔ)存量大，可以儲(chǔ)存大量的信息，二是可以無接觸遠(yuǎn)距離的傳遞和交流信息，并且可以在運(yùn)動(dòng)中識(shí)別，因此可以提高產(chǎn)品的自動(dòng)識(shí)別效率，方便快捷，可應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境[34]。由于每個(gè)標(biāo)簽都有唯一的 ID，將每個(gè)產(chǎn)品的ID和數(shù)字簽名，以及生產(chǎn)信息、儲(chǔ)存信息、物流及分銷等信息通過一定的手段儲(chǔ)存到RFID標(biāo)簽中，同時(shí)通過中間件或手持讀寫器將這些信息上傳到系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，就可以達(dá)到溯源、防偽等目的。一方面消費(fèi)者可以通過智能手機(jī)或讀寫器終端查詢產(chǎn)品信息，一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題消費(fèi)者可以向上溯源，追溯到產(chǎn)品的銷售、物流、生產(chǎn)廠家等信息流;另一方面，企業(yè)和總銷售點(diǎn)可以向下追溯到產(chǎn)品物流、分銷點(diǎn)和消費(fèi)群體，同時(shí)可以在產(chǎn)品供應(yīng)鏈上防止貨物偷換、竊啟等現(xiàn)象。如此，達(dá)到了產(chǎn)品防偽和企業(yè)、消費(fèi)者的雙向追溯的目的，典型的例子如日本的食品追溯系統(tǒng)、瑞典的農(nóng)產(chǎn)品可追溯管理系統(tǒng)以及顏波等[35]開發(fā)的水產(chǎn)品供應(yīng)鏈可追溯平臺(tái)等。

　　2.3.2 研究及應(yīng)用情況

　　射頻識(shí)別標(biāo)簽是研究最熱門的智能標(biāo)簽之一，從國內(nèi)外文獻(xiàn)情況來看，目前對(duì)于射頻識(shí)別技術(shù)和射頻識(shí)別標(biāo)簽的應(yīng)用在國內(nèi)外均有大量的研究，Nash Ii D等[36]通過實(shí)驗(yàn)研究了物流包裝中RFID標(biāo)簽的移動(dòng)速度、閱讀器位置對(duì)智能標(biāo)簽識(shí)別性能的影響，表明了移動(dòng)速度越快其檢測率越低、標(biāo)簽距離閱讀器水平距離越近，其信號(hào)強(qiáng)度和檢測率越高。Dennard等[37]發(fā)明了一種射頻識(shí)別標(biāo)簽，除了可以直接訪問其中儲(chǔ)存的信息外(這些信息包括產(chǎn)品類型、價(jià)格、聯(lián)系方式等)，還允許用戶從一個(gè)網(wǎng)站實(shí)時(shí)檢索該智能標(biāo)簽中儲(chǔ)存的信息或相關(guān)的服務(wù)。Knepler等[38]介紹了一種用于飲料包裝的RFID標(biāo)簽，它可以用于飲料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和分銷中，可以利用射頻識(shí)別系統(tǒng)監(jiān)測飲料狀態(tài)并將信息發(fā)送到服務(wù)器，來確定飲料是否新鮮。

　　射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)現(xiàn)代物流系統(tǒng)也起到了重要的作用。物流包裝是現(xiàn)代商品不可或缺的部分，作為商品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的末端和物流過程的開始，它在現(xiàn)代物流中起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著物流成本的不斷增加，環(huán)境保護(hù)監(jiān)管力度日趨嚴(yán)格以及包裝技術(shù)的提升，物流包裝在供應(yīng)鏈管理中的角色越發(fā)重要，已成為影響現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)因素之一[39]。將RFID標(biāo)簽應(yīng)用于物流包裝，在收貨和儲(chǔ)存工程中，只要貨物進(jìn)入標(biāo)簽閱讀器的識(shí)別范圍，便可完成貨物的自動(dòng)識(shí)別，并將產(chǎn)品信息、到貨時(shí)間、貨物數(shù)量甚至貨物質(zhì)量狀態(tài)等信息自動(dòng)顯示和儲(chǔ)存，降低勞動(dòng)成本、縮短收貨時(shí)間。在分揀和發(fā)貨過程中，位于發(fā)貨處的閱讀器會(huì)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽，當(dāng)存在錯(cuò)誤或不完整的出貨時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，可以大大提高發(fā)貨準(zhǔn)確性[40]。RFID在物流包裝上運(yùn)用的一個(gè)成功案例之一是我國順豐公司的貨物配送綜合服務(wù)平臺(tái)，它借助于互聯(lián)網(wǎng)、GPS、集合條碼、RFID等技術(shù)的移動(dòng)終端，將貨物的收取、分揀、入庫、出庫等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行信息無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了快遞過程的統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控，提升了配送效率降低了成本，同時(shí)在運(yùn)輸車輛上安裝RFID標(biāo)簽使得運(yùn)輸過程更加透明，車輛管理更加有效。一般來說，在貨物的運(yùn)輸和倉儲(chǔ)階段會(huì)出現(xiàn)RFID標(biāo)簽的密集放置現(xiàn)象，易導(dǎo)致標(biāo)簽之間相互耦合，對(duì)部分標(biāo)簽的讀取造成一定的影響，為解決這一問題，李忠建等[41]分析了RFID系統(tǒng)的前后向鏈路，通過仿真和計(jì)算得出了限制標(biāo)簽讀取的主要鏈路，對(duì)于密集情況下標(biāo)簽的放置位置以及提高標(biāo)簽讀取效率方面有重要的作用。在物流和倉庫管理過程中，貨物數(shù)量會(huì)實(shí)時(shí)變動(dòng)，易出現(xiàn)貨物丟失現(xiàn)象。梁雪萍等[42]提出一種基于迭代識(shí)別的RFID丟失標(biāo)簽快速檢測方法，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)貨物丟失，從而提高整體的檢測效率。

　　同時(shí)，由于RFID標(biāo)簽在使用過程中，其所有權(quán)會(huì)產(chǎn)生多次轉(zhuǎn)移，在這個(gè)過程中由于涉及RFID標(biāo)簽中儲(chǔ)存的新舊所有者信息的替換，普遍存在隱私泄露、數(shù)據(jù)重放等風(fēng)險(xiǎn)，所以在RFID系統(tǒng)建立過程中如何提高流通過程中射頻識(shí)別標(biāo)簽的安全性也是現(xiàn)在的研究重點(diǎn)。Sheetal[43]詳細(xì)介紹了使用射頻識(shí)別標(biāo)簽的安全性問題。Baranowski[44],Gandino[45]等都對(duì)射頻識(shí)別標(biāo)簽的安全性方面提出了解決方案。Qian[46]提出一種新的基于橢圓曲線密碼的RFID安全協(xié)議，提高了RFID標(biāo)簽的穩(wěn)定性，保證了標(biāo)簽的數(shù)據(jù)安全，減少了隱私數(shù)據(jù)泄漏。

　　2.4 發(fā)展趨勢及建議

　　智能標(biāo)簽在包裝中的使用使產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量和安全性，為產(chǎn)品的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售等整個(gè)供應(yīng)鏈，以及消費(fèi)者帶來了極大的方便，增加了產(chǎn)品的可追溯性。盡管相關(guān)技術(shù)已經(jīng)有了廣泛的研究，其應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿薮?，但目前來看，商業(yè)化應(yīng)用較預(yù)期仍然不多，究其原因成本是一個(gè)重要方面。由于智能標(biāo)簽涉及到一些先進(jìn)技術(shù)，具有較高的研發(fā)和制作成本，大約占到整個(gè)包裝成本的50%～80%，甚至更多，但期望是智能標(biāo)簽的成本最終占整個(gè)包裝成本最小部分，因此，未來的研究需要考慮的一個(gè)重要方面，就是智能標(biāo)簽的商業(yè)可行性，使其最終能夠應(yīng)用于日常的包裝商品中。

　　在降低成本的同時(shí)，還應(yīng)有技術(shù)上的要求，要保證用于包裝中的這些智能標(biāo)簽的可靠性與適用性。在現(xiàn)有的大量文獻(xiàn)和研究中可以看出，大部分的時(shí)間-溫度智能標(biāo)簽和新鮮度智能標(biāo)簽利用的都是一些顯色反應(yīng)的基質(zhì)或材料，這些智能標(biāo)簽雖然使用方便但易受到外界溫度、酸堿度等諸多因素的影響，因此結(jié)合電子學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)可特異性檢測產(chǎn)品質(zhì)量的智能標(biāo)簽將是今后智能標(biāo)簽研發(fā)的重點(diǎn)之一。此外，由于產(chǎn)品的供應(yīng)鏈及周圍環(huán)境是復(fù)雜多變的，試驗(yàn)獲得的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相比往往有所差異，在設(shè)計(jì)智能標(biāo)簽時(shí)要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況去改善一些性能，保證其在實(shí)際使用中的適用性。按照現(xiàn)在全球普遍提倡的可持續(xù)性綠色包裝的概念與要求，研究如何促進(jìn)智能標(biāo)簽的可持續(xù)性、可逆性和可重復(fù)利用，也是未來面臨的挑戰(zhàn)之一。

　　3 結(jié)語

　　智能標(biāo)簽作為一種應(yīng)用于包裝的新型技術(shù)，能夠給消費(fèi)者帶來更加真實(shí)的品質(zhì)保證，擁有巨大的市場價(jià)值。在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)有很多種智能標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用，但國內(nèi)的發(fā)展情況是理論研究較多，實(shí)際應(yīng)用情況很少，再加上存在經(jīng)濟(jì)性和適用性等問題，使得目前我國還沒有成熟的商用智能標(biāo)簽，市場上基本沒有附帶智能標(biāo)簽的包裝流通，因此，我國未來的研究需要考慮的一個(gè)重要方面是智能標(biāo)簽的商業(yè)可行性，在理論研究上需要更多的創(chuàng)新思維和方法，使智能標(biāo)簽最終能夠更加安全可靠地應(yīng)用于日常的商品包裝中。