智能指示型标签

林华敏　李彦韦　赵海东　谢轲　孙缪洋　黄少云

导语

食品从生产加工到销售必然要经过物流及仓储环节，很大一部分食品还需要冷链运输和冷库储藏，物流及仓储环节的温湿度、通风、卫生等诸多因素都会对食品的品质及货架期产生影响。例如，温度每升高6℃，食品中腐败微生物生长速度就会翻一倍，相应的货架期缩短一半。随着信息化的高速发展，食品包装在信息时代也已经逐渐向智能化方向发展，智能指示型标签可以随包装应用在食品上，对食品物流及仓储环节的各环境因子进行监控，通过可见的颜色变化给消费者提供食品物流环节温度条件、实时品质等相关信息。

智能指示型标签根据其响应的因子和指示目的的不同，主要包括时间-温度指示标签、检测温度滥用标签、食品新鲜度标签、果品成熟度标签及包装泄漏指示标签等。在欧美等发达国家，一些市场应用的商业化标签产品，已经在食品、药品及农产品的物流包装中发挥了质量管控的积极作用，可谓一类成本低廉、使用便捷的“神器”。以下，笔者将通过部分市场化应用的产品，展現智能指示型标签的功能及应用场景。

技术分类及原理

1.时间-温度指示标签

时间-温度指示标签（Time-Temperature Indicators， TTIs）是一种通过时间-温度积累效应来实时监测和记录食品从制造、储运到销售各环节的温度历史的装置。它可以根据时间温度的变化，模拟食品的变质过程，进而反映食品的品质状态并指示食品剩余货架寿命。其基本原理主要基于酶促反应、物理扩散、化学反应等，通常以机械变形或颜色变化的形式表现为可观察的响应形式。从工作原理上主要分为物理型、化学型和生物型。

2.温度滥用指示标签

温度滥用指示标签是一种监控和记录商品在运输过程中是否经历极端温度环境的装置。它能够有效监控并显示疫苗、药品、化学试剂等对温度要求苛刻的商品在运输过程中是否经历过极端温度变化，从而保障商品的安全性。其基本原理是：指示剂中含有对温度敏感物质，其在某个极低或极高温度范围发生化学反应，进而产生可见的颜色变化，达到温度滥用指示的   目的。

3.新鲜度指示标签

新鲜度指示标签是一种通过与食品储存过程中微生物的代谢产物发生反应而出现相应变化，指示食品新鲜程度的装置。它可以直接监控食品储存过程中的代谢反应，直观、实时地反映食品的真实新鲜程度。其基本原理是利用食品在贮藏过程中产生的某些特征气体与特定试剂产生特征颜色反应、温度激活生物学反应，以及酶作用等引起指示标签变化，从而对食品新鲜度作出判断。根据工作原理主要可以分为O2敏感型、pH敏感型、含氮化合物敏感型、CO2敏感型和H2S敏感型等。

4.成熟度指示标签

成熟度指示标签是一种监测食品成熟过程中的代谢产物，反应食品成熟程度的装置，主要用于果蔬包装。它是以果蔬成熟过程中的代谢产物为监测对象，可以响应与果蔬成熟度相关的特征代谢产物的有无以及浓度高低，以成熟度展现给消费者，为消费者的消费行为提供参考与保障。其基本原理是利用果蔬在成熟过程中产生的某些特征气体与特定试剂产生特定的颜色反应，引起指示标签变色，以判断食品成熟程度。

5.包装泄漏指示标签

包装泄漏指示标签是一种用于MAP包装（气调包装）中，通过监控包装内部气体氛围的变化，检测包装完整性，判断内容物是否变质的装置。它能够检测气调包装的完整性，大大降低了包装在仓储、物流、销售等过程中破损或泄漏所造成的损失。其基本原理主要基于氧气、二氧化碳等气体指示剂检测气体氛围的变化，来间接指示包装的完整性。根据组成气调包装的气体氛围，主要可以分为O2指示标签和CO2指示标签。

1.时间温度指示剂

时间温度指示剂（Time Temperature Indicator，简称TTI），通常是指一种仪器或一种智能标签，可以通过直观的方式（如颜色变化等）指示它经历的时间温度的变化。由于时间温度指示剂可以快速准确地响应时间和环境温度的变化，它被广泛应用在许多对产品环境有严格要求的领域当中，比如食品领域、药品领域等。随着时间温度指示剂不断地发展，越来越多的时间-温度指示剂诞生并投入市场使用，下面将介绍几种功能独特、用途广泛的时间-温度指示剂。

EVIGENCE SENSORS是以色列Evigence Sensors公司研发的TTI标签，它可以通过标签变色显示食品的货架期，让消费者及时获知食品是否变质，以防造成不必要的浪费。该标签的主要功能区是位于中心的绿色圆圈，它是一个时间-温度指示剂，随着时间的推移，圆圈的颜色会逐渐变深，最终变成红棕色，消费者可根据标签的颜色指导自己的购买行为。显而易见，温度越高，标签颜色变化速度就会越快，通过改变圆圈周围比对区的货架期标识即可匹配食品不同物流仓储环境的应用场景。该标签的生产成本较低，可以直接应用到食品包装高速生产流水线上，不需要对现有设备进行过多调整，同时也不会受到光线和紫外线的影响。需要特别指出的是，它可以通过智能手机配合名为SMART DOTTM的APP进行扫描，使消费者获取更多商品信息，增加了包装的交互功能（如图1）。

英国的Insignia Technologies公司研发的Insignia After Opening Freshness Timer Intelligent LabelsTM标签，该产品通过指示标签的变色时间，间接显示包装开启后食品的实时品质，其本质也是一种TTI产品。该标签的核心是一种专用的智能色素，这种色素的颜色可以随环境中CO2浓度和环境温度的变化而发生改变。应用在MAP包装中时，当包装开启前，包装内充满CO2，此时标签呈黄色;当包装被打开后，包装内的CO2释放到空气中，CO2浓度降低，标签感受到这种变化随即被激活。随着开启时间的延长，标签指示区逐渐变为红色，最终变为紫色（如图2），比较标签指示区的实时颜色与比对区的颜色来确定包装的开启时间，以此提醒消费者及时食用。当标签完全变为紫色时，食品已经变质，不能食用。与其他TTI标签产品类似的是，环境温度越高，标签颜色变化越快，通过调整比对区的货架期数据即可适用于不同环境温度下的贮存条件。另外，标签变色快慢可以通过改变色素的含量进行灵活调整，以适应不同种类食品的不同的货架寿命。

英国公司Timestrip的TimestripTM标签是专为冷链运输环境开发的系列产品。这种标签可以应用在不同的温度和不同种类食品的冷链物流中以监测食品实时品质状态。以TimestripTM Food TP252型标签为例，该标签是一种时间-温度指示剂，主要由三部分构成：左侧的激活按钮，中间的开关状态标识，右侧的指示面板（如图3所示）。使用时按下左侧的开关按钮后，中间的标识会显示英文“ON”，表示标签已经被激活。随着时间的推移，右侧的指示面板会逐渐被蓝色填充，蓝色充满指示面板则说明运输的食品流通时间过长，不可被食用。该标签产品可以实时显示食品在冷链运输环境条件下的流通时间，防止因运输时间过长食品腐败变质造成食用中毒。同系列产品还包括TimestripTM Seafood、Timestrip Food 8℃和Timestrip Food 10℃。

2.监测环境温度滥用的标签

物流运输、仓储及销售过程中温度的剧烈变化是影响商品品质的一大因素。对于需要冷链运输的产品如生鲜、疫苗、药物、血液制品等对温度敏感的产品，物流仓储过程中的温度控制极为重要。温度滥用，顾名思义就是产品在以上各环节经历过温度过高或过低的一段时间。如何获知这一时间的长短或确定产品是否曾经暴露在过高或过低的温度下？可以监测环境温度滥用的智能指示标签为我们提供了便利的解决方案。

FCPTM Descending Temperature Indicator是一款监测温度骤降的智能标签。标签中心显示区域初始时呈绿色，当运输或仓储环境温度下降到设定阀值时，显示区域就会变为红色，表明该食品在物流仓储过程中经历过一次温度骤降，而这可能会对食品的品质产生影响。该标签是自激活型，经历温度骤降标签会立即发生不可逆的颜色变化，以此提醒食品物流过程中的温度滥用历史。

除了温度骤降，在实际操作中，温度骤升或温度超出限定范围的信息对于食品流通各环节参与者评估食品品质更为重要。Timestrip公司推出了一款能指示物流仓储环节中温度滥用的标签，它结合了上文提到的FCP Descending Temperature Indicator标签产品以及自身推出的Timestrip PLUS标签技术，通过FCP Descending Temperature Indicator指示物流仓储中温度超出低温阀值的情况（图4右图下部）;通过Timestrip PLUS指示温度超出高温阀值的情况（图4右图上部），两者相结合可以指示该产品在物流仓储环境中是否超出其限定的温度范围。这对于对温度敏感的食品、药品等产品至关重要。例如一款Timestrip Complete 0℃～8℃的标签产品，主要针对药品的冷链运输，用于监测运输仓储环境中的温度滥用，如果实际温度超出0℃～8℃的规定范围，标签即显示出不可逆的颜色变化，为评估药品的安全性和有效性提供依据。

另外一款名为TEMPIX标签也是专为监测温度滥用而开发的产品，它可以结合商品条形码一起使用（如图5）。第一步，先印刷好商品条形码和指示线;第二步，滴加活化剂，将标签激活;第三步，贴上TEMPIX标签。在物流仓储环节如果经历温度滥用（超出规定的温度范围），则TEMPIX标签观察区指示线变得不清晰甚至消失，同时，其附近的条形码也被破坏（图5b）;而当观察区指示线清晰可见，且条形码区域未造破坏，则说明该商品在物流仓储环节未经历温度滥用（图5a）。该标签可以通过调节指示线与条形码区域的距离以适应不同温度要求的食品，同时它适用于-35℃～32℃的不同仓储温度条件。

3.反映食品新鲜度的标签

食品的新鲜程度是影响食品品质、食用安全的重要因素之一。食品新鲜度不仅决定着商品的价格，也是影响消费者购买意愿与食用者健康的关键指标。传统的食品新鲜度检测指标如挥发性盐基氮（TVB-N）、细菌总数（TVC）、感官评价等受限于专业设备和专业技术人员，无法快速得到結果。开发一种简单快捷，无须破坏包装，能实时显示食品新鲜度的技术对于食品流通各环节参与者迫在眉睫，新鲜度智能指示型标签应运而生。

Kao Chimigraf公司的Freshcode新鲜度指示标签，与以往通过时间积累间接指示新鲜度的标签不同，它是通过直接监测包装内食品在货架期及腐败过程中产生的特征气体，基于食品腐败不同阶段所产生特征气体的种类及浓度具有相关性的原理，显示其真实的新鲜度。该款新鲜度指示标签的中心区域印刷了白色智能油墨，这种油墨能够捕捉到气调包装内鸡胸肉腐败过程中释放的挥发性特征气体。随着鸡胸肉腐败程度加剧，腐败所产生的挥发性气体（H2S及胺类物质）不断增多，标签中心指示区域的油墨逐渐改变颜色，消费者通过观察其颜色，即可获知食品的实时新鲜度（如图6）。当指示区域完全变黑时，所包装的食品不再适合食用。该标签产品为消费者提供关于食品新鲜程度的及时可靠信息，一方面可以减少食物的浪费;另一方面通过对食品腐败的精准指示能降低消费者因食用变质肉中毒的风险。

4.反映果品成熟度的标签

为了挑选成熟度合适的水果，以往消费者主要通过观察颜色、触碰硬度、嗅闻气味等方法来加以判断。这不仅令顾客感到麻烦，对水果来说也是一种“折磨”，同时根据个人主观感受不一致也容易会出现偏差。有没有更科学便捷的方法来区分水果的成熟度？研究表明，水果成熟时会释放出挥发性的植物内源激素，而且随着成熟程度的增加，其浓度不断升高。由新西兰园艺标签行业的主要供应商詹金斯集团联合新西兰植物与食品研究所合作开发的ripeSense?标签正是基于水果的这一特性。

RipeSense?标签是世界上第一个水果成熟度智能指示标签（如图7），它能够通过监测水果果实成熟后所产生的特征气体来间接反映其成熟度。当果实坚硬而不成熟时，标签会呈现出原始的红色，这时果肉硬脆;后来标签逐步变成橙色，表示水果已经完全成熟，此时食用最佳;随着时间延长，标签最后会变成黄色，此时表示水果过度成熟，果实软而多汁。通过标签不同的颜色来反映果实不同的成熟阶段，消费者可结合自身需要选择某一成熟度的产品。目前，该指示标签已经应用于猕猴桃、甜瓜、芒果和梨等水果的包装上。

5.指示包装泄漏的标签

包装的完整性对于食品包装至关重要，因为一旦包装发生破损或泄漏，包装外的O2会引起食品氧化而变质，另外，对于MAP包装，包装内填充的利于食品或果蔬存储的工作气体会因为包装泄漏而逸出，这些都将对被包装产品的品质带来影响。Leak Detection IndicatorsTM的标签产品是专为MAP包装设计的泄漏指示标签。当标签随封盖膜置于包装内时，标签指示区域显示初始颜色——黄色，如果包装发生泄漏，即使是针眼造成的缓慢泄漏，标签也会“感知”包装内气氛的变化，进而变为蓝色（图8），即指示该包装发生了泄漏，提醒消费者谨慎购买或销售商对其加以处置。

在国外，功能广泛、效果显著的智能指示型标签已经在食品、药品和农产品的物流、仓储及销售等各个领域得到了广泛的应用，我国在这方面的研究才刚刚起步，一些可见的应用也仅限于高端商品市场，离真正市场化普遍应用还有较远的距离。但是，智能指示型标签在食品品质实时监控、减少食物浪费、保障食品安全等方面的积极作用已经初步显现，同时它具备自带信息、与消费者交互、避免开封检验、快捷便利等诸多优点，相信在不久的将来，随着人们食品安全意识和消费体验欲求的提高，我国也会加大自主研发力度，更多的智能指示型标签也将会走向大众市场。武汉大学校级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S2019217001）

责任编辑：李倩 liqian@cprint.cn