По пунктам:
- Что такое умная пищевая упаковка?
- Из чего может состоять интеллектуальная часть такой упаковки?
- Как датчики и индикаторы сообщают информацию потребителю?
- Есть ли проблемы с использованием умных упаковок?
- И как их решает 3D-печать?
- Так как все-таки печатают интеллектуальные элементы упаковки?
- А что будет дальше?
Что такое умная пищевая упаковка?
Потребители не всегда правильно считывают сроки годности продуктов и часто относятся к товарам с недоверием: боятся, что продукт могли подделать, он неправильно хранился, например — размораживался и замораживался по несколько раз. И наконец, их просто не устраивает цена. Умная интеллектуальная упаковка создана как раз для того, чтобы решить эти проблемы: с помощью встроенных датчиков и индикаторов она контролирует свежесть продуктов, свою целостность, а также изменения окружающей среды и среды внутри себя. А электронные метки на упаковке могут либо гарантировать подлинность товара, либо помогать отслеживать местоположение продукта.
Из чего может состоять интеллектуальная часть такой упаковки?
1. Датчики, которые следят за изменениями во внешней среде. Если температура или давление меняются, они преобразуют эту информацию в электронные сигналы. Так можно отслеживать условия хранения и герметичность упаковки.
2. Индикаторы, которые под воздействием электрохимических стимулов меняют цвет. Например, если упаковка должна быть герметичной, устройство сработает на основные компоненты атмосферы (углекислый газ, азот, кислород), которые могут проникнуть внутрь только при разрыве оболочки или повреждениях банки. Также такие индикаторы способны реагировать на выделяемые бактериями газы.
3. Биосенсоры, реагирующие на клеточные компоненты микроорганизмов.
4. Электронные метки (RFID), состоящие из антенны и микрочипа: они могут светиться или передавать данные на считывающие устройства. Их используют для отслеживания местонахождения товара или информирования покупателя о составе продукта, производителе и т.д.
2. Индикаторы, которые под воздействием электрохимических стимулов меняют цвет. Например, если упаковка должна быть герметичной, устройство сработает на основные компоненты атмосферы (углекислый газ, азот, кислород), которые могут проникнуть внутрь только при разрыве оболочки или повреждениях банки. Также такие индикаторы способны реагировать на выделяемые бактериями газы.
3. Биосенсоры, реагирующие на клеточные компоненты микроорганизмов.
4. Электронные метки (RFID), состоящие из антенны и микрочипа: они могут светиться или передавать данные на считывающие устройства. Их используют для отслеживания местонахождения товара или информирования покупателя о составе продукта, производителе и т.д.
Как датчики и индикаторы сообщают информацию потребителю?
1. Изменение цвета
Колориметрические датчики состоят из твердой подложки и нанесенного на нее красителя. Он меняет цвет в присутствии газов, которые выделяют микроорганизмы в испортившихся продуктах, или под воздействием компонентов окружающей среды.
Аналогично работают датчики температуры или давления. При нагреве, охлаждении или нажатии содержащееся в индикаторе вещество деформируется или преобразуется, из-за чего меняется цвет или положение метки. Например, на таком принципе основаны разработанные в ИТМО индикаторы повышения температуры из углеродных точек на основе наноцеллюлозы.
Еще один пример — биосенсоры. Эти устройства состоят из чувствительного элемента, содержащего вещество биологического происхождения, которое способно реагировать с микроорганизмами или их выделениями, а также преобразователя, который трансформирует сигнал реакции в свет.
2. Тактильные ощущения
Существуют этикетки, которые при реакции с газами меняет свою фактуру — например, становятся шероховатым.
3. Данные
На упаковку могут быть нанесены электронные метки, передающие при помощи технологии NFC информацию о производителе и составе продукта, а при помощи GPS — данные о местоположении. Кстати, недавно ученые ИТМО предложили более дешевый и эффективный метод создания таких меток.
Еще один способ — уникальные скрытые рисунки, которые создаются «невидимыми» чернилами или случайной генерацией: например, с помощью лазера и наночастиц кремния или голографии.
Колориметрические датчики состоят из твердой подложки и нанесенного на нее красителя. Он меняет цвет в присутствии газов, которые выделяют микроорганизмы в испортившихся продуктах, или под воздействием компонентов окружающей среды.
Аналогично работают датчики температуры или давления. При нагреве, охлаждении или нажатии содержащееся в индикаторе вещество деформируется или преобразуется, из-за чего меняется цвет или положение метки. Например, на таком принципе основаны разработанные в ИТМО индикаторы повышения температуры из углеродных точек на основе наноцеллюлозы.
Еще один пример — биосенсоры. Эти устройства состоят из чувствительного элемента, содержащего вещество биологического происхождения, которое способно реагировать с микроорганизмами или их выделениями, а также преобразователя, который трансформирует сигнал реакции в свет.
2. Тактильные ощущения
Существуют этикетки, которые при реакции с газами меняет свою фактуру — например, становятся шероховатым.
3. Данные
На упаковку могут быть нанесены электронные метки, передающие при помощи технологии NFC информацию о производителе и составе продукта, а при помощи GPS — данные о местоположении. Кстати, недавно ученые ИТМО предложили более дешевый и эффективный метод создания таких меток.
Еще один способ — уникальные скрытые рисунки, которые создаются «невидимыми» чернилами или случайной генерацией: например, с помощью лазера и наночастиц кремния или голографии.
Есть ли проблемы с использованием умных упаковок?
Сегодня интеллектуальные компоненты умной упаковки изготавливают с помощью струйной, гравюрной и трафаретной печати. Но эти методы обладают недостатками, в том числе высокой стоимостью, в то время как потребительские опросы показывают, что люди не готовы переплачивать больше 10 % от старой цены за стоимость продукта в новой, умной упаковке.
Поэтому исследователи разрабатывают новые методы производства интеллектуальных компонентов упаковки. Один из них — 3D-печать датчиков, индикаторов и электронных меток. Таким образом в упаковку может быть встроено сразу несколько элементов, при этом более чувствительных, чем традиционные аналоги.
Поэтому исследователи разрабатывают новые методы производства интеллектуальных компонентов упаковки. Один из них — 3D-печать датчиков, индикаторов и электронных меток. Таким образом в упаковку может быть встроено сразу несколько элементов, при этом более чувствительных, чем традиционные аналоги.
Как эти проблемы решает 3D-печать?
В отличие от традиционных методов, такая печать позволяет создавать более легкие и сложные детали. Она одноэтапна и практически полностью автоматизирована. К тому же 3D-принтеры способны создавать единые системы из разных материалов и не требуют дорогого дополнительного оборудования. Вдобавок, чернила для 3D-печати могут быть представлены совершенно разными материалами: металлы, полимеры, оптически, электрически или магнитно активные частицы, наночастицы, биосовместимые материалы (хитин, нанофибриллы и нанокристаллы целлюлозы) и биоразлагаемые смолы.
Так как все-таки печатают интеллектуальные элементы упаковки?
Есть два метода: стереолитография и 3D-печать на основе экструзии.
1. Стереолитография
Это процесс 3D-печати, при котором смесь жидкого полимера и фоточувствительных добавок подвергают точечной фотополимеризации (застыванию под действием света — как правило, ультрафиолетового излучения). Для создания трехмерной формы емкость со смесью перемещают относительно лазерного луча — или наоборот. Такой метод подходит для создания небольших предметов с высокой детализацией.
2. 3D-печать на основе экструзии
При этом методе на платформу через сопло или иглу послойно наносят вязкий раствор, расплав или пасту: новый слой склеивается со старым и быстро затвердевает. Так же, как в случае со стереолитографией, либо распыляющая головка движется относительно платформы, либо наоборот. С помощью экструзионной 3D-печати можно печатать системы, состоящие из разных материалов, однако процесс занимает много времени.
1. Стереолитография
Это процесс 3D-печати, при котором смесь жидкого полимера и фоточувствительных добавок подвергают точечной фотополимеризации (застыванию под действием света — как правило, ультрафиолетового излучения). Для создания трехмерной формы емкость со смесью перемещают относительно лазерного луча — или наоборот. Такой метод подходит для создания небольших предметов с высокой детализацией.
2. 3D-печать на основе экструзии
При этом методе на платформу через сопло или иглу послойно наносят вязкий раствор, расплав или пасту: новый слой склеивается со старым и быстро затвердевает. Так же, как в случае со стереолитографией, либо распыляющая головка движется относительно платформы, либо наоборот. С помощью экструзионной 3D-печати можно печатать системы, состоящие из разных материалов, однако процесс занимает много времени.
А что будет дальше?
Несмотря на преимущества 3D-печати, она все равно проигрывает 2D-методам при создании электронных элементов: интегральных схем, антенн, транзисторов, электродов и так далее. Поэтому ученые предполагают, что сочетание 3D- и традиционных методов печати позволит создавать гибридные умные пищевые упаковки как цельную, а не сборную систему. Предполагается, что это сделает процесс их производства дешевле и ускорит их внедрение на рынок.
Материал подготовлен по обзорной статье ученых химико-биологического кластера SCAMT: Chantal Tracey, Aleksandra Predeina, Elena F. Krivoshapkina, Eugenia Kumacheva, A 3D printing approach to intelligent food packaging (Trends in Food Science & Technology, 2022).
