从静态到动态：用于食品供应链中新鲜度监测的3D/4D打印指示标签的演变

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：From Static to Dynamic: The Evolution of 3D/4D-Printed Indicator Labels for Freshness Monitoring in Food Supply Chains

　　• 总结了3D/4D打印在指示标签方面相对于传统铸造方法的优点。
• 审视了3D打印标签的制造过程、材料定制以及优化方法。
• 讨论了具有可编程变形性和增强传感功能的4D打印标签。
• 介绍了用于食品监测和基于机器学习的定量传感的3D/4D标签。
• 探讨论了3D/4D标签在精度、安全性和法规方面的挑战。

**引言**
新鲜食品，主要包括蔬菜、水果、肉类和水产品，是人类饮食中维生素、矿物质、优质蛋白质、膳食纤维和各种生物活性物质的重要来源（Gouela等人，2025年）。然而，中国的新鲜食品供应链仍然存在较高的损耗率，尤其是水果和蔬菜，由于它们的呼吸代谢活跃且存储要求较高。因此，减少供应链过程中的新鲜食品损失具有重要的实际价值和理论意义。目前，减少新鲜食品损失的方法包括涂层处理、物理场酶失活、臭氧水浸泡和包装技术（Huang等人，2022年；Ying等人，2024年）。包装技术可以与其他保存方法结合使用，协同延长新鲜产品的保质期，这也是近期食品保存研究的热点之一。传统食品包装的核心功能是通过物理屏障和环境隔离来保持食品质量和延长保质期（Ezati & Rhim，2021年）。这包括防止外部机械损伤以及抑制由光照、湿度和氧气等环境因素引起的食品降解（Kalpana等人，2019年）。为了延长新鲜食品的保质期，包装技术采用气体控制（改良气氛包装，MAP）来减缓呼吸作用（Moun等人，2025年）。同时，含有抗菌剂的包装材料可以提供抗菌性能，从而一定程度上减少食品损失并延缓品质下降过程（Xu等人，2025年；Zhang等人，2022年）。但是，惰性屏障包装的作用仅仅是被动保护，无法实现对包装内新鲜食品新鲜度的实时监测，也无法准确评估食品品质的恶化情况（Li等人，2023年）。在这种研究背景下，智能包装技术应运而生，并逐渐受到越来越多的关注（Yao等人，2024年）。
智能包装作为传统包装向信息化和功能化发展的重要方向，旨在提供关于包装食品品质和环境变化的实时监测信息，从而实现预测性警告，减少食品浪费，并满足消费者对食品安全日益增长的需求（Zhang等人，2023年）。通过整合预测和警告功能，这项技术可以最小化食品损失，并满足消费者对食品安全的更高要求（Wang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。这种包装能够响应来自食品或环境因素的信号，实现对食品的实时监测，并通过接收和发送信息或绑定活性剂来促进信息交流，从而为食品安全管理提供支持（Hou等人，2023年）。目前，数据载体设备、指示标签和传感器是三种主要的智能包装系统。在这三种智能包装系统中，指示标签通常具有低成本、无需外部电源、视觉可读性强和使用方便等优点，使其在快速监测食品品质方面具有很大潜力。目前，制备指示标签的主要方法是溶液铸造。作为主流的标签制备技术，它在结构定制方面存在显著限制。由于依赖现有的模具，这限制了微通道的精确构建、异质孔隙率和材料的三维排列（Huang等人，2021年）。另一方面，3D食品打印技术是一种基于计算机辅助设计的数字制造过程，通过逐层添加材料来制作三维物体。它适用于温和的加工条件，因此适用于对热敏感的材料，并允许精确的材料沉积和剂量控制。此外，数字设计可以构建复杂的几何形状，可能为控制功能的空间分布及其与环境因素的相互作用提供一种新的设计策略，甚至可以增强标签的响应性。这使得传统铸造过程的复杂限制得以克服（Han等人，2025年；Tan等人，2024年）。因此，将3D食品打印技术应用于新鲜食品指示标签的制造过程中具有实际意义。
随着对新鲜食品供应链全流程可视化监测需求的增加，pH响应型指示标签因其低成本、灵敏响应和直观解释等优点而受到了学术界和工业界的广泛关注。现有的综述概述了pH响应型指示标签作为智能包装领域的重要研究方向，主要关注关键问题，如天然色素稳定性的调控和显色范围（Becerril等人，2021年）、基于生物聚合物的载体的构建（Ma等人，2022年）、食品变质过程中pH响应性能的优化以及实验室规模研究向工业应用的转化（Fan等人，2024年；Shao等人，2021年）。近年来，3D/4D打印技术在食品保存中的应用主要集中在几个重要方面，如可食用打印材料的发展、智能响应包装系统的形成（Becerril等人，2021年；Monteroza等人，2025年）、活性剂的精确释放以及向工业界的转化和可持续性（Shi等人，2024年；Shu等人，2026年）。然而，目前的综述主要集中在3D/4D打印技术在食品或智能材料包装中的应用，对其在新鲜度指示标签中的应用总结仍然相对较少。打印设备、打印油墨、标签构造以及监测性能提升之间的关系和技术演变尚未进行全面分析。
为了解决这些限制，本文提出了一种基于技术演变的分析框架，用于3D/4D打印新鲜度指示标签。该框架不是单独描述打印技术或功能材料，而是系统地总结了该领域沿“打印技术–打印油墨–指示标签构造–监测性能优化–食品保存机制–工业应用”发展路径上的关键科学问题和最新进展。讨论了打印过程、材料设计、标签功能之间的协同关系以及未来商业化面临的挑战。这一框架为下一代智能食品监测系统的未来发展提供了全面的视角。

**节选内容**
**3D打印标签：制造、材料定制和优化**
指示标签是一个多组分协同系统，包含载体基质、功能性抗菌剂和pH敏感色素。在通过数字打印生产此类系统时，材料“加工性能”与“最终使用性能”之间的平衡受到工业和最终使用要求的矛盾影响。通过评估其抗翘曲能力，进一步评估了打印标签在加工和处理应力下的机械强度。

**4D打印的演变定义及其在指示标签中的核心特性**
虽然3D打印可以通过结构设计实现食品指示标签的定制化制造，但打印结构在形成后通常保持相对稳定状态，难以根据食品储存环境的变化进行动态调整。因此，引入时间维度，使标签能够对外部刺激作出动态响应，为提高实时监测能力和功能提供了新的机会。

**在肉类和海鲜新鲜度监测中的应用**
目前，许多研究利用3D/4D打印技术制备指示标签，以监测供应链中新鲜食品的新鲜度，并探索其在保质期管理和品质保存方面的潜在应用。详见表2。早期关于智能食品包装和3D打印活性包装的学术研究广泛使用了鱼类、虾类、鸡肉和牛肉作为模型对象，因为这些是海鲜和肉类的腐败指标。

**3D/4D打印指示标签的挑战和未来展望**
尽管3D/4D打印指示标签在实验室研究中显示出在新鲜度监测和活性保存方面的巨大潜力，但它们的实际商业应用仍然有限。当前研究进展与大规模应用之间仍存在明显差距。除了响应精度、材料安全性和打印性能等技术问题外，工业化还面临重大挑战，包括大规模生产、成本控制等。

**结论和未来展望**
总之，3D/4D打印技术为新鲜食品应用指示标签的开发提供了平台，该平台涵盖了材料设计、结构制造和功能调节。传统的铸造方法在构建复杂结构和整合多种功能方面能力有限，而3D打印可以通过数字制造精确控制打印油墨和微结构的空间分布。此外，4D打印技术...

**未引用的参考文献**
Chen等人，2024年；Feng等人，2024年；Huang等人，2024年；Huang等人，2026年；Li等人，2025年；Li等人，2023年；Sahil等人，2025年；Sukhavattanakul和Manuspiya，2021年；Tan等人，2024a；Tan和Choong，2021年；Tan等人，2024b；Tang等人，2024年；Teng等人，2022年；Wang等人，2023年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年。

**利益冲突**
作者声明没有利益冲突。

**作者贡献声明**
朱敬尧：撰写、审阅与编辑、软件；
刘瑞雪：审阅与编辑；
窦子樊：审阅与编辑；
邱新娜：审阅与编辑；
宋瑞毅：审阅与编辑；
黄浩楠：审阅与编辑；
任硕：审阅与编辑；
王志伟：审阅与编辑；
张玉玉：审阅与编辑；
滕秀秀：设计、监督、审阅与编辑；
杨睿：项目管理、监督、资金获取、审阅与编辑。

**竞争利益声明**
所有作者声明没有利益冲突。

**致谢**
本工作得到了中国天津市自然科学基金（23JCZDJC00610）的支持。
朱敬尧 | 刘瑞雪 | 窦子樊 | 邱新娜 | 宋瑞毅 | 黄浩楠 | 任硕 | 王志伟 | 张玉玉 | 滕秀秀 | 杨睿