《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Bio-based gas-responsive food packaging: From dynamic microenvironment regulation to real-time freshness monitoring
编辑推荐：
摘要背景全球粮食浪费主要源于食物变质，其规模几乎占全球粮食总产量的三分之一。与此同时，传统的石油基塑料以及全氟和多氟烷基物质会给环境和健康带来严重威胁。为应对这些挑战，可生物降解且不含氟的生物基包装材料逐渐成为可持续的替代方案。食物变质过程中会产生一些特征气体（如二氧化碳、氨气、
摘要
背景
全球粮食浪费主要源于食物变质，其规模几乎占全球粮食总产量的三分之一。与此同时，传统的石油基塑料以及全氟和多氟烷基物质会给环境和健康带来严重威胁。为应对这些挑战，可生物降解且不含氟的生物基包装材料逐渐成为可持续的替代方案。食物变质过程中会产生一些特征气体（如二氧化碳、氨气、乙烯等），这些气体可作为判断食物新鲜度的指标。这一现象推动了气体响应型食品包装的发展，这类包装能够实现实时新鲜度监测并与主动保鲜功能相结合，为减少粮食浪费、替代传统塑料包装提供了有效途径。
研究范围与方法
本综述研究了生物基气体响应型食品包装领域的最新进展。不同于传统的描述性综述，本文分析了壳聚糖、纤维素、海藻酸盐等可再生生物聚合物的结构与功能关系，同时还评估了气体响应型包装的设计策略，并提出了一种多维度性能评价体系，该体系涵盖了传感性能、可生物降解性以及是否符合相关法规标准等方面。
主要发现与结论
食物在储存过程中变质时会产生特征气体，这些气体可用于监测新鲜度并实现对环境条件的调控。将主动保鲜功能与智能监测功能相结合，能够实现实时质量监控，从而延长食品的保质期。不过，由于材料稳定性、大规模生产以及法规审批等方面的限制，目前大多数相关系统仍处于实验室阶段。本文提出了未来的研究方向，包括建立统一的性能评价标准、开发具备可扩展性和成本效益的生产工艺，以及设计闭环式的可持续材料，以推动这类技术向实际应用转化。总体而言，本综述为开发先进的、环境友好的生物基气体响应型食品包装系统提供了全面的参考依据。
引言
根据联合国粮食及农业组织发布的《粮食及农业状况报告》，全球约有14%的粮食在进入零售商手中之前就在供应链各环节丢失；而联合国环境规划署的《粮食浪费指数报告》显示，还有约17%的粮食在零售、餐饮以及家庭消费环节被浪费。这些损失加起来几乎占了全球粮食总产量的三分之一，其中食物变质、霉菌滋生以及产品品质下降是主要的造成因素（Ahmed等人，2022年）。食品包装在食品供应链中起着至关重要的作用，它能够保护食品、延长保质期、提供产品信息，同时也有助于食品的储存和运输。然而，传统的石油基塑料包装由于其不可降解的特性，给环境带来了严重问题（Meng等人，2024年；Mu等人，2025年）。因此，许多国家都出台了塑料禁令或限制措施，以减少传统塑料的使用。此外，制造商也因为全氟和多氟烷基物质出色的防水防油性能，而广泛将其用于食品包装中。但这类物质会在环境中持续存在，在人体内积累，对环境和人类健康都会造成长期危害（Curtzwiler等人，2021年；Phelps等人，2024年；Ye等人，2024年）。当前全球范围内针对全氟和多氟烷基物质制定的监管政策，进一步凸显出需要替代含氟物质的紧迫性。正因如此，可生物降解且不含氟的生物基包装材料便成为了极具前景的替代方案。
生物基包装材料源自壳聚糖、纤维素、海藻酸钠等可再生资源。这类材料具有可生物降解且环保的特点，因为在适当的处理条件下，微生物就能够将其分解。正是基于这些特性，生物基材料有望成为传统塑料食品包装的理想替代品（Enriquez-Medina等人，2024年；Huang & Wang，2025年；Mishra等人，2024年；Zhao等人，2024a、2024b）。不过，现有的传统食品包装技术，比如添加防腐剂、使用防护涂层、进行辐照处理、采用冷藏以及真空包装等方法，主要只能起到被动的物理阻隔作用。而且，其中一些技术还可能对人类健康和环境造成不良影响，同时也无法对食品品质的变化做出动态响应或监测。正因如此，智能食品包装材料越来越受到关注（Zhan等人，2025年）（见图S1）。这类先进材料兼具主动功能和智能功能，能够实现食品品质的实时监测，并根据监测结果做出相应反馈，从而帮助延长食品的保质期（Han等人，2018年；Khan等人，2024年）。
食品在储存过程中会经历复杂的生化反应，而这些反应往往伴随着特征气体的产生和消耗。例如，水果和蔬菜的呼吸作用会消耗氧气并产生二氧化碳（Lee，2016年）。富含蛋白质的食品在变质时会释放氨气，而水果和蔬菜的成熟过程则会产生乙烯，乙烯会进一步加速它们的成熟和衰老进程（Qiao等人，2021年）。此外，有些食品在储存过程中还会释放含硫化合物（He等人，2023年）。这些特征气体的浓度与食品的新鲜度密切相关，因此它们可以作为关键的信号分子，用于精准地监测和控制食品的变质情况。智能包装主要侧重于对食品品质的监测和感知，而主动包装则旨在调节包装内部的环境条件。气体响应型包装属于智能包装或主动包装的一种特殊类型，它能够对特定的气体信号作出反应，通过产生可检测的输出或者调节包装内的微环境来实现相应的功能。将智能功能和主动功能结合起来，就能够同时实现环境调控和新鲜度指示。
目前关于刺激响应型食品包装的综述文章，大多是根据刺激类型，如pH值、湿度、温度或酶类，对不同的包装系统进行分类，并总结其制作方法和保鲜效果。不过，这类综述对于目标气体与包装材料之间的内在化学相互作用机制阐述得比较有限。此外，还有一些综述是从制造技术和材料功能的角度来总结生物基智能包装的，但这些研究未能明确说明二氧化碳、挥发性胺类、乙烯等特征气体信号与食品生理代谢之间的关联。为弥补这些不足，本综述采用了独特的视角，系统地整合了三个核心要素：生物基基底材料、气体响应型相互作用机制以及实际的性能评价标准。以往的综述并未系统地探讨过这种综合分析框架。具体来说，本综述首先介绍了用于气体传感以及调节包装微环境的主要生物基基质和功能性响应剂。接着，本文探讨了针对二氧化碳、挥发性胺类、乙烯等典型标志气体的响应机制，并说明了它们与食品呼吸作用、微生物生长以及食品变质进程之间的关系（见表1）。同时，本文还对比分析了不同包装设计策略的应用场景、优势以及固有的局限性（见图1）。最后，本综述总结了生物基气体响应型包装在食品保鲜领域实际应用中面临的现有挑战以及未来的研究方向。这些研究成果有望为设计能够响应食品变质气体的智能、可持续包装系统提供重要指导，同时也有助于推动绿色、智能的食品保鲜技术的发展。
章节节选
核心生物基原材料及其特性
作为食品包装行业的一项新兴技术，生物基气体响应型食品包装在很大程度上依赖于核心生物质原材料的选择与合理设计。根据其在材料设计中的作用，这些原材料可以分为三类：第一类是基质材料，它们能为包装提供必要的机械强度和结构稳定性；第二类是功能性响应材料，它们能够赋予包装特定的性能，比如抗菌、抗氧化作用，以及气体响应功能
针对特定气体的响应系统机制与构建方式
在运输和储存过程中，食品会受到多种气体因素的影响，包括氧气、二氧化碳、挥发性胺类以及含硫化合物。当这些气体的浓度超过预设阈值时，它们就可以作为响应信号，触发活性物质的释放，或者调节包装内的气体成分，从而保持食品的品质。本节将探讨这些响应机制的原理
核心性能评价体系
要想让生物基气体响应型智能主动食品包装从实验室研究走向实际应用，开展系统化、多维度的性能评价就显得十分必要。本节构建了一个涵盖四个维度的全面性能评价框架，这四个维度分别是环境可持续性、功能性能、实际应用性能以及适用性，每一个维度都与相应的工业应用价值以及决策需求有着紧密的联系
面临的挑战
生物基气体响应型智能主动食品包装的最大优势在于它融合了环境可持续性、智能传感以及主动保鲜功能。与其他类型的智能主动包装相比，这类系统不仅能够直观地监测食品的变质标志，还能通过内置的抗菌和抗氧化成分主动延长食品的保质期。此外，由于使用了可再生且可生物降解的材料，这类包装还具有其他优势
作者贡献声明
陶瑞婷：概念构思、可视化处理、初稿撰写。
欧阳晨瑞：概念构思、可视化处理。
王江波：数据收集与研究工作。
叶宇航：概念构思、项目监督、论文审阅与修改。
蒋少华：论文审阅与修改、项目监督。
韩晓帅：概念构思、资金申请、项目管理、项目监督、论文审阅与修改。
致谢
我们感谢中国国家自然科学基金提供的支持（项目编号：32301518）。
Ruiting Tao|Chenrui Ouyang|Jiangbo Wang|Yuhang Ye|Shaohua Jiang|Xiaoshuai Han
中国江苏省森林资源高效加工利用协同创新中心、国际林化材料创新中心，南京林业大学材料科学与工程学院，南京，210037，中国
