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(華中農業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

食品輕質包裝材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

趙娜,程茜,徐曉云,潘思軼,王魯峰*

(華中農業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

食品輕質包裝材料由于具有運輸成本低,便于攜帶等特性,越來越成為包裝材料的研究重點。本文介紹了活性包裝技術、納米技術和降解技術等幾種前沿的材料技術在傳統(tǒng)輕質包裝材料中的應有,概述了傳統(tǒng)輕質包裝材料的發(fā)展趨勢和發(fā)展前景。

輕質包裝材料,食品,活性包裝,納米,降解

食品包裝是現(xiàn)代食品工業(yè)的最后一道工序,它起著保護商品質量和衛(wèi)生、防止食品原始營養(yǎng)成分流失、延長貨架期、提高商品價值和方便貯運銷售的作用[1]。而食品包裝對于食品安全則有著雙重重要意義：適合的包裝方式和材料可以保護食品不受外界的污染,保持食品本身的水分、成分、品質等特性不發(fā)生改變；包裝材料本身的化學成分會向食品中發(fā)生遷移,如果遷移量超過一定界限,會影響到食品的衛(wèi)生和安全[2]。由此可見,食品包裝已經(jīng)成為食品消費中不可分割的重要組成部分,而食品包裝材料則是食品包裝研究的核心。根據(jù)我國《食品衛(wèi)生法》的定義,食品容器、包裝材料是指包裝、盛放食品用的紙、竹、木、金屬、搪瓷、陶瓷、塑料、橡膠、天然纖維、化學纖維、玻璃等制品和接觸食品的內壁涂料。在關注包裝材料對食品安全問題的影響時,傳統(tǒng)的食品包裝材料如竹、木、金屬、搪瓷、玻璃等因其體積和質量特性,不便于貯藏、運輸和銷售的問題也亟待解決,因此輕質食品包裝材料是未來食品包裝材料的發(fā)展趨勢之一。在紙、塑料、金屬、玻璃材料等四大現(xiàn)代包裝支柱中,玻璃易碎且重,運輸成本高,不便于攜帶；金屬較重且存在有害金屬遷移問題,因此,輕質食品包裝材料將會有較大的發(fā)展前景。食品輕質包裝材料是指體積密度較低的食品包裝材料,如紙、塑料等。隨著包裝材料的高速發(fā)展,紙質和塑料等傳統(tǒng)輕質包裝材料也出現(xiàn)了功能化、安全化的發(fā)展趨勢,本文將介紹的幾種新型輕質包裝材料的特點,探討傳統(tǒng)輕質包裝材料的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

1 輕質活性包裝材料(active packaging material)

根據(jù)歐洲特別研究中心的定義,食品的活性包裝是指通過可改善包裝物條件的體系(通過釋放、排除或抑制物質),來延長包裝物使用壽命、提高衛(wèi)生安全性、改善氣味和口感特性,同時保證其品質不變[3]。目前,活性包裝在食品尤其是肉制品保鮮方面的應用報道的較多,凌靜、荊瑩、張向前等分別對肉制品保鮮中活性包裝技術的應用進行了剖析,展現(xiàn)了活性包裝技術的廣闊應用前景[4-6]。盛娜等[7]研究了脫氧活性包裝對楊梅貯藏的影響,發(fā)現(xiàn)脫氧活性包裝能明顯降低楊梅的腐爛率,延長貯藏期。將活性包裝技術,主要是緩釋技術和控釋技術,運用到傳統(tǒng)的紙質或塑料包裝上,能獲得具有特殊功效的輕質活性包裝材料。

1.1緩釋型活性包裝材料

目前,活性包裝系統(tǒng)主要有兩種形式[8]：一是將活性物質用特制的小袋包裝,再同食品一起置于包裝中發(fā)揮作用,這種方式需另制特制小包,工藝復雜,且有被誤食的危險；二是將活性物質直接通過共混、填充、接枝或涂覆等方式融入包裝材料的體系中(薄膜、標簽等),再通過緩釋起作用。環(huán)糊精是目前已知的一種理想活性物質載體,將各種活性物質包埋進環(huán)糊精中,摻入薄膜等包裝材料中,或是將其在液體溶劑中分散,涂覆在薄膜表面,能使其發(fā)揮活性包裝的作用。

錢亮亮[9]研究發(fā)現(xiàn),肉桂醛經(jīng)β-環(huán)糊精包合后具有緩釋特性,將這種包合物加入到塑料包裝材料中,使之不斷地向食品表面緩慢釋放抗菌劑,能達到氣態(tài)長效殺菌、延長貨架期的效果；AYALA-ZAVALA JF等[10]研究了將迷迭香等精油包合進環(huán)糊精,達到延長鮮切果蔬貨架期的目的。駱揚等[11]介紹了氣相防銹膜,它是由聚乙烯和氣相防銹劑制成的,氣相防銹塑料薄膜包裝金屬可以形成良好的密閉空間,在薄膜阻隔大氣腐蝕介質侵入的同時,膜中含有的氣相緩蝕劑在常溫下持續(xù)緩慢揮發(fā),使密閉的包裝空間始終處于“飽和”狀態(tài),從而達到長期穩(wěn)定的防銹效果,起到保護金屬的目的。

1.2控釋型活性包裝材料

與緩釋技術相比,控釋技術更關注釋放行為和釋放能力,在緩釋功能的基礎上,可以實現(xiàn)活性物質較長時間的遞送,具有對釋放速率的可預測性和重現(xiàn)性,從而有效避免釋放的活性物質濃度過高或過低而導致食品產(chǎn)生異味、變色等系統(tǒng)感官和毒理學問題,增加了系統(tǒng)的有效性和持續(xù)性[12]。

目前,控釋技術主要用于醫(yī)藥領域的給藥系統(tǒng)以便優(yōu)化治療效果,如利用聚合物表面改性技術和藥物控釋技術,將包覆有抗菌劑Nisin、介質pH敏感的殼聚糖水凝膠納米微球嵌入水凝膠層中,利用水凝膠的溶脹和降解作用,實現(xiàn)抗菌劑的控制釋放[13]。該技術在食品領域的應用較少,而其在其它領域展現(xiàn)的優(yōu)越性也使得控釋系統(tǒng)在食品活性包裝中具有廣泛的研究和應用前景。Granda-Restrepo等[14]研究報道多層活性包裝的生育酚傳遞系統(tǒng)有效延緩了全脂奶粉的脂類氧化。Tunc等[15]證明利用控釋系統(tǒng)中香芹酚的低釋放速率能有效抑制香腸表面微生物的生長。

1.3吸附型活性包裝材料

活性包裝材料除了釋放特殊的活性成分到食品環(huán)境中,也可作為帶吸附功能的包裝材料,如吸氧作用,脫除乙烯作用,吸除二氧化碳,除去水分等。凌靜[4]在活性包裝在肉類保藏中的應用中提到目前開發(fā)出的多層脫氧膜,它是將鈀片或鉑片包埋于阻隔層及透氧層之間,也可將葡萄糖氧化酶和乙醇氧化酶固定在包裝膜的內側,或將包裝膜內裝入有機螯合物來達到吸氧的目的。C.Maneerat等[16]將濃度為10%的二氧化鈦懸浮液涂布于聚丙烯薄膜包裝袋的內側然后風干,分布在包裝袋內側的二氧化鈦納米粒對乙烯有很強的吸附作用。楊哪[17]以玉米秸稈中的纖維素為原料,在纖維素薄膜之間夾附改性的纖維素吸水芯材,研制成了食品保鮮吸水薄膜,能降低微環(huán)境的相對濕度。

2 輕質納米包裝材料(nano packaging material)

納米包裝材料是指通過納米技術,將分散相尺寸1～100nm納米顆?；蚓w與其他包裝材料合成或添加制成的納米復合包裝材料,它是通過對包裝材料進行納米合成、納米添加、納米改性,使其具備納米結構、尺度、特異功能的包裝新物性[18]。納米顆粒具備較大的比表面積和小尺寸效應、界面效應、量子效應、量子隧道效應等一系列新的效應,這些特殊的效應使納米材料表現(xiàn)出許多不同于傳統(tǒng)材料的獨特效應。納米技術可以很好地解決天然高分子材料本身形成的食品包裝材料存在機械強度差、阻隔性能差的缺陷,很難推廣應用等上述缺陷[26]。Rohm和Haas開發(fā)的丙烯酸納米復合材料就可顯著提高聚乳酸包裝材料的強度[19]。

2.1保鮮納米包裝材料

目前,納米包裝材料在果蔬保鮮方面的應用見報的較多。納米包裝材料對金針菇、雙孢菇、西蘭花和草莓等果蔬在貯藏過程中的品質有顯著的保鮮作用,能延長果蔬的貯藏時間和貨架期[20-23]。納米材料在果蔬保鮮方面的應用主要是納米二氧化鈦、納米硅氧化物和銀系納米材料[24]。其中,納米二氧化鈦的保鮮機理是其光催化性能將果蔬貯藏中產(chǎn)生的乙烯分解成二氧化碳和水,同時能產(chǎn)生很強的活性自由基使蛋白質變性,迅速徹底地抑制微生物的生長甚至殺死微生物；納米氧化硅顆粒能利用硅氧鍵對二氧化碳和氧氣吸附、溶解、擴散和釋放,調節(jié)膜內外二氧化碳和氧氣的交換量,使袋內環(huán)境中氣體組分達到果蔬保鮮的最佳比例,從而達到保鮮的效果[25]；銀系納米材料具有優(yōu)良的耐熱、耐光和化學穩(wěn)定性,能延長抗菌時間,降解包裝中的乙烯,且不會影響食品的品質或污染食品[26]。

2.2抗菌納米包裝材料

許多應用于保鮮的納米材料兼具抗菌的功效,如銀系納米材料中有一種銀沸石,將其添加到薄膜中制得的包裝材料,能快速完全殺死會引起食物中毒的菌類,這種薄膜可廣泛應用于熟食肉類、水產(chǎn)品和液體食品包裝[27]。曹嬋月[28]指出了一種摻加了特殊納米粘土復合材料的新型抗菌材料尼龍對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等有明顯的殺傷效果,這種納米粘土復合材料不僅抗菌效果好,還能提高薄膜的強度和韌性,可用于生產(chǎn)高檔的食品包裝薄膜。

2.3高阻隔納米包裝材料

包裝材料的阻隔性是指包裝材料或容器防止小分子氣體如氧氣、二氧化碳、氮氣、水蒸氣、香氣及其它有機溶劑蒸汽等透過的能力[29]。由于納米微粒具有獨特的高阻隔性等一系列特性,且納米包裝材料具有較高的彈性、韌性和屈撓度等,在吹塑、壓延、澆鑄、注塑等成型中,表現(xiàn)出較好的加工性能[18],可將其應用到高阻隔包裝材料中。楊中文等[30]利用納米技術及共擠流延的加工工藝,研制出了納米抗菌高阻隔包裝膜,應用于檳榔的包裝,大大改善了檳榔的貯藏品質。劉亦武指出[31],利用原位插層聚合方法與熔體插層復合方法制備的層狀硅酸鹽納米復合材料,能顯著地提高材料的阻隔性,并研究了EVOH/納米SiO2復合膜的力學性能和阻隔性能。

納米材料因粒子直徑小而具有許多普通材料不具備的優(yōu)質特性,但正因為其特性不同于普通大粒徑,納米材料的安全性也越來越受到重視,目前的研究結果表明,納米材料有向食品中遷移的動力和趨勢[32]。另外,有初步的研究數(shù)據(jù)表明納米材料對人類健康和環(huán)境存在潛在的影響[33-34]。納米材料作為一種新的物質形態(tài),其安全性還缺乏系統(tǒng)的研究,關于納米材料的遷移性和毒性的的理論依據(jù)也不夠充分,在納米材料給食品材料業(yè)帶來巨大方便的同時,也應該對納米材料的安全性進行充分的研究,為食品工業(yè)合理應用納米材料提供科學依據(jù)。

3 可降解和可食性包裝材料(degradable and edible packaging material)

可降解材料是指利用新的高分子合成技術在材料的化學結構中引入易分解的基團,易斷裂的化學鍵,易轉移的原子或基團,或分子上連接或整體成分中摻合了一些微生物可吞食的成分或者利用可再生的天然原料制造而成的包裝材料[35]。可降解材料種類很多,本文主要介紹其中已經(jīng)取得良好進展和有研究價值的幾種可降解材料。

3.1生物降解包裝材料

生物降解材料是一種可以在自然存在的微生物,如細菌、真菌劑藻類等的作用下發(fā)生降解的聚合物。根據(jù)來源可以分為包括合成材料和天然材料兩類。由于可生物降解聚合物的性能解決了早期聚合物機械性能較差的問題,且使用后廢棄不會造成對環(huán)境造成污染,因此在現(xiàn)代包裝中其應用越來越普遍[36]。我國的生物降解塑料按原料可分為天然生物降解塑料,微生物合成降解塑料和化學合成生物降解塑料。近3年來,我國在這三種生物降解塑料方面取得了突破性進展。目前我國淀粉全降解塑料(plastic of starch materials,PSM)有效產(chǎn)能已超過10萬t/年[37]。

3.2光和生物雙降解包裝材料

由于光降解材料受環(huán)境(日照和氣候等)影響比較大,變化難以預測,無法控制降解時間,所以目前很少應用。但若將光降解和生物降解技術結合起來,在降解過程中,日光、熱、氧等引發(fā)光敏劑、促氧劑和生物降解增敏劑的光氧化和自氧化作用,使高聚物分子量下降到能被微生物消化的水平,能大大提高降解效率[38]。雙降解材料具有光降解和生物降解的協(xié)調效應,有較大的研究和應用空間。美國的Ecostar International公司和加拿大St.Lawrance公司大都有具有光-生物雙降級性的材料投入生產(chǎn)[39-40],王繼虎[41]在薄膜中添加鐵鹽等光敏劑,結果表明在堆肥條件和實驗室加速老化條件下能夠將聚合物分子斷裂為能被微生物降解的低分子化合物。由于光和生物雙降解材料能彌補單一降解材料的不足,已經(jīng)成為目前世界降解材料的主要開發(fā)方向之一,但是對雙降解材料的研究還有待深入,光降解與生物降解的有效聯(lián)系、光降解到何種程度才能生物降解、微生物是否主動參與光降解之后的生物降解以及光-生物雙降解的時間可控性的問題仍是亟待解決的問題。

3.3可食性包裝材料

可食性食品包裝材料是以食品級可再生資源為原料,通過不同組分之間相互作用形成的具有多孔網(wǎng)絡結構,采用先進的專用設備和工藝制備的一類新型食品包裝材料[19]。它可以有效阻隔食品與微生物的接觸,調節(jié)食品包裝內的微環(huán)境,同時以其易被降解、無環(huán)境污染,可作為營養(yǎng)強化劑、抗菌劑載體等優(yōu)點,已經(jīng)成為食品包裝領域研究的一大熱點?？墒承园b材料采用的主要原料包括多糖、蛋白質、脂肪以及復合原料。近年來,以纖維素醚、淀粉、果膠、海藻酸鈉、明膠、普魯蘭多糖以及這些材料的混合物生產(chǎn)的可食性膜已開始商業(yè)化應用[19]。目前國際上可食性膜的商業(yè)化生產(chǎn)方法主要為溶液流延法,該方法在具有膜透明度好、質地均勻、易于控制等優(yōu)點的同時,也存在能耗高、生產(chǎn)效率低的缺陷,國內外學者對干法擠出制膜進行了探索性研究。瑞典查爾姆斯理工大學的Thunwall教授領導的課題小組以氧化羥丙基淀粉為原料,進行了可食性膜的擠出吹膜研究[42],但膜的機械性能,阻隔性能和穩(wěn)定性還較差。Zullo等[43]采用高直鏈玉米淀粉,以尿素為增塑劑,采用吹膜法制備了全降解食品包裝膜,但未能實現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)吹膜。Padua 等[44]以玉米醇溶蛋白為原料,采用擠出吹膜工藝制備了玉米醇溶蛋白乳清蛋白膜和大豆分離蛋白可食性膜。Krochta等[45]以乳清蛋白為原料,采用擠出流延工藝制備了乳清蛋白可食性膜。因此,擠出制模法將是未來可食性塑料薄膜的主要基礎生產(chǎn)方法。

4 輕質食品包裝材料的發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快,傳統(tǒng)包裝材料對環(huán)境污染的加重,輕便化、高效化和環(huán)?；陌b材料越來越受到重視?；钚约夹g、納米技術將深入應用到傳統(tǒng)的輕質包裝材料中,一大批新型的專用化紙包裝、塑料薄膜包裝、紙-膜復合包裝將應運而生；可降解和可食性包裝材料作為緩解環(huán)境污染問題的關鍵材料,具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌鰞r值,是未來輕質食品包裝材料發(fā)展的趨勢之一。各種包裝材料和包裝技術都有其優(yōu)勢和不足,將幾種材料或技術結合起來或許是未來食品包裝材料的一個重要發(fā)展趨勢。將紙和塑料結合起來制成復合包裝材料,可以彌補紙包裝不防潮和塑料包裝難降解的缺陷；將納米技術應用到天然材料加工的可食性包裝材料中還能很大程度的解決可食性包裝材料性能上的不足,提高其阻氧性,阻水性等；將納米材料應用于光-生物雙降解材料中,能提高包裝材料的降解率?？傊?輕質食品包裝材料正朝著輕便、高效、環(huán)保、復合的方向發(fā)展。

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Development situation and prospects of food lightweight packaging material

ZHAONa,CHENGXi,XUXiao-yun,PANSi-yi,WANGLu-feng*

(College of Food Science & Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Food lightweight packaging material as a hot research spot is becoming more and more significant owing to its characteristics of low transport cost,easy to carry and so on. The article introduced several advanced packaging material technologies which can be applied in traditional packaging materials,such as active package technology,nanotechnology and degradation technology,and expounded the progress trends and development prospect.

lightweight packaging material;food;active packaging；nano；degradation

2013-05-06 *通訊聯(lián)系人

趙娜(1987-)，女，碩士研究生，研究方向：果蔬加工。

湖北省自然科學基金資助(2012FFB02907)。

TS206.4

：A

：1002-0306(2014)01-0363-05