段華偉+湯樹海

高阻隔抗菌包裝技術(shù)是指在食品包裝過(guò)程中，通過(guò)使用抗菌劑和高阻隔性材料，將食品包裝控制在高阻隔和無(wú)菌條件下，不僅能有效抑制微生物和水分的入侵，而且利用抗菌劑能對(duì)內(nèi)部微生物的生長(zhǎng)繁殖起到抑制或滅活的作用，從而有效延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期，提高安全性，同時(shí)減少食品防腐劑的添加，保障消費(fèi)者的健康安全。

為滿足客戶在相關(guān)方面的需求，我公司研發(fā)了一款食品包裝用高阻隔抗菌薄膜，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于食品包裝袋。從客戶實(shí)際應(yīng)用的反饋得知，使用該薄膜制成的食品包裝袋能使食品保質(zhì)期延長(zhǎng)50%～100%，而且不會(huì)對(duì)食品品質(zhì)造成損害，客戶對(duì)此非常滿意。

下面，筆者將對(duì)這款高阻隔抗菌薄膜的制備及抗菌性能分析進(jìn)行詳細(xì)介紹，希望能給同行帶來(lái)更多啟發(fā)。

抗菌劑選擇

添加到食品包裝中的抗菌劑主要有有機(jī)化學(xué)抗菌劑、天然生物抗菌劑和無(wú)機(jī)抗菌劑。其中，有機(jī)化學(xué)抗菌劑具有一定毒性，會(huì)對(duì)人體造成一定危害；天然生物抗菌劑毒性較小，但抑菌效果大多不理想，且成本十分昂貴；無(wú)機(jī)抗菌劑是光譜抗菌劑，屬于離子溶出接觸型抗菌劑，所需濃度較低，但價(jià)格昂貴，且多數(shù)以涂層的形式涂布在薄膜表面，使用壽命較短，與薄膜的相容性不好。

納米MgO不僅是一種具有高吸附力的吸附劑，本身也是一種無(wú)菌抗菌劑。納米MgO極易水合，表面會(huì)因此形成一層Mg（OH）2。溶解在溶液中的氧通過(guò)單電子還原反應(yīng)生成過(guò)氧離子O2-，由于O2-在堿性環(huán)境中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此高濃度的O2-能在MgO表面穩(wěn)定存在，從而對(duì)細(xì)胞膜壁造成破壞，無(wú)需光照即可迅速殺死細(xì)菌。小粒徑MgO的比表面積較大，因此表面OH-濃度較高，在水溶液中產(chǎn)生的O2-濃度也較高，從而增加了O2-與細(xì)菌芽孢之間相互作用的概率，大大提高了MgO的殺菌能力。

表1為5mg納米MgO對(duì)大腸桿菌的定量殺滅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2為納米MgO對(duì)細(xì)菌芽孢的定量殺滅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表3為納米MgO對(duì)金黃色葡萄球菌的定量殺滅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表1～表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，納米MgO對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細(xì)菌繁殖體有著優(yōu)異的抑制和殺滅功能，對(duì)細(xì)菌芽孢也有一定的殺滅作用。

由此可見，納米MgO無(wú)需光照即可有效殺滅細(xì)菌，且物理吸附作用強(qiáng)，不變色，因此筆者將其作為抗菌劑應(yīng)用到高阻隔抗菌薄膜中。

高阻隔性材料選擇

普通聚乙烯（PE）薄膜對(duì)氧氣的阻隔性能較差，解決這一問(wèn)題最為有效的方法就是引入高阻隔性樹脂，筆者選擇的高阻隔性樹脂是乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）。

大量研究表明，EVOH對(duì)氧氣和碳?xì)浠衔锏染哂袃?yōu)異的阻隔性能，因此被廣泛應(yīng)用于聚乙烯基材的阻隔改性中。EVOH是乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）進(jìn)行皂化反應(yīng)或部分皂化反應(yīng)的醇解產(chǎn)物，是一種高度結(jié)晶體，而且EVOH分子中的羥基和分子間的氫鍵具有強(qiáng)烈的鍵合作用，分子間內(nèi)聚力很強(qiáng)，分子鏈堆積程度較高，小分子氣體也難以透過(guò)。

實(shí)驗(yàn)中，筆者所用EVOH是美國(guó)杜邦OH4416，屬于擠出級(jí)。表4為在溫度20℃、相對(duì)濕度65%的條件下，EVOH與其他薄膜氧氣透過(guò)率的對(duì)比。從表4中不難看出，EVOH的氧氣阻隔性是常規(guī)PE薄膜的4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。

EVOH除了對(duì)氣體具有高阻隔性以外，對(duì)油脂也具有高阻隔性，且具有良好的光澤度、透明性、耐候性等。但EVOH具有親水性，易吸水溶解，其阻隔性會(huì)因此明顯下降，但只要將EVOH夾在材料的中間層，減少與水分的接觸，其吸水溶解問(wèn)題就能得到有效解決。

高阻隔抗菌薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高阻隔抗菌效果，薄膜應(yīng)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于EVOH具有親水性，將其放置在內(nèi)層或外層均無(wú)法充分持續(xù)發(fā)揮其高阻隔性能，因此只能將其放置在中間層；而抗菌劑則應(yīng)放置在內(nèi)層，這樣才能充分發(fā)揮其抗菌作用。

因此，高阻隔抗菌薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)應(yīng)為PE/EVOH/PE/EVOH/抗菌PE（如圖1所示），其中，PE層厚度為30μm，EVOH層厚度為20μm，抗菌PE層厚度為20μm，采用雙螺桿五層共擠流延法進(jìn)行生產(chǎn)。

高阻隔抗菌薄膜性能分析

1.抗菌性能

該薄膜的抗菌性能主要由內(nèi)層抗菌PE層保證，其抗菌性能主要與納米MgO的用量及其在PE中的分散性有關(guān)。表5為不同劑量納米MgO制成的抗菌PE膜對(duì)大腸桿菌的殺滅實(shí)驗(yàn)。從中可知，當(dāng)使用3%納米MgO時(shí)，薄膜的大腸桿菌殺滅率可達(dá)99.99%。

2.阻隔性能

由于EVOH具有優(yōu)異的阻隔性能，使薄膜整體達(dá)到高阻隔效果。

從表6可以看出，EVOH層越厚，薄膜的阻隔性能越好。在筆者設(shè)計(jì)的薄膜結(jié)構(gòu)中含有兩層相同的EVOH層，當(dāng)單層EVOH厚度達(dá)到20μm時(shí)，薄膜氧氣透過(guò)率達(dá)到最佳，為0.5ml/（m2？24h？0.1MPa）。

3.其他性能

高阻隔抗菌薄膜除了要具備抗菌性能和阻隔性能以外，還要具備一定的物理性能，如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、熱合強(qiáng)度等。

對(duì)此，筆者進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表7所示。其中，拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040-1992《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》測(cè)試，拉伸速率為5mm/ min，溫度為25℃；撕裂強(qiáng)度按QB/ T 1130-1991《塑料直角撕裂性能試驗(yàn)方法》測(cè)試；熱合強(qiáng)度按QB/T 2358-1998《塑料薄膜包裝袋熱合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)試。endprint