Application of Agar Based Degradable Food Packaging Film in FoodPreservation

XIAO Jialing，WU Xiaoqiong， TIAN Jun， WEI Yunlu* （College ofLife Sciences and Agri-forestry， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Abstract： Agar， as a natural polysaccharide， has broad application prospects in the field of food packaging becauseof its good gel，film formingand biodegradability.This article provides asystematic overviewof the sources， chemical structures，and physicochemical properties of agar. It elaborates on the clasification and performance advantages of agar based biodegradable food packaging films，and summarizes their specific applications in the preservation of meat，fruits，vegetables，dairy products，and other foods.Theaimis to provide theoretical references for the innovative development of food packaging materials.

Keywords： agar; degradable films; food packaging; food preservation

近年來，塑料污染已成為全球性環(huán)境問題，傳統(tǒng)塑料包裝因其不可降解性，在自然環(huán)境中長期積累，進(jìn)而產(chǎn)生許多負(fù)面影響，如釋放雙酚A、鄰苯二甲酸鹽等有害化學(xué)物質(zhì)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。在此背景下，開發(fā)可降解的環(huán)保型食品包裝材料成為目前食品包裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。生物聚合物因其可再生、可降解和環(huán)境友好等特性，是替代傳統(tǒng)塑料的理想選擇[2]。瓊脂作為一種天然的藻類多糖，具有良好的成膜性、可生物降解性，以瓊脂為基礎(chǔ)制備的可食用薄膜，可在保持食品新鮮度和品質(zhì)的同時(shí)，有效減少塑料的使用量[3。深入探究瓊脂基可降解薄膜的制備、性能及應(yīng)用，對(duì)解決塑料污染問題，滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)保、健康包裝的需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文系統(tǒng)綜述了瓊脂基可降解薄膜在食品領(lǐng)域的研究進(jìn)展，旨在為其進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1瓊脂的來源、結(jié)構(gòu)與基本特性

1.1來源與化學(xué)結(jié)構(gòu)

瓊脂，又稱瓊膠或洋菜，是一種從紅藻類植物中提取的天然親水性多糖類物質(zhì)[4。其來源豐富，且具有獨(dú)特的地域分布特點(diǎn)，主要來源于石花菜屬、江籬屬等廣泛分布于溫帶與熱帶海域的藻類[5]。瓊脂主要由瓊脂糖和瓊脂膠兩部分組成：前者為瓊脂的膠凝組分，是一種中性線性多糖，由D-半乳糖和3，6-脫水-L-半乳糖的重復(fù)單元通過交替的 α_d -（1，3）和 β. -（1，4）糖昔鍵連接而成，因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于制備薄膜和涂料；后者為非膠凝組分，其結(jié)構(gòu)與瓊脂糖類似，但具有分支結(jié)構(gòu)，含有硫酸基、丙酮酸基等帶電基團(tuán)，在工業(yè)生產(chǎn)中通常通過特定工藝將其去除，以獲得膠凝強(qiáng)度更高的產(chǎn)品[3.6-7]。

1.2理化特性

1.2.1 溶解性

在溶解性方面，瓊脂表現(xiàn)出顯著的選擇性和溫度依賴性。其在熱水中極易溶解并分散形成中性溶液，但在冷水中僅呈現(xiàn)吸水膨脹（吸水率可達(dá)20倍）而不溶解，且不溶于無機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑[8。這一溶解特性與其凝膠形成機(jī)制密切相關(guān)，當(dāng)瓊脂在熱水中分散形成溶膠后，在冷卻過程中，瓊脂糖通過雙螺旋結(jié)構(gòu)重組構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 凝膠特性

瓊脂以其獨(dú)特的凝膠特性在食品工業(yè)中備受關(guān)注，其凝膠特性源于其膠凝組分瓊脂糖的獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)，基于分子間的氫鍵作用，其通過雙螺旋結(jié)構(gòu)的自組裝形成三維網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由水分子穩(wěn)定，并通過其外部羥基團(tuán)聚集在一起[。瓊脂的凝膠特性主要表現(xiàn)為熱可逆性（加熱溶解，冷卻凝固）、強(qiáng)凝膠力（在極低濃度下即可形成高強(qiáng)度凝膠且穩(wěn)定[4）及顯著的滯后效應(yīng)（凝固溫度為 32～43C ，融化溫度為 75～90^qC ，差異顯著[）。此外，瓊脂的凝膠強(qiáng)度受其生產(chǎn)工藝及瓊脂糖/瓊脂膠比例的影響。例如，瓊脂的凝膠強(qiáng)度在pH值為 4～10 內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng) pH 值低于4或高于10時(shí)，其凝膠強(qiáng)度會(huì)顯著降低[4]

1.2.3 成膜性

基于瓊脂的凝膠特性，其具有優(yōu)良的成膜能力，可形成透明、柔韌的薄膜。通過將瓊脂溶液涂在高于瓊脂凝膠溫度的鑄造表面，并經(jīng)過干燥處理，瓊脂分子可通過氫鍵相互作用形成連續(xù)且強(qiáng)韌的薄膜網(wǎng)絡(luò)。研究表明，瓊脂薄膜的厚度、斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度等特性受瓊脂濃度的影響[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整瓊脂濃度來控制薄膜的性能，以滿足不同場(chǎng)景的使用需求。

1.2.4 可持續(xù)性與安全性

瓊脂是一種可生物降解的多糖，由其制成的薄膜具備可生物降解特性，符合對(duì)環(huán)境友好的包裝材料的需求[10-11]。同時(shí)，瓊脂具有良好的生物相容性，這使得其制成的薄膜能夠有效與多種生物活性物質(zhì)發(fā)生相互作用，并適合涂覆在食品表面[12]。此外，《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑瓊脂》（GB1886.239——2016）中規(guī)定，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的瓊脂可作為食品添加劑安全應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域。

2瓊脂基可降解食品包裝薄膜概述

2.1瓊脂基薄膜的分類

根據(jù)成分和結(jié)構(gòu)的不同，瓊脂基薄膜可分為單一瓊脂基薄膜和復(fù)合瓊脂基薄膜。單一瓊脂基薄膜僅由瓊脂構(gòu)成，復(fù)合瓊脂基薄膜則將瓊脂與生物聚合物（如殼聚糖、蛋白質(zhì)[13]等）、納米材料、增塑劑（如甘油、山梨醇等）及天然提取物（如精油[1]等）結(jié)合制備而成。研究表明，單一瓊脂基薄膜性能較差，且應(yīng)用范圍受限。在阻隔性方面，其具有較高的水蒸氣透過性和水敏感性，作為阻隔性材料存在一定劣勢(shì)；在機(jī)械性能方面，其具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，但存在較明顯的脆性，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率等指標(biāo)相對(duì)有限。此外，單一瓊脂基薄膜熱穩(wěn)定性相對(duì)較弱，遇水后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，同時(shí)自身不具備顯著的抗菌和抗氧化功能，從而無法有效抑制微生物生長和延緩食品氧化。而復(fù)合瓊脂基薄膜可以有效改善單一瓊脂基薄膜的性能[3]。例如，HUANG等[4] 制備了一系列含有不同量殼聚糖和高嶺石納米管的瓊脂基復(fù)合膜。結(jié)果顯示，當(dāng)向瓊脂基質(zhì)中添加 40% 的殼聚糖和 8% 的高嶺石納米管時(shí)，膜的拉伸強(qiáng)度從 35.03MPa 提升至 48.29MPa ，斷裂伸長率從 14.79% 提升至 22.62% ，且膜的水分吸收、水溶性和膨脹度均降低，透光率均超過 70% 。這表明殼聚糖和高嶺石納米管的協(xié)同作用顯著增強(qiáng)了瓊脂基復(fù)合膜的機(jī)械性能和水穩(wěn)定性，同時(shí)保持了良好的光學(xué)性能。但目前針對(duì)復(fù)合膜的研究還不夠深入，有待進(jìn)一步探索。

2.2 瓊脂基薄膜的性能優(yōu)勢(shì)

根據(jù)瓊脂本身的特性，以瓊脂作為基材的包裝薄膜主要具有安全、良好的光學(xué)性能與加工性能等優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)環(huán)境具有高度友好性。在安全性方面，瓊脂是一種被廣泛認(rèn)可的安全食品添加劑，其制成的薄膜與食品直接接觸時(shí)，不會(huì)釋放有害物質(zhì)，對(duì)人體健康無害，符合食品包裝的安全性要求；在光學(xué)性能方面，瓊脂基薄膜具有較高的光學(xué)透明度，能夠使包裝后的食品保持良好的可見度，從而便于消費(fèi)者直觀地觀察食品的外觀和品質(zhì)；在加工性能方面，基于瓊脂良好的溶解性、成膜性及生物相容性，易制備不同規(guī)格、功能特性的薄膜，以滿足各種食品包裝的需求；在環(huán)境保護(hù)方面，瓊脂基薄膜的生物可降解性使得其能在自然環(huán)境中分解，不會(huì)產(chǎn)生長期污染。同時(shí)，其原料紅藻是一種可持續(xù)生長的海洋資源，減少了對(duì)不可再生資源的依賴。

3瓊脂基可降解食品包裝薄膜在食品保鮮中的應(yīng)用

大量研究表明，瓊脂基薄膜在食品包裝領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的應(yīng)用潛力，能夠有效抑制食品腐敗變質(zhì)，顯著延長肉類、蔬菜和水果等易腐食品的保質(zhì)期。

3.1在肉類食品保鮮中的應(yīng)用

在肉類保鮮領(lǐng)域，瓊脂基可食性薄膜展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。一項(xiàng)研究表明，通過將越橘花青素添加到由大豆分離蛋白、黃原膠和瓊脂組成的復(fù)合基質(zhì)中，成功制備出一系列智能指示薄膜，并將其應(yīng)用于羊肉保鮮[13]。結(jié)果表明，在 4°C 冷藏條件下，與未使用該薄膜包裝的對(duì)照組相比，使用該薄膜包裝的羊肉在10d貯存期內(nèi)pH值上升幅度較小，始終維持在新鮮評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；總揮發(fā)性鹽基氮含量增長緩慢，遠(yuǎn)低于新鮮閾值；總菌數(shù)增長也得到顯著抑制。同時(shí)，該薄膜還具備pH值響應(yīng)性，能隨羊肉品質(zhì)變化引起的pH值改變而發(fā)生顏色變化，從而為消費(fèi)者提供直觀的羊肉新鮮度信息。結(jié)果表明，這些瓊脂基薄膜能夠有效延長羊肉的貨架期并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其新鮮度。此外，相關(guān)研究還制備了含有丁香精油（CloveEssentialOil，CEO）和魚蛋白水解物（ProteinHydrolysate，PH）的瓊脂薄膜，并評(píng)估了其對(duì)比目魚魚片貨架期的改善效果[12]。實(shí)驗(yàn)中，分別用PH膜、CEO膜和對(duì)照膜（未添加活性物質(zhì)）對(duì)比目魚魚片進(jìn)行包裹，于5 °C 下儲(chǔ)存15d，定期檢測(cè)魚片的各項(xiàng)指標(biāo)。結(jié)果顯示，對(duì)照組魚片的pH值和總揮發(fā)性堿氮值上升最明顯，而PH膜和CEO膜處理組的上升較慢，其中CEO膜處理組的pH值最低；PH膜和CEO膜處理組的重量損失高于對(duì)照組；CEO膜能顯著抑制產(chǎn) H₂S 菌、總好氧菌和乳酸菌的生長，而PH膜對(duì)這些微生物也有一定的抑制作用，但效果弱于CEO膜。

3.2在果蔬類食品保鮮中的應(yīng)用

目前，瓊脂基薄膜已在多種果蔬的采后保鮮中取得顯著效果，能夠有效延緩果蔬腐敗變質(zhì)。RHIM等[15]研究了三元生物聚合物水凝膠薄膜（由瓊脂、 κ- 卡拉膠、魔芋葡甘聚糖制成，添加或未添加納米黏土Cloisite $＼textcircled { ＼mathbb { R } } 3 0 ＼mathrm { B }$ ）在菠菜保鮮中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，該三元生物聚合物水凝膠薄膜具有較高的水蒸氣吸附能力，可作為防霧包裝材料應(yīng)用于高呼吸強(qiáng)度的鮮活農(nóng)產(chǎn)品的保鮮，能有效防止包裝內(nèi)水汽凝結(jié)，保持菠菜的新鮮度并減少腐爛變質(zhì)，從而延長其保質(zhì)期。WANG等[采用溶液流延法制備了瓊脂／海藻酸鈉/膠原蛋白（A/A/C）三元復(fù)合膜與添加了銀納米粒子（AgNPs）和葡萄柚籽提取物（GrapefruitSeed Extract，GSE）的A/A/C復(fù)合膜，并評(píng)估了其對(duì)馬鈴薯的保鮮效果。結(jié)果顯示，使用A/A/C復(fù)合膜覆蓋的馬鈴薯包裝表面未出現(xiàn)冷凝水，而聚苯乙烯（Polystyrene，PS）覆蓋的包裝組表面則有冷凝水；儲(chǔ)存10d后，未覆蓋、覆蓋PS薄膜和A/A/C復(fù)合膜的馬鈴薯組表面出現(xiàn)了明顯的綠色，而覆蓋A/A/C-AgNPs和A/A/C-GSE復(fù)合膜的馬鈴薯組綠變程度較輕，其中A/A/C-AgNPs復(fù)合膜覆蓋組在防止馬鈴薯綠變方面更為有效。此外，覆蓋A/A/C-AgNPs復(fù)合膜的馬鈴薯重量損失最少。GUDADHE等[17]通過羅勒葉提取物生物合成銀納米粒子，并將其與瓊脂混合制備成瓊脂-銀納米粒子（A-AgNP）薄膜，涂覆在蘋果和青檸表面以評(píng)估其保鮮效果。研究結(jié)果顯示，涂覆A-AgNP薄膜的水果在9d內(nèi)的重量損失較低，可溶性蛋白含量得以有效保持，保質(zhì)期得以延長。此外，A-AgNP薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌展現(xiàn)出顯著的抗菌活性，其抑菌圈分別為 15mm 和14mm 。這些結(jié)果表明，A-AgNP薄膜能夠顯著提升水果的保鮮效果，并有效延長其保質(zhì)期。

3.3 在乳制品保鮮中的應(yīng)用

瓊脂基薄膜在乳制品保鮮領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力，尤其是在奶酪保鮮中效果顯著。如PAL等[1]采用溶液流延法制備了一種基于瓜爾膠（GuarGum，GG）、瓊脂（Agar-Agar，AA）和蜂蠟（Beeswax，BE）的新型天然多糖基環(huán)保復(fù)合包裝薄膜，用于奶酪保鮮具有良好效果。其性能測(cè)試結(jié)果顯示，與純GG膜相比，GG/AA/BE20（ 50：50） 復(fù)合膜[在共混聚合物GG/AA（ 50：50 ）薄膜中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20% 的BE-甘油組分1的水溶性降低了 66.67% ，水蒸氣透過率降低了 69.28% ，氧氣透過率降低了72.23% ；同時(shí)，該復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提高了 48.32% 和 26.05% 。此外，這種復(fù)合膜能更有效地保持奶酪的水分、質(zhì)地、顏色和pH值穩(wěn)定性，從而將奶酪的保質(zhì)期延長至包裝后兩個(gè)月左右。

4結(jié)語

瓊脂基薄膜作為新型可降解包裝材料，在食品保鮮包裝領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。隨著制備工藝的不斷優(yōu)化，瓊脂基薄膜已在肉類、果蔬類、乳制品等多種食品包裝中得到廣泛應(yīng)用，其憑借安全無毒、光學(xué)性能良好、易加工以及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，為食品保鮮和品質(zhì)維持提供了可靠保障，符合當(dāng)下環(huán)保與健康的發(fā)展需求。然而，單一瓊脂基薄膜在機(jī)械性能和功能性方面仍存在一定的局限性。通過與其他材料復(fù)合制備高性能復(fù)合膜已成為研究熱點(diǎn)，并取得了一定進(jìn)展，但仍需進(jìn)一步深入探索以實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化和規(guī)?；瘧?yīng)用。未來研究可深入探索不同材料的最佳配比與復(fù)合工藝，從而全面提升薄膜的綜合性能，開發(fā)出更安全、環(huán)保、高效的食品包裝材料，推動(dòng)食品包裝行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

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