食品轻质包装材料的发展现状与前景

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(华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070)

食品轻质包装材料的发展现状与前景

赵娜,程茜,徐晓云,潘思轶,王鲁峰*

(华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070)

食品轻质包装材料由于具有运输成本低,便于携带等特性,越来越成为包装材料的研究重点。本文介绍了活性包装技术、纳米技术和降解技术等几种前沿的材料技术在传统轻质包装材料中的应有,概述了传统轻质包装材料的发展趋势和发展前景。

轻质包装材料,食品,活性包装,纳米,降解

食品包装是现代食品工业的最后一道工序,它起着保护商品质量和卫生、防止食品原始营养成分流失、延长货架期、提高商品价值和方便贮运销售的作用[1]。而食品包装对于食品安全则有着双重重要意义：适合的包装方式和材料可以保护食品不受外界的污染,保持食品本身的水分、成分、品质等特性不发生改变；包装材料本身的化学成分会向食品中发生迁移,如果迁移量超过一定界限,会影响到食品的卫生和安全[2]。由此可见,食品包装已经成为食品消费中不可分割的重要组成部分,而食品包装材料则是食品包装研究的核心。根据我国《食品卫生法》的定义,食品容器、包装材料是指包装、盛放食品用的纸、竹、木、金属、搪瓷、陶瓷、塑料、橡胶、天然纤维、化学纤维、玻璃等制品和接触食品的内壁涂料。在关注包装材料对食品安全问题的影响时,传统的食品包装材料如竹、木、金属、搪瓷、玻璃等因其体积和质量特性,不便于贮藏、运输和销售的问题也亟待解决,因此轻质食品包装材料是未来食品包装材料的发展趋势之一。在纸、塑料、金属、玻璃材料等四大现代包装支柱中,玻璃易碎且重,运输成本高,不便于携带；金属较重且存在有害金属迁移问题,因此,轻质食品包装材料将会有较大的发展前景。食品轻质包装材料是指体积密度较低的食品包装材料,如纸、塑料等。随着包装材料的高速发展,纸质和塑料等传统轻质包装材料也出现了功能化、安全化的发展趋势,本文将介绍的几种新型轻质包装材料的特点,探讨传统轻质包装材料的发展现状和前景。

1 轻质活性包装材料(active packaging material)

根据欧洲特别研究中心的定义,食品的活性包装是指通过可改善包装物条件的体系(通过释放、排除或抑制物质),来延长包装物使用寿命、提高卫生安全性、改善气味和口感特性,同时保证其品质不变[3]。目前,活性包装在食品尤其是肉制品保鲜方面的应用报道的较多,凌静、荆莹、张向前等分别对肉制品保鲜中活性包装技术的应用进行了剖析,展现了活性包装技术的广阔应用前景[4-6]。盛娜等[7]研究了脱氧活性包装对杨梅贮藏的影响,发现脱氧活性包装能明显降低杨梅的腐烂率,延长贮藏期。将活性包装技术,主要是缓释技术和控释技术,运用到传统的纸质或塑料包装上,能获得具有特殊功效的轻质活性包装材料。

1.1缓释型活性包装材料

目前,活性包装系统主要有两种形式[8]：一是将活性物质用特制的小袋包装,再同食品一起置于包装中发挥作用,这种方式需另制特制小包,工艺复杂,且有被误食的危险；二是将活性物质直接通过共混、填充、接枝或涂覆等方式融入包装材料的体系中(薄膜、标签等),再通过缓释起作用。环糊精是目前已知的一种理想活性物质载体,将各种活性物质包埋进环糊精中,掺入薄膜等包装材料中,或是将其在液体溶剂中分散,涂覆在薄膜表面,能使其发挥活性包装的作用。

钱亮亮[9]研究发现,肉桂醛经β-环糊精包合后具有缓释特性,将这种包合物加入到塑料包装材料中,使之不断地向食品表面缓慢释放抗菌剂,能达到气态长效杀菌、延长货架期的效果；AYALA-ZAVALA JF等[10]研究了将迷迭香等精油包合进环糊精,达到延长鲜切果蔬货架期的目的。骆扬等[11]介绍了气相防锈膜,它是由聚乙烯和气相防锈剂制成的,气相防锈塑料薄膜包装金属可以形成良好的密闭空间,在薄膜阻隔大气腐蚀介质侵入的同时,膜中含有的气相缓蚀剂在常温下持续缓慢挥发,使密闭的包装空间始终处于“饱和”状态,从而达到长期稳定的防锈效果,起到保护金属的目的。

1.2控释型活性包装材料

与缓释技术相比,控释技术更关注释放行为和释放能力,在缓释功能的基础上,可以实现活性物质较长时间的递送,具有对释放速率的可预测性和重现性,从而有效避免释放的活性物质浓度过高或过低而导致食品产生异味、变色等系统感官和毒理学问题,增加了系统的有效性和持续性[12]。

目前,控释技术主要用于医药领域的给药系统以便优化治疗效果,如利用聚合物表面改性技术和药物控释技术,将包覆有抗菌剂Nisin、介质pH敏感的壳聚糖水凝胶纳米微球嵌入水凝胶层中,利用水凝胶的溶胀和降解作用,实现抗菌剂的控制释放[13]。该技术在食品领域的应用较少,而其在其它领域展现的优越性也使得控释系统在食品活性包装中具有广泛的研究和应用前景。Granda-Restrepo等[14]研究报道多层活性包装的生育酚传递系统有效延缓了全脂奶粉的脂类氧化。Tunc等[15]证明利用控释系统中香芹酚的低释放速率能有效抑制香肠表面微生物的生长。

1.3吸附型活性包装材料

活性包装材料除了释放特殊的活性成分到食品环境中,也可作为带吸附功能的包装材料,如吸氧作用,脱除乙烯作用,吸除二氧化碳,除去水分等。凌静[4]在活性包装在肉类保藏中的应用中提到目前开发出的多层脱氧膜,它是将钯片或铂片包埋于阻隔层及透氧层之间,也可将葡萄糖氧化酶和乙醇氧化酶固定在包装膜的内侧,或将包装膜内装入有机螯合物来达到吸氧的目的。C.Maneerat等[16]将浓度为10%的二氧化钛悬浮液涂布于聚丙烯薄膜包装袋的内侧然后风干,分布在包装袋内侧的二氧化钛纳米粒对乙烯有很强的吸附作用。杨哪[17]以玉米秸秆中的纤维素为原料,在纤维素薄膜之间夹附改性的纤维素吸水芯材,研制成了食品保鲜吸水薄膜,能降低微环境的相对湿度。

2 轻质纳米包装材料(nano packaging material)

纳米包装材料是指通过纳米技术,将分散相尺寸1～100nm纳米颗粒或晶体与其他包装材料合成或添加制成的纳米复合包装材料,它是通过对包装材料进行纳米合成、纳米添加、纳米改性,使其具备纳米结构、尺度、特异功能的包装新物性[18]。纳米颗粒具备较大的比表面积和小尺寸效应、界面效应、量子效应、量子隧道效应等一系列新的效应,这些特殊的效应使纳米材料表现出许多不同于传统材料的独特效应。纳米技术可以很好地解决天然高分子材料本身形成的食品包装材料存在机械强度差、阻隔性能差的缺陷,很难推广应用等上述缺陷[26]。Rohm和Haas开发的丙烯酸纳米复合材料就可显著提高聚乳酸包装材料的强度[19]。

2.1保鲜纳米包装材料

目前,纳米包装材料在果蔬保鲜方面的应用见报的较多。纳米包装材料对金针菇、双孢菇、西兰花和草莓等果蔬在贮藏过程中的品质有显著的保鲜作用,能延长果蔬的贮藏时间和货架期[20-23]。纳米材料在果蔬保鲜方面的应用主要是纳米二氧化钛、纳米硅氧化物和银系纳米材料[24]。其中,纳米二氧化钛的保鲜机理是其光催化性能将果蔬贮藏中产生的乙烯分解成二氧化碳和水,同时能产生很强的活性自由基使蛋白质变性,迅速彻底地抑制微生物的生长甚至杀死微生物；纳米氧化硅颗粒能利用硅氧键对二氧化碳和氧气吸附、溶解、扩散和释放,调节膜内外二氧化碳和氧气的交换量,使袋内环境中气体组分达到果蔬保鲜的最佳比例,从而达到保鲜的效果[25]；银系纳米材料具有优良的耐热、耐光和化学稳定性,能延长抗菌时间,降解包装中的乙烯,且不会影响食品的品质或污染食品[26]。

2.2抗菌纳米包装材料

许多应用于保鲜的纳米材料兼具抗菌的功效,如银系纳米材料中有一种银沸石,将其添加到薄膜中制得的包装材料,能快速完全杀死会引起食物中毒的菌类,这种薄膜可广泛应用于熟食肉类、水产品和液体食品包装[27]。曹婵月[28]指出了一种掺加了特殊纳米粘土复合材料的新型抗菌材料尼龙对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等有明显的杀伤效果,这种纳米粘土复合材料不仅抗菌效果好,还能提高薄膜的强度和韧性,可用于生产高档的食品包装薄膜。

2.3高阻隔纳米包装材料

包装材料的阻隔性是指包装材料或容器防止小分子气体如氧气、二氧化碳、氮气、水蒸气、香气及其它有机溶剂蒸汽等透过的能力[29]。由于纳米微粒具有独特的高阻隔性等一系列特性,且纳米包装材料具有较高的弹性、韧性和屈挠度等,在吹塑、压延、浇铸、注塑等成型中,表现出较好的加工性能[18],可将其应用到高阻隔包装材料中。杨中文等[30]利用纳米技术及共挤流延的加工工艺,研制出了纳米抗菌高阻隔包装膜,应用于槟榔的包装,大大改善了槟榔的贮藏品质。刘亦武指出[31],利用原位插层聚合方法与熔体插层复合方法制备的层状硅酸盐纳米复合材料,能显著地提高材料的阻隔性,并研究了EVOH/纳米SiO2复合膜的力学性能和阻隔性能。

纳米材料因粒子直径小而具有许多普通材料不具备的优质特性,但正因为其特性不同于普通大粒径,纳米材料的安全性也越来越受到重视,目前的研究结果表明,纳米材料有向食品中迁移的动力和趋势[32]。另外,有初步的研究数据表明纳米材料对人类健康和环境存在潜在的影响[33-34]。纳米材料作为一种新的物质形态,其安全性还缺乏系统的研究,关于纳米材料的迁移性和毒性的的理论依据也不够充分,在纳米材料给食品材料业带来巨大方便的同时,也应该对纳米材料的安全性进行充分的研究,为食品工业合理应用纳米材料提供科学依据。

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

可降解材料是指利用新的高分子合成技术在材料的化学结构中引入易分解的基团,易断裂的化学键,易转移的原子或基团,或分子上连接或整体成分中掺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装材料[35]。可降解材料种类很多,本文主要介绍其中已经取得良好进展和有研究价值的几种可降解材料。

3.1生物降解包装材料

生物降解材料是一种可以在自然存在的微生物,如细菌、真菌剂藻类等的作用下发生降解的聚合物。根据来源可以分为包括合成材料和天然材料两类。由于可生物降解聚合物的性能解决了早期聚合物机械性能较差的问题,且使用后废弃不会造成对环境造成污染,因此在现代包装中其应用越来越普遍[36]。我国的生物降解塑料按原料可分为天然生物降解塑料,微生物合成降解塑料和化学合成生物降解塑料。近3年来,我国在这三种生物降解塑料方面取得了突破性进展。目前我国淀粉全降解塑料(plastic of starch materials,PSM)有效产能已超过10万t/年[37]。

3.2光和生物双降解包装材料

由于光降解材料受环境(日照和气候等)影响比较大,变化难以预测,无法控制降解时间,所以目前很少应用。但若将光降解和生物降解技术结合起来,在降解过程中,日光、热、氧等引发光敏剂、促氧剂和生物降解增敏剂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]。双降解材料具有光降解和生物降解的协调效应,有较大的研究和应用空间。美国的Ecostar International公司和加拿大St.Lawrance公司大都有具有光-生物双降级性的材料投入生产[39-40],王继虎[41]在薄膜中添加铁盐等光敏剂,结果表明在堆肥条件和实验室加速老化条件下能够将聚合物分子断裂为能被微生物降解的低分子化合物。由于光和生物双降解材料能弥补单一降解材料的不足,已经成为目前世界降解材料的主要开发方向之一,但是对双降解材料的研究还有待深入,光降解与生物降解的有效联系、光降解到何种程度才能生物降解、微生物是否主动参与光降解之后的生物降解以及光-生物双降解的时间可控性的问题仍是亟待解决的问题。

3.3可食性包装材料

可食性食品包装材料是以食品级可再生资源为原料,通过不同组分之间相互作用形成的具有多孔网络结构,采用先进的专用设备和工艺制备的一类新型食品包装材料[19]。它可以有效阻隔食品与微生物的接触,调节食品包装内的微环境,同时以其易被降解、无环境污染,可作为营养强化剂、抗菌剂载体等优点,已经成为食品包装领域研究的一大热点。可食性包装材料采用的主要原料包括多糖、蛋白质、脂肪以及复合原料。近年来,以纤维素醚、淀粉、果胶、海藻酸钠、明胶、普鲁兰多糖以及这些材料的混合物生产的可食性膜已开始商业化应用[19]。目前国际上可食性膜的商业化生产方法主要为溶液流延法,该方法在具有膜透明度好、质地均匀、易于控制等优点的同时,也存在能耗高、生产效率低的缺陷,国内外学者对干法挤出制膜进行了探索性研究。瑞典查尔姆斯理工大学的Thunwall教授领导的课题小组以氧化羟丙基淀粉为原料,进行了可食性膜的挤出吹膜研究[42],但膜的机械性能,阻隔性能和稳定性还较差。Zullo等[43]采用高直链玉米淀粉,以尿素为增塑剂,采用吹膜法制备了全降解食品包装膜,但未能实现稳定、连续吹膜。Padua 等[44]以玉米醇溶蛋白为原料,采用挤出吹膜工艺制备了玉米醇溶蛋白乳清蛋白膜和大豆分离蛋白可食性膜。Krochta等[45]以乳清蛋白为原料,采用挤出流延工艺制备了乳清蛋白可食性膜。因此,挤出制模法将是未来可食性塑料薄膜的主要基础生产方法。

4 轻质食品包装材料的发展趋势

随着现代生活节奏的加快,传统包装材料对环境污染的加重,轻便化、高效化和环保化的包装材料越来越受到重视。活性技术、纳米技术将深入应用到传统的轻质包装材料中,一大批新型的专用化纸包装、塑料薄膜包装、纸-膜复合包装将应运而生；可降解和可食性包装材料作为缓解环境污染问题的关键材料,具有巨大的发展潜力和市场价值,是未来轻质食品包装材料发展的趋势之一。各种包装材料和包装技术都有其优势和不足,将几种材料或技术结合起来或许是未来食品包装材料的一个重要发展趋势。将纸和塑料结合起来制成复合包装材料,可以弥补纸包装不防潮和塑料包装难降解的缺陷；将纳米技术应用到天然材料加工的可食性包装材料中还能很大程度的解决可食性包装材料性能上的不足,提高其阻氧性,阻水性等；将纳米材料应用于光-生物双降解材料中,能提高包装材料的降解率。总之,轻质食品包装材料正朝着轻便、高效、环保、复合的方向发展。

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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 *通讯联系人

赵娜(1987-)，女，硕士研究生，研究方向：果蔬加工。

湖北省自然科学基金资助(2012FFB02907)。

TS206.4

：A

：1002-0306(2014)01-0363-05