生鲜食品气调包装新型材料的研究进展

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(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

生鲜食品气调包装新型材料的研究进展

赵珂,焦文晓,姜微波*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100083)

在过去的几年中,生鲜食品的消费量随着人们对其营养品质的认识提高而日益增长。为了适应这种趋势,除了增加产量以外,发展有效的采后贮藏、包装技术是一种重要的解决途径。气调包装是生鲜食品最适宜的包装技术之一,具有延长货架期、保存及稳定新鲜食品的性能,并且使产品方便运输与售卖。影响气调包装的因素有很多,主要有生鲜食品的种类、贮藏温度与湿度、气体成分以及包装材料的特点。本文总结了近年来有关气调包装新型材料的研究进展,着重介绍了抗氧化活性膜、纳米保鲜膜及生物可降解膜的最新研究,以期推动气调包装的应用与发展,为满足消费者的需求,研究出高品质的、环境友好的、成本低的新型气调包装提供依据。

气调包装,生鲜食品,新型材料

Abstract:In the past few years,with people’s cognition of their nutritional function the consumption of fresh and fresh-cut produces has increased sturdily. In order to adopt to this trend,it is an important way to develop effective post harvest storage and packaging technology,in addition to increasing production. Modified atmosphere packaging(MAP)possesses a potential to become one of the most appropriate technologies,it has advantages of extending the shelf-life,preserving or stabilizing the desired properties of fresh produces,and convenience in handing and distribution. The success of MAP-fresh foods depends on many factors including types of fresh foods,storage temperature and humidity,gas composition,and the characteristics of package materials. This paper reviewed the recent developments highlighting the antioxidant active film,the nano packaging film and the biodegradable film. Although the innovations and development of food packaging technology will continue to promote the development of novel MAP,concentrated research and endeavors from scientists and engineers are still important to the development of MAP that focuses on consumers’ requirements,enhancing product quality,environmental friendly design,and cost-effective application.

Keywords:modified atmosphere packaging;fresh foods;new materials

气调包装是一种用于延长生鲜或微加工食品货架期的技术[1]。它是通过改善包装产品正常的气氛条件,从而达到增加食品保质期的目的[2]。生鲜食品与其他食品相比,具有更高的呼吸率及水活性,因此更易发生质量恶化,且保质期短,因此使用气调包装成为理想的选择。

生鲜食品包装中的有益环境条件,如氧气、二氧化碳和相对湿度等因素,取决于包装内设定气氛、生鲜食品的采后生理(如呼吸强度)、聚合物薄膜对水蒸气和气体的渗透性及包装的质量(如泄露)等,因此除去气调包装传统材料外,向其中添加功能性成分,如抗氧化性物质等对各种类型的生鲜食品在采后的贮运与销售起到至关重要的作用[3]。因此,近年来气调包装新型材料的研究越来越被重视,虽然这些新型材料远不能替代传统气调包装材料,但它们在这一领域的应用很有前景,且较传统材料具备更多优良特性。本文总结了抗氧化活性膜、纳米保鲜膜和生物可降解膜的相关性能的最新研究进展,另外,也讨论了气调包装未来的发展趋势与方向。

1 生鲜食品传统包装材料

目前市场出售的用于生鲜食品的保鲜膜主要是一些一种或多种由石油提炼而来的聚烯烃类物质,由于其具备多种生鲜食品所需的性能因此被广泛使用。其中,聚乙烯是生鲜食品包装中用量最多的单聚合物,其惰性极强,在正常条件下没有危害[4]。乙烯基聚合物是另一种乙烯基单体聚合成的塑料多聚体,在食品包装中多用于制备液体的瓶子、新鲜果蔬或鸡蛋的托盘等。除此之外,聚酯工业约占全世界聚合物产量的18%,虽种类较多,但聚酯大多用来指PET[4]。表1中列举了常见食品气调包装材料的性能[4-7]。

表1 常见食品气调包装材料性能对比Table 1 Contrast on performance of common food modified atmosphere packaging materials

注:水蒸气透过率是在37.8 ℃和90%RH条件下测定,O2渗透率和CO2渗透率是在22～25 ℃和膜厚度为0.0254 mm条件下测定。

根据食物类型的不同来选择适宜的气调包装是十分重要的。贾晓辉等研究了5种不同包装材料对库尔勒香梨采后生理及贮藏品质的影响,得出采用0.04 mm PE袋或0.04 mm PVC袋能得到较好保鲜效果[8]。何萌等利用3种不同PE袋对鲜切马铃薯进行贮藏保鲜,得到PE2型材料能够延缓组织内丙二醛(MDA)的积累,包装内O2和CO2更易于达到平衡,有效抑制褐变及呼吸速率的加剧[9]。选择何种气调包装涉及多种因素,除去薄膜包装材料自身性能和生鲜食品本身特点之外,还由食品放置空间的温度、湿度、空气成分以及是否需要长途运输、运输方式等共同决定。

近年来,新鲜、营养、安全、方便和无公害的生鲜食品受到全世界消费者的青睐,虽然使用传统的塑料薄膜包装有利于保持生鲜食品的良好品质,但随着生鲜食品内部呼吸强度增加,长时间的无氧呼吸会使生鲜食品发生病变,带来不利影响[10]。但无论是从传统气调包装的成本、现有的工业技术,还是它自身的特性来说,传统材料的优势都是现阶段无可替代的。

2 新型包装材料

2.1 抗氧化活性膜

氧化反应是生鲜食品的一个重要的降解反应,它严重地限制了食物的货架期并且降低了食物的营养品质(如维生素、脂肪酸等被破坏)、感官品质[11](如颜色变化、风味改变等)。生鲜制品由于酶活高,存在糖类易降解、脂类易腐败、酚酸类易变色等问题[12-13],因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料对新鲜果蔬进行包装的方式近些年来受到高度重视,且近些年来天然抗氧化剂的添加成为趋势。

抗氧化活性膜是通过将抗氧化剂添入包装材料或涂布在包装材料上,在一定时间或空间内包装材料内部的活性抗氧化剂可以以较缓慢的速度释放到包装内部,以此来对食品起到抗氧化作用的一种新型包装材料[14]。与传统包装相比,这一新型材料具有以下几个优点:需要的抗氧化剂更少;能够使抗氧化剂从薄膜缓慢转移至食物组分中;制造成膜这一个过程消除了工业加工的很多步骤,如生产食品添加剂、添加入食品、搅拌混合等[15],因此具有替代传统包装材料的潜力,为生鲜食品的包装提供了更多选择。

2.1.1 抗氧化膜的基材 抗氧化活性膜主要由两大部分构成,即抗氧化膜基材与抗氧化剂。合适的基材对于抗氧化膜的制备、使用以及商业化都有重要意义。常见的抗氧化基材的原料多为传统包装材料采用的聚烯烃类聚合物,因为它们具有稳定的化学性质及作为包装材料优越的物理性质。Nerin等[16]利用聚丙烯(PP)作为基材,向其中添加迷迭香提取物制成薄膜,用于延长包装食品的货架期,取得显著成效。值得一提的是,采用双分子层材料作为基材时,薄膜上的抗氧化性物质不易发生迁移,对食品更加安全且风味影响较低[17]。除了一些人工合成的高聚物外,目前另一个研究热点就是将天然高分子材料作为抗氧化薄膜的基材。壳聚糖是非可塑材料,若对其进行特殊处理,如酯化或醚化等,壳聚糖内部结构会发生极大改变,从而得到具备可塑性的薄膜材料。Yuan等研制了以壳聚糖为基底的薄膜材料,其中添加了香芹酚与石榴皮提取物,这种材质具有一定的抗氧化与抗菌性[19]。此外选用较多的淀粉类物质,价格低廉、资源丰富,并且具有热塑性,是很好的替代材料[26]。Inam u Nisa等利用马铃薯淀粉作为基底,并添加BHT制成新型抗氧化活性膜,将此材料应用于保鲜牛肉,发现牛肉货架期有明显延长[20]。另一类多用作基材的天然高分子物质是明胶,Jeannine等分别将波耳多叶、瓜拉纳、肉桂及迷迭香提取物加入猪皮明胶中,制成包装薄膜[23]。具体总结见表2[16-26]。

表2 新型抗氧化活性膜的构成Table 2 The composition of novel antioxidant active films

2.1.2 抗氧化活性膜的抗氧化剂 当前已知的用在包装材料上的抗氧化剂种类很多,主要分为人工合成和天然产物,但可用在新鲜食品的气调包装上的抗氧化剂应当满足以下要求:抗氧化效果好;本身及其分解产物安全无毒害;不影响食品本身性质;方便生产,成本合理。人工合成抗氧化剂的安全性一直存在争议,但由于其加工成本低、抗氧化效果优异,其生产与应用仍受到关注。有研究表明,丁基羟基茴香醚(BHA)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、特丁基对苯二酚(TBHQ)、没食子酸甲酯(PG)这四种常见合成抗氧化剂的抗氧化能力强弱依次为:TBHQ>BHA>PG>BHT,四者的热稳定性从强到弱依次为:PG>TBHQ>BHA>BHT[13]。

图1 四种常见合成抗氧化剂的结构[17]Fig.1 Structures for four common synthetic antioxidants[17]

天然抗氧化剂是指从天然的可食用的物质中通过某种技术手段提取出来得到的具有抗氧化活性的物质[13]。世界卫生组织规定BHA、BHT、TBHQ及PG的添加量应低于200 mg/kg,且由于人工合成抗氧化剂一直以来的争议,所以天然抗氧化剂是目前的研究重点[11]。其中最为常见的是酚类物质,由于其具有极高的抗氧化性且种类多,因此研究最多。Yuan等将香芹酚与石榴皮提取物添加入薄膜,发现添加抗氧化剂的材料抗氧化活性显著增强、透水性降低[19]。Carol等把摩塔莓果实的提取物作为抗氧化剂加入甲基纤维素薄膜中,得到新型材料的抗氧化能力和多酚含量显著提高,此外薄膜的机械性能与抗菌性也有很大改善[21]。此外,不饱和脂肪酸类和叶片提取物也常见报道,如牛至油、橄榄叶提取物等[11,17]。Goly等将BHT与薄荷精油分别加入HDPE基材中用于包装大豆油进行对比,得到BHT与薄荷精油在对大豆油的抗氧化作用上无显著差别,因此薄荷精油是优良替代品[16]。Inam u Nisa等将BHT与绿茶提取物分别添入马铃薯淀粉基材中用于牛肉包装,结果显示BHT在降低脂质氧化上更有效,而绿茶提取物能够更加有效地控制牛肉中正铁肌红蛋白的含量[20]。常见抗氧化剂的使用见表2。

生鲜食品存在水分大、呼吸作用强烈等特点,抗氧化活性膜在抑制氧化腐败、延长货架期等方面表现出多重优势。抗氧化活性膜的发展仍处于起步阶段,并未建立起成熟完整的研究应用体系,缺乏系统性理论知识,如怎样更好地控制抗氧化剂在基材上的附着率及扩散率,天然抗氧化剂迁移到食物上会对其产生何种影响,添加天然抗氧化剂对薄膜性质造成改变的机理等。

2.2 纳米保鲜膜

纳米粒子是指尺寸在1～100 nm间的颗粒,由其构成的纳米材料具有普通材料没有的光、电、磁和热力学等方面的独特性能。近年来,纳米材料逐渐受到食品行业科研人员的关注。在对生鲜食品包装的研究中,纳米粒子的加入使薄膜的机械性能、生物降解性能、抗菌性能等得到了提高[27]。纳米保鲜膜弥补了传统薄膜对CO2和O2渗透调控不足的缺陷,同时通过添加某些成分达到防霉、抑菌等特殊效果,除此之外,纳米保鲜膜的应用能够减少防腐剂等人工添加剂的使用,符合未来市场的要求,具有很广阔的发展空间。

纳米技术的迅速发展为食品保鲜领域提供了一些新方法。但是,目前对纳米保鲜膜的研究尚存在一些不足,如纳米粒子与高分子材料或有机高分子聚合物之间的作用机理有待深入研究。另外,纳米保鲜膜的成膜基材种类较少,且造价较高,开发更多成本低的材料也是一大研究方向。纳米保鲜膜除在新鲜果蔬中使用外,其他食材很少见到,亟待扩展。随着这些问题的解决,纳米技术将更好地应用于食品保鲜领域,对食品保鲜技术的发展具有重要意义。

2.3 生物可降解膜

生物可降解高分子材料是指在一定的条件下,能被微生物或其分泌物降解的高分子材料[39],大多数可降解薄膜由有机聚合物制成,如明胶[40]、大米淀粉壳聚糖等[41],好氧微生物将其降解为CO2、H2O及微量无机材料，无氧微生物将其降解为CH4、CO2以及若干无机物[42]。目前报道较多的可降解塑料主要有光降解塑料、生物降解塑料以及光-生物降解塑料等。结合我国国情与可持续发展的路线方针,生物可降解材料以它独一无二的特征在食品包装领域中占据着重要的地位。值得一提的是,适当的水分和透气性对微生物污染及害虫防控十分必要,因此,当可降解薄膜作为食品包装材料时,这些因素必须考虑[43]。

胡云峰等在纤维素膜中添加了抑菌成分,以期改善薄膜性能,结果表明青霉能将其完全降解[44],国外也有类似地以纤维素为基材的薄膜报道[45]。张晓燕等选用完全可降解性聚碳酸亚酯(PPC)、聚乙烯醇(PVA)和海藻糖为制膜材料,并用复合成的新型薄膜对冷鲜肉进行真空包装,研究显示,此复合材料能够良好地抑制微生物生长,延长货架期以及保持肉品色泽[46]。另外,有研究表明将有机聚合物或纳米材料与淀粉和粘土混合形成的纳米复合材料能够显著地提高薄膜材料的性能[47]。Sakshi的团队将莲藕根茎淀粉、乳清蛋白浓缩物与车前子壳相结合制成复合可降解薄膜,较单一原料具有更强的物理特性[48]。值得一提的是,在对高粱淀粉进行酸与氧化双重改性后得到的材料提高了硬度与拉伸性,这对需要刚性包装的生鲜食品具有重要意义[49]。

生物可降解膜在生鲜食品包装领域的应用已日益商业化,但其也存在成本高、性能不佳、加工工艺有待完善等缺陷,因此一定程度上限制了它的应用发展。面对日益严重的环境污染,加大生物可降解膜的研究力度十分必要。

3 气调包装的未来发展方向

随着生鲜食品行业的迅速发展,研发高效、环保的保鲜包装材料必然成为热点。气调包装是生鲜及鲜切食品包装最具潜力的技术之一,它能够显著地延长制品的货架期,并且能够保持或稳定生鲜食品原有的性能,此外其设计更方便食品作为商品进行运输与售卖。但气调包装仍面临一些挑战,比如生产新型气调包装材料的一些成分造价较高、对贮藏温度的精确度要求较高以及不同产品需要不同的气体构成等问题。对于不同的果蔬、肉类以及水产品来说,在贮藏期间所需的气体构成与温度都不尽相同,目前,几乎所有的气调包装都有其本身的优点与局限性,在选择时需要考虑微生物安全与产品稳定性之间的平衡。

此外,多种性能共有的薄膜包装材料成为趋势,本文讨论的3种新型材料中有多种均是抗氧化、可降解的纳米材料,因此,怎样将更多优良特性结合在一起,并且选取价格低廉、生产方便、适用面广的新型材料也成为了当前研究的一大趋势。现阶段,气调包装活跃的研究领域主要是将天然或合成的添加剂与其他保鲜技术相结合作用于产品,不同保鲜技术间的协同作用既为气调包装的发展提供了巨大的机遇,也面临重大挑战,如何做好保鲜新技术之间的结合将成为气调包装发展的关键所在。

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Researchprogressofnewmaterialsinmodifiedatmospherepackingoffreshfoods

ZHAOKe,JIAOWen-xiao,JIANGWei-bo*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

TS255

A

1002-0306(2017)18-0341-06

2017-02-27

赵珂(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：果蔬保健功能成分，E-mail:545828323@qq.com。

*通讯作者:姜微波(1963-)，男，博士，教授，研究方向：果蔬衰老机理与控制技术、果蔬保健功能成分、饮食安全与健康，E-mail:jwb@cau.edu.cn。

公益性行业(农业)科研专项经费(201303075)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.064