可食性果蔬膜包装材料研究进展

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(四川农业大学食品学院,四川雅安 625000)

随着人们对食品安全的日益重视和环保意识的不断增强,可食性包装因能缓解塑料包装可能产生的食品污染及其废弃物造成的“白色污染”等问题,正逐渐成为当前食品工业和包装领域科技发展的重要趋势[1-2]。其中,果蔬膜是以水果和蔬菜等天然农副产品为基材,添加合适的助剂(如增稠剂和增塑剂等)制成的一类可食性包装材料[3]。它是一种兼有可食和包装两种功能的新型果蔬深加工产品,不仅保留了果蔬的大部分营养,还富含维生素、矿物质和膳食纤维,具有低糖、低钠、低脂、低热量的特点[4],而且具备一定的机械性能和阻隔性能[5],可作为包装材料延长食品货架期,绿色无毒且能自然降解,近年来已成为食品行业的一大研究热点。同时我国是果蔬生产大国,仅2010年全国果蔬总产量达7亿多t,但由于“重采前轻采后”和精深加工技术缺乏等原因使得果蔬附加值较低,果蔬产业经济效益差[6]。目前国家对农副产品精深加工的发展给予了极大的支持,如何摆脱果蔬利用率低的困境并提高果蔬经济价值是亟待解决的一个关键难题。因此,研制果蔬膜作为新型绿色健康食品和环境友好的包装材料,不仅能促进果蔬深加工以解决果蔬滞销积压浪费等问题,又能拓宽可食性包装种类以减轻塑料包装对环境的污染,对果蔬的综合利用和可食性包装的发展都具有十分重要的意义[7]。

近年来国内外关于果蔬膜的文献报道较多,但关于果蔬膜作为一种新型绿色包装材料在原料选择、性能检测乃至包装应用方面关注较少,相关总结性文章更是匮乏。基于此现状,本文主要综述了果蔬膜作为包装材料的研究现状,按原料来源分类并侧重于配方工艺、性能测试和包装应用等方面的介绍,同时提出了当前相关研究存在的主要问题和发展建议,以期为这类果蔬深加工产品在可食性包装方面的应用提供理论依据和实验参考。

1 可食性果蔬膜包装材料的研究现状

果蔬膜的原料选择多样,主要包括蔬菜、水果及果蔬加工副产物三大类。果蔬原料自身含水量高且胶体物质少，不利于产品最终的成型,故需在其浆料中添加一定量的辅料如增稠剂和增塑剂等来提高膜的性能以达到包装材料的使用要求[8]。果蔬膜的制备不仅能解决果蔬因未能及时销售而腐烂变质的问题,而且所成膜也能较好的保持果蔬原有的营养物质及风味,同时制备的果蔬膜具有较好的阻隔性能和力学性能,能满足作为食品包装材料的性能要求,可供食用以强化营养,废弃后也能自然降解,是一种新型绿色包装材料。如王心宇等[9]以干白菜为原料制备得到可食性膜,将其制成食品调料包后,在80 ℃热水浸泡5 min,搅拌后便溶解为粉末纤维,同时白菜膜防霉性能良好,能满足食品的可食性内包装的性能要求。表1简单总结归纳了现有部分研究中果蔬膜主要的成膜原料及其在包装方面的应用。

表1 果蔬膜原料及包装应用Table 1 Raw materials and packaging application of fruit-vegetable film

1.1以蔬菜为原料的果蔬膜包装材料

我国蔬菜年产量约占世界总量的25%,但其深加工产品还不到全国蔬菜总量的10%,每年有30%～35%的新鲜蔬菜因未能及时处理而腐烂损失[18]。因此亟需探索有效途径为蔬菜产品的深加工提供新的技术和方法以减少蔬菜资源的浪费[19]。近年来,国内许多学者以新鲜蔬菜为原料制备果蔬膜,除了关注产品的配方工艺及本身的风味品质外,还检测了一些主要物理机械性能指标(如拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率及氧气透过率等),为其在包装方面的应用提供基础数据。

目前果蔬膜的制备原料主要为一些价格低廉、来源广泛且较为常见的蔬菜,如大白菜、卷心菜、胡萝卜、芹菜、南瓜、番茄等。其中,大白菜营养丰富,除含有VB、VC和矿物质外,还含有大量的粗纤维,为白菜膜的生产和加工提供了有利的条件。王心宇等[9]将经过分选、浸泡(0.5～1 h)和切段的干白菜进行打浆后,在不添加任何助剂条件下,经纱布滤水得到较干的纤维团,在纸样抄取器上进行抄纸,最后压平及晾干可得到干白菜膜,其厚度约为0.3 mm,拉伸强度和撕裂强度最高分别可达5.855 MPa和27.412 N/mm。郭玉花等[20]以白菜为基本原料采用抄纸工艺制备了白菜包装膜,并通过比较添加不同改性试剂的白菜膜的外观、柔韧性、力学性能等得到较为理想的配方和成型方式。研究发现,与直接添加明胶、海藻酸钠、大豆蛋白相比,以5%的明胶和5%的甘油混合溶液为改性试剂所得的白菜膜各方面性能最优,且浸渍处理是比直接涂抹更为理想的成型方式,此时所得的白菜包装膜质软且黏,表面较光滑,拉伸强度为2.134 MPa。

此外,添加不同的增稠剂也可显著提高果蔬膜的力学性能[21]。黄紫娟等[10]选用卷心菜为原料,以0.04%的CMC、0.08%的海藻酸钠和0.16%的明胶配制成复合增稠剂、将成型的蔬菜膜置于一定浓度的甘油中浸渍5 min,采用热风干燥法制备了可食性膜。该法制备的卷心菜膜色泽偏白,拉伸强度为17.36 MPa、裂断伸长率为1.2%,适于用作浅色系的食品内包装。此外,为了提高蔬菜膜自身的贮藏特性并使其具备更好的包装保鲜效果,常常通过添加一些天然抗菌剂,其中精油已被人们广泛研究[22]。王新伟等[23]的研究表明,牛至油、香芹酚、肉桂醛等具有抗菌性能和抗氧化性能,他们将其加入胡萝卜膜液中后使胡萝卜膜也获得一定的抗菌性能并详细研究了添加上述植物精油后对胡萝卜膜热学性能和吸湿性能的影响,以期为其作为可食性包装材料应用于食品加工中提供参考。Zhu等[11]以胡萝卜为基材,添加果胶、甘油为助剂制备了胡萝卜膜,并通过加入质量分数为0.5%～3.0%的香芹酚或肉桂醛精油使其获得抗菌性能,将所制备的胡萝卜抗菌膜包裹以沙门氏菌浸泡处理后的莴苣、菠菜等蔬菜后放入包装袋,在4 ℃下密封储藏并检测细菌的存活数量,结果表明添加3.0%的香芹酚制备的胡萝卜膜在1 d内即可使细菌总数低于可检测范围,且其抗菌效果明显强于添加同浓度肉桂醛精油制备的胡萝卜膜。

1.2以水果为原料的果蔬膜包装材料

我国水果资源丰富,产量约2.3亿t[24],是全球最大的水果生产、输出国。此外,据不完全统计,国内每年产生1500～2000万t残次果与水果加工副产物,其综合利用价值超过600亿元,但目前并未得到科学利用,资源被严重浪费的同时也造成环境污染问题[25]。而将这部分水果研制成可食性膜为解决水果资源浪费与环境污染问题提供了新的思路,但目前国内相关文献的报道较为罕见。

McHugh等[26]以桃、苹果、杏和梨为基材,添加CaCl2溶液为交联剂研制了果蔬膜。将浓度为26%(w/w)的桃子浆料真空脱气后分别加入0.8%、1.6%的CaCl2溶液得到成型浆料,每次移取32 g均匀涂覆在有机玻璃板上,在24 ℃、40% RH条件下干燥约24 h即可得到成品。结果表明,在25 ℃、75% RH测试环境下,桃子膜WVP值为6.696×10-12g·cm/(cm2·s·Pa),但CaCl2浓度的增加会使桃子膜阻湿性能下降;同时,在中低温湿度环境中,膜OP为8.056×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)左右。他们还将苹果浆和各种浓度的脂肪酸、脂肪醇、蜂蜡、植物油混合制得可食性膜[12],结果表明脂类的加入能有效降低膜的水蒸气透过系数和透氧率,在一定程度上起到了保水与抑制褐变的作用,也对其机械性能产生显著的影响。将其用于包装苹果片,研究发现在5 ℃条件下放置12 d后,苹果片颜色不仅没有发生改变,而且还保持着原有的香味,可在商业中得到推广应用于包装其他食品如坚果、烘焙食品、糖果产品等。Peretto等[13]往浓度为49%的草莓浆料里添加1%甘油、3%果胶及0.75%的香芹酚和肉桂酸甲酯混合液等制备可食性膜。选用草莓为供试水果进行保鲜实验时,于10 ℃在湿度为80%～90%的环境中放置10 d,并测定其在第0、3、7、10 d时的物理化学变化。结果表明,精油的加入能增加水果总酚含量并提高其贮藏期。Pitak等[14]选用香蕉为基材,添加壳聚糖为抗菌剂,甘油为增塑剂等共混制得外观呈现浅黄色,且性能良好的香蕉膜,其拉伸强度在5.19～14.22 MPa之间,水蒸气透过率为38.81～41.66 cm3m/m2day kPa之间,远低于低密度聚乙烯膜(1865 cm3m/m2day kPa)和高密度聚乙烯膜(427 cm3m/m2day kPa)。将上述香蕉膜制袋(5 cm×10 cm)后用于包装新鲜蔬菜(如芦笋,玉米,平菇,白菜等),在10 ℃的冰箱贮藏1～3 d,结果证明香蕉膜对内装物有良好的保护作用,可推广应用在蔬菜包装领域。以上相关文献均说明采用水果为原料制备可食性膜用于果蔬包装,能减缓果蔬中水分的散失,有效隔绝空气中的氧气,抑制果蔬呼吸、褐变及营养物质等的损耗[27]。

1.3以果蔬废弃物为原料的果蔬膜包装材料

据统计,我国每年未被有效利用的果蔬废弃物高达1.0亿t[28],对经济损失巨大的同时还造成严重的环境污染问题。而果蔬废弃物一般含有有机物、纤维、天然色素等成分,可被再加工应用在食品、医药、化妆品等行业[29]。因此,寻求能够有效解决果蔬废弃物污染问题,实现其资源化利用的途径尤为重要。目前,果蔬废弃物主要被制成饲料、肥料或用于提取其中膳食纤维、果胶、色素、抗氧化物质等营养成分[30]。而近年来随着人们对绿色环保包装需求的增加,以果蔬废弃物为原料制备果蔬膜在国内外引起关注。

在国外,每年产生约30%～40%的农业废弃物,尤其是果蔬在加工过程中[31],其残渣和外皮等副产物往往被丢弃,不仅会造成资源的浪费,而且会导致严重的环境污染。而果蔬废弃物含有大量的生物活性成分,可用于生物降解薄膜的制备。Ferreira等[32]选用果蔬渣粉和马铃薯皮粉为基材,采用流延成型法制备可食性膜。研究结果表明,马铃薯皮粉由于淀粉含量高,所得膜的结构更为致密、黏结性更强,故性能较好,其拉伸强度为0.092 MPa,断裂伸长率为36%。Andrade等[15]同样以果蔬加工的固体残渣为基材研发了可食性膜,所得薄膜平均厚度为0.263±0.003 mm,呈现明亮的黄色,果蔬风味浓郁。此外,一些水果的果皮和果渣等中果胶含量丰富,可用作食品活性包装的原料[33]。张晶莹等[16]利用橙皮提取果胶为基材,加入甘油研制了可食性保鲜膜,膜厚度为0.127 mm左右,拉伸强度为3.983 MPa,断裂伸长率为24.883%。将这种膜用于冷鲜猪肉包装,通过分析对比汁液渗出量、pH、挥发性盐基氮和细菌总数4个指标的变化,证明它的保鲜效果明显优于PE保鲜膜,能显著抑制微生物的增长,减缓肉中蛋白质的分解和pH的升高。赵宏霞[34]利用芒果皮提取果胶,再添加2%的壳聚糖醋酸溶液及甘油,制备芒果皮果胶-壳聚糖可食性膜,其拉伸强度和断裂伸长率分别为21 MPa和38%。张鹰[35]以柚皮提取的果胶为主要原料制备出柚皮果胶可食性膜,并将其与普通的聚乙烯(PE)膜进行物理特性分析比较且分别应用于冷藏猪瘦肉的保鲜。结果表明,经柚皮果胶膜处理的猪瘦肉保质期比PE保鲜膜延长2～4 d,说明其保鲜效果较好,具有一定的实用价值。

豆渣是豆类食品的加工副产物,我国仅大豆行业每年产生近2000万t湿豆渣[17]。豆渣中含有多种营养成分,资料显示干豆渣中纤维素含量约占51.8%、蛋白质含量为19.32%[36]。国内外已有一些学者利用豆渣研制可食性材料[36-39]。王海燕[37]等人以豆渣为原料,提取大豆多糖后,加入CMC、海藻酸钠、甘油及玉米淀粉共混等制得豆渣膜,最终得到的膜性能较好,抗拉强度为9.20 MPa,颜色淡黄,柔软均匀。且将该膜放入热水中能立刻溶解,能满足方便食品食用更方便、卫生,且由于豆渣中含有的丰富膳食纤维,最终膜更具有营养。李佩燚等[38]同样以豆渣为基材,通过添加CMC、卡拉胶、明胶、琼脂、魔芋葡甘聚糖、蜂蜡、甘油、糊精等为助剂,显著提高了豆渣膜的强度和综合性能,其拉伸强度为31.09 MPa,透油系数为7.31 g·mm/m-2·d。杜磊[39]从鲜豆渣中提取可溶性膳食纤维为原料制备了豆渣可食用包装膜,其抗拉强度为7.42 MPa。日本酒井公司将豆渣与适量的水混合,配合植物蛋白酶处理得到含23%～25%纤维素的成型浆料,借助造纸设备制备了豆渣膜[40]。豆渣膜不仅具有纤维含量高、热量低,物理机械性能良好的特点,且绿色环保、可生物降解,既能用作方便面调味袋、糖果、饮品等食品的内包装材料,又能被制成胶囊用作粉末药品的包装材料。

2 可食性果蔬膜包装材料研究存在问题和发展建议

2.1原料配方

目前关于果蔬可食性包装材料方面的研究报道大多是以新鲜果蔬为原料,从可持续发展的角度来看,基于果蔬加工副产物的果蔬膜更具经济效益,同时也有利于资源的循环利用和环境保护,应该引起重视。同时添加各种助剂可进一步提高果蔬膜的相关性能,但应严格规范助剂的使用,如在尽量减少助剂种类的同时,选用食品级并控制其安全用量以保证所得果蔬膜的可食性。

2.2性能指标

果蔬膜与其他可食性膜相比有一定优势,如能克服多糖类膜阻湿性能差、易吸潮发粘等缺点,但其物理机械性能、阻隔性能仍不及塑料包装材料。此外,通过直接加入植物精油[16-18]能使其获得一定的抗菌性能,但由于其自身强烈的香味[41]可能会掩盖果蔬产品本身的风味,且存在精油分布不匀且容易挥发而造成损失[42]等问题。故一方面可通过添加一些纳米材料如纤维素纳米晶[43]等改善其机械性能和阻隔性能等;另一方面可将精油制备成微胶囊[44],或是用吐温-80[45]作为乳化剂对精油包埋来提高其分散效果进而提高果蔬膜的抗菌性能。果蔬膜性能的提高,不仅能增强其对于食品的保护作用,也有利于自身在贮藏期中质量保持。

2.3包装应用

果蔬膜由于性能仍亟待提高,本身又易吸潮而发霉腐烂变质,且不像塑料具备热封性能,因此作为一种新型可食性包装材料的研究尚处于起步阶段,涉及具体包装应用的研究报道较少。充分利用果蔬原料中的胶质、纤维等成分进行成膜特性研究优化所得果蔬膜的结构与性能,加强对果蔬膜自身贮藏性能的研究,以及通过与大豆蛋白等天然可食性黏合剂[46-47]复合来改善果蔬膜封合性能,是果蔬膜未来开发研究的重点方向,应得到食品科学工作者的关注与重视,同时也会促进其在食品内包装材料以及果蔬保鲜膜等食品包装领域得到具体应用。

3 结论

果蔬膜作为一种新型的绿色环保包装材料,既可随食品直接食用来强化食品营养,丢弃后又能自然降解，从而减少环境污染,同时原料来源丰富、生产工艺简单,是果蔬深加工和食品包装领域的研究热点,应用前景十分广阔。在当今倡导食品安全和绿色包装的潮流下,加强果蔬膜应用于包装材料的研究既可促进果蔬加工及其副产物的综合利用,又符合环保包装的发展理念,具有重要的经济和社会效益。

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