超临界溶液浸渍法及其在食品活性包装材料中的应用研究进展

(大连大学生命科学与技术学院,辽宁大连 116622)

良好的食品包装可以防止食品受到氧化、微生物或其他因素影响,从而保障食品品质,延长货架期[1-2]。近年来,活性包装作为一种新型包装引起了人们的广泛关注[3-4]。与传统包装相比,活性包装不光可以起到将食品与外界环境相隔绝的作用,并且可在食品保存过程中提供一些特殊的功能,例如抗氧化,抗菌等,以延长食品的货架期[5-9]。目前,活性包装的研究主要集中于，在聚合物材料中加入精油或植物提取物等活性物质,从而使聚合物材料具备保持或释放活性物质的能力,进而调节食品保存的微环境[10-12]。

目前,将活性物质负载到聚合物材料中的方法主要有熔融挤出法、涂覆法、溶剂浇铸法等,这些方法尽管应用广泛,方法成熟,但都有不同的缺点,例如处理过程中会使用大量有机溶剂或者需要在高温条件下操作,存在活性物质分布不均匀、易失活以及产物中有机溶剂残留等问题[13-14]。因此,选择合适的方法,将活性物质负载至基质材料中,制成具有相应活性的食品包装材料具有重大意义。

近年来,超临界流体技术由于其具有环境亲和性,开始受到重视,多种超临界流体技术被开发出来用于聚合物处理、药物制备等领域[15-20]。其中超临界溶液浸渍技术(SSI)是一种利用超临界流体将小分子物质负载到基质中的技术[21-22],过程中可使用的超临界流体有多种,其中超临界二氧化碳由于无毒、对环境友好、价格低廉、临界点易达到等优点,成为使用最广泛的超临界流体。SSI自开发以来，被广泛应用于印染、生物医药、食品等领域[23-27],近年来开始应用于制备食品活性包装。食品活性包装被称为智能包装,是食品包装的发展趋势。利用SSI的优势,将其应用于食品活性包装的制备中具有良好的前景。采用SSI过程制备食品活性包装的研究国外已有部分报导,相关研究多集中于活性物质的负载及过程参数的优化;国内相关研究尚处于起步阶段,报道较少。本文将介绍SSI的机理及流程,对SSI在制备食品活性包装领域的实验室成果进行综述,并对未来发展趋势进行展望。

1 SSI的机理及流程

1.1 SSI的机理

SSI主要利用超临界CO2溶解能力可控,扩散能力强的特性,超临界CO2具有较高的密度可溶解部分活性物质,并且超临界CO2能够扩散进入大部分聚合物中,使聚合物溶胀,因此,将活性物质及聚合物同时置于超临界CO2环境中，将会使得活性物质负载到聚合物中。

典型的SSI过程中主要涉及三个组分:活性物质、超临界CO2、聚合物材料。这三个组分间相互作用包括:活性物质在超临界CO2中的溶解;聚合物与超临界CO2相互作用;活性物质分子与聚合物分子之间的相互作用。这些相互作用都会对SSI过程制备负载活性物质的聚合物材料产生影响[28]。为保证活性物质在聚合物材料中的成功负载,首先,SSI过程要求活性物质在超临界CO2中具有一定溶解度。如果活性物质在超临界CO2中溶解度过低,可加入共溶剂以增加活性物质在超临界CO2中的溶解度,但共溶剂的加入会增加产品中溶剂残留的风险[29]。其次,聚合物应能被超临界CO2溶胀,除部分聚合物可在超临界CO2中溶解外,大部分聚合物可在超临界CO2中溶胀[30-31],溶胀后聚合物分子间空隙增大,利于活性物质的扩散进入。除此以外,活性物质分子应与聚合物分子间有一定的相互作用,使得活性物质在聚合物相/超临界CO2相中的分配系数大于1。通过这些相互作用,活性物质可负载到聚合物中,形成具有活性的聚合物材料。

从SSI过程的机理可以看出,过程利用超临界CO2作为溶胀及传质介质,与传统的活性物质负载到聚合物中的方法相比具有以下优势:SSI过程使用超临界CO2作为浸渍介质,超临界CO2具有扩散系数大,黏度低的优点,并且可使聚合物溶胀,有利于活性物质进入聚合物内,缩短过程时间,提高生产效率;SSI过程结束后,只需通过简单的泄压即可得到产物,无有机溶剂残留,无需后续分离纯化步骤,且CO2回收方便;SSI过程条件温和,不会对活性物质结构及活性产生影响;CO2对环境友好,且廉价易得。

1.2 SSI的流程及影响因素

1.2.1 SSI的流程 SSI流程如图1所示[32],SSI过程可分为三个阶段:第一个阶段,CO2经冷却后达到液态,经由高压泵加压,随后预热达到超临界状态;第二个阶段,超临界CO2进入到高压釜中进行活性物质的溶解及浸渍过程;第三个阶段,浸渍完成后,卸去压力,超临界CO2气化,最终得到负载有活性物质的样品。其中,高压釜中进行的活性物质的溶解及浸渍主要包括以下步骤:首先,活性物质溶解于超临界CO2中;同时CO2通过扩散作用进入聚合物中,使聚合物发生溶胀,使聚合物分子间隙变大,溶有活性物质的超临界流体溶液扩散进入溶胀的聚合物中，并保持一定时间;最终,卸去压力,CO2密度迅速降低,CO2对活性物质的溶解能力下降,活性物质在聚合物中沉淀析出,溶胀的聚合物恢复原状,形成具有相应功能的聚合物材料。

图1 超临界溶液浸渍技术流程Fig.1 Schematic diagram of SSI

1.2.2 SSI的影响因素 SSI是一个高度可控的过程,可通过过程操作条件的调控，最终影响产品的性能。SSI过程中可控制的操作条件主要有:超临界CO2的温度、压力,浸渍时间以及泄压速率等[33]。活性物质在超临界CO2中的溶解度与超临界CO2的密度紧密相关,SSI过程中温度、压力的改变会引起超临界CO2密度的变化,影响活性物质的溶解度。SSI过程中超临界CO2的温度、压力同样会影响到CO2在聚合物中的吸附和溶胀,进而影响到活性物质在超临界CO2相/聚合物相的分配行为。因此,对于不同的活性物质及聚合物体系,过程中超临界CO2的温度、压力对最终产品的影响不尽相同,所以,对于不同的活性物质及聚合物体系需要进行独立的研究,从而得到最优的过程温度、压力参数。活性物质在超临界CO2中的溶解、超临界CO2对聚合物的溶胀以及活性物质在聚合物中的吸附都需要一定的时间才能达到平衡,平衡时间的长短与温度、压力有关,同样也与聚合物分子结构及宏观形状有关,有研究表明,活性物质在聚合物中的达到吸附平衡所需时间最长,是SSI过程的限速步骤[34]。因此,为使活性物质均匀负载于聚合物材料中,浸渍时间要长于活性物质在聚合物中达到吸附平衡的时间。泄压速率同样也是SSI过程中的重要参数,由于超临界CO2可将聚合物塑化,并降低聚合物的玻璃化转变温度,快速的泄压可能产生聚合物发泡的现象[35-36],而较低的泄压速率可以保护聚合物结构不受破坏。因此,对于不同的聚合物材料,SSI过程泄压速率需要单独进行考察,从而得出最优的泄压速率。

2 SSI在食品活性包装材料中的应用

目前SSI过程已成功应用于食品活性包装材料的制备,其中活性物质多为单一天然活性化合物或植物粗提物[37],包装材料多采用聚合物材料包括合成聚合物、天然聚合物、复合聚合物、纳米复合聚合物等基质材料。

2.1 合成聚合物

合成聚合物是目前传统食品包装中使用最广泛的材料,将活性物质负载到合成聚合物材料中，是目前食品活性包装研究较广泛的方向。Torres等[38]在近临界和超临界流体环境中将百里香酚浸渍到线性低密度聚乙烯(LLDPE)中用于食品包装,实验结果表明,在操作温度39.85 ℃,压力7～12 MPa范围内,百里香酚可被成功负载到LLDPE膜中,百里香酚在LLDPE膜中的浓度范围为0.51%～1.32%。百里香酚在聚合物中负载量受操作压力影响较大,并且根据实验结果以及扩散模型拟合,估算出百里香酚在LLDPE中的扩散系数在7.5×10-13～3.0×10-12m2s-1之间,说明百里香酚负载至LLDPE中后,可以以一定速率释放出来。随后同课题组的Rojas等[39]使用SSI过程将2-壬酮浸渍至LLDPE膜中，制成食品活性包装材料,研究中发现,在操作温度39.85 ℃,操作压力12～22 MPa,泄压速率分别为1.0、10.0 MPa/min时,2-壬酮在LLDPE中的负载量在0.21%～0.34%范围内,并且LLDPE膜中负载的2-壬酮的释放行为可通过SSI过程参数进行调控。

除了单一天然活性化合物以外,一些植物粗提物同样具有抑菌、抗氧化等活性,也可通过SSI过程负载于聚合物材料中,用于食品活性包装的制备。Medeiros等[40]采用SSI过程将丁香精油浸渍到LLDPE膜中制备食品活性包装材料。考察了操作温度(25、35、45 ℃),压力(150、250 bar),丁香精油:CO2质量比(2%、10%)对浸渍过程的影响,在45 ℃,150 bar,丁香精油:CO2质量比10%时,丁香精油在LLDPE中负载量最大,为40.2 mg/g LLDPE。差示扫描量热、抗拉强度、拉断伸长率和杨氏模量结果表明,超临界CO2处理后,LLDPE膜热稳定性和机械性能保持完好。

以上这些研究说明SSI过程可以将活性物质成功负载至聚合物中,并且以可控的速度释放活性物质;并且SSI过程对聚合物基质材料的稳定性及机械性能影响较小,可以用于制备食品包装材料。但这些研究未考察SSI过程对活性物质结构及活性的影响,对制备出的活性包装材料未进行相应活性的检测,有待进行深入的研究。

Goni等[41]同样采用LLDPE作为聚合物材料,使用SSI过程将丁香酚负载到聚合物中，制备得到具有活性的包装材料。浸渍实验在45 ℃下进行4 h,分别考察压力(10、12、15 MPa),泄压速率(0.5、1、5 MPa/min)对浸渍过程的影响,最终浸渍收率在1%～6%范围内,在较低的泄压速率下浸渍收率较高。此外,研究采用红外光谱及差示扫描量热对负载丁香酚的LLDPE膜进行了表征,红外光谱结果表明,丁香酚在LLDPE中的分布不是完全均匀的。差示扫描量热结果显示,经SSI过程后,LLDPE的结晶度下降,这是由于超临界CO2对LLDPE的作用而不是负载丁香酚的结果。但DPPH自由基清除实验结果表明,丁香酚的不均匀分布以及LLDPE结晶度的下降对样品抗氧化能力无影响,所有样品24 h自由基清除率在80%以上,并且可维持96 h不下降,表现出良好的抗氧化活性。

生物可降解材料由于对环境友好等优点,在食品领域的应用日益增多。Villegas等[42]使用生物相容性及生物可降解性聚合物聚乳酸(PLA)作为基质材料,肉桂醛作为活性物质,通过SSI过程将肉桂醛负载于PLA膜中,制成具有抑菌性的食品活性包装。研究结果表明,肉桂醛在PLA膜中负载量在8%～13%范围内,过程中较高的浸渍压力和较低的泄压速率有利于肉桂醛的负载。并且对负载肉桂醛的PLA膜的表征结果指出,肉桂醛的负载对PLA膜的热稳定性无明显影响,但可提高PLA膜的机械性能,负载肉桂醛后的PLA膜具有更好的韧性、更好的延展性,并且肉桂醛的负载可提高PLA的结晶速率,增加抗逆性,有利于PLA加工成型过程。由于肉桂醛具有良好的抑菌性,因此本研究中抑菌实验表明,制备的负载有肉桂醛的PLA膜，可明显抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,具有抑菌活性。

2.2 天然聚合物

由于天然聚合物具有良好的生物相容性、生物可降解性以及对环境友好等优势,越来越多的食品包装采用天然聚合物作为原料。Souza等[43]采用超临界CO2将肉桂醛浸渍到木薯淀粉膜中制成具有抑菌活性的包装膜,研究考察了浸渍压力、浸渍时间和泄压速率对肉桂醛负载量及膜形貌的影响。结果表明,采用SSI方法制备的膜材料与采用传统负载方法制备的膜材料相比,肉桂醛的负载量要高。SSI过程中,在较高的浸渍压力,较长的浸渍时间,较高的泄压条件下制备得到的膜材料中，肉桂醛负载量最大,这说明肉桂醛在超临界CO2中的溶解度是影响SSI过程的主要因素。此外,经过SSI过程后,膜材料的平衡水蒸气吸附量及水蒸气透过速率明显下降。并且无论负载量大小,SSI过程制备得到的负载肉桂醛的木薯淀粉膜均可抑制青霉菌的生长。这些性质均有利于该膜材料在食品包装中的应用。

Milovanovic等[44]采用SSI过程将百里香酚负载至醋酸纤维素中,百里香酚负载量根据操作条件及浸渍时间不同，在4.51%～72.26%范围内,样品的形貌随着负载量的不同变化明显,并且样品中百里香酚的释放时间根据负载量不同可持续2～21 d。负载百里香酚后的醋酸纤维素具有很强的抑菌性,负载量4.51%的样品即可抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的生长,抑制率达99.9%。该研究表明SSI过程可通过调节过程参数，从而控制活性物质的负载量,进而控制活性包装材料的性能,这对于SSI过程在食品活性包装制备中的应用是十分有利的。

2.3 复合聚合物

为了满足各类食品对包装材料的不同需求,扩大包装材料使用范围,复合材料开始更加广泛的应用于食品包装领域。Bastante等[45]采用聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚丙烯(PET/PP)复合材料为基质,咖啡酸为模型活性物质,通过SSI过程将咖啡酸负载于PET/PP复合膜中,制成具有抗氧化活性的食品包装膜。考察SSI过程中压力、温度、泄压速率、共溶剂和浸渍时间对咖啡酸负载量的影响,并将过程最优条件应用于橄榄叶粗提物在PET/PP膜的SSI浸渍过程中。通过扫描电子显微镜(SEM)可观察到，PET/PP膜上抗氧化物颗粒的分布,并且经过SSI过程处理后,PET/PP膜表面出现微发泡现象,这可能是超临界CO2对PET/PP溶胀及塑化后快速泄压导致的,但这种变化在宏观下肉眼不可见。制备得到的活性材料通过DPPH自由基清除法测定其抗氧化活性,结果表明,所有条件下制备得到的负载咖啡酸或橄榄叶粗提物的PET/PP膜都具有抗氧化活性,并且使用橄榄叶粗提物的活性材料抗氧化活性更好。

2.4 纳米复合聚合物

纳米材料由于其特殊的理化性质，近年来受到人们的广泛关注,在聚合物中添加纳米材料制成的纳米复合材料展示出了良好的应用前景。Alvarado等[46]采用聚乳酸(PLA)为聚合物基质,在其中添加含有微晶纤维素(CNC)的聚乙烯醇(PV)纳米纤维,制成纳米复合材料,随后采用SSI过程负载百里香酚,用于食品活性包装。研究表明,添加PV/CNC纳米纤维后,PLA的热稳定性和机械性能显著提高,并且百里香酚的负载对纳米复合材料无显著影响。但释放实验结果显示,PLA-(PV/CNC)纳米复合材料中百里香酚的释放速率显著低于PLA中百里香酚的释放速率,表明PV/CNC纳米纤维的加入可显著降低百里香酚的释放速率,但该研究未进行抑菌活性的考察。

由以上研究结论可以看出,采用SSI过程将活性物质负载至聚合物基质中，制成具有活性的食品包装材料是可行的。活性物质经过SSI过程后，依然可以保持良好的活性,为食品包装材料带来相应的活性;部分聚合物基质材料经SSI过程后可能会发生形貌及性能方面的改变,但这些改变一般不会对包装材料的活性产生负面影响,有些甚至可以延长包装材料活性的持续时间。但目前SSI制备食品活性包装的研究还存在一些不足,比如聚合物基质多为合成聚合物材料,其他聚合物如天然聚合物、复合聚合物及纳米复合聚合物材料较少,且基质材料多为简单的膜结构,形式较单一。如能采用天然聚合物材料,例如壳聚糖及其衍生物、纤维素及其衍生物、藻酸盐类等作为活性包装的聚合物基质，则可扩大SSI过程的应用范围,也可实现食品活性包装的多样化,适应不同食品对包装的不同要求。此外可采用其他方法事先制备结构更加复杂的聚合物基质,然后采用SSI过程进行活性物质的负载,实现活性物质的可控和持续释放,进而延长食品的货架时间,或改善食品风味。通过扩大聚合物基质材料来源,制备复杂结构聚合物基质,更好地满足食品工业对食品活性包装的需求。

3 展望

随着社会的发展,人们对食品质量及食品安全要求的日益提高,新的技术及新的材料在食品工业中的应用受到人们越来越多的关注。SSI技术应用于食品工业具有诸多优点,例如过程绿色环保,操作条件温和,产物无溶剂残留等,可保证食品及相关产品的安全性。采用SSI过程制备食品活性包装材料尚处于实验室研究阶段,目前研究主要集中在天然活性物质及植物粗提物在合成聚合物材料中的负载,涉及的活性物质、聚合物材料种类及结构较少。可降解生物材料或生物基材料以及复杂结构材料中活性物质的负载，是今后SSI过程研究的重点。除此以外,SSI过程中涉及活性物质、超临界CO2、聚合物之间的相互作用,因此SSI过程机理较复杂,目前SSI过程机理研究已有开展,但仍有待完善。可以预见,随着SSI过程研究的不断深入,SSI过程在食品活性包装中的应用将更加广泛。