关于可降解高分子材料在食品包装上的应用
2021-11-24胡岷桐王博于雪婷
胡岷桐 王博 于雪婷
吉林省产品质量监督检验院 吉林长春 130000
当前在人们的日常生活饮食中，食品包装有着十分重要的作用，对于人们的健康有着直接影响。但是由于当前所使用的通用高分子材料，例如聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）以及聚乙烯（PE）等材料，并不能进行降解，容易出现固体垃圾，对环境造成较为严重的污染。而生物可降解高分子材料，具有较好的阻隔性能，物理机械性能以及化学性能较为稳定，因此在进行食品包装的时候，应该以其作为包装材料。
1 纤维素的结构及特性
纤维素（C6H10O5）n是一种广泛存在于自然界的天然高分子多糖，高纯度的纤维素为半结晶聚合物，在植物细胞壁中纤维素的含量为35%。从化学结构上看，纤维素是由D-葡萄糖单元以β-（1,4）-糖苷键链接而成的线性大分子多糖，每个葡萄糖单元有三个羟基，在结晶区两个葡萄糖单元相互倒置，羟基和氢原子分布在葡萄糖环平面的两侧，这一特殊结构有利于纤维素形成分子内和分子间氢键，从而增强纤维素分子的稳定性。但是，纤维素分子之间存在大量的氢键，很难能够与水分子等溶剂结合形成氢键，因此，常温下纤维素既不溶于水也不溶于一般有机溶剂。更为重要的是，纤维素的低溶解度是阻碍纤维素应用的最大障碍，为了提高纤维素的溶解度，大量科学研究探索了一系列溶剂对纤维素溶解性的影响，例如，早期采用黏胶法和铜氨法来溶解纤维素，近年来学者们开发了溶解纤维素的新型溶剂体系，包括N-甲基吗啉-N-氧化物、离子液体NaOH/尿素、二甲基乙酰胺/氯化锂等溶液体系来溶解纤维素。
2 可降解高分子材料在食品包装上的应用
2.1 淀粉
淀粉是由葡萄糖组成的天然高分子链聚合物，其分子量可达数十万。淀粉存在直链和支链两种分子结构，其中可溶于水的为直链淀粉，支链淀粉则不溶，直链和支链的含量通常与植物的来源密切相关。纯热塑性淀粉由于分子链上大量的羟基存在，具有吸湿的特性，且力学性能受湿度影响易大幅下降；淀粉分子链间易生成双螺旋结构，以致材料强度的不稳定性等。工艺上一般对淀粉分子进行针对性的物理改性或化学改性，或者与其它相容性较好的高分子材料共混，使其具备良好的抗润胀性、成膜性和物理机械性能等。在微生物作用下，淀粉材料分解为葡萄糖，最终降解为对环境无害的二氧化碳和水。
2.2 聚丙烯材料
聚丙烯（PP）由丙烯加聚而成，广泛应用于服装、毛毯、等纤维制品，也用于食品包装和食品用容器。PP是一种高密度和高结晶的树脂产品，具有很好的耐酸碱性、耐熔性、耐油性和可塑性，PP塑料本身是没有毒的，很多食品包装袋和水杯都是采用PP塑料制成的。但是PP塑料在制成食品包装袋和水杯的时候，会加入大量的增塑剂、塑料颜料等化学成分，这些化学成分是有毒性的。一般情况下，PP塑料杯是无毒无味的，它的最高温度能够达到167℃左右，所以用PP塑料杯装开水是完全可以的。而且PP塑料杯还能够放进微波炉中加热。PP塑料在加工过程中的温度可以达到180-240℃，在如此高温的情况下PP塑料依然能保持很好的稳定性。
2.3 纤维素纳米纤丝抑菌包装材料
CNF是将天然纤维素预处理后经高速机械剪切获得的纳米级物质，其比表面积大、易降解、亲水性好、凝胶溶液具有良好的流变性等特点，常被应用于食品包装、生物医疗等领域。溶液浇铸法同样也适用于CNF基包装材料的开发。例如，利用CNF作为羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl Chitosan，CCS）Pickering乳液的稳定剂，然后，将获得的乳液浇铸在塑料模具上，室温干燥制备稳定的抑菌薄膜。同时，力学性能研究发现，当压力达到5.0MPa时CNF抑菌膜的应变为2.2%，表明此膜材料具有较好的力学强度。利用此膜材料包装食品，可显著抑制浆果中腐败微生物的生长，在果蔬保鲜中有广阔的应用前景。将CNF溶液加入RC溶液中，以氢氧化镁纳米片（Magnesium Hydroxide Nanoplatelets，MHNPs）为抑菌剂，浇铸干燥后制备了CNF/MHNPs/RC纳米复合膜。抑菌实验表明MHNPs增强了纳米膜对E.coli的抑菌能力，但却降低了纳米膜的机械性能，而加入CNF可以显著改善由MHNPs引起的性能变化，这是由于CNF分散在RC基质中，将MHNPs缠绕，形成纤维网络包围结构，当纳米复合膜受到应力时，实现从RC基质到CNF的应力转移，从而使复合膜的抗拉强度增强至2倍以上。
2.4 植物纤维
植物纤维在食品包装领域中，常用于制作一次性植物纤维餐饮容器。利用废弃农作物秸秆等天然植物纤维为原料，添加符合食品包装材料卫生标准的安全无毒成型剂，经独特工艺和成型方法制造可完全降解的绿色环保产品。该产品耐油、耐酸碱、耐冷冻。强度优于泡沫塑料和纸制餐具。该产品不仅杜绝了白色污染，还为秸秆等植物纤维的综合利用提供了有效途径。
2.5 聚对苯二甲酸乙二醇酯材料
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）由对苯二甲酸和乙二醇脂交换或以对苯二甲酸与乙二醇酯化先合成对苯二甲酸双羟乙酯，然后缩聚制得。它在食品包装行业广泛用作碳酸饮料，饮用水，果汁等饮品的包装瓶，PET是一种不耐高温的塑料，达到70℃时就会发生形变，并释放出有毒物质，亦不可长期使用。有科学家指出，PET塑料制品在使用10个月之后，可能会释放出致癌物邻苯二甲酸二（2-乙基）己酯（DEHP），具有睾丸毒性，所以PET制品不得重复使用，不可高温加热。
3 结语
我国已经加强对生物高分子材料的研究，但是该技术还不够成熟，技术应用方面依然存在不可忽视的问题。主要体现在：材料成本较高、材料用途受限、生产技术欠缺等。尽管我国对于生物可降解高分子材料的研究存在很多不足之处，但却并没有停止对其研究，未来该材料应用在包装、医疗领域将会越来越强。
