粮食抗菌抗虫包装研究进展

2022-02-27顾孟清韩林娜解铁民

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2022年5期

路飞, 顾孟清, 韩林娜, 李哲, 解铁民

(沈阳师范大学粮食学院, 沈阳 110034)

1 我国传统粮食包装的发展应用

国家统计局公布的全国粮食生产数据显示,2021年全国粮食产量再创新高,粮食总产量68 285万吨,比上年增加1 336万吨,增长2.0%。针对原粮,考虑杂质、粉尘、粮食散落角、孔隙度、热的不良导体、粮食安全水分[1]等因素,一般采用麻袋、编织袋,每袋75～100 kg进行袋装存放和运输,并存放在干燥阴凉的场所。15%水分的稻谷在25 ℃能够安全储藏72 d,这主要是由于真菌局限曲霉、灰绿曲霉需要的最佳生长温度是30～35 ℃,亮白曲霉的最佳生长温度则是45～50 ℃[2],而昆虫生长发育最佳温度是25～33 ℃[3]。所以干粮食运输储藏当中主要是利用低温条件控制虫卵的生长发育。另外,高水分粮食收获后首先考虑的是通风干燥,及时将水分降到安全范围。

优异的抗虫抗菌粮食包装在粮食储存与流通环节中起着十分重要的作用。20世纪70年代之前,我国粮食包装主要使用以黄麻作物为主要原料纺织而成的麻袋[4]。麻袋耐磨性强,透气性良好,这就有助于及时散失粮堆内产生的热量[5]。并且可以多次反复使用,一条麻袋可以反复使用7～8次[6],这也是现代粮食包装不具有的优势。随着经济的发展,科技不断创新,机械化作业动摇了麻袋在粮食流通包装中的地位。一方面是因为麻袋本身存在很多问题,如屏蔽性差,易受到外界环境的污染,容易受潮霉变[7]。另一方面,黄麻资源短缺,常常需要进口国外黄麻原料,这使得生产麻袋的成本增加。

除上述原因外,白色塑料袋与塑料编织袋的出现也是尤为重要的一个原因。其价格低廉、表面光滑透明,能够更好地观察到内容物的状态,不必回收再利用,深深受到粮食经销商的喜爱。现在使用的塑料袋与塑料编织袋主要是由聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)及尼龙(nylon,PA)等材料制成[8]。虽然塑料包装袋在日常生活中应用较为广泛,但也存在一些缺点,该类包装防虫、防霉及保鲜效果较差,并且塑料包装内部性质较为稳定,不易被自然界的分解者分解,会产生污染环境与危害人类和生物的“白色污染”[9]。塑料包装袋在生产过程中,消耗了很多的资源与能量,被消耗掉的资源与能量是不可逆的,这样会导致资源枯竭和污染物的大量聚集,从而对人类及其他生物造成伤害[10-11]。经过人们对于包装材料地深入研究,许多新型包装登上舞台,逐步取代传统粮食包装。

2 新型粮食抗菌包装

细菌是导致粮食变质的主要微生物原因,其次是霉菌和酵母菌以及病毒微生物[12-13]。为了能够杀死或者抑制污染食品的腐败菌和致病菌,人们研制出的新型粮食包装主要是通过2种方式实现的,一是阻隔腐败菌和致病菌进入粮食中,二是在包装材料中添加可以改变包装内环境的物质,或者是利用载体的选择透过性等特殊性能来抑制微生物的繁殖。下面主要介绍3种粮食新材料包装----高阻隔性粮食包装、纳米抗菌粮食包装和气调粮食包装。

2.1 高阻隔性粮食包装

高阻隔包装是指包装材料对某些物质具有很低的透过率。乙烯-乙烯醇共聚物(ethylene vinyl alcohol copolymer,EVOH)、聚偏二氯乙烯(polyvinylidene Chloride,PVDC)、聚酰胺(polyamide, PA)并称为三大高阻隔性材料[14]。EVOH是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物进行皂化反应的醇解产物,由于EVOH树脂分子间内聚力比较强,分子链堆积程度较高,小分子气体难于透过。EVOH对气体、疏水的油类和有机溶剂具有很强的阻隔性能,并且便于印刷,常常作为包装的最外层使用[15-16]。PA俗称尼龙,由氨基酸(或氨基酸衍生物)经过脱水后再聚合制得,还可由二元胺与二元酸脱水缩合而制成。PA制得的薄膜具有无色透明、气密性好、可拉伸形变、机械性能优良、耐高温等优点[17]。PVDC在40 ℃条件下,以过氧化苯甲酰为引发剂,由偏二氯乙烯共聚而制得[18]。PVDC具有安全无毒、耐油污及多种有机化学试剂、耐用等优良特性,同时具有优异的阻隔氧气和水分的能力,能够保证包装内容物的质量,防止其发霉变质[19-20]。基于以上优势,PVDC通过美国食品药品管理局认证[21],在德国,PVDC出现在“绿色包装”的行列中[22]。PVDC常与其他材料制成复合包装材料或者作为涂布层进行应用。除上述高阻隔材料外,聚丙烯(polypropylene,PP)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)、聚苯二甲酸二乙醇酯(polyethyleneterephthalate,PET)等高阻隔材料在粮食包装中也有着较为广泛的应用[23]。

高阻隔抗菌包装是指将高阻隔材料与抗菌剂复合而制成,得到的产品既有高阻隔材料的优点,又使得包装材料具有杀菌能力,从而延长食品的保质期,减少食品的浪费。高亹旼[24]对比研究了不同包装袋(单层PE膜袋、纸袋、麻袋、PP编织袋、EVALTM高阻隔密封袋)对不同粮食作物的储藏效果。实验结果表明,EVALTM高阻隔密封袋对粮食作物储藏效果最好。EVALTM高阻隔密封袋利用包装内容物自身的生理作用,调节袋内气体环境,同时具有良好的防虫、防霉等效果,能够保证种子的发芽率,且绿色无污染,应用EVALTM高阻隔密封袋包装粮食是一种可行的储粮手段。Xu等[25]将特制的长烷基链季铵盐(long alkyl chain quaternary salt, LAQ)功能化氧化石墨烯(functionalized graphene oxide, GO-g-LAQ)与聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)二者复配,得到对革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌抑菌率为99.9%,同时具有良好疏水性与氧阻隔能力的高性能PHA纳米复合膜,有望成为食品包装应用的理想材料。Shubham等[26]研究脂肪酸对聚乳酸(polylactic acid,PLA)-聚己二酸-对苯二甲酸丁酯(polybutylene adipateterephthalate,PBAT)共混膜性质的影响。研究表明,由于脂肪酸的加入,混合膜的厚度与拉伸强度都有所增加。酚类化合物的存在,使得混合膜具有很强的抑菌作用,并且混合膜具有防紫外线的作用,在食品包装中具有潜在应用前景。Liu等[27]采用原位绿色合成法制备具有可充电抗菌活性的聚乙烯醇电纺纳米纤维膜,纳米纤维膜具有长期耐久、强机械强度的综合性能和高强度的杀菌能力,为绿色和可再生的食品包装的研究提供一种新思路。王超洋[28]采用热轧工艺,以黄麻为原料,制备一种新型复合包装材料----新型黄麻复合材料包装袋。经过80 d的储存实验,包装袋内未检测出黄曲霉毒素的存在,所以新型包装袋具有很好地抑制黄曲霉毒素产生的作用,并且包装袋还可以调节袋内微环境。Thanakkasaranee等[29]为了延长面包的货架期,采用熔融挤出法制备了聚丙烯/丙酸钠复合膜。该复合膜对革兰氏阴性和革兰氏阳性微生物都显示出明显抗菌效果,并且随着丙酸钠的增加,增强了复合膜的抗热、抗机械、抗真菌、抗微生物等性能,有益于保持面包的新鲜度并延长其货架期。

2.2 纳米抗菌粮食包装

纳米抗菌包装是指粒子的直径在1～100 nm分散在其他成膜材料中制成的复合材料。因为纳米粒子本身具有抗菌性,所以制成的纳米复合材料有一定的抗菌性能。纳米抗菌剂分为2种,金属离子纳米抗菌剂和光催化型金属氧化物纳米抗菌剂。

2.2.1 金属离子纳米抗菌剂

目前,金属离子抗菌剂包装材料应用与研究最多的是银离子,其具有杀菌效果好,能够杀灭多种微生物,安全无毒等优点[30]。AgNPs可以根除疾病传播和各种微生物的污染,而不诱导其耐药性[31]。但是金属离子纳米抗菌剂具有迁移的特性,且不能降解。食用过多经过该类抗菌剂包装过的食物,抗菌剂能够在人体内进行富集,从而影响人体健康。正是这些原因使该类抗菌剂的应用受到了限制。

曹崇江等[32]探究了含纳米Ag-TiO2PE塑料包装在高温(30 ℃)、高湿(相对湿度80%)下,对大米储藏防霉保鲜的效果。在90 d的储藏期内,大米脂肪酸、糊化特性、质构等指标变化速度低于对照组,霉菌的含菌量少于对照组的1/2。纳米抗菌包装材料更有利于大米的储藏。Li等[33]制备应用于大米包装的纳米银抗菌包装(ANP),研究表明其可以有效地抑制黄曲霉的生长,能够减少大米的霉变并且能够保证大米的品质保持在较高的水平,在大米包装中非常有应用前景。Marrezd[34]研究的含聚酚类醋酸纤维素(CA)-Ag纳米复合膜对金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌等菌种显示出较高的抗菌活性,同时复合膜中银纳米颗粒的释放低于允许的限度,增加了其作为活性食品包装应用的可能性。庄岩[35]以聚乳酸(PLA)为原料,以纳米银(Nano-Ag)为抗菌剂,通过溶剂挥发法,得到了新型PLA基抗菌包装材料。1%纳米银添加量的PLA材料,其大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌率符合国家规定的抗菌塑料标准。

2.2.2 光催化型金属氧化物纳米抗菌剂

光催化型金属氧化物纳米抗菌剂属于半导体材料,如ZnO,TiO2,SiO2等。TiO2经过紫外光的照射催化水分或氧气分解产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS直接与微生物细胞相结合,破坏微生物细胞的保护屏障,造成微生物细胞胞内物质流出,细胞活力下降,直至死亡[36]。TiO2不仅可以杀死包装内的微生物,同时还可以降解微生物细胞所释放出的有害物质。而且TiO2杀菌完成后,其自身没有损失,可以多次反复使用。该类抗菌剂没有得到广泛的应用是因为抗菌剂在发挥作用时需要紫外线、水分或氧气的参与。

王凡等[37]对比纳米包装袋、普通包装袋和无包装袋3种处理方式在高温(37 ℃)高湿(相对湿度85%)环境条件下对淮稻5号大米保鲜品质的影响。在储藏期间,纳米包装袋内形成一个低O2和高CO2的袋内环境,抑制霉菌的生长,过氧化氢酶活力下降,减少了过氧化物的产生,降低脂肪和蛋白的氧化,有效保持大米的色泽和风味。李容容等[38]研究证明纳米包装袋不但能抑制霉菌生长,还可以自主调节胚芽米袋内环境,保证胚芽米的口感与色泽。Saravanakumar等[39]利用多糖吸附法制备纤维素纳米晶须(cellulose whiskers, CNW)-海藻酸钠(sodium alginate,SA)-纳米氧化铜(CuONPs)复合膜,对引起食源性疾病的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、白色念珠菌、木霉属都有很好的抑制作用,同时还具有一定的抗氧化活性。该复合膜被证明是一种能够克服传统食品包装局限性的活性食品包装系统。Cozmuta等[40]采用溶胶-凝胶法制备了Ag/TiO2高密度聚乙烯纳米复合材料应用于小麦面包中,与未包装的面包相比,通过检测营养成分的变化与微生物指标变化,与对照组相比,Ag/TiO2高密度聚乙烯纳米复合材料显著延长了面包的货架期和微生物的安全性。Zhang等[41]通过在壳聚糖中引入二氧化钛纳米粉体,制备了CS/Nano-TiO2复合膜,并进行抗菌实验分析。研究结果显示复合膜对大肠杆菌、黑曲霉、白色念珠菌、金黄色葡萄球菌4种菌株具有高效的抗菌活性,12 h内杀菌率达到100%,并可引起细胞物质通过受损膜的渗出。

2.3 气调抗菌粮食包装

气调抗菌包装是在包装袋中通过人为干预或内容物自身的调节,使食物处在低氧高二氧化碳或高氮气的环境,不用化学处理与高温杀菌,就能阻止微生物的生长繁殖和抑制内容物的呼吸作用,保持食物原有的营养物质[42-44]。最常用的填充气体是O2、CO2、N2。将O2的含量降至0.2%～1.0%,能够明显抑制好氧菌生长;CO2(高含量,如50 %以上)对霉菌和酶具有很好的抑制作用,对好氧菌有明显的“毒害”作用。粮食能够吸附二氧化碳,使二氧化碳停留在粮食表面,而阻止粮食进行呼吸,降低粮食的生命活动频率,使粮食进入“休眠”状态。阻止粮食内部脂肪的氧化分解,延长储存时间。充二氧化碳包装,又称为“冬眠密实包装”[45]。氮气,由于分子间化学键结合紧密,而化学性质较为稳定,只有在极端条件下才能进行反应,所以氮气是一种惰性气体,无色、无味、无毒。一般只作为包装填充剂使用,可以保证包装内容形状完整及成分完好[46],通过减少包装内的氧气含量来阻止好氧微生物的生长繁殖[47]。活性细胞在充满氮气的环境中,会进入休眠状态,阻止脂肪氧化与色泽变化的发生,一旦解除包装,食品在空气中很快恢复活性,并保持其原汁、原色、原味。氮气可以作为食品包装中的填充气体使用,保持食品包装的膨胀感[48]。抽真空包装也是气调抗菌包装的一种方式。

气调包装中,气体成分组成O2<2%,CO2>20%或O2<10%,CO2>10%,都可以有效抑制粮食中各种霉菌的生长[49]。肖榕晖[50]研究显示,硅窗面积为0.5 cm2的硅窗气调包装,即可有效降低大米在储藏过程中品质劣变,也可抑制谷物寄生昆虫和微生物的生长繁殖。Jordi等[51]研究了高浓度CO2改性气调包装(90%CO2,5%O2,5%N2)对黄曲霉侵染和黄曲霉毒素产生的影响,结果表明,高浓度CO2修饰气调包装能够抑制并阻止霉菌生长与霉菌毒素的产生。梁媛等[52]以粳糙米为研究对象,得出臭氧减菌结合N2气调包装隔绝氧气可以有效延缓糙米氧化速率并抑制微生物污染引起的品质下降,并且能够保持糙米本身的营养物质无损失,是绿色储藏糙米并延长其品质保持的有效手段。Ranmeechai等[53]模拟了冬季大米从北方运输到海南岛期间气温环境的变化,研究不同包装方式在运输过程中对大米质量的影响,得出大米从低温区运输至高温、高湿区时,最好采用真空包装或者充氮包装,避免影响大米的食用品质。

3 包装材料对粮食品质的影响

虽然粮食产品经过干制处理,其生命活动降至很低的水平,但依然存在营养物质消耗的现象;而且粮食产品经过处理加工,失去外壳的保护,营养物质直接裸露,易吸引储粮害虫和微生物在粮堆中生长繁殖,降低粮食的品质,造成粮食中营养物质的流失。目前,国内外普遍通过粮食本身的水分、脂肪酸、还原糖、黏度、带菌量等指标来评价粮食品质的好坏。在一定条件下,高阻隔性包装材料能有效延缓粮食品质的劣变,延长粮食储藏期。李闯[54]研究了PVDC包装材料与PP/PE/PA复合包装材料真空包装,在自然环境和恒温恒湿2种不同的储藏条件下,对大米、小米品质的影响。实验表明,在自然条件下使用PVDC包装材料,可以延长大米小米的储藏期,延缓大米与小米品质的变化。巩雪等[55]研究了7种不同类型的包装对大米保鲜品质的影响。研究结果表明,竹炭真空包装相对于其他6种包装来说,对大米保鲜效果最为显著。