纳米复合薄膜性能和制备方法及其在肉与肉制品中的应用研究进展

邢根安，李洪军,2，李芳，黎轩铭，王春幸，陈茹，贺稚非,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

肉类含有丰富的优质蛋白，可以为人类提供必需氨基酸和微量元素，营养价值较高[1]。但是肉类在贮藏过程中易受到氧化和微生物作用，导致其腐败变质，例如出现变色、异味、发黏、质地变软和水分流失等现象[2]。据统计，因腐败变质的肉高达产量的30%，给肉类行业带来巨大的经济损失[3-4]。肉类包装可以使肉类食品免受外界环境的影响，从而达到保持其品质和延长其保质期的效果[5]。目前，以石油衍生物为原料生产的塑料存在不可回收、生物降解性差和污染环境等缺点，因此人们对环保型材料的需求愈发迫切[6]。许多研究者采用可降解的生物大分子如蛋白质、多糖和脂质等作为原料，制成生物聚合物基薄膜来包装肉类食品[3]，但这类薄膜在性能上仍有提高和改进的需求[7-8]。

生物聚合物基薄膜当前的发展趋势是增加薄膜的性能[2]，而纳米技术在改善薄膜性能中已显示出巨大潜力[5]。纤维素纳米晶体[8]、壳聚糖纳米颗粒[9]、氧化锌纳米颗粒[3]和二氧化钛纳米颗粒[6]等纳米材料被引入聚合物基质以生产纳米复合薄膜，纳米材料因具有高比表面积和表面能，可与聚合物产生强烈的相互作用，从而改善聚合物的机械性能、阻隔性能、热稳定性、抗氧化和抗菌等特性[5, 10-11]。纳米复合薄膜已经应用于肉类食品中，可达到保持肉类品质和延长保质期的目的[12]。目前，国内外缺乏对纳米复合薄膜在肉类应用方面的系统总结，因此，本文着重介绍了纳米复合薄膜的性能和制备方法及其在肉与肉制品的应用，旨在为食品包装的开发利用提供一定的参考价值。

1 纳米复合薄膜概述

1.1 纳米复合薄膜的定义

纳米复合薄膜是近年来出现的一种由薄膜基质与纳米材料混合形成的新型薄膜[2]。多糖、蛋白质、脂质和聚乳酸等大分子物质由于具有可降解、良好的成膜能力和生物相容性的优点[3]，已成为制备薄膜基质的常用材料。纳米材料是指结构单元尺寸在1～100 nm的材料[13]，按其材质可分为有机纳米材料和无机纳米材料。常见的有机纳米材料有多糖纳米材料和蛋白质纳米材料等，如纤维素纳米晶体[8]、壳聚糖纳米颗粒[9]、玉米醇溶蛋白纳米颗粒[14]等；无机纳米材料包括金属及其氧化物纳米颗粒和非金属纳米颗粒，如银纳米颗粒[15]、氧化锌纳米颗粒[3]、硫纳米颗粒[16]等。纳米材料具有高表面积和生物相容性的特点[5]，可单独或复合与薄膜基质混合制备纳米复合薄膜，并增强薄膜特性。KAUR等[17]制备了含氧化锌纳米颗粒的壳聚糖纳米复合薄膜，发现氧化锌纳米颗粒与壳聚糖分子中的羟基、氨基和酰胺基团有较强的氢键和疏水相互作用，氧化锌纳米颗粒可有效地嵌入壳聚糖基质中。此外，还发现随着氧化锌纳米颗粒浓度的增加，抑菌圈变得更加明显。ALIZADEH-SANI等[18]将纤维素纳米纤维、精油和二氧化钛纳米颗粒嵌入乳清蛋白基质中来制备纳米复合薄膜，纤维素纳米纤维可提高乳清蛋白薄膜的机械强度，精油和二氧化钛纳米颗粒可提高其抗氧化和抗菌活性。

1.2 纳米复合薄膜的性能

纳米复合薄膜不仅具有可再生、可生物降解的优点，而且由于其中的纳米材料具有较大的表面积和独特的物理化学特性，可以与薄膜基质发生强烈的界面相互作用，从而使其具有优异的机械性能、阻隔性能、热稳定性、抗氧化性和抗菌活性[19]。

1.2.1 机械性能

食品包装薄膜需要具有良好的机械性能，以抵抗处理、贮存和运输过程中产生的外力[3]。通常，薄膜的机械性能由断裂伸长率、杨氏模量和拉伸强度表示[20]。生物基薄膜普遍存在机械性能差的缺点，可以通过向其加入纳米颗粒来提高机械性能[21]，XIAO等[7]表明用纤维素纳米晶体增强的大豆分离蛋白薄膜表现出优异的可折叠性，这是由于纳米颗粒和薄膜基质之间形成的物理填充和化学相互作用，使薄膜的拉伸强度显著增加。ARDEBILCHI MARAND等[22]发现氧化镍纳米颗粒含量为3%和6%时可增加壳聚糖薄膜的断裂伸长率、杨氏模量和拉伸强度，可能的原因是氧化镍纳米颗粒与壳聚糖之间产生新的相互作用，使机械性能显著增加；但是当氧化镍纳米颗粒含量增加到9%时，薄膜基质中氧化镍纳米颗粒的聚集不利于互连网络的形成，从而导致其断裂伸长率、杨氏模量和拉伸强度显著降低。

1.2.2 阻隔性能

肉类包装的阻隔性能对肉类品质起着重要的作用，纳米复合薄膜的阻隔性能主要体现在水蒸气渗透率、氧气渗透率和紫外线阻隔性[21]。不同的产品和不同的工艺对薄膜的阻隔性能有不同的需求。例如，冷鲜肉和调理肉制品在贮藏时一般需要薄膜具有高阻隔性，来保持其良好的品质。但有些食品如烟熏香肠，一方面需要使熏烟成分进入香肠中，另一方面需要使香肠中水分蒸发，所以需要薄膜具有较低的阻隔性。纳米颗粒的加入可以改变薄膜的阻隔性能[23]，少量纳米颗粒与薄膜基质之间能够形成氢键和致密的网络[24]，从而减少外界气体渗透到鲜肉中，达到延长保质期的目的。SEADI等[25]开发了分别添加质量分数3%和5%氧化锌纳米粒子的纤维素纳米复合薄膜，结果表明添加3%的氧化锌纳米颗粒可显著降低水蒸气渗透率与提高氧气和紫外线阻隔性能，而添加5%氧化锌纳米颗粒会增加薄膜的水蒸气渗透率与降低氧气和紫外线阻隔性能，可能是因为低浓度的纳米颗粒可与纤维素产生界面相互作用以提高薄膜的阻隔性能，而纳米颗粒浓度过高会破坏纤维素链之间的氢键从而削弱阻隔性能。

1.2.3 热稳定性

纳米复合薄膜的热稳定性是指其对温度的承受能力[22]，XIAO等[7]表明添加适量的纤维素纳米晶体后，大豆分离蛋白基薄膜的热性能得到了改善，这可能是因为纳米复合薄膜中交联相互作用增强影响的。纳米复合薄膜的热稳定性与纳米材料的质量浓度有着密切的关系。ARDEBILCHI MARAND等[22]发现不含氧化镍纳米颗粒的壳聚糖薄膜的热降解为231.5 ℃，含3%、6%和9%氧化镍纳米颗粒的壳聚糖薄膜热降解温度分别增加到237.9 ℃、256.6 ℃和237.2 ℃。表明当纳米颗粒处于低浓度时，壳聚糖链和氧化镍纳米颗粒之间的分子间产生相互作用，导致纳米复合膜热稳定性增强，而高浓度氧化镍纳米颗粒的聚集会降低膜的均匀性，导致热稳定性降低。因此，制备纳米复合薄膜需要选择合适的纳米颗粒浓度，才能达到最佳的热稳定性。

1.2.4 抗氧化性

蛋白质氧化和脂质氧化是肉类变质的主要原因之一[2]。纳米复合薄膜的抗氧化效果体现在对氧气、紫外线的阻隔能力和其抗氧化成分抑制氧化的能力[21]。SOUZA等[26]表明，添加蒙脱石纳米颗粒增强了壳聚糖薄膜的气体和紫外线阻隔性能，从而提高了薄膜的抗氧化性。通过向薄膜中加入抗氧化剂以提高其抗氧化活性，从而扩大其在肉类中的应用。PRIYADARSHI等[12]开发了载有氧化锌纳米颗粒和葡萄籽油提取物的羧甲基纤维素纳米复合薄膜，由于葡萄籽油提取物含有丰富的多酚，添加后可显著提高纳米复合薄膜对2，2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基的清除活性。

1.2.5 抗菌活性

肉类容易受到微生物污染，因而抗菌性能是包装肉类食品的薄膜不可缺少的功能[27]。通过向薄膜基质中添加具有抗菌性纳米颗粒，可以增强薄膜的抗菌性能。纳米颗粒可穿透细菌细胞，在细胞内释放有毒离子或产生活性氧，导致细菌细胞死亡[12]。PRIYADARSHI等[16]表明，纯海藻酸盐薄膜没有抗菌活性，随着藻酸盐薄膜中硫纳米颗粒浓度的增加，抗菌作用逐渐增加，得到的纳米复合薄膜对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌有较强的抑制作用。另一项研究发现氧化锌纳米颗粒的添加赋予了羟甲基纤维素薄膜对食源性病原体、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌的抗菌活性[12]。

2 纳米复合薄膜的制备方法

2.1 溶液浇铸法

溶液浇铸法是一种操作简便且低成本的薄膜制备方法[21]。该制备方法是首先将一定比例的聚合物不断搅拌或超声处理以形成均匀稳定的溶液，离心过滤，然后将过滤后的溶液浇铸到玻璃平板上，并在设定温度、时间和相对湿度的烘箱中蒸干，待薄膜完全干燥后剥离，并用氢氧化钠中和多余的酸，再用去离子水彻底清洗薄膜，然后将其存放在设定相对湿度的干燥器中[28]。由于其成膜机制是分子间和分子内氢键的相互作用，因此用这种方法制成的膜可表现出合适的机械性能、良好的热稳定性和阻隔性能。但也存在薄膜厚度不均匀导致机械较差和残留在薄膜上的溶剂可能会引起安全问题等缺点[21, 29-30]。SAEDI等[25]应用溶液浇铸法制备了含氧化锌纳米颗粒的纤维素基纳米复合薄膜，该薄膜表现出适当的柔韧性、良好的透明度和有效的紫外线阻隔性能。

2.2 挤出法

相比于溶液浇铸法，挤出法也是常用的方法，其优点是制备时间更短和能耗更低，并且制备出的薄膜具有优异的机械性能和热稳定性[28]；然而其缺点是在挤出过程中会产生高机械能和热能，容易对成膜聚合物产生不利影响[31]。挤出法的步骤为：首先将不同成分的原料混合均匀，将混合物在挤出机中挤出，通过造粒机将挤出物切成颗粒，在烘箱中烘干颗粒，再使用挤出机将颗粒挤成片状，最后使用双螺杆挤出机或吹膜挤出机挤出薄膜[28]。ESTEVEZ-ARECO等[31]通过挤出工艺成功地开发了含有迷迭香纳米颗粒的淀粉纳米复合薄膜，该薄膜显示出良好的拉伸韧性和耐热能力，纳米颗粒在挤压过程中可良好的分散到薄膜基质中，同时表明该过程中产生的高温不足以使其破坏。

2.3 逐层自组装技术

逐层自组装技术是一种静电沉积技术，可用于生产具有功能特性的纳米薄膜[21]。其制备步骤如图1所示，将薄膜基质交替放入阴离子和阳离子溶液中，通过静电作用使带相反电荷的材料交替聚集到薄膜基质上来制造聚电解质多层活性薄膜，沉积的机理主要取决于每个交替层的相互吸引，这可能是基于带电聚合物之间的氢键、疏水相互作用、范德华力以及静电相互作用[28]。逐层自组装技术优点是可改善纳米纤维的机械性能、阻隔性能和抗菌性能；缺点是制备过程中易受pH值的影响[28]。逐层自组装技术常用来改性纳米纤维薄膜，HUANG等[32]通过使用逐层自组装技术，将带正电荷的壳聚糖和带负电荷的单宁酸交替沉积到纤维素纳米纤维上，形成多层纳米薄膜，并且制备的纳米纤维薄膜具有三维结构。由于纳米纤维上的单宁酸与壳聚糖的相互作用，该薄膜表现出的更强的抗拉强度、疏水性和抗菌活性。

图1 逐层自组装技术的步骤Fig.1 Steps of layer-by-layer self-assembly technology

2.4 静电纺丝技术

静电纺丝是一种多功能技术，用于连续生产纤维直径范围从微米到纳米的纳米纤维，具有实验条件温和、成本低和操作简便的优势[29]。通过静电纺丝获得的纳米纤维具有尺寸细、比表面积大、低密度、孔隙率高、纵横比大、更适合封装热不稳定活性剂和机械性能优异的特点[33]。该技术的缺点是产量小，需要特殊设备[29]。静电纺丝技术的步骤如图2所示，首先将制备好的聚合物溶液放入注射器中，聚合物溶液在高压电场的作用下从注射器中挤出，在注射器尖端形成“泰勒锥”。随着电场强度的增加，正电荷会在“泰勒锥”附近累积，进一步克服表面张力并引起流体喷射。电场内的射流喷射到带有相反电荷的收集器，导致溶剂蒸发和超细聚合物纤维形成，纤维沉积在接收器上以形成纳米纤维薄膜[33-34]。LIU等[35]使用静电纺丝技术成功地制备了壳聚糖、明胶和ε-聚赖氨酸组成的抗菌纳米纤维薄膜，该纳米纤维薄膜具有均匀的网络结构和良好的连续性，并且具有优异的机械性能、阻隔性能和抗菌活性等特点。

综上，根据生产需求不同，应用的制备方法也不同，这四种制备方法的优缺点如表1所示。

图2 静电纺丝技术的步骤Fig.2 Steps of electrospinning technology

3 纳米复合薄膜在肉与肉制品中的应用

3.1 纳米复合薄膜在鲜肉中的应用

鲜肉水分含量高，营养物质丰富，容易被微生物污染和发生脂质氧化，导致营养价值降低[2]。近年来，有许多研究将纳米复合薄膜应用于鲜肉贮藏。纳米复合薄膜发挥作用表现在两个方面：一方面，纳米复合薄膜可以作为物理屏障，避免肉类与外界环境直接接触，达到保持肉类品质的目的[7]；另一方面，通过将具有特殊性质的纳米颗粒加入到薄膜中可显著改善薄膜的性能，进而抑制肉类脂肪氧化和微生物生长繁殖[27]。如表2所示，列举了纳米复合薄膜在鲜肉中的应用，例如QIAN等[8]研究发现添加含5%纤维素纳米晶体的凝胶多糖薄膜，其力学性能和阻隔性能均优于纯凝胶多糖薄膜，该薄膜应用于猪肉保鲜后，猪肉中脂质氧化和微生物的生长繁殖都受到了抑制，且保质期增加到12 d。这是因为纤维素纳米晶体形成的纳米纤维聚合物薄膜具有良好的屏障功能，能够抑制液体和气体物质的渗透和扩散[36]。XIAO等[37]成功制备了含纤维素纳米晶体、氧化锌纳米颗粒或纤维素纳米晶体和氧化锌纳米颗粒混合物的3种大豆分离蛋白基纳米复合薄膜，其中纤维素纳米纤维增强了纳米复合薄膜的阻隔性能并抑制了腐败细菌的生长，而含氧化锌纳米颗粒的薄膜对猪肉中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出更强的抑制作用，并且使猪肉具有较低的挥发性盐基氮值，有效延长其货架期。但研究表明氧化锌纳米颗粒会从薄膜迁移到猪肉表面，而纳米颗粒因其尺寸小可穿透细胞，并在人体内积累，诱发细胞内损伤、DNA突变、肺部炎症和血管疾病等[38-39]。因此，纳米材料的大小、质量浓度、表面反应以及与食品成分的其他相互作用这些信息应该被掌握，来评估纳米复合薄膜在肉类包装中的应用[39]。

表1 四种纳米复合薄膜制备方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of four nanocomposite film preparation methods

为了扩大纳米复合薄膜的抗菌和抗氧化特性，许多研究将天然活性物质与纳米颗粒结合添加到薄膜基质中来制备纳米复合薄膜，并发现这类薄膜对肉类保鲜有更好的效果。ALIZADEH-SANI等[18]发现含有1%二氧化钛纳米颗粒和2%迷迭香油作为功能成分的纳米复合薄膜可显著减少羊肉在储存过程中的微生物生长、脂质氧化和延缓羊肉pH 值的变化，从而使羊肉保质期延长了9 d。PRIYADARSHI等[12]研究发现含3%氧化锌纳米颗粒和5%葡萄籽油提取物的羧甲基纤维素基纳米复合薄膜对牛肉上的食源性病原体、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌的生长具有显著抑制作用，并且加入葡萄籽油提取物可增强薄膜的抗氧化性，使牛肉在贮存15 d后仍显示较低的过氧化值。

3.2 纳米复合薄膜在肉制品中的应用

目前，纳米复合薄膜在肉制品中的应用的研究主要集中于其对香肠的应用，发现能够起到良好的贮藏效果。例如，MATHEW等[15]开发了银纳米颗粒增强的聚乙烯醇基纳米复合薄膜，其具有优异的可降解性、抗拉强度、紫外线阻隔性能和防水性能，用于包装鸡肉香肠时，阻止了氧气和水分与鸡肉香肠的接触，而且由于银纳米颗粒的存在，该薄膜可抑制鸡肉香肠中细菌生长和脂肪氧化，从而延长其货架期。还有研究是将抗菌剂添加到纳米复合薄膜中以提高其抗菌性能，从而延长肉制品的货架期。REZAEIGOLESTANI等[40]制备了掺入精油、蜂胶乙醇提取物和纤维素纳米纤维的聚乳酸基纳米复合薄膜，并在香肠上进行了测试，研究表明最初香肠的味道和气味会受到精油气味的影响，经过14 d的贮藏，对照组的香肠因微生物生长繁殖而产生刺激性气味，发生腐败变质。而使用纳米复合薄膜包装的香肠中微生物生长繁殖缓慢，无明显异味，货架期可延长至40 d。

表2 纳米复合薄膜在肉与肉制品中的应用Table 2 Application of nano composite film in meat and meat products

4 展望

随着人们环保意识的不断增强，对可再生、可生物降解的肉类包装材料需求愈发强烈，纳米复合薄膜相比于生物聚合物基薄膜来说，具有更好的机械性能、阻隔性能、热稳定性、抗菌性和抗氧化性，可以更大限度的保持肉类品质，延长其保质期，所以纳米复合薄膜在肉类中有着巨大的应用前景。但是纳米材料的高昂成本和安全性问题仍限制着它在工业上的应用。因此，我们未来仍需进一步完善其相关研究，可以从以下几方面进行研究：(1)现已对纳米复合薄膜的性能进行了大量研究，但一些纳米复合薄膜的性能并未达到理想的效果，可进一步研究向纳米复合薄膜加入活性物质来完善纳米薄膜的性能;(2)进一步研究适合在工业上大量生产纳米复合薄膜的更简便高效的薄膜制备方法，为工业生产实践提供参考;(3)纳米材料的安全性问题需要高度重视，需建立体外和体内模型对纳米复合薄膜进行安全性评估;(4)现已研究了纳米复合薄膜对肉类食品有保鲜作用，仍需进一步探讨其保鲜机理，并应用于其他食品;(5)针对不同的食品，开发出不同的新型纳米复合薄膜，并探究纳米复合薄膜与食品之间的相互作用。