食品包裝用高阻隔抗菌薄膜的制備及性能分析

段華偉+湯樹海

高阻隔抗菌包裝技術(shù)是指在食品包裝過程中，通過使用抗菌劑和高阻隔性材料，將食品包裝控制在高阻隔和無菌條件下，不僅能有效抑制微生物和水分的入侵，而且利用抗菌劑能對內(nèi)部微生物的生長繁殖起到抑制或滅活的作用，從而有效延長食品的保質(zhì)期，提高安全性，同時減少食品防腐劑的添加，保障消費者的健康安全。

為滿足客戶在相關(guān)方面的需求，我公司研發(fā)了一款食品包裝用高阻隔抗菌薄膜，并且已經(jīng)成功應用于食品包裝袋。從客戶實際應用的反饋得知，使用該薄膜制成的食品包裝袋能使食品保質(zhì)期延長50%～100%，而且不會對食品品質(zhì)造成損害，客戶對此非常滿意。

下面，筆者將對這款高阻隔抗菌薄膜的制備及抗菌性能分析進行詳細介紹，希望能給同行帶來更多啟發(fā)。

抗菌劑選擇

添加到食品包裝中的抗菌劑主要有有機化學抗菌劑、天然生物抗菌劑和無機抗菌劑。其中，有機化學抗菌劑具有一定毒性，會對人體造成一定危害；天然生物抗菌劑毒性較小，但抑菌效果大多不理想，且成本十分昂貴；無機抗菌劑是光譜抗菌劑，屬于離子溶出接觸型抗菌劑，所需濃度較低，但價格昂貴，且多數(shù)以涂層的形式涂布在薄膜表面，使用壽命較短，與薄膜的相容性不好。

納米MgO不僅是一種具有高吸附力的吸附劑，本身也是一種無菌抗菌劑。納米MgO極易水合，表面會因此形成一層Mg（OH）2。溶解在溶液中的氧通過單電子還原反應生成過氧離子O2-，由于O2-在堿性環(huán)境中具有良好的化學穩(wěn)定性，因此高濃度的O2-能在MgO表面穩(wěn)定存在，從而對細胞膜壁造成破壞，無需光照即可迅速殺死細菌。小粒徑MgO的比表面積較大，因此表面OH-濃度較高，在水溶液中產(chǎn)生的O2-濃度也較高，從而增加了O2-與細菌芽孢之間相互作用的概率，大大提高了MgO的殺菌能力。

表1為5mg納米MgO對大腸桿菌的定量殺滅實驗數(shù)據(jù)，表2為納米MgO對細菌芽孢的定量殺滅實驗數(shù)據(jù)，表3為納米MgO對金黃色葡萄球菌的定量殺滅實驗數(shù)據(jù)。由表1～表3的實驗結(jié)果可知，納米MgO對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌繁殖體有著優(yōu)異的抑制和殺滅功能，對細菌芽孢也有一定的殺滅作用。

由此可見，納米MgO無需光照即可有效殺滅細菌，且物理吸附作用強，不變色，因此筆者將其作為抗菌劑應用到高阻隔抗菌薄膜中。

高阻隔性材料選擇

普通聚乙烯（PE）薄膜對氧氣的阻隔性能較差，解決這一問題最為有效的方法就是引入高阻隔性樹脂，筆者選擇的高阻隔性樹脂是乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）。

大量研究表明，EVOH對氧氣和碳氫化合物等具有優(yōu)異的阻隔性能，因此被廣泛應用于聚乙烯基材的阻隔改性中。EVOH是乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）進行皂化反應或部分皂化反應的醇解產(chǎn)物，是一種高度結(jié)晶體，而且EVOH分子中的羥基和分子間的氫鍵具有強烈的鍵合作用，分子間內(nèi)聚力很強，分子鏈堆積程度較高，小分子氣體也難以透過。

實驗中，筆者所用EVOH是美國杜邦OH4416，屬于擠出級。表4為在溫度20℃、相對濕度65%的條件下，EVOH與其他薄膜氧氣透過率的對比。從表4中不難看出，EVOH的氧氣阻隔性是常規(guī)PE薄膜的4～5個數(shù)量級。

EVOH除了對氣體具有高阻隔性以外，對油脂也具有高阻隔性，且具有良好的光澤度、透明性、耐候性等。但EVOH具有親水性，易吸水溶解，其阻隔性會因此明顯下降，但只要將EVOH夾在材料的中間層，減少與水分的接觸，其吸水溶解問題就能得到有效解決。

高阻隔抗菌薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)高阻隔抗菌效果，薄膜應采用復合結(jié)構(gòu)。由于EVOH具有親水性，將其放置在內(nèi)層或外層均無法充分持續(xù)發(fā)揮其高阻隔性能，因此只能將其放置在中間層；而抗菌劑則應放置在內(nèi)層，這樣才能充分發(fā)揮其抗菌作用。

因此，高阻隔抗菌薄膜的復合結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)應為PE/EVOH/PE/EVOH/抗菌PE（如圖1所示），其中，PE層厚度為30μm，EVOH層厚度為20μm，抗菌PE層厚度為20μm，采用雙螺桿五層共擠流延法進行生產(chǎn)。

高阻隔抗菌薄膜性能分析

1.抗菌性能

該薄膜的抗菌性能主要由內(nèi)層抗菌PE層保證，其抗菌性能主要與納米MgO的用量及其在PE中的分散性有關(guān)。表5為不同劑量納米MgO制成的抗菌PE膜對大腸桿菌的殺滅實驗。從中可知，當使用3%納米MgO時，薄膜的大腸桿菌殺滅率可達99.99%。

2.阻隔性能

由于EVOH具有優(yōu)異的阻隔性能，使薄膜整體達到高阻隔效果。

從表6可以看出，EVOH層越厚，薄膜的阻隔性能越好。在筆者設(shè)計的薄膜結(jié)構(gòu)中含有兩層相同的EVOH層，當單層EVOH厚度達到20μm時，薄膜氧氣透過率達到最佳，為0.5ml/（m2？24h？0.1MPa）。

3.其他性能

高阻隔抗菌薄膜除了要具備抗菌性能和阻隔性能以外，還要具備一定的物理性能，如拉伸強度、撕裂強度、熱合強度等。

對此，筆者進行了相應的測試，測試結(jié)果如表7所示。其中，拉伸強度按GB/T 1040-1992《塑料拉伸性能試驗方法》測試，拉伸速率為5mm/ min，溫度為25℃；撕裂強度按QB/ T 1130-1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》測試；熱合強度按QB/T 2358-1998《塑料薄膜包裝袋熱合強度試驗方法》測試。endprint