食品包裝材料的研究及應(yīng)用

鄧躍偉 李雁楠 楊永登

食品包裝能起到豐富食品觀感和保護(hù)食品品質(zhì)的作用，選擇性能優(yōu)異的食品包裝材料不僅能夠延長食品的保質(zhì)期，防止食品被外界環(huán)境中的微生物污染，而且有利于增強(qiáng)食品的附加值和產(chǎn)品品牌市場競爭力。如今，食品包裝產(chǎn)品已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模和發(fā)展速度較其他工業(yè)領(lǐng)域也相對迅速，針對食品包裝產(chǎn)品的科學(xué)研究也如火如荼。當(dāng)前，食品包裝材料中塑料高分子制品占據(jù)主要地位，隨著市場需求的不斷提高，新型食品包裝高阻隔材料、抗菌材料、可降解材料等的應(yīng)用也越來越廣泛。

新型食品包裝高分子材料

隨著功能化學(xué)、有機(jī)生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的交叉融合，新型食品包裝高分子材料目前發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)食品包裝高分子材料相比，具有以下特性：①脫離單一材質(zhì)限制：不局限于聚烯烴、聚酯、聚酰胺等傳統(tǒng)包裝材質(zhì)，而是選擇新型功能材料或者將功能材料與傳統(tǒng)高分子材料取長補(bǔ)短，優(yōu)化組合，得到性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料。②利用天然產(chǎn)物或工業(yè)生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物開發(fā)出環(huán)境友好、生態(tài)綠色的食品包裝高分子材料，有效節(jié)約資源與能源的同時(shí)滿足人們對健康環(huán)保的期望。③創(chuàng)新合成策略，從分子尺度設(shè)計(jì)調(diào)控，精準(zhǔn)針對高阻隔、抗菌、可降解等靶向功能，全面改善包裝材料性能。

高阻隔材料 由于外界環(huán)境（水蒸氣、氧氣、光照、微生物等）復(fù)雜多變，食品包裝材料必須具備良好的阻隔性以對抗外部條件對包裝內(nèi)產(chǎn)品的影響，起到保障產(chǎn)品品質(zhì)，延長儲藏時(shí)間的作用。因此具有優(yōu)異阻隔性的食品包裝材料一直是研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)食品包裝材料中的紙質(zhì)材料由于其疏松多孔的纖維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其阻隔性較差;金屬、玻璃、陶瓷因其具有致密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而具有較好的阻隔性，但受限于其成本、加工特性限制了應(yīng)用范圍;目前得到廣泛使用的塑料包裝原料易得，加工步驟較少，因此新型高阻隔食品包裝材料的研發(fā)也圍繞塑料材質(zhì)為核心進(jìn)行，主要技術(shù)手段有結(jié)構(gòu)調(diào)控、多層復(fù)合、表面涂覆、摻雜改性等。

結(jié)構(gòu)調(diào)控。塑料高分子聚合物的構(gòu)型特點(diǎn)決定了其表觀物理性能，進(jìn)而影響其應(yīng)用場景。因此聚合物在分子尺度上的聚集狀態(tài)（如結(jié)晶和無序狀態(tài)），將顯著影響其阻隔性，通過提高結(jié)晶度，使分子鏈減少離散將增強(qiáng)高分子聚合物的阻隔性能。例如通過雙向拉伸工藝使高分子聚合物薄膜在縱橫向上同時(shí)取向，提高分子鏈排布有序程度，縮短鏈間距，從而使小分子氣體和水蒸氣難以通過，改善阻隔性能。李婷等利用微層共擠出技術(shù)制備了具有交替層狀結(jié)構(gòu)的（PP+ EVOH） /PP復(fù)合材料，結(jié)果表明，通過微層共擠出技術(shù)，PP層和（PP+ EVOH）層沿?cái)D出方向交替排列，EVOH在PP基體中的的分散形態(tài)由零維球形變?yōu)橐痪S纖維狀，進(jìn)而演變?yōu)槎S片狀。這些形態(tài)導(dǎo)致微層共擠出材料的氮?dú)鉂B透系數(shù)和斷裂伸長率較普通共混物分別下降了兩個(gè)數(shù)量級和提高了27倍，并且顯著影響其結(jié)晶行為。

多層復(fù)合。復(fù)合膜加工中將BOPP（雙向拉伸聚丙烯）或BOPET（雙向拉伸聚酯）作外層，將具有較好阻濕與阻氧能力的PA（聚酰胺）、EVOH（乙烯-乙烯醇共聚物）、PVDC（聚偏二氯乙烯）、金屬Al箔作內(nèi)層，熱封層為CPP（流延聚丙烯）或PE，得到兼有避光性能的高阻隔材料應(yīng)用于對環(huán)境要求苛刻的熟制肉制品或藥品包裝，極大增強(qiáng)了產(chǎn)品的保鮮度。利用聚醋酸乙烯酯的水解物聚乙烯醇（PVA）阻氧怕濕的特點(diǎn)，將PVA水溶膠作為具有良好阻濕能力的PP（聚丙烯）或者PE（聚乙烯）的夾層，既便于加工，又增強(qiáng)了成膜阻隔性。

抗菌材料 微生物在較適宜的條件下可迅速繁殖，引起食品腐敗變質(zhì)，并使食物成為細(xì)菌污染源和疾病傳播源，危害人類健康。食品包裝產(chǎn)品是食品保質(zhì)保鮮的第一道屏障，因此對于抗菌包裝材料的研究顯得尤為重要;一方面，抗菌包裝材料可以保護(hù)內(nèi)容物免受微生物污染;另一方面也可以減少包裝表面微生物的傳播。目前抗菌食品包裝高分子材料的研發(fā)路徑主要有添加抗菌劑和附著表面抗菌涂層。

抗菌劑。抗菌劑在抗菌材料中可以起到抑制微生物核酸復(fù)制或者直接殺滅微生物的效果。目前使用的抗菌劑主要分為無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑3類。無機(jī)抗菌劑根據(jù)作用機(jī)理可分為為金屬型抗菌劑和光催化型抗菌劑;金屬型抗菌劑通過Ag+，Zn2+，Cu2+ 等金屬離子接觸式殺菌、催化式殺菌、抑制ATP合成酶的活性等過程抗菌，光催化型抗菌劑通過納米二氧化鈦顆粒、二氧化鈦/金屬鈉、二氧化鈦納米管等受激發(fā)產(chǎn)生光電子躍遷，生成羥基自由基（OH-）氧化殺菌。Panea等將質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%和 10%的氧化鋅和銀復(fù)合納米粒子與低密度聚乙烯（LDPE）混合制備成膜用來包裝肉制品，觀察并研究了21天包裝內(nèi)氣體濃度、脂質(zhì)氧化指數(shù)及微生物生長狀況等指標(biāo)變化，發(fā)現(xiàn)該膜殺死接種微生物的抗菌率高達(dá)99.99%，具有優(yōu)異的抗菌性。

抗菌涂層。Shankar等使用溶液澆鑄的方法制備了光滑且致密的PLA（聚乳酸）/納米ZnO復(fù)合薄膜，復(fù)合膜在不降低透明度的前提下兼具阻擋紫外線的功能，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的ZnO后，ZnO/PLA薄膜的拉伸強(qiáng)度比PLA單層膜增加了27.5%，水蒸氣透過率降低了30.5%，對大腸桿菌和單增李斯特菌有抑制作用。Buonocore等將溶菌酶和聚乙烯醇共混為抗菌內(nèi)層，聚乙烯醇為涂布外層，研究表明，通過多層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以控制溶菌酶從PVA 中的釋放速率，達(dá)到持續(xù)抗菌的作用。段華偉[5]等制成由外向內(nèi)的PE/EVOH/PE/EVOH/納米MgO聚乙烯抗菌復(fù)合膜，相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明此結(jié)構(gòu)能有效控制活性物質(zhì)的釋放，對大腸桿菌的殺滅率可達(dá)90%。

可降解材料 可降解即包裝材料的環(huán)境分解性，傳統(tǒng)食品包裝塑料材質(zhì)用量大、不易自然分解，其造成的白色污染損害生態(tài)環(huán)境，是環(huán)保監(jiān)管的重點(diǎn)。為有效降低食品包裝對于生態(tài)環(huán)境的污染，可降解性成為新型食品包裝材料研究的重要分支?？山到獍b材料根據(jù)不同的降解原理分為光降解材料、生物降解材料、熱降解材料。光降解材料是指材料吸收不同波長的光波后，光能量促使鏈引發(fā)，使分子鍵能減弱，長鏈斷開成短鏈，被自然界氧氣氧化，發(fā)生自由基重構(gòu)化反應(yīng)，進(jìn)一步分解成能被微生物消化的小分子化合物。生物降解材料是指在一定的溫濕度下，材料能被微生物利用進(jìn)行自體生化反應(yīng)，代謝最終產(chǎn)物為二氧化碳和水。熱降解材料是指材料在相應(yīng)溫度區(qū)間熱解成對環(huán)境無負(fù)擔(dān)的低分子。依據(jù)可降解材料的種類，大致可分天然生物分子可降解材料和生物/通用合成分子可降解材料。

作者簡介：鄧躍偉 ，工程師，研究方向：食品包裝產(chǎn)品檢驗(yàn);李雁楠，研究方向：食品包裝產(chǎn)品檢驗(yàn);楊永登，助理工程師，研究方向：食品包裝產(chǎn)品檢驗(yàn)。