生物可降解高分子材料在食品包裝中的應(yīng)用研究

徐玉瑩

（中南民族大學(xué)，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)如今的食品包裝需要在做到保障食品不遭到外界不良環(huán)境因素影響的同時(shí)，具備良好的生態(tài)適應(yīng)性，換言之，食品包裝的材料不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。在這種要求下，傳統(tǒng)的聚乙烯之類的塑料食品包裝完全不符合生態(tài)適應(yīng)的要求。本文研究生物可降解高分子材料在食品包裝中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)今后這類材料的創(chuàng)新、應(yīng)用普及有著一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 食品包裝中生物來(lái)源可降解高分子材料的應(yīng)用

1.1 淀粉材料

谷類以及薯類等植物的根部、莖部和種子中廣泛存在著淀粉，這一物質(zhì)是自然界中一種取之不盡的多糖化合物。同時(shí)淀粉在各種環(huán)境中均具備完全的生物降解性，再加之其價(jià)格較低，再生周期較短，成為目前應(yīng)最為廣泛的一類天然性質(zhì)的生物可降解高分子材料[1]。目前天然和改性淀粉作為淀粉的兩個(gè)重要組成分類，在食品包裝和加工領(lǐng)域中均得到了十分廣泛的應(yīng)用。這一材料與當(dāng)前現(xiàn)存的可降解成膜材料相對(duì)比，以淀粉作為基礎(chǔ)制備的薄膜具有與合成高分子材料薄膜較為相似的物理性質(zhì)。但同樣的這一物質(zhì)也存在著強(qiáng)親水性以及低機(jī)械性能的缺陷，這也就使得淀粉膜在食品包裝中的廣泛應(yīng)用受到限制。

1.2 蛋白質(zhì)材料

一般而言，蛋白質(zhì)必須要通過(guò)熱、酸、堿等多步處理之后，方可保障其結(jié)構(gòu)的延伸結(jié)果和成膜的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)完全一致。蛋白質(zhì)膜與之前的合成膜相對(duì)比，其耐水和機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較差，但同樣其自身較為優(yōu)秀的阻隔性能，也使其被廣泛地應(yīng)用在食品加工行業(yè)中的可食用性食品薄膜和生物可降解包裝膜生產(chǎn)制造中。膠原作為天然蛋白質(zhì)的一種，也是人體結(jié)締組織構(gòu)成極為重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，其主要存在于動(dòng)物的蛋白質(zhì)、骨頭以及血管等肌體組織中。食品保鮮和防腐就是膠原蛋白在食品包裝領(lǐng)域的主要應(yīng)用范圍，可以將之制造成人造腸衣應(yīng)用于香腸制品中，同時(shí)也可以以膠原蛋白作為基礎(chǔ)合成纖維膜，用作肉類和魚類的包裝紙[2]。

2 食品包裝中人工合成生物可降解高分子材料的應(yīng)用

2.1 聚乳酸材料

以乳糖作為原料生產(chǎn)出來(lái)的新型聚酯材料之一，便是聚乳酸，通常又可以分為左旋和右旋、外消旋和內(nèi)消旋等多種的光學(xué)異構(gòu)對(duì)映聚乳酸材料，其中最為常用的便是左旋異構(gòu)的聚合體（PLA）。這一物質(zhì)在完全生物降解性、生態(tài)友好性等方面有著較為顯著的優(yōu)勢(shì)，也是目前生物可降解高分子材料領(lǐng)域中最具備發(fā)展前途的材料之一。這一材料因?yàn)榫邆渲^好的氣體阻隔以及阻濕性，得以在乳制品的包裝行業(yè)中廣泛應(yīng)用。就目前的情況看來(lái)，PLA這一材料已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的食品包裝薄膜、包裝袋和包裝盒等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。

2.2 聚乙烯醇材料

聚乙烯醇本質(zhì)上屬于一種乙烯系聚合物，其主鏈僅通過(guò)碳-碳鍵進(jìn)行連接。也正因?yàn)槿绱?，這一物質(zhì)具備著較為有效的黏度、乳化性質(zhì)和分散力優(yōu)勢(shì)。就目前看來(lái)，在食品工業(yè)的制模和包裝過(guò)程中，聚乙烯醇這一材料得到了較為廣泛的應(yīng)用，其最為主要的價(jià)值便是具備良好的溶解性以及生物可降解性，完全符合當(dāng)前食品包裝生態(tài)環(huán)境友好方面的具體要求。但由于這一物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分子中存在著為數(shù)較多的羥基，結(jié)晶溫度數(shù)值相對(duì)較高，導(dǎo)致其熔融溫度顯著高于分解溫度，無(wú)法進(jìn)行熱塑成型的處理。除以有效彌補(bǔ)其結(jié)構(gòu)分子缺陷的考慮，目前都是將這一物質(zhì)和其他物質(zhì)進(jìn)行共同混用改性。例如可以通過(guò)使用聚乙烯醇、殼聚糖以及脂肪酶成功制備出相應(yīng)的食品包裝薄膜，以此來(lái)提高其拉伸應(yīng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

3 食品包裝中對(duì)生物可降解高分子材料的要求

3.1 良好的生物降解性

在食品包裝中所使用的生物可降解高分子材料，其首要的性能要求便是具備良好的生物降解性。這類材料本身的生物降解性水平不但與高分子自身的結(jié)構(gòu)形態(tài)有著一定的關(guān)聯(lián)，也與材料所處的外部環(huán)境有著一定的關(guān)系，比如外部環(huán)境中的微生物種類、環(huán)境的溫濕度、pH值等，都會(huì)對(duì)高分子材料自身的生物降解性產(chǎn)生一定的影響。而在這些條件中，環(huán)境濕度是最為基礎(chǔ)的條件，只有在高分子材料處于一定濕度的環(huán)境下，微生物才能對(duì)高分子材料進(jìn)行侵蝕，就目前的情況看來(lái)，還有國(guó)際ISO、德國(guó)的DIN等組織都針對(duì)生物可降解高分子塑料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出了明確的規(guī)定，用于這類材料生物降解性檢驗(yàn)的主要方式包括了堆肥實(shí)驗(yàn)、環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)等。

3.2 良好的阻隔性能

在評(píng)估食品貨架期的過(guò)程中，包裝材料自身的阻隔性能水平是決定性因素，食品包裝體系對(duì)于材料自身阻隔性的要求與產(chǎn)品的特性和預(yù)期的終端應(yīng)用之間有著較為緊密的關(guān)聯(lián)。高分子材料往往可以被水蒸氣等小分子滲透，生物可降解高分子材料能夠提供較為廣泛的物質(zhì)傳遞途徑，且這一材料本身的阻隔性能可以提前進(jìn)行設(shè)計(jì)，在食品包裝行業(yè)中有著極為重要的地位。

4 食品包裝中生物可降解高分子材料關(guān)鍵技術(shù)類型

4.1 分子材料改性技術(shù)

目前高分子設(shè)計(jì)方法的持續(xù)發(fā)展，逐漸提高了高分子材料的改性速度，目前相關(guān)人員通過(guò)有效使用高分子改性方法對(duì)淀粉基的生物大分子材料、PLA等常用的生物可降解高分子材料進(jìn)行了成功的改性處理。但從目前的情況看來(lái)，因?yàn)閷?duì)于高分子材料的使用掌握尚未達(dá)到全面，缺乏對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)以及深層的性能研究，導(dǎo)致目前的改性方法無(wú)法得到有效的發(fā)展。

4.2 分子材料合成技術(shù)

在合成高分子材料的過(guò)程中，往往會(huì)應(yīng)用多種類型的溶劑和催化劑，促使原材料發(fā)生對(duì)應(yīng)的合成化學(xué)反應(yīng)，但這些所運(yùn)用的溶劑和催化劑都會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，且很難在生態(tài)環(huán)境中自行進(jìn)行降解，這也就導(dǎo)致這些物質(zhì)使用之后會(huì)在環(huán)境中留存較長(zhǎng)的時(shí)間，最終通過(guò)不斷的累積，形成較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。除此之外，在這些原材料的多樣合成反應(yīng)過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)帶有毒性的副產(chǎn)物。

4.3 低成本合成技術(shù)

食品包裝中所運(yùn)用的生物可降解高分子材料，必須在經(jīng)過(guò)處理之后，在生態(tài)環(huán)境中以最快的速度進(jìn)行生物分解，且因分解反應(yīng)而產(chǎn)生的各種副產(chǎn)物，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何的污染和毒害。一般而言，這些可降解的材料需要在經(jīng)過(guò)分解反應(yīng)之后形成碳水化合物，但這也同樣是目前的技術(shù)研發(fā)難點(diǎn)所在，必須在專業(yè)技術(shù)的引導(dǎo)下，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這也就造成了部分生物可降解高分子材料的生產(chǎn)成本相對(duì)較大，直接影響到這類材料的推廣利用。

5 總結(jié)

目前的食品包裝領(lǐng)域中所運(yùn)用到的各項(xiàng)材料都要求具備較為良好的生態(tài)友好性，生物可降解高分子材料的應(yīng)用恰好符合了這一需求。生物來(lái)源和人工合成的生物可降解高分子材料是目前食品包裝領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的兩類材料。在這一材料今后的研發(fā)應(yīng)用過(guò)程中，相關(guān)的研究人員必須要在全面遵循食品包裝對(duì)生物科技高分子材料性能要求的前提下，對(duì)改性技術(shù)、合成技術(shù)以及低成本技術(shù)進(jìn)行深層的研究，在降低這類材料生產(chǎn)研發(fā)成本的同時(shí)，提升其利用率。