可降解綠色食品包裝材料研究進(jìn)展

豐瑞 蘇夢(mèng)瑤 高澤茜 劉奕杭 李占超 高曉平

近年來，隨著人們生活質(zhì)量不斷地提高，對(duì)食品包裝材料的要求也逐漸趨于環(huán)保性和安全性。目前，常用的各類食品包裝不僅極易造成環(huán)境的二次污染，對(duì)人們的身體健康也是一種間接威脅?？山到饩G色食品包裝材料不會(huì)影響和破壞生態(tài)環(huán)境，可以循環(huán)使用和再生，具有非常重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。本文概述了現(xiàn)有的可降解綠色食品包裝材料，綜合分析可降解綠色食品包裝材料的基本現(xiàn)狀以及近幾年來可降解綠色食品包裝材料的研究進(jìn)展，并分析比較不同類型包裝材料的優(yōu)勢(shì)及弊端，對(duì)可降解綠色食品包裝材料的發(fā)展趨勢(shì)做出展望，為人們對(duì)包裝材料的選用提供參考。

1. 可降解綠色食品包裝材料

1.1 可生物降解材料

可生物降解材料按照其定義解釋即這類材料在自然界可以隨著微生物作用分解為H2O和CO2。生物降解的過程大致可分為三個(gè)步驟：1. 高分子材料的表面被自然界中的微生物所附著，材料表面受到損壞。2. 高分子材料在微生物分泌的分解酶的作用下分解成小分子化合物。3. 在微生物生理代謝過程中會(huì)進(jìn)一步把小分子化合物轉(zhuǎn)化為H2O和CO2。這類生物可降解性包裝材料按照原料可分為四種——化學(xué)合成可降解材料、混合型可降解材料、微生物合成型可降解材料和天然材料。

1.2 光降解材料

光降解材料是指可以在特定的環(huán)境條件下分子快速斷裂而產(chǎn)生降解效果的材料。普遍來說，塑料類材料中的電子活性是與可吸收光譜中的紫外線部分產(chǎn)生的較高能量的輻射相關(guān)的，這也與材料的一些性能掛鉤。比如，裂解性、氧化性、降解性等。光降解材料作為包裝材料主要用于制作塑料，通過加入催化劑使塑料材料產(chǎn)生可光降解的特性，使得這些材料可以在光照的條件下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生降解效果。光降解塑料相比于傳統(tǒng)的塑料，其生產(chǎn)過程簡(jiǎn)便、可在特定情況下降解、所需成本較低，是一種很好的包裝材料。

1.3 熱降解材料

熱降解材料是指高分子材料經(jīng)過高溫加熱后被分解為小分子材料。熱降解材料按照其反應(yīng)機(jī)理可分為解聚型和隨機(jī)斷裂型兩種。解聚型熱降解反應(yīng)是在高溫條件下，導(dǎo)致大分子末端裂解，產(chǎn)生自由基;其次再按照鏈?zhǔn)綑C(jī)理進(jìn)一步的分離單體而發(fā)生降解，單體分離后，在一定時(shí)間內(nèi)留在材料中的分子量不會(huì)產(chǎn)生較大的變化。隨機(jī)斷裂型便是由高分子長(zhǎng)鏈經(jīng)過裂解變成短鏈的自由基，而短鏈的自由基與高分子長(zhǎng)鏈發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了各種小分子產(chǎn)物。

1.4 機(jī)械降解材料

機(jī)械降解材料是指某些材料通過處理過程中受到的機(jī)械外力作用，導(dǎo)致材料受力的部分會(huì)產(chǎn)生熱量和部分自由基而產(chǎn)生降解。雖說這一降解方法程序簡(jiǎn)單，但若處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致其他的降解反應(yīng)發(fā)生。大部分的可降解材料可以通過機(jī)械降解的方式進(jìn)行降解。

1.5 可食性包裝材料

可食性包裝材料是指可加工的可食性原料。比如，糖類、纖維素類、脂類以及蛋白質(zhì)類等，將其中的分子互相結(jié)合產(chǎn)生一種新的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的食品包裝材料。這種材料不僅無毒無害、成本較低，并且不會(huì)造成環(huán)境污染，而且可食性包裝材料在市場(chǎng)上因其新奇的特性（可食用）也被廣大民眾所喜歡。近年來，可食性包裝材料在食品行業(yè)已經(jīng)被廣泛使用。比如，糖葫蘆的外衣、年糕制品以及雪糕類的外包裝，而且樣式繁多，更具新意。雖說這種包裝材料應(yīng)用范圍有限，但其作為食品包裝材料的意義十分重大。

1.6 納米包裝材料

納米包裝材料是指對(duì)原材料本身進(jìn)行納米改性，增強(qiáng)其各項(xiàng)性能（耐熱性、防潮性、阻氣性、抗菌性、降解性、機(jī)械強(qiáng)度），還可以賦予其本身不具備的性能。納米包裝材料大致分為三種：高溫阻隔性材料、抗菌性材料、保鮮性材料。

1.7 天然材料

天然材料是指在自然界中已經(jīng)存在的材料，這類材料有些可以不用經(jīng)過加工處理便可使用，有些材料需要經(jīng)過一系列的加工工序和質(zhì)量檢測(cè)后才可以進(jìn)行使用，天然材料在市場(chǎng)上大多屬于植物型。

2. 可降解食品包裝材料研究進(jìn)展

2.1 現(xiàn)有可降解綠色食品包裝材料

2.1.1? 淀粉基塑料

淀粉基塑料是指由淀粉和其他材料進(jìn)行復(fù)合產(chǎn)生的一種包裝材料。由于淀粉類原料造價(jià)較低、可降解性良好、塑造性能優(yōu)異且來源廣泛，導(dǎo)致這種材料成為了如今最受歡迎的可降解性綠色材料。但這類材料存在耐水性較差、品質(zhì)較脆、不耐高溫等缺點(diǎn)，大多數(shù)產(chǎn)品是用淀粉和一些材料進(jìn)行復(fù)合制成可使用的材料。淀粉基塑料經(jīng)歷了填充型、共混型和全淀粉型塑料三代演變過程，且淀粉的添加量也在不斷的加大。

2.1.2 聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）是以乳酸為主要原料進(jìn)行聚合得到的一種可再生、生物全降解聚合物，具有高強(qiáng)度、高模量和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于包裝材料和商品材料等領(lǐng)域。然而，由于PLA具有脆性大、熱穩(wěn)定性差和結(jié)晶度低等缺點(diǎn)，使其在高機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。

張慶法、李凱等人將玉米酪蛋白與聚乳酸進(jìn)行復(fù)合制出了一種新的復(fù)合材料，這種復(fù)合材料保留聚乳酸的特性的同時(shí)，還增加了材料的機(jī)械性、彈性，其彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等也有小量的提升。查玉瑩將聚乳酸與復(fù)合材料MCC共混，同時(shí)加入了阻燃劑M-IFR，制成的復(fù)合材料在水中和土中的降解速度明顯加快，而且還增加了其熱降解的性能，使其在高溫下更容易降解。

2.1.3 殼聚糖（CS）

殼聚糖（CS）是自然界中唯一的天然堿性多糖，具有親水性、安全、無毒、生物可降解性等特性，其特殊結(jié)構(gòu)和功能使之作為抗菌包裝膜材料而備受關(guān)注。然而，CS包裝膜存在成本高、力學(xué)性能差、抗菌性能差、抑菌譜窄等缺點(diǎn)，限制了其在食品保鮮方面的應(yīng)用。張莉通過溶液澆鑄法制備了殼聚糖原花青素共混膜，增強(qiáng)了其拉伸強(qiáng)度，抑菌性及抗氧化性，降低了水蒸氣和氧氣透過量。謝東宏選用淀粉、羧甲基淀粉和納米氧化鋅作為添加劑，無需使用增塑劑，采用溶液共混流延成膜的方法，制備了一系列兼具良好力學(xué)性能、防霧性能和抗菌性能的多功能殼聚糖基復(fù)合膜。

2.1.4 聚己內(nèi)酯（PCL）

聚己內(nèi)酯（PCL）是一種可生物降解的半結(jié)晶熱塑性塑料，具有柔韌性好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，但PCL的低剛度和低強(qiáng)度限制了其應(yīng)用范圍。李亞濱等在聚已內(nèi)酯樹脂中添加了少量的竹纖維，這種復(fù)合材料不僅減少了斷裂伸長(zhǎng)率，還增加了拉伸強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等各種性能。雷白鴿研究使用共混靜電紡絲的方式制造出了玉米醇溶蛋白—PCL復(fù)合纖維膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出，當(dāng)PCL的添加量增加，復(fù)合纖維膜的力學(xué)強(qiáng)度也相對(duì)增加。

2.1.5 聚羥基脂肪酸酯（PHA）類

聚羥基脂肪酸酯（PHA）是部分微生物在營(yíng)養(yǎng)或代謝不平衡的條件下合成的一類高分子聚酯的統(tǒng)稱，具有良好的生物可降解性和生物相容性，被公認(rèn)為綠色環(huán)保型高分子材料。

趙晨將棉纖維作為基材與聚羥基脂肪酸酯通過浸漬吸附，使用BPO當(dāng)做引發(fā)劑制成一種纖維素/PHA復(fù)合吸油紙，這種復(fù)合材料擁有良好的吸油性、疏水性，并且還保留兩種材料原本的性質(zhì)，不僅可降解，還可回收利用，是一種非常具有潛力的復(fù)合材料。于躍、郭靜等人利用烷基糖苷將PHA與海藻酸鈉進(jìn)行復(fù)合制成一種穩(wěn)定的PHA/SA復(fù)合材料，不僅無毒、無害，還有較為優(yōu)異的生物相容性，可以在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行使用。

2.1.6 對(duì)苯二甲酸一己二酸丁二醇酯（PBAT）

PBAT是一種比較新型的可降解生物材料，具有可生物降解的性能，但成本較高，應(yīng)用并不廣泛。Liu Tong 等通過振蕩剪切流場(chǎng)（LOPPM）技術(shù)制備了具有分級(jí)晶體結(jié)構(gòu)、高力學(xué)性能的PLA/PBAT原位納米纖維復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，LOPPM技術(shù)在調(diào)節(jié)和控制晶體結(jié)構(gòu)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。在振蕩剪切流場(chǎng)的作用下，韌性和柔性的PBAT液滴最初被拉伸和變形為納米纖維，然后在其表面誘導(dǎo)PLA薄片生長(zhǎng)，使得復(fù)合材料的結(jié)晶度、強(qiáng)度、韌性、耐熱性和熱穩(wěn)定性大大提高。

2.2 新型可降解綠色食品包裝材料

2.2.1 抗菌包裝材料

抗菌包裝材料是指將一種或多種抗菌劑添加到高分子材料里，使其產(chǎn)生抗菌性。根據(jù)需要抑制的微生物種類可添加相應(yīng)的抑菌劑。由于有抗菌劑的加入，還可提升包裝材料的韌性及彈性強(qiáng)度。這種包裝材料的制作工藝流程簡(jiǎn)單，且操作便易，成本不高，非常適合應(yīng)用在鮮果、蔬菜的保鮮上，增加其保質(zhì)期。根據(jù)復(fù)合材料中抗菌物質(zhì)的種類，可分為無機(jī)類抗菌材料、有機(jī)類抗菌材料和生物提取類活性抗菌材料。

2.2.2 氣調(diào)包裝材料

氣調(diào)包裝材料是指包裝材料在密封條件下可實(shí)現(xiàn)控制包裝內(nèi)部溫度、各種氣體濃度、濕度等環(huán)境條件來增加食品包裝期，延緩食品變質(zhì)腐敗。這種材料的應(yīng)用較多，且價(jià)格昂貴，適合集中保存食品。氣調(diào)包裝可分為自發(fā)氣調(diào)包裝（MAP）和控制氣調(diào)包裝（CAP）。

2.2.3 控釋包裝材料

控制包裝材料是材料自身能夠通過感應(yīng)外界的環(huán)境條件。比如，（濕度、溫度、光、磁場(chǎng)）來調(diào)控材料的各種功效，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)食品保鮮。

李晨將含醛基納米微球-Nisin綴合物與聚乙烯醇膜進(jìn)行復(fù)合，形成具有智能控釋性能的食品抗菌包裝膜。這種包裝材料是通過檢查食物本身的酸度變化來控制抗菌物質(zhì)進(jìn)入，從而抑制食品腐敗。一般可延長(zhǎng)一到兩個(gè)星期，可以有效減少食品生產(chǎn)加工過程中使用防腐劑的含量，這將會(huì)是一種被人們廣泛接受和認(rèn)可的材料。

2.2.4 智能包裝材料

智能包裝材料是指能夠檢測(cè)到食品在運(yùn)輸流通及儲(chǔ)存過程中包裝里的氣體濃度和其他環(huán)境條件的包裝材料，然后將數(shù)據(jù)傳達(dá)給控制裝置，并進(jìn)行記錄和保存。智能包裝的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸，不論是消費(fèi)者，還是商家都能夠準(zhǔn)確的了解到包裝內(nèi)部的食品變化。Chau Hai 等通過引入天然角叉菜膠，研制了一種抗染料浸出的UV活性氧指示劑膜。這種UV活性氧指示劑膜可用于驗(yàn)證包裝中氧氣是否被清除，也可用于氣調(diào)包裝的密封檢漏，能夠發(fā)展為一種有潛力的智能食品包裝材料。

3. 總結(jié)與展望

盡管我國(guó)在綠色包裝材料的研究和應(yīng)用上取得了一定的成績(jī)，但也存在著一些不足，如文中提到的部分可降解綠色材料存在脆性大、熱穩(wěn)定性差和生產(chǎn)成本高等問題。所以，今后的研究重點(diǎn)將是對(duì)現(xiàn)有的綠色包裝材料進(jìn)行改性、降低成本和研發(fā)新型綠色包裝材料。

對(duì)于食品包裝行業(yè)來說，可降解綠色包裝材料的應(yīng)用與推廣應(yīng)該成為行業(yè)發(fā)展的方向，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者應(yīng)該把可降解綠色包裝材料作為未來的“鑰匙”看待，加大對(duì)其研究與創(chuàng)新。由于可降解綠色包裝材料的種類各式各樣，所生產(chǎn)出的產(chǎn)品性能也各不相同，這表明了可降解綠色包裝材料可以在各種條件和環(huán)境下使用。隨著我國(guó)對(duì)可降解綠色包裝材料越來越重視和人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，可降解綠色包裝材料將會(huì)更多的運(yùn)用到人們生產(chǎn)生活的方方面面。