納米纖維素基復合薄膜在生鮮食品 包裝領域中的應用與研究進展

◎ 楊 丹

（北京印刷學院 印刷與包裝工程學院，北京 102600）

近年來，隨著資源的浪費、包裝廢棄物造成的嚴重污染，以及面臨著廢棄物處理難的問題，國家開始大力提倡可持續(xù)化、可降解的綠色包裝的發(fā)展，以降低對環(huán)境資源的污染與資源的浪費。實現(xiàn)食品，尤其是生鮮類食品的綠色包裝是大勢所趨，也是重中之重，實現(xiàn)綠色包裝最主要的方式是減少使用化石材料。所謂綠色包裝材料就是指在生產(chǎn)、使用、報廢及回收處理再利用過程中，能節(jié)約資源和能源，廢棄后能夠迅速自然降解或再利用，同時不會破壞生態(tài)平衡。納米纖維素就是一種可降解的綠色包裝材料。

1 納米纖維素

1.1 納米纖維素概述

纖維素是植物細胞壁的主要成分，也是目前自然界中含量最多的天然物質(zhì)，其來源廣泛、制價低廉、可在自然環(huán)境中降解。纖維素的來源以及分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從化學角度看，晶體區(qū)域內(nèi)d-葡萄糖-1,4-糖苷和每單位葡萄糖3 個羥基之間的纖維素由2 個葡萄糖單元組成，并且在葡萄糖環(huán)的兩側(cè)氫和羥基分布均勻[1-2]。

圖1 植物纖維素的來源及結(jié)構(gòu)示意圖

納米纖維素是通過一系列的加工手段，使纖維素的部分氫鍵和無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)破壞，使纖維素的直徑細化到100 nm 以內(nèi)形成納米纖維素。納米纖維素除具備纖維素的特點外，還有比表面積大、結(jié)晶度高、密度低等特征，其在包裝的不同領域都有巨大的應用空間[2]。納米纖維素（Nano-Cellulose，NC）在廣義上可分為纖維素納米晶體、纖維素納米纖絲、細菌納米纖維素3 大類，如表1 所示。

表1 納米纖維素的分類及表征表

不同狀態(tài)下的納米纖維素制備方式也不同。一般情況下，納米纖維素晶體制備可使用酸水解法、酶解法；纖維素納米纖絲制備可使用高壓均質(zhì)法、高功率超聲法；細菌納米纖維素的制備可使用微生物合成法，與天然植物纖維素相比，其具有超細的網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)。制備納米纖維素有許多方式，但單一的制備方式在一定程度上具有局限性，因此越來越多的研究人員將兩種不同方式結(jié)合到一起運用，在一定程度上可彌補單一制備方式的不足。

1.2 納米纖維素改性

納米纖維素由于具有高強度和大比表面，被看作是理想的填充材料。但由于納米纖維素分子結(jié)構(gòu)中有大量羥基存在，其界面相容性較差。為改善納米纖維素的性質(zhì)，拓寬納米纖維素的應用范圍，本文主要介紹納米纖維素的3種改性方式。①物理吸附改性。物理改性方式主要是將活性劑成分和疏水性物質(zhì)通過范德華力等方式吸附在納米纖維素表面，表面會形成疏水層，從而實現(xiàn)疏水化改性，不會產(chǎn)生污染物和有害氣體，是一種綠色、環(huán)保的改性方式[3-4]。②共聚物接枝改性。接枝共聚是常用的一種對納米纖維素改性的化學方式，通常情況下，是將納米纖維素表面的羥基通過共價鍵接枝到分子表面，在保留納米纖維素原有特征的同時，還可改善納米纖維素的缺點。③酯化改性。酯化改性是通過對親水性羥基進行酸催化，羥基可以和酸、酸酐等物質(zhì)發(fā)生親核取代反應，使納米纖維素具有疏水性[5]。

2 納米纖維素復合薄膜在食品包裝中的應用

食品包裝可提高流通、銷售等環(huán)節(jié)食品安全保障能力。納米纖維素粒子尺寸小、比表面積大，可作為填充材料加入其他膜基質(zhì)中，改善膜的抑菌性能、阻隔性能以及可降解性能，可作為一種綠色、環(huán)保、無污染的包裝材料應用到食品包裝材料中。

2.1 納米纖維素在抑菌包裝中的應用

以納米纖維素為基底復合抑菌劑的包裝膜對食源性病菌有著很好的抑制作用。XU 等[6]使用納米纖維素合成了穩(wěn)定的銀納米粒子，對其抗菌活性進行了表征，結(jié)果表明該復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較高的抗菌活性，大大提高了抗菌復合材料在食品中的應用效果。

2.2 納米纖維素在阻隔包裝中的應用

納米纖維素作為一種增強劑加入聚合物中，可制備成物理性能較好、高阻隔性能的食品包裝材料。美國普頓大學的Je rey 教授的研究小組開發(fā)出了一項新的研究成果，即使用纖維素納米纖絲作為食品包裝的高阻隔涂層，在減少擴散途徑的同時還能改善氧氣、二氧化碳等氣體的滲透性[7]。

2.3 納米纖維素在活性包裝中的應用

在食品包裝中，納米纖維素作為保鮮劑涂布在膜上時，會起到潤濕的作用，有利于活性食品包裝的應用。ABDALKARIM 等[8]成功制備了由CNC-ZnO 納米雜化物組成的復合納米纖維作為紫外線吸收劑和生物聚合物，這種材料通常被用作PLA 基質(zhì)中的活性劑以獲得高透明度的納米復合材料薄膜。

2.4 納米纖維素在可降解包裝中的應用

納米纖維素作為一種天然多糖物質(zhì)，是一種綠色、環(huán)保、無污染的材料，具有很好的可生物降解性能。HAI 等[9]使用甲殼素和納米纖維素混合，通過水相反碰撞在竹子中提取到竹纖維素納米纖維，制備出一種綠色納米復合材料，在一周內(nèi)完全可生物降解，有望未來在食品包裝中應用。何依謠等[10]研究了以聚乳酸為基底，納米纖維素為改性劑，聚乙二醇為界面相容劑，制備得到了一款可降解型食品包裝膜，可有效延長西蘭花的保質(zhì)期。

3 結(jié)語

納米纖維素在近年來得到了廣泛關注，越來越多的學者投入到對納米纖維素的研究中。尤其是在食品包裝行業(yè)，傳統(tǒng)的以化石原料為基底的包裝產(chǎn)品已不能滿足食品包裝安全的需求，因此具有可降解、高抗菌性、抗氧化性和高阻隔性能的納米纖維復合材料及其衍生物成為綠色包裝材料的首選。納米纖維素具有各種優(yōu)異的性能，良好的相容性、環(huán)境友好性以及增強機械強度等特點，其在很多領域都有很大的發(fā)展空間和市場價值，特別是在包裝材料中作為包裝材料的增強劑，它對于材料的緩釋抗菌性能、物理性能和阻隔性能均具有良好的提升作用。目前，全球?qū)ι鷳B(tài)惡化問題越來越重視，納米纖維素作為一種用途廣泛的綠色生物材料具有廣闊的發(fā)展前景。遵循該趨勢，可再生的環(huán)保材料將成為未來包裝領域發(fā)展的前沿，也是發(fā)展環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)的重要方向之一。綠色包裝材料的研制和開發(fā)，大大減少了不可降解包裝材料的使用量，在一定程度上緩解了生態(tài)環(huán)境的壓力，降低了日益枯竭的資源，對國內(nèi)外的包裝產(chǎn)業(yè)都有一定程度的提升。