基于可生物降解抗菌食品包装发展趋势探究

■ 文/崔庆斌

（上海出版印刷高等专科学校，上海 200093）

0 引言

成立于1945年的联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）经调研统计得出结论：全球每年生产的食品约1/3受各类微生物侵害在保质期内变质而被丢弃、浪费，每年约40%～50%的果蔬、35%的鱼肉、30%的谷物和20%的乳制品因变质而被废弃，其主要原因是细菌、真菌、酶的存在以及氧化的作用。据不完全统计，在欠发达地区，40%的食物货损主要在收获后、加工前；而在发达国家，40%的食物货损主要在零售及消费者食用和存储期间。

2021年，全球食品包装市场的销售规模预估为3 600亿美元，年复合增长率超过5.5%；作为目前最具主导性的可回收循环、可降解包装材料之一，纸基包装约占32%。近些年来，塑料材料凭借价格低、性能稳、适应性强等特点，呈现出快速增长的趋势，并逐步取代纸基包装，但同时也给环境带来了污染。随着国际、国内相关机构的严格监管，塑料包装的使用量正在减少，各种可持续包装材料陆续得到推广与应用，从而进一步促进包装产业由线性向循环转变。本文从抗菌包装出发，分析抗菌材料的作用机理，通过多项研究成果的介绍，阐述目前基于可生物降解抗菌食品包装的发展趋势，供业内人士参考。

1 抗菌包装

众所周知，食品腐败源自于细菌和真菌，而抗菌包装能够较好地控制细菌和真菌的生长，确保食品在储存期内安全，有益于人体健康。目前抗菌包装主要分为两种：一是包装材料的抗菌表面与食品直接接触，允许相关活性剂迁移至食品中；二是将抗菌剂放置在包装内，但不与食品直接接触，常见的有改性的气调包装。

虽然越来越多的抗菌物质，如乙醇、二氧化碳、银离子或纳米颗粒、二氧化氯、抗生素、有机酸、精油等，已被验证对食品中微生物的生长具有抑制作用，但是在商业上获得广泛应用的仍然屈指可数，而广泛应用于日本、美国等国家的银基抗菌包装就是其中之一，通过进一步推广与应用，目前已被列入欧盟的食品添加剂临时清单及允许表面杀菌产品清单中[1]。相关资料显示，目前抗菌的物质主要有：金属（银、铜、双金属等）纳米颗粒，氧化物（氧化锌、二氧化硅、氧化铜等）纳米颗粒，黏土（丁香、蒙脱石、膨润土）纳米颗粒，天然提取物（精油或亲水提取物），天然抗菌素（尼霉素、片霉素、抗生素等），生物聚合物（壳聚糖），酶（溶菌酶、过氧化物酶），合成抗菌剂（包括合成抗生素）。天然的抗菌化合物来自于植物，如丁香、肉桂、百里香、姜、牛至、迷迭香、大蒜等[2-3]，这些物质对肉类食品都具有较好的抗菌作用；其他的天然抗菌剂可以从细菌或真菌产生的生理活性物质中分离出来，如青霉素、乳酸菌素及各种细菌素[4]。目前，在肉类行业中，一些基于阻断微生物活性的技术正在被广泛使用。

许多研究人员对导致食物腐败的菌株如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肠道沙门氏菌等进行了活性测试，测试项目中还包括包装材料对各种真菌菌株（酵母和霉菌）的抑制作用。目前由微生物引起的食物腐败问题通常是采取抗菌包装的方案来解决，而可用的包装材料中，既有石油基聚合物（PVC、PET、PE、PP等），也有生物可降解材料（纤维素、淀粉、壳聚糖等），为了彻底解决生态可持续性问题，应尽可能地使用生物基聚合物以取代传统石油基包装材料[5]。

对于新包装材料的研发，除了进行上述抗菌活性试验以外，还必须进行一些特定的试验[6]。例如：通过试验选取一些具有较好抗氧化性能的添加剂，如天然提取物或特定物质，以延长货架期；通过试验选取具有较好机械拉伸性和阻隔性的包装材料；水蒸气渗透测试能获得材料对氧气、二氧化碳、乙烯和各种芳烃的渗透性参数，尤其对聚合薄膜的设计具有重要意义。除此以外，透明度、热密封性、添加剂的泄漏等指标也在试验范围之内。

2 介绍抗菌包装的一些研究成果

目前食品抗菌包装材料的研究方向主要有两个：一是改性目前已有的石油基包装材料，赋以其抗菌、抗氧化活性，同时进一步提高其机械拉伸性和阻隔性，以最小成本进行功能性材料加工，符合现代制造业要求；二是从可再生能源中获取可再生降解的聚合物，从材料端及工艺生产端进行全面革新研发，但成本较高。以下介绍一些有关抗菌包装的研究成果。

（1）季铵盐处理。大宗食品如食糖、面粉、大米、土豆、豆类等在储运过程中会大量使用编织袋，一些研究人员从食品包装领域外获得了抗菌包装的线索，其中有一种方法是利用浸泡干燥方式加载植物中含有异氰酸酯（CAI）和磺基丙基甜菜碱（SPB）的季铵盐（见图1）。这两种物质都具有良好的杀菌和抗菌性能，可以共价结合在植物表面，并且不会因长期洗涤而失去功能。水蒸气渗透测试表明，加载季铵盐后的编织袋不会改变其对水蒸气和空气的渗透性和亲水性，经过处理的织物在抗撕裂性、裂断性方面得到了增强。研究发现：增加CAI可加强共价键；CAI和SPB的配比会影响抗菌剂的保留率；经季铵盐处理的编织袋没有发生任何明显的化学迁移现象。依照上述处理方法，可以获得更多材料（如PVC、PET、PP、PE等）的抗菌功能，且无需改变生产加工工艺，只需在其表层进行制备即可[7]。

图1 含有异氰酸酯（CAI）和磺基丙基甜菜碱（SPB）在织物表层

（2）天然抗菌剂。将丁香油酚、香芹酚或反式茴香醚放入合成纤维包装中，再将包装袋与卷心菜、莴苣等蔬菜放置在一起，蔬菜的货架期得到明显延长。该研究表明，作为一种天然的抗菌剂，丁香油酚、香芹酚、反式茴香醚对食品具有良好的保鲜作用，并且成本较低[8]。

（3）纳米颗粒＋香精油。对现有包装材料进行微调，从LDPE中获得双层薄膜，其中一层涂布香精油；对PVC材料以同样方式进行改性，发觉该膜具有抗菌活性。研究表明，将银纳米颗粒（AgNPs）或氧化物纳米颗粒嵌入或沉积在传统的聚合物薄膜表面，再附着香精油，可使薄膜具有抗菌性能[9]。

（4）聚酯＋抗菌肽。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）属于生物惰性材料，经表面改性后可用于抗菌包装。抗菌肽（AMPs）是一类重要的两性分子，能够抑制微生物生长。PET和AMPs由12～100个氨基酸组成，在结构上完全不同。Gogliettino等人[10]将AMPs和线粒体靶向肽1(MTP1）加入PET材料中制成抗菌包装，实验证明，该类抗菌包装能将肉制品和奶酪的保质期从原有的4 d延长到10 d。

（5）提高生物基薄膜的热封性能。食品包装中常用的PP、PE等石油基薄膜具有较好的热封性能，而一些由生物聚合物制成的薄膜，如由纳米纤维制成的纤维素薄膜缺乏这种性能，直接导致此类产品在商业推广中受阻。目前有研究人员在PP或PE薄膜上沉积纤维素纳米纤维，经测试，取到了较好的应用效果。

（6）纤维素基材的改性。纤维素基材在包装工业中发挥着重要的作用，许多研究人员针对纤维素基材机械性能差、耐水性差等缺点进行了改进。研究发现：从离子液体中获得的回收纤维素应用于普通纸上，可大大提高纸张的力学性能；纸张中只含有2%的纤维素，就能使氧渗透性下降了106倍[11]。虽然该复合材料本质上是亲水的，但它具有良好的抗水作用，并能在水下保持形态。

（7）增强纸张包装性能的环保型复合材料。一般情况下，在纸张上涂布或复合PE、PET等相关材料可提高纸张的透湿性、耐油性及机械性能，但难以保证其环保性能。在生物可降解聚合物取代石油基聚合物的研究领域，研究人员获得了一种能够增强纸张包装性能的复合材料[12]。其方法是在纸张的表层涂布一种生物聚合物，如海藻酸盐、羧甲基纤维素、卡拉胶、葡萄柚籽提取物等，通过观察，该生物聚合物对纸张具有较好的相容性，填充了纸纤维孔隙，使纸张表层更为光洁。

3 可生物降解的聚合物抗菌剂包装

自从1959年基于石油的塑料材料发明以来，石油基塑料包装产品被大量生产，对环境产生了较大的影响。从目前研究领域的大趋势上看，可生物降解材料是最有可能得到发展并取代石油基材料的绿色包装材料。在可生物降解材料中添加抗菌物质，能够有效抑制食物腐败，起到显著延长保质期的作用。

为确保食品抗菌包装无毒、可再生特性，选用的材料应当是天然聚合物，如纤维素及其衍生物[如羧甲基纤维素（CMC）、甲基纤维素（MC）、醋酸纤维素（CA）等]、壳聚糖、木质素、淀粉、聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸及其衍生物等，如表1所示[13]。

表1 常见的生物基聚合物薄膜类别

从分子结构上看，聚乙烯醇的侧链有较多羟基，可以与其他聚合物形成氢键或共价键，因而具有较好的亲水性、水溶性及较高的结晶度，有助于加载各类抗菌剂。聚乳酸同样具有较好的结晶度，但只溶于有机溶剂。壳聚糖是水溶性的，可以提供氢键和氨基。纤维素及其衍生物是一类亲水性生物基聚合物，同样呈现游离羟基[14]。羟基生物基聚合物一般会与复合材料混合，发生交联反应，产生较多氢键，以提高羟基生物基聚合物的耐水性，继而提高复合材料的力学性能。

生物基纳米复合材料具有生物相容性，可生物降解，并表现出优越的机械性能和化学性能，是传统化石基塑料包装的重要替代材料[15]。生物基聚合物，如壳聚糖、羧甲基纤维素、淀粉、海藻酸盐、酪蛋白、卡拉胶、玻璃纸等，具有生物降解性和无毒性，可以解决包装的生态问题。虽然多糖在环保方面优势明显，但力学性能和耐水性能较差，渗透性也较高[16]。而在天然聚合物膜中嵌入各种纳米材料，不仅可以提高天然聚合物膜的散热性能和力学性能，还能增强天然聚合物膜对水蒸气和氧气的阻隔性能，同时保持其生物降解性和无毒性。目前所用的纳米材料主要包括黏土纳米颗粒（如蒙脱石、高岭石、岩石）、氧化物纳米颗粒（氧化锌、二氧化钛 ）和银纳米颗粒。

4 结语

我国经济走向高质量发展的大趋势已经形成，影响民生的包装在环保性和可持续性方面必将有所作为。当前，俄乌冲突引发的全球农产品供给危机愈演愈烈，如何保持食物的新鲜度、增加食物的货架期，成为业内人士普遍关注的重要课题。新冠肺炎疫情肆虐全球，上海抗疫取得了阶段性胜利，但过程中的团购物资、援助食品物资产生了大量的废弃食品塑料包装材料，给上海的环境处理带来了极大的压力。在复杂因素交替作用下，食品包装行业应始终秉承减少石油基塑料使用、广泛应用生物降解聚合物的理念，大力倡导使用基于可生物降解的抗菌食品包装，在确保我国粮食长期安全的同时，有效解决塑料污染问题。