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中国精品科技期刊2020

基于纤维素的食品包装材料的研究进展

赵冬梅, 初小宇, 张勇, 魏丽娜, 贾连莹, 刘宇

赵冬梅,初小宇,张勇,等. 基于纤维素的食品包装材料的研究进展[J]. 食品工业科技,2022,43(5):432−439. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030077.
引用本文: 赵冬梅,初小宇,张勇,等. 基于纤维素的食品包装材料的研究进展[J]. 食品工业科技,2022,43(5):432−439. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030077.
ZHAO Dongmei, CHU Xiaoyu, ZHANG Yong, et al. Research Progress of Food Packaging Materials Based on Cellulose[J]. Science and Technology of Food Industry, 2022, 43(5): 432−439. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030077.
Citation: ZHAO Dongmei, CHU Xiaoyu, ZHANG Yong, et al. Research Progress of Food Packaging Materials Based on Cellulose[J]. Science and Technology of Food Industry, 2022, 43(5): 432−439. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021030077.

基于纤维素的食品包装材料的研究进展

基金项目: 黑龙江省教育科学“十三五”规划2020年度重点课题(GJB1320278);黑龙江省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题(GJB1421499);黑龙江省重点研发计划指导类项目(GZ20210166);黑龙江东方学院科研创新团队建设项目(HDFKYTD202106);黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(202011446046, 202011446015, S202111446009X, 202111446004X)。
详细信息
    作者简介:

    赵冬梅(1973−),女,博士,教授,研究方向:纤维素基食品包装材料,E-mail:514117761@qq.com

  • 中图分类号: TS206.4

Research Progress of Food Packaging Materials Based on Cellulose

  • 摘要: 纤维素多数来源于植物和微生物,具有优良的生物降解性和力学性能,可在绿色食品包装材料中广泛应用。本文综述了来自于植物和微生物的木质纤维素、微纤维纤维素及细菌纤维素的提取、改性方法以及其在食品包装材料中的力学性能、阻隔性、抗菌性、降解性能等方面的相关研究。纤维素作为食品包装材料不仅拓展了纤维素的应用领域,而且为食品安全和环境保护提供了保障,相信随着纤维素提取和改性技术的不断进步,未来纤维素在食品包装领域的应用会备受关注。
    Abstract: Most of cellulose comes from plants and microorganisms. It has excellent biodegradability and mechanical properties, and can be widely used in green food packaging materials. In this paper, the extraction and modification methods of lignocellulose, microfibril cellulose and bacterial cellulose from plants and microorganisms, as well as the related research on their mechanical properties, barrier properties, antibacterial properties and degradation properties in food packaging materials are reviewed. As a food packaging material, cellulose not only expands the application field of cellulose, but also provides a guarantee for food safety and environmental protection. It is believed that with the continuous progress of cellulose extraction and modification technology, the application of cellulose in the food packaging field will attract much attention in the future.
  • 食品包装作为食品产业链的一个安全保障环节,已经成为现代社会中食品的组成部分,为食品的储存和运输保驾护航[1-2]。有材料统计:人的一生中大约会吃掉75 t食物,这75 t食物的“外衣”,是共计8.5 t左右的食品包装[3]。随着包装废弃物数量的增加,废弃物处理费用不断上升,加大对包装废弃物的循环再生力度是大势所趋。以降低对环境的污染、减少资源消耗为目标,尽快实现食品绿色包装势在必行,而实现绿色食品包装最主要的途径是使用绿色包装材料[4-5]。中华人民共和国农业行业标准规定的绿色食品包装通用准则(NY/T 658-2015)要求绿色食品包装材料应该符合4R1D的设计原则,即减量化(reduce)、可重复使用(reuse)、可回收利用(recycle)、可再生(recover)、可降解(degradable)等。

    纤维素具有可生物降解、环境友好等诸多优点,已经被制成许多功能材料应用在诸多领域,其中,作为环境友好材料应用于食品包装备受青睐。纤维素是自然界中最为丰富的可再生资源,每年通过光合作用可合成约1.5×1012 t,占植物界碳含量的50%以上。近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长和各国对环境污染问题日益关注,纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到重视,能否充分利用这些丰富的可再生原料,是解决未来能源和环境问题的一个关键因素。但由于纤维素粉末有很大的比表面积,表面含有大量羟基,容易吸水,限制了其在食品包装中的应用[6],因此,纤维素提取后的改性成为其作为食品包装材料的研究热点。

    目前纤维素提取物在食品包装中的应用已有报道,包括来源于木材、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等的纤维素提取物的应用。据Web of Science统计,近年来不同国家关于纤维素基食品包装材料所发表的论文数量如图所示(图1图2),逐年递增的趋势以及不同国家的相关研究成果充分证明纤维素基食品包装材料越来越受到重视,尤其在发达国家,食品安全和环保卫生要求较高,可降解的食品包装材料日益广泛,中国居第一位,可见我国对纤维素的研究和应用较多。纤维素在食品包装材料中提升了材料的力学强度、阻隔性、抗菌性、可完全降解性等性能,若选择适当的制备方法和合理的结构设计,纤维素基食品包装材料的应用将会越来越广泛。本文通过综述基于纤维素提取物的食品包装材料的制备和性能相关的文献,概述了纤维素、微纤维纤维素、细菌纤维素等近几年在食品包装领域的研究进展。

    图  1  关于纤维素基食品包装材料在不同年份所发表的论文数量
    Figure  1.  Number of papers published on cellulose based food packaging materials in different years
    图  2  关于纤维素基食品包装材料在不同国家所发表的论文数量(自2000年以来)
    Figure  2.  Number of papers published on cellulose based food packaging materials in different countries(Since 2000)

    木质纤维素是天然可再生木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质,无毒、无味、无污染、无放射性[7],用于食品包装材料,可增加材料的力学性能和阻隔性。但因分子中含有大量羟基,易形成大量分子内和分子间氢键,大部分活性羟基被封在晶格内影响反应,需要适当改性才可用于食品包装材料,经过改性后的包装材料在力学性能、热学性能、抗氧化性能等方面都得到大幅度提高。改性后的木浆纤维素和木质素可用于食品包装材料。

    PETROUDY等[8]研究发现由化学机械浆纤维制备的硬木纸浆生产的纤维素(CNPs)和木质纤维素纳米纸(LNPs)的结晶度和晶粒尺寸均低于相应的起始浆,LNPs具有半多孔和致密的结构,其水蒸气透过率最低,为108 g/(m2·d),其在包装领域具有广阔的应用前景。SIRVIO等[9]先用高碘酸盐将桦树木浆纤维素氧化成双醛纤维素(DAC),通过三种不同的水溶液路线对其进行衍生改性:a.次氯酸钠进一步衍生得到二羧酸纤维素(DCC),b.偏亚硫酸钠衍生得到羟基磺酸纤维素(HSAC),c.牛磺酸和2-吡啶硼烷衍生得到牛磺酸纤维素(TC)。此纤维素改性是在不使用大量机械能的情况下,使用可回收或无毒的试剂进行的。所有改性纤维素均能制备出具有与合成聚合物(PE,PET)相当的透明性和力学强度的膜。大量研究表明,木质纤维素在经过改性之后可获得优异的抗氧化性能。BUMBUDSANPHAROKE等[10]以未漂白硫酸盐(UBK)针叶木浆为原料提取木质纤维,并将合成的金纳米粒子(AuNPs)固定在木质纤维素纤维上,用2,2-二苯基-1-吡啶酰肼(DPPH)清除自由基的方法研究了AuNP-UBK纤维纳米复合材料的抗氧化性能。研究发现,与纯纤维相比,AuNP-UBK纳米复合纸表现出优异的抗氧化性能,清除自由基率超过98%,这归因于纤维-纤维网络吸附的协同效应和AuNPs随后的催化活性。可见,AuNP-UBK纤维纳米复合材料有望成为食品保鲜用抗氧化活性包装材料的新候选材料。JIN等[11]从硬木浆中提取纤维素,采用NMMO技术制备了纤维素基介孔二氧化硅复合材料,将其用于包装膜材料。研究表明,介孔SiO2材料的加入会降低薄膜的拉伸强度,但改性SiO2材料与纤维素基体的相容性好,对拉伸强度的影响小于未改性材料。该方法可显著提高纤维素复合膜的透氧性,降低其水蒸气透过性。由此可见,介孔SiO2材料在调节纤维素复合包装膜渗透性方面是一种很有前途的材料。MIHALYCOZMUTA等[12]通过向漂白长硬木纤维制成的水悬浮液中加入TiO2、Ag-TiO2和Ag-TiO2-沸石来制造食品包装纸,研究结果表明沸石结构中的自由通道导致对空气的阻隔性能最差,包装试验表明,纸-Ag-TiO2复合包装纸在保存面包中的营养成分方面最为有效,纸-Ag-TiO2-沸石复合包装纸在酵母和霉菌含量方面延长了面包的微生物安全性。芬兰VTT技术研究中心(VTT Technical Research Centre of Finland)[13]利用木质纤维素和脂肪酸这两种完全可再生的物质,开发出了一种可用于食品包装的材料,VTT开发的这种包装材料用途较广,基本能够代替塑料的用途,由于其具有热塑性,所以这种材料与塑料一样,也可以制成包装膜等类塑料产品,该材料的潜在功能还有待于进一步开发。

    由此可见,木浆纤维素既可以在改性后具有阻隔和抗氧化性能,又可以作为基体材料固定纳米粒子发挥活性功能,在食品包装材料中有着广阔的应用前景。

    微纤维纤维素(MFC)是以高度精制纯植物性纤维为原料,经超高压均质机强力机械剪切力后提取得到的大小仅为0.1~0.01 μm的微小纤维素[14],不易受热及机械剪切力而变化;不易受酸、盐及其他电解质、添加剂、食品原料影响;不易被微生物、酶等分解,且保持原有亲水性、无味无臭、不会影响食品原本风味等性质,在食品包装材料中被广泛应用。

    MFC膜有着优良的力学和耐酸碱性能,作为载体可以结合活性抑菌物质,改善包装材料的抑菌性。JAYAPRADA等[15]研究发现含植物提取物(葡萄籽提取物、紫荆叶提取物和番荔枝叶提取物)的MFC膜的拉伸强度和断裂伸长率均低于纯膜。但是,加入植物提取物的膜的溶解度和透湿性显著低于纯膜和共混膜,而且加入植物提取物的MFC膜的失重率较低。由于多酚类物质的存在,具有更好的抗紫外线性能。与其它植物提取物相比,葡萄籽提取物的膜具有最高的DPPH自由基清除活性。通过包装新鲜切好的胡萝卜,对这些薄膜的包装应用进行了测试,结果表明它们具有更长的保质期。LAVOINE等[16]将MFC涂层作为新型活性包装释放体系。在纸上涂上微纤维纤维素,形成的纳米多孔网络既阻隔空气又被用来控制分子的释放。制备方法扩散示意图(图3)表明,MFC涂层能有效减缓活性分子的释放,这为抗菌包装材料的制备提供了参考。

    图  3  三种不同测试样品的制备方法[16]
    注:(i)将纸张样品浸渍在咖啡因溶液中,(ii)将纸张样品浸渍在咖啡因溶液中,然后涂上MFC,(iii)将纸张样品涂上咖啡因/MFC混合物。
    Figure  3.  Preparation of the tested samples using three different strategies[16]

    POPOV等[17]利用超声辅助还原法合成银纳米粒子并将其负载在MFC膜上,制备了对大肠杆菌有较强的抗菌活性的抗菌材料,使其成为一种很有前途的食品包装抗菌材料。LAVOINE等[18]利用β-环糊精(βCD)与MFC的协同作用,开发了一种新型的抗菌纸基缓释包装材料。通过浸渍的方法将抗菌分子(香芹酚)包含在βCD中,制备了一种新型的生物基食品包装材料,通过抗菌分子的缓释,能够更好地保存和延长食品的保质期。LAVOINE等[19]利用氯己定-葡糖酸盐(CHX)溶液作为抗菌分子的模型,与MFC混合并用作纸板样品上的涂层,提出了一种包含活性生物分子的生物基体,该材料能够提高食品模型猪肝的保质期,而且适合做可生物降解的轻质食品包装材料。APJOK等[20]分别以壳聚糖(P-CH)、壳聚糖-TiO2(P-CHTiO2)和壳聚糖Ag/TiO2(P-CH-Ag/TiO2)为载体,在4 ℃、55%相对湿度、15 h光照/9 h暗循环的条件下对三种活性MFC纸进行了6个月的实时老化,并与普通纸进行了比较。实验结果表明,经过6个月的贮存后,抗菌性能最有效的包装是P-CH-Ag/TiO2,其酵母菌与霉菌(5.8 CFU/g)和大肠杆菌(6.12 CFU/g)计数最低,这归结于P-CH-Ag/TiO2具有自洁性。COZZOLINO等[21]利用聚合物网络的纳米特性可以控制小分子活性化合物的释放,研究成功地证明了MFC膜是抗菌溶菌酶的合适载体,防止了其在与两种食品模拟物(水和水/乙醇溶液)接触的早期快速释放,开发了控释包装材料。POPA等[22]通过添加MFC提高聚乳酸性能,随着纤维素纤维的加入,被测样品的渗透性成比例增加,还确定了由于灭菌过程而引起的被测复合材料吸收特性的变化适合用于诸如经巴氏灭菌蔬菜的包装。

    综上,MFC膜可以作为载体与多酚类物质、银纳米粒子、香芹酚、CHX、壳聚糖、溶菌酶等活性成分复合,实现包装材料的抗菌功能,其中,活性成分在MFC膜中的缓释研究较多,更有利于维持抑菌的长效性。基于绿色环保的发展理念,相信未来的包装材料会向着抑菌、可降解和轻量化等功能集成化的方向发展。

    MFC分子中含有大量羟基,易与水结合,大多研究采用对其表面改性来满足作为包装材料的阻隔性和力学性能。RODIONOVA等[23]用乙酸酐对牛皮纸浆生产的微纤维纤维素进行了表面化学改性,乙酸酐与纤维素分子上的羟基反应,从而改变亲水性表面,使其更加疏水,所得的微纤维纤维素薄膜不但提高了包装应用时的阻氧性能,对液态水也具有良好的阻隔性能。SPENCE等[24]通过机械精炼和使用均质机进行高压处理的方法制备的木质素含量高的MFCs具有较高的水蒸汽透过率,甚至具有较高的初始接触角。LAVOINE等[25]通过对不同的MFC涂层纸板和PE涂层纸板的比较,突出了涂层工艺的影响和MFC的作用。MFC的加入抵消了涂层工艺的负面影响:弯曲刚度和抗压强度提高了30%。但MFC并没有提高纸板的阻隔性能,尽管它大大增加了纸板的吸水率。SIRVIÖ等[26]利用四种不同尺寸、化学性质和比例的木质纤维素纤维,制备了MFC和海藻酸钠生物复合膜。通过增加生物复合材料中纤维的含量和减小纤维素的纤维尺寸,提高了膜的力学性能。除未改性桦木浆的膜外,所有生物复合膜均具有良好的油脂阻隔性能,并且通过添加微米/纳米纤维素纤维以及离子交联降低了海藻酸盐膜的水蒸汽透过率。

    由此可见,MFC经过表面羟基反应、高压处理、涂层、改变纤维尺寸和含量、离子交联等技术手段使得薄膜结构发生改变,提高了MFC复合膜的阻隔性和力学性能,为其在食品包装中的应用奠定了基础。但MFC作为涂层在改善阻隔性方面还有待提高。

    乳液型食品对包装材料的要求更高,除具有高阻隔和力学性能外,乳液稳定性的要求尤为重要,而且基于绿色包装材料的需求,生物降解性更是未来食品包装的发展趋势。BOUHOUTE等[27]采用化学提纯的方法制备了刺阿干树(Argania spinosa)壳MFC,然后用高压均质机进行机械粉碎分离纤维素原纤维。研究了原阿干树壳(AS-MFC)作为水包油(O/W)乳液稳定剂的应用。结果表明,1% w/w AS-MFC是最大乳化液体积的适宜油浓度。AS-MFC能稳定70% w/w的甘油三酯油,无相分离。证明了AS-MFC用于食品包装材料的潜力,其在维持食品包装材料用的乳液型胶黏剂的稳定性及乳液型食品稳定性方面发挥着重要作用。MASMOUDI等[28]利用可再生资源(芦苇草和丝瓜)中的纤维素聚合物减少传统塑料废物和保护自然资源。在实验室条件下合成了增塑淀粉薄膜,这些天然薄膜在相对较低的增塑剂含量(按重量计为12%~17%)下表现出了良好的力学性能。同时采用熔融挤出技术制备了聚乳酸聚合物(PLA)与从芦苇草和丝瓜中提取的MFC的混合物。虽然这两种材料都是可生物降解的,但增塑淀粉表现出比PLA/MFC更快的生物降解动力学,这些新材料将在食品包装领域受到关注。SONIA等[29-30]研究了MFC增强乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物(EVA)形成的复合材料的溶胀参数、扩散系数和氧传递速率,分析了MFC与EVA之间的相互作用及其复合后作为食品包装材料的应用。通过接种黑曲霉(Aspergillus nigerA.niger)对复合材料的生物降解性进行了研究,发现MFC增强了复合材料的生物降解性。同时,通过检测复合材料表面孔结构的变化,研究了杀菌性能。通过使用MFC,增强了复合材料的阻隔性,减少了细菌微生物的入侵。ANAND等[31]从花生壳提取MFC并制备食品包装用琼脂基生物纳米复合膜。MFC的加入使纤维的拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率等物理力学性能提高。同时,生物纳米复合膜具有较小的膨胀性和较高的土壤降解率,可用于开发可降解的食品包装材料。

    可见,MFC素多来源于植物和作物,在生物降解方面有着先天的优势,其形成的复合材料在食品包装方面降解率高,尤其纳米复合材料,其力学性能优异,对乳液型食品稳定性高,适合液态食品包装。

    细菌纤维素(Bacterial cellulose,简称BC)是经微生物发酵合成、由发酵液提出的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物[32],因其由细菌合成而命名为细菌纤维素。与植物纤维素的主要差别在于其不含有半纤维素、木质素等,更易与纤维素降解酶发生作用,同时在酸性及微生物存在的自然条件下也可以直接降解,所以具有良好的生物可降解性和生物相容性。由于BC具有独特的纤维网状结构、高孔隙率、高机械强度和高弹性模量等性质适合做食品包装材料。但由于分子内存有大量的亲水基团,具有透气、透水和持水性能,通常与其它物质复合或改性后使用。

    BC自身的网状结构和纳米尺度有利于吸附活性物质,改善其作为食品包装材料的抗氧化性和抗菌性。DHAR等[33]利用碱木质素(AL)作为智能添加剂在原位BC发酵中同时作为微生物生长的促进剂和增强填料来制备多功能复合材料。由于铝的抗氧化性质,可防止副产物葡萄糖酸的形成。研究表明AL在BC孔中自组装形成一级和二级结构,同时提高了热稳定性和韧性。而且BC/AL膜具有很强的抗紫外线能力,具有持久的自由基清除活性和防止鲜切苹果褐变的作用,适合作为食品包装材料。ROLLINI等[34]研究了乳清超滤的副产品乳清渗透液(CWP)作为生产BC的廉价基质,用于抗菌包装材料。在对一种接种李斯特菌的新鲜意大利软干酪进行的贮藏试验中发现,所获得的抗菌食品包装可有效地减少李斯特菌的数量。PADRÃO等[35]用牛乳铁蛋白(bLF)吸附两种不同来源的BC膜,对其进行改性,功能化膜(BC+bLF)可直接接触高度易腐的食品,特别是作为新鲜香肠肉类产品。对功能化膜水蒸气渗透性、力学性能、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了表征,结果表明吸附bLF的BC膜可以作为食用抗菌包装材料。VILELA等[36]研究了由聚甲基丙烯酸磺基甜菜碱(PSBMA)和细菌纳米纤维素(BNC)组成的抗菌导电纳米复合材料作为独立薄膜应用于食品包装,结果表明PSBMA/BNC纳米复合材料由于其紫外线阻隔特性、水分清除能力和对引起食品腐败和食源性疾病的病原微生物的抗菌活性,显示出作为活性食品包装膜的潜力。

    BC与AL、bLF 和PSBMA等活性物质复合,可有效清除自由基实现抗氧化性,并抑制了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,发挥了抗菌的功效,尤其在与PSBMA复合时不仅展示了抑菌性,还体现了紫外线阻隔性和疏水性,为其在食品包装材料中的应用提供了空间。

    BC凭借其多孔性网状的纳米结构特点,易与聚合物及纳米颗粒形成复合材料来实现高阻隔性、高力学性和热稳定性。CHOUDHARY等[37]以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乙烯醇为原料制备了BC复合材料,研究表明复合材料中BC含量越高,透光率越低。BC在PMMA基体中扩散时的纤维尺寸为纳米级,复合材料的拉伸强度随BC含量的变化而变化,这些结构与性能的变化推动了BC在包装材料领域的应用。CAZÓN等[38]通过BC-壳聚糖-聚乙烯醇制备的柔性透明薄膜具有优异的抗紫外线性能,可用作食品包装材料,并评估了由水活性引起的变化。结果表明,水分子的增塑作用使试样的水蒸气透过率提高,水活性的增加降低了杨氏模量和拉伸强度,水分子不影响薄膜的紫外线阻隔性能。LI等[39]通过一种成熟的造纸工艺,将玉米醇溶蛋白纳米颗粒(ZNs)成功地并入BC纳米纤维网络中,形成均匀的纳米纸复合材料。所制备的BCN-ZN纳米复合材料的拉伸力学性能和热稳定性显著提高,而且其表面形成了较为粗糙的结构,有良好的生物相容性。若将各种疏水活性物质封装到多功能纳米载体ZN中,可以充分获得具有抗菌等多种活性的多功能BCN-ZN纳米复合材料,将其应用于食品包装中值得期待。SMARAK等[40]用BC与聚乙烯吡咯烷酮以及羧甲基纤维素复合,获得的膜具有更好的力学性能和稳定性,此薄膜被认为是优异的新型绿色食品包装材料。STOICA-GUZUN等[41]研究了γ辐射对聚乙烯醇/BC复合包装材料的影响,BC的加入可以改善聚乙烯醇膜在辐射后的稳定性和力学性能。SOMMER等[42]对BC进行改性,以改善其作为食品包装材料的功能特性。研究了BC的分解和蒙脱土(MMT)的加入对其阻水性能、力学性能和热性能的影响。结果表明,在10%~15%的甘油存在下,通过添加2%的蒙脱土对BC进行改性,由于复合材料之间形成氢键,其阻水性能得到改善,可以作为食品包装材料。

    BC与其它功能材料复合,增强了其阻隔性能和力学性能,尤其在被MMT改性后,热稳定性增强,这为其在食品包装材料中的应用奠定了基础。

    BC与活性物质复合或形成特定结构材料,可获得智能响应、吸附性和降解性能,为其在食品包装中的应用奠定基础。KUSWANDI等[43]以BC膜固定的甘蓝花色苷为基础,研制了一种可食性pH传感器。可食性pH传感器在pH范围(pH1~14)内呈现出从红色到紫色、蓝灰色,然后到黄色的各种不同颜色,在pH1~6和pH8~12之间具有良好的线性,能够区分鲜奶和变质奶,适合作为新鲜度传感器应用于智能包装系统中。PIRSA等[44]运用具有纳米导电结构的BC/聚吡咯/氧化锌复合薄膜包装鸡大腿肉,作为一种具有抗氧化和抗菌活性的智能化薄膜,它能够保护鸡腿肉不受氧化剂和细菌的影响,延长鸡腿肉的保质期。MA等[45]制备了一种具有三明治结构的新型固体BC/棉纤维(BCF)复合材料,将其用作活性智能食品包装材料。将BCF或BC薄膜真空干燥后吸收不同浓度的姜黄素。研究发现当姜黄素浓度相同时,BCF基薄膜比BC基薄膜具有更好的抗氧化性能和更明显的颜色变化。BCF-姜黄素薄膜的pH值变化范围为7~10,颜色由亮黄色变为棕色。这些结果表明,BCF姜黄素薄膜具有作为活性和智能食品包装的能力。CAZON[46]综述了BC在食品包装薄膜开发中的主要降解性能及其在可降解食品包装中的应用。在天然高分子材料中,细菌来源的纤维素是一种具有与其它多糖基聚合物不同的特殊性质的材料,属于可降解的材料,在食品工业中的应用受到特别关注。UMMARTYOTIN等[47]用蛋壳与BC复合膜作为活性包装的吸附材料。蛋壳与BC悬浮液混合,铸成复合膜。BC复合材料中蛋壳的存在增强了吸附性能。这种材料在活性包装中作为吸收性材料具有极大的应用潜力。ZAHAN等[48]以BC膜为原料,开发一种新型可生物降解抗菌包装材料。研究结果表明,添加月桂酸的BC膜对枯草芽孢杆菌的生长有良好的抑制作用,而对大肠杆菌的生长没有明显的抑制作用。此外,纯BC膜在3 d内也经历了50%以上的降解,从第7 d开始,在土壤中也经历了100%的降解。通过进一步的研究,确定了主要的降解微生物为芽孢杆菌和根霉。

    BC经过与甘蓝花色苷和姜黄素等活性物质复合,可获得食品包装材料的智能性,如颜色-pH响应、颜色-浓度响应。也可与蛋壳复合增强包装材料的吸附能力,还可与聚合物形成纳米导电结构和三明治结构的复合材料,进而实现包装材料的智能化。通过添加月桂酸开发了可降解、抑菌的BC膜,未来BC基包装材料会向着智能化、抑菌性及可降解的更宽广领域发展延伸,如颜色-浓度响应、对大肠杆菌的抑制等,为更好地监测食品质量安全提供保障。

    从天然木材和纯植物纤维提取的木质纤维素和MFC自身无污染、可降解、性能稳定,而且改性后具有高阻隔性能、高力学性能、高疏水性,与活性成分复合后可提高其抗菌性、抗氧化性,在包装膜中可做载体,也可涂到活性分子形成的网络结构上。轻度改性的木质纤维素,具有作为食品包装材料应有的力学强度和阻隔性,成为一种新型的环保薄膜材料,而且经过功能化可起到抑菌和抗氧化作用,在食品包装领域有着广阔的应用前景。但由于目前木质纤维素在提取方面很难同时满足低成本和高效率,导致其应用领域受到限制。

    MFC可以通过表面化学改性来改善其亲水性,或通过形成微纳结构来提高材料的阻隔性、阻氧性、乳液稳定性、疏水性和力学性能等,也可与活性分子复合,来提高材料的可降解性和抗菌性,相信随着包装材料的轻量化与功能化并存的要求,MFC在食品包装中的应用会越来越广泛。

    BC可以制成具有阻隔性、抗氧化性、抗菌性的包装材料,还可以与活性成分复合成颜色-pH响应、颜色-浓度响应的智能包装材料,拓宽了细菌纤维素的应用领域,也为食品包装材料的研发开辟了广阔的空间。相信随着可降解包装材料的社会需求逐年增加,BC食品包装材料会备受关注。由微生物发酵液提取的多孔性网状细菌纤维素,具有良好的生物可降解性和生物相容性,由于其独特的纤维网状结构、高孔隙率、高机械强度和高弹性模量等性质,与其它物质复合或改性后可作为食品包装材料,而且与活性分子复合后可实现材料智能化,未来还会出现颜色-温度响应包装材料,更好地反应外界环境温度变化给食品带来的影响,开拓了BC的应用领域,也为智能化包装材料的发展开辟了新路。

    相信随着技术的发展,纤维素的提取过程会实现低成本和高效率相同步,纤维素优异的综合性能和未来节能环保的经济发展趋势为其在食品包装中的应用奠定了基础,食品包装材料的轻量化、功能集成化、结构微纳化、智能化和环境友好性将成为未来的焦点。

  • 图  1   关于纤维素基食品包装材料在不同年份所发表的论文数量

    Figure  1.   Number of papers published on cellulose based food packaging materials in different years

    图  2   关于纤维素基食品包装材料在不同国家所发表的论文数量(自2000年以来)

    Figure  2.   Number of papers published on cellulose based food packaging materials in different countries(Since 2000)

    图  3   三种不同测试样品的制备方法[16]

    注:(i)将纸张样品浸渍在咖啡因溶液中,(ii)将纸张样品浸渍在咖啡因溶液中,然后涂上MFC,(iii)将纸张样品涂上咖啡因/MFC混合物。

    Figure  3.   Preparation of the tested samples using three different strategies[16]

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-07
  • 网络出版日期:  2021-12-30
  • 刊出日期:  2022-02-28

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