超臨界溶液浸漬法及其在食品活性包裝材料中的應用研究進展

(大連大學生命科學與技術學院,遼寧大連 116622)

良好的食品包裝可以防止食品受到氧化、微生物或其他因素影響,從而保障食品品質,延長貨架期[1-2]。近年來,活性包裝作為一種新型包裝引起了人們的廣泛關注[3-4]。與傳統包裝相比,活性包裝不光可以起到將食品與外界環境相隔絕的作用,并且可在食品保存過程中提供一些特殊的功能,例如抗氧化,抗菌等,以延長食品的貨架期[5-9]。目前,活性包裝的研究主要集中于，在聚合物材料中加入精油或植物提取物等活性物質,從而使聚合物材料具備保持或釋放活性物質的能力,進而調節食品保存的微環境[10-12]。

目前,將活性物質負載到聚合物材料中的方法主要有熔融擠出法、涂覆法、溶劑澆鑄法等,這些方法盡管應用廣泛,方法成熟,但都有不同的缺點,例如處理過程中會使用大量有機溶劑或者需要在高溫條件下操作,存在活性物質分布不均勻、易失活以及產物中有機溶劑殘留等問題[13-14]。因此,選擇合適的方法,將活性物質負載至基質材料中,制成具有相應活性的食品包裝材料具有重大意義。

近年來,超臨界流體技術由于其具有環境親和性,開始受到重視,多種超臨界流體技術被開發出來用于聚合物處理、藥物制備等領域[15-20]。其中超臨界溶液浸漬技術(SSI)是一種利用超臨界流體將小分子物質負載到基質中的技術[21-22],過程中可使用的超臨界流體有多種,其中超臨界二氧化碳由于無毒、對環境友好、價格低廉、臨界點易達到等優點,成為使用最廣泛的超臨界流體。SSI自開發以來，被廣泛應用于印染、生物醫藥、食品等領域[23-27],近年來開始應用于制備食品活性包裝。食品活性包裝被稱為智能包裝,是食品包裝的發展趨勢。利用SSI的優勢,將其應用于食品活性包裝的制備中具有良好的前景。采用SSI過程制備食品活性包裝的研究國外已有部分報導,相關研究多集中于活性物質的負載及過程參數的優化;國內相關研究尚處于起步階段,報道較少。本文將介紹SSI的機理及流程,對SSI在制備食品活性包裝領域的實驗室成果進行綜述,并對未來發展趨勢進行展望。

1 SSI的機理及流程

1.1 SSI的機理

SSI主要利用超臨界CO2溶解能力可控,擴散能力強的特性,超臨界CO2具有較高的密度可溶解部分活性物質,并且超臨界CO2能夠擴散進入大部分聚合物中,使聚合物溶脹,因此,將活性物質及聚合物同時置于超臨界CO2環境中，將會使得活性物質負載到聚合物中。

典型的SSI過程中主要涉及三個組分:活性物質、超臨界CO2、聚合物材料。這三個組分間相互作用包括:活性物質在超臨界CO2中的溶解;聚合物與超臨界CO2相互作用;活性物質分子與聚合物分子之間的相互作用。這些相互作用都會對SSI過程制備負載活性物質的聚合物材料產生影響[28]。為保證活性物質在聚合物材料中的成功負載,首先,SSI過程要求活性物質在超臨界CO2中具有一定溶解度。如果活性物質在超臨界CO2中溶解度過低,可加入共溶劑以增加活性物質在超臨界CO2中的溶解度,但共溶劑的加入會增加產品中溶劑殘留的風險[29]。其次,聚合物應能被超臨界CO2溶脹,除部分聚合物可在超臨界CO2中溶解外,大部分聚合物可在超臨界CO2中溶脹[30-31],溶脹后聚合物分子間空隙增大,利于活性物質的擴散進入。除此以外,活性物質分子應與聚合物分子間有一定的相互作用,使得活性物質在聚合物相/超臨界CO2相中的分配系數大于1。通過這些相互作用,活性物質可負載到聚合物中,形成具有活性的聚合物材料。

從SSI過程的機理可以看出,過程利用超臨界CO2作為溶脹及傳質介質,與傳統的活性物質負載到聚合物中的方法相比具有以下優勢:SSI過程使用超臨界CO2作為浸漬介質,超臨界CO2具有擴散系數大,黏度低的優點,并且可使聚合物溶脹,有利于活性物質進入聚合物內,縮短過程時間,提高生產效率;SSI過程結束后,只需通過簡單的泄壓即可得到產物,無有機溶劑殘留,無需后續分離純化步驟,且CO2回收方便;SSI過程條件溫和,不會對活性物質結構及活性產生影響;CO2對環境友好,且廉價易得。

1.2 SSI的流程及影響因素

1.2.1 SSI的流程 SSI流程如圖1所示[32],SSI過程可分為三個階段:第一個階段,CO2經冷卻后達到液態,經由高壓泵加壓,隨后預熱達到超臨界狀態;第二個階段,超臨界CO2進入到高壓釜中進行活性物質的溶解及浸漬過程;第三個階段,浸漬完成后,卸去壓力,超臨界CO2氣化,最終得到負載有活性物質的樣品。其中,高壓釜中進行的活性物質的溶解及浸漬主要包括以下步驟:首先,活性物質溶解于超臨界CO2中;同時CO2通過擴散作用進入聚合物中,使聚合物發生溶脹,使聚合物分子間隙變大,溶有活性物質的超臨界流體溶液擴散進入溶脹的聚合物中，并保持一定時間;最終,卸去壓力,CO2密度迅速降低,CO2對活性物質的溶解能力下降,活性物質在聚合物中沉淀析出,溶脹的聚合物恢復原狀,形成具有相應功能的聚合物材料。

圖1 超臨界溶液浸漬技術流程Fig.1 Schematic diagram of SSI

1.2.2 SSI的影響因素 SSI是一個高度可控的過程,可通過過程操作條件的調控，最終影響產品的性能。SSI過程中可控制的操作條件主要有:超臨界CO2的溫度、壓力,浸漬時間以及泄壓速率等[33]。活性物質在超臨界CO2中的溶解度與超臨界CO2的密度緊密相關,SSI過程中溫度、壓力的改變會引起超臨界CO2密度的變化,影響活性物質的溶解度。SSI過程中超臨界CO2的溫度、壓力同樣會影響到CO2在聚合物中的吸附和溶脹,進而影響到活性物質在超臨界CO2相/聚合物相的分配行為。因此,對于不同的活性物質及聚合物體系,過程中超臨界CO2的溫度、壓力對最終產品的影響不盡相同,所以,對于不同的活性物質及聚合物體系需要進行獨立的研究,從而得到最優的過程溫度、壓力參數。活性物質在超臨界CO2中的溶解、超臨界CO2對聚合物的溶脹以及活性物質在聚合物中的吸附都需要一定的時間才能達到平衡,平衡時間的長短與溫度、壓力有關,同樣也與聚合物分子結構及宏觀形狀有關,有研究表明,活性物質在聚合物中的達到吸附平衡所需時間最長,是SSI過程的限速步驟[34]。因此,為使活性物質均勻負載于聚合物材料中,浸漬時間要長于活性物質在聚合物中達到吸附平衡的時間。泄壓速率同樣也是SSI過程中的重要參數,由于超臨界CO2可將聚合物塑化,并降低聚合物的玻璃化轉變溫度,快速的泄壓可能產生聚合物發泡的現象[35-36],而較低的泄壓速率可以保護聚合物結構不受破壞。因此,對于不同的聚合物材料,SSI過程泄壓速率需要單獨進行考察,從而得出最優的泄壓速率。

2 SSI在食品活性包裝材料中的應用

目前SSI過程已成功應用于食品活性包裝材料的制備,其中活性物質多為單一天然活性化合物或植物粗提物[37],包裝材料多采用聚合物材料包括合成聚合物、天然聚合物、復合聚合物、納米復合聚合物等基質材料。

2.1 合成聚合物

合成聚合物是目前傳統食品包裝中使用最廣泛的材料,將活性物質負載到合成聚合物材料中，是目前食品活性包裝研究較廣泛的方向。Torres等[38]在近臨界和超臨界流體環境中將百里香酚浸漬到線性低密度聚乙烯(LLDPE)中用于食品包裝,實驗結果表明,在操作溫度39.85 ℃,壓力7～12 MPa范圍內,百里香酚可被成功負載到LLDPE膜中,百里香酚在LLDPE膜中的濃度范圍為0.51%～1.32%。百里香酚在聚合物中負載量受操作壓力影響較大,并且根據實驗結果以及擴散模型擬合,估算出百里香酚在LLDPE中的擴散系數在7.5×10-13～3.0×10-12m2s-1之間,說明百里香酚負載至LLDPE中后,可以以一定速率釋放出來。隨后同課題組的Rojas等[39]使用SSI過程將2-壬酮浸漬至LLDPE膜中，制成食品活性包裝材料,研究中發現,在操作溫度39.85 ℃,操作壓力12～22 MPa,泄壓速率分別為1.0、10.0 MPa/min時,2-壬酮在LLDPE中的負載量在0.21%～0.34%范圍內,并且LLDPE膜中負載的2-壬酮的釋放行為可通過SSI過程參數進行調控。

除了單一天然活性化合物以外,一些植物粗提物同樣具有抑菌、抗氧化等活性,也可通過SSI過程負載于聚合物材料中,用于食品活性包裝的制備。Medeiros等[40]采用SSI過程將丁香精油浸漬到LLDPE膜中制備食品活性包裝材料。考察了操作溫度(25、35、45 ℃),壓力(150、250 bar),丁香精油:CO2質量比(2%、10%)對浸漬過程的影響,在45 ℃,150 bar,丁香精油:CO2質量比10%時,丁香精油在LLDPE中負載量最大,為40.2 mg/g LLDPE。差示掃描量熱、抗拉強度、拉斷伸長率和楊氏模量結果表明,超臨界CO2處理后,LLDPE膜熱穩定性和機械性能保持完好。

以上這些研究說明SSI過程可以將活性物質成功負載至聚合物中,并且以可控的速度釋放活性物質;并且SSI過程對聚合物基質材料的穩定性及機械性能影響較小,可以用于制備食品包裝材料。但這些研究未考察SSI過程對活性物質結構及活性的影響,對制備出的活性包裝材料未進行相應活性的檢測,有待進行深入的研究。

Goni等[41]同樣采用LLDPE作為聚合物材料,使用SSI過程將丁香酚負載到聚合物中，制備得到具有活性的包裝材料。浸漬實驗在45 ℃下進行4 h,分別考察壓力(10、12、15 MPa),泄壓速率(0.5、1、5 MPa/min)對浸漬過程的影響,最終浸漬收率在1%～6%范圍內,在較低的泄壓速率下浸漬收率較高。此外,研究采用紅外光譜及差示掃描量熱對負載丁香酚的LLDPE膜進行了表征,紅外光譜結果表明,丁香酚在LLDPE中的分布不是完全均勻的。差示掃描量熱結果顯示,經SSI過程后,LLDPE的結晶度下降,這是由于超臨界CO2對LLDPE的作用而不是負載丁香酚的結果。但DPPH自由基清除實驗結果表明,丁香酚的不均勻分布以及LLDPE結晶度的下降對樣品抗氧化能力無影響,所有樣品24 h自由基清除率在80%以上,并且可維持96 h不下降,表現出良好的抗氧化活性。

生物可降解材料由于對環境友好等優點,在食品領域的應用日益增多。Villegas等[42]使用生物相容性及生物可降解性聚合物聚乳酸(PLA)作為基質材料,肉桂醛作為活性物質,通過SSI過程將肉桂醛負載于PLA膜中,制成具有抑菌性的食品活性包裝。研究結果表明,肉桂醛在PLA膜中負載量在8%～13%范圍內,過程中較高的浸漬壓力和較低的泄壓速率有利于肉桂醛的負載。并且對負載肉桂醛的PLA膜的表征結果指出,肉桂醛的負載對PLA膜的熱穩定性無明顯影響,但可提高PLA膜的機械性能,負載肉桂醛后的PLA膜具有更好的韌性、更好的延展性,并且肉桂醛的負載可提高PLA的結晶速率,增加抗逆性,有利于PLA加工成型過程。由于肉桂醛具有良好的抑菌性,因此本研究中抑菌實驗表明,制備的負載有肉桂醛的PLA膜，可明顯抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,具有抑菌活性。

2.2 天然聚合物

由于天然聚合物具有良好的生物相容性、生物可降解性以及對環境友好等優勢,越來越多的食品包裝采用天然聚合物作為原料。Souza等[43]采用超臨界CO2將肉桂醛浸漬到木薯淀粉膜中制成具有抑菌活性的包裝膜,研究考察了浸漬壓力、浸漬時間和泄壓速率對肉桂醛負載量及膜形貌的影響。結果表明,采用SSI方法制備的膜材料與采用傳統負載方法制備的膜材料相比,肉桂醛的負載量要高。SSI過程中,在較高的浸漬壓力,較長的浸漬時間,較高的泄壓條件下制備得到的膜材料中，肉桂醛負載量最大,這說明肉桂醛在超臨界CO2中的溶解度是影響SSI過程的主要因素。此外,經過SSI過程后,膜材料的平衡水蒸氣吸附量及水蒸氣透過速率明顯下降。并且無論負載量大小,SSI過程制備得到的負載肉桂醛的木薯淀粉膜均可抑制青霉菌的生長。這些性質均有利于該膜材料在食品包裝中的應用。

Milovanovic等[44]采用SSI過程將百里香酚負載至醋酸纖維素中,百里香酚負載量根據操作條件及浸漬時間不同，在4.51%～72.26%范圍內,樣品的形貌隨著負載量的不同變化明顯,并且樣品中百里香酚的釋放時間根據負載量不同可持續2～21 d。負載百里香酚后的醋酸纖維素具有很強的抑菌性,負載量4.51%的樣品即可抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的生長,抑制率達99.9%。該研究表明SSI過程可通過調節過程參數，從而控制活性物質的負載量,進而控制活性包裝材料的性能,這對于SSI過程在食品活性包裝制備中的應用是十分有利的。

2.3 復合聚合物

為了滿足各類食品對包裝材料的不同需求,擴大包裝材料使用范圍,復合材料開始更加廣泛的應用于食品包裝領域。Bastante等[45]采用聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚丙烯(PET/PP)復合材料為基質,咖啡酸為模型活性物質,通過SSI過程將咖啡酸負載于PET/PP復合膜中,制成具有抗氧化活性的食品包裝膜。考察SSI過程中壓力、溫度、泄壓速率、共溶劑和浸漬時間對咖啡酸負載量的影響,并將過程最優條件應用于橄欖葉粗提物在PET/PP膜的SSI浸漬過程中。通過掃描電子顯微鏡(SEM)可觀察到，PET/PP膜上抗氧化物顆粒的分布,并且經過SSI過程處理后,PET/PP膜表面出現微發泡現象,這可能是超臨界CO2對PET/PP溶脹及塑化后快速泄壓導致的,但這種變化在宏觀下肉眼不可見。制備得到的活性材料通過DPPH自由基清除法測定其抗氧化活性,結果表明,所有條件下制備得到的負載咖啡酸或橄欖葉粗提物的PET/PP膜都具有抗氧化活性,并且使用橄欖葉粗提物的活性材料抗氧化活性更好。

2.4 納米復合聚合物

納米材料由于其特殊的理化性質，近年來受到人們的廣泛關注,在聚合物中添加納米材料制成的納米復合材料展示出了良好的應用前景。Alvarado等[46]采用聚乳酸(PLA)為聚合物基質,在其中添加含有微晶纖維素(CNC)的聚乙烯醇(PV)納米纖維,制成納米復合材料,隨后采用SSI過程負載百里香酚,用于食品活性包裝。研究表明,添加PV/CNC納米纖維后,PLA的熱穩定性和機械性能顯著提高,并且百里香酚的負載對納米復合材料無顯著影響。但釋放實驗結果顯示,PLA-(PV/CNC)納米復合材料中百里香酚的釋放速率顯著低于PLA中百里香酚的釋放速率,表明PV/CNC納米纖維的加入可顯著降低百里香酚的釋放速率,但該研究未進行抑菌活性的考察。

由以上研究結論可以看出,采用SSI過程將活性物質負載至聚合物基質中，制成具有活性的食品包裝材料是可行的。活性物質經過SSI過程后，依然可以保持良好的活性,為食品包裝材料帶來相應的活性;部分聚合物基質材料經SSI過程后可能會發生形貌及性能方面的改變,但這些改變一般不會對包裝材料的活性產生負面影響,有些甚至可以延長包裝材料活性的持續時間。但目前SSI制備食品活性包裝的研究還存在一些不足,比如聚合物基質多為合成聚合物材料,其他聚合物如天然聚合物、復合聚合物及納米復合聚合物材料較少,且基質材料多為簡單的膜結構,形式較單一。如能采用天然聚合物材料,例如殼聚糖及其衍生物、纖維素及其衍生物、藻酸鹽類等作為活性包裝的聚合物基質，則可擴大SSI過程的應用范圍,也可實現食品活性包裝的多樣化,適應不同食品對包裝的不同要求。此外可采用其他方法事先制備結構更加復雜的聚合物基質,然后采用SSI過程進行活性物質的負載,實現活性物質的可控和持續釋放,進而延長食品的貨架時間,或改善食品風味。通過擴大聚合物基質材料來源,制備復雜結構聚合物基質,更好地滿足食品工業對食品活性包裝的需求。

3 展望

隨著社會的發展,人們對食品質量及食品安全要求的日益提高,新的技術及新的材料在食品工業中的應用受到人們越來越多的關注。SSI技術應用于食品工業具有諸多優點,例如過程綠色環保,操作條件溫和,產物無溶劑殘留等,可保證食品及相關產品的安全性。采用SSI過程制備食品活性包裝材料尚處于實驗室研究階段,目前研究主要集中在天然活性物質及植物粗提物在合成聚合物材料中的負載,涉及的活性物質、聚合物材料種類及結構較少。可降解生物材料或生物基材料以及復雜結構材料中活性物質的負載，是今后SSI過程研究的重點。除此以外,SSI過程中涉及活性物質、超臨界CO2、聚合物之間的相互作用,因此SSI過程機理較復雜,目前SSI過程機理研究已有開展,但仍有待完善。可以預見,隨著SSI過程研究的不斷深入,SSI過程在食品活性包裝中的應用將更加廣泛。