納米技術在食品包裝領域的應用

■ 文/李丹，李中華，金林宇，何思遠，孟魯建

（1、海軍特色醫學中心；2、上海交通大學；3、解放軍31673部隊）

納米技術是新興的科學應用技術，納米技術是指對尺寸在1-100nm之間的材料進行研究的科學應用技術[1-3]。結構決定性質，性質決定性能，物質的微觀結構決定物質的宏觀性質，物質的宏觀性質決定物質的宏觀性能，通過研究物質的納米微觀結構了解物質的宏觀結構和性能，通過探索改變物質的納米微觀結構來改變物質的宏觀結構和性能。納米技術使得人類對于物質的了解更進一步，無數領域得到了飛速的發展，甚至在某些領域突破了關鍵的瓶頸，實現了質的飛越，其技術在很多領域應用廣泛[4-7]，例如生物醫藥、水處理、電子技術和機械等領域。總之，納米技術使得如今的科學技術得到了快速的發展。

食品是人類生活必不可少的，包括各類水果蔬菜肉類等，對于各類食品，儲藏和運輸損耗是目前存在的問題。以果蔬行業為例，中國是農業大國，每年都有著大量的蔬果生產量，但由于我國在蔬果保鮮技術、冷鏈運輸和低溫儲存等方面相對落后，導致每年都有大量的水果蔬菜變質損壞[8]，損壞率平均高達25%，同樣對于其他食品亦是如此。在食品的整個生產制造流程中，食物非常容易受到損害，包括物理損害、化學損害和生物損害等，變質的食物會對人體產生危害，食物變質的同時產生的有害物質對人體造成損害。所以，研究開發出具有良好保鮮性能、安全和無毒的食品包裝材料就顯得尤為必要。為了達到食物更長時間的保鮮效果，目前市面上常用的保鮮手段為化學保鮮方法，其中包括：添加防腐劑、抗氧化劑、干燥劑等化學試劑來延長食物的保存時間，一方面，這類保鮮方法會在一定程度上影響食物口感，另一方面添加劑對人體會有一定的危害，這些方式都不是推薦的保鮮方式。

納米包裝材料指通過納米技術將納米粒子與包裝材料復合，通過納米添加、納米合成和納米改性等方式，加工成具有納米尺度、納米結構或特殊功能的納米包裝材料[9-10]。納米技術正改變著食品包裝行業，納米包裝材料能滿足大部分需求，推動食品行業的發展,納米技術在食品領域的應用如圖1。納米包裝材料種類繁多，在包裝材料方面，納米技術有納米復合包裝材料，通過功能性分子材料與聚合物進行復合或者通過特殊的納米技術工藝得到具有良好阻隔性、保鮮性和高阻隔性能的強化功能的薄膜。納米技術有活性包裝袋，通過在包裝袋中加入抑菌的納米微粒使得包裝袋具有抑制細菌生長的效果。復合有納米傳感器的包裝袋可以用來偵測包裝袋里的細菌，或者利用納米技術可以制備高安全性的高阻隔包裝袋。

圖1 納米技術在食品領域的應用

一、納米技術在食品包裝領域的應用

食品包裝領域一直存在著包裝袋內食品保鮮時間不長容易變質等問題，納米技術以其獨特的性質和優勢，為食品包裝領域解決了諸多的問題。納米包裝材料也種類繁多，有通過納米技術加工工藝制備的納米結構包裝材料，有通過將功能性分子與高分子材料進行復合制備納米包裝材料，有通過納米粒子的加入賦予包裝材料特殊的性能，有通過納米分子篩使得材料具有良好的透氣性和保鮮性能。根據已有文獻，綜述納米技術在食品包裝的應用主要有如下四類應用：

（一）納米復合包裝材料

納米復合材料包裝是指通過功能性分子與聚合物通過特殊的納米技術工藝得到具有良好力學強度、良好阻隔性和保鮮性的強化功能的納米復合材料。納米材料具有諸多的優良特性，例如氣體阻隔性能、溫度、濕度阻隔性能，通過將功能性分子與聚合物材料進行復合，很好的改善聚合物的性能，使得材料具有良好的上述性能。可以改善包裝袋的氣體阻隔性能、溫度調節能力和力學性能。

通過納米技術工藝改變包裝材料的內部結構，制備出具有納米結構的包裝材料，使得包裝材料獲得納米材料的突出性能。王雪芳[14]等同過靜電紡絲的方法制備出具有抗菌效益的TiO2/PLA復合納米纖維膜，研究進行了草莓保鮮實驗，納米纖維膜有效的延長了草莓的保鮮時間。靜電紡絲是應用較為廣泛的納米技術，通過靜電紡絲方法可以制備出具有納米級別間隙孔洞的微觀結構，使得制備出來的膜具有納米微孔結構，提升了力學性能和氣體的選擇透過性，從而使得制備出來的保鮮膜具有良好的保鮮效果。Qian[15]等通過研究開發出TiO2/PLA復合材料膜，利用TiO2良好的光催化能力和抑菌效果，得出復合材料具有良好的抑菌效果。溫棚[16]通過靜電紡絲的方法制備出肉桂精油與聚乳酸的復合納米纖維保鮮膜，大幅延長了肉類制品的保鮮時間。

（二）直接添加納米粒子的活性包裝材料

添加納米活性物質可以增加包裝袋的各項性能。很多種類納米材料：納米氧化銅、納米銀、納米二氧化鈦、納米氧化鎂、氧化鋅和碳納米管能提供抑菌效果[17-20]。例如在將透光的納米SiO2粒子與普通的塑料薄膜進行復合，可以大幅提升塑料薄膜的透明度韌性等性能，增加了薄膜的應用范圍。在聚酯材料中添加復合納米溶膠能顯著提升材料的阻隔性能。同時納米氧化鋅也是很好的納米材料，能夠賦予材料良好的力學性能和抗菌性能。

常見的納米粒的性能作用如下表1所示。

表1 常見的納米粒的性能作用

通過將具有特殊性能的納米粒子與材料進行復合可以大幅改變提升材料的性能，例如納米銀在包裝袋中的應用使得包裝袋具有良好的保鮮性能，銀能夠使得食物釋放出的乙烯快速氧化，從而減少乙烯對食物的影響[21-23]。納米TiO2粒子具有很強的紫外吸收和光催化降解能力，在食品包裝袋中添加納米TiO2粒子能很好的抗紫外線，改性納米TiO2粒子具有優異的性能，能賦予材料較好的力學性能和較好的保鮮性能[24-26]。同時納米氧化鋅也是很好的納米材料，能夠賦予材料良好的力學性能和抗菌性能[27-30]。有機蒙脫石能與保鮮材料復合。

劉媛媛[31]等研究開發出具有抑菌效果的改性納米TiO2復合大豆分離蛋白保鮮膜，并研究探討了抑菌保鮮膜的最佳抑菌效果的制備工藝。袁志[32]等人自主開發出改性納米TiO2復合殼聚糖保鮮膜，改性TiO2賦予膜較高的力學性能、較低的透氧率和較低的透濕率，大幅增加了蔬果的保鮮時間。李喜宏[33]等制備研究了鈉米 ZnO/PVC膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的體外抑菌作和對蘋果防腐保鮮效果的影響，以及納米ZnO含量、溶液pH值、培養條件(無光和光照)等對納米膜抑菌能力的影響。同時研究結果表明，實驗所用ZnO粒子含量越高，抑制細菌的效果越高，保鮮性能也就越好。張改梅[34]等自主研究開發出具有抗菌性能的納米銀保鮮膜，在不同放電功率、不同放電時間、不同本底氣壓的條件下制備不同厚度的納米銀薄膜，并對不同實驗參數下制備的納米銀薄膜進行抗菌性及保鮮性試驗進行了研究。研究出了濺射時間與薄膜厚度對抗菌性能的影響。李群[35]等研究開發出一種抗菌型納米纖維基保鮮膜，主要以微纖化納米纖維素(MFC)與殼聚糖乙酸水溶液在適當配比條件下采用超聲波共混后完成新型抗菌型納米纖維基保鮮膜的制備。保鮮膜的納米纖維結構使得保鮮膜兼具納米材料的諸多優點，例如高效抗菌、高透氣性、高透明度、高粘接性、皮膜柔韌性及耐磨性等。

（三）智能納米傳感器包裝材料

智能納米傳感器包裝是指將納米傳感器應用于食品包裝。納米傳感器可用來檢測食品在儲存過程中的變化，一方面鑒定食品是否損壞，各項參數指標是否符合標準，同時鑒定有沒有細菌的滋生，空氣中的氣體含量變化，同時納米傳感器具有較高的阻隔性，降低氣體和水蒸氣的透過率，對食品起到保鮮的作用。可用來檢測感應食物中的生物化學微生物變化和事物的變壞程度，一些智能包裝被用作事物安全檢測器。幾種納米傳感器在食品包裝領域有著廣泛的應用，包括納米微粒傳感器、電子鼻、納米懸臂、溶液中的納米微粒和納米條。MILLS等[36]自主研究開發出氧氣傳感器包裝，以自主研發的納米晶粒作為納米傳感器，對包裝袋中的氧氣成分進行實時監測，以確保包裝袋的密封完整性。

（四）分子篩納米包裝材料

分子篩是一種人工合成的具有分子篩選性的水合硅鋁酸鹽，在結構上具有孔徑均勻排列整齊的納米微孔結構，不同孔徑的分子篩不同直徑不同形狀的分子分離開來，這也就是分子篩的選擇透過性，分子篩的結構示意圖如下圖2。經過快速的發展，分子篩以其突出的選擇透過性作為吸附劑、分離劑和例子交換劑等廣泛的應用于各大行業。將分子篩應用于食品包裝領域，特別是蔬果領域，能夠起到對食品包裝中氣體成分調節的作用，使得保鮮袋中的蔬果和食品處于最佳的狀態，從而延長保鮮效果。郭玉花[37]等自主研發出了納米活性分子篩薄膜，同時進行了納米分子篩薄膜對草莓保鮮性能的研究，結果顯示納米分子篩薄膜對草莓有良好的保鮮效果。徐文才[38]等人自主研發了分子篩/LDPE共混薄膜，本研究通過改變調節作為吸附劑的分子篩合成比例，來調節共混薄膜的性能，進行香蕉的保鮮實驗，實驗結果顯示共混膜能顯著增加香蕉的保鮮時間。

圖2 納米分子篩的結構

二、展望

本文綜述了近幾年來國內外納米技術在食品包裝領域的應用現狀，納米技術能夠促進其所涉及的領域發生革命性的發展。納米技術在食品包裝領域已經取得了一定的進步和進展，納米技術以其獨特的優越性解決了食品包裝領域諸多的問題，通過納米包裝技術賦予了普通包裝袋諸多優良的特性，讓食品領域向前邁了一大步。隨著科學技術的不斷發展，納米技術研究的不斷精進，未來將有更多特殊功能的材料誕生，而納米材料作為當今最具發展潛力的材料，將納米材料應用于包裝領域必定是今后的研究熱點。