生物可降解高分子材料在食品包裝中的應用

李迪

摘 要：材料科學的發展目標就是提高材料環保水平，體現高分子材料應用科學在食品包裝中的生產應用價值。其中，生物可降解高分子材料正是材料科學研究追求的，例如蛋白質、淀粉、聚乙烯醇等材料都可以制作生成人工合成可降解高分子材料，近年來在食品包裝加工領域也有廣泛應用。文章專門探討了食品包裝問題，由此引出生物可降解高分子材料及人工合成可降解高分子材料在食品包裝領域中的具體應用，借以見證材料科學的發展進化之道。

關鍵詞：生物可降解高分子材料;人工合成;食品包裝;聚乳糖;實踐應用

中圖分類號：TQ3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.045

目前，為保障食品包裝安全且不受到外界不良環境因素的影響，體現包裝的良好生態適應性，基于生物可降解及人工合成的高分子材料應運而生。新材料相比傳統的聚乙烯塑料食品包裝材料，更加綠色環保，是該領域的一次偉大革命，具有極高的應用普及性。

1 食品包裝概述

食品包裝滿足了人類食物供給的基本需求，在商品交換與貿易活動中占據了極為重要的地位，是商品的關鍵組成部分。食品包裝在功能表現上十分明確，就是保護商品儲運與銷售流通，在流通過程中不被外界環境污染破壞，提升商品使用價值也是顯而易見的。

如今，隨著人們越發關注食品安全問題與環境污染問題，與食品包裝相關的諸多問題也被提上議程。傳統食品包裝由于大量采用不可降解分子材料，如聚苯乙烯、聚丙烯等塑料制品，即便在被廢棄以后依然難以降解處理，作為固體廢物嚴重影響生態環境，被稱為“白色污染”。

因此，當前人們已經對食品包裝材料選擇作出了綜合考量，希望選用一種可以替代的可降解材料，避免白色污染產生，這就是生物可降解高分子材料[1]。

目前，市面上可降解高分子材料的種類頗多，包括光降解、生物降解、生物雙降解高分子材料。這種材料在一定條件和時間范圍內被微生物或其他分泌物在化學分解反應中降解，最終形成水和二氧化碳，不會對生態環境造成任何影響，在當前的食品包裝生產領域非常受歡迎，改變了這一聚合物加工產業的未來發展方向。如果從生物可降解高分子材料的基本特征分析，其具有良好的阻隔性能、機械性能、耐熱性能等多種優勢性能。通過這些性能指標，也能判斷包裝材料的質量優劣。食品包裝材料包括生物來源的可降解高分子材料以及人工合成的可降解高分子材料，在食品包裝領域中的實踐應用都相當廣泛[2]。

2 食品包裝中生物及人工合成可降解高分子材料的實踐應用

如今，食品包裝材料選用的是綠色生態環保的生物可降解高分子材料。與此同時，人類又發明了基于生物可降解高分子材料的人工合成可降解高分子材料，二者的生產制作，本質都是以生物來源為主，都代表了人類社會科學技術的發展進步。下文就首先介紹了食品包裝中的生物可降解高分子材料[3]。

2.1 食品包裝中的生物可降解高分子材料實踐應用

基于生物來源的可降解高分子材料，包括天然和微生物合成兩種可降解材料。目前，比較常見的生物可降解高分子材料包括淀粉、蛋白質、殼聚糖等。

第一，淀粉。淀粉在日常生活中十分常見，來自谷類、薯類植物的種子、根莖等組織，屬于多糖化合物產物。淀粉的可貴之處在于能夠在任何環境中被完全降解，屬于天然可降解材料。目前，天然淀粉和改性淀粉都能被應用于食品包裝加工領域中。從淀粉的化學分子屬性分析，其能夠制作生成具有高合成屬性的薄膜材料，這種材料透明且無色無味，同時具有低透氧性等特性。

淀粉膜作為聚合物也有缺陷，例如，其具有低機械性能與強透水性，導致淀粉薄膜在食品包裝使用過程中受到一定限制。目前，淀粉可降解高分子材料有所改良，主要是將淀粉與PCL聚己內酯相互結合改性處理，制作生成了具有極高機械性能的單膜。如具有高質量的玉米淀粉+殼聚糖混合高分子可降解材料，這種材料制作生成的食品包裝具有復合性與可食性，屬于典型的具有柔韌性與延展性的復合膜。這種食品包裝的單膜性能是相當理想的，可與其他各種生物可降解材料共同混合應用于食品包裝加工領域。從作為食品包裝產品的作用上看，這種淀粉包裝復合薄膜在包裝牛肉餅等炸制食品時，可抑制食品中脂肪的氧化與水分流失，可避免食品快速產生異味，因為較好地抑制了食品中微生物的增生速度，在肉制品包裝保鮮過程中具有實用價值[4]。

第二，蛋白質。蛋白質作為另一種天然可降解材料，其中包含20多種蛋白原氨基酸，屬于多肽化合物。如果對蛋白質進行熱、酸、堿溶劑處理，就會改變其結構標準。

但是，相比目前市面上比較常見的合成膜，蛋白質膜在耐水性與機械強度方面表現偏差，但具有極佳的阻隔性，這一點遠勝各種多糖復合膜。目前，用于食品包裝制作中的蛋白質類型，就包括大豆、玉米醇溶、豌豆、葵花蛋白等，其都能制作生成食品級別的復合膜。

膠原蛋白也是蛋白質中的一種，其結締組織中的蛋白質成分相當豐富，主要存在于動物的血管、骨質組織中。

膠原蛋白在食品包裝工業中的應用前景相當廣闊，其可以集中應用于可食性包裝膜上，其中就以蛋白質、多糖等作為制作原料。當然，在某些食品粘合劑、纖維膜中，也能看到膠原蛋白作為食品包裝的原材料，為食物保鮮增加了一道保護層。

利用膠原蛋白制作成的食品包裝，在保鮮與防腐方面表現出色，例如可制作成人造腸衣用于香腸制品，也可以制作成魚、肉類的外包裝紙，或糖果、果脯的內包裝膜，實用價值很高。作為一種食品包裝材料，其拉伸強度表現出色，在熱封阻氣、阻油、阻濕等方面也有不俗表現，具有極好的耐熱屬性[5]。

第三，殼聚糖。這種從蝦蟹等甲殼類動物體內提取的天然可降解高分子材料具有多糖屬性，這種糖類就叫做堿性氨基類多糖，具有無毒特性且生物相容性表現良好，且可以再生，綠色環保。

采用殼聚糖作為食品包裝材料的另一大優勢是具有良好的抑菌特性。例如，可以將殼聚糖直接制作成溶液噴涂于水果上，能形成一層無色無味的生物性保鮮薄膜，供人直接食用。

殼聚糖也屬于單膜形式的食品包裝材料，因為其可以與其他某些聚合物形成復合保鮮薄膜。殼聚糖就能與聚乙烯醇共同制作成復合膜，其透明且阻水、阻熱性表現優異，降低了果蔬的呼吸強度，延長了果蔬保鮮時間。據研究表明，殼聚糖的包容性與成膜性都非常出眾，是目前食品包裝的不二之選[6]。

除上述三種生物可降解高分子材料外，纖維素也能被應用于食品包裝中。纖維素來自植物細胞壁，屬于天然可降解有機物，生物相容性表現出色。用這種材料制作食品包裝，安全穩定、無毒無害。再者就是草漿，這種材料可用于一次性餐具食品包裝，相比傳統的塑料，在生態環保性方面表現更優。

采用生物天然可降解高分子材料的優勢就在于，在材料包裝方面透氣性表現良好，具有極強的吸水保濕性與化學穩定性，是人們追求食品安全道路上的重要保障[7]。

2.2 食品包裝中的人工合成可降解高分子材料實踐應用

在食品包裝中采用生物可降解高分子材料是必要的，因為其對食品保鮮安全水平的提高有目共睹。

當然，為了節約成本，目前人們在生物材料的基礎上進一步研究提出了基于人工合成的可降解高分子材料，這種材料在自然界中并不存在，主要是通過化學方法制作而成，屬于生物可降解高分子材料中的新興品種。

存在于食品包裝中的人工合成可降解高分子材料主要包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚己內酯（PCL）等。

2.2.1 聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）以乳酸作為原材料，可生產新型聚酯材料。目前，比較常見的是左旋、右旋、外消及內消聚乳酸，都是典型的光學異構對應體，其中，用于食品包裝制作的是左旋異構聚合體聚乳酸，即L—PLA。L—PLA的生物降解性表現良好，具有友好的環境特性，能夠用于堆肥，具有極佳的成膜透明性及力學特性，加工成型相當方便。

目前，在包裝餐盒、餐具中常用到L—PLA是典型的綠色包裝材料。就這一材料的貯藏保鮮實驗而言，可確保果蔬貯藏15小時以上，保鮮效果表現良好。在L—PLA中采用小麥蛋白涂覆，在提高阻隔性表現方面非常出色，可滿足氣調包裝要求，形成復合式薄膜。例如利用這一復合膜可對草莓實施氣調包裝，極大地延長草莓的保鮮保質期。

2.2.2 聚乙烯醇（PVA）

聚乙烯醇（PVA）的主鏈包含了雙碳鍵，直接與乙烯基聚合物相互連接，物理特性表現優越，黏度、乳化性質及分散力都表現突出，具有極強的拉伸強度、柔韌性及成膜特性。

作為一種耐水、耐油溶劑，PVA在食品工業成膜技術中表現出色。借助出色的生物可降解性，目前美國農業管理部門在肉類檢驗與家禽加工生產中采用的就是PVA材料。不過，PVA材料中包含了大量的羥基結構分子，結晶溫度相對較高，這就造成了其在熔融溫度控制上超過分解溫度，難以做到熱塑成型。

為彌補PVA結構不足問題，要采用PVA與物質建立共混改性機制，提高單膜拉伸應力與斷裂伸長率，如此成膜效果更佳。

如今，基于PVA的復合材料已經出現，例如，PVA—海藻糖復合材料也能作為食品包裝成膜，形成三層復合薄膜，機械性能相比單膜更佳，可以將PVA的質量分數控制在20%左右。這一復合薄膜對冷鮮肉的保鮮效果是相當理想的，最長可保鮮19天[8]。

2.2.3 聚碳酸亞丙酯（PPC）

聚碳酸亞丙酯（PPC）屬于典型的交替共聚合物，其中的脂肪族多元醇物質豐富，在完全降解后可形成高分子材料，生物相容性表現出色。同時，其具有一定的半透明性、耐沖擊性等特殊屬性。

這種材料的優勢在于價格成本低廉，可被廣泛應用于黏合劑上，但PPC機械性能表現薄弱，如在40 ℃環境中就容易被軟化，這在一定程度上限制了該材料在食品包裝領域中的應用。PPC與天然生物可降解高分子材料能夠融合形成纖維素、淀粉等復合材料。

目前，國內已經研發出以PPC為主的四層復合薄膜，可以被成功應用于食品包裝領域中，如可將冷鮮肉類產品保質期延長到23天以上。這種材料的價格成本相當低廉，但使用價值相對較高，已經能夠完全替代市面上的PE薄膜材料。

PPC的拉伸模量比較出色，也具有一定的拉伸強度，這可確保儲存模量最高達到70 ℃，建立多層復合膜背景下的阻氧與阻濕性能機制，有效改善PPC的穩定性能與機械性能。

在制備PPC的過程中，可專門制作ASP—PPC復合材料，其中，ASP的添加量達到90%以上。此時，復合材料的溫度會提高到42.5 ℃以上，這有效拓展了PPC材料的使用溫度范圍，也體現出PPC材料的高實用價值。

2.2.4 聚己內酯（PCL）

聚己內酯（PCL）屬于一種生物降解型高分子材料，也是不可再生原材料，具有極好的生物相容性。PCL在降解時間與滲透性能調整方面表現出色，在食品包裝吹膜、拉絲方面具有廣闊的應用前景。

另外，PCL在應用食品加工領域研發中，需要配合淀粉共混制備食品包裝材料，配合熔融共混方法成功制備性能出色的復合食品包裝材料，結合不同比例的PCL材料延長食品保鮮保質期，薄膜的阻氧性與阻濕性方面也有所強化，研究表明，復合薄膜具備極高的水蒸氣與氧氣阻隔性能。

另外，結合雙螺旋熔融技術也能配合PPC、ASP制作生成復合材料，其材料的熱降解溫度與玻璃化轉變溫度都表現良好，可形成多種組合的復合材料。其耐熱性表現也相當好，可配合PPC材料提高食品包裝質量[9]。

目前，PPC材料在食品包裝工業中的應用已經日益廣泛，這主要是因為溫度轉化適應能力表現較強，在結合雙螺旋熔融技術的過程中實現了改性轉化，具有一定的發展前景。

3 結語

綜上所述，生物可降解性高分子材料具有極為廣泛的來源與較高的實用性能。目前，基于人工合成的可降解高分子材料的適用范圍更廣，也不會對環境造成污染，體現了一定的實用價值與商業性。與此同時，解決了成本較高、性能表現不突出、加工工藝缺陷較多等問題，解決了相關發展的制約問題。

未來，必然會出現更多有關生物可降解高分子材料的相關研究，創新食品包裝技術應用思路，提高食品安全保鮮水平，造福人民。

參考文獻

[1] 符逸洋.生物可降解高分子材料在食品包裝中的應用[J].食品安全導刊，2019（30）：130.

[2] 徐玉瑩.生物可降解高分子材料在食品包裝中的應用研究[J].皮革制作與環保科技，2021（7）：145-146.

[3] 王佳荷.淺析可降解生物醫用高分子材料[J].科技資訊，2018（28）：94-95.

[4] 陳靜雯.聚乳酸改性及其在食品包裝中的應用研究[J].塑料包裝，2019（2）：10-15.

[5] 盧蕓笑，王天順，王晨光，等.植物基完全可降解生物塑料的現狀及展望[J].食品工業，2020（3）：207-210.

[6] 夏玉婷，向飛，吳考，等.魔芋葡甘聚糖基抗菌活性包裝膜的研究進展[J].食品工業科技，2022（1）：392-399.

[7] 楊偉軍，齊國闖，馬丕明，等.PLA納米復合材料在食品包裝的應用研究進展[J].塑料包裝，2019（2）：19-24.

[8] 羅坤明，吳志林.抗菌涂層和抗菌塑料在食品包裝中的研究發展[J].包裝工程，2020（3）：98-107.

[9] 劉芯鑰，林瓊，陳云堂，等.可降解抑菌食品包裝膜的研究進展[J].包裝工程，2019（19）：151-157.