纳米氧化锌在抗菌食品包装中的 应用研究进展

张春月，焦 通，刘 云，杜秉健，冷小京*

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

纳米氧化锌在抗菌食品包装中的 应用研究进展

张春月，焦 通，刘 云，杜秉健，冷小京*

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

食品包装技术在保障食品安全及保持食品品质方面发挥着重要作用， 如何增强食品包装材料的抗菌能力因此成为近年来研究的热点。纳米氧化锌是一种常见的无机抗菌材料，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细菌及真菌具有良好的抗菌效果。本文在比较目前各类抗菌食品包装的基础上，综合分析了纳米氧化锌的抗菌机理及其在抗菌食品包装中的特性及应用。

纳米氧化锌；抗菌；食品包装；应用

食品由于含有大量的水分、碳水化合物、蛋白质、脂肪、矿物盐等物质，在适宜的温度、湿度等条件下，容易发生褐变、脂肪氧化等反应，同时也为微生物生长提供了适宜的基质及环境[1]。据统计，食物污染性疾病是危害全球公共健康的重大问题之一[2]。食物微生物污染现象多发生于食品的包装、运输与贮存等物流环节。使用抗菌食品包装材料能够在这些环节中起到遏制微生物繁殖扩散的作用。

在工业化食品生产中，为保障食品品质、防止二次污染、延长货架期，将有机或无机抗菌活性成分加入到包装材料中常被视为切实有效的方案[3]。有机抗菌剂具有高效的优点，但存在食品加工环节中易被破坏、易使微生物产生耐药性等瓶颈问题，因此在一定程度上限制了其技术的发展[4]。而具有较广抗菌谱且性能稳定的无机抗菌剂，如银、氧化锌、二氧化钛等，能有效弥补这些缺陷[5]。氧化锌价格低廉、易被降解，其中具有高比表面积及独特物理化学特性的纳米氧化锌更成为研究热点。本文对纳米氧化锌的抗菌机理及其在抗菌食品包装中的应用研究进行了综述。

1 抗菌食品包装

1.1 抗菌食品包装的定义

抗菌包装技术，是一种在满足传统包装工艺要求的前提下，通过在包装材料内部或者表面添加抗菌剂，在有效阻拦腐败菌和致病菌侵染的基础上，进一步与所包装产品表面直接或者经过空间介质间接反应，有效地减少、抑制、延迟食品表面微生物的生长繁殖，防止二次污染，使被包装食物得以较长时间保存、延长食品货架期的包装技术[6-7]。

1.2 抗菌食品包装的种类

1.2.1 有机抗菌剂类

常用的有机抗菌剂包括季铵盐类、醇类、酚类和吡啶类等。有机抗菌剂通过化学反应破坏微生物的细胞膜，使蛋白质变性、微生物代谢受阻，从而起到杀菌、防腐及防霉等作用。该类抗菌剂抑菌作用速度快、可操作性良好、稳定性较强，且有一定的特异性，但其安全性和化学稳定性较差，易使微生物产生耐药性，并且耐热耐压性能较差[4]。

1.2.2 无机抗菌剂类

根据抗菌机理，无机抗菌剂 可分为两类：一类是以无机化合物中含有的抗菌性金属离子（如银、铜等）为抑菌物质；另一类是采用光化学反应产生的原子态氧灭菌，其中对氧化锌和二氧化钛的研究最多。无机抗菌剂的主要特点是耐热性好、抗菌范围广、有效抗菌期长、不易产生耐药性等[5]。

1.2.3 天然抗菌剂类

天然抗菌剂包括抗菌素（如乳链球菌肽）、植物提取物（如精油）、酶（如溶菌酶、乳过氧化物酶）等。天然抗菌剂的特点是毒性较小、环保性能好，但其使用寿命短、耐热性较差、不易加工等缺点限制了其在食品中的应用[8]。此类技术多用于一次性使用的食品包装袋等塑料制品，目前技术尚不完备。

2 纳米氧化锌概述及其抗菌机理

2.1 氧化锌概述

锌元素是一种生物体必需微量元素，在人和动物的生长、发育以及保持机体健康方面发挥着重要且关键的作用[9]。在食品工业中，氧化锌作为锌的重要来源被应用于食品增补剂、早餐谷物食品以及动物饲料中。

氧化锌是锌的氧化物，难溶于水，可溶于酸和强碱。氧化锌主要有3 种晶体结构：分别是六边纤维锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及在0.1 MPa的条件下才能呈现的罕见的氯化钠式八面体结构（图1）。纤维锌矿结构是室温下氧化锌的热力学最稳定结构，因此最为常见；立方闪锌矿结构通过在立方晶格结构的基质上生长氧化锌的方法来获得，氧化锌这两种典型晶体结构中每个锌原子都与相邻的4 个氧原子构成以其为中心的正四面体结构[10]。

图1 氧化锌晶体结构[[1111]]Fig.1 Structure o f ZnO crystal[11]

2.2 纳米氧化锌的制备

纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料[12]。由于纳米氧化锌具有大的比表面积及小尺寸效应，因而较普通氧化锌具有更强的抗菌效果[13-14]。

图2 氧化锌晶体结构Fig.2 ZnO nanostructures

纳米氧化锌的商业制备方法主要有机械化学法（mechanochemical processing，MCP）和物理蒸汽合成法（physical vapor synthesis，PVS）。MCP法结合了物理球磨和化学活化使氧化锌颗粒粒径减小并发生变形以达到纳米尺度。MCP法是大规模生产纳米氧化锌的最适方案，因为这种方法不仅简单高效、成本低廉，而且在生产中不会用到任何危害环境的有机溶剂[15]。PVS法利用等离子弧能和高温在等离子反应器中引发过饱和及成核反应使含锌前体充分原子化，蒸汽冷却后凝结形成粒径分布均一的纳米颗粒[16]。这种方法可以通过改变氧分压及锌蒸汽流速等参数实现对氧化锌颗粒大小的控制[17]。

除此之外，纳米氧化锌的制备还有沉淀法、热溶剂法等方法。由于制备方式、反应环境、模板选择等能够引发空间位阻效应[18]、极性官能团引导效应[19]、带电荷集团相互吸引和排斥作用[20]及氧化锌的自组装[21]，纳米氧化锌在表面极化电荷和表面断键原子作用下，可形成形貌各异的纳米结构，如：点状、线状、管状、花状等[22]（图2）。由于纳米粒子的粒径和形貌都是影响其毒性的重要因素[23]，所以在生产中如何控制前提物质类型、溶剂、物理及化学环境、温度等条件，以保证纳米氧化锌的尺寸及形貌的均一性是需要解决的难题。

2.3 纳米氧化锌的抗菌机理

关于氧化锌的抗菌性的记载可追溯到19世纪50年代，而相关深入研究始于1995年。日本学者Sawai等[5]研究发现，氧化锌粉体与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌相接触时显示出了很强抑菌抗菌能力。目前氧化锌抗菌机理主要有以下3 种观点：金属离子溶出机理、接触吸附机理和光催化机理。其中，最主要的是金属离子溶出机理和光催化机理[27]。几种抗菌机制的示意图如图3所示。

图3 纳米氧化锌颗 粒的抗菌机理[[2288]]Fig.3 Antibacterial mechanisms of ZnO nanoparticles[28]

接触吸附是纳米氧化锌得以发挥效用的基本条件。Yamamoto[29]研究了影响氧化锌粉体抗菌性能的主要因素，结果表明，氧化锌粉体的抗菌效果除了与晶体的粒径大小有关，还与粉体对细菌表面的吸附性能相关。这种吸附增强了氧化锌与细菌表面发生相互作用的能力[30]。

金属离子溶出机理是指带负电的细菌会使带正电的Zn2+逐渐溶出，二者在细胞膜表面通过库伦力结合。之后，如Tam等[31]描述，Zn2+穿透细胞膜进入细胞，与细胞中的巯基反应，使蛋白质变性，从而使细胞丧失分裂增殖能力而死亡。当菌体被杀灭后，Zn2+通过沉淀平衡又游离出来，与其他菌落接触，继续发挥抗菌作用。

光催化抗菌机理是指当能量大于氧化锌禁带宽度（～3.3 eV）的光照射到氧化锌表面时，价带上的电子被激发跃迁到导带，留下带正电的空穴，从而在氧化锌表面产生了电子（e－）-空穴（h+）对。空穴与水分子发生反应生成强氧化性的·OH以及H+，吸附在氧化锌表面的O2俘获电子生成·与H+反应生成HO2·，HO2·进一步与电子反应生成与H+反应从而产生H2O2，H2O2能够渗透到细胞中，从而杀灭或抑制细菌生长[32]。化学反应式如下：

Tam等[31]研究发现，加入氧化锌后大肠杆菌表面H2O2的释放量与氧化锌浓度成正比，能够引起细胞质收缩，细胞膜破坏，其中纳米颗粒状的氧化锌对大肠杆菌的破坏作用最为强烈（图4）。

图4 氧化锌对大肠杆菌细胞的破坏作用透射电镜照片[[3311]]Fig.4 TEM images of E. coli treated with different ZnO morphologies[31]

纳米氧化锌对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌也都显示一定的抗菌效果。Applerot等[33]研究结果发现与大肠杆菌相比，金黄色葡萄球菌对纳米氧化锌有更好的耐受性，这可能由于金黄色葡萄球菌内含有更多的抗氧化性物质，如类胡萝卜素，以及抗氧化酶，尤其是过氧化氢酶，这些物质能够帮助抵御纳米氧化锌对菌体的破坏。

然而也有研究发现相反的结果，即纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于大肠杆菌[29,34-36]。大肠杆菌是革兰氏阴性菌的代表，与金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌相比，能够更好的抵御活性氧族（reactive oxygen species，ROS）的攻击。从细胞结构上分析，革兰氏阳性菌的细胞膜由肽聚糖、磷酸壁和磷脂酸壁组成。而革兰氏阴性菌与之相比更多了一层由脂多糖构成的外膜，这层渗透膜能够减少ROS被吸收入细胞[37]；从细胞膜极性的角度比较，金黄色葡萄球菌细胞膜所带负电小于大肠杆菌[38]，这使羟自由基、超氧阴离子、过氧化氢离子等带负电的自由基更容易渗入进带电较小的金黄色葡萄球菌[39]。

尽管纳米氧化锌对革兰氏阳性菌和阴性菌抗菌能力的比较一直没有间断，不同体系中微生物对纳米氧化锌的耐受性有所差异的机理仍需探索。

3 纳米氧化锌在抗菌食品包装中的应用研究

3.1 纳米氧化锌在抗菌食品包装的应用形式

纳米氧化锌用于抗菌食品包装主要有两种形式：混合成膜及表面涂布[3]。

3.1.1 纳米氧化锌混合成膜

混合成膜是指将纳米氧化锌与作为膜基质的聚合物分子在一定条件下混合后成膜，作为膜基质的聚合物既可以是低密度聚乙烯、聚碳酸丙烯酯、聚亚安酯等化学高分子材料，又可以是壳聚糖、纤维素、淀粉等具有良好成膜性的天然生物大分子材料。对于化学高分子类膜基质材料，一般将基材在熔融状态下或溶液状态下与纳米氧化锌以一定比例混合后成膜。对于具有良好成膜性的天然生物大分子材料，一般将锌盐溶液与膜基材溶液以一定比例混合，待溶剂蒸发成膜后，将其浸入碱溶液中在一定条件下转化制得含有纳米氧化锌的复合膜。表1列举了纳米氧化锌与一些膜基质混合成膜后的抗菌应用。

表1 混合成膜法制备得纳米氧化锌复合膜的抗菌研究Table1 Antibacterial studies of nano ZnO composite films prepared by sol-blending-filming method

3.1.2 包装材料表面涂布

表2 涂布法制备得纳米氧化锌复合膜的抗菌研究Table2 Antibacterial studies of nano ZnO composite films prepared by coating method

涂布法是指纳米氧化锌均匀分散于溶剂中后将此悬浮液涂布于包装材料表面，待溶剂蒸发后即得表面固定有纳米氧化锌的包装材料，该过程中也常用到辐射、超声等辅助手段。表2列举了纳米氧化锌涂布在一些材料表面上的抗菌应用。

3.2 纳米氧化锌用于抗菌食品包装的优点

纳米技术与高分子材料技术的结合，对保障食品安全和包材的绿色环保化起到了推动作用[51]。应用于包装体系中的经典纳米复合材料有蒙脱土纳米黏土[52]、高岭石和碳纳米管等[53]。近年来，纳米金属及金属氧化物如银、二氧化钛、氧化锌、氧化亚铜、氧化铜等因其高温稳定性及抗菌性也被应用于食品包装体系[54]。与以上几种常用的纳米材料相比，纳米氧化锌具有如下优点：1）制备方法多样，能够有效的控制粒径及形貌；2）无机材料比有机材料具有更好的稳定性；3）有较广泛的抗菌谱；4）生产成本较银等贵重金属低廉，且可选择成本低的制备方式；5）可被人体降解成锌离子，不会像银或二氧化钛一样在人体中慢性蓄积造成危害；6）细胞毒性较小，除食品包装外亦可广泛应用于乳液、洗剂、药膏等；而纳米银用于消毒剂或与皮肤接触时则易引起银质沉着症、银中毒等。

3.3 纳米氧化锌食品包装膜抗菌性的影响因素

纳米氧化锌在不同膜体系中的抗菌性有所差异，其影响因素主要有以下几点。

3.3.1 粒径

Jones[13]、Zhang Lingling等[14]研究都发现，随着纳米氧化锌粒径的减小，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果都有所增强。这可能是由于粒径减小导致比表面积增大，从而增强了纳米粒子表面的活性。此外，H2O2的形成也与纳米氧化锌的比表面积密切相关[55]。大的比表面积有助于颗粒表面ROS的生成，使得更小粒径的纳米氧化锌具有更强的抗菌活性[56]。

3.3.2 与其他抗菌剂的协同

纳米氧化锌与其他抗菌剂或成膜基质的协同效应也能显著影响其抗菌活性。如与单纯的壳聚糖膜相比，壳聚糖/纳米棒氧化锌膜对大肠杆菌显示出更高的抑菌活性。其协同功效是由于壳聚糖包裹的纳米氧化锌可与壳聚糖上带正电的－NH2紧密吸附在带负电的细菌细胞膜上，这可以加快细胞质的外漏和细胞崩解[57]。此外，Gordon等[39]研究发现[Zn]/[Fe]的质量比越大，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果越好。

3.3.3 菌种差异

纳米氧化锌对不同的真菌也显示出不同的抑菌效果。如纳米氧化锌对扩展青霉的抑菌效果优于灰霉菌，这可能与真菌的生长方式以及对纳米氧化锌固有的耐受性不同相关[58]。

3.3.4 颗粒的表面特性

粗糙的颗粒表面或更多的尖锐边角、凸凹起伏可能会增强纳米粒子对细菌细胞膜的破坏作用[56,59]。

3.3.5 其他影响因素

除以上因素外，光照强度、微生物浓度、膜的水分含量等也会对纳米氧化锌食品包装膜抗菌性造成影响[34]。

4 纳米氧化锌安全性评价

氧化锌被美国食品药品管理中心（Food and Drug Administration，FDA，2011）列为“一般认为安全”的5种锌的化合物之一（21CFR182.8991）[28]。Emamifar等[43]研究纳米氧化锌（质量分数分别为0.25%和1%）在低密度聚乙烯薄膜中的迁移情况发现：贮藏28d后，迁移到橙汁中的锌离子量分别为（0.16±0.007）、（0.11±0.003）μg/L，属于食品中允许添加量范围。

然而需要注意的是，与微米级材料或宏观材料相比，纳米材料更容易穿过包装材料基质的网络结构进入食物之中。由于纳米粒子的体积非常小，它进入机体后，可以向周围组织甚至更远的范围转移，甚至突破血脑屏障，形成潜在的毒性。因此，关于纳米氧化锌颗粒毒性的说法一直存在争议。国内外一些学者的相关研究表明，纳米氧化锌粒子对人体支气管上皮细胞[60]、人体肺上皮细胞[61]以及人体肾细胞[62]均表现出细胞毒性，但同时也有研究表明，纳米氧化锌颗粒不会进入正常细胞或危害人或动物的皮肤[63]。包装材料中的纳米颗粒进入人体的途径主要是经由消化道进入，因此，对于抗菌食品包装中的纳米氧化锌颗粒，首先要考虑它是否能够从包装材料中迁移进入食品中，如果这种迁移情况存在，就需要通过更多体内外实验来探究它对人体的毒副作用。

5 结 语

本文综述了近年来将纳米氧化锌应用于抗菌食品包装的研究进展，这些研究的实验结果表明，纳米氧化锌的添加对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌均产生了较好的抗菌效果，由于细菌与真菌的细胞构成存在很大差异，因此对霉菌、酵母等真菌的抗菌效果仍需要进一步的研究。由于纳米材料体积很小，与微米级材料或宏观材料相比，更容易穿过包装材料基质的网络结构迁移到食物中，因此，纳米氧化锌在包装材料以及食品中的迁移情况、以及它对食品感官品质的影响和它在人体内消化降解情况等均是很重要的研究内容。同时，作为包装材料的一部分，纳米氧化锌的加入对包装材料本身机械性能的影响也成为衡量能否将其应用于食品抗菌包装的重要因素，所以，不同大小、不同形貌、不同添加量对包装材料自身拉伸性能、刺穿性能、水分含量、水蒸气透过率、氧气透过率等机械性能的影响都需要系统深入研究。

[1] TANKHIWALE R, BAJPAI S K. Preparation, characterization and antibacterial applications of ZnO-nanoparticles coated polyethylene f lms for food packaging[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2012, 90: 16-20.

[2] Center for Disease Control and Prevention, Atlanta, USA. Estimates of foodborne illness in the United States[EB/OL]. 2011. http://www.cdc. gov/foodborneburden/.

[3] LI Xihong, XING Yage, JIANG Yunhong, et al. Antimicrobial activities of ZnO powder-coated PVC film to inactivate food pathogens[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2009, 44(11): 2161-2168.

[4] 孙淼, 郝喜海, 邓靖, 等. 抗菌包装薄膜的研究进展[J]. 包装学报, 2011, 3(3): 6-10.

[5] SAWAI J, IGARASHI H, HASHIMOTO A, et al. Evaluation of growth inhibitory effect of ceramic powder slurry on bacteria by conductance method[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 1995, 28(3): 288-293.

[6] 赵俊燕, 罗世勇, 许文才. 抗菌包装研究进展[J]. 包装工程, 2012, 33(5): 132-137.

[7] SOARES N F F, SILVA C A S, SANTIAGO-SILVA P, et al. Active and intelligent packaging for milk and milk products[C]// COIMBRA J S R, TEIXEIRA J A. Engineering aspects of milk and dairy products. New York, USA: CRC Press Taylor & Francis Group, 2009: 155-174.

[8] 王利娜. 精油与壳聚糖膜的协同抗菌作用及膜性质的研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2011.

[9] SHI L, ZHOU J, GUNASEKARAN S. Low temperature fabrication of ZnO-whey protein isolate nanocomposite[J]. Materials Letters, 2008, 62(28): 4383-4385.

[10] KULKARINI S B, PATIL U M, SALUNKHE R R, et al. Temperature impact on morphological evolution of ZnO and its consequent effect on physicochemical properties[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(8): 3486-3492.

[11] ÖZGÜR Ü, ALIVOV Y I, LIU C, et al. A comprehensive review of ZnO materials and devices[J]. Journal of Applied Physics, 2005, 98(4): 041301.

[12] ROCO M C. Towards a US national nanotechnology initiative[J]. Journal of Nanoparticle Research, 1999, 1(4): 435-438.

[13] JONES N, RAY B, RANJIT K T, et al. Antibacterial activity of ZnO nanoparticle suspensions on a broad spectrum of microorganisms[J]. FEMS Microbiology Letters, 2008, 279(1): 71-76.

[14] ZHANG Lingling, JIANG Yunhong, DING Yulong, et al. Investigation into the antibacterial behavior of suspensions of ZnO nanoparticles (ZnO nanofluids)[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2007, 9(3): 479-489.

[15] LU J, NG K M, YANG S. Eff cient, one-step mechanochemical process for the synthesis of ZnO nanoparticles[J]. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2008, 47(4): 1095-1101.

[16] CASEY P. Nanoparticle technologies and applications[C]// HANNINK R H, HILL A J. Nanostructure control of materials, Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited, 2006: 1-27.

[17] 袁方利, 杜红初, 胡鹏, 等. 纳米氧化锌粉体及表面包覆制备技术[C]//2004年中国纳米技术应用研讨会论文集. 北京: 2 004年中国纳米技术应用研讨会, 2005: 163-167.

[18] GUO Lin, JI Yunl iang, XU Huibin, et al. Synthesis and evolution of rod-like nano-scaled ZnC2O4·2H2O whiskers to ZnO nanoparticles [J]. Journal of Materials Chemistry, 2003, 13(10): 754-757.

[19] HAN Weiqiang, FAN Shoushan, LI Qunqing, et al. Synthesis of gallium nitride nanorods through a carbon nanotube-confined reaction[J]. Seience, 1997, 277(18): 1287-1289.

[20] LIU Bin, ZENG Huachun. Room temperature solution synthesis of monodispersed single-crystalline ZnO nanorods and serived hierarchical nanostructures [J]. Langmuir, 2004, 20(10): 4196-4204.

[21] YANG R S, WANG Z L. Growth of self-assembled ZnO nanowire arrays[J]. Philosophical Magazine, 2007, 87(14/15): 2097-2104.

[22] HOU Hongwei, XIE Yi, LI Qing. Structure-directing self-organized, one-dimensional ZnO single-crystal whiskers[J]. Solid State Sciences, 2005, 7(1): 45-51.

[23] HSIAO I L, HUANG Y J. Effects of various physicochemical characteristics on the toxicities of ZnO and TiO2nanoparticles toward human lung epithelial cells[J]. Science of the Total Environment, 2011, 409(7): 1219-1228.

[24] MO Maosong, YU J C, ZHANG Lizhi, et al. Self-assembly of ZnO nanorods and nanosheets into hollow microhemispheres and microspheres[J]. Advanced Materials, 2005, 17(6): 756-760.

[25] BARRETO G P, MORALES G, QUINTANILLA M L L. Microwave assisted synthesis of ZnO nanoparticles: effect of precursor reagents, temperature, irradiation time, and additives on nano-ZnO morphology development[J]. Journal of Materials Volume, 2013: 11.

[26] WU Changle, QIAO Xueliang, CHEN Jianguo, et al. Controllable ZnO morphology via simple template-free solution route[J]. Materials Chemistry and Physics, 2007, 102(1): 7-12.

[27] 吴长乐. 纳米氧化锌的形貌控制及性能研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

[28] ESPITIA P J P, SOARES N F F, CMOMBRA J S R, et al. Zinc oxide nanoparticles: synthesis, antimicrobial activity and food packaging applications[J]. Food and Bioprocess Technology, 2012, 5(5): 1447-1464.

[29] YAMAMOTO O. Inf uence of particle size on the antibacterial activity of zinc oxide[J]. International Journal of Inorganic Materials, 2001, 3(7): 643-646.

[30] SAWAI J. Quantitative evaluation of antibacterial activities of metallic oxide powders (ZnO, MgO and CaO) by conductimetric assay[J]. Journal of Microbiological Methods, 2003, 54(2): 177-182.

[31] TAM K H, DJURISIC A B, CHAN C M N, et al. Antibacterial activity of ZnO nanorods prepared by a hydrothermal method[J]. Thin Solid Films, 2007, 516(8): 6167-6174.

[32] PADAMAVATHY N, VIJAYARAGHAVAN R. Enahanced bioactivity of ZnO nanoparticles: an antimicrobial study[J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2008, 9(3): 035004.

[33] APPLEROT G, PERKAS N, AMIRIAN G, et al. Coating of glass with ZnO via ultrasonic irradiation and a study of its antibacterial properties[J]. Applied Surface Science, 2009, 256 (3): 3-8.

[34] ADAMS L K, LYON D Y, ALVAREZ P J J. Comparative ecotoxicity of nanoscale TiO2, SiO2, and ZnO water suspensions[J]. Water Research, 2006, 40(19): 3527-3532.

[35] PREMANATHAN M, KARTHIKEYAN K, JEYASUBRAMANIAN K, et al. Selective toxicity of ZnO nanoparticles toward Gram-positive bacteria and cancer cells by apoptosis through lipid peroxidation[J]. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2011, 7(2): 184-192.

[36] REDDY K M, FERIS K, BELL J, et al. Selective toxicity of zinc oxide nanoparticles to prokaryotic and eukaryotic systems[J]. Applied Physics Letters, 2007, 90(21): 213902.

[37] RUSSELL A D. Similarities and differences in the responses of microorganisms to biocides[J]. Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2003, 52(5): 750-763.

[38] SONOHARA R, MURAMATSU N, OHSHIMA H, et al. Difference in surface properties between Escherichia coli and Staphylococcus aureus as revealed by electrophoretic mobility measurements[J]. Biophysical Chemistry, 1995, 55(3): 273- 277.

[39] GORDON T, PERLSTEIN B, HOUBARA O, et al. Synthesis and characterization of zinc/iron oxide composite nanoparticles and their antibacterial properties[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2011, 374(1/3): 1-8.

[40] 高艳玲, 姜国伟, 张少辉. 纳米ZnO/LDPE抗菌食品包装材料研制[J].食品科学, 2010, 31(2): 102-105.

[41] LI Lihua, DENG Jiancheng, DENG Huiren, et al. Synth esis and characterization of chitosan/ZnO nanoparticle composite membranes[J]. Carbohydrate Research, 2010(8): 994-998.

[42] CHAURASIA V, CHAND N, BAJPAI S K. Water sorption properties and antimicrobial action of zinc oxide nanoparticles-loaded cellulose acetate f lms[J]. Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 2010, 47(4): 309-317.

[43] EMAMIFAR A, KADIVAR M, SHAHEDI M, et al. Evaluation of nanocomposite packaging containing Ag and ZnO on shelf life of fresh orange juice[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2010, 11(4): 742-748.

[44] EMAMIFAR A, KADIVAR M, SHAHEDI M, et al. Effect of nanocomposite packaging containing Ag and ZnO on inactivation of Lactobacillus plantarum in orange juice[J]. Food Control, 2011, 22(3): 408-413.

[45] SEO J C, JEON G Y, JANG E S, et al. Preparation and properties of poly (propylene carbonate) and nanosized ZnO composite films for packaging applications[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2011(2): 1101-1108.

[46] NAFCHI A M, ALIAS A K, MAHMUD S, et al. Antimicrobial, rheological, and physicochemical properties of sago starch f lms f lled with nanorod-rich zinc oxide[J]. Journal of Food Engineering, 2012(4): 511-519.

[47] GHULE K, GHULE A V, CHEN B J, et al. Preparation and characterization of ZnO nanoparticles coated paper and its antibacterial activity study[J]. Green Chemistry, 2006, 8(12): 1034-1041.

[48] PRASAD V, SHAIKH A J, KATHE A A, et al. Functional behaviour of paper coated with zinc oxide-soluble starch nanocomposites[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(14): 1962-1967.

[49] ESKANDARI M, HAGHIGHI N, AHMADI V, et al. Growth and investigation of antifungal properties of ZnO nanorod arrays on the glass[J]. Physica B: Condensed Matter, 2011, 406(1): 112-114 .

[50] JIANG Zhengyi, HAN Jingtao, LIU Xianghua. Development of nano-ZnO coated food packaging film and its inhibitory effect on Escherichia coli in vitro and in actual tests[J]. Advanced Materials Research, 2011, 152/153: 489-492.

[51] SILVESTRE C, DURACCIO D, CIMMINO S. Food packaging based on polymer nanomaterials[J]. Progress in Polymer Science, 2011, 36 (12): 1766-1782.

[52] CHO J W, PAUL D R. Nylon 6 nanocomposites by melt compounding[J]. Polymer, 2001, 42(3): 1083-1094.

[53] ARORA A, PADUA G W. Review: nanocomposites in food packaging[J]. Journal of Food Science, 2010, 75(1): 43-49.

[54] SIMONCIC B, TOMSIC B. Structures of novel antimicrobial agents for textiles: a review[J]. Textile Research Journal, 2010, 80(16): 1721-1737.

[55] OHIRA T, YAMAMOTO O, IIDA Y, et al. Antibacterial activity of ZnO powder with crystallographic orientation[J]. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2008, 19(3): 1407-1412.

[56] PADMAVATHY N, VIJAYARAGHAVAN R. Enhanced bioactivity of ZnO nanoparticles: an antimicrobial study[J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2008, 9(3): 035004.

[57] BHADRA P, MITRA M K, DAS G C, et al. Interaction of chitosan capped ZnO nanorods with Escherichia coli[J]. Materials Science and Engineering: C, 2011, 31(5): 929-937.

[58] HE Lili, LIU Yang, MUSTAPHA A, et al. Antifungal activity of zinc oxide nanoparticles against Botrytis cinerea and Penicillium expansum [J]. Microbiological Research, 2011, 166(3): 207- 215.

[59] STOIMENOV P K, KLINGER R L, MARCHIN G L, et al. Metal oxide nanoparticles as bactericidal agents[J]. Langmuir, 2002, 18(17) : 6679-6686.

[60] HENG B C, ZHAO X, XIONG S, et al. Toxicity of zinc oxide (ZnO) nanoparticles on human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) is accentuated by oxidative stress[J]. Food and Chemical Toxicology, 2010, 48(6): 1762-1766.

[61] HUANG C C, ARONSTAM R S, CHEN D R, et al. Oxidative stress, calcium homeostasis, and altered gene expression in human lung epithelial cells exposed to ZnO nanoparticles[J]. Toxicology in Vitro, 2010, 24(1): 45-55.

[62] PUJALTE I, PASSAGNE I, BROUILAUD B, et al. Cytotoxicity and oxidative stress induced by different metallic nanoparticles on human kidney cells[J]. Particle and Fibre Toxicology, 2011, 8(10): 1-16.

[63] NOHYNEK G J, ANTIGNAC E, RE T, et al. Safety assessment of personal care products/cosmetics and their ingredients[J]. Toxicology and Applied Pharmacology, 2010, 243(2): 239-259.

Recent Advances in the Application of Nano Zinc Oxide in Antimicrobial Food Packaging

ZHANG Chun-yue, JIAO Tong, LIU Yun, DU Bing-jian, LENG Xiao-jing*
(College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Food packaging plays an important role in guaranteeing food safety and maintaining food quality. As such antimicrobial food packaging has gained tremendous attention in recent years. Nano zinc oxide is a common inorganic antibacterial material, and has obvious antimicrobial effect on bacteria like Escherichia coil and Staphylococcus aureus as well as fungi. In this paper, we provide a comparison of the currently available types of antimicrobial food packaging and a systematic overview of the antimicrobial mechanisms of nano zinc oxide and its applications in antimicrobial food packaging. At the same time, the disadvantages and future prospects of nano zinc oxide packaging technology are also analyzed.

nano zinc oxide; antimicrobial activity; food packaging; applications

TS206.4

A

1002-6630（2014）11-0274-06

10.7506/spkx1002-6630-201411055

2013-07-10

国家自然科学基金面上项目（31171771）

张春月（1989—），女，硕士研究生，研究方向为食品化学。E-mail：chun_yue_shine@hotmail.com

*通信作者：冷小京（1966—），男，副教授，博士，研究方向为农产品加工与贮藏工程。E-mail：lengxiaojingcau@163.com