食品包装用纳米技术及其纳米复合材料浅析

魏风军

纳米技术与纳米材料

一般而言，纳米技术是指通过特定的技术设计在纳米粒子的表面实现原子或分子的排列组合，使其产生某种特殊的结构，并表现特定的技术性能或者功能的一种技术。

在纳米技术领域，当某种物质达到纳米尺度时，其性能就会发生突变，出现某种特殊性能。它的结构既不同于原来的原子及分子结构，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，这种材料即为纳米材料。纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子材料与纳米固体材料。纳米超微粒子材料是指其粒子尺寸在1～100nm的超微粒子，而纳米固体材料则指的是由纳米超微粒子制成的固体材料，通常人们习惯于将组成或晶粒结构控制在100nm以下的长度尺寸称为纳米材料。

纳米技术与纳米复合材料在食品包装上的应用

纳米材料是纳米技术最重要的基础，在1～100nm尺寸范围内的纳米材料具有其独特的尺寸效应，因而会呈现出许多大块材料不具备的特殊性质，如优异的物理化学性能、较好的力学性能、优良的加工性能、较好的生态性能等。在食品包装领域，目前研究较多的是以聚合物为基底的纳米复合材料，该种纳米复合材料是通过向柔性较好的高分子聚合物中加入纳米尺寸的分子或者纳米颗粒制备而成的。它主要分为无机纳米材料和有机聚合物。目前，在食品包装中，纳米复合包装材料中应用较为广泛的包括硅酸盐—环氧树脂纳米复合材料、纳米蒙脱石粉/PA类、纳米SiO2/PP类等。

1.纳米银

纳米银材料是一种良好的食品保鲜包装材料，当向食品保鲜包装材料中加入一定的纳米粉时，该包装材料中乙烯的氧化速度会被大大加快，使得保鲜效果大大提高；又由于纳米银材料具有良好的耐光性、耐热性和化学稳定性，所以其抑菌性能优越；此外，纳米银不易挥发、溶出，不会因光照引起颜色改变而污染食品。

刘伟等人研究了纳米银对G+菌、G-菌及酵母菌和霉菌的抑制效果，相同浓度下，对3种菌的作用大小为G+菌>G-菌>酵母菌和霉菌。另外，银的浓度和作用时间对纳米银的抑制作用有很大影响。陈江魁在光照条件下，分别测试了纳米银对4种细菌和1种酵母菌的抗菌性能，结果显示了理想的抑菌效果。李新林等人研究了纳米银对海参腐败中优势菌株或海参腐败中所有菌的抑制效果，发现纳米银的质量浓度为0.05mg/L时，仅仅需要12小时就杀灭80%左右的细菌。宋益娟等人利用纳米银与聚乙烯制备的保鲜袋对新鲜酱鸭进行包装，发现该材料能较好地保持酱鸭的风味，降低鸭肉中揮发性盐基氮的产生，并抑制微生物的生长繁殖。李新林将纳米银淀粉液涂膜在鲍鱼表面，研究在微波冻干过程中，纳米银涂膜材料对鲍鱼表面细菌总数的影响，结果表明纳米银淀粉液的质量浓度为0.3mg/L时，鲍鱼表面的菌落总体数量下降了99.2%，且鲍鱼的干燥效率不受纳米银涂膜的影响。曹雪玲研究发现纳米银胶对草莓具有很好的保鲜效果。

2.纳米二氧化钛

二氧化钛是一种在紫外光下被激发的光催化剂，而纳米二氧化钛能够对紫外线起到一定的防御作用，可以避免肉类食品的氧化，从而防止由于维生素流失与芳香化合物破坏导致的食品营养成分下降与腐烂。钠米二氧化钛在食品包装应用领域有着十分广泛地应用前景，同时它又作为一种新型食品包装材料满足了生态保护要求，在光照环境下还可以粘掉塑料、玻璃表面的油污、细菌等。如陈丽等人通过将纳米二氧化钛运用到PVC保鲜膜中制作出了可以隔绝氮气的苹果保鲜膜。纳米二氧化钛的孔状结构可以为纳米银提供更多的触点，可以优化纳米银单体的易于流失的缺陷，进一步强化了纳米包装材料的安全性。这点值得业内研究人员深入探讨。

3.纳米氧化锌

纳米氧化锌是一种无毒、成本低、使用便捷、生物相容性优良的无机金属氧化物，同时也是一种能够被紫外光激发的半导体材料，具有良好的光催化活性。基于纳米氧化锌良好的光催化活性，其在食品包装领域中也有广泛的应用。日本学者Sawai等通过实验研究发现，纳米氧化锌粉体通过接单接触能够有效抑制大肠杆菌与金黄色葡萄球菌，而且抑制效果良好。这对于食品包装材料的延伸性应用也很有意义。

4.壳聚糖/二氧化钛纳米复合材料

据相关研究，根据天然抑菌材料壳聚糖和无机抑菌材料纳米二氧化钛的独特物化特性，以稳态流变行为及动态黏弹行为为评价依据，通过纳米粒子表面改性、CTS/TiO2纳米复合材料构建、涂料组分全面优化等手段即可制备高性能的CTS/ TiO2纳米复合抑菌涂料。胡秀兰等人的实验结果表明采用月桂酸钠对纳米二氧化钛表面改性，可明显改善其在壳聚糖体系中的分散稳定性；并且随着纳米二氧化钛用量的增加，纳米复合涂料的稳态表观黏度及动态黏弹性能都呈现明显的下降趋势；而纸张涂布试验结果显示，涂料中纳米二氧化钛的加入，可赋予涂布纸较好的抑菌性能，并有助于提高涂布纸的力学性能与阻隔性能。具体来说，试验证明纳米二氧化钛的加入量为10%时，涂布纸的力学性能及抑菌性能均达到较佳水平，抑菌纸对大肠杆菌的抑菌率达到99.8%。另外，扫描电镜测试显示，未涂布纸张纤维表面呈现多孔状，CTS/TiO2纳米复合涂料涂布后的抑菌纸表面形成了均匀的聚合物涂层，平滑度明显得到改善，即CTS/TiO2纳米复合涂料在抑菌包装材料方面显示出较好的应用潜力。此外基于湿部形成技术可以得到抑菌纸，研究结果表明此种抑菌纸具有较好的力学性能，在食品保鲜包装方面具有较好的应用前景。

5.类石墨相氮化碳

这是一种新型无机纳米材料，具有廉价、高安全性、无毒等众多优点，通过将冷等离子体表面处理技术与静电纺丝技术相结合，便可制得负载经等离子体表面改性g-C3N4颗粒的抗菌纤维膜，实验表明它可广泛应用于蔬菜的贮藏保鲜中。因为利用静电纺丝法制备的 g-C3N4-Plasma纳米纤维抗菌膜，g-C3N4均匀分散在纤维中，纤维直径均匀、结构稳定。作用24小时后，铝箔纸、牛皮纸、保鲜膜等不同载体上的g-C3N4-Plasma纳米纤维膜的杀菌率均达到99.4%以上。在作用4天时，铝箔纸、牛皮纸、保鲜膜等载体上的g-C3N4-Plasma纳米纤维膜对小番茄、青椒、黄瓜、胡萝卜4种蔬菜上的大肠杆菌O157∶H7的杀菌率依然保持在99%左右。此外，感官评价实验结果还显示，g-C3N4-Plasma纳米纤维抗菌膜能够较好的保持蔬菜的颜色、风味等主要特性。

6.PVA基纳米二氧化硅复合包装材料

聚乙烯醇（PVA）具有可降解、卫生、安全性好等优点，因而在食品涂膜保鲜包装方面展示出广阔的前途，但其良好的亲水性能使其成膜后有较高的透水性而影响其在食品保鲜包装上的应用。纳米SiO2作为一种改性材料可与许多高分子聚合物树脂复合，从而提高聚合物的包装效能特性及用于食品包装的保鲜效果。实验结果表明PVA基纳米Si02复合材料涂膜包装咸鸭蛋，能有效阻止咸鸭蛋水分散失、抑制微生物生长繁殖、降低挥发性盐基氮的产生，可在6个月储藏期内较好地保护咸鸭蛋的色泽和风味。

7.纳米改性PVA-液体石蜡复合包装材料

聚乙烯醇（PVA）易成膜和降解，在食品涂膜保鲜包装方面展示出广阔的前途。但其因具有良好的亲水性而使其成膜后有较高的透湿性等原因，影响其在食品保鲜包装上的应用。液体石蜡属于疏水性油脂类物质，具有很好的阻隔保鲜性能。通过采用复合乳化剂对聚乙烯醇和液体石蜡进行乳化，并添加纳米SiO2、TiO2对其进行改性，优化分析其工艺制备条件和性能，便可得到對鲜蛋贮藏保鲜效果良好的纳米改性PVA-液体石蜡复合涂膜包装材料。

8.纳米改性抗菌聚乙烯醇

经有机改性的DK4型MMT与PVA分子有着很好的相容性，改性复合薄膜的微观结构表征光滑完整，薄膜结构更加致密均匀。添加了不同浓度的DK4型MMT，均不同程度地提高了PVA薄膜的抗拉强度和热稳定性，降低了薄膜的断裂伸长率、吸水性、水蒸气透过系数、透光率。其中，含有3% DK4型MMT的纳米复合薄膜有着最大的抗拉强度，含有5% DK4型MMT的纳米复合薄膜有着最小的吸水率；添加1% DK4型MMT的纳米复合薄膜的热稳定性、耐水性、抗张强度都有着不同程度的提高，同时该薄膜还有着良好的透光性和较低的雾度，具有最佳改性效果；不同浓度及配比的MMT及山梨酸钾与PVA母粒有着很好的成膜性，并且复合薄膜有着良好力学性能、光学性能、高氧阻隔性及一定的抗菌性能。张勇等人利用复合薄膜在常温条件下对半干鱼进行包装并研究其防霉保鲜效果，结果表明在半干鱼保鲜实验中，相对于对照组，含有CA的改性PVA薄膜均体现了良好的防霉效果，其中含有质量分数为2%的柠檬酸的改性PVA薄膜防霉效果最佳。

结束语

纳米技术在食品包装中的应用主要体现在纳米抗菌、保鲜、高阻隔性3个方面，现代食品包装行业已进入纳米时代，纳米技术大大推动了食品包装的发展；但是其安全性也是不可忽视的一项重要因素。总的来说，纳米材料、纳米技术与纳米复合包装材料的发展将会有力推动食品包装的创新发展，在未来的发展过程中纳米材料的安全性也会是一个较为受关注的热点，将会对食品包装应用纳米材料提供重要的依据。