纳米技术在食品包装领域的应用

■ 文/李丹，李中华，金林宇，何思远，孟鲁建

（1、海军特色医学中心；2、上海交通大学；3、解放军31673部队）

纳米技术是新兴的科学应用技术，纳米技术是指对尺寸在1-100nm之间的材料进行研究的科学应用技术[1-3]。结构决定性质，性质决定性能，物质的微观结构决定物质的宏观性质，物质的宏观性质决定物质的宏观性能，通过研究物质的纳米微观结构了解物质的宏观结构和性能，通过探索改变物质的纳米微观结构来改变物质的宏观结构和性能。纳米技术使得人类对于物质的了解更进一步，无数领域得到了飞速的发展，甚至在某些领域突破了关键的瓶颈，实现了质的飞越，其技术在很多领域应用广泛[4-7]，例如生物医药、水处理、电子技术和机械等领域。总之，纳米技术使得如今的科学技术得到了快速的发展。

食品是人类生活必不可少的，包括各类水果蔬菜肉类等，对于各类食品，储藏和运输损耗是目前存在的问题。以果蔬行业为例，中国是农业大国，每年都有着大量的蔬果生产量，但由于我国在蔬果保鲜技术、冷链运输和低温储存等方面相对落后，导致每年都有大量的水果蔬菜变质损坏[8]，损坏率平均高达25%，同样对于其他食品亦是如此。在食品的整个生产制造流程中，食物非常容易受到损害，包括物理损害、化学损害和生物损害等，变质的食物会对人体产生危害，食物变质的同时产生的有害物质对人体造成损害。所以，研究开发出具有良好保鲜性能、安全和无毒的食品包装材料就显得尤为必要。为了达到食物更长时间的保鲜效果，目前市面上常用的保鲜手段为化学保鲜方法，其中包括：添加防腐剂、抗氧化剂、干燥剂等化学试剂来延长食物的保存时间，一方面，这类保鲜方法会在一定程度上影响食物口感，另一方面添加剂对人体会有一定的危害，这些方式都不是推荐的保鲜方式。

纳米包装材料指通过纳米技术将纳米粒子与包装材料复合，通过纳米添加、纳米合成和纳米改性等方式，加工成具有纳米尺度、纳米结构或特殊功能的纳米包装材料[9-10]。纳米技术正改变着食品包装行业，纳米包装材料能满足大部分需求，推动食品行业的发展,纳米技术在食品领域的应用如图1。纳米包装材料种类繁多，在包装材料方面，纳米技术有纳米复合包装材料，通过功能性分子材料与聚合物进行复合或者通过特殊的纳米技术工艺得到具有良好阻隔性、保鲜性和高阻隔性能的强化功能的薄膜。纳米技术有活性包装袋，通过在包装袋中加入抑菌的纳米微粒使得包装袋具有抑制细菌生长的效果。复合有纳米传感器的包装袋可以用来侦测包装袋里的细菌，或者利用纳米技术可以制备高安全性的高阻隔包装袋。

图1 纳米技术在食品领域的应用

一、纳米技术在食品包装领域的应用

食品包装领域一直存在着包装袋内食品保鲜时间不长容易变质等问题，纳米技术以其独特的性质和优势，为食品包装领域解决了诸多的问题。纳米包装材料也种类繁多，有通过纳米技术加工工艺制备的纳米结构包装材料，有通过将功能性分子与高分子材料进行复合制备纳米包装材料，有通过纳米粒子的加入赋予包装材料特殊的性能，有通过纳米分子筛使得材料具有良好的透气性和保鲜性能。根据已有文献，综述纳米技术在食品包装的应用主要有如下四类应用：

（一）纳米复合包装材料

纳米复合材料包装是指通过功能性分子与聚合物通过特殊的纳米技术工艺得到具有良好力学强度、良好阻隔性和保鲜性的强化功能的纳米复合材料。纳米材料具有诸多的优良特性，例如气体阻隔性能、温度、湿度阻隔性能，通过将功能性分子与聚合物材料进行复合，很好的改善聚合物的性能，使得材料具有良好的上述性能。可以改善包装袋的气体阻隔性能、温度调节能力和力学性能。

通过纳米技术工艺改变包装材料的内部结构，制备出具有纳米结构的包装材料，使得包装材料获得纳米材料的突出性能。王雪芳[14]等同过静电纺丝的方法制备出具有抗菌效益的TiO2/PLA复合纳米纤维膜，研究进行了草莓保鲜实验，纳米纤维膜有效的延长了草莓的保鲜时间。静电纺丝是应用较为广泛的纳米技术，通过静电纺丝方法可以制备出具有纳米级别间隙孔洞的微观结构，使得制备出来的膜具有纳米微孔结构，提升了力学性能和气体的选择透过性，从而使得制备出来的保鲜膜具有良好的保鲜效果。Qian[15]等通过研究开发出TiO2/PLA复合材料膜，利用TiO2良好的光催化能力和抑菌效果，得出复合材料具有良好的抑菌效果。温棚[16]通过静电纺丝的方法制备出肉桂精油与聚乳酸的复合纳米纤维保鲜膜，大幅延长了肉类制品的保鲜时间。

（二）直接添加纳米粒子的活性包装材料

添加纳米活性物质可以增加包装袋的各项性能。很多种类纳米材料：纳米氧化铜、纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化镁、氧化锌和碳纳米管能提供抑菌效果[17-20]。例如在将透光的纳米SiO2粒子与普通的塑料薄膜进行复合，可以大幅提升塑料薄膜的透明度韧性等性能，增加了薄膜的应用范围。在聚酯材料中添加复合纳米溶胶能显著提升材料的阻隔性能。同时纳米氧化锌也是很好的纳米材料，能够赋予材料良好的力学性能和抗菌性能。

常见的纳米粒的性能作用如下表1所示。

表1 常见的纳米粒的性能作用

通过将具有特殊性能的纳米粒子与材料进行复合可以大幅改变提升材料的性能，例如纳米银在包装袋中的应用使得包装袋具有良好的保鲜性能，银能够使得食物释放出的乙烯快速氧化，从而减少乙烯对食物的影响[21-23]。纳米TiO2粒子具有很强的紫外吸收和光催化降解能力，在食品包装袋中添加纳米TiO2粒子能很好的抗紫外线，改性纳米TiO2粒子具有优异的性能，能赋予材料较好的力学性能和较好的保鲜性能[24-26]。同时纳米氧化锌也是很好的纳米材料，能够赋予材料良好的力学性能和抗菌性能[27-30]。有机蒙脱石能与保鲜材料复合。

刘媛媛[31]等研究开发出具有抑菌效果的改性纳米TiO2复合大豆分离蛋白保鲜膜，并研究探讨了抑菌保鲜膜的最佳抑菌效果的制备工艺。袁志[32]等人自主开发出改性纳米TiO2复合壳聚糖保鲜膜，改性TiO2赋予膜较高的力学性能、较低的透氧率和较低的透湿率，大幅增加了蔬果的保鲜时间。李喜宏[33]等制备研究了钠米 ZnO/PVC膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的体外抑菌作和对苹果防腐保鲜效果的影响，以及纳米ZnO含量、溶液pH值、培养条件(无光和光照)等对纳米膜抑菌能力的影响。同时研究结果表明，实验所用ZnO粒子含量越高，抑制细菌的效果越高，保鲜性能也就越好。张改梅[34]等自主研究开发出具有抗菌性能的纳米银保鲜膜，在不同放电功率、不同放电时间、不同本底气压的条件下制备不同厚度的纳米银薄膜，并对不同实验参数下制备的纳米银薄膜进行抗菌性及保鲜性试验进行了研究。研究出了溅射时间与薄膜厚度对抗菌性能的影响。李群[35]等研究开发出一种抗菌型纳米纤维基保鲜膜，主要以微纤化纳米纤维素(MFC)与壳聚糖乙酸水溶液在适当配比条件下采用超声波共混后完成新型抗菌型纳米纤维基保鲜膜的制备。保鲜膜的纳米纤维结构使得保鲜膜兼具纳米材料的诸多优点，例如高效抗菌、高透气性、高透明度、高粘接性、皮膜柔韧性及耐磨性等。

（三）智能纳米传感器包装材料

智能纳米传感器包装是指将纳米传感器应用于食品包装。纳米传感器可用来检测食品在储存过程中的变化，一方面鉴定食品是否损坏，各项参数指标是否符合标准，同时鉴定有没有细菌的滋生，空气中的气体含量变化，同时纳米传感器具有较高的阻隔性，降低气体和水蒸气的透过率，对食品起到保鲜的作用。可用来检测感应食物中的生物化学微生物变化和事物的变坏程度，一些智能包装被用作事物安全检测器。几种纳米传感器在食品包装领域有着广泛的应用，包括纳米微粒传感器、电子鼻、纳米悬臂、溶液中的纳米微粒和纳米条。MILLS等[36]自主研究开发出氧气传感器包装，以自主研发的纳米晶粒作为纳米传感器，对包装袋中的氧气成分进行实时监测，以确保包装袋的密封完整性。

（四）分子筛纳米包装材料

分子筛是一种人工合成的具有分子筛选性的水合硅铝酸盐，在结构上具有孔径均匀排列整齐的纳米微孔结构，不同孔径的分子筛不同直径不同形状的分子分离开来，这也就是分子筛的选择透过性，分子筛的结构示意图如下图2。经过快速的发展，分子筛以其突出的选择透过性作为吸附剂、分离剂和例子交换剂等广泛的应用于各大行业。将分子筛应用于食品包装领域，特别是蔬果领域，能够起到对食品包装中气体成分调节的作用，使得保鲜袋中的蔬果和食品处于最佳的状态，从而延长保鲜效果。郭玉花[37]等自主研发出了纳米活性分子筛薄膜，同时进行了纳米分子筛薄膜对草莓保鲜性能的研究，结果显示纳米分子筛薄膜对草莓有良好的保鲜效果。徐文才[38]等人自主研发了分子筛/LDPE共混薄膜，本研究通过改变调节作为吸附剂的分子筛合成比例，来调节共混薄膜的性能，进行香蕉的保鲜实验，实验结果显示共混膜能显著增加香蕉的保鲜时间。

图2 纳米分子筛的结构

二、展望

本文综述了近几年来国内外纳米技术在食品包装领域的应用现状，纳米技术能够促进其所涉及的领域发生革命性的发展。纳米技术在食品包装领域已经取得了一定的进步和进展，纳米技术以其独特的优越性解决了食品包装领域诸多的问题，通过纳米包装技术赋予了普通包装袋诸多优良的特性，让食品领域向前迈了一大步。随着科学技术的不断发展，纳米技术研究的不断精进，未来将有更多特殊功能的材料诞生，而纳米材料作为当今最具发展潜力的材料，将纳米材料应用于包装领域必定是今后的研究热点。