基于马铃薯的新型绿色食品包装纸研制

张 云， 林 静， 胡启成， 宋大刚， 陈金发*

(1. 西昌学院 资源与环境学院, 四川 西昌 615000； 2. 西南科技大学 环境与资源学院， 四川 绵阳 621010； 3.农业农村部沼气科学研究所， 成都 610041)

食品包装是现代食品工业的最后一道工序，其主要目的是保护食品质量和卫生，不损失原始成分和营养等[1]。同时，包装材料的选择和使用不当可能对食品安全产生不利影响。如果食品包装材料中的某些化学成分向食品中发生迁移，将对食品的安全性造成影响，从而直接影响到人体的健康状况[2]。所以，食品包装安全与否已经成为食品安全控制的一项重要环节，也是食品行业亟需解决的重点问题之一。我国《食品卫生法》对于食品包装材料的定义是: 包装、盛放食品用的纸、竹、木、金属、搪瓷、陶瓷、塑料、橡胶、天然纤维、化学纤维、玻璃等制品和接触食品的涂料[3]。欧盟称食品包装材料为“食品接触材料(Food Contact Materials)”，美国将食品包装材料作为“间接食品添加剂(Indirect Food Additives)”进行管理。近年来，随着人们对食品安全的日益关注，作为与食品直接接触的包装材料，其安全性也备受关注[4]。

在我国，最常用的食品包装分为塑料包装和纸质包装，分别占比为50%和35%[5]。但广泛使用在食品包装的塑料大部分都难自然降解，塑料等固体垃圾的丢弃会污染环境，深埋会侵占土地，烧毁则会污染空气[6]。与塑料食品包装相比，纸质食品包装的多种优势[7]主要体现在： 1)良好的卫生性和原料来源的广泛性； 2)易降解和可回收利用性； 3)良好的温度耐受性； 4)独特的多孔结构及优异的可再加工性； 5)优异的可塑性； 6)有良好的挺度和易成型性。另外，由于纸质对水分子和油墨分子高度亲和，使其具有突出的环保性。王杰[8]等试验测定食品包装纸的常规项目(荧光性物质、铅和镉等)全符合国家卫生标准要求，合格率为100%，其安全性也很高。所以，纸质包装在食品包装上的应用越来越广泛。

2014年, 英国一家调查机构在对1114名消费者进行的“哪一类包装材料会影响他们的购买决定”的调查报告中得出, 93%的消费者选择了纸质包装。据欧洲7个国家收到的7086份消费者调查问卷显示, 68%的消费者更喜欢纸质包装[7]。由此可见, 随着社会的进步与发展，纸质包装已引领了未来食品包装材料的发展方向。

生产食品包装纸的原材料植物纤维本身无毒无害，但由于食品包装纸及其制品在生产过程中经历了一系列复杂的物理和化学处理，使用了大量的化学试剂，尤其是部分制品还要经过印刷处理，油墨中含有大量有毒有害化学物质，其中包括重金属、残留溶剂、有机挥发物以及PAHs(多环芳烃)等。这些化学物质和油墨等有害物质有可能会迁移到食品中，给食品安全带来隐患。所以绿色包装应运而生，这种材料是为了顺应现代世界环保发展而研究开发出的新型环保包装材料, 该材料不仅是指在使用和回收环节不会对生态环节和人体健康产生危害, 同时在生产和制造该类材料的过程中也不会对环境造成影响。因此, 绿色包装材料成为现如今各国环保研究机构的研究重点[9]。而纸质包装作为绿色包装中的一种重要方式，且纸质材料具有容易获取、经济节约、不易污染内容物、生产灵活、易于贮运等特点，既不会造成环境污染也不会产生资源浪费, 可制成各种不同功能和途径的食品包装制品，是目前被广泛使用的绿色包装材料[9-10]。有些国家甚至规定，包装食品一律禁用塑料制品，提倡采用纸制品进行“绿色包装”[11]。

纸质包装其中一种新型材料就是可生物降解淀粉。淀粉与其他生物降解聚合物相比，具有来源广泛、价格低廉、易生物降解等优点[12]，因而在生物降解材料领域中具有重要的地位。但目前淀粉多用于填充塑料，将淀粉与PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等高聚物共混，通过挤塑、模压、注塑、发泡等方法制得[13]。由于疏水性的高聚物与亲水性的淀粉之间没有相互作用的功能基团，因此它们之间的相容性很差，加上淀粉难以铸造成型、产品机械性能差等特点，使得淀粉的用量受到限制[14]。所以本试验拟采用马铃薯做为主要的淀粉来源，通过加入其他成膜成分而不是传统的填充塑料进行制作，攻克目前国内外淀粉基类包装纸仍依赖于塑料进行成型和传统淀粉纸类成型难、易脆等技术瓶颈。并且对食品包装纸知识产权情况搜索结果显示，目前尚无利用马铃薯为主要原料提取淀粉生产食品包装纸的相关专利。本试验所得土豆纸是新一代可食用淀粉基类包装纸，该包装纸可直接用于食品的包装，且使用过程无有害物质迁移，使用后环保易降解[15]，充分响应国家提倡使用绿色包装的要求。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯于2021年6月采自凉山彝族自治州西昌市某农贸市场，采回后清洗备用。

1.2 试验设计与方法

首先确定土豆纸的配方及制作工艺参数，形成一套较为稳定的土豆纸工艺流程。以土豆为主要原料(质量比>60%)进行配方及制作工艺参数的筛选。通过对土豆淀粉进行物理改性后，增加其稳定性和成膜性能。再加入一些可食用纤维以及抗菌、防腐的食品添加剂等进行制作。

1.2.1 马铃薯淀粉的物理改性

对马铃薯淀粉进行热液处理、微波处理、挤压处理等处理进行物理改性，改变马铃薯淀粉的表面形貌、分子量、糊粘度及结晶度等性质和结构参数。并通过改变其结晶结构和无定型结构，从而引起淀粉偏光十字、结晶度，反应活性等分子结构的改变。为下一步与纤维的合成并形成稳定膜做好准备。

1.2.2 改性后的马铃薯淀粉与可食用纤维复合材料的制备

研究可食用纤维与马铃薯淀粉包装膜复合材料的制备工艺，使其力学性能、成膜性能得到提高。通过对成膜影响的因素：打浆度、滤水率、浆料混合时间、薄膜样品的失水率及溶胶时间等进行曲面优化设计实验确定最佳工艺参数。通过优化的工艺参数制备的食用纤维——马铃薯淀粉可食用复合膜可达到最佳的抗拉强度与断裂伸长率等力学性能。

1.2.3 新型马铃薯淀粉纸工艺流程

所需生产设备为：土豆清洗(去皮)机、蒸煮机、混合搅拌机、过滤机、涂布机、烘干设备、裁剪机、包装机等。混合搅拌机、过滤机、涂布机可制成自动化一体机。生产过程为绿色生产，除马铃薯清洗废水外无其他生产废水产生。所需添加剂均为食品添加剂，均符合食品工业标准(工艺流程见图1)。

1.2.4 新型马铃薯淀粉纸相关指标的测定

测试分为物理测试(主要包括含水率、断裂伸长率、薄膜厚度、拉伸强度等)，化学测试(迁移测试、重金属含量测试等)，生物测试(各类微生物测定等)。测定项目为：感官、铅、砷、甲醛、荧光性物质、总迁移量、高锰酸钾消耗量、重金属(以Pb计)、大肠菌群、霉菌和沙门氏菌。

2 结果与分析

2.1 土豆纸的物理特性

土豆纸的感官测定结果：色泽正常、无异臭、霉变或其他污物，迁移试验所得浸泡液无着色、无异臭。测定结果符合GB 4806.8—2016《食品安全国家标准 食品接触用纸和纸板材料及制品》。土豆纸的外观如图2所示。

从表1可知，土豆纸的含水率为10.23 g·100 g-1左右，符合GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》，断裂伸长率为12%左右，拉伸强度为2.46 MPa左右，这两项指标均符合GB/T 1040.3—2006 《塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄塑和薄片的试验条件》，薄膜厚度为0.308 mm左右，符合GB/T 6672—2001 《塑料薄膜和薄片 厚度测定 机械测量法》。因此，从实验数据表明土豆纸克服了传统淀粉纸容易变脆，柔韧性不够的缺点。

表1 土豆纸的4项物理指标

2.2 土豆纸的化学性质

由表2可知，土豆纸中铅和砷的含量分别为0.110 mg·kg-1、0.0438 mg·kg-1，甲醛未检出，测定荧光性物质显阴性，土豆纸的总迁移量为3.3 mg·dm-2,高锰酸钾消耗量水为7.4 mg·kg-1，重金属含量小于1 mg·kg-1。所有化学指标的测定结果均符合相关标准。

表2 土豆纸的化学指标

2.3 土豆纸的生物指标

由表3可知，所测定的土豆纸样品不含大肠菌群和沙门氏菌，霉菌含量<10 CFU·g-1，均符合相关标准；因此，土豆纸满足食品安全卫生要求。

表3 土豆纸的生物指标

2.4 土豆纸应用场景

土豆纸生产技术克服了传统淀粉纸类成型难、易脆等技术瓶颈，该纸可用于包装固态调料(如替代方便面食品中的塑料色袋，即冲即饮)、汉堡纸、餐盘垫纸、点心外包装纸等降解快(见图3)。也可直接食用如用于烫火锅、烧烤等。

3 结论与讨论

目前，迫于环保的压力，发展食品绿色包装纸已经成为大趋势。马铃薯作为淀粉来源，采用马铃薯作为主要原料研制食品包装纸，通过加入成膜成分而不是传统的填充塑料进行制作，攻克了目前国内外淀粉基类包装纸仍依赖于塑料进行成型的技术瓶颈。并且，通过实验表明土豆纸既能满足食品包装的安全要求，其本身也可直接食用，生产成本低廉，又不造成环境污染，所以研发和推广土豆纸具有广阔前景。

根据调查显示[16]，在全世界将近40%都使用的纸或者纸板作为包装材料。与塑料、金属、玻璃其他3大类包装材料相比，纸包装材料是最有前途的绿色包装材料之一[17-18]。纸包装制品对生态环境和人体健康无害，能循环复用和再生利用，可促进国民经济持续发展[19]。土豆纸作为食品包装材料符合绿色包装的要求。大量研究表明，使用淀粉[12,20]作为主要原料制纸，可以提高纸基包装材料对湿气、O2等的阻隔性能，并且原料来源广泛，易生物降解。武伟[21]等研究使用淀粉制作食品防油包装材料发现不仅可以降低生产成本，而且包装纸的抗油性能也得到了提高。所以本研究利用土豆制作食品包装纸可以节约生产成本，并且效果佳。张霞[22]等研究表明造纸过程中使用的化学药品可能会残留在纸张中，也可能会伴随产生有害物质，影响食品安全以至于危害人体健康。本研究是将土豆淀粉进行物理改性，不会产生任何有毒有害的化学物质，然后增加其稳定性和成膜性能，再加入一些可食用纤维以及抗菌、防腐的食品添加剂。所以生产过程为绿色生产，除马铃薯清洗废水外，无其他生产废水产生。所需添加剂均为食品添加剂，均符合食品工业标准。同时毕会敏[23]等通过试验表明，马铃薯淀粉膜液经过高压处理后，马铃薯淀粉膜抗张强度增大，断裂伸长率、热水速溶率、透氧率减少，并且经观察膜液的稳定性也得到提高。本研究对马铃薯淀粉进行热液处理、微波处理、挤压处理等处理进行物理改性，所以经过以上处理可以克服淀粉纸类容易变脆，柔韧性不够的特点。

在当今世界节约能源与防止环境污染的形势下，无污染、无公害的“绿色包装”，正在全球悄然兴起，土豆纸既能满足食品包装的安全要求，又不造成环境污染的纸包装材料，相比塑料、玻璃、金属3大包装，是值得生产推广的。研究结果表明所测定土豆纸的物理、化学和生物指标均符合相关标准，可进行工业化生产的小试运行。