基于果蔬保鲜的活性包装技术研究进展

许超群，梁旭茹，岳淑丽*，陈飞平

1(华南农业大学 食品学院，广东 广州，510642)2(广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,农业农村部功能食品重点实验室,广东省农产品加工重点实验室，广东 广州，510610)

随着人们生活水平的不断提高，新鲜、天然、健康、营养的果蔬产品的需求越来越大。然而，水果和蔬菜水分含量高、营养丰富、新陈代谢活跃，在采收与贮存过程中容易受到脱水、机械损伤、环境压力、微生物侵染和病理破坏等的影响[1]，导致果蔬的贮存期缩短，甚至变质失去食用价值，造成严重的经济损失以及食品安全问题。如何在贮存和运输过程中维持果蔬的天然品质，打破地域和季节的局限性，满足消费者高品质新鲜果蔬的需求，是生鲜果蔬行业面临的巨大挑战。传统包装的保护作用往往是被动地隔绝外部环境，主要起到保护屏障的作用。然而，随着社会经济的发展，人们对食品安全和食品品质的要求逐渐提高，食品包装作为食品生产加工、储运销售过程中保护产品、延长货架期必不可少的一部分，亦不断更新来满足持续发展的市场需求[2]。因此，开发能最大限度地减少食品损失，并为消费者提供安全健康、高质新鲜的食品包装尤为重要。活性包装技术作为一种新型且具有良好发展前景的食品包装技术,受到了国内外研究人员的广泛关注[3]。

活性包装是一种通过包装、产品和环境相互作用来延长食品的货架期，改进食品的感官品质，提高食品的安全性，从而维持食品质量的包装技术[4]，目前研究报道较多可应用于果蔬保鲜的活性包装有：抗菌包装、乙烯控制包装、湿度控制包装、除氧包装、二氧化碳控制包装和指示性包装等。

1 抗菌包装

微生物的生长繁殖是引起食品变质的重要原因之一，抗菌食品包装是将具有抑制病原微生物生长繁殖的活性物质封装或包含在膜材料中，通过释放到包装内微环境或直接接触食品，从而抑制食品腐败变质的一种包装技术。目前研究较多的抗菌活性物质有植物精油、酶和细菌素、抗菌聚合物、有机酸及其衍生物、抗菌性纳米颗粒等(表1)。

表1 抗菌包装Table 1 Antimicrobial packaging

精油是一种具有挥发性、疏水性、芳香性的植物提取物，对食品中常见的致病菌、腐败菌具有良好的抑制效果[17]。然而植物精油具有化学不稳定性和挥发性，易受光、氧气、温度等环境因素的影响而降解，从而导致活性降低及作用时效短[18]，因此植物精油在使用过程中常结合其他的技术应用，如微胶囊包埋、纳米乳液、Pickering乳液、多层膜和静电纺丝技术等[8]。植物精油抑菌剂的应用方式包括涂层在包装或果蔬表面、加到包装膜中以及在包装内添加小袋或衬垫等。ESQUIVEL-CHVEZ等[19]研究发现百里香微胶囊能抑制镰刀菌、炭疽菌、链格孢菌等导致芒果腐败的病原菌。DA SILVA BARBOSA等[20]发现用聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯包埋的红木和肉桂精油微胶囊对大肠杆菌、单核增生李斯特菌、肠炎沙门氏菌和金黄色葡萄球菌均有明显抑制作用。SHAO等[21]开发了一种肉桂精油微胶囊生物活性纸，能够抑制微生物生长，促进抗氧化酶活性，延缓蘑菇组织的衰老和褐变。黄巍等[22]将丁香精油涂布在纸箱上，使水蜜桃的货架期延长了4 d。尽管植物精油具有优异的食品保鲜的能力，然而，这种基于植物精油的活性包装尚未被广泛商业化，这主要是由于植物精油强烈的气味和复杂的成分使得部分消费者难以接受，植物精油的高成本和易挥发、不耐高温的性质也使其生产难度提高，探索与其他活性物质联用或聚合物包埋降低其挥发性和异味，是其产业化应用首先要解决的问题。

酶和细菌素等主要来源于微生物，目前应用较广的有乳酸链球菌素(Nisin)、ε-聚赖氨酸、曲酸、纳他霉素、抗菌肽等。乳酸链球菌素具有价格低廉、抑菌效果好、无毒等特点，但是它易被蛋白酶降解，不耐高温，在较高pH值下无效，加上潜在耐药菌株的出现，使其应用受到限制[23]。通过包埋可以提高Nisin的稳定性，QIAN 等[24]将Nisin与果胶和壳聚糖复合包埋制备了Nisin微胶囊，包埋后的Nisin稳定性和缓释性能都有所提高，在121 ℃处理10 min后杀菌活性损失率低于游离Nisin，且在缓冲溶液中具有良好的缓释效果。纳他霉素是一种天然的抗真菌剂，微溶于水，光稳定性差，通过与真菌细胞膜甾醇结合，从而使细胞内容物渗漏，由于细菌的细胞膜缺乏甾醇类物质，因此纳他霉素对细菌不敏感[10]。LIN等[25]用玉米醇溶蛋白/羧甲基壳聚糖核壳纳米粒子包埋纳他霉素，提高了纳他霉素在水中的分散性和对光的稳定性，可抑制灰葡萄孢的孢子萌发和菌丝体生长，有效减少草莓腐烂、霉变的发生，延长草莓保鲜期。

壳聚糖及其多种衍生产品均具有抗微生物和抗真菌活性，可作为微生物抑制剂掺入食品包装中，用这种生物聚合物制得的包装涂料和薄膜，除了具有优异的抗微生物性能外，还具有许多其他优点，例如可生物降解性，可食用性，无毒性，生物相容性，美观性和良好的阻隔性能。ZHANG等[26]研究发现香蕉皮提取物壳聚糖复合膜涂层处理可降低苹果呼吸速率，并延缓了苹果在贮藏过程中可溶性糖、水分、质量等的下降。有机酸类抗菌剂来源广泛，具有高效广谱的抑菌效果、工艺简单、稳定性好、造价便宜等优点，目前应用最广泛的是苯甲酸、山梨酸及其衍生物。然而大剂量的有机酸摄入对人体健康存在一定的危害，随着消费者食品安全意识的提高，该类抗菌剂的接受性正逐渐降低。纳米级抗微生物剂，是一种通过理化技术手段制备的至少一维尺度<1 000 nm的抗菌剂，由于具有高的表面体积比和增强的表面反应性，其对微生物的灭活效果明显优于其微观或宏观对应物，常用的银和金纳米颗粒，该类颗粒杀死微生物过程存在两种机制，第一种是基于银和金的高氧化态，可以在其周围产生原子氧，形成的原子氧与细胞壁的脂质反应并渗透到微生物中，然后与蛋白质和脂多糖相互作用导致细菌死亡。第二种是纳米颗粒与细胞膜直接接触并通过静电相互作用干扰微生物的细胞壁[27]。

总之，目前对抗菌包装的研究较多，新的抗菌剂不断被发掘出来，但能应用于果蔬的天然安全、广谱高效、低价环保的抗菌剂很少。如何结合果蔬的生理特性，寻找天然的新型活性抗菌剂，调整生产工艺，降低生产成本，控制抗菌剂向食品中迁移等仍是亟待解决的问题，此外，多种抗菌剂和多种杀菌方法的联用也是目前研究的热点。

2 乙烯控制包装

乙烯(C2H4)是新鲜果蔬在代谢过程中产生的挥发性气体，当果蔬所处微环境中乙烯浓度达到一定量时，果蔬的成熟和衰老进程加速，从而缩短了果蔬保鲜期[28-29]。为降低乙烯的浓度，常使用竞争性抑制剂或是乙烯吸收剂进行脱除。1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)是一种小分子烃，它通过与乙烯竞争乙烯受体(Ad-ERS1a，Ad-ETR2和Ad-ETR3)并抑制其表达来防止采后果实过度成熟，由于其无毒、高效且易于处理的特性而被广泛使用[30]。1-MCP在采前和采后处理果蔬都能起到抑制果蔬成熟的作用，XIA等[31]研究发现采前使用1-MCP处理比采后处理能更好的抑制乙烯的生成，将金针菇的保鲜期从8 d延长到了10 d，同时更好的保存了金针菇的鲜味物质。周嘉佳等[32]将1-MCP、乙基纤维素和聚丙烯酸涂层在纸基上，制成可控释放的包装纸，能在95%的相对湿度，2 ℃下释放1-MCP，抑制乙烯的产生的呼吸速率，从而提高杏的贮藏品质。LIU等[33]使用1-MCP抑制猕猴桃乙烯的产生，再通过使用一定量的外源乙烯进行调节，以减少生理病害，研究发现 0.25 μL/L 1-MCP+1 μL/L乙烯处理猕猴桃能减少电解质泄漏和丙二醛含量，从而减轻低温贮藏期间的冷害作用。

高锰酸钾是最为常用的乙烯吸收剂，可以将乙烯氧化成二氧化碳和水，通常负载在具有大表面积的多孔惰性材料上，如沸石、硅胶、活性氧化铝、活性炭和黏土等，以提高吸收效率[34]。同时这些具有活性表面的活性炭、沸石等多孔矿物质也能物理吸附乙烯，并可混入聚乙烯、聚丙烯等材料制成乙烯吸附膜，使用更加便捷，适合工业化应用[35]。LVAREZ-HARNANDEZ等[36]用海泡石负载高锰酸钾与百里香酚混合，可有效控制樱桃番茄灰霉病并清除包装内的乙烯，减缓采收后果实的重量损失，保持番茄的风味。EBRAHIMI等[37]制备了混有纳米二氧化硅和纳米黏土负载的高锰酸钾薄膜作为乙烯清除剂，经过工艺优化的薄膜能将香蕉在室温下的保鲜期延长至15 d。

然而，高锰酸钾虽然成本低，但毒性较大，不能直接与食品接触。使用时应当防止其从小袋意外泄漏或消费者误食等问题，以薄膜的形式运用可以提高安全性，同时可以结合其他保鲜剂并行应用，消费者的接受度会更高，但是，如何根据果蔬的生理特性，设计出能够保持其原始机械和阻隔性能的乙烯调节薄膜，在不影响食品保质期延长的情况下提供更低的最终成本和安全的包装系统，仍是一大难题。

3 湿度控制包装

水分和水分活度是影响各种果蔬品质和安全性的关键因素，控制合适的水分活度对果蔬的保存至关重要。果蔬作为具有高水分活度的食品，在包装内保持较高的相对湿度可以防止果蔬失水干燥，但过高的相对湿度会使食品更容易发生微生物变质，并可能导致质地和外观发生变化，从而缩短保质期，此外，果蔬在贮藏过程中呼吸和蒸腾作用产生的水分由于温度波动而凝结在包装内，也会影响消费者感官体验，降低购买欲望[38]。因此，控制食品包装内的水分对于抑制微生物的生长和改善食品的感官特性至关重要，使用对水分阻隔性高的包装材料可以有效维持包装内的水分或隔绝外部水分进入包装，在包装内使用干燥剂也可以吸收果蔬蒸腾作用和呼吸作用带来的水分，从而保持袋内较低的相对湿度。

干燥剂通过吸湿材料的物理吸附与湿气发生反应。常用的除湿剂有硅胶，沸石，氧化钙，氯化钠，氯化镁，硫酸钙，淀粉共聚物，聚丙烯酸和山梨糖醇等[39]，干燥剂通常以小袋，微孔袋的形式放置在包装中，或制成吸水垫、薄膜和托盘[38]。RUX等[38]使用一种添加了氯化钠的发泡吸湿性离聚物的热成型多层结构制成的湿度调节托盘来包装番茄和草莓，可以有效吸收包装内的水蒸气，7 d内包装内相对湿度低于97%，相对较低的湿度延缓了草莓和番茄的腐败变质，延长产品的货架期[38]。MURMU等[41]使用粗硅胶作为吸湿剂，结合气调包赚技术用于番石榴的保鲜。与对照相比，用粗硅胶贮藏的果实在贮藏1个月失重较小、总酚和 维生素C含量更高[40]。SNGERLAUB等[41]发现分散有 NaCl 颗粒的发泡聚丙烯薄膜在 75% 以上的相对湿度下能主动吸收和解吸大量水蒸气，调控包装内的相对湿度。而通过热成型的发泡聚丙烯薄膜的孔隙率从0.28增加到了0.63，有效水蒸气扩散系数从10-11cm2/s提高到10-10cm2/s，这种薄膜可以结合更多的NaCl 颗粒，从而以更快的速度调节包装内的相对湿度，可以广泛的应用于果蔬的保鲜[42]。

不同的果蔬在生产、贮藏、销售等环节对湿度的需求不同，因此需要根据食品的生理特征，结合温度、光照、气体浓度等其他条件构建不同的湿度环境。但目前的研究往往局限于单一的贮藏环境，且难以维持一个稳定的相对湿度，实际应用时难以选择出最合适的材料或包装形式进行湿度调节，需要建立更多的预测数学模型以供参考，但这无疑会增加成本，同时，除湿剂的安全性、有效性、消费者接受度等也影响着湿度调节包装的应用。

4 除氧包装

食品包装中的氧气浓度过高可能会促进微生物生长、异味产生、颜色变化和营养损失，从而导致果蔬的保鲜期的显著减短[43]。因此，控制食品包装中的氧气浓度对于减缓食品中这些变质和腐败反应的速度是十分重要的。食品行业常用的脱氧方法是通过真空包装或气调包装进行控制,但这些方法都存在一定的缺陷，包装中的残留氧气浓度通常保持在0.5%～2%[44]，并且在贮藏过程中，可能因为空气中氧气通过包装材料渗透等情况而会进一步增加。目前常用的除氧包装的除氧机理主要是通过除氧剂与氧气之间的化学作用，如铁粉氧化[45]，抗坏血酸氧化[46]，光敏染料氧化[47]，没食子酸[48]等。最常用的是铁系清除剂，它的安全性较高，原料易得且成本低，脱氧效果好[49]。KARTAL等[50]研究了在4 ℃下铁粉基的商用除氧剂和双向拉伸聚丙烯微孔薄膜对新鲜草莓贮存的影响。微孔和除氧剂可以维持包装内气体成分处于最佳状态，以提高草莓的贮存寿命和质量，将新鲜草莓的保质期延长到 4 周以上。ZHANG等[26]使用具有抗氧化作用的香蕉皮提取物加入壳聚糖薄膜和涂层溶液中，所制备的复合膜在各种食品模拟体系中表现出优异的抗氧化性，对苹果进行涂层处理后，有效抑制了苹果的呼吸作用，延缓硬度下降，3周后苹果仍能保持较好品质。

5 二氧化碳控制包装

二氧化碳可溶于食品的水相和脂肪相，形成碳酸，抑制微生物的同时也伴随着食品的酸化，不同食品的保藏对于二氧化碳的浓度的要求不一，所以此类活性包装系统包含能吸收和释放二氧化碳的体系。果蔬一般能在较高的二氧化碳浓度下保存，高浓度的二氧化碳能抑制好氧微生物的生长，从而减缓生物化学反应，降低果蔬呼吸和衰老过程，但过量的二氧化碳累积会促使果蔬糖酵解，病菌微生物大量繁殖，加速果蔬腐败。为避免二氧化碳浓度过高，常使用Ca(OH)2、NaOH、KOH、CaO等二氧化碳吸收剂以降低浓度。

6 指示性包装

指示性包装是一种能提供有关食品包装或周围条件发生的任何变化的信息并将直观显示在消费者眼中的一种可视化标签，可以告知消费者包装内果蔬的质量状态，例如新鲜度、成熟度、泄漏、微生物病原体和气体成分等[1]。指示性包装主要通过监测包装内CO2、pH、乙烯、乙醇、硫化氢等[49]的变化来反应果蔬的新鲜度和成熟度，不仅可以对包装内商品进行监控，而且还可以结合活性元素来减少果蔬劣变，从而更好地维护质量，在未来的应用上具有巨大潜力。

7 结论与展望

食品包装在保护食品免受紫外线、氧气、水蒸气、压力、热量等环境因素的影响中起着至关重要的作用，随着食品科技的发展和消费者对高质量食品的要求不断提升，食品包装作为食品贮运中重要的一部分，不仅要朝着多元化发展，也向着更环保、更健康的方向迈进。活性包装在提高食品品质、延长货架期方面具有明显的优势，但其在实际应用时仍存在诸多问题。食品是一个非常复杂的系统，抗菌包装的研发必须要综合考虑食品的化学组成、物化特性、微生物学，以及食品的贮存销售条件、活性物质对包装材料的影响。许多活性物质的添加在提升食品品质的同时也产生了不愉悦的刺激气味，降低产品的感官品质，部分活性物质的迁移、反应机制尚不明确，存在潜在的安全隐患，活性包装的成本也高于传统包装。另外，活性物质往往具有分子质量小、释放速率快等特点，导致活性物质在食品保质期内的性能下降，因此延长活性化合物的递送时间，并提高释放速率的再现性和可预测性的控释包装技术是未来活性包装的重要发展方向。此外，消费者对于活性包装的熟悉程度低，接受度也不高[51]，在未来的发展中，如何保证食品安全，增加消费者的接受度，并且降低成本，规模化、标准化生产，仍然是活性包装产业化亟待解决的问题。