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                                        抑菌包裝塑料薄膜的研究與應用進展及展望

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                                        抑菌包裝塑料薄膜的研究與應用進展及展望

                                        發布日期:2022-05-24 作者: 點擊:

                                        摘要:抑菌包裝塑料薄膜是一種抵抗微生物侵蝕,提高食品保質期的新型包裝材料。文章分別從抑菌包裝塑料薄膜作用、制膜方法、抑菌機理、納米改性、抗菌劑改性、液體食品抑菌,以及抑菌包裝塑料薄膜應用等方面進行綜述,并對抑菌塑料包裝薄膜的應用和研究方向進行了展望。

                                        關鍵詞:抑菌;塑料薄膜;改性;應用

                                        抑菌包裝塑料薄膜



                                        1 抑菌塑料薄膜的作用與制膜方法

                                        1.1 抑菌塑料薄膜的作用

                                        隨著塑料的廣泛使用,塑料制品已走進食品包裝、家用電器、廚用衛品、汽車配件和醫療設備等領域。日常生活中塑料制品表面往往帶有大量細菌,成為疾病傳播的媒介,對人類健康產生很大威脅。抑菌塑料作為一種新型功能材料,可以從根源上解決細菌感染問題[1]。

                                        抑菌塑料薄膜是一種具有抑菌和殺菌性能的新型材料,用抑菌塑料包裝食品,通過緩釋作用,抑制或殺死食品表面細菌。抑菌塑料包裝又稱抗菌包裝技術,即通過在包裝材料內部或表面添加抗菌劑或運用滿足傳統包裝要求的抗菌聚合物,殺死或抑制污染食品表面的腐敗菌和致病菌,使被包裝物能較長時間保存的一種包裝技術[2-4]。用于食品抗菌包裝的材料主要有:固定型、釋放型、沖刷型塑料包裝、抗菌涂層包裝、直接加入抗菌劑的塑料包裝、表面固定抗菌劑的塑料包裝、表面改性的塑料薄膜[5]。

                                        1.2 抑菌塑料薄膜的制膜方法

                                        1.2.1 造粒吹膜法 造粒即制備抗菌母粒,是目前Z常用的制備方法[6],制備過程如下:將抗菌劑添加到樹脂中[7],在雙螺桿裝置中高溫熔融并與基材樹脂混均,然后,通過切粒機制備抗菌母粒。吹膜法即通過單螺桿擠出裝置將上述抗菌母粒進行高溫熔融,冷卻,收卷,得到雙層桶狀薄膜。

                                        1.2.2 造粒流延法 造粒過程同上,流延法利用塑料擠出裝置將抗菌樹脂融化,通過滾筒裝置將薄膜均勻分散,Z終得到單層平面薄膜。

                                        1.2.3 液體涂膜法 利用涂膜機,將加有抗菌劑的PVA液體膠均勻涂抹在已加熱好的薄膜表面,靜置45 min,將成品膜取出。

                                        抑菌包裝塑料薄膜

                                        2 抑菌包裝塑料薄膜的機理研究

                                        對于抑菌包裝塑料薄膜機理的研究,目前還停留在較為淺顯的層次??偟膩碚f,大致可分為3種類型:內層抗菌外層不釋放、單層釋放、內層抑菌外層阻隔。

                                        2.1 內層釋放型抑菌包裝

                                        釋放型抑菌包裝是將具有抑菌功能的物質(食品級添加劑)直接添加在薄膜基材內制成薄膜,這類薄膜在包裝食品過程中會不斷向與其接觸的食品表面釋放抑菌物質實現對食品的抑菌保鮮[8]。常用的抑菌劑包括食品添加劑、抑生素和溶菌酶等。這類抑菌包裝膜的研究和使用Z為廣泛。

                                        2.2 外層非釋放型抑菌包裝

                                        復合材料的抑菌是通過在外層添加能夠調節包裝內封閉環境的物質或利用包裝膜對氣體的選擇透過性調節包裝內微環境實現抑菌[9]。

                                        影響抑菌包裝膜效果的因素很多[9]。為確保抑菌包裝的有效性,在制作使用抑菌包裝時要充分考慮以下幾個因素。

                                        (1) 要充分了解所包裝食品的主要易感菌數量及生長繁殖特性。這有助于針對性地選擇抑菌劑的種類和添加量,或Z有效的包裝內微環境調節指標[10],有助于準確估計抑菌包裝的效果及其包裝食品的壽命(保質期或Z佳食用期)[11]。抑菌包裝的抑菌量和抑菌能力是有限的,所以,要求被包裝食品盡可能避免起始污染。

                                        (2) 基材的選擇對抑菌包裝膜的功能也有非常重要的影響。這主要取決于基材與抑菌劑的相容性、生物學特性以及它與抑菌劑或微環境之間的相容性和包裝膜自身的透明度[12]。因此,基材的性質決定著抑菌包裝膜的可使用性,合理的基材選擇,也有利于抑菌包裝膜的抑菌效果。

                                        (3) 抑菌包裝中所添加的活性抑菌劑以及包裝膜對環境或食品的穩定性也對抑菌包裝的抑菌效果具有重要影響。這取決于抑菌包裝的工藝設計,及其對活性抑菌劑與環境的阻隔效果[13]。當然,選擇安全性高、價格低、易獲得、能被大眾接受的材料是食品抑菌包裝走向市場的有利條件。

                                        抑菌包裝塑料薄膜

                                        3 納米粒子改性塑料薄膜

                                        3.1 納米材料選擇問題

                                        納米材料是顆粒尺寸<10 nm的超細材料。它具有小尺寸效應、大比表面積效應、體積效應和量子隧道效應[14]。納米粒子尺寸較小,透光性好,加入塑料中可使塑料結構變得很致密,不僅有增大薄膜強度的作用,還能賦予基材其他新的性能。

                                        納米粒子改性塑料按填料種類分為金屬納米塑料、無機非金屬納米塑料和有機納米塑料[15],主要研究領域集中在低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PP、PVC、PS、尼龍(PA)、PVA和丙烯酸類塑料方面。納米粒子改性塑料的性能主要包括力學性能[16-17]、摩擦學性能、電學性能、阻隔性能、抑菌性能等[18]。

                                        3.2 納米材料在塑料薄膜中使用

                                        納米包裝材料是一種新型包裝材料,通過向原有包裝材料中加入納米材料進行改性、復合,賦予新材料具有納米材料的表面等離子體性質,并表現出很好的抑菌性、力學性和透氣性等[19],目前已廣泛應用于食品、環境、醫藥等領域[20]。如納米銀具有良好的抗菌能力、細菌不產生抗藥性,具有一定的耐光性、良好的耐熱性和緩釋性能 [21]。納米材料能有效阻止微生物生長,延長產品儲藏期。特別是半透明塑料薄膜,添加納米粒子后不但透明度得到提高,韌性、強度也有所改善,且防水性大大增強。

                                        杜運鵬等[22]研究了納米改性聚乙烯醇抗氧復合包裝薄膜的制備及對山藥保鮮作用,發現納米改性物質的加入提高了聚乙烯醇薄膜的拉伸強度,降低了薄膜的水蒸氣透過率和氧氣透過率,延長了鮮切山藥的保存期。余科林等[23]用納米聚乙烯包裝袋包裝草菇,顯著延長了草菇的保存期。王超[24]將表面改性納米TiO2添加到聚丙烯中,發現添加5%的納米TiO2改性聚丙烯的彎曲、拉伸和沖擊力學性能Z優。

                                        納米材料在延長保質期的同時能很好地維持產品的感官品質,但其安全性仍需進一步證實。納米材料在食品包裝過程中的遷移規律及在細胞內的生物毒性是未來研究的熱點[20]。


                                        4 抗菌劑改性塑料薄膜

                                        4.1 抗菌改性塑料薄膜的定性

                                        抗菌改性塑料薄膜是把塑料樹脂和抗菌劑組合起來,把制約食品保存的各種因素結合,以提高食品貨架期和安全性的綜合方法[25]??咕男运芰媳∧な蔷哂袣⒕院鸵志缘男滦凸δ苄员∧?,其核心成分就是抗菌劑,將微量抗菌劑添加到普通材料中制成的抗菌薄膜具有衛生自潔功能[26]。

                                        4.2 抗菌劑的選取分類

                                        抗菌劑改性塑料薄膜使用的抗菌劑分為無機抗菌劑、合成抗菌劑和天然抗菌劑。無機抗菌劑有兩類,一是把無機化合物中具有抗菌功能的金屬離子作為抗菌性物質;二是使用光化學反應中產生的原子氧來滅菌。合成抗菌劑中山梨酸可抑制細菌、真菌,特別是霉菌的生長。天然抗菌劑主要來自天然物的提取,如殼聚糖、甲殼素、山葵等,使用簡便,但抗菌作用有限,耐熱性較差,殺菌率低,不能廣譜長效使用且數量很少[27]。

                                        4.3 抗菌改性塑料薄膜的性能

                                        抗菌劑改性塑料薄膜加工的關鍵是提高抗菌劑在樹脂中的分散性、相容性和穩定性。其生產工藝復雜,既需滿足樹脂本身的性能,還要有抗菌能力 [28]。有資料[29]顯示,日本是抗菌食品包裝薄膜研究Z多的國家;此外,英、法、美等國家的研究也已取得了長足進展??咕鷦└男运芰媳∧さ难芯亢蛻靡殉蔀楫斀癫牧峡茖W研究和發展的前沿與熱點,必將逐步實現多功能化和性能多指標化[1]。

                                        戶帥鋒[30]的研究表明,添加2%以上山梨酸的山梨酸-LDPE薄膜對單增李斯特菌和金黃色葡萄球菌具有很好的抑制作用。尹興等[31]的研究表明,當Nano-TiO2的質量分數為4%時,Nano-TiO2/PLA抗菌薄膜具有優良的抑菌效果。以海藻酸鈉為基材、1%(質量分數)甘油為增塑劑、2% CaCl2溶液為交聯劑,ε-聚賴氨酸作為抗菌劑,制備的具有抑菌性的復合膜,抗菌性隨ε-聚賴氨酸濃度的增大而增加,ε-聚賴氨酸的添加量為8%時,薄膜抗菌能力Z強[32]。Gutiérrez等[33]將肉桂精油固定于厚度30 μm聚丙烯薄膜上,使焙烤食品貨架期延長了3~10 d。李梅[34]在LDPE中添加ZSM-5分子篩和二氧化鈦制備了具有乙烯清除功能的抗菌保鮮薄膜,試驗表明:分子篩含量為10%時,乙烯清除性Z佳,二氧化鈦含量5%時,薄膜抗菌率達到90%以上。魏麗娟[35]研制的抗菌防霧包裝膜用于香菇保鮮達到了很好的抗菌和保鮮效果。

                                        抗菌劑改性塑料薄膜作為一種新型食品包裝材料,不僅能抑制微生物侵害食品,還極大地延長了食品的保質期。因此,抗菌劑改性塑料薄膜正逐漸應用到食品包裝的各行各業中。另外,把抗菌劑做成微軟膠囊并與包材結合,也是抗菌劑改性塑料薄膜的另一個重要研究方向。


                                        5 用于液體食品的抑菌塑料薄膜研究

                                        隨著飲料、乳品業迅速發展,液體類食品種類越來越多,品種不斷豐富,不斷增大的需求也帶動了飲料、乳品生產商對包裝的需要[36-37]。

                                        產品本身、環境與包裝材料等都會影響液體食品的貨架期[38-40]。引起食品變質的微生物種類較多,常見的有桿菌類、沙門氏、菌霉等 [41]。延長食品貨架期的傳統方法是將防腐劑直接添加到食品中或提高包裝袋的阻隔性 [42-43]。萬重等[44]研究了新型高阻隔包裝材料在乳品包裝領域的應用,但還不能從根本上解決微生物導致的乳品變質。魏鳳玉等[45]研究了竹葉黃酮在豆漿保鮮中的應用,延長豆漿的保質期8 h,但對微生物的抑制效果有待進一步研究。

                                        6 抑菌包裝塑料薄膜的應用

                                        當前世界各國的食品加工、儲藏和運輸技術正不斷發展,形形色色的食品可以流通到世界各國,這不僅需要食品有較長貨架壽命,還需要在運輸儲藏過程中保持新鮮。將防腐劑直接添加到食物中可達到較長的保鮮效果,但可能導致防腐劑過量使用,影響食品本身味道。

                                        6.1 在液體食品包裝中的應用

                                        新型包裝材料針對特定微生物研究,能從根本上解決液體食品因微生物引起的變質和對人體健康的威脅。新型材料具有高阻隔性、抗菌性及防潮性等功能,包裝能夠改善食品口感,抑制微生物生長,延長食品貨架期[46]。隨著生活質量的提高,牛奶和飲料等日常飲品的包裝安全問題逐漸引起了人們的關注,因此,包裝材料的衛生安全就顯得尤為重要。黃志剛等[9]研究了殼聚糖與其他物質的共混改性及應用,已成為包裝材料研究的新方向。因此,新型材料已成為現在研究的熱點。

                                        6.2 在肉品包裝中的應用

                                        張玉琴等[47]使用生物可降解性聚乳酸(PLLA)、聚乙烯醇(PVA)和聚己內酯(PCL),天然防腐劑乳酸鏈球菌素(Nisin)制備出抑菌薄膜,并用于冷鮮肉真空包裝,能夠保持貯藏期內肉品色澤,延長冷鮮肉貨架期10 d。Chen等[48]用β-環糊精對檸檬醛進行包埋后制成殼聚糖薄膜,并用于牛肉片包裝,可將新鮮牛肉的保質期延長5 d。


                                        6.3 在魚品包裝中的應用

                                        楊福馨等[49]用新鮮柚子皮與聚乙烯醇混合,研制出一種新型抑菌保鮮包裝薄膜,并用于魚品包裝,改善了薄膜的性能,延長了魚品的儲藏期。楊福馨等[50]利用自制的抑菌抗氧包裝袋和生物氣調保鮮包裝袋包裝半干草魚塊,可延長半干魚品的保質期2~6 d。蔣碩等[51]以聚乙烯醇為基材制得抗菌包裝薄膜,并用于鳊魚肉包裝,發現添加0.5 g/100 mL 茶多酚、對羥基苯甲酸乙酯,1.5 g/100 mL丙酸鈣的聚乙烯醇抗菌保鮮薄膜對(4±1) ℃鳊魚具有Z佳的保鮮效果。

                                        6.4 在果品包裝中的應用

                                        張燕等[52]制備出聚乙烯醇檸檬酸改性抑菌薄膜,并研究其對鮮切蘋果保鮮性能的影響,結果發現質量分數為2%的檸檬酸改性的薄膜可將鮮切蘋果保質期延長5 d。周斌等[53]將檸檬草精油與聚乙烯醇復配成涂膜液,涂布于LDPE膜上,用于葡萄保鮮,結果發現該抑菌薄膜對葡萄的保鮮效果明顯。Espitia等[54]將吸有牛至、肉桂和檸檬草精油的聚合物樹脂制成小袋,結合包裝木瓜的紙袋對木瓜進行包裝,發現能延長木瓜的保質期。

                                        6.5 在蛋品包裝中的應用

                                        蛋品中抑菌薄膜主要是通過涂膜。趙美美等[55]用中藥材南五味子乙醇提取液復配VC、檸檬酸及蔗糖脂肪酸酯、羧甲基纖維素和黃原膠制成抗菌乳狀液,對雞蛋進行涂膜保鮮,30 ℃條件下,可延長保質期8 d。龍門等[56]將聚乙烯醇單膜和納米Fe3+/TiO2改性聚乙烯醇基紫膠復合膜涂在新鮮雞蛋表面,結果發現,雞蛋的儲藏期可延長50 d左右。顧鳳蘭等[57]用聚偏二氯乙烯、納米α-Fe2O3功能改性聚乙烯醇基蜂蠟復合材料和紫膠復合材料3種涂膜材料對清潔雞蛋進行2次浸涂風干涂膜處理,結果發現3種抑菌涂膜材料均能顯著提高雞蛋的儲藏期。


                                        7 研究與應用展望

                                        7.1 研究展望

                                        (1) 研究內容涉及面廣、應用面多,形成多種成膜方法和眾多產品的應用,未來將會有更多的成果出現。

                                        (2) 納米改性的理論研究多,而將納米改性成膜,并有實際應用效果的研究少。

                                        (3) 具有能形成產業化的抑菌薄膜研究較少,需要加強與產業相結合的研究,特別是工業化的抑菌薄膜亟待突破。

                                        (4) 抑菌劑與成熟塑料樹脂的相容性研究仍是空白。

                                        7.2 應用展望

                                        應用包括抑菌物料在塑料薄膜上的應用和制得的塑料薄膜在產品包裝抑菌方面的應用。

                                        (1) 抑菌物料單一而缺少突破的原理與技術?,F很多研究都是局限于已知的幾種抑菌物料,如殼聚糖、甲殼素、納米鈦、納米銀等。

                                        再者如何將所選取的已知抑菌物料與塑料聚合物結合,其結合方式和原理缺乏研究,需要大量的分析、試驗和探索等等,都急需研究并加以工程化應用。

                                        (2) 納米抑菌塑料薄膜已流于形式,現有許多的研究,都把納米技術作為熱點研究,但是納米原材料、納米尺度與塑料聚合物種類及流變性問題,都未有相關報告,急需針對塑料聚合物樹脂的特性進行研究與試驗。例如納米材料在塑料聚合物中的分散性,就是抑菌塑料薄膜中的Z大難題,進而實現成膜,其膜在經過高溫混煉后,抑菌功能是否有影響?這也是研究中要解決的問題。

                                        (3) 抑菌塑料薄膜在產品上的抑菌研究十分欠缺?,F在研究塑料薄膜與產品抑菌效果脫離,做薄膜的不做微生物研究測試;做微生物研究的不知如何通過抑菌薄膜實現。未來的研究應將兩者結合。

                                        (4) 抑菌成分的量化問題。選擇了抑菌成分后,為了實現Z大的抑菌效果,需增大其用量但很多抑菌成分加入塑料聚合物中的比例很難提高,也不利于成膜。這需要各個參數的量化,如比例、溫度、速度、溫區長度等等。


                                        參考文獻

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