生鮮食品氣調包裝新型材料的研究進展

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(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

生鮮食品氣調包裝新型材料的研究進展

趙珂,焦文曉,姜微波*

(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京100083)

在過去的幾年中,生鮮食品的消費量隨著人們對其營養品質的認識提高而日益增長。為了適應這種趨勢,除了增加產量以外,發展有效的采后貯藏、包裝技術是一種重要的解決途徑。氣調包裝是生鮮食品最適宜的包裝技術之一,具有延長貨架期、保存及穩定新鮮食品的性能,并且使產品方便運輸與售賣。影響氣調包裝的因素有很多,主要有生鮮食品的種類、貯藏溫度與濕度、氣體成分以及包裝材料的特點。本文總結了近年來有關氣調包裝新型材料的研究進展,著重介紹了抗氧化活性膜、納米保鮮膜及生物可降解膜的最新研究,以期推動氣調包裝的應用與發展,為滿足消費者的需求,研究出高品質的、環境友好的、成本低的新型氣調包裝提供依據。

氣調包裝,生鮮食品,新型材料

Abstract:In the past few years,with people’s cognition of their nutritional function the consumption of fresh and fresh-cut produces has increased sturdily. In order to adopt to this trend,it is an important way to develop effective post harvest storage and packaging technology,in addition to increasing production. Modified atmosphere packaging(MAP)possesses a potential to become one of the most appropriate technologies,it has advantages of extending the shelf-life,preserving or stabilizing the desired properties of fresh produces,and convenience in handing and distribution. The success of MAP-fresh foods depends on many factors including types of fresh foods,storage temperature and humidity,gas composition,and the characteristics of package materials. This paper reviewed the recent developments highlighting the antioxidant active film,the nano packaging film and the biodegradable film. Although the innovations and development of food packaging technology will continue to promote the development of novel MAP,concentrated research and endeavors from scientists and engineers are still important to the development of MAP that focuses on consumers’ requirements,enhancing product quality,environmental friendly design,and cost-effective application.

Keywords:modified atmosphere packaging;fresh foods;new materials

氣調包裝是一種用于延長生鮮或微加工食品貨架期的技術[1]。它是通過改善包裝產品正常的氣氛條件,從而達到增加食品保質期的目的[2]。生鮮食品與其他食品相比,具有更高的呼吸率及水活性,因此更易發生質量惡化,且保質期短,因此使用氣調包裝成為理想的選擇。

生鮮食品包裝中的有益環境條件,如氧氣、二氧化碳和相對濕度等因素,取決于包裝內設定氣氛、生鮮食品的采后生理(如呼吸強度)、聚合物薄膜對水蒸氣和氣體的滲透性及包裝的質量(如泄露)等,因此除去氣調包裝傳統材料外,向其中添加功能性成分,如抗氧化性物質等對各種類型的生鮮食品在采后的貯運與銷售起到至關重要的作用[3]。因此,近年來氣調包裝新型材料的研究越來越被重視,雖然這些新型材料遠不能替代傳統氣調包裝材料,但它們在這一領域的應用很有前景,且較傳統材料具備更多優良特性。本文總結了抗氧化活性膜、納米保鮮膜和生物可降解膜的相關性能的最新研究進展,另外,也討論了氣調包裝未來的發展趨勢與方向。

1 生鮮食品傳統包裝材料

目前市場出售的用于生鮮食品的保鮮膜主要是一些一種或多種由石油提煉而來的聚烯烴類物質,由于其具備多種生鮮食品所需的性能因此被廣泛使用。其中,聚乙烯是生鮮食品包裝中用量最多的單聚合物,其惰性極強,在正常條件下沒有危害[4]。乙烯基聚合物是另一種乙烯基單體聚合成的塑料多聚體,在食品包裝中多用于制備液體的瓶子、新鮮果蔬或雞蛋的托盤等。除此之外,聚酯工業約占全世界聚合物產量的18%,雖種類較多,但聚酯大多用來指PET[4]。表1中列舉了常見食品氣調包裝材料的性能[4-7]。

表1 常見食品氣調包裝材料性能對比Table 1 Contrast on performance of common food modified atmosphere packaging materials

注:水蒸氣透過率是在37.8 ℃和90%RH條件下測定,O2滲透率和CO2滲透率是在22～25 ℃和膜厚度為0.0254 mm條件下測定。

根據食物類型的不同來選擇適宜的氣調包裝是十分重要的。賈曉輝等研究了5種不同包裝材料對庫爾勒香梨采后生理及貯藏品質的影響,得出采用0.04 mm PE袋或0.04 mm PVC袋能得到較好保鮮效果[8]。何萌等利用3種不同PE袋對鮮切馬鈴薯進行貯藏保鮮,得到PE2型材料能夠延緩組織內丙二醛(MDA)的積累,包裝內O2和CO2更易于達到平衡,有效抑制褐變及呼吸速率的加劇[9]。選擇何種氣調包裝涉及多種因素,除去薄膜包裝材料自身性能和生鮮食品本身特點之外,還由食品放置空間的溫度、濕度、空氣成分以及是否需要長途運輸、運輸方式等共同決定。

近年來,新鮮、營養、安全、方便和無公害的生鮮食品受到全世界消費者的青睞,雖然使用傳統的塑料薄膜包裝有利于保持生鮮食品的良好品質,但隨著生鮮食品內部呼吸強度增加,長時間的無氧呼吸會使生鮮食品發生病變,帶來不利影響[10]。但無論是從傳統氣調包裝的成本、現有的工業技術,還是它自身的特性來說,傳統材料的優勢都是現階段無可替代的。

2 新型包裝材料

2.1 抗氧化活性膜

氧化反應是生鮮食品的一個重要的降解反應,它嚴重地限制了食物的貨架期并且降低了食物的營養品質(如維生素、脂肪酸等被破壞)、感官品質[11](如顏色變化、風味改變等)。生鮮制品由于酶活高,存在糖類易降解、脂類易腐敗、酚酸類易變色等問題[12-13],因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料對新鮮果蔬進行包裝的方式近些年來受到高度重視,且近些年來天然抗氧化劑的添加成為趨勢。

抗氧化活性膜是通過將抗氧化劑添入包裝材料或涂布在包裝材料上,在一定時間或空間內包裝材料內部的活性抗氧化劑可以以較緩慢的速度釋放到包裝內部,以此來對食品起到抗氧化作用的一種新型包裝材料[14]。與傳統包裝相比,這一新型材料具有以下幾個優點:需要的抗氧化劑更少;能夠使抗氧化劑從薄膜緩慢轉移至食物組分中;制造成膜這一個過程消除了工業加工的很多步驟,如生產食品添加劑、添加入食品、攪拌混合等[15],因此具有替代傳統包裝材料的潛力,為生鮮食品的包裝提供了更多選擇。

2.1.1 抗氧化膜的基材 抗氧化活性膜主要由兩大部分構成,即抗氧化膜基材與抗氧化劑。合適的基材對于抗氧化膜的制備、使用以及商業化都有重要意義。常見的抗氧化基材的原料多為傳統包裝材料采用的聚烯烴類聚合物,因為它們具有穩定的化學性質及作為包裝材料優越的物理性質。Nerin等[16]利用聚丙烯(PP)作為基材,向其中添加迷迭香提取物制成薄膜,用于延長包裝食品的貨架期,取得顯著成效。值得一提的是,采用雙分子層材料作為基材時,薄膜上的抗氧化性物質不易發生遷移,對食品更加安全且風味影響較低[17]。除了一些人工合成的高聚物外,目前另一個研究熱點就是將天然高分子材料作為抗氧化薄膜的基材。殼聚糖是非可塑材料,若對其進行特殊處理,如酯化或醚化等,殼聚糖內部結構會發生極大改變,從而得到具備可塑性的薄膜材料。Yuan等研制了以殼聚糖為基底的薄膜材料,其中添加了香芹酚與石榴皮提取物,這種材質具有一定的抗氧化與抗菌性[19]。此外選用較多的淀粉類物質,價格低廉、資源豐富,并且具有熱塑性,是很好的替代材料[26]。Inam u Nisa等利用馬鈴薯淀粉作為基底,并添加BHT制成新型抗氧化活性膜,將此材料應用于保鮮牛肉,發現牛肉貨架期有明顯延長[20]。另一類多用作基材的天然高分子物質是明膠,Jeannine等分別將波耳多葉、瓜拉納、肉桂及迷迭香提取物加入豬皮明膠中,制成包裝薄膜[23]。具體總結見表2[16-26]。

表2 新型抗氧化活性膜的構成Table 2 The composition of novel antioxidant active films

2.1.2 抗氧化活性膜的抗氧化劑 當前已知的用在包裝材料上的抗氧化劑種類很多,主要分為人工合成和天然產物,但可用在新鮮食品的氣調包裝上的抗氧化劑應當滿足以下要求:抗氧化效果好;本身及其分解產物安全無毒害;不影響食品本身性質;方便生產,成本合理。人工合成抗氧化劑的安全性一直存在爭議,但由于其加工成本低、抗氧化效果優異,其生產與應用仍受到關注。有研究表明,丁基羥基茴香醚(BHA)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、特丁基對苯二酚(TBHQ)、沒食子酸甲酯(PG)這四種常見合成抗氧化劑的抗氧化能力強弱依次為:TBHQ>BHA>PG>BHT,四者的熱穩定性從強到弱依次為:PG>TBHQ>BHA>BHT[13]。

圖1 四種常見合成抗氧化劑的結構[17]Fig.1 Structures for four common synthetic antioxidants[17]

天然抗氧化劑是指從天然的可食用的物質中通過某種技術手段提取出來得到的具有抗氧化活性的物質[13]。世界衛生組織規定BHA、BHT、TBHQ及PG的添加量應低于200 mg/kg,且由于人工合成抗氧化劑一直以來的爭議,所以天然抗氧化劑是目前的研究重點[11]。其中最為常見的是酚類物質,由于其具有極高的抗氧化性且種類多,因此研究最多。Yuan等將香芹酚與石榴皮提取物添加入薄膜,發現添加抗氧化劑的材料抗氧化活性顯著增強、透水性降低[19]。Carol等把摩塔莓果實的提取物作為抗氧化劑加入甲基纖維素薄膜中,得到新型材料的抗氧化能力和多酚含量顯著提高,此外薄膜的機械性能與抗菌性也有很大改善[21]。此外,不飽和脂肪酸類和葉片提取物也常見報道,如牛至油、橄欖葉提取物等[11,17]。Goly等將BHT與薄荷精油分別加入HDPE基材中用于包裝大豆油進行對比,得到BHT與薄荷精油在對大豆油的抗氧化作用上無顯著差別,因此薄荷精油是優良替代品[16]。Inam u Nisa等將BHT與綠茶提取物分別添入馬鈴薯淀粉基材中用于牛肉包裝,結果顯示BHT在降低脂質氧化上更有效,而綠茶提取物能夠更加有效地控制牛肉中正鐵肌紅蛋白的含量[20]。常見抗氧化劑的使用見表2。

生鮮食品存在水分大、呼吸作用強烈等特點,抗氧化活性膜在抑制氧化腐敗、延長貨架期等方面表現出多重優勢。抗氧化活性膜的發展仍處于起步階段,并未建立起成熟完整的研究應用體系,缺乏系統性理論知識,如怎樣更好地控制抗氧化劑在基材上的附著率及擴散率,天然抗氧化劑遷移到食物上會對其產生何種影響,添加天然抗氧化劑對薄膜性質造成改變的機理等。

2.2 納米保鮮膜

納米粒子是指尺寸在1～100 nm間的顆粒,由其構成的納米材料具有普通材料沒有的光、電、磁和熱力學等方面的獨特性能。近年來,納米材料逐漸受到食品行業科研人員的關注。在對生鮮食品包裝的研究中,納米粒子的加入使薄膜的機械性能、生物降解性能、抗菌性能等得到了提高[27]。納米保鮮膜彌補了傳統薄膜對CO2和O2滲透調控不足的缺陷,同時通過添加某些成分達到防霉、抑菌等特殊效果,除此之外,納米保鮮膜的應用能夠減少防腐劑等人工添加劑的使用,符合未來市場的要求,具有很廣闊的發展空間。

納米技術的迅速發展為食品保鮮領域提供了一些新方法。但是,目前對納米保鮮膜的研究尚存在一些不足,如納米粒子與高分子材料或有機高分子聚合物之間的作用機理有待深入研究。另外,納米保鮮膜的成膜基材種類較少,且造價較高,開發更多成本低的材料也是一大研究方向。納米保鮮膜除在新鮮果蔬中使用外,其他食材很少見到,亟待擴展。隨著這些問題的解決,納米技術將更好地應用于食品保鮮領域,對食品保鮮技術的發展具有重要意義。

2.3 生物可降解膜

生物可降解高分子材料是指在一定的條件下,能被微生物或其分泌物降解的高分子材料[39],大多數可降解薄膜由有機聚合物制成,如明膠[40]、大米淀粉殼聚糖等[41],好氧微生物將其降解為CO2、H2O及微量無機材料，無氧微生物將其降解為CH4、CO2以及若干無機物[42]。目前報道較多的可降解塑料主要有光降解塑料、生物降解塑料以及光-生物降解塑料等。結合我國國情與可持續發展的路線方針,生物可降解材料以它獨一無二的特征在食品包裝領域中占據著重要的地位。值得一提的是,適當的水分和透氣性對微生物污染及害蟲防控十分必要,因此,當可降解薄膜作為食品包裝材料時,這些因素必須考慮[43]。

胡云峰等在纖維素膜中添加了抑菌成分,以期改善薄膜性能,結果表明青霉能將其完全降解[44],國外也有類似地以纖維素為基材的薄膜報道[45]。張曉燕等選用完全可降解性聚碳酸亞酯(PPC)、聚乙烯醇(PVA)和海藻糖為制膜材料,并用復合成的新型薄膜對冷鮮肉進行真空包裝,研究顯示,此復合材料能夠良好地抑制微生物生長,延長貨架期以及保持肉品色澤[46]。另外,有研究表明將有機聚合物或納米材料與淀粉和粘土混合形成的納米復合材料能夠顯著地提高薄膜材料的性能[47]。Sakshi的團隊將蓮藕根莖淀粉、乳清蛋白濃縮物與車前子殼相結合制成復合可降解薄膜,較單一原料具有更強的物理特性[48]。值得一提的是,在對高粱淀粉進行酸與氧化雙重改性后得到的材料提高了硬度與拉伸性,這對需要剛性包裝的生鮮食品具有重要意義[49]。

生物可降解膜在生鮮食品包裝領域的應用已日益商業化,但其也存在成本高、性能不佳、加工工藝有待完善等缺陷,因此一定程度上限制了它的應用發展。面對日益嚴重的環境污染,加大生物可降解膜的研究力度十分必要。

3 氣調包裝的未來發展方向

隨著生鮮食品行業的迅速發展,研發高效、環保的保鮮包裝材料必然成為熱點。氣調包裝是生鮮及鮮切食品包裝最具潛力的技術之一,它能夠顯著地延長制品的貨架期,并且能夠保持或穩定生鮮食品原有的性能,此外其設計更方便食品作為商品進行運輸與售賣。但氣調包裝仍面臨一些挑戰,比如生產新型氣調包裝材料的一些成分造價較高、對貯藏溫度的精確度要求較高以及不同產品需要不同的氣體構成等問題。對于不同的果蔬、肉類以及水產品來說,在貯藏期間所需的氣體構成與溫度都不盡相同,目前,幾乎所有的氣調包裝都有其本身的優點與局限性,在選擇時需要考慮微生物安全與產品穩定性之間的平衡。

此外,多種性能共有的薄膜包裝材料成為趨勢,本文討論的3種新型材料中有多種均是抗氧化、可降解的納米材料,因此,怎樣將更多優良特性結合在一起,并且選取價格低廉、生產方便、適用面廣的新型材料也成為了當前研究的一大趨勢。現階段,氣調包裝活躍的研究領域主要是將天然或合成的添加劑與其他保鮮技術相結合作用于產品,不同保鮮技術間的協同作用既為氣調包裝的發展提供了巨大的機遇,也面臨重大挑戰,如何做好保鮮新技術之間的結合將成為氣調包裝發展的關鍵所在。

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Researchprogressofnewmaterialsinmodifiedatmospherepackingoffreshfoods

ZHAOKe,JIAOWen-xiao,JIANGWei-bo*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

TS255

A

1002-0306(2017)18-0341-06

2017-02-27

趙珂(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：果蔬保健功能成分，E-mail:545828323@qq.com。

*通訊作者:姜微波(1963-)，男，博士，教授，研究方向：果蔬衰老機理與控制技術、果蔬保健功能成分、飲食安全與健康，E-mail:jwb@cau.edu.cn。

公益性行業(農業)科研專項經費(201303075)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.064