納米纖維素基復(fù)合薄膜在生鮮食品 包裝領(lǐng)域中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

◎ 楊 丹

（北京印刷學(xué)院 印刷與包裝工程學(xué)院，北京 102600）

近年來(lái)，隨著資源的浪費(fèi)、包裝廢棄物造成的嚴(yán)重污染，以及面臨著廢棄物處理難的問(wèn)題，國(guó)家開(kāi)始大力提倡可持續(xù)化、可降解的綠色包裝的發(fā)展，以降低對(duì)環(huán)境資源的污染與資源的浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)食品，尤其是生鮮類食品的綠色包裝是大勢(shì)所趨，也是重中之重，實(shí)現(xiàn)綠色包裝最主要的方式是減少使用化石材料。所謂綠色包裝材料就是指在生產(chǎn)、使用、報(bào)廢及回收處理再利用過(guò)程中，能節(jié)約資源和能源，廢棄后能夠迅速自然降解或再利用，同時(shí)不會(huì)破壞生態(tài)平衡。納米纖維素就是一種可降解的綠色包裝材料。

1 納米纖維素

1.1 納米纖維素概述

纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，也是目前自然界中含量最多的天然物質(zhì)，其來(lái)源廣泛、制價(jià)低廉、可在自然環(huán)境中降解。纖維素的來(lái)源以及分子結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從化學(xué)角度看，晶體區(qū)域內(nèi)d-葡萄糖-1,4-糖苷和每單位葡萄糖3 個(gè)羥基之間的纖維素由2 個(gè)葡萄糖單元組成，并且在葡萄糖環(huán)的兩側(cè)氫和羥基分布均勻[1-2]。

圖1 植物纖維素的來(lái)源及結(jié)構(gòu)示意圖

納米纖維素是通過(guò)一系列的加工手段，使纖維素的部分氫鍵和無(wú)定形區(qū)的結(jié)構(gòu)破壞，使纖維素的直徑細(xì)化到100 nm 以內(nèi)形成納米纖維素。納米纖維素除具備纖維素的特點(diǎn)外，還有比表面積大、結(jié)晶度高、密度低等特征，其在包裝的不同領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用空間[2]。納米纖維素（Nano-Cellulose，NC）在廣義上可分為纖維素納米晶體、纖維素納米纖絲、細(xì)菌納米纖維素3 大類，如表1 所示。

表1 納米纖維素的分類及表征表

不同狀態(tài)下的納米纖維素制備方式也不同。一般情況下，納米纖維素晶體制備可使用酸水解法、酶解法；纖維素納米纖絲制備可使用高壓均質(zhì)法、高功率超聲法；細(xì)菌納米纖維素的制備可使用微生物合成法，與天然植物纖維素相比，其具有超細(xì)的網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)。制備納米纖維素有許多方式，但單一的制備方式在一定程度上具有局限性，因此越來(lái)越多的研究人員將兩種不同方式結(jié)合到一起運(yùn)用，在一定程度上可彌補(bǔ)單一制備方式的不足。

1.2 納米纖維素改性

納米纖維素由于具有高強(qiáng)度和大比表面，被看作是理想的填充材料。但由于納米纖維素分子結(jié)構(gòu)中有大量羥基存在，其界面相容性較差。為改善納米纖維素的性質(zhì)，拓寬納米纖維素的應(yīng)用范圍，本文主要介紹納米纖維素的3種改性方式。①物理吸附改性。物理改性方式主要是將活性劑成分和疏水性物質(zhì)通過(guò)范德華力等方式吸附在納米纖維素表面，表面會(huì)形成疏水層，從而實(shí)現(xiàn)疏水化改性，不會(huì)產(chǎn)生污染物和有害氣體，是一種綠色、環(huán)保的改性方式[3-4]。②共聚物接枝改性。接枝共聚是常用的一種對(duì)納米纖維素改性的化學(xué)方式，通常情況下，是將納米纖維素表面的羥基通過(guò)共價(jià)鍵接枝到分子表面，在保留納米纖維素原有特征的同時(shí)，還可改善納米纖維素的缺點(diǎn)。③酯化改性。酯化改性是通過(guò)對(duì)親水性羥基進(jìn)行酸催化，羥基可以和酸、酸酐等物質(zhì)發(fā)生親核取代反應(yīng)，使納米纖維素具有疏水性[5]。

2 納米纖維素復(fù)合薄膜在食品包裝中的應(yīng)用

食品包裝可提高流通、銷售等環(huán)節(jié)食品安全保障能力。納米纖維素粒子尺寸小、比表面積大，可作為填充材料加入其他膜基質(zhì)中，改善膜的抑菌性能、阻隔性能以及可降解性能，可作為一種綠色、環(huán)保、無(wú)污染的包裝材料應(yīng)用到食品包裝材料中。

2.1 納米纖維素在抑菌包裝中的應(yīng)用

以納米纖維素為基底復(fù)合抑菌劑的包裝膜對(duì)食源性病菌有著很好的抑制作用。XU 等[6]使用納米纖維素合成了穩(wěn)定的銀納米粒子，對(duì)其抗菌活性進(jìn)行了表征，結(jié)果表明該復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較高的抗菌活性，大大提高了抗菌復(fù)合材料在食品中的應(yīng)用效果。

2.2 納米纖維素在阻隔包裝中的應(yīng)用

納米纖維素作為一種增強(qiáng)劑加入聚合物中，可制備成物理性能較好、高阻隔性能的食品包裝材料。美國(guó)普頓大學(xué)的Je rey 教授的研究小組開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)新的研究成果，即使用纖維素納米纖絲作為食品包裝的高阻隔涂層，在減少擴(kuò)散途徑的同時(shí)還能改善氧氣、二氧化碳等氣體的滲透性[7]。

2.3 納米纖維素在活性包裝中的應(yīng)用

在食品包裝中，納米纖維素作為保鮮劑涂布在膜上時(shí)，會(huì)起到潤(rùn)濕的作用，有利于活性食品包裝的應(yīng)用。ABDALKARIM 等[8]成功制備了由CNC-ZnO 納米雜化物組成的復(fù)合納米纖維作為紫外線吸收劑和生物聚合物，這種材料通常被用作PLA 基質(zhì)中的活性劑以獲得高透明度的納米復(fù)合材料薄膜。

2.4 納米纖維素在可降解包裝中的應(yīng)用

納米纖維素作為一種天然多糖物質(zhì)，是一種綠色、環(huán)保、無(wú)污染的材料，具有很好的可生物降解性能。HAI 等[9]使用甲殼素和納米纖維素混合，通過(guò)水相反碰撞在竹子中提取到竹纖維素納米纖維，制備出一種綠色納米復(fù)合材料，在一周內(nèi)完全可生物降解，有望未來(lái)在食品包裝中應(yīng)用。何依謠等[10]研究了以聚乳酸為基底，納米纖維素為改性劑，聚乙二醇為界面相容劑，制備得到了一款可降解型食品包裝膜，可有效延長(zhǎng)西蘭花的保質(zhì)期。

3 結(jié)語(yǔ)

納米纖維素在近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，越來(lái)越多的學(xué)者投入到對(duì)納米纖維素的研究中。尤其是在食品包裝行業(yè)，傳統(tǒng)的以化石原料為基底的包裝產(chǎn)品已不能滿足食品包裝安全的需求，因此具有可降解、高抗菌性、抗氧化性和高阻隔性能的納米纖維復(fù)合材料及其衍生物成為綠色包裝材料的首選。納米纖維素具有各種優(yōu)異的性能，良好的相容性、環(huán)境友好性以及增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，其在很多領(lǐng)域都有很大的發(fā)展空間和市場(chǎng)價(jià)值，特別是在包裝材料中作為包裝材料的增強(qiáng)劑，它對(duì)于材料的緩釋抗菌性能、物理性能和阻隔性能均具有良好的提升作用。目前，全球?qū)ι鷳B(tài)惡化問(wèn)題越來(lái)越重視，納米纖維素作為一種用途廣泛的綠色生物材料具有廣闊的發(fā)展前景。遵循該趨勢(shì)，可再生的環(huán)保材料將成為未來(lái)包裝領(lǐng)域發(fā)展的前沿，也是發(fā)展環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)的重要方向之一。綠色包裝材料的研制和開(kāi)發(fā)，大大減少了不可降解包裝材料的使用量，在一定程度上緩解了生態(tài)環(huán)境的壓力，降低了日益枯竭的資源，對(duì)國(guó)內(nèi)外的包裝產(chǎn)業(yè)都有一定程度的提升。