食品包装的最新研究进展---赵艳云-(完整版)实用资料.doc

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1、食品包装的最新研究进展 - 赵艳云-（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）食品包装的最新研究进展赵艳云1,2连紫璇1岳进1(1上海交通大学农业与生物学院上海2002402美国俄勒冈州立大学食品科学与技术系美国科瓦利斯97331摘要随着消费者对食品安全和品质要求的不断提高,传统的食品包装已经不能满足当今市场的需要。一些先进的包装技术和环境友好型包装材料被不断开发应用于食品包装。本文总结了近几年食品包装技术和包装材料的最新研究进展,着重探讨活性包装、智能包装技术以及绿色包装和纳米包装材料,并对不良食品包装导致的安全问题及其有毒有害物的迁移进行归纳,在此基础上提出可行的

2、解决方案。关键词食品包装;活性包装;智能包装;包装材料;食品安全;迁移文章编号1009-7848(202104-0001-10食品包装是食品的重要组成部分,具有保护食品不受外来生物、化学和物理因素的破环,维持食品质量稳定的特点。随着消费者安全意识和政府监管力度的加强,食品包装安全亦被提升到同等监管高度。为满足可持续发展战略要求,开发新型、绿色、安全的多功能食品包装及材料,是将来食品包装发展的方向。1食品包装的新型设计食品包装的主要功能是保护商品,因此在包装设计时要具有安全性和保护性,同时要便于生产和运输,利于销售,还应体现出产品的文化价值和艺术特性。在食品包装设计中,所选用的材料也要符合产品的

3、需求,满足可持续发展的理念。包装材料要有适当的阻隔性,足够的机械强度,良好的化学稳定性,耐高温及光学性能等。除此之外,食品包装还要具有多功能性(阻湿、防水、杀菌、防腐、耐油、耐酸等,以满足各种食品的包装要求1。活性包装和智能包装是两类新型的包装形式,它们可使食品包装具有传统包装无法获得的功能特性,并满足消费者对食品质量和安全的要求,这是未来食品包装设计的新理念,也是食品包装的发展趋势2。1.1活性包装和智能包装根据Actipak 的定义,活性包装是通过改变包装食品环境条件来延长货架期或者改善安全性和感官特性,同时保持食品的品质不变;智能包装是通过监测包装食品的环境条件,提供在运输和储藏期间包装

4、食品品质的信息,这两类包装的特点如表1所示。上世纪70年代,活性包装首先被引入日本市场,并在日本得到稳步的发展,需求量逐年递增。近些年在欧美市场也备受重视。有数据显示,在美国活性包装和智能包装的年需求增长率为8.3%,预计2021年的产值可达到19亿美元,其中食品和饮料两大产业对活性包装及智能包装的需求量最大。活性包装和智能包装将具有巨大的市场潜力。1.1.1氧气吸附型包装多数情况下,氧气会使食品品质降低,油脂发生酸败,微生物生长繁殖,加速食物的腐败变质7-8。Zerdin 等9研究结果表明氧气可使橘汁发生明显的褐变现象。食品包装中的氧气主要是通过抽真空或气调包装的方式清除,但是这样的物理方法

5、只能清除包装中90%95%的氧气,其余的氧气要通过氧吸附剂清除10。氧气吸附型的活性包装主要是通过在包装材料中添加或在包装内放置可与氧气发生氧化还原反应的化学物质、氧化酶等催化剂,这些物质主要有铁粉、维生素C 、生物酶、不饱和脂肪酸等11-12,其中含铁的氧气吸附剂可使食品包装内部的O 2含量降低到0.01%,远低于气调包装所达到的氧气残收稿日期:2021-03-22作者简介:赵艳云,女,1962年出生,博士,教授Vol.13No.4Apr .2021Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology中国食品学报第13卷第4期

6、2021年4月中国食品学报2021年第4期留量(0.3%3.0%13。表2列出近年来氧吸附剂研究的新成果。1.1.2二氧化碳气体释放/吸附型包装一般情况下,鲜活食品,如鲜肉、草莓、奶酪、禽肉等需要在二氧化碳浓度较高(10%80%的条件下贮藏,以减缓生物化学反应,并抑制微生物的活性,防止细菌生长19。将碳酸氢钠与亚硫酸脱氧剂混合,制成小袋置于食品包装内,可以产生二氧化碳气体,使包装内形成高浓度二氧化碳的条件。Hansen 等20研究以碳酸氢钠制成的二氧化碳气体的释放剂对新鲜鲑鱼进行保鲜,并建立二氧化碳释放量与鲑鱼片的表面积及质量关系的数学模型,结果显示碳酸氢钠可使新鲜鲑鱼的保鲜期达到17d 。此

7、外,在0.1的气调包装中,以碳酸氢钠和柠檬酸为原料制成的二氧化碳释放剂,可使超冷冻处理的鲑鱼保质期延长至28d 21。在贮存水果时,二氧化碳的浓度过高,会使水果进入糖酵解阶段,造成有害物质的积累,降低水果品质,因此,在食品包装内还需控制二氧化碳的浓度。降低二氧化碳的浓度可以通过物理吸附的方法实现,如使用沸石或活性炭等物质,也可以使用氢氧化钠、氢氧化镁等化学试剂与二氧化碳发生化学反应生成碳酸盐,或采用物理吸附和化学反应相结合的方法达到减少包装材料中的二氧化碳气体的目的。Aday 等22用过碳酸钠、碳酸钠、氯化钠和膨润土制成了EMCO 二氧化碳吸附剂,并研究了EMCO 在活性包装中对草莓品质的影响

8、,结果表明EMCO 的配比为过碳酸钠50%、碳酸钠20%、氯化钠14%、膨润土16%时,可延缓草莓的糖代谢作用,有效地保持草莓的品质,将其保质期延长到4周。1.1.3湿度控制型包装湿度控制型包装主要用于两大类食品,分别是干燥易碎的食品和鲜活食品。前者,如饼干等在高水分活度条件下会受潮软化;后者在储运过程中会发生呼吸作用而产生冷凝水,若冷凝水凝结在食品的表面,食品中水溶性的营养物质溶出,滋生大量微生物;若冷凝水与包装材料接触,会影响到材料的外观,因此有必要控制包装内的水分活度和湿度。干燥剂可以吸收包装内多余的水分,维持相对湿度。常用的干燥剂有活性包装智能包装方法添加活性剂(如气体吸收剂、释放剂,

9、抗菌剂,抗氧化剂等利用包装材料本身特有的结构或物质特性对环境及食品新鲜程度进行监控目的保证和提高食品质量,延长货架期监控食品是否新鲜或包装条件是否符合贮藏条件类型氧吸附型、二氧化碳吸附/释放型、乙烯吸附/释放型、抗菌型、湿度调节型和温度调节型时间-温度指示型、氧气指示型、密封-泄露指示型、新鲜/成熟指示型优点可延长货架期,维持或提高食品品质指示食品货架期内是否新鲜缺点活性物质向食品中迁移,产生安全问题不能保证和维持食品品质表1活性包装与智能包装的特点3-6Fig.1The feature of active packaging and intelligentpackaging 3-6吸附氧活性

10、物质作用机理清除率氧清除能力-生育酚、氯化铁二价铁氧化消耗氧气0.11mL O 2/(g d 6.72mL O 2/g铁粉、羟基丁二酸、芯吸剂铁粉氧化及物理吸附-72h 内氧气可被全部清除铁高岭石氧化反应及物理吸附- 4.3mL O 2/g解淀粉芽孢杆菌的内生孢子活性孢子消耗氧气0.10mL O 2/(g d 全部清除木质素磺酸盐、漆酶氧气在漆酶的作用下还原成水-几乎全部清除表2氧清除剂最新研究成果7,14-18Fig.2The latest research results of oxygen scavenger 7,14-18注:表中“-”表明文章中未给出相关数据。2第13卷第4期硅胶、氧

11、化钙、糖类、蒙脱土、聚丙二醇等10。Azevedo等12采用单体格子设计法优化了以氧化钙、氯化钙和山梨醇为原料的干燥剂,结果表明3种物质中氯化钙的水吸收能力最强,最优组合(氧化钙50%、氯化钙26%、山梨醇24%的干燥剂持水力可达0.813g/g,可用于平菇的保鲜包装。传统的湿度控制型包装是将干燥剂分装后置于包装容器中。目前的新技术是将干燥剂添加到高分子材料中,通过挤压成型将干燥剂镶嵌到包装材料内,此种方法可将包装袋内的水分活度降低到0.7。日本研制的可以控制包装内相对湿度的外包装材料,是由外部的阻水层、内部的透水层及中间夹着的葡萄糖浆组成。当包装内的相对活度较高,水分可以通过内部的透水层进入

12、葡萄糖浆内;当内部的相对活性较低时,水分会以蒸汽的形式返回到包装内部23。1.1.4抗菌型包装延长食品保质期,提高食品品质是包装行业努力的方向。近年来,欧美等发达国家正在大力的研究和开发抗菌型包装材料和系统。抗菌型活性包装主要通过以下几类方式实现24:在包装中放置含有挥发性抗菌剂的小袋;直接在高分子聚合物中添加挥发性或非挥发性的抗菌剂;在高分子聚合物的表面涂抹一层抗菌剂;采用离子或共价的方法将抗菌剂固定在聚合物的表面;采用本身具有抗菌特性的高分子聚合物。表3列出包装材料中常用的抗菌剂,它们可直接添加到高分子聚合物中使用,其中生物酶常被固定在聚合物的表面或以固定化酶的形式在包装材料中使用25。研

13、究表明,百里香酚在支链淀粉膜中可明显抑制金黄色葡萄球菌的生长,将该涂膜用于水果的保鲜,在4条件下橘子和苹果分别保藏7d和14d后,表面没有可见的微生物生长26。银离子是最常用的抗菌剂,它主要对有机物敏感,可破坏微生物的细胞壁,使酶失活。Martnez-Abad 等27证明在EVOH膜中添加银离子可抑制肉制品中李斯特菌的活性,但是在使用过程中,银离子易发生缓慢迁移而扩散到食品中,引起安全问题,因此使用时必须符合食品添加剂的使用标准。抗菌剂包装材料目标微生物应用范围有机酸(山梨酸钾、醋酸、乳酸、丙酸、苹果酸等可食性膜、低密度聚乙烯霉菌奶酪,饮料金属及其氧化物(银离子、二氧化硅、二氧化钛等聚烯烃类包

14、装材料细菌各类食品生物酶(溶菌酶、葡萄糖氧化酶醋酸纤维素类包装材料革兰氏阳性菌、细菌肉类、乳制品、果蔬植物精油(葡萄籽提取物,大蒜油等醋酸纤维素类包装材料、低密度聚乙烯霉菌、酵母、细菌鲜切果蔬细菌素(乳酸链球菌素、那他霉素可食性膜、低密度聚乙烯、醋酸纤维素类包装材料革兰氏阳性菌、细菌、真菌奶酪、肉制品、果蔬表3抗菌型包装中常用的抗菌剂及应用24Fig.3The common antimicrobial agents used in antimicrobial packaging and their applications241.1.5乙烯吸收型包装乙烯作为植物激素,是植物的代谢产物,可加速果

15、蔬的呼吸作用,引起果实的成熟及进一步的衰老28。目前,高锰酸钾常作为乙烯的清除剂,可将乙烯氧化成CO2和H2O,并且对食品不造成影响。然而高锰酸钾有毒,不能直接添加到包装中接触食品,因此常将其置于小袋内使用。近年来,有研究成功地将沸石粘土的微细颗粒分散到包装膜中吸附乙烯,但这会影响包装的透光性,而且也不能完全达到吸附包装内的乙烯的目的29。另有研究表明活性炭等具有吸附功能的物质也可以吸附乙烯气体30。1.1.6时间-温度指示型包装时间-温度指示型包装是一种智能包装,通过时间温度积累效应指示食品的温度变化历程和剩余货架信息。商业上食品包装的最新研究进展3中国食品学报2021年第4期已应用的有VI

16、SAB 指示剂、LifeLines 指示剂及3M Monitor Mark 指示剂。VISAB 是以酶和底物反应为指示器,LifeLines 是建立在聚合反应基础上的指示产品,Monitor Mark 则是利用酯质的扩散速度与温度的关系设计的时间-温度型指示器4。除以上的可视指示剂外,还有一种新型的无线射频识别标签(RFID ,也被称作智能标签,它是通过无线电波获取标签中的产品信息数据,并将数据传输到电脑中进行分析判断。在产品运输中,RFID 承载着商品的全部信息,可自动识别产品的变化情况10。1.1.7其他类型除了以上几种常见的活性包装和智能包装外,还有为满足食品的特殊包装要求而专门设计的包

17、装形式,具体如表4和表5所示。类型活性物质及实现方式应用乙醇释放型微胶囊包裹乙醇易受微生物侵染的食品香气释放型各种食品香气化妆品、饮料温度控制型无纺布微孔塑料控制食品或假期抗氧化型BHA 、TBHQ 、抗坏血酸、生育酚含油及高油食品表4其他类型的活性包装2Fig.4Other types of active packaging 2类型原理应用氧气指示型指示剂从还原状态到氧化状态时的颜色:从白色或粉色变为蓝色监控食品包装中氧气含量密封-泄露指示型pH 试纸、酶及化学试剂发生反应而产生的颜色变化气调包装新鲜/成熟指示型H2S 与肌红蛋白可形成绿色硫化肌红蛋白肉类和禽类表5智能包装的包装类型4Fig

18、.5The packaging types of intelligent packaging 42包装材料的发展近年来,为了提高食品安全,减少环境污染,利用天然高分子材料作为原材料制备环境友好型、可生物降解的新型包装材料越来越受到人们的重视31-32。预计将来,可循环再利用的环保型包装材料将成为包装行业发展的主要趋势,绿色包装材料和纳米包装材料将获得大力开发和发展。2.1绿色包装材料包装行业的污染主要是包装材料废弃物的污染,绿色包装材料的研发是解决包装污染的关键。绿色包装材料主要有两大类:可降解包装材料和可食性包装材料。聚羟基脂肪酸酯(PHA 是研究较多的生物降解材料,由于它具有生物可降解性和

19、生物相容性,因此有可能取代非降解的高分子材料33-34。聚乳酸(PLA 在生物医学、食品包装及其他领域被广泛的应用,并且PLA 膜具有良好的阻隔氧气和水蒸气的特性。Bang 等35采用溶胶凝胶法将PLA 与二氧化硅共混,制备出具有致密网络结构、环境友好、透明的包装薄膜。可食性包装材料主要以蛋白质、多糖、植物纤维素及脂类等可被人体消化吸收的天然物质为基材,通过各物质分子间的相互作用,形成具有多孔网络结构的包装材料36。然而,由于天然材料对水分较为敏感,所以可食性包装材料的阻水性较差。通常在成膜过程中添加脂类等物质来提高可食性包装膜的阻水性能。脂类物质可在包装膜内形成层状结构或插层结构,使可食性包

20、装膜的阻水性能提高101000倍37-38。近年来,可食性及可降解性包装材料的研究较为广泛,相关文献资料较多,如Jimenez 等39系统地阐述了淀粉基可食性、可降解包装材料的成膜特性,制备方法及其物理化学性能。2.2纳米材料在食品包装中的应用物质在纳米范围具有新的界面现象,从而获得特殊的功能,如表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。添加纳米材料的包装材料会在热4第13卷第4期力学、光学、电学、力学和化学方面有显著提高。可食性和可降解材料由于自身的天然特性,限制了其在包装材料中应用,如淀粉是良好的热塑性包装材料,但是它对水分敏感并且机械性能差。纳米材料常作为填充剂添加到包装材料中,以弥补可

21、食性和可降解包装材料自身功能的缺陷。在食品包装中常用的纳米材料见表6。纳米材料包装材料作用蒙脱土壳聚糖、玉米醇溶蛋白、聚丙烯增强剂纳米二氧化硅骨明胶增强剂、抗菌剂纳米银聚乙烯醇抗菌剂纳米二氧化钛聚乙烯、聚丙烯抗菌剂碳纤维管聚乙烯醇、聚丙烯、聚乳酸增强剂、抗菌剂表6食品包装中常用的纳米材料27,40-46Fig.6The nano-materials used in food packaging 27,40-463食品包装安全问题及解决建议3.1食品包装中的污染物食品包装中有毒、有害物质的残留会产生食品污染并导致中毒。兰州的“毒奶粉”中不仅含有三聚氰胺,还含有残留超标的甲苯、二甲苯等物质,其包装

22、袋抽检不合格率高达50%。目前,导致食品包装污染的原因主要有包装材料使用不当,生产工艺不符合标准,加工助剂违规添加,印刷中大量使用含苯类物质的油墨以及监管体制和手段落后等。这些诸多问题最终导致包装材料不符合食品包装要求,引发食品污染。表7列出各种包装材料中可能存在的有毒、有害物质。包装材料中有毒、有害的化学物质迁移是引起食品污染的重要原因之一,其污染食品的方式主要有两种:一种是有毒、有害物质直接迁移到食品当中,这属于物理性迁移;另一种是包装材料与食品接触后发生降解,而产生毒害物质47-48,这属于化学迁移,如聚碳酸酯(PC 材料与食品中的胺类物质接触时可发生胺解,从而释放出具有干扰人体内分泌的

23、双酚A 物质49。研究表明PC 材料中的双酚A 污染食品时,由物理性迁移导致的污染量较少,主要是由于PC 材料降解而产生的污染50。表8所示食品包装中常见的污染迁移及检测方法。有毒、有害物质的迁移主要受食品模拟物、迁移时间和温度等因素的影响56-57。由于食品本身的成分较复杂,有些物质成分对污染物的迁移量会有微量的影响,所以需要选择简单、合理的食物模拟物用于迁移试验。根据欧共体的标准规定,基于食品自身特性的不同,可选用蒸馏水、3%的醋酸、15%乙醇和精馏橄榄油作为食品的模拟物58。时间和温度也是影响化学物质迁移的重要因素,经研究证实短时高温浸泡与长时低温浸泡的效果相同59-60。除此之外,微波

24、加热61、高压处理和射线等都会加速有害物质的迁移速度。Rivas-Ca 觡edo 等62发现经高压处理后,塑料中的直链烷烃和苯化合物会发生大量的迁移。LLDPE 薄膜经射线辐照后,薄膜中的抗氧化剂发生迁移,并且迁移量随着辐射剂量的增大而增大63。3.2物质迁移的作用机理化学物质从包装材料中扩散迁移到食品中的包装材料污染物塑料苯乙烯、氯乙烯、DEHA 增塑剂、双酚A 、重金属陶瓷器具、玻璃器具重金属(铅、釉金属制品重金属、添加剂纸类包装胶黏剂、着色剂、防腐剂印刷油墨苯类物质表7食品包装材料中可能污染物质Fig.7The contamination in food packaging materi

25、als食品包装的最新研究进展5过程,大多是基于Fick第二扩散定律64,主要是分成3个连续的过程,分别为化学物质在包装材料中扩散,化学物质在包装材料与食品接触处的溶解,化学物质溶入食品,即分为扩散、溶解和迁移3个过程53,并且物质的迁移发生在包装材料厚度的方向。Reynier等65根据分子官能团将化学物的分子结构分成柔性部分和刚性部分,其中柔性部分包括长的烷基链和线性分子,而刚性部分则包括芳基、支链为小分子的链段、杂环和球型结构,并且柔性部分在包装材料中的迁移是蠕动性的,刚性部分是跳跃式的。如果分子结构中包括这两种形式的分子结构,则其迁移是蠕动和跳跃式相结合。影响化学物质迁移的主要因素是化学物

26、质的扩散系数D和分配系数K,其中扩散系数主要受到分子质量、结晶度、粒子大小、粒子形状、玻璃化换转化温度、环境温度等因素的影响66-68,而影响分配系数的因素有物质的极性、氢键、温度、化学结构和粒子的大小68-69。Silva等70研究了时间对DPBD(1,4-二苯基-1,3-丁二烯,一种塑料阻燃剂和三氯生(一种食品包装用抗菌剂在猪肉中迁移系数的影响,结果显示在高温条件下两种化学物质的迁移系数明显高于低温条件下的迁移系数,并且它们在猪肉中的迁移速度比在整个包装体系中的迁移速度快。3.3建议食品包装材料中有毒、有害物质大部分来源于生产时的加工助剂。为解决食品包装的安全问题,除了加强监管部门的监督力

27、度、建立健全相应的政策法规外,还应该避免或减少使用加工助剂,大力开发具有低渗出、低迁移、低毒或无毒、结构稳定的加工助剂。Sanches-Silva等71研究了6种光引发剂在食品模拟物中的迁移情况,结果表明同一光引发剂在不同的食品模拟物中的迁移量不同。因此,在化学物质迁移检测方面,应对食品模拟物的适应性、稳定性和食品模拟体系做进一步污染物作用包装材料危害迁移方式检测方法双酚A产增塑剂、阻燃剂、抗氧剂、热稳定剂、橡胶防老剂PC容器、餐具、 等诱发心脏病、糖尿病及肝病等以胺降解为主,伴有少量物理迁移。HPLC高效液相色谱法重金属锑催化剂PET容器引起眼、鼻、喉及皮肤的刺激,严重者会影响心脏和肝脏的功

28、能,甚至致癌酸条件下金属离子溶解、扩散ICP-MS法重金属铅、铬助溶剂、原料本身陶瓷材料镉可导致高血压,引起心脑血管疾病,破坏骨骼和肝肾,并引起肾衰竭;铅会破坏胎儿的神经系统,先天性智力低下,引起老年痴呆酸条件下金属离子溶解、扩散ICP-MS法苯乙烯生产包装材料的单体热塑性塑料本身低毒,但代谢产物苯基环氧乙烷可诱发细胞突变按照Fick第二扩散定律,先扩散后溶解反相液相色谱法、顶空气相色谱法邻苯二甲酸盐增塑剂和阻燃剂PVC容器、纸类包装、软塑料、软橡胶干扰内分泌在包装材料中扩散,在食品中溶解;与食品模拟物接触时无迁移,接触时间长后迁移量增加GC-MS气相色谱-质谱联用法苯并(a芘印刷油墨中含有包

29、装蜡纸致癌溶于油脂类食物GC-MS气相色谱-质谱联用法表8污染物在食品包装中的迁移50-55Fig.8The migration of contamination in food packaging50-55探索和试验,为获得高效、准确的实验结果提供适合的试验环境,同时还要加强检测方法的开发。由于化学物质从包装材料中迁移到食品中的过程复杂,迁移试验耗时且成本较高,所以要对食品做详细的分类,选择合适的食品模拟物,并且具体问题具体分析,在此基础上建立迁移预测模型。包装材料本身也可影响化学物质的迁移,因此应选择天然、无毒的包装基材,且包装材料应性质稳定、结构致密,这也可以进一步降低有毒、有害物质的迁

30、移活动。Nern等68研究了多层结构对29种物质迁移的影响,以GC-MS为检测方法,Tenax为食品模拟物。研究结果表明大多数的物质不发生迁移,只有3种物质发生迁移现象,并且其迁移量均低于特殊迁移极限(SML。由此说明包装材料自身的结构影响污染物的迁移。4结论总之,食品包装工业正在发生变革,正朝着高技术、多功能、环保化的方向发展,并且不断涌现出新的包装形式,如活性包装、智能包装、无菌包装等,使食品的质量和安全性得以提高。今后,活性包装和绿色包装材料的开发和应用是未来食品包装发展的重点。在包装设计时要有集成化的设计理念,将几种包装技术和功能集于一体,降低有毒、有害加工助剂的使用,减少有毒、有害物

31、质的迁移,从而使食品包装达到最佳的效果。除提高包装技术外,还需考虑环境保护和可持续发展等因素,因此应加大力度发展可食性和可降解性包装材料。只有这样,食品包装才有更广阔的发展前景。参考文献1Azzi A,Battini D,Persona A,et al.Packaging design:General framework and research agendaJ.Packaging Tech-nology and Science,2021,25(8:435-456.2Restuccia D,Spizzirri U G,Parisi O I,et al.New EU regulation asp

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