可食性果蔬膜包裝材料研究進展

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(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,四川雅安 625000)

隨著人們對食品安全的日益重視和環(huán)保意識的不斷增強,可食性包裝因能緩解塑料包裝可能產(chǎn)生的食品污染及其廢棄物造成的“白色污染”等問題,正逐漸成為當(dāng)前食品工業(yè)和包裝領(lǐng)域科技發(fā)展的重要趨勢[1-2]。其中,果蔬膜是以水果和蔬菜等天然農(nóng)副產(chǎn)品為基材,添加合適的助劑(如增稠劑和增塑劑等)制成的一類可食性包裝材料[3]。它是一種兼有可食和包裝兩種功能的新型果蔬深加工產(chǎn)品,不僅保留了果蔬的大部分營養(yǎng),還富含維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維,具有低糖、低鈉、低脂、低熱量的特點[4],而且具備一定的機械性能和阻隔性能[5],可作為包裝材料延長食品貨架期,綠色無毒且能自然降解,近年來已成為食品行業(yè)的一大研究熱點。同時我國是果蔬生產(chǎn)大國,僅2010年全國果蔬總產(chǎn)量達7億多t,但由于“重采前輕采后”和精深加工技術(shù)缺乏等原因使得果蔬附加值較低,果蔬產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益差[6]。目前國家對農(nóng)副產(chǎn)品精深加工的發(fā)展給予了極大的支持,如何擺脫果蔬利用率低的困境并提高果蔬經(jīng)濟價值是亟待解決的一個關(guān)鍵難題。因此,研制果蔬膜作為新型綠色健康食品和環(huán)境友好的包裝材料,不僅能促進果蔬深加工以解決果蔬滯銷積壓浪費等問題,又能拓寬可食性包裝種類以減輕塑料包裝對環(huán)境的污染,對果蔬的綜合利用和可食性包裝的發(fā)展都具有十分重要的意義[7]。

近年來國內(nèi)外關(guān)于果蔬膜的文獻報道較多,但關(guān)于果蔬膜作為一種新型綠色包裝材料在原料選擇、性能檢測乃至包裝應(yīng)用方面關(guān)注較少,相關(guān)總結(jié)性文章更是匱乏?；诖爽F(xiàn)狀,本文主要綜述了果蔬膜作為包裝材料的研究現(xiàn)狀,按原料來源分類并側(cè)重于配方工藝、性能測試和包裝應(yīng)用等方面的介紹,同時提出了當(dāng)前相關(guān)研究存在的主要問題和發(fā)展建議,以期為這類果蔬深加工產(chǎn)品在可食性包裝方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實驗參考。

1 可食性果蔬膜包裝材料的研究現(xiàn)狀

果蔬膜的原料選擇多樣,主要包括蔬菜、水果及果蔬加工副產(chǎn)物三大類。果蔬原料自身含水量高且膠體物質(zhì)少，不利于產(chǎn)品最終的成型,故需在其漿料中添加一定量的輔料如增稠劑和增塑劑等來提高膜的性能以達到包裝材料的使用要求[8]。果蔬膜的制備不僅能解決果蔬因未能及時銷售而腐爛變質(zhì)的問題,而且所成膜也能較好的保持果蔬原有的營養(yǎng)物質(zhì)及風(fēng)味,同時制備的果蔬膜具有較好的阻隔性能和力學(xué)性能,能滿足作為食品包裝材料的性能要求,可供食用以強化營養(yǎng),廢棄后也能自然降解,是一種新型綠色包裝材料。如王心宇等[9]以干白菜為原料制備得到可食性膜,將其制成食品調(diào)料包后,在80 ℃熱水浸泡5 min,攪拌后便溶解為粉末纖維,同時白菜膜防霉性能良好,能滿足食品的可食性內(nèi)包裝的性能要求。表1簡單總結(jié)歸納了現(xiàn)有部分研究中果蔬膜主要的成膜原料及其在包裝方面的應(yīng)用。

表1 果蔬膜原料及包裝應(yīng)用Table 1 Raw materials and packaging application of fruit-vegetable film

1.1以蔬菜為原料的果蔬膜包裝材料

我國蔬菜年產(chǎn)量約占世界總量的25%,但其深加工產(chǎn)品還不到全國蔬菜總量的10%,每年有30%～35%的新鮮蔬菜因未能及時處理而腐爛損失[18]。因此亟需探索有效途徑為蔬菜產(chǎn)品的深加工提供新的技術(shù)和方法以減少蔬菜資源的浪費[19]。近年來,國內(nèi)許多學(xué)者以新鮮蔬菜為原料制備果蔬膜,除了關(guān)注產(chǎn)品的配方工藝及本身的風(fēng)味品質(zhì)外,還檢測了一些主要物理機械性能指標(biāo)(如拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率及氧氣透過率等),為其在包裝方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前果蔬膜的制備原料主要為一些價格低廉、來源廣泛且較為常見的蔬菜,如大白菜、卷心菜、胡蘿卜、芹菜、南瓜、番茄等。其中,大白菜營養(yǎng)豐富,除含有VB、VC和礦物質(zhì)外,還含有大量的粗纖維,為白菜膜的生產(chǎn)和加工提供了有利的條件。王心宇等[9]將經(jīng)過分選、浸泡(0.5～1 h)和切段的干白菜進行打漿后,在不添加任何助劑條件下,經(jīng)紗布濾水得到較干的纖維團,在紙樣抄取器上進行抄紙,最后壓平及晾干可得到干白菜膜,其厚度約為0.3 mm,拉伸強度和撕裂強度最高分別可達5.855 MPa和27.412 N/mm。郭玉花等[20]以白菜為基本原料采用抄紙工藝制備了白菜包裝膜,并通過比較添加不同改性試劑的白菜膜的外觀、柔韌性、力學(xué)性能等得到較為理想的配方和成型方式。研究發(fā)現(xiàn),與直接添加明膠、海藻酸鈉、大豆蛋白相比,以5%的明膠和5%的甘油混合溶液為改性試劑所得的白菜膜各方面性能最優(yōu),且浸漬處理是比直接涂抹更為理想的成型方式,此時所得的白菜包裝膜質(zhì)軟且黏,表面較光滑,拉伸強度為2.134 MPa。

此外,添加不同的增稠劑也可顯著提高果蔬膜的力學(xué)性能[21]。黃紫娟等[10]選用卷心菜為原料,以0.04%的CMC、0.08%的海藻酸鈉和0.16%的明膠配制成復(fù)合增稠劑、將成型的蔬菜膜置于一定濃度的甘油中浸漬5 min,采用熱風(fēng)干燥法制備了可食性膜。該法制備的卷心菜膜色澤偏白,拉伸強度為17.36 MPa、裂斷伸長率為1.2%,適于用作淺色系的食品內(nèi)包裝。此外,為了提高蔬菜膜自身的貯藏特性并使其具備更好的包裝保鮮效果,常常通過添加一些天然抗菌劑,其中精油已被人們廣泛研究[22]。王新偉等[23]的研究表明,牛至油、香芹酚、肉桂醛等具有抗菌性能和抗氧化性能,他們將其加入胡蘿卜膜液中后使胡蘿卜膜也獲得一定的抗菌性能并詳細(xì)研究了添加上述植物精油后對胡蘿卜膜熱學(xué)性能和吸濕性能的影響,以期為其作為可食性包裝材料應(yīng)用于食品加工中提供參考。Zhu等[11]以胡蘿卜為基材,添加果膠、甘油為助劑制備了胡蘿卜膜,并通過加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～3.0%的香芹酚或肉桂醛精油使其獲得抗菌性能,將所制備的胡蘿卜抗菌膜包裹以沙門氏菌浸泡處理后的萵苣、菠菜等蔬菜后放入包裝袋,在4 ℃下密封儲藏并檢測細(xì)菌的存活數(shù)量,結(jié)果表明添加3.0%的香芹酚制備的胡蘿卜膜在1 d內(nèi)即可使細(xì)菌總數(shù)低于可檢測范圍,且其抗菌效果明顯強于添加同濃度肉桂醛精油制備的胡蘿卜膜。

1.2以水果為原料的果蔬膜包裝材料

我國水果資源豐富,產(chǎn)量約2.3億t[24],是全球最大的水果生產(chǎn)、輸出國。此外,據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)每年產(chǎn)生1500～2000萬t殘次果與水果加工副產(chǎn)物,其綜合利用價值超過600億元,但目前并未得到科學(xué)利用,資源被嚴(yán)重浪費的同時也造成環(huán)境污染問題[25]。而將這部分水果研制成可食性膜為解決水果資源浪費與環(huán)境污染問題提供了新的思路,但目前國內(nèi)相關(guān)文獻的報道較為罕見。

McHugh等[26]以桃、蘋果、杏和梨為基材,添加CaCl2溶液為交聯(lián)劑研制了果蔬膜。將濃度為26%(w/w)的桃子漿料真空脫氣后分別加入0.8%、1.6%的CaCl2溶液得到成型漿料,每次移取32 g均勻涂覆在有機玻璃板上,在24 ℃、40% RH條件下干燥約24 h即可得到成品。結(jié)果表明,在25 ℃、75% RH測試環(huán)境下,桃子膜WVP值為6.696×10-12g·cm/(cm2·s·Pa),但CaCl2濃度的增加會使桃子膜阻濕性能下降;同時,在中低溫濕度環(huán)境中,膜OP為8.056×10-15cm3·cm/(cm2·s·Pa)左右。他們還將蘋果漿和各種濃度的脂肪酸、脂肪醇、蜂蠟、植物油混合制得可食性膜[12],結(jié)果表明脂類的加入能有效降低膜的水蒸氣透過系數(shù)和透氧率,在一定程度上起到了保水與抑制褐變的作用,也對其機械性能產(chǎn)生顯著的影響。將其用于包裝蘋果片,研究發(fā)現(xiàn)在5 ℃條件下放置12 d后,蘋果片顏色不僅沒有發(fā)生改變,而且還保持著原有的香味,可在商業(yè)中得到推廣應(yīng)用于包裝其他食品如堅果、烘焙食品、糖果產(chǎn)品等。Peretto等[13]往濃度為49%的草莓漿料里添加1%甘油、3%果膠及0.75%的香芹酚和肉桂酸甲酯混合液等制備可食性膜。選用草莓為供試水果進行保鮮實驗時,于10 ℃在濕度為80%～90%的環(huán)境中放置10 d,并測定其在第0、3、7、10 d時的物理化學(xué)變化。結(jié)果表明,精油的加入能增加水果總酚含量并提高其貯藏期。Pitak等[14]選用香蕉為基材,添加殼聚糖為抗菌劑,甘油為增塑劑等共混制得外觀呈現(xiàn)淺黃色,且性能良好的香蕉膜,其拉伸強度在5.19～14.22 MPa之間,水蒸氣透過率為38.81～41.66 cm3m/m2day kPa之間,遠(yuǎn)低于低密度聚乙烯膜(1865 cm3m/m2day kPa)和高密度聚乙烯膜(427 cm3m/m2day kPa)。將上述香蕉膜制袋(5 cm×10 cm)后用于包裝新鮮蔬菜(如蘆筍,玉米,平菇,白菜等),在10 ℃的冰箱貯藏1～3 d,結(jié)果證明香蕉膜對內(nèi)裝物有良好的保護作用,可推廣應(yīng)用在蔬菜包裝領(lǐng)域。以上相關(guān)文獻均說明采用水果為原料制備可食性膜用于果蔬包裝,能減緩果蔬中水分的散失,有效隔絕空氣中的氧氣,抑制果蔬呼吸、褐變及營養(yǎng)物質(zhì)等的損耗[27]。

1.3以果蔬廢棄物為原料的果蔬膜包裝材料

據(jù)統(tǒng)計,我國每年未被有效利用的果蔬廢棄物高達1.0億t[28],對經(jīng)濟損失巨大的同時還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。而果蔬廢棄物一般含有有機物、纖維、天然色素等成分,可被再加工應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)[29]。因此,尋求能夠有效解決果蔬廢棄物污染問題,實現(xiàn)其資源化利用的途徑尤為重要。目前,果蔬廢棄物主要被制成飼料、肥料或用于提取其中膳食纖維、果膠、色素、抗氧化物質(zhì)等營養(yǎng)成分[30]。而近年來隨著人們對綠色環(huán)保包裝需求的增加,以果蔬廢棄物為原料制備果蔬膜在國內(nèi)外引起關(guān)注。

在國外,每年產(chǎn)生約30%～40%的農(nóng)業(yè)廢棄物,尤其是果蔬在加工過程中[31],其殘渣和外皮等副產(chǎn)物往往被丟棄,不僅會造成資源的浪費,而且會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。而果蔬廢棄物含有大量的生物活性成分,可用于生物降解薄膜的制備。Ferreira等[32]選用果蔬渣粉和馬鈴薯皮粉為基材,采用流延成型法制備可食性膜。研究結(jié)果表明,馬鈴薯皮粉由于淀粉含量高,所得膜的結(jié)構(gòu)更為致密、黏結(jié)性更強,故性能較好,其拉伸強度為0.092 MPa,斷裂伸長率為36%。Andrade等[15]同樣以果蔬加工的固體殘渣為基材研發(fā)了可食性膜,所得薄膜平均厚度為0.263±0.003 mm,呈現(xiàn)明亮的黃色,果蔬風(fēng)味濃郁。此外,一些水果的果皮和果渣等中果膠含量豐富,可用作食品活性包裝的原料[33]。張晶瑩等[16]利用橙皮提取果膠為基材,加入甘油研制了可食性保鮮膜,膜厚度為0.127 mm左右,拉伸強度為3.983 MPa,斷裂伸長率為24.883%。將這種膜用于冷鮮豬肉包裝,通過分析對比汁液滲出量、pH、揮發(fā)性鹽基氮和細(xì)菌總數(shù)4個指標(biāo)的變化,證明它的保鮮效果明顯優(yōu)于PE保鮮膜,能顯著抑制微生物的增長,減緩肉中蛋白質(zhì)的分解和pH的升高。趙宏霞[34]利用芒果皮提取果膠,再添加2%的殼聚糖醋酸溶液及甘油,制備芒果皮果膠-殼聚糖可食性膜,其拉伸強度和斷裂伸長率分別為21 MPa和38%。張鷹[35]以柚皮提取的果膠為主要原料制備出柚皮果膠可食性膜,并將其與普通的聚乙烯(PE)膜進行物理特性分析比較且分別應(yīng)用于冷藏豬瘦肉的保鮮。結(jié)果表明,經(jīng)柚皮果膠膜處理的豬瘦肉保質(zhì)期比PE保鮮膜延長2～4 d,說明其保鮮效果較好,具有一定的實用價值。

豆渣是豆類食品的加工副產(chǎn)物,我國僅大豆行業(yè)每年產(chǎn)生近2000萬t濕豆渣[17]。豆渣中含有多種營養(yǎng)成分,資料顯示干豆渣中纖維素含量約占51.8%、蛋白質(zhì)含量為19.32%[36]。國內(nèi)外已有一些學(xué)者利用豆渣研制可食性材料[36-39]。王海燕[37]等人以豆渣為原料,提取大豆多糖后,加入CMC、海藻酸鈉、甘油及玉米淀粉共混等制得豆渣膜,最終得到的膜性能較好,抗拉強度為9.20 MPa,顏色淡黃,柔軟均勻。且將該膜放入熱水中能立刻溶解,能滿足方便食品食用更方便、衛(wèi)生,且由于豆渣中含有的豐富膳食纖維,最終膜更具有營養(yǎng)。李佩燚等[38]同樣以豆渣為基材,通過添加CMC、卡拉膠、明膠、瓊脂、魔芋葡甘聚糖、蜂蠟、甘油、糊精等為助劑,顯著提高了豆渣膜的強度和綜合性能,其拉伸強度為31.09 MPa,透油系數(shù)為7.31 g·mm/m-2·d。杜磊[39]從鮮豆渣中提取可溶性膳食纖維為原料制備了豆渣可食用包裝膜,其抗拉強度為7.42 MPa。日本酒井公司將豆渣與適量的水混合,配合植物蛋白酶處理得到含23%～25%纖維素的成型漿料,借助造紙設(shè)備制備了豆渣膜[40]。豆渣膜不僅具有纖維含量高、熱量低,物理機械性能良好的特點,且綠色環(huán)保、可生物降解,既能用作方便面調(diào)味袋、糖果、飲品等食品的內(nèi)包裝材料,又能被制成膠囊用作粉末藥品的包裝材料。

2 可食性果蔬膜包裝材料研究存在問題和發(fā)展建議

2.1原料配方

目前關(guān)于果蔬可食性包裝材料方面的研究報道大多是以新鮮果蔬為原料,從可持續(xù)發(fā)展的角度來看,基于果蔬加工副產(chǎn)物的果蔬膜更具經(jīng)濟效益,同時也有利于資源的循環(huán)利用和環(huán)境保護,應(yīng)該引起重視。同時添加各種助劑可進一步提高果蔬膜的相關(guān)性能,但應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范助劑的使用,如在盡量減少助劑種類的同時,選用食品級并控制其安全用量以保證所得果蔬膜的可食性。

2.2性能指標(biāo)

果蔬膜與其他可食性膜相比有一定優(yōu)勢,如能克服多糖類膜阻濕性能差、易吸潮發(fā)粘等缺點,但其物理機械性能、阻隔性能仍不及塑料包裝材料。此外,通過直接加入植物精油[16-18]能使其獲得一定的抗菌性能,但由于其自身強烈的香味[41]可能會掩蓋果蔬產(chǎn)品本身的風(fēng)味,且存在精油分布不勻且容易揮發(fā)而造成損失[42]等問題。故一方面可通過添加一些納米材料如纖維素納米晶[43]等改善其機械性能和阻隔性能等;另一方面可將精油制備成微膠囊[44],或是用吐溫-80[45]作為乳化劑對精油包埋來提高其分散效果進而提高果蔬膜的抗菌性能。果蔬膜性能的提高,不僅能增強其對于食品的保護作用,也有利于自身在貯藏期中質(zhì)量保持。

2.3包裝應(yīng)用

果蔬膜由于性能仍亟待提高,本身又易吸潮而發(fā)霉腐爛變質(zhì),且不像塑料具備熱封性能,因此作為一種新型可食性包裝材料的研究尚處于起步階段,涉及具體包裝應(yīng)用的研究報道較少。充分利用果蔬原料中的膠質(zhì)、纖維等成分進行成膜特性研究優(yōu)化所得果蔬膜的結(jié)構(gòu)與性能,加強對果蔬膜自身貯藏性能的研究,以及通過與大豆蛋白等天然可食性黏合劑[46-47]復(fù)合來改善果蔬膜封合性能,是果蔬膜未來開發(fā)研究的重點方向,應(yīng)得到食品科學(xué)工作者的關(guān)注與重視,同時也會促進其在食品內(nèi)包裝材料以及果蔬保鮮膜等食品包裝領(lǐng)域得到具體應(yīng)用。

3 結(jié)論

果蔬膜作為一種新型的綠色環(huán)保包裝材料,既可隨食品直接食用來強化食品營養(yǎng),丟棄后又能自然降解，從而減少環(huán)境污染,同時原料來源豐富、生產(chǎn)工藝簡單,是果蔬深加工和食品包裝領(lǐng)域的研究熱點,應(yīng)用前景十分廣闊。在當(dāng)今倡導(dǎo)食品安全和綠色包裝的潮流下,加強果蔬膜應(yīng)用于包裝材料的研究既可促進果蔬加工及其副產(chǎn)物的綜合利用,又符合環(huán)保包裝的發(fā)展理念,具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

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