生物可降解高分子材料在食品包裝中的應(yīng)用

李迪

摘 要：材料科學(xué)的發(fā)展目標就是提高材料環(huán)保水平，體現(xiàn)高分子材料應(yīng)用科學(xué)在食品包裝中的生產(chǎn)應(yīng)用價值。其中，生物可降解高分子材料正是材料科學(xué)研究追求的，例如蛋白質(zhì)、淀粉、聚乙烯醇等材料都可以制作生成人工合成可降解高分子材料，近年來在食品包裝加工領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。文章專門探討了食品包裝問題，由此引出生物可降解高分子材料及人工合成可降解高分子材料在食品包裝領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，借以見證材料科學(xué)的發(fā)展進化之道。

關(guān)鍵詞：生物可降解高分子材料;人工合成;食品包裝;聚乳糖;實踐應(yīng)用

中圖分類號：TQ3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）04--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.045

目前，為保障食品包裝安全且不受到外界不良環(huán)境因素的影響，體現(xiàn)包裝的良好生態(tài)適應(yīng)性，基于生物可降解及人工合成的高分子材料應(yīng)運而生。新材料相比傳統(tǒng)的聚乙烯塑料食品包裝材料，更加綠色環(huán)保，是該領(lǐng)域的一次偉大革命，具有極高的應(yīng)用普及性。

1 食品包裝概述

食品包裝滿足了人類食物供給的基本需求，在商品交換與貿(mào)易活動中占據(jù)了極為重要的地位，是商品的關(guān)鍵組成部分。食品包裝在功能表現(xiàn)上十分明確，就是保護商品儲運與銷售流通，在流通過程中不被外界環(huán)境污染破壞，提升商品使用價值也是顯而易見的。

如今，隨著人們越發(fā)關(guān)注食品安全問題與環(huán)境污染問題，與食品包裝相關(guān)的諸多問題也被提上議程。傳統(tǒng)食品包裝由于大量采用不可降解分子材料，如聚苯乙烯、聚丙烯等塑料制品，即便在被廢棄以后依然難以降解處理，作為固體廢物嚴重影響生態(tài)環(huán)境，被稱為“白色污染”。

因此，當(dāng)前人們已經(jīng)對食品包裝材料選擇作出了綜合考量，希望選用一種可以替代的可降解材料，避免白色污染產(chǎn)生，這就是生物可降解高分子材料[1]。

目前，市面上可降解高分子材料的種類頗多，包括光降解、生物降解、生物雙降解高分子材料。這種材料在一定條件和時間范圍內(nèi)被微生物或其他分泌物在化學(xué)分解反應(yīng)中降解，最終形成水和二氧化碳，不會對生態(tài)環(huán)境造成任何影響，在當(dāng)前的食品包裝生產(chǎn)領(lǐng)域非常受歡迎，改變了這一聚合物加工產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展方向。如果從生物可降解高分子材料的基本特征分析，其具有良好的阻隔性能、機械性能、耐熱性能等多種優(yōu)勢性能。通過這些性能指標，也能判斷包裝材料的質(zhì)量優(yōu)劣。食品包裝材料包括生物來源的可降解高分子材料以及人工合成的可降解高分子材料，在食品包裝領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用都相當(dāng)廣泛[2]。

2 食品包裝中生物及人工合成可降解高分子材料的實踐應(yīng)用

如今，食品包裝材料選用的是綠色生態(tài)環(huán)保的生物可降解高分子材料。與此同時，人類又發(fā)明了基于生物可降解高分子材料的人工合成可降解高分子材料，二者的生產(chǎn)制作，本質(zhì)都是以生物來源為主，都代表了人類社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步。下文就首先介紹了食品包裝中的生物可降解高分子材料[3]。

2.1 食品包裝中的生物可降解高分子材料實踐應(yīng)用

基于生物來源的可降解高分子材料，包括天然和微生物合成兩種可降解材料。目前，比較常見的生物可降解高分子材料包括淀粉、蛋白質(zhì)、殼聚糖等。

第一，淀粉。淀粉在日常生活中十分常見，來自谷類、薯類植物的種子、根莖等組織，屬于多糖化合物產(chǎn)物。淀粉的可貴之處在于能夠在任何環(huán)境中被完全降解，屬于天然可降解材料。目前，天然淀粉和改性淀粉都能被應(yīng)用于食品包裝加工領(lǐng)域中。從淀粉的化學(xué)分子屬性分析，其能夠制作生成具有高合成屬性的薄膜材料，這種材料透明且無色無味，同時具有低透氧性等特性。

淀粉膜作為聚合物也有缺陷，例如，其具有低機械性能與強透水性，導(dǎo)致淀粉薄膜在食品包裝使用過程中受到一定限制。目前，淀粉可降解高分子材料有所改良，主要是將淀粉與PCL聚己內(nèi)酯相互結(jié)合改性處理，制作生成了具有極高機械性能的單膜。如具有高質(zhì)量的玉米淀粉+殼聚糖混合高分子可降解材料，這種材料制作生成的食品包裝具有復(fù)合性與可食性，屬于典型的具有柔韌性與延展性的復(fù)合膜。這種食品包裝的單膜性能是相當(dāng)理想的，可與其他各種生物可降解材料共同混合應(yīng)用于食品包裝加工領(lǐng)域。從作為食品包裝產(chǎn)品的作用上看，這種淀粉包裝復(fù)合薄膜在包裝牛肉餅等炸制食品時，可抑制食品中脂肪的氧化與水分流失，可避免食品快速產(chǎn)生異味，因為較好地抑制了食品中微生物的增生速度，在肉制品包裝保鮮過程中具有實用價值[4]。

第二，蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)作為另一種天然可降解材料，其中包含20多種蛋白原氨基酸，屬于多肽化合物。如果對蛋白質(zhì)進行熱、酸、堿溶劑處理，就會改變其結(jié)構(gòu)標準。

但是，相比目前市面上比較常見的合成膜，蛋白質(zhì)膜在耐水性與機械強度方面表現(xiàn)偏差，但具有極佳的阻隔性，這一點遠勝各種多糖復(fù)合膜。目前，用于食品包裝制作中的蛋白質(zhì)類型，就包括大豆、玉米醇溶、豌豆、葵花蛋白等，其都能制作生成食品級別的復(fù)合膜。

膠原蛋白也是蛋白質(zhì)中的一種，其結(jié)締組織中的蛋白質(zhì)成分相當(dāng)豐富，主要存在于動物的血管、骨質(zhì)組織中。

膠原蛋白在食品包裝工業(yè)中的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊，其可以集中應(yīng)用于可食性包裝膜上，其中就以蛋白質(zhì)、多糖等作為制作原料。當(dāng)然，在某些食品粘合劑、纖維膜中，也能看到膠原蛋白作為食品包裝的原材料，為食物保鮮增加了一道保護層。

利用膠原蛋白制作成的食品包裝，在保鮮與防腐方面表現(xiàn)出色，例如可制作成人造腸衣用于香腸制品，也可以制作成魚、肉類的外包裝紙，或糖果、果脯的內(nèi)包裝膜，實用價值很高。作為一種食品包裝材料，其拉伸強度表現(xiàn)出色，在熱封阻氣、阻油、阻濕等方面也有不俗表現(xiàn)，具有極好的耐熱屬性[5]。

第三，殼聚糖。這種從蝦蟹等甲殼類動物體內(nèi)提取的天然可降解高分子材料具有多糖屬性，這種糖類就叫做堿性氨基類多糖，具有無毒特性且生物相容性表現(xiàn)良好，且可以再生，綠色環(huán)保。

采用殼聚糖作為食品包裝材料的另一大優(yōu)勢是具有良好的抑菌特性。例如，可以將殼聚糖直接制作成溶液噴涂于水果上，能形成一層無色無味的生物性保鮮薄膜，供人直接食用。

殼聚糖也屬于單膜形式的食品包裝材料，因為其可以與其他某些聚合物形成復(fù)合保鮮薄膜。殼聚糖就能與聚乙烯醇共同制作成復(fù)合膜，其透明且阻水、阻熱性表現(xiàn)優(yōu)異，降低了果蔬的呼吸強度，延長了果蔬保鮮時間。據(jù)研究表明，殼聚糖的包容性與成膜性都非常出眾，是目前食品包裝的不二之選[6]。

除上述三種生物可降解高分子材料外，纖維素也能被應(yīng)用于食品包裝中。纖維素來自植物細胞壁，屬于天然可降解有機物，生物相容性表現(xiàn)出色。用這種材料制作食品包裝，安全穩(wěn)定、無毒無害。再者就是草漿，這種材料可用于一次性餐具食品包裝，相比傳統(tǒng)的塑料，在生態(tài)環(huán)保性方面表現(xiàn)更優(yōu)。

采用生物天然可降解高分子材料的優(yōu)勢就在于，在材料包裝方面透氣性表現(xiàn)良好，具有極強的吸水保濕性與化學(xué)穩(wěn)定性，是人們追求食品安全道路上的重要保障[7]。

2.2 食品包裝中的人工合成可降解高分子材料實踐應(yīng)用

在食品包裝中采用生物可降解高分子材料是必要的，因為其對食品保鮮安全水平的提高有目共睹。

當(dāng)然，為了節(jié)約成本，目前人們在生物材料的基礎(chǔ)上進一步研究提出了基于人工合成的可降解高分子材料，這種材料在自然界中并不存在，主要是通過化學(xué)方法制作而成，屬于生物可降解高分子材料中的新興品種。

存在于食品包裝中的人工合成可降解高分子材料主要包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。

2.2.1 聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）以乳酸作為原材料，可生產(chǎn)新型聚酯材料。目前，比較常見的是左旋、右旋、外消及內(nèi)消聚乳酸，都是典型的光學(xué)異構(gòu)對應(yīng)體，其中，用于食品包裝制作的是左旋異構(gòu)聚合體聚乳酸，即L—PLA。L—PLA的生物降解性表現(xiàn)良好，具有友好的環(huán)境特性，能夠用于堆肥，具有極佳的成膜透明性及力學(xué)特性，加工成型相當(dāng)方便。

目前，在包裝餐盒、餐具中常用到L—PLA是典型的綠色包裝材料。就這一材料的貯藏保鮮實驗而言，可確保果蔬貯藏15小時以上，保鮮效果表現(xiàn)良好。在L—PLA中采用小麥蛋白涂覆，在提高阻隔性表現(xiàn)方面非常出色，可滿足氣調(diào)包裝要求，形成復(fù)合式薄膜。例如利用這一復(fù)合膜可對草莓實施氣調(diào)包裝，極大地延長草莓的保鮮保質(zhì)期。

2.2.2 聚乙烯醇（PVA）

聚乙烯醇（PVA）的主鏈包含了雙碳鍵，直接與乙烯基聚合物相互連接，物理特性表現(xiàn)優(yōu)越，黏度、乳化性質(zhì)及分散力都表現(xiàn)突出，具有極強的拉伸強度、柔韌性及成膜特性。

作為一種耐水、耐油溶劑，PVA在食品工業(yè)成膜技術(shù)中表現(xiàn)出色。借助出色的生物可降解性，目前美國農(nóng)業(yè)管理部門在肉類檢驗與家禽加工生產(chǎn)中采用的就是PVA材料。不過，PVA材料中包含了大量的羥基結(jié)構(gòu)分子，結(jié)晶溫度相對較高，這就造成了其在熔融溫度控制上超過分解溫度，難以做到熱塑成型。

為彌補PVA結(jié)構(gòu)不足問題，要采用PVA與物質(zhì)建立共混改性機制，提高單膜拉伸應(yīng)力與斷裂伸長率，如此成膜效果更佳。

如今，基于PVA的復(fù)合材料已經(jīng)出現(xiàn)，例如，PVA—海藻糖復(fù)合材料也能作為食品包裝成膜，形成三層復(fù)合薄膜，機械性能相比單膜更佳，可以將PVA的質(zhì)量分數(shù)控制在20%左右。這一復(fù)合薄膜對冷鮮肉的保鮮效果是相當(dāng)理想的，最長可保鮮19天[8]。

2.2.3 聚碳酸亞丙酯（PPC）

聚碳酸亞丙酯（PPC）屬于典型的交替共聚合物，其中的脂肪族多元醇物質(zhì)豐富，在完全降解后可形成高分子材料，生物相容性表現(xiàn)出色。同時，其具有一定的半透明性、耐沖擊性等特殊屬性。

這種材料的優(yōu)勢在于價格成本低廉，可被廣泛應(yīng)用于黏合劑上，但PPC機械性能表現(xiàn)薄弱，如在40 ℃環(huán)境中就容易被軟化，這在一定程度上限制了該材料在食品包裝領(lǐng)域中的應(yīng)用。PPC與天然生物可降解高分子材料能夠融合形成纖維素、淀粉等復(fù)合材料。

目前，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出以PPC為主的四層復(fù)合薄膜，可以被成功應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域中，如可將冷鮮肉類產(chǎn)品保質(zhì)期延長到23天以上。這種材料的價格成本相當(dāng)?shù)土褂脙r值相對較高，已經(jīng)能夠完全替代市面上的PE薄膜材料。

PPC的拉伸模量比較出色，也具有一定的拉伸強度，這可確保儲存模量最高達到70 ℃，建立多層復(fù)合膜背景下的阻氧與阻濕性能機制，有效改善PPC的穩(wěn)定性能與機械性能。

在制備PPC的過程中，可專門制作ASP—PPC復(fù)合材料，其中，ASP的添加量達到90%以上。此時，復(fù)合材料的溫度會提高到42.5 ℃以上，這有效拓展了PPC材料的使用溫度范圍，也體現(xiàn)出PPC材料的高實用價值。

2.2.4 聚己內(nèi)酯（PCL）

聚己內(nèi)酯（PCL）屬于一種生物降解型高分子材料，也是不可再生原材料，具有極好的生物相容性。PCL在降解時間與滲透性能調(diào)整方面表現(xiàn)出色，在食品包裝吹膜、拉絲方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，PCL在應(yīng)用食品加工領(lǐng)域研發(fā)中，需要配合淀粉共混制備食品包裝材料，配合熔融共混方法成功制備性能出色的復(fù)合食品包裝材料，結(jié)合不同比例的PCL材料延長食品保鮮保質(zhì)期，薄膜的阻氧性與阻濕性方面也有所強化，研究表明，復(fù)合薄膜具備極高的水蒸氣與氧氣阻隔性能。

另外，結(jié)合雙螺旋熔融技術(shù)也能配合PPC、ASP制作生成復(fù)合材料，其材料的熱降解溫度與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都表現(xiàn)良好，可形成多種組合的復(fù)合材料。其耐熱性表現(xiàn)也相當(dāng)好，可配合PPC材料提高食品包裝質(zhì)量[9]。

目前，PPC材料在食品包裝工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)日益廣泛，這主要是因為溫度轉(zhuǎn)化適應(yīng)能力表現(xiàn)較強，在結(jié)合雙螺旋熔融技術(shù)的過程中實現(xiàn)了改性轉(zhuǎn)化，具有一定的發(fā)展前景。

3 結(jié)語

綜上所述，生物可降解性高分子材料具有極為廣泛的來源與較高的實用性能。目前，基于人工合成的可降解高分子材料的適用范圍更廣，也不會對環(huán)境造成污染，體現(xiàn)了一定的實用價值與商業(yè)性。與此同時，解決了成本較高、性能表現(xiàn)不突出、加工工藝缺陷較多等問題，解決了相關(guān)發(fā)展的制約問題。

未來，必然會出現(xiàn)更多有關(guān)生物可降解高分子材料的相關(guān)研究，創(chuàng)新食品包裝技術(shù)應(yīng)用思路，提高食品安全保鮮水平，造福人民。

參考文獻

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