食品包裝用納米技術(shù)及其納米復(fù)合材料淺析

魏風(fēng)軍

納米技術(shù)與納米材料

一般而言，納米技術(shù)是指通過特定的技術(shù)設(shè)計(jì)在納米粒子的表面實(shí)現(xiàn)原子或分子的排列組合，使其產(chǎn)生某種特殊的結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)特定的技術(shù)性能或者功能的一種技術(shù)。

在納米技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)某種物質(zhì)達(dá)到納米尺度時(shí)，其性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)某種特殊性能。它的結(jié)構(gòu)既不同于原來的原子及分子結(jié)構(gòu)，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，這種材料即為納米材料。納米材料可分為兩個(gè)層次：納米超微粒子材料與納米固體材料。納米超微粒子材料是指其粒子尺寸在1～100nm的超微粒子，而納米固體材料則指的是由納米超微粒子制成的固體材料，通常人們習(xí)慣于將組成或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100nm以下的長度尺寸稱為納米材料。

納米技術(shù)與納米復(fù)合材料在食品包裝上的應(yīng)用

納米材料是納米技術(shù)最重要的基礎(chǔ)，在1～100nm尺寸范圍內(nèi)的納米材料具有其獨(dú)特的尺寸效應(yīng)，因而會(huì)呈現(xiàn)出許多大塊材料不具備的特殊性質(zhì)，如優(yōu)異的物理化學(xué)性能、較好的力學(xué)性能、優(yōu)良的加工性能、較好的生態(tài)性能等。在食品包裝領(lǐng)域，目前研究較多的是以聚合物為基底的納米復(fù)合材料，該種納米復(fù)合材料是通過向柔性較好的高分子聚合物中加入納米尺寸的分子或者納米顆粒制備而成的。它主要分為無機(jī)納米材料和有機(jī)聚合物。目前，在食品包裝中，納米復(fù)合包裝材料中應(yīng)用較為廣泛的包括硅酸鹽—環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料、納米蒙脫石粉/PA類、納米SiO2/PP類等。

1.納米銀

納米銀材料是一種良好的食品保鮮包裝材料，當(dāng)向食品保鮮包裝材料中加入一定的納米粉時(shí)，該包裝材料中乙烯的氧化速度會(huì)被大大加快，使得保鮮效果大大提高；又由于納米銀材料具有良好的耐光性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，所以其抑菌性能優(yōu)越；此外，納米銀不易揮發(fā)、溶出，不會(huì)因光照引起顏色改變而污染食品。

劉偉等人研究了納米銀對(duì)G+菌、G-菌及酵母菌和霉菌的抑制效果，相同濃度下，對(duì)3種菌的作用大小為G+菌>G-菌>酵母菌和霉菌。另外，銀的濃度和作用時(shí)間對(duì)納米銀的抑制作用有很大影響。陳江魁在光照條件下，分別測(cè)試了納米銀對(duì)4種細(xì)菌和1種酵母菌的抗菌性能，結(jié)果顯示了理想的抑菌效果。李新林等人研究了納米銀對(duì)海參腐敗中優(yōu)勢(shì)菌株或海參腐敗中所有菌的抑制效果，發(fā)現(xiàn)納米銀的質(zhì)量濃度為0.05mg/L時(shí)，僅僅需要12小時(shí)就殺滅80%左右的細(xì)菌。宋益娟等人利用納米銀與聚乙烯制備的保鮮袋對(duì)新鮮醬鴨進(jìn)行包裝，發(fā)現(xiàn)該材料能較好地保持醬鴨的風(fēng)味，降低鴨肉中揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，并抑制微生物的生長繁殖。李新林將納米銀淀粉液涂膜在鮑魚表面，研究在微波凍干過程中，納米銀涂膜材料對(duì)鮑魚表面細(xì)菌總數(shù)的影響，結(jié)果表明納米銀淀粉液的質(zhì)量濃度為0.3mg/L時(shí)，鮑魚表面的菌落總體數(shù)量下降了99.2%，且鮑魚的干燥效率不受納米銀涂膜的影響。曹雪玲研究發(fā)現(xiàn)納米銀膠對(duì)草莓具有很好的保鮮效果。

2.納米二氧化鈦

二氧化鈦是一種在紫外光下被激發(fā)的光催化劑，而納米二氧化鈦能夠?qū)ψ贤饩€起到一定的防御作用，可以避免肉類食品的氧化，從而防止由于維生素流失與芳香化合物破壞導(dǎo)致的食品營養(yǎng)成分下降與腐爛。鈉米二氧化鈦在食品包裝應(yīng)用領(lǐng)域有著十分廣泛地應(yīng)用前景，同時(shí)它又作為一種新型食品包裝材料滿足了生態(tài)保護(hù)要求，在光照環(huán)境下還可以粘掉塑料、玻璃表面的油污、細(xì)菌等。如陳麗等人通過將納米二氧化鈦運(yùn)用到PVC保鮮膜中制作出了可以隔絕氮?dú)獾奶O果保鮮膜。納米二氧化鈦的孔狀結(jié)構(gòu)可以為納米銀提供更多的觸點(diǎn)，可以優(yōu)化納米銀單體的易于流失的缺陷，進(jìn)一步強(qiáng)化了納米包裝材料的安全性。這點(diǎn)值得業(yè)內(nèi)研究人員深入探討。

3.納米氧化鋅

納米氧化鋅是一種無毒、成本低、使用便捷、生物相容性優(yōu)良的無機(jī)金屬氧化物，同時(shí)也是一種能夠被紫外光激發(fā)的半導(dǎo)體材料，具有良好的光催化活性?；诩{米氧化鋅良好的光催化活性，其在食品包裝領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用。日本學(xué)者Sawai等通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅粉體通過接單接觸能夠有效抑制大腸桿菌與金黃色葡萄球菌，而且抑制效果良好。這對(duì)于食品包裝材料的延伸性應(yīng)用也很有意義。

4.殼聚糖/二氧化鈦納米復(fù)合材料

據(jù)相關(guān)研究，根據(jù)天然抑菌材料殼聚糖和無機(jī)抑菌材料納米二氧化鈦的獨(dú)特物化特性，以穩(wěn)態(tài)流變行為及動(dòng)態(tài)黏彈行為為評(píng)價(jià)依據(jù)，通過納米粒子表面改性、CTS/TiO2納米復(fù)合材料構(gòu)建、涂料組分全面優(yōu)化等手段即可制備高性能的CTS/ TiO2納米復(fù)合抑菌涂料。胡秀蘭等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用月桂酸鈉對(duì)納米二氧化鈦表面改性，可明顯改善其在殼聚糖體系中的分散穩(wěn)定性；并且隨著納米二氧化鈦用量的增加，納米復(fù)合涂料的穩(wěn)態(tài)表觀黏度及動(dòng)態(tài)黏彈性能都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；而紙張涂布試驗(yàn)結(jié)果顯示，涂料中納米二氧化鈦的加入，可賦予涂布紙較好的抑菌性能，并有助于提高涂布紙的力學(xué)性能與阻隔性能。具體來說，試驗(yàn)證明納米二氧化鈦的加入量為10%時(shí)，涂布紙的力學(xué)性能及抑菌性能均達(dá)到較佳水平，抑菌紙對(duì)大腸桿菌的抑菌率達(dá)到99.8%。另外，掃描電鏡測(cè)試顯示，未涂布紙張纖維表面呈現(xiàn)多孔狀，CTS/TiO2納米復(fù)合涂料涂布后的抑菌紙表面形成了均勻的聚合物涂層，平滑度明顯得到改善，即CTS/TiO2納米復(fù)合涂料在抑菌包裝材料方面顯示出較好的應(yīng)用潛力。此外基于濕部形成技術(shù)可以得到抑菌紙，研究結(jié)果表明此種抑菌紙具有較好的力學(xué)性能，在食品保鮮包裝方面具有較好的應(yīng)用前景。

5.類石墨相氮化碳

這是一種新型無機(jī)納米材料，具有廉價(jià)、高安全性、無毒等眾多優(yōu)點(diǎn)，通過將冷等離子體表面處理技術(shù)與靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合，便可制得負(fù)載經(jīng)等離子體表面改性g-C3N4顆粒的抗菌纖維膜，實(shí)驗(yàn)表明它可廣泛應(yīng)用于蔬菜的貯藏保鮮中。因?yàn)槔渺o電紡絲法制備的 g-C3N4-Plasma納米纖維抗菌膜，g-C3N4均勻分散在纖維中，纖維直徑均勻、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。作用24小時(shí)后，鋁箔紙、牛皮紙、保鮮膜等不同載體上的g-C3N4-Plasma納米纖維膜的殺菌率均達(dá)到99.4%以上。在作用4天時(shí)，鋁箔紙、牛皮紙、保鮮膜等載體上的g-C3N4-Plasma納米纖維膜對(duì)小番茄、青椒、黃瓜、胡蘿卜4種蔬菜上的大腸桿菌O157∶H7的殺菌率依然保持在99%左右。此外，感官評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，g-C3N4-Plasma納米纖維抗菌膜能夠較好的保持蔬菜的顏色、風(fēng)味等主要特性。

6.PVA基納米二氧化硅復(fù)合包裝材料

聚乙烯醇（PVA）具有可降解、衛(wèi)生、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在食品涂膜保鮮包裝方面展示出廣闊的前途，但其良好的親水性能使其成膜后有較高的透水性而影響其在食品保鮮包裝上的應(yīng)用。納米SiO2作為一種改性材料可與許多高分子聚合物樹脂復(fù)合，從而提高聚合物的包裝效能特性及用于食品包裝的保鮮效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PVA基納米Si02復(fù)合材料涂膜包裝咸鴨蛋，能有效阻止咸鴨蛋水分散失、抑制微生物生長繁殖、降低揮發(fā)性鹽基氮的產(chǎn)生，可在6個(gè)月儲(chǔ)藏期內(nèi)較好地保護(hù)咸鴨蛋的色澤和風(fēng)味。

7.納米改性PVA-液體石蠟復(fù)合包裝材料

聚乙烯醇（PVA）易成膜和降解，在食品涂膜保鮮包裝方面展示出廣闊的前途。但其因具有良好的親水性而使其成膜后有較高的透濕性等原因，影響其在食品保鮮包裝上的應(yīng)用。液體石蠟屬于疏水性油脂類物質(zhì)，具有很好的阻隔保鮮性能。通過采用復(fù)合乳化劑對(duì)聚乙烯醇和液體石蠟進(jìn)行乳化，并添加納米SiO2、TiO2對(duì)其進(jìn)行改性，優(yōu)化分析其工藝制備條件和性能，便可得到對(duì)鮮蛋貯藏保鮮效果良好的納米改性PVA-液體石蠟復(fù)合涂膜包裝材料。

8.納米改性抗菌聚乙烯醇

經(jīng)有機(jī)改性的DK4型MMT與PVA分子有著很好的相容性，改性復(fù)合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)表征光滑完整，薄膜結(jié)構(gòu)更加致密均勻。添加了不同濃度的DK4型MMT，均不同程度地提高了PVA薄膜的抗拉強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，降低了薄膜的斷裂伸長率、吸水性、水蒸氣透過系數(shù)、透光率。其中，含有3% DK4型MMT的納米復(fù)合薄膜有著最大的抗拉強(qiáng)度，含有5% DK4型MMT的納米復(fù)合薄膜有著最小的吸水率；添加1% DK4型MMT的納米復(fù)合薄膜的熱穩(wěn)定性、耐水性、抗張強(qiáng)度都有著不同程度的提高，同時(shí)該薄膜還有著良好的透光性和較低的霧度，具有最佳改性效果；不同濃度及配比的MMT及山梨酸鉀與PVA母粒有著很好的成膜性，并且復(fù)合薄膜有著良好力學(xué)性能、光學(xué)性能、高氧阻隔性及一定的抗菌性能。張勇等人利用復(fù)合薄膜在常溫條件下對(duì)半干魚進(jìn)行包裝并研究其防霉保鮮效果，結(jié)果表明在半干魚保鮮實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)于對(duì)照組，含有CA的改性PVA薄膜均體現(xiàn)了良好的防霉效果，其中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的檸檬酸的改性PVA薄膜防霉效果最佳。

結(jié)束語

納米技術(shù)在食品包裝中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在納米抗菌、保鮮、高阻隔性3個(gè)方面，現(xiàn)代食品包裝行業(yè)已進(jìn)入納米時(shí)代，納米技術(shù)大大推動(dòng)了食品包裝的發(fā)展；但是其安全性也是不可忽視的一項(xiàng)重要因素?？偟膩碚f，納米材料、納米技術(shù)與納米復(fù)合包裝材料的發(fā)展將會(huì)有力推動(dòng)食品包裝的創(chuàng)新發(fā)展，在未來的發(fā)展過程中納米材料的安全性也會(huì)是一個(gè)較為受關(guān)注的熱點(diǎn)，將會(huì)對(duì)食品包裝應(yīng)用納米材料提供重要的依據(jù)。