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纳米技术与材料,领路未来食品包装!

时间:2022-06-01   访问量:1724

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导读

食品包装是包装工业的大户,2020年中国的食品包装市场份额达6000亿元,随着包装行业快速发展,以及消费市场多样化需求,食品包装正朝防油防水、保鲜、高阻隔、抗菌、智能等方向高速发展。近年来,纳米材料被广泛应用于包括包装在内的各个领域,其需求量也逐年攀升。在对包装要求不断提高的食品行业,纳米包装材料不仅能够很好地保证食品质量,满足不同食品的包装要求,同时又能延长食品保质期,对食品产业、食品包装产业的发展将有很大的推动作用,本文就典型纳米包装材料,纳米技术在功能型食品包装上的应用做了系统的总结分享, 供行业伙伴参考学习。

纳米材料是纳米技术*重要的基础,在1~100nm尺寸范围内的纳米材料具有其独特的尺寸效应,因而会呈现出许多大块材料不具备的特殊性质,如优异的物理化学性能、较好的力学性能、优良的加工性能、较好的生态性能等。像纤维素、淀粉、壳聚糖、蛋白质等天然的高分子材料都是优异的纳米基材。


典型纳米材料


(1)纳米纤维素

纤维素是一种多糖和*丰富的聚合物,广泛存在于植物的细胞壁中,是植物强度的根基。纳米纤维素是纳米结构的纤维素,它可以是纳米晶体或纳米纤维,具有几微米的长度和<100 nm 的直径。纳米纤维素是通过机械和化学过程从植物中提取的,它们具有良好的氢键结合能力,这使得它们能够形成坚固而致密的分子不可渗透的表面,从而为它们提供出色的阻隔性能。纳米纤维素用于造纸和复合材料行业,以提高其强度、机械性能、均匀性和生物降解性。由于两种成分之间存在界面差异,在生物聚合物中掺入纳米纤维素是一种具有挑战性的方法。目前纳米纤维素中试和规模生产主要集中在发达国家,如加拿大、美国、日本、瑞典、芬兰等,且CNF的生产厂家及产能明显多于CNC,其主要原因是由于CNC生产效率低以及环保问题所致。 


国外参与纳米纤维素生产的公司及研究机构

近年来,中国科学技术大学俞书宏院士团队通过纤维素纳米纤维和二氧化钛包覆的云母片复合,制备出具有仿生结构的高性能可持续结构材料,具有比石油基塑料更好的机械性能与热性能,有望成为塑料的替代品。中科院理化所黄勇团队将纳米纤维与可降解塑料PBAT复合,成功得到了能够满足应用需求的新材料,并大大降低可降解塑料的成本。日本的绿色科学联盟有限公司用纳米纤维素聚乳酸复合材料注塑成型制作了餐具样品,圣泉集团、北方世纪、宁波糖聚新材料、天津木精灵等多家企业也相继实现了纳米纤维素吨级生产。


(2)纳米淀粉

淀粉是一种复杂的多糖,由直链淀粉和支链淀粉这两种聚合物组成。纳米淀粉是通过使用各种物理和化学处理将淀粉颗粒分解来制备的。淀粉纳米颗粒也被称为淀粉纳米晶体,被发现可用作复合材料中的纳米填料,以提高强度、柔韧性、生物降解性、不透水性、热和阻隔性能。


(3)蛋白质纳米粒子

基于蛋白质的纳米颗粒用于食品包装以提高强度和阻隔性能,例如水阻隔性能 。发现花生蛋白纳米粒子在加入蛋白质-淀粉基生物复合材料时可提高强度、耐温性和防潮性能。玉米醇溶蛋白纳米颗粒改善了基于分离乳清蛋白的薄膜的机械和防潮性能。


(4)壳聚糖纳米粒子

壳聚糖是一种来源于几丁质的多糖,存在于真菌的细胞壁、节肢动物的外骨骼和甲壳类动物中。壳聚糖对环境友好、无毒,并具有优异的抗菌性能,使其成为潜在的纳米颗粒,可用于包装。壳聚糖添加到聚乳酸薄膜等可生物降解聚合物中时,可提高气体和水分阻隔性能 。壳聚糖纳米粒子可以有效提高生物复合膜的物理、机械和阻隔性能。它们还改善了抗菌性能以及由于疏水性,氢的形成以及壳聚糖纳米颗粒和生物聚合物之间的共价键导致的水分不渗透性,从而降低了水分扩散的速率。


(5)碳纳米管

碳纳米管是碳同素异形体,卷成直径在纳米范围内的圆柱形,并且可以是两种类型:单壁纳米管和由几个同心圆柱体组成的多壁纳米管。碳纳米管用于改善包装中使用的聚合物的机械和抗菌性能 。碳纳米管还用于形成氧传感器,以监测其在改良大气包装中的浓度。碳纳米管被掺入用于食品包装的合成聚合物基质中,以提供抗菌性能和智能传感器,可以检测食品的变质。


(6)银纳米粒子

银纳米粒子 (AgNPs) 被广泛用作食品包装中的抗菌剂,以延长食品的保质期。AgNPs 对各种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有抗菌活性,这种抗氧化活性使得开发一些用于合成银纳米粒子的简单、经济有效和环保的工艺变得至关重要。AgNPs 在可生物降解(多糖,如纤维素、淀粉、壳聚糖)和不可生物降解(聚乙烯、聚氯乙烯、乙烯-氯乙烯)聚合物中用作抗菌剂,用于制造活性食品包装。AgNPs 可以通过从包装材料缓慢释放到食品中来对抗微生物,因此由于毒性特征,必须考虑它们的迁移。使用嵌入 AgNPs 的活性包装薄膜和涂层是有益的,这些技术能减少添加到食品中的防腐剂的使用,以保持质量和延长保质期。



纳米粒子合成技术


食品包装是食品行业不可或缺的一部分,有助于储存具有保留营养和感官特性的食品。纳米技术在食品包装中的应用主要体现在纳米抗菌、保鲜、高阻隔性3个方面,纳米材料、纳米技术的发展有力推动食品包装的创新发展。


高阻隔性纳米包装材料食品包装,特别是饮料、肉类、油炸类等食品的包装,对包装材料的阻隔性要求很高,包装材料的阻隔性直接关系到食品的保存质量和保质期,关系到消费者的健康。高阻隔性的包装能够长时间的保持食品的营养成分、风味和品质,防止微生物的入侵,从而减少因食品变质而带来的食品安全事故。


功能性纳米粒子可改善食品包装材料的阻隔性能、热稳定性、强度和耐用性等各项性能。用于食品质量保持和保质期延长的纳米包装材料通常可以通过两种方式合成,一种是将纳米颗粒掺入传统食品包装材料如薄膜和容器中,另一种是制造纳米复合多层包装材料和通过浸渍、喷涂或摩擦的有机、无机和组合纳米涂层。纳米技术有助于制造改进的食品包装的物理和机械性能、包装的抗菌、抗氧化和紫外线吸收性能以及智能包装监测/控制的食品条件。


纳米包装材料应用


目前,我国国内有许多企业和研究机构对高阻隔性纳米包装材料进行开发与研究,有些企业已建立相关的生产线,生产的高阻隔性纳米包装膜可用于食品、药品、果蔬等产品的包装。


活性包装

活性包装是通过防止微生物入侵、水分增加、氧化、过熟等来延长食品保质期的新方法。在活性包装中,一些成分,如除氧剂、乙烯吸收剂、抗氧化剂、二氧化碳释放剂、抗菌剂被添加到包装材料或包装顶部空间中,以增强包装聚合物的性能 。抗菌剂通过破坏微生物的细胞结构或抑制其代谢途径来抑制微生物的生长。



智能包装

根据欧盟委员会的规定,2004 年智能包装材料被定义为“监测包装食品状况或食品周围环境的材料和物品”。智能包装由条码、射频识别标签 (RFID)、传感器、指示器等智能设备组成,用于通信、监控、感知、记录、跟踪和指示有关食品的信息供应链中的安全、质量和历史记录 。MRC 统计报告称,到 2022 年,全球智能包装市场将达到 327 亿美元,复合年增长率为 11%。许多专家都预测,智能包装将成为所有包装中扩展*快的部分,因为它具有独特的、交互式的、对客户友好的特性,而且成本更低。


纳米传感器是纳米技术*成功的输出之一,用于监测新鲜和加工食品的外部和内部条件。一些食品极易腐烂,并随着储存条件的变化而变质,因此需要开发各种指标,如时间-温度指标、pH 指标、泄漏指标来监测食品质量。新鲜度指示器代表视觉颜色变化,指示产品是否适合食用,时间和温度传感器通过明显的颜色变化指示打开后经过了多长时间,并显示还剩多少时间可以安全食用食物。Jayakumar 等人开发了掺入氧化锌纳米颗粒和植物化学物质的淀粉-聚乙烯醇基薄膜,该薄膜显示出良好的抗菌活性和独特的颜色变化,这使其成为用于活性和智能包装的潜在候选者。


食品包装中纳米颗粒的毒理学


在任何新型食品包装材料的开发过程中,必须研究成分的迁移特性,以找出食品中任何有害或不需要的成分的迁移情况。根据欧盟委员会2011年的规定,迁移测试是指“确定物质从材料或物品中释放到食品或食品模拟物中的情况”。大的表面积与体积比使纳米颗粒与其原始形式完全不同,这也可能是它们在暴露时由于它们迁移到食物中而在体内产生毒性的原因。纳米粒子的毒性取决于它们的类型、浓度、暴露时间和个体的敏感性,但是仍然没有关于纳米粒子的毒性及其有害影响的充分数据。


通常,有机纳米颗粒(例如蛋白质、脂质、淀粉、壳聚糖)被认为在本质上是无毒的,因为它们在人体胃肠道中完全消化并且不是生物持久性的。由于较大的表面积与体积比,有机纳米颗粒的消化、生物利用度和营养特性可能与其原始形式不同。有机纳米粒子可能会增加生物利用度,并且在某些化合物中,这可能会导致毒性,因此需要进行体内和体外研究来开发安全的食品。近年来,人们对食品中纳米粒子的迁移进行了研究,其中大部分研究都是关于银纳米粒子的迁移。银纳米粒子为包装材料提供了各种特性,但由于它们可能引起毒性而存在局限性。银纳米粒子可引起神经毒性、遗传毒性并且可以沉积在肝脏、肾脏、睾丸和大脑中,但银纳米颗粒在食物中的迁移率达到这个水平是非常低的。


如果纳米粒子正确嵌入聚合物基质中,它们迁移的机会不是很高,但一些外部因素会导致它们迁移到食品中。因此,在制造与食物直接接触的任何纳米复合材料之前,研究纳米粒子与聚合物的迁移、毒性、允许限度和相互作用非常重要。


包装涂层

如今,纳米涂层被用于食品包装以设计改进的食品包装。食品涂层可以以薄层或薄膜的形式应用,可以由可食用和不可食用的材料制成。可食用涂层是一种很有前景的延长食品保质期的技术。不同的生物聚合物,例如多糖,脂质蛋白用于合成可食用涂层。由单一聚合物制成的涂层为食品包装提供了可能不足以完全保持食品质量的特定性能,因此,同时提供多种性能,对复合材料和纳米复合材料的有效保存需求就出现了。与简单的食用相比,纳米填料改善了可食用薄膜的机械性能、阻隔性能和颜色,但需要更多的研究来增强其在合成薄膜方面的竞争力。


对食品品种日益增长的需求增加了对开发更可靠和有效的食品包装的研究。纳米技术为食品行业开发具有改进物理、机械和功能特性的食品包装带来了希望。当下的食品消费趋势表明纳米技术是前沿高新技术,并在食品包装领域占据主导地位。为了加快纳米技术与材料在包装上的研发与应用,7月13-15日,湖南工业大学特联合DT新材料在湖南株洲举办“2022绿色包装材料与技术国际会议”,邀请欧洲科学院胡国华院士、麦吉尔大学汪怿翔教授、美国田纳西大学李密教授、湖南工业大学郭韵恬老师莅临本次大会, 分享纳米共混技术, 纳米纤维素填充,纳米改性技术以及纤维素微纳改性等四个方向的主题报告,“未来纳米”欢迎您来现场与专家做交流探讨!