纳米纤维素在食品包装材料中的应用研究进展

纳米纤维素是由植物纤维原料通过化学、物理等方法制备而成的纤维素晶体，其结晶度高、密度低、质量轻，具有较高的比表面积和良好的力学性能。纤维素纳米结构主要有两种类型，纤维素纳米晶体（CNCs）和纳米纤维（CNFs）。

其中，CNCs是针状晶体，直径为4~25 nm，长度为100~1000nm，通常通过漂白和酸水解工艺生产，以去除离开结晶区域的非纤维素和大多数无定形纤维素。CNFs 也称为纤维素微纤维，是直径为10~100 nm、长度为微米级的基本原纤维集合体，通常通过高压均质、研磨和精炼等机械过程进行分离。

此外，还有一种纳米纤维素增强材料为微晶纤维素（MCC），其是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度的可自由流动的极细微的短棒状、粉末状及多孔状颗粒。

纳米纤维素作为一种新型纳米材料，在几何尺寸、结晶度、形态、流变性能等方面具有与传统材料不同的特性，且与一般无机材料相比，具有质轻、可降解、可再生等特性。与其他功能材料相比，具有高强度、比表面积大、易化学改性等特性。高度结晶的纳米纤维素缺乏链式折叠，具有接近完 美晶体的优异物理性能。

研究报道，纳米纤维素的拉伸模量和强度分别高达140～150 GPa和7 GPa。纳米纤维素分子链上的大量羟基形成的氢键决定了其物理性能，使其在包装材料中起重要的作用。透明度是食品包装材料的重要评判指标之一，它显示了聚合物基质与其他物质混合的能力，纳米纤维素由于自身的特性，对透明度的影响较小。

此外，纳米纤维素具有广泛的生物相容性，由于人体内缺乏纤维素降解酶而不易降解。纳米毒理学研究报告指出，纳米纤维素几乎没有毒 性。纳米纤维素的优异性能使其在食品、医药以及新材料制备等方面具有很好的应用前景，通过将纳米纤维素与其他物质复合，使制得的纳米复合材料具有优异的力学性能、可再生性、良好的生物降解性能以及无毒 性的潜力，已成为国内外研究热点。

用纳米纤维素增强天然或合成的生物可降解材料，制备性能优良的可食性膜、可降解膜及水溶性膜也将成为未来食品科学的研究热点之一。

纳米纤维素对生物基包装材料性能的改善

研究表明，纳米纤维素对生物基食品包装材料的气体阻隔、水蒸气阻隔、紫外线阻隔、抑菌性能及机械性能等性能均有不同的增强作用。

① 气体阻隔性能

氧气阻隔在食品包装中非常重要，氧气隔绝可以破坏需氧微生物的生存环境，延长食品保质期。纳米纤维素的高结晶区域是不透气的，并且可以形成氢键，在材料内部能够形成一个密集的网络，对气体形成有效阻隔。

研究发现，以明胶为基质制备薄膜，当纳米纤维素的添加量为5%和10%时，明胶薄膜的氧气透过率分别降低了21%和36%。而在聚 3-羟基丁酸酯（PHB）中仅添加2%的纳米纤维素就可使 PHB 膜的 氧气透过率降低65%。

② 水蒸气阻隔性能

水蒸气在薄膜中的渗透会直接影响氧气在薄膜中的传输。纳米纤维素薄膜对气体的阻隔性能很好，但对水蒸气的阻隔性能却很差。不过研究发现，纳米纤维素基与各种生物聚合物之间可形成氢键，不仅提高了膜的黏结性，而且使OH 基团不可用于水的渗透。

多位研究者报道了纳米纤维素基可以降低海藻酸钠、壳聚糖、淀粉、明胶、聚乙烯醇等生物基材料的水蒸气透过系数(WVP)，这一效应归因于纳米纤维素基和基质之间的强氢键相互作用，其提高了材料的黏结性，也归因于纳米纤维素基的高结晶性。

③ 紫外线阻隔性能

紫外线辐射会导致食品的营养和感官特性损失，降低保质期和质量，所以包装膜对紫外线的阻隔至关重要。有学者模拟造纸工艺，制备了芳纶纳米纤维素复合材料， 纯纳米纤维素膜具有很高的透光率（400~800nm），但吸光度较低（200 nm），紫外线屏蔽较差，由于苯和酰胺键的共轭作用，芳纶纳米纤维能够吸收紫外光，在可见光光谱中表现出较高的透过率，含2%芳纶的纳米纤维素薄膜具有良好的紫外屏蔽性能和高透明度。

④ 抑菌性能

食品包装膜的抗菌性能也直接关系着食品的货架期，纳米纤维素由于其高比表面积，确保了抗菌剂的高负载量。

⑤ 机械性能

对包装材料的基本要求是具有良好的机械性能，而生物基包装膜的机械性能普遍较差，当添加纳米纤维素后，生物基膜的机械性能显著增强。研究证实，生物基中纳米纤维素基的存在增加了合成纳米材料的强度和弹性模量。

基于纳米纤维素的抗菌复合材料

抗菌剂在医药卫生、食品包装、水处理等领域有广泛应用。纳米纤维素因其优异的特性可以作为基体相，与抗菌添加剂复合得到纳米纤维素基抗菌复合材料。通常，抗菌物质主要由无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂组成。

壳聚糖（chitosan，CS）是继纤维素之后，在自然界中发现的含量第二丰富的多糖。CS是由几丁质脱乙酰化制成的，由葡糖胺、 N-乙酰葡糖胺通过β-(1,4)-糖苷键重复连接组成的一种线性多糖。研究发现，CS具有良好的生物相容性、广谱抗菌性、优良成膜性且安全无毒、可生物降解，与纳米纤维素具有较好的相容性。研究证明，纳米纤维素/CS复合材料具有优异的抗菌性能。

除了天然聚合物，合成聚合物也可与纳米纤维素复合制备成抗菌材料，如聚-3-羟基丁酸酯（poly-3-hydroxybutyrate，PHB）、聚六甲基双胍（polyhexamethylene biguanide，PHMB）和聚吡咯（polypyrrole，PPy）等。聚合物的黏附会破坏细胞膜，导致细菌死亡。

广泛用于纳米纤维素基抗菌复合材料的无机纳米粒子包括金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子等。研究表明，含有无机纳米粒子的纳米纤维素基材料的最低抑菌浓度远低于单一金属或金属氧化物纳米颗粒。

精油和植物提取物作为植物次生代谢物质，在自然界中分布广泛，种类繁多且抑菌活性优异。精油的化学成分主要是单萜、倍半萜及其相应的含氧衍生物。研究表明，在大量的精油成分中，有效抑菌成分主要是小分子的酚类物质、萜烯类物质和醛酮类物质。植物提取物主要包括一些生物碱类、糖苷类、萜类、黄酮类、鞣酸类和醌类等，其都已被证实具有较好的抗菌效果，而且这些植物提取物具有广谱抗菌特性，不产生耐药性，是一类潜在的绿色安全的抗菌剂。

细菌素是由某些种类的乳酸菌产生的肽或小蛋白质，可抑制食物腐败细菌，主要是革兰氏阳性菌的生长。

乳链菌肽（Nisin）是一种由乳酸菌生产的全长为34 个氨基酸的抗菌肽，是少数被批准作为食品防腐剂的抗菌肽之一。世界卫生组织认为Nisin安全无毒，其已被广泛用于50多个国家的各种食品，如乳制品、肉制品、罐头食品和啤酒。

生物基包装膜是一种很有前途的包装材料，有望替代传统塑料。纳米纤维素属于可再生资源，是可生物降解并能持续利用的绿色环保材料。

在纳米纤维素基复合材料中，纳米纤维素既可作为增强剂，增强复合材料的理化性能，也可利用其表面易修饰的特点合成高性能复合材料，还可在复合材料中引入其他所需的功能物质，如抗菌剂。

利用纳米纤维素作为基体相，与抗菌剂复合制备成新型抗菌复合材料，使其既具备了纳米纤维素的优良特性，又被赋予了较强的抗菌性能，具有广阔的应用前景。

虽然纳米纤维素在食品包装中有着广泛的应用， 但由于其生产成本高是一个很大的障碍，目前相关研究还处于实验室阶段，尚未产业化应用，还需研究者们不断地探索和尝试。

参考资料：

[1]康晓鸥,易兰花,邓丽莉,曾凯芳,阮长晴.纳米纤维素基抗菌复合材料及其在食品包装中的研究进展[J].食品科学,2020,41(11):317-326.

[2]刘双双,李玉磊,王玉峰.纳米纤维素增强生物基食品包装材料的研究进展[J].天津造纸,2021,43(03):7-11.

[3]朱丹. 食品包装用生物纳米复合材料的研究进展[J]. 明胶科学与技术, 2019, 39(3):12.

作者简介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究