生物基材料在食品包装中的研究应用

当前，塑料污染与食品安全已成为全球关切的焦点。传统塑料的不可降解特性给地球带来了沉重的环境负担，生物基食品包装材料是以食品级可再生资源为原料制备的新型包装材料，具有可降解、环境友好、来源广泛、安全等优点，成为当前研究的热点。

生物基食品包装材料可分为三类：从动植物中提取的物质、微生物合成的产物、通过化学反应形成的物质，主要包括淀粉、纤维素、壳聚糖、蛋白质和聚乳酸等可再生资源，其通过整合天然抗菌、抗氧化活性成分，能创造出保护食品的智能包装系统。

淀粉

淀粉是主要来源于玉米、马铃薯、小麦等作物的天然多糖，因其来源广泛、成本低廉和完全可生物降解的特性，被视为包装材料的理想基材。不过，纯淀粉膜具有机械强度不足，极易吸收水分等缺点，限制了其直接应用。为了克服这些缺点，研究人员采用了多种巧妙的改性策略。

例如，添加甘油、山梨醇等“塑化剂”，可以破坏淀粉分子间僵硬的氢键结构，使其变得柔韧可塑，形成易于加工的热塑性淀粉。还有研究将纳米黏土、纤维素纳米晶等纳米尺度的填料引入淀粉基质中，能极大地增强其力学性能。研究表明，通过这种方法，复合膜的拉伸强度甚至可以提升高达173%。

除了提升物理性能，赋予淀粉膜“活性”是其功能化的关键。柠檬酸的加入，不仅能与淀粉分子发生“交联”反应从而增强薄膜强度，还能在用于芒果保鲜时延长其保质期。同样，将儿茶素、花青素、百里香精油等天然提取物添加于淀粉基材中，能显著提升膜的抗菌或抗氧化能力。

在实际应用中，有研究将绿茶提取物加入马铃薯淀粉膜中，用于包装牛肉，该膜展现出优异的水蒸气阻隔性和自由基清除效果，保鲜效果显著。类似地，将含有丁香 花蕾精油的淀粉膜用于五花肉的保鲜，能有效降低肉的氧化程度。

纤维素

纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物，是植物细胞壁的主要组成部分。传统的造纸术早已将纤维素以纸基形式应用于包装。而今，随着科技的发展，纤维素的应用得以更加广泛，通过新型溶剂体系，可以制备出透明度高、性能更优的纯纤维素膜。例如，有研究采用低温溶剂体系制备纤维素膜，再将其与壳聚糖等材料复合，得到了透明度增加、抗紫外线性能增强的复合膜。

纳米技术的介入，为纤维素基包装打开了全新的维度。纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶体和细菌纤维素等纳米纤维素，因其极高的比表面积、卓越的机械强度和强大的活性物质负载能力，成为研究热点。

在抗菌包装方面，有研究将纳米银颗粒负载于细菌纤维素的三维网络结构中，制备出的复合膜同时具备了优异的阻氧性和抗菌性。另一项研究则成功将纳米银与纤维素纳米纤丝结合，制备出的材料能持续释放银离子，有效抑制大肠杆菌的生长。此外，利用单宁与纳米纤维素制备的多功能膜，还表现出优异的疏水性、氧气阻隔性和紫外屏蔽功能。

此外，纤维素的衍生物，如羧甲基纤维素，也因其良好的成膜性而被广泛应用。有研究将牛至精油添加于羧甲基纤维素中，制备的活性膜抗氧化和抗菌能力均显著提高。将木质素引入羧甲基纤维素基材中，能明显改善复合膜的机械性能、抗紫外线能力和疏水性。

不过，虽然实验室成果丰硕，但是纳米纤维素基活性包装的大规模商业化仍面临制备效率、成本和安全性系统评价等挑战，这是未来需要着力突破的方向。

壳聚糖

壳聚糖，主要来源于虾、蟹等甲壳类动物的外壳，是一种天然的氨基多糖。它天生具备良好的成膜性、生物相容性和广谱抗菌性，使其在食品保鲜领域独具优势。其分子中的氨基和羟基还赋予其一定的抗氧化潜力。不过，纯壳聚糖膜在机械性能和耐水性方面仍有待提升。通过复合改性，可以有效弥补这些不足。

研究发现，添加芒果叶提取物不仅能提升壳聚糖膜的机械强度，还能改善其阻水性能，用于腰果保鲜时，其抗氧化效果甚至优于传统的聚乙烯包装。

将海藻酸钠与壳聚糖复合，可以制备出对大肠杆菌抑制率高达93.4%的包装膜，同时其拉伸强度和伸长率也非常出色。在添加活性剂方面，添加了紫米多酚的壳聚糖复合膜展现出更强的自由基清除效果。

在肉制品包装中，采用冬凌草甲素与壳聚糖的复合膜包装鸡肉，可使其保鲜期延长5天，有效保持了鸡肉的品质和感官特性。

此外，为了拓展其在包装中的应用，研究人员对壳聚糖进行了多种改性，开发出羧甲基壳聚糖等衍生物。有研究以普鲁兰纳米纤维为核心，羧甲基壳聚糖为壳层，成功制备了包封抗菌肽Nisin的核壳纳米纤维，展现出优异的抗菌活性。

蛋白质

蛋白质，作为生命的基石，同样也是构建包装材料的优秀选择。无论是植物来源的大豆蛋白、玉米蛋白，还是动物来源的乳清蛋白、胶原蛋白，它们所制备的包装材料通常具有良好的拉伸强度、出色的氧气阻隔性和易降解性。但纯蛋白膜同样面临机械强度不足和易受微生物侵蚀的问题。通过物理、化学或共混改性，可以显著改善其性能。有研究利用化学交联剂对大豆蛋白膜进行改性，有效提高了其力学性能和耐水性。

功能化是另一大研究方向，有研究在碱性条件下将单宁酸加入大豆分离蛋白中制成膜，随着单宁酸含量的增加，该类膜对紫外线的屏蔽效果增强，对氧气的阻隔性提高，抗氧化性也显著提升。疏水性强的玉米蛋白是包装领域的后起之秀。

有研究采用静电纺丝技术开发了肉桂精油-乙基纤维素/玉米醇溶蛋白复合纤维材料，将其用于包装双孢蘑菇，能有效保持蘑菇的硬度，显著提高其贮藏质量。另一项研究则将异硫氰酸烯丙酯包封在静电纺丝玉米蛋白纳米纤维中，用于草莓包装，能很好地保持草莓的抗氧化活性和花青素含量。

此外，动物蛋白同样表现不俗。有研究将柠檬酸添加于角蛋白中制备的活性包装膜，可明显延长胡萝卜的保质期。由胶原蛋白制备的膜强度大、阻氧性好，有研究通过超声辅助制备了没食子酸改性的金枪鱼皮胶原蛋白-壳聚糖复合膜，用于猪肉包装，能有效抑制菌落生长，保持猪肉的新鲜度。

聚乳酸（PLA）

聚乳酸（PLA）是以玉米、小麦等农作物为原料，经发酵聚合而成的生物基聚酯。它在自然条件下可以完全生物降解为二氧化碳和水，对环境无害，是当前商业化最成功的生物塑料之一。

除了优异的生物降解性，PLA还具有良好的透明度、光泽度和机械加工性能。有研究发现，纯PLA膜对西兰花就有良好的保鲜效果，能延缓其变黄，减少质量损失。通过引入活性成分，PLA可以升级为功能更强的活性包装。有研究制备了一系列含茶多酚的PLA包装膜用于樱桃保鲜，显著延长了樱桃的保质期。类似地，采用流延法制备的牛至精油/PLA活性包装材料，其抗氧化性能随精油添加量的增加而提高。

PLA也是合成抗氧化剂的良好载体，并且通过等离子体技术对其表面进行改性，可以制备出对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有明显抑制作用的抗菌膜。不过，PLA也存在韧性差、较脆的缺点。添加纳米材料或与其他聚合物进行共混改性是改善其韧性的有效途径，也是当前的研究热点。

结语

生物基活性包装材料的蓬勃发展，是材料科学、食品科学与环境科学深度融合的生动体现。未来，生物基活性包装的研究将更加注重性能的平衡与协同，致力于开发成本更低、效率更高的规模化制备工艺，并对新材料的安全性进行更系统的评估。

同时，将活性包装与智能指示技术相结合，开发能够实时监测并反馈食品品质的“智能活性包装系统”，将是下一个前沿方向。随着技术的不断进步和创新，生物基活性包装必将在全球可持续发展的浪潮中扮演越来越重要的角色，能够真正实现人与自然的和谐共生。

参考资料：

[1]刘佳欣,赵晓颖,翁云宣.生物基可降解聚合物食品包装材料发展及应用综述[J].包装工程,2023,44(13):19-26.

[2]安艳霞,刘欣,雷永伟,等.生物基活性食品包装材料的研究进展[J].食品安全质量检测学报,2023,14(18):190-200.

[3]王雅荭,谢京颖,高彦祥.生物基材料及其在食品包装中的研究进展[J].中国食品添加剂,2024,35(11):238-248.

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