天然高分子食品包装材料的性能及应用

中国包装报/2007年/8月/21日/第003版

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天然高分子食品包装材料的性能及应用

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天然生物材料是指可以再生的自然资源如淀粉、蛋白、植物纤维、生物来源的单体等为基础制得的材料。这些材料来源丰富、可再生、可降解、污染小，是具有发展潜力的绿色包装材料。近年来，由于环保意识的提高，天然生物包装材料受到了人们的重视。如国内开发的以农作物秸秆、稻草为原料的聚苯乙烯泡沫餐盒代用品，蒲叶经热定型、漂白、杀菌制造的一次性餐皿已受到国外进口商的青睐。

一股来说，从生物材料中得到的可再生多聚物主要有3类：(1)直接从天然资源中提取的多聚物，例如多糖(淀粉、纤维素等)、蛋白质(酪蛋白与小麦面筋蛋白等)及其他多聚物；(2)用可再生生物来源的单体化学合成多聚物，如聚乳酸(PLA)；(3)直接从转基因型的微生物体中获得的多聚物。许多微生物具有有机化合物作为碳源合成生物降解脂肪族聚酯的能力，因此可通过生物发酵技术合成聚酯生物降解塑料。第一类材料天然多聚物一般是亲水性的，存在性能和加工的问题；第二、三类材料一般有非常好的性能及良好的加工特性，能以普通的塑料加工工艺成膜，但成本也相对较高。现分别介绍如下：

淀粉基绿色包装材料

近年来，改性淀粉的生物降解或可溶性的降解塑料，已成为淀粉基材料研究开发的热点。淀粉基材料可用作油炸快餐食品的包装、一次性食品用袋和纸包装的外层膜等。

淀粉基聚乙烯醇塑料是其典型代表。它在制膜前对淀粉进行处理，也就是在挤压机中进行“无序和塑化”或进行化学改性，加入一定量的增塑剂淀粉，再与聚乙烯醇或聚乙酸内酯共混可得到透明的膜。膜中的淀粉部分会生物降解，剩余部分在堆积过程中降解。淀粉－聚乙烯醇膜有中等的阻气性能，机械性能比合成多聚物的膜差一些，可在食品一次性用袋方面代替低密度聚乙烯(LDP)包装。试验表明，淀粉基材料对微生物的生长没有促进作用，并且包装外的细菌不会透过而进入包装内，说明淀粉基材料有用作食品长期包装的潜力。淀粉的化学改性可以提高膜性能，淀粉比纤维价格低，更易加工和生物降解，但淀粉改性的成本也较高。

纤维素合成材料

纤维素是地球上最丰富的可再生资源，每年通过光合作用可合成约1000×106吨，而且具有价廉、可降解和不污染环境等优点。纤维素是多羟基葡萄糖聚合物，经过特定的物理和化学改性后具有不同的功能特性，可以粉状、片状、膜、纤维以及溶液等不同形式出现，因此用纤维素开发的功能材料极具灵活性并有广泛的应用性。

用纤维素可以合成各种生物降解材料。由于其大分子链上有许多羟基，具有较强的反应性能和相互作用性能，因此，这类材料加工工艺比较简单，成本低，加工过程无污染；能够被微生物完全降解；纤维素材料本身无毒，可得到广泛应用。由于纤维素分子间有强氢键，取向度、结晶度高，不溶于一般溶剂，因此不能直接用来制作生物降解材料，必须对其改性。纤维素改性的方法主要有酯化、醚化及氧化成醛、酮、酸等。如日本四国技术试验所以天然聚合物多糖(如纤维素和纤维素衍生物)为原料制成半透明的塑料切片，其拉伸强度和弯曲性能与常用塑料相似；以交联淀粉、活性碳酸钙和纤维素为主要原料制成的生物降解片材，力学强度和耐热水性能好，可代替聚苯乙烯作快餐盒或其它包装材料，对降低环保成本、消除“白色污染”，具有十分重要的使用价值。

纤维素还可制成各种高吸附性纤维素材料，如高吸水性纤维材料、高吸附重金属材料、高吸

附油脂材料等，可用于相应的新鲜食品和植物的包装及废水的处理等方面。

蛋白质膜材料

用植物蛋白制得的膜尽管不是完全疏水的，但有较好的阻湿性能和阻氧性能，并可挤压成型；其阻氧性受环境湿度影响较大，可在成膜时与脂质复合，提高阻氧稳定性，以应用于高含油量食品的储藏。

小麦面筋膜已用来涂布油炸花生和炸鸡，这种膜有合适的阻氧性能，但对二氧化碳却有充分的通透性，适合于需呼吸作用的新鲜产品，并且对芳香物质透过率是低密度聚乙烯膜的1／10，有利于食品风味的保存。玉米醇溶蛋白已在商业上用于可食性包装及涂层，有较好的阻隔性、良好的保湿性及抗氧化性，也作为药物的缓释剂使用。大豆分离蛋白膜可以减少葡萄干和干豌豆中的水分迁移。

动物来源的蛋白用于制膜的主要有胶原蛋白、乳清蛋白和酪蛋白。胶原蛋白膜是应用较多的可食性蛋白膜，低湿度下阻氧性好，以作为香肠的肠衣广泛使用；乳清蛋白膜可减少氧气的透过，与乙酚单甘油酯复合涂布于冷冻大马哈鱼与焙烤花生上可明显降低其氧化速度，也可以减少谷类早餐食品中的水分迁移；酪蛋白与脂质的复合膜可应用于新鲜蔬菜、干果、冻鱼的保藏，能够减少水分迁移和油脂氧化。

微生物多聚物

微生物聚酯聚－β－羟基链烷酸(PHAs)有极好的成膜和涂层性能，以此为原料制成的产品可与聚乙烯、聚丙烯、聚酯相媲美。这些产品熔点低、结晶度低、抗水性高，可在土壤中生物降解，可用普通的塑料加工工艺加工成型，其中以BioPol为典型代表。

通过改变微生物菌种、碳源及碳源组成比率来调节羟基丁酸酯(HV)和羟基戊酸酯(HB)比率即可获得不同结构与性能的产品，聚羟基戊酸酯(PH)赋予材料强度与刚性，聚羟基丁酸酯(PH)使材料有弹性、韧性。这种材料与淀粉基材料相比，有较强的耐水性，但阻气性差一些，可用于瓶装饮料、牛奶纸包装涂层材料、快餐包装、餐用杯及一次性食品用袋中。目前因为从微生物体中提取多聚物成本很高而不能广泛使用，如果能通过扩大生产规模、改变工艺，来降低成本，这将是一种很具潜力的多聚物。

聚乳酸类材料

聚乳酸(PIA)是最重要的乳酸衍生品。聚乳酸类高分子材料具有无毒、无刺激性、强度高、生物相容性好、可塑性好强、膜弹性好等优点。

聚乳酸类高分子材料易被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代替，最终形成水和二氧化碳，不污染环境，因而被认为是最有前途的可生物降解高分子材料。用聚乳酸制成的生物降解塑料常用来生产透明食品包装、拉伸薄膜、发泡容器和塑料容器等，可广泛应用于食品包装业、农林牧渔业和卫生用品等方面。