活性包裝

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活性包裝（active packaging）

　　活性包裝是指對具有生命產品的包裝。其包裝特點是維持其產品所具有的生命，而不是單純地保護其色、香、味，一旦失去生命和停止呼吸，生命產品將失去價值或貶值。常見的活性包裝有：動物類和植物鮮花類的包裝，如活鮮魚類的包裝、動物雛苗(雞、鴨等)的包裝，菜苗的包裝、果(樹)苗的包裝等等，可簡稱活性包裝為“維持生命包裝”或稱為保活包裝。

　　活性包裝中所用到的包裝材料稱為活性包裝材料。活性包裝中所使用的相關技術方法稱為活性包裝技術。

　　為了控制包裝內的特定氣體，使用能吸收或釋放特定氣體的化學物質。其功能體系包括使用殺菌劑、脫氧劑、氣味吸收劑或釋放劑、光線阻隔劑、防霧劑、防粘劑、穩定劑和酶抑製劑等。

　　(1)吸收氧氣系統

　　食品包裝中存在的氧會加速許多食品的腐敗和變質。氧可以引起許多食品產生異味，顏色變化和營養價值的流失，並能加速細菌的繁殖。脫氧劑是所有活性包裝技術中研究得最多的領域。放人包裝中的裝有脫氧劑的獨立小袋已經獲得了商業應用。小袋中的脫氧劑通常是研磨得很細的氧化鐵。還可將脫氧劑設計成直接與包裝材料結合。

　　三菱瓦斯化學株式會社採用脫氧劑系統是由多個不飽和脂肪酸(聚氨酯FA)組成的。藉助一些載體油(豆油、芝麻油、棉籽油中的亞油酸或亞麻酸等)或聚氨酯FA與過渡金屬催化劑和一種鹼性物質(碳酸鈣)混合使其固化成脫氧劑。解決了大多數已知的氧吸收劑都有的一個嚴重缺點，即吸氧反應在沒有水存在時不能順利進行。

　　(2)二氧化碳氣體清除劑和發生劑

　　在某些食品包裝中需要有高含量的二氧化碳氣體，因為二氧化碳氣體能抑制食品錶面上的細菌繁殖和降低新鮮農作物(如果蔬)的呼吸速度。在氣調包裝中需要產生各種濃度的二氧化碳氣體來適應特定的食品要求。由於二氧化碳氣體比氧對大多數塑料薄膜有更大的滲透性，因此在某些包裝中需要加速產生二氧化碳氣體以維持必要的氣體組成。而有些食品(如咖啡)會釋放出二氧化碳氣體，必須使二氧化碳氣體被吸收，以避免食品變質或脹破包裝。但到目前為止，二氧化碳氣體吸收或發生系統在商業應用上也僅少數。

　　(3)乙烯清除劑

　　乙烯對某些新鮮的和未完全成熟的果蔬能起到熟化引發的作用。它能加速衰老和減少它們的貨架壽命。乙烯吸收系統能不可逆地吸收水果或蔬菜所產生的乙烯，且只需少量的清除劑。有一種特殊的清除系統(澳大利亞的CSIRO)，當其同乙烯反應時會呈現粉紅色並可用來顯示反應的程度和乙烯清除劑的存在。還有能起到類似效果的比較常見的乙烯清除劑：裝人利於乙烯滲透袋的清除劑；直接將清除劑加入到包裝薄膜中，而起反應的高錳酸鉀，高錳酸鉀可以把乙烯氧化成醋酸酯和乙醇並使乙醇鈍化。

　　(4)滅菌劑的釋放系統

　　將防腐劑加入到聚合物包裝材料中或附在包裝材料上，以用作活性物質達到滅菌的效果。能夠用作滅菌劑的活性物質包括乙醇和其他醇類、山梨酸鹽、苯甲酸鹽、丙酸鹽、桿菌素和硫黃等。

　　已證明在包裝前將乙醇噴到麵包和其他烘焙食品錶面上能延長其貨架壽命。日本開發的一種產生乙醇蒸氣以延長糕點無霉貨架壽命的新方法是將食品級的乙醇先吸收到一種惰性的細粉末中，然後將它們裝在一個可透入水蒸氣的小袋中。惰性粉末從食品中吸收濕氣並通過小袋釋放出乙醇蒸氣併進入包裝剩餘空間。活性包裝的其他系統有含抗氧薄膜、氣味吸收和釋放系統、防粘連薄膜、防霧薄膜、阻光和調節光的組分等。活性包裝的應用廣泛，是一種智能型包裝。

　　活性包裝有清除和釋放的功能。清除是指對氧、乙烯、水分和腐敗異味的驅除，其包裝系統包括包裝袋、標簽、密封口和直接加入柔性包裝材料的多聚物，從而實現清除功能。例如脫氧劑能抑制好氧微生物的生長、脂類氧化、褪色、風味損失和營養元素的損失。釋放是指抗微生物製劑(如銀鹽、酒精、二氧化硫、桿菌素)的釋放和抗氧化劑(BHA、BHT)的釋放。活性包裝技術涉及食品、包裝材料與內部氣體問的相互作用機制及其相應的控制技術。其典型技術有脫氧劑技術、抗微生物製劑技術以及對不良氣味、水分、二氧化碳的控制技術。下麵分別加以闡述。

　　(1)脫氧劑技術

　　在日本，使用以鐵為基質的優質脫氧劑，其包裝內氧的濃度小於0．01％。應用的產品包括茶葉、肉製品、米糕、麵食等。此外，還以含有活性鐵粉的塑料標簽的形式插入包裝內，當然，也可以各種形狀的卡片形式加入包裝內。澳大利亞產的02TM是為一系列塑料包裝材料設計的，在此材料中的反應組分被紫外線或高的能量所激活才呈現’活J陛，因此適合於把傳統塑料加工成膜、片層、塗層等。用含有脫氧劑的EVOH／PE包裝柑橘汁效果如下：在40c下，3天內氧含量為o，一年後維生素c才損失一半。通過使用吸氧劑的盒裝酒的貨架期比傳統的包裝延長1／3。然而，對於腐敗味、毒性、溫度抵抗性、引發機制和成本等複雜問題沒有明確客觀的闡述，同時對脫氧劑有待於更深入的研究。脫氧的方法有鐵粉氧化(鐵系)、酶氧化(酶系)、光敏感性染料氧化等。

　　目前使用的大部分脫氧劑都是基於鐵粉氧化反應。這種鐵系脫氧劑則可做成袋狀，放入包裝內，使氧的濃度降到0．01％。一般要求1g鐵粉能和300mL的氧反應，使用時可根據包裝後殘存的氧氣量和包裝膜的透氧性選擇合適的用量。

　　除了鐵系脫氧劑，酶系脫氧劑應用也很廣。酶系脫氧劑對pH、水分活度、鹽含量、溫度和其他因素的變化都很敏感，在反應時還需水的參與。因此可應用於高水分含量的生鮮食品。另外，也可將酶系脫氧劑固定在聚丙烯或聚乙烯膜上。有研究表明，葡萄糖氧化酶結合在塑料錶面後，在剛開始的2～3周內，其活性會下降50％，而在隨後的4周內活性變化很小。

　　光敏感性梁料脫氧劑脫氧技術是在透明包裝袋的內頂部密封一乙基纖維素膜小薄片(內部溶解有光敏染料和單線態氧受體)，當包裝膜受到合適波長的光照時，激發的染料分子就會將環境中滲入包裝膜的氧分子致敏成單線態氧，此單線態氧分子與受體分子反應而被消耗掉。此類脫氧劑可有效地抑制黴菌和好氧性細菌的生長，延長食品貨架期。當包裝內氧濃度降到0．1％以下時可阻止許多黴菌的生長。實踐中多採用氣調包裝除去大部分氧氣，再使用較少數量的脫氧劑脫除包裝內殘餘氧的辦法。氣調包裝和脫氧劑結合使用時，包裝袋的氧氣通透性一般應小於20mL／(m·d·kPa)，否則透過包裝袋滲入的氧氣很快會使脫氧劑飽和而失效。

　　(2)乙烯脫除劑技術

　　乙烯是一種植物激素，對鮮果蔬具有不同的生理作用。它會加速楊梅的呼吸作用，促進成熟和衰老；還會加速其軟化和後熟，對其貨架期有不利影響。因此，為了延長鮮楊梅的貨架期，保持其感官質量，包裝袋內的乙烯必須脫除。

　　大部分乙烯脫除則是用高錳酸鉀把乙烯氧化成乙酸和乙醇。當高錳酸鉀的顏色從紫紅色變為褐色時，就失去了脫除乙烯的功效。高錳酸鉀由於有色，不能聚合入直接與食品接觸的包裝膜內，只能做成小袋。實際應用中常把錶面積較大的惰性支持物(如礬土、硅膠、硅石、硅藻土、活性炭等)在濃度為4％～6％的高錳酸鉀溶液中浸泡後，裝入能透過乙烯的袋中，製成乙烯脫除包放入包裝內。

　　活性炭也可將乙烯吸附，隨後將其降解。據報道，一定量的活性炭在20％時可有效抑制乙烯的蓄積。

　　也可將分散均勻的礦物質如沸石、黏土等聚合入包裝膜內以脫除乙烯。這種聚合包裝膜大多不透明，吸附乙烯的能力不強。但聚合後膜的通透性會改變，袋內乙烯和CO：通過膜向外擴散的速度加快，CO：向膜內進入的速度也大於純聚乙烯膜，這種通透性的改變也能降低包裝內乙烯的濃度，從而延長貨架期。由於乙烯用脫除劑的吸附能力不強，因此應用並不十分理想。每年仍有大量水果蔬菜在採後由於生理失調而腐爛，造成了巨大的浪費。因此應該加強這方面的研究。在13本，用活性陶土(沸石或加入塑料膜中的土)吸收乙烯，這些物質究竟是從內部包裝環境驅除乙烯，還是極大地增加了乙烯的轉移依然是一個問題。迄今為止，儘管這些物質在亞洲國家被廣泛使用，但在包裝材料中，礦物質是否真正有效仍在研究中。

　　(3)抗微生物製劑技術與抗微生物包裝

　　應用最廣泛的是銀鹽，銀離子可以抑制很多酶的代謝，具有很強的抗菌效果，抗菌譜較寬。在日本，通常的做法是銀離子直接與食品錶面接觸，使其與微生物作用，這個反應較依賴於底物的本質，銀離子可能更易於與食品本身反應，也許由於pH或鹽的存在而擴大了其活性。另一變化是，在可見光和水存在下，銀的催化活性在極性錶面，導致氣態氧變成活性氧，從而破壞了微生物的結構。但這個反應可能是過氧化氫的產物。對銀鹽作為抗微生物包裝材料的有效性和機制，仍然是研究課題。目前納米銀的製備成功為此類製劑的應用提供了一個新的領域。

　　異硫氰酸烯丙酯是從芥末和辣根中提取的一種有效的抗微生物製劑，這種化合物既抑菌又殺菌，即使在很低的濃度，仍有強烈的氣味，與山榆菜烹調，其味可接受。13本已把異硫氰酸烯丙酯(烯丙基芥子油)做成抗微生物薄膜應用於商業。

　　近來已證實二氧化氯是基質含氯的試劑暴露於濕氣中釋放出的抗微生物氣體。有研究者探討了能產生二氧化氯的反應系統。把亞氯酸鈉加入塑料中，轉化為易溶於水的強氧化劑二氧化氯。二氧化氯是一種低濃度(0．05～5mg／kg)、高活性的廣譜抗微生物製劑，包括病原菌和芽孢菌，反應的最終產物氯離子是無害的。二氧化氯在植物食品中作為消毒劑(果蔬清洗劑、麵粉漂白劑)已得到普遍接受，它也被作為水處理的環境保護劑。它在食品包裝中的主要應用是放在新鮮產品下麵的托盤里，控制微生物。它是極少不需直接接觸食品和包裝錶面的抗微生物包裝之一。二氧化氯作為食品包裝材料的抗微生物製劑已得到FDA的認可。

　　生鮮果品中常用的抗微生物化學製劑是一些防腐劑，如有機酸及其鹽、亞硫酸鹽、亞硝酸鹽、抗菌素、乙醇等。抗微生物劑可以混合在蠟層中用於天然乾酪，或混在濕蠟中塗在包裝紙上，或者與可食蛋白質混合塗層於半乾食品錶面。人們還嘗試將殺菌劑(殺真菌劑)和抗菌素添加到塑料中製成抗微生物包裝膜。抑霉唑作為活性物質與塑料膜化學結合可延遲黴菌生長。添加抑霉唑的LDPE膜曾用於包裝胡椒和契達乾酪，控制乾酪和胡椒的微生物污染。人們也試圖用其他化學物質、氣體、酶和天然成分作為防腐劑或殺菌劑，如丙酸、過氧化物、臭氧、氯的氧化物、丁香酚、桂醛、溶菌酶、乳酸鏈球菌素和EDTA。

　　這些抗微生物劑都可加入到包裝原料中去，與過氧化氫、臭氧、氯的氧化物相比，這些天然製劑由於其可食性也許更適用於生鮮食品的抗微生物包裝體系。

　　用在抗微生物包裝的大多數物質只是錶面活性，且大多生鮮食品有不規則的錶面，以及被推薦至今對人無毒的那些化合物不是廣譜的，因此用作傳統微生物控制方法的補充是有意義的。

　　理想的抗微生物包裝材料應有寬的光譜活性、低濃度、低成本、無惡劣的感官影響，並得到FDA的認可。傳遞系統包括加入聚酯、錶面膜和錶面接觸劑。包裝材料中有發展潛力的抗微生物製劑還包括有機酸、桿菌素、烯丙基芥子油、金屬離子和氣體釋放劑。已被用於乾酪、新鮮果品和麵包中，有待研究的是在冷凍產品分發條件下的熱穩定性和效能。

　　目前，澳大利亞開發出一種可緩慢釋放SO：的抗菌包(把偏二硫酸鈉聚合入微孔物質中)來抑制黴菌的生長，但SO：釋放過度會對某些水果(如葡萄等)產生漂白作用。另外，SO：的積聚和食品對SO：的吸收可能會造成一定的安全隱患。此外，乙醇也具有一定的抗菌性，食品在包裝前，可先在錶面噴塗乙醇，也可在包裝袋中放入乙醇釋放包，這種乙醇釋放包在日本已開始商業生產並大量使用，高水分含量的食品如麵包、魚、乾酪等產品使用後，可大大延長貨架期。但乙醇蒸氣易被食品吸收，且成本較高，其應用受到限制。

　　抗微生物包裝大部分做的都是可食膜，且測定的是其抑制區的活性，而不是真正的食品體系。大多數情況下，聚合物擠壓成型會破壞試劑的抗微生物特性，但錶面塗層限制了試劑的效果。另外，當它轉移到內部時，食品會稀釋試劑的有效性。至今還沒有任何可除掉病源菌的商業化抗微生物包裝材料。

　　(4)水分吸收劑技術

　　對於易產生汁液流失的食品(如楊梅等)，可在包裝中使用汁液吸收墊吸收流出的汁液，使包裝保持最佳狀態。因為滴出物經常是產品劣化的潛在根源，基於果肉的纖維素墊雖然吸收滴出物，但也作為更多水分的根源和微生物生長的媒介。有研究者描述了直接加入托盤的CMC聚合物吸收劑，這些吸收劑與滴出物形成不可逆凝膠，這樣控制食品內水分含量。通過結合了抗微生物試劑的凝膠墊，產品貨架期也延長了。如果水分過多，會使乾脆食品(如土豆片、餅干等)變軟，奶粉、速溶咖啡結塊等。而對另一些食品，如果通過包裝散失的水分過多，則會使包裝的食品失水乾裂，並會促使食品中脂肪氧化。為了避免這些情況發生，保證包裝袋內適宜的相對濕度，應根據產品的特性，除採用合適的包裝膜外，還可使用乾燥劑或濕度控制包(墊)。乾燥劑在乾酪、肉製品、馬鈴薯片、玉米花、糖果、調味料中均可使用，常用的吸濕劑主要是硅膠、分子篩、氧化鈣或天然黏土。使用乾燥劑除了可降低水分活度(Aw)，抑制黴菌、酵母和腐敗菌的生長外，還可保證乾、脆食品的感官品質。在馬鈴薯片的包裝中放入含有氯化鈣的乾燥包，可抑制黴菌的生長，使其在20℃的貨架期從5d延長到15～17d。冷凍海鮮在空運時，常使用較大的汁液吸收墊來吸收融化的冰水。吸水效果較好的聚合物主要有聚丙烯酸鹽及澱粉的交聯共聚物等。

　　(5)氣調滲透膜技術

　　大量研究表明，每種新鮮果品都要求它們自己特有的最佳環境氣體組成，以保證最長的貨架期。而傳統包裝技術難以達到包裝空間氣體組成的最佳化。活性包裝將會給新鮮食品貯藏保鮮帶來革命性的變化。有研究者對聚合物包裝結構控制氣體滲透方面又進行了深入的研究。前期的研究是：在溫度升高時可轉換氣體滲透力的能力，這樣，允許外部氣體進入鮮品，以避免厭氧呼吸；近來更多的進展包括：使用覆有Landee多孔薄膜和在基礎包裝結構上附上更大通孔的材料，可獲得適宜的02滲透率[428000mL／(㎡·24h)]和CO2滲透率[1600000mL／(㎡·24h)]，且以各種可調的比率應用於高呼吸率的新鮮產品(如花莖甘藍、蘑菇、蘆筍和草莓)，效果很好。用Lan—dec多孔薄膜包裝綠香蕉的新進展表明，可明顯延長成熟後的貨架期。

　　由於活性包裝體系中CO2有抑制食品錶面細菌生長的作用，並能降低鮮活果蔬的呼吸速率。另外，大部分塑料膜的CO2.透過率都比02透過率高。因此，人為地調節包裝空間的CO2濃度對某些食品的保鮮是非常重要的。可產生CO2的系統很多，例如將亞硫酸鹽系脫氧劑與NaHCO，混合，不僅可以除氧，而且可以產生CO2。鮮魚、肉、草莓等鮮活食品以及對黴菌敏感的加工食品在高CO2氣氛中是有利的。與此相反，像咖啡由於糖和氨基化合物的分解，在熔烤後會產生大量CO2。另外，乳酪在貯存時也會放出CO2，必須從包裝中除去CO2，以避免變質或脹破包裝袋。日本開發的含Ca(OH)2的包裝體系對吸收CO2很有效。

　　(6)風味釋放／異昧吸收技術

　　食品風味物質的散失會使其感官質量嚴重下降。為了防止果品風味散失，可在包裝膜上聚合入風味物質或添香物質。通過香味物質的釋放以增強包裝內食品的感官質量，也可在包裝袋中放入具有愉快氣味的膠囊，當包裝盒打開時，愉快氣味釋放。這種風味釋放有可能掩蓋食品或包裝膜本身的異味。應該註意的是，對已腐敗食品，不能用這種方法來掩蓋其不良氣味，以次充好，欺騙消費者。而對果汁中的異味(如葡萄柚果汁中的苦味)可通過包裝去除。葡萄柚果汁的苦味主要是由柚皮苷和檸檬苦素引起的，鮮柑橘及其果汁中含有這些物質。為除去這些物質，可在包裝膜內層塗上一層含有柚皮苷酶的活性乙酸纖維素，這種膜在7℃以下15d內使柚皮相水解，同時可吸收部分檸檬苦素。