可降解食品包裝構建及其功能化智能調控技術

一 成果簡介

食品包裝是食品供應鍊中必不可少的組成部分，充當着食品的保護層或屏障層，避免受到外界不利因素的影響。然而，在環境及可持續發展問題日益嚴峻的今天，基于石化資源的傳統塑料包裝巨量使用所帶來的氣候變暖、資源能源危機等問題已成為全球關注的焦點。随着“限塑令”的進一步升級，開發可再生、可降解的環境友好型天然生物高分子可食用膜材料替代傳統塑料包裝、減少白色污染已成為食品包裝領域的研究熱點。此外，随着生活水平的不斷提高，消費者對食品安全越來越重視，包裝的被動惰性屏障效應已無法滿足人們的需求。針對包裝食品的特點，設計适宜的主動功能化包裝體系實現食品的貯藏保鮮是目前食品包裝行業領域亟待解決的問題。

二 創新要點

本團隊近年來一直緻力于天然生物大分子基可降解食品包裝及其功能化智能調控的研究上，包括從制備工藝，膜基質化學結構、微觀結構等角度出發實現對包裝膜性能的改善，從食品的防腐保鮮需求及功能化載體的結構特性出發獲得對功能化成分釋放的智能調控，成果處于國際領先水平。具體成果示例及其創新點簡述如下：

1 天然生物大分子基可降解食品包裝構建

（1）方便食品可食用速溶包裝袋研制：針對方便食品内包裝袋帶來的打開不便，易黏附内容物造成浪費以及環境污染問題，結合天然生物大分子親水的自身優勢，從天然生物大分子結構、成膜特性、機械性能及其溶解特性内在聯系的分析出發，分别研制了适用于方便面調料，速食湯料以及茶葉的内包裝。研制的速溶包裝袋可在數秒内溶化釋放内容物，且不幹擾内容物及産品特有的風味和口感。

圖1 食品速溶包裝袋：（左）方便面調料包，（中）速食湯料以及（右）茶葉包

（2）冷鮮食品保鮮膜研制：冷鮮肉等冷鮮食品在儲藏和流通過程中存在許多導緻品質劣化的因素，雖然低溫儲藏是抑制品質劣化的有效方法，但低溫會加速幹耗。如何避免劣化，延長冷鮮制品貨架期，已然成為當今冷鮮制品企業亟需解決的問題。本研究基于滲透網絡及彎曲路徑結構模型的建立，明确天然生物大分子基保鮮膜機械及阻隔性能的影響因素，通過對膜微觀結構的調控，設計了冷鮮肉适用的保鮮膜，保鮮效果遠優于低密度聚乙烯（LDPE）保鮮膜。

圖2 冷鮮食品保鮮膜：（左）膜微觀結構調控示意圖及（右）其對冷鮮肉的品質影響

（3）膠原蛋白可食用包裝的改性增效：作為成功實現工業化的可食用包裝之一，膠原蛋白腸衣目前在香腸生産中已不可或缺，工藝主要包括獸皮真皮層中膠原蛋白纖維的提取和重組（擠出、固定、幹燥）兩個過程。然而，基于我國灌腸肉制品餡料組成複雜、成品熟制工藝多樣的事實，中國市場對膠原腸衣品質的要求更為嚴苛，膠原腸衣的機械強度、柔韌性以及蒸煮特性還無法與天然腸衣比拟，存在罐裝破裂、蒸煮爆破等問題。在闡明再生過程中膠原蛋白纖維微觀結構的轉化與重組是影響成品品質關鍵的基礎上，通過膠原纖維提取工藝，複合、交聯技術及纖維重組工藝等的調整實現膠原蛋白各尺度相互作用的調控，達到膠原纖維網絡中長程和短程相互作用的平衡，獲得膠原腸衣性能的大幅提升。

圖3膠原蛋白腸衣的改性增效：（上）膠原腸衣提取與重組過程調控示意圖及（下）改性增效後膠原腸衣應用效果

2   天然生物大分子基可降解食品包裝功能化智能調控技術

（1）功能活性物質梯度控釋技術開發：通常包裝中的功能活性物質通過擴散作用釋放到食品表面及内部來抑制食品的氧化腐敗，如何在添加量有限的情況下，實現可控持續釋放是包裝高效功能發揮的關鍵。在明确載體化是獲得緩控釋性能有效手段的基礎上，結合載體和可食用膜結構特性對功能物質控釋影響規律及機制的确立，通過調控功能物質在載體和膜基質中的分配設計了梯度控釋包裝，并于實際油脂體系中獲得了貨架期1.5-2倍的提升。

圖4 功能化梯度控釋包裝：（上）基于載體化的梯度控釋包裝設計原理示意圖及（下）其在真實油脂體系中應用的效果

（2）功能活性物質智能控釋技術定向開發：目前的控釋手段多是從改變功能活性物質的擴散難易程度出發的，還存在無法根據食品實際保鮮需求實現主動控釋的局限性。在進一步研究中以果蔬為例，基于其呼吸代謝排出CO2形成頂空高濕酸性微環境的特征，通過建立果蔬貯藏期間CO2濃度-pH值的相關性模型，并基于席夫堿的pH響應敏感性及其在高濕酸性模拟環境體系中控釋特性的分析，定向設計構建pH響應型智能控釋包裝，在實際果蔬nei體系中獲得了貨架期高達2倍的提升。

圖5 功能化智能控釋包裝：（上）席夫堿基pH響應型智能控釋包裝的制備及應用示意圖及（下）其在真實西蘭花體系中應用的效果

三 關鍵指标

1.開發的速溶包裝袋具有快速溶解，且不影響包埋食品原有風味口感，包裝性能與傳統包裝類似的特征；

2.針對不同冷鮮食品儲藏需要的氣體交換及水蒸氣透過條件，從微結構的調控出發，設計系列冷鮮食品适用的保鮮膜；

3.在明确功能活性物質濃度與其作用效果相關性的基礎上，結合功能物質在載體和膜基質中釋放曲線，設計梯度控釋包裝，延長真實食品貨架期；

4.基于食品特征分析确立響應信号物質，定向開發與食品實際防腐保鮮需求匹配的智能主動控釋包裝，以期獲得貨架期1.5倍以上的提升。

四 企業⏭➰開發及産品應用信息

相關成果部分為企業⏭➰開發，部分具有獨立知識産權可轉讓或授權使用，前期⏭➰企業包括北京秋實農業股份有限公司、内蒙古秋實生物有限公司、無錫清和紅飲品管理有限公司等。

五 聯系方式

成果負責人：鐘芳

聯  系  人：劉飛   手  機：18262272028 

E-mail：feiliu@jiangnan.edu.cn