如何利用细菌纳米纤维素，开发出可生物降解的食品包装？

点击右上方关注，解锁每天好文章

«——【·前言·】——»

随着环保意识的提高，人们认识到传统塑料食品包装，对环境的巨大危害。研究可生物降解材料作为替代的方案，已经成为当今的热门话题之一。利用生物材料开发出，可生物降解的食品包装，是当前的一个重要研究方向。

所谓生物可降解材料，指的是由可再生资源制成的，能够在自然界中快速分解，并可以无害化处理的材料。

与传统的塑料包装不同，生物可降解材料，可以在不产生有害的气体和有毒废物的情况下，逐渐分解为水、碳和其他天然元素。这种材料不会对自然环境造成污染，可以回归自然界。

«——【·蛋白质来源的可食用膜·】——»

多糖和蛋白质来源制成的可食用膜，因为可再生、可生物降解和可食用性能，被广泛应用于食品包装。

在潜在来源方面，麦胶蛋白和大豆蛋白是重要的植物蛋白来源，用于制备可食用膜；明胶、角蛋白、胶原蛋白和酪蛋白，则是主要的动物蛋白来源；富马酸脱水酶、乳酸脱氢酶和胰蛋白酶，被认为是潜在的细菌蛋白来源。

蛋黄是潜在的蛋白质来源之一，可以用于合成新型的可食用膜。利用无脂蛋黄、植物乳杆菌和乳糖酸，可以合成三种不同类型的生物活性膜。

添加乳糖酸可以增强益生菌的生存能力，并显示出较低的水溶性比率。因此，这些类型的可食用膜可以用于食品包装。

实验利用氢键，二硫键的疏水作用，制成了一种可食用膜。二硫键通过巯基存在来稳定，所得到的薄膜表现出，良好的气体阻隔性能、机械强度和均匀性。

加热过程中，高分子物质变性，天然的二硫键和疏水基团被破坏，干燥过程中，麦胶蛋白氧化会产生新的二硫键。

膜的透明度主要取决于，麦胶蛋白的纯度水平和铸模介质的类型，例如是酸性还是碱性。除了麦胶蛋白，乳清蛋白也具有潜在的制膜功能性。

通过实验对可食用膜的透明性、柔韧性和低湿度下，油/气/阻隔功能，进行了广泛的研究。结果显示，乳清蛋白衍生的膜通常显示出较差的防水属性，补充脂质/油可以增强它的防水属性。

利用蛋白质甘油增塑剂，制备了乳清蛋白衍生的可食用膜，并研究了柠檬和佛手柑精油，作为生物塑料膜的功能性成分。

由于在膜中添加了精油，乳清蛋白基薄膜具有良好的抗微生物潜力，和氧气/水蒸气渗透性能。在合成有理想特性和功能的新型包装膜时，必须评估在涂层形成期间，不同生物高聚物之间的相互作用。

为满足食品包装要求，实验又制备了大豆蛋白衍生的生物塑料膜。与其他蛋白质衍生的生物塑料膜相比，大豆蛋白衍生的生物塑料膜，成本效益高、透明、柔性和光滑。在低湿环境下，大豆蛋白衍生的膜还表现出氧气阻隔特性。

与乳清蛋白衍生的可食用膜，良好的氧气阻隔特性相比，大豆蛋白衍生的膜具有较弱的机械强度、易致敏性和低热稳定性，而且在高温条件下，大豆分离蛋白在SST平板上没有形成制膜属性。

«——【·利用细菌纳米纤维素形成智能和活性包装·】——»

细菌纳米纤维素（BNC），由β-1,4-糖苷键连接的葡萄糖单元构成，是一种无支链的纳米纤维蛋白聚合物。细菌纤维素通过醋酸菌，在非合成和合成培养基中，进行氧化发酵而产生。

合成制成的细菌纳米复合材料，具有高结晶度、优异的机械强度、高吸水性、大表面积和渗透性等突出的化学和物理特性。

这些特性使得BNC成为一个有前途的材料，可用于改善食品包装领域。细菌纳米复合材料的加固效果更高，因为聚合度和更高的抗拉强度的优点，使它适用于补充包装材料。

PSBMA和细菌纳米复合材料，具有UV屏障性能、对病原微生物的抗菌活性，和吸湿能力，可用于智能食品包装，监测食品湿度水平。

抗菌活性研究，在生牛肉和液态形式中，大肠杆菌O157:H7计数，减少了7和3对数CFU/mL。这表明，在4 下至少存放10天，这些薄膜能够防止天然存在的细菌生长。

研究提供了一种工业化的生产，生态友好、成本效益高的细菌纳米纤维素（BNC）薄膜方法。使用成本效益高的发酵红茶培养基，采用静态间歇喂养技术。用简单的浸渍技术对BNC薄膜，进行生物聚合物——壳聚糖的改性。

这些生物薄膜的缺点，是缺乏抗菌和抗氧化活性以及劣质的机械属性。这些限制可以通过，添加不同的生物活性化合物来有效减少。

最近的研究表明，细菌纳米复合材料的添加，可以提高EFP薄膜的性能。这些特性包括竞争能力、水敏感性、光学、屏障、抗氧化和机械性能、以及抗菌属性。

研究证明了不同细菌纳米复合材料的补充，可用于获得抗菌膜和pH、释放抗氧化剂的膜、吸湿剂、新鲜度和湿度，以及其他生物传感器。

将细菌纳米复合材料与其他材料混合，如银纳米粒子，也可以作为生成纳米粒子和不同稳定剂的还原剂。

然而，细菌纳米复合材料的局限性在于缺乏灵活性，因此，为了获得更好的机械性能，需要将BNC与聚合物基质相结合。

为了克服这一限制，开发了一种使用银纳米颗粒和BNC的抗菌生物薄膜。用于改性的方法包括还原和紫外辅助，通过改性这些薄膜展示了显著的氧阻隔能力，但蒸汽渗透性略有改善。

«——【·仙人掌/粘液用于薄膜开发·】——»

天然生物聚合物，广泛用于制备可生物降解的薄膜。在这些天然生物聚合物中，仙人掌粘液，用于提取生物活性化合物日益受到关注。

仙人掌粘液是一种功能性生物聚合物碳水化合物，其特点是亲水性化合物。由于粘液中，粘性植物提取物和植物微生物，仙人掌粘液通常具有粘性。

利用蛋白酶提取粘液化合物中的蛋白质组分，有助于改善化合物的溶解性和黏度。用葡聚糖酶和木聚糖酶，从南方仙人掌中提取粘液收率。

粘液是一种高度分支的异多糖，因其重要的生物技术应用、结构特性、化学组成以及在不同包装行业中，开发可食用膜的需求而受到早期的研究。

实验开发了一种基于山梨醇的增塑剂可食用膜，这些膜表现出良好的防水汽特性，而聚乙二醇增塑的可食用膜，表现出约49 C的高玻璃转移温度，并具有171 C的热稳定性。

通过将仙人掌粘液（CM）与聚乙烯醇（PVA）混合，形成新型可食用膜。PVA/CM复合膜，具有良好的紫外线和可见光隔离属性，并且具有改善的热变化性。

仙人掌粘液薄膜通常具有优异的气体隔离特性，同时具有良好的柔韧性和耐高温性，它们的缺点是机械强度差，粘液可食用膜的功能特性，通常基于多糖的组成和结构。

出于这些原因，使用仙人掌粘液和其他可生物降解聚合物的复合薄膜材料，被广泛研究开发。仙人掌粘液涂层被用于涂覆番石榴、草莓、西红柿、最小加工山药、芒果和草莓等水果。

基于阿拉伯半乳糖的薄膜表面光滑，具有热稳定性、可生物降解性和柔韧性，开发了基于奇亚籽粘液的可食用膜。

这些膜表现出良好的热稳定性和低溶解度，以及良好的紫外线隔离特性。同样，之前开发的巴兰谷籽粘液薄膜，表现出高的隔阻和机械特性。

尽管它们具有气体隔离特性，但粘液来源的薄膜的弱拉伸强度，以及劣质的水汽隔离属性，降低了它们作为独立包装薄膜的应用比例。

为了减少这些缺点，可以采用不同的考虑因素，例如添加交联剂和纳米颗粒等添加剂，以及使用生物来源聚合物的复合混合物，下图展示了仙人掌/粘液用于可食用膜开发的利用情况。

«——【·限制和建议·】——»

仅使用纯基质的可食用膜的性能，并不能保证实际应用的满意度。壳聚糖基薄膜和涂层的力学特性、抗氧化方面和隔离性能等方面都非常不理想。

为了提供功能性能并改善现有性能，薄膜科学家正在努力寻找适当的添加剂。尽管可食用薄膜具有许多优点，如具有与石油衍生塑料相似的，气体隔离性能和热焊接性能。

但由于安全健康问题、高成本、拉伸性差和加工障碍等，生产仍处于实验室阶段。通过添加增塑剂，以及生产多层材料和复合材料等方法，观察到了薄膜性能的显著提高。

然而，关键因素的原始研究仍未得到深入探索，实验室规模时出现的问题，如长时间干燥、厚度控制不精确、无法形成连续薄膜，必须在开始工业阶段的生产之前解决。

«——【·结论·】——»

生物技术在食品包装，可食用材料的生产中得到了广泛的应用。在发达国家中使用的保鲜蔬果薄膜，是通过生物技术工具制备的。

这些薄膜并没有在全球范围内商业化，因为它们的生产成本，要比石油塑料膜高出10至50倍。对这些薄膜和涂层的毒理学、健康影响、生物降解性等方面的研究，还需要进一步开展。

对食品质量、食品安全和消费者接受度有重要影响。开发更便宜的可食用包装技术，和原材料是时代的需求。

研究人员需要找到各种成本效益的，可食用原材料（如乳制品工业的乳清和奶油废料），来制备可食用包装材料。

利用生物材料开发可生物降解的食品包装，正处于不断的发展阶段，而未来的发展前景也非常广阔。在实现生产和使用过程中，需要积极倡导环保意识，加强各方面的合作，推动这种新型环保材料的广泛应用。

参考文献：

1. Suppakul P, Miltz J, Sonneveld K, Bigger SW. "Active packaging technologies with an emphasis on antimicrobial packaging and its applications." Journal of Food Science 2003; 68(2): 408-420.

2. Azeredo HMC, Waldron KW. "Cross-linking of proteins for improved functionality and biodegradability in edible films and coatings." Trends in Food Science & Technology 2016; 52: 59-70.

3. Azlin-Hasim S, Cruz-Romero MC, Morris MA. "Edible coating and active packaging in reducing postharvest decay of fresh produce: A review." Critical Reviews in Food Science and Nutrition 2018; 58(5): 803-816.

4. Espitia PJP, Soares NFF, Coimbra JSR et al. "Edible films from pectin: Physical-mechanical and antimicrobial properties - A review." Food Research International 2012; 49(1): 172-183.

5. Gavara R, Catalá R. "Development of a biodegradable packaging material from almond shell." Journal of the Science of Food and Agriculture 2007; 87(5): 898-904.