基于果蔬保鮮的活性包裝技術研究進展

許超群，梁旭茹，岳淑麗*，陳飛平

1(華南農業大學 食品學院，廣東 廣州，510642)2(廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所,農業農村部功能食品重點實驗室,廣東省農產品加工重點實驗室，廣東 廣州，510610)

隨著人們生活水平的不斷提高，新鮮、天然、健康、營養的果蔬產品的需求越來越大。然而，水果和蔬菜水分含量高、營養豐富、新陳代謝活躍，在采收與貯存過程中容易受到脫水、機械損傷、環境壓力、微生物侵染和病理破壞等的影響[1]，導致果蔬的貯存期縮短，甚至變質失去食用價值，造成嚴重的經濟損失以及食品安全問題。如何在貯存和運輸過程中維持果蔬的天然品質，打破地域和季節的局限性，滿足消費者高品質新鮮果蔬的需求，是生鮮果蔬行業面臨的巨大挑戰。傳統包裝的保護作用往往是被動地隔絕外部環境，主要起到保護屏障的作用。然而，隨著社會經濟的發展，人們對食品安全和食品品質的要求逐漸提高，食品包裝作為食品生產加工、儲運銷售過程中保護產品、延長貨架期必不可少的一部分，亦不斷更新來滿足持續發展的市場需求[2]。因此，開發能最大限度地減少食品損失，并為消費者提供安全健康、高質新鮮的食品包裝尤為重要?；钚园b技術作為一種新型且具有良好發展前景的食品包裝技術,受到了國內外研究人員的廣泛關注[3]。

活性包裝是一種通過包裝、產品和環境相互作用來延長食品的貨架期，改進食品的感官品質，提高食品的安全性，從而維持食品質量的包裝技術[4]，目前研究報道較多可應用于果蔬保鮮的活性包裝有：抗菌包裝、乙烯控制包裝、濕度控制包裝、除氧包裝、二氧化碳控制包裝和指示性包裝等。

1 抗菌包裝

微生物的生長繁殖是引起食品變質的重要原因之一，抗菌食品包裝是將具有抑制病原微生物生長繁殖的活性物質封裝或包含在膜材料中，通過釋放到包裝內微環境或直接接觸食品，從而抑制食品腐敗變質的一種包裝技術。目前研究較多的抗菌活性物質有植物精油、酶和細菌素、抗菌聚合物、有機酸及其衍生物、抗菌性納米顆粒等(表1)。

表1 抗菌包裝Table 1 Antimicrobial packaging

精油是一種具有揮發性、疏水性、芳香性的植物提取物，對食品中常見的致病菌、腐敗菌具有良好的抑制效果[17]。然而植物精油具有化學不穩定性和揮發性，易受光、氧氣、溫度等環境因素的影響而降解，從而導致活性降低及作用時效短[18]，因此植物精油在使用過程中常結合其他的技術應用，如微膠囊包埋、納米乳液、Pickering乳液、多層膜和靜電紡絲技術等[8]。植物精油抑菌劑的應用方式包括涂層在包裝或果蔬表面、加到包裝膜中以及在包裝內添加小袋或襯墊等。ESQUIVEL-CHVEZ等[19]研究發現百里香微膠囊能抑制鐮刀菌、炭疽菌、鏈格孢菌等導致芒果腐敗的病原菌。DA SILVA BARBOSA等[20]發現用聚己二酸-對苯二甲酸丁二醇酯包埋的紅木和肉桂精油微膠囊對大腸桿菌、單核增生李斯特菌、腸炎沙門氏菌和金黃色葡萄球菌均有明顯抑制作用。SHAO等[21]開發了一種肉桂精油微膠囊生物活性紙，能夠抑制微生物生長，促進抗氧化酶活性，延緩蘑菇組織的衰老和褐變。黃巍等[22]將丁香精油涂布在紙箱上，使水蜜桃的貨架期延長了4 d。盡管植物精油具有優異的食品保鮮的能力，然而，這種基于植物精油的活性包裝尚未被廣泛商業化，這主要是由于植物精油強烈的氣味和復雜的成分使得部分消費者難以接受，植物精油的高成本和易揮發、不耐高溫的性質也使其生產難度提高，探索與其他活性物質聯用或聚合物包埋降低其揮發性和異味，是其產業化應用首先要解決的問題。

酶和細菌素等主要來源于微生物，目前應用較廣的有乳酸鏈球菌素(Nisin)、ε-聚賴氨酸、曲酸、納他霉素、抗菌肽等。乳酸鏈球菌素具有價格低廉、抑菌效果好、無毒等特點，但是它易被蛋白酶降解，不耐高溫，在較高pH值下無效，加上潛在耐藥菌株的出現，使其應用受到限制[23]。通過包埋可以提高Nisin的穩定性，QIAN 等[24]將Nisin與果膠和殼聚糖復合包埋制備了Nisin微膠囊，包埋后的Nisin穩定性和緩釋性能都有所提高，在121 ℃處理10 min后殺菌活性損失率低于游離Nisin，且在緩沖溶液中具有良好的緩釋效果。納他霉素是一種天然的抗真菌劑，微溶于水，光穩定性差，通過與真菌細胞膜甾醇結合，從而使細胞內容物滲漏，由于細菌的細胞膜缺乏甾醇類物質，因此納他霉素對細菌不敏感[10]。LIN等[25]用玉米醇溶蛋白/羧甲基殼聚糖核殼納米粒子包埋納他霉素，提高了納他霉素在水中的分散性和對光的穩定性，可抑制灰葡萄孢的孢子萌發和菌絲體生長，有效減少草莓腐爛、霉變的發生，延長草莓保鮮期。

殼聚糖及其多種衍生產品均具有抗微生物和抗真菌活性，可作為微生物抑制劑摻入食品包裝中，用這種生物聚合物制得的包裝涂料和薄膜，除了具有優異的抗微生物性能外，還具有許多其他優點，例如可生物降解性，可食用性，無毒性，生物相容性，美觀性和良好的阻隔性能。ZHANG等[26]研究發現香蕉皮提取物殼聚糖復合膜涂層處理可降低蘋果呼吸速率，并延緩了蘋果在貯藏過程中可溶性糖、水分、質量等的下降。有機酸類抗菌劑來源廣泛，具有高效廣譜的抑菌效果、工藝簡單、穩定性好、造價便宜等優點，目前應用最廣泛的是苯甲酸、山梨酸及其衍生物。然而大劑量的有機酸攝入對人體健康存在一定的危害，隨著消費者食品安全意識的提高，該類抗菌劑的接受性正逐漸降低。納米級抗微生物劑，是一種通過理化技術手段制備的至少一維尺度<1 000 nm的抗菌劑，由于具有高的表面體積比和增強的表面反應性，其對微生物的滅活效果明顯優于其微觀或宏觀對應物，常用的銀和金納米顆粒，該類顆粒殺死微生物過程存在兩種機制，第一種是基于銀和金的高氧化態，可以在其周圍產生原子氧，形成的原子氧與細胞壁的脂質反應并滲透到微生物中，然后與蛋白質和脂多糖相互作用導致細菌死亡。第二種是納米顆粒與細胞膜直接接觸并通過靜電相互作用干擾微生物的細胞壁[27]。

總之，目前對抗菌包裝的研究較多，新的抗菌劑不斷被發掘出來，但能應用于果蔬的天然安全、廣譜高效、低價環保的抗菌劑很少。如何結合果蔬的生理特性，尋找天然的新型活性抗菌劑，調整生產工藝，降低生產成本，控制抗菌劑向食品中遷移等仍是亟待解決的問題，此外，多種抗菌劑和多種殺菌方法的聯用也是目前研究的熱點。

2 乙烯控制包裝

乙烯(C2H4)是新鮮果蔬在代謝過程中產生的揮發性氣體，當果蔬所處微環境中乙烯濃度達到一定量時，果蔬的成熟和衰老進程加速，從而縮短了果蔬保鮮期[28-29]。為降低乙烯的濃度，常使用競爭性抑制劑或是乙烯吸收劑進行脫除。1-甲基環丙烯(1-methylcyclopropene,1-MCP)是一種小分子烴，它通過與乙烯競爭乙烯受體(Ad-ERS1a，Ad-ETR2和Ad-ETR3)并抑制其表達來防止采后果實過度成熟，由于其無毒、高效且易于處理的特性而被廣泛使用[30]。1-MCP在采前和采后處理果蔬都能起到抑制果蔬成熟的作用，XIA等[31]研究發現采前使用1-MCP處理比采后處理能更好的抑制乙烯的生成，將金針菇的保鮮期從8 d延長到了10 d，同時更好的保存了金針菇的鮮味物質。周嘉佳等[32]將1-MCP、乙基纖維素和聚丙烯酸涂層在紙基上，制成可控釋放的包裝紙，能在95%的相對濕度，2 ℃下釋放1-MCP，抑制乙烯的產生的呼吸速率，從而提高杏的貯藏品質。LIU等[33]使用1-MCP抑制獼猴桃乙烯的產生，再通過使用一定量的外源乙烯進行調節，以減少生理病害，研究發現 0.25 μL/L 1-MCP+1 μL/L乙烯處理獼猴桃能減少電解質泄漏和丙二醛含量，從而減輕低溫貯藏期間的冷害作用。

高錳酸鉀是最為常用的乙烯吸收劑，可以將乙烯氧化成二氧化碳和水，通常負載在具有大表面積的多孔惰性材料上，如沸石、硅膠、活性氧化鋁、活性炭和黏土等，以提高吸收效率[34]。同時這些具有活性表面的活性炭、沸石等多孔礦物質也能物理吸附乙烯，并可混入聚乙烯、聚丙烯等材料制成乙烯吸附膜，使用更加便捷，適合工業化應用[35]。LVAREZ-HARNANDEZ等[36]用海泡石負載高錳酸鉀與百里香酚混合，可有效控制櫻桃番茄灰霉病并清除包裝內的乙烯，減緩采收后果實的重量損失，保持番茄的風味。EBRAHIMI等[37]制備了混有納米二氧化硅和納米黏土負載的高錳酸鉀薄膜作為乙烯清除劑，經過工藝優化的薄膜能將香蕉在室溫下的保鮮期延長至15 d。

然而，高錳酸鉀雖然成本低，但毒性較大，不能直接與食品接觸。使用時應當防止其從小袋意外泄漏或消費者誤食等問題，以薄膜的形式運用可以提高安全性，同時可以結合其他保鮮劑并行應用，消費者的接受度會更高，但是，如何根據果蔬的生理特性，設計出能夠保持其原始機械和阻隔性能的乙烯調節薄膜，在不影響食品保質期延長的情況下提供更低的最終成本和安全的包裝系統，仍是一大難題。

3 濕度控制包裝

水分和水分活度是影響各種果蔬品質和安全性的關鍵因素，控制合適的水分活度對果蔬的保存至關重要。果蔬作為具有高水分活度的食品，在包裝內保持較高的相對濕度可以防止果蔬失水干燥，但過高的相對濕度會使食品更容易發生微生物變質，并可能導致質地和外觀發生變化，從而縮短保質期，此外，果蔬在貯藏過程中呼吸和蒸騰作用產生的水分由于溫度波動而凝結在包裝內，也會影響消費者感官體驗，降低購買欲望[38]。因此，控制食品包裝內的水分對于抑制微生物的生長和改善食品的感官特性至關重要，使用對水分阻隔性高的包裝材料可以有效維持包裝內的水分或隔絕外部水分進入包裝，在包裝內使用干燥劑也可以吸收果蔬蒸騰作用和呼吸作用帶來的水分，從而保持袋內較低的相對濕度。

干燥劑通過吸濕材料的物理吸附與濕氣發生反應。常用的除濕劑有硅膠，沸石，氧化鈣，氯化鈉，氯化鎂，硫酸鈣，淀粉共聚物，聚丙烯酸和山梨糖醇等[39]，干燥劑通常以小袋，微孔袋的形式放置在包裝中，或制成吸水墊、薄膜和托盤[38]。RUX等[38]使用一種添加了氯化鈉的發泡吸濕性離聚物的熱成型多層結構制成的濕度調節托盤來包裝番茄和草莓，可以有效吸收包裝內的水蒸氣，7 d內包裝內相對濕度低于97%，相對較低的濕度延緩了草莓和番茄的腐敗變質，延長產品的貨架期[38]。MURMU等[41]使用粗硅膠作為吸濕劑，結合氣調包賺技術用于番石榴的保鮮。與對照相比，用粗硅膠貯藏的果實在貯藏1個月失重較小、總酚和 維生素C含量更高[40]。SNGERLAUB等[41]發現分散有 NaCl 顆粒的發泡聚丙烯薄膜在 75% 以上的相對濕度下能主動吸收和解吸大量水蒸氣，調控包裝內的相對濕度。而通過熱成型的發泡聚丙烯薄膜的孔隙率從0.28增加到了0.63，有效水蒸氣擴散系數從10-11cm2/s提高到10-10cm2/s，這種薄膜可以結合更多的NaCl 顆粒，從而以更快的速度調節包裝內的相對濕度，可以廣泛的應用于果蔬的保鮮[42]。

不同的果蔬在生產、貯藏、銷售等環節對濕度的需求不同，因此需要根據食品的生理特征，結合溫度、光照、氣體濃度等其他條件構建不同的濕度環境。但目前的研究往往局限于單一的貯藏環境，且難以維持一個穩定的相對濕度，實際應用時難以選擇出最合適的材料或包裝形式進行濕度調節，需要建立更多的預測數學模型以供參考，但這無疑會增加成本，同時，除濕劑的安全性、有效性、消費者接受度等也影響著濕度調節包裝的應用。

4 除氧包裝

食品包裝中的氧氣濃度過高可能會促進微生物生長、異味產生、顏色變化和營養損失，從而導致果蔬的保鮮期的顯著減短[43]。因此，控制食品包裝中的氧氣濃度對于減緩食品中這些變質和腐敗反應的速度是十分重要的。食品行業常用的脫氧方法是通過真空包裝或氣調包裝進行控制,但這些方法都存在一定的缺陷，包裝中的殘留氧氣濃度通常保持在0.5%～2%[44]，并且在貯藏過程中，可能因為空氣中氧氣通過包裝材料滲透等情況而會進一步增加。目前常用的除氧包裝的除氧機理主要是通過除氧劑與氧氣之間的化學作用，如鐵粉氧化[45]，抗壞血酸氧化[46]，光敏染料氧化[47]，沒食子酸[48]等。最常用的是鐵系清除劑，它的安全性較高，原料易得且成本低，脫氧效果好[49]。KARTAL等[50]研究了在4 ℃下鐵粉基的商用除氧劑和雙向拉伸聚丙烯微孔薄膜對新鮮草莓貯存的影響。微孔和除氧劑可以維持包裝內氣體成分處于最佳狀態，以提高草莓的貯存壽命和質量，將新鮮草莓的保質期延長到 4 周以上。ZHANG等[26]使用具有抗氧化作用的香蕉皮提取物加入殼聚糖薄膜和涂層溶液中，所制備的復合膜在各種食品模擬體系中表現出優異的抗氧化性，對蘋果進行涂層處理后，有效抑制了蘋果的呼吸作用，延緩硬度下降，3周后蘋果仍能保持較好品質。

5 二氧化碳控制包裝

二氧化碳可溶于食品的水相和脂肪相，形成碳酸，抑制微生物的同時也伴隨著食品的酸化，不同食品的保藏對于二氧化碳的濃度的要求不一，所以此類活性包裝系統包含能吸收和釋放二氧化碳的體系。果蔬一般能在較高的二氧化碳濃度下保存，高濃度的二氧化碳能抑制好氧微生物的生長，從而減緩生物化學反應，降低果蔬呼吸和衰老過程，但過量的二氧化碳累積會促使果蔬糖酵解，病菌微生物大量繁殖，加速果蔬腐敗。為避免二氧化碳濃度過高，常使用Ca(OH)2、NaOH、KOH、CaO等二氧化碳吸收劑以降低濃度。

6 指示性包裝

指示性包裝是一種能提供有關食品包裝或周圍條件發生的任何變化的信息并將直觀顯示在消費者眼中的一種可視化標簽，可以告知消費者包裝內果蔬的質量狀態，例如新鮮度、成熟度、泄漏、微生物病原體和氣體成分等[1]。指示性包裝主要通過監測包裝內CO2、pH、乙烯、乙醇、硫化氫等[49]的變化來反應果蔬的新鮮度和成熟度，不僅可以對包裝內商品進行監控，而且還可以結合活性元素來減少果蔬劣變，從而更好地維護質量，在未來的應用上具有巨大潛力。

7 結論與展望

食品包裝在保護食品免受紫外線、氧氣、水蒸氣、壓力、熱量等環境因素的影響中起著至關重要的作用，隨著食品科技的發展和消費者對高質量食品的要求不斷提升，食品包裝作為食品貯運中重要的一部分，不僅要朝著多元化發展，也向著更環保、更健康的方向邁進?；钚园b在提高食品品質、延長貨架期方面具有明顯的優勢，但其在實際應用時仍存在諸多問題。食品是一個非常復雜的系統，抗菌包裝的研發必須要綜合考慮食品的化學組成、物化特性、微生物學，以及食品的貯存銷售條件、活性物質對包裝材料的影響。許多活性物質的添加在提升食品品質的同時也產生了不愉悅的刺激氣味，降低產品的感官品質，部分活性物質的遷移、反應機制尚不明確，存在潛在的安全隱患，活性包裝的成本也高于傳統包裝。另外，活性物質往往具有分子質量小、釋放速率快等特點，導致活性物質在食品保質期內的性能下降，因此延長活性化合物的遞送時間，并提高釋放速率的再現性和可預測性的控釋包裝技術是未來活性包裝的重要發展方向。此外，消費者對于活性包裝的熟悉程度低，接受度也不高[51]，在未來的發展中，如何保證食品安全，增加消費者的接受度，并且降低成本，規?；?、標準化生產，仍然是活性包裝產業化亟待解決的問題。