可降解食品包装构建及其功能化智能调控技术

一 成果简介

食品包装是食品供应链中必不可少的组成部分，充当着食品的保护层或屏障层，避免受到外界不利因素的影响。然而，在环境及可持续发展问题日益严峻的今天，基于石化资源的传统塑料包装巨量使用所带来的气候变暖、资源能源危机等问题已成为全球关注的焦点。随着“限塑令”的进一步升级，开发可再生、可降解的环境友好型天然生物高分子可食用膜材料替代传统塑料包装、减少白色污染已成为食品包装领域的研究热点。此外，随着生活水平的不断提高，消费者对食品安全越来越重视，包装的被动惰性屏障效应已无法满足人们的需求。针对包装食品的特点，设计适宜的主动功能化包装体系实现食品的贮藏保鲜是目前食品包装行业领域亟待解决的问题。

二 创新要点

本团队近年来一直致力于天然生物大分子基可降解食品包装及其功能化智能调控的研究上，包括从制备工艺，膜基质化学结构、微观结构等角度出发实现对包装膜性能的改善，从食品的防腐保鲜需求及功能化载体的结构特性出发获得对功能化成分释放的智能调控，成果处于国际领先水平。具体成果示例及其创新点简述如下：

1 天然生物大分子基可降解食品包装构建

（1）方便食品可食用速溶包装袋研制：针对方便食品内包装袋带来的打开不便，易黏附内容物造成浪费以及环境污染问题，结合天然生物大分子亲水的自身优势，从天然生物大分子结构、成膜特性、机械性能及其溶解特性内在联系的分析出发，分别研制了适用于方便面调料，速食汤料以及茶叶的内包装。研制的速溶包装袋可在数秒内溶化释放内容物，且不干扰内容物及产品特有的风味和口感。

图1 食品速溶包装袋：（左）方便面调料包，（中）速食汤料以及（右）茶叶包

（2）冷鲜食品保鲜膜研制：冷鲜肉等冷鲜食品在储藏和流通过程中存在许多导致品质劣化的因素，虽然低温储藏是抑制品质劣化的有效方法，但低温会加速干耗。如何避免劣化，延长冷鲜制品货架期，已然成为当今冷鲜制品企业亟需解决的问题。本研究基于渗透网络及弯曲路径结构模型的建立，明确天然生物大分子基保鲜膜机械及阻隔性能的影响因素，通过对膜微观结构的调控，设计了冷鲜肉适用的保鲜膜，保鲜效果远优于低密度聚乙烯（LDPE）保鲜膜。

图2 冷鲜食品保鲜膜：（左）膜微观结构调控示意图及（右）其对冷鲜肉的品质影响

（3）胶原蛋白可食用包装的改性增效：作为成功实现工业化的可食用包装之一，胶原蛋白肠衣目前在香肠生产中已不可或缺，工艺主要包括兽皮真皮层中胶原蛋白纤维的提取和重组（挤出、固定、干燥）两个过程。然而，基于我国灌肠肉制品馅料组成复杂、成品熟制工艺多样的事实，中国市场对胶原肠衣品质的要求更为严苛，胶原肠衣的机械强度、柔韧性以及蒸煮特性还无法与天然肠衣比拟，存在罐装破裂、蒸煮爆破等问题。在阐明再生过程中胶原蛋白纤维微观结构的转化与重组是影响成品品质关键的基础上，通过胶原纤维提取工艺，复合、交联技术及纤维重组工艺等的调整实现胶原蛋白各尺度相互作用的调控，达到胶原纤维网络中长程和短程相互作用的平衡，获得胶原肠衣性能的大幅提升。

图3胶原蛋白肠衣的改性增效：（上）胶原肠衣提取与重组过程调控示意图及（下）改性增效后胶原肠衣应用效果

2 天然生物大分子基可降解食品包装功能化智能调控技术

（1）功能活性物质梯度控释技术开发：通常包装中的功能活性物质通过扩散作用释放到食品表面及内部来抑制食品的氧化腐败，如何在添加量有限的情况下，实现可控持续释放是包装高效功能发挥的关键。在明确载体化是获得缓控释性能有效手段的基础上，结合载体和可食用膜结构特性对功能物质控释影响规律及机制的确立，通过调控功能物质在载体和膜基质中的分配设计了梯度控释包装，并于实际油脂体系中获得了货架期1.5-2倍的提升。

图4 功能化梯度控释包装：（上）基于载体化的梯度控释包装设计原理示意图及（下）其在真实油脂体系中应用的效果

（2）功能活性物质智能控释技术定向开发：目前的控释手段多是从改变功能活性物质的扩散难易程度出发的，还存在无法根据食品实际保鲜需求实现主动控释的局限性。在进一步研究中以果蔬为例，基于其呼吸代谢排出CO2形成顶空高湿酸性微环境的特征，通过建立果蔬贮藏期间CO2浓度-pH值的相关性模型，并基于席夫碱的pH响应敏感性及其在高湿酸性模拟环境体系中控释特性的分析，定向设计构建pH响应型智能控释包装，在实际果蔬nei体系中获得了货架期高达2倍的提升。

图5 功能化智能控释包装：（上）席夫碱基pH响应型智能控释包装的制备及应用示意图及（下）其在真实西兰花体系中应用的效果

三 关键指标

1.开发的速溶包装袋具有快速溶解，且不影响包埋食品原有风味口感，包装性能与传统包装类似的特征；

2.针对不同冷鲜食品储藏需要的气体交换及水蒸气透过条件，从微结构的调控出发，设计系列冷鲜食品适用的保鲜膜；

3.在明确功能活性物质浓度与其作用效果相关性的基础上，结合功能物质在载体和膜基质中释放曲线，设计梯度控释包装，延长真实食品货架期；

4.基于食品特征分析确立响应信号物质，定向开发与食品实际防腐保鲜需求匹配的智能主动控释包装，以期获得货架期1.5倍以上的提升。

四 企业合作开发及产品应用信息

相关成果部分为企业合作开发，部分具有独立知识产权可转让或授权使用，前期合作企业包括北京秋实农业股份有限公司、内蒙古秋实生物有限公司、无锡清和红饮品管理有限公司等。

五 联系方式

成果负责人：钟芳

联 系 人：刘飞 手 机：18262272028

E-mail：feiliu@jiangnan.edu.cn