食品包装的主要功能是保护商品,因此在包装设计时要具有安全性和保护性,同时要便于生产和运输,利于销售,还应体现出产品的文化价值和艺术特性。在食品包装设计中,所选用的材料也要符合产品的需求,满足可持续发展的理念。包装材料要有适当的阻隔性,足够的机械强度,良好的化学稳定性,耐高温及光学性能等。除此之外,食品包装还要具有多功能性(阻湿、防水、杀菌、防腐、耐油、耐酸等),以满足各种食品的包装要求。
活性包装和智能包装是两类新型的包装形式,它们可使食品包装具有传统包装无法获得的功能特性,并满足消费者对食品质量和安全的要求,这是未来食品包装设计的新理念,也是食品包装的发展趋势。
一、活性包装和智能包装
根据Actipak的定义,活性包装是通过改变包装食品环境条件来延长货架期或者改善安全性和感官特性,同时保持食品的品质不变;智能包装是通过监测包装食品的环境条件,提供在运输和储藏期间包装食品品质的信息,这两类包装的特点如表1所示。上世纪70年代,活性包装首先被引入日本市场,并在日本得到稳步的发展,需求量逐年递增。近些年在欧美市场也备受重视。有数据显示,在美国活性包装和智能包装的年需求增长率为8.3%,预计2013年的产值可达到19亿美元,其中食品和饮料两大产业对活性包装及智能包装的需求量最大。活性包装和智能包装将具有巨大的市场潜力。
二、氧气吸附型包装
多数情况下,氧气会使食品品质降低,油脂发生酸败,微生物生长繁殖,加速食物的腐败变质。Zerdin等研究结果表明氧气可使橘汁发生明显的褐变现象。食品包装中的氧气主要是通过抽真空或气调包装的方式清除,但是这样的物理方法只能清除包装中90%~95%的氧气,其余的氧气要通过氧吸附剂清除。氧气吸附型的活性包装主要是通过在包装材料中添加或在包装内放置可与氧气发生氧化还原反应的化学物质、氧化酶等催化剂,这些物质主要有铁粉、维生素C、生物酶、不饱和脂肪酸等,其中含铁的氧气吸附剂可使食品包装内部的O2含量降低到0.01%,远低于气调包装所达到的氧气残留量(0.3%~3.0%)。
三、二氧化碳气体释放/吸附型包装
一般情况下,鲜活食品,如鲜肉、草莓、奶酪、禽肉等需要在二氧化碳浓度较高(10%~80%)的条件下贮藏,以减缓生物化学反应,并抑制微生物的活性,防止细菌生长。将碳酸氢钠与亚硫酸脱氧剂混合,制成小袋置于食品包装内,可以产生二氧化碳气体,使包装内形成高浓度二氧化碳的条件。Hansen等研究以碳酸氢钠制成的二氧化碳气体的释放剂对新鲜鲑鱼进行保鲜,并建立二氧化碳释放量与鲑鱼片的表面积及质量关系的数学模型,结果显示碳酸氢钠可使新鲜鲑鱼的保鲜期达到17d。此外,在0.1℃的气调包装中,以碳酸氢钠和柠檬酸为原料制成的二氧化碳释放剂,可使超冷冻处理的鲑鱼保质期延长至28d。
在贮存水果时,二氧化碳的浓度过高,会使水果进入糖酵解阶段,造成有害物质的积累,降低水果品质,因此,在食品包装内还需控制二氧化碳的浓度。降低二氧化碳的浓度可以通过物理吸附的方法实现,如使用沸石或活性炭等物质,也可以使用氢氧化钠、氢氧化镁等化学试剂与二氧化碳发生化学反应生成碳酸盐,或采用物理吸附和化学反应相结合的方法达到减少包装材料中的二氧化碳气体的目的。Aday等用过碳酸钠、碳酸钠、氯化钠和膨润土制成了EMCO二氧化碳吸附剂,并研究了EMCO在活性包装中对草莓品质的影响,结果表明EMCO的配比为过碳酸钠50%、碳酸钠20%、氯化钠14%、膨润土16%时,可延缓草莓的糖代谢作用,有效地保持草莓的品质,将其保质期延长到4周。
四、湿度控制型包装
湿度控制型包装主要用于两大类食品,分别是干燥易碎的食品和鲜活食品。前者,如饼干等在高水分活度条件下会受潮软化;后者在储运过程中会发生呼吸作用而产生冷凝水,若冷凝水凝结在食品的表面,食品中水溶性的营养物质溶出,滋生大量微生物;若冷凝水与包装材料接触,会影响到材料的外观,因此有必要控制包装内的水分活度和湿度。干燥剂可以吸收包装内多余的水分,维持相对湿度。常用的干燥剂有硅胶、氧化钙、糖类、蒙脱土、聚丙二醇等。Azevedo等采用单体格子设计法优化了以氧化钙、氯化钙和山梨醇为原料的干燥剂,结果表明3种物质中氯化钙的水吸收能力最强,最优组合(氧化钙50%、氯化钙26%、山梨醇24%)的干燥剂持水力可达0.813g/g,可用于平菇的保鲜包装。传统的湿度控制型包装是将干燥剂分装后置于包装容器中。目前的新技术是将干燥剂添加到高分子材料中,通过挤压成型将干燥剂镶嵌到包装材料内,此种方法可将包装袋内的水分活度降低到0.7。日本研制的可以控制包装内相对湿度的外包装材料,是由外部的阻水层、内部的透水层及中间夹着的葡萄糖浆组成。当包装内的相对活度较高,水分可以通过内部的透水层进入葡萄糖浆内;当内部的相对活性较低时,水分会以蒸汽的形式返回到包装内部。
五、抗菌型包装
延长食品保质期,提高食品品质是包装行业努力的方向。近年来,欧美等发达国家正在大力的研究和开发抗菌型包装材料和系统。抗菌型活性包装主要通过以下几类方式实现:①在包装中放置含有挥发性抗菌剂的小袋;②直接在高分子聚合物中添加挥发性或非挥发性的抗菌剂;③在高分子聚合物的表面涂抹一层抗菌剂;④采用离子或共价的方法将抗菌剂固定在聚合物的表面;⑤采用本身具有抗菌特性的高分子聚合物。
包装材料中常用的抗菌剂,它们可直接添加到高分子聚合物中使用,其中生物酶常被固定在聚合物的表面或以固定化酶的形式在包装材料中使用。研究表明,百里香酚在支链淀粉膜中可明显抑制金黄色葡萄球菌的生长,将该涂膜用于水果的保鲜,在4℃条件下橘子和苹果分别保藏7d和14d后,表面没有可见的微生物生长。银离子是最常用的抗菌剂,它主要对有机物敏感,可破坏微生物的细胞壁,使酶失活。Martínez-Abad等证明在EVOH膜中添加银离子可抑制肉制品中李斯特菌的活性,但是在使用过程中,银离子易发生缓慢迁移而扩散到食品中,引起安全问题,因此使用时必须符合食品添加剂的使用标准。
六、乙烯吸收型包装
乙烯作为植物激素,是植物的代谢产物,可加速果蔬的呼吸作用,引起果实的成熟及进一步的衰老。目前,高锰酸钾常作为乙烯的清除剂,可将乙烯氧化成CO2和H2O,并且对食品不造成影响。然而高锰酸钾有毒,不能直接添加到包装中接触食品,因此常将其置于小袋内使用。近年来,有研究成功地将沸石粘土的微细颗粒分散到包装膜中吸附乙烯,但这会影响包装的透光性,而且也不能完全达到吸附包装内的乙烯的目的。另有研究表明活性炭等具有吸附功能的物质也可以吸附乙烯气体。
七、时间-温度指示型包装
时间-温度指示型包装是一种智能包装,通过时间温度积累效应指示食品的温度变化历程和剩余货架信息。商业上已应用的有VISAB指示剂、LifeLines指示剂及3MMonitorMark指示剂。VISAB是以酶和底物反应为指示器,LifeLines是建立在聚合反应基础上的指示产品,MonitorMark则是利用酯质的扩散速度与温度的关系设计的时间-温度型指示器。除以上的可视指示剂外,还有一种新型的无线射频识别标签(RFID),也被称作智能标签,它是通过无线电波获取标签中的产品信息数据,并将数据传输到电脑中进行分析判断。在产品运输中,RFID承载着商品的全部信息,可自动识别产品的变化情况。
八、其他类型
除了以上几种常见的活性包装和智能包装外,还有为满足食品的特殊包装要求而专门设计的包装形式。
近年来,为了提高食品安全,减少环境污染,利用天然高分子材料作为原材料制备环境友好型、可生物降解的新型包装材料越来越受到人们的重视。预计将来,可循环再利用的环保型包装材料将成为包装行业发展的主要趋势,绿色包装材料和纳米包装材料将获得大力开发和发展。
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