包装工程中的功能性包装材料分析
2006-09-18 11:49:06.0 来源：中华印刷包装网 责编：中华印刷包装网
摘要：包装材料在材料工业中占据非常重要的位置。发达国家的包装工业值已经占国内生产总值（GDP）的2%以上。近年来， 以阻隔性，保鲜性，耐热性，可食性，分解性， 纳米包装材料等为代表的功能性包装材料的出现，更是推动包装行业的迅猛发展。
关键词：包装工程 功能材料 阻隔性包装材料 保鲜性包装材料 选择吸收性包装材料 耐热性包装材料 可食性包装材料 分解性包装材料 纳米包装材料
包装材料在材料工业中占据非常重要的位置。发达国家的包装工业值已经占国内生产总值（GDP）的2%以上。目前我国每年也要消耗大量的商品包装。近年来，随着人们生活水平的提高，特别是人们对环境的保护程度愈来愈受到重视，因此对包装也有了更高的要求，绿色包装的呼声愈来愈高，于是，就推动了以包装材料为方向的材料科学的迅猛发展，作为包装行业的基础产业，更是带动了包装行业的腾飞。
包装材料按传统的材料分类方法，可以分为：纸质材料，合成高分子材料，金属材料，玻璃与陶瓷材料，复合材料，纤维材料，木材，其他材料。但是随着材料科学的发展，特别是新材料的不断涌现，包装行业的材料出现了功能材料的说法，按照功能包装材料的概念，功能性包装材料包括：可食性包装材料，分解性包装材料，保鲜性包装材料，选择吸收性包装材料，阻隔性包装材料，耐热性包装材料，无菌和抗菌性包装材料，导电性包装材料以及纳米性包装材料。
可食性包装材料
随着高科技在食品包装领域的不断发展利用，各种能食用的包装材料相继问世，这些可食性包装材料一般以人体能吸收消化的天然可食性物质，如蛋白质、淀粉、多糖植物纤维及其他天然物质为基础原料，通过不同分子间的相互作用，制成具有多孔网络结构，不影响食品风味的包装薄膜。可食性薄膜一起原料丰富，可以使用，对人体无害，具有一定的强度，等特点，作为包装行业的一种功能材料，近年来获得迅猛的发展，广发应用于食品，医药的包装。
作为包装薄膜，可食性包装薄膜有以下几个特点：阻水性，可延缓食品中水及油以及其他成分的迁移核扩散；可选择的透气性和抗渗透能力，阻止食品中的风味物质的挥发；有较好的物理和机械性能，具有较好的表面机械强度，便于加工成型；可作为食品色，香，味，营养物质强化和抗氧化物质等添加剂的载体；可以食用，对环境无污染等优异特性。目前，可食性包装包装材料从原料来看，主要是蛋白质、淀粉、甲壳素以及其它天然原料。
用蛋白质制作可食性包装材料，由动物蛋白和植物蛋白之分。动物蛋白质取材于动物的皮、骨、软骨组织等。这类材料具有很好的强度性质，抗水性和透氧性，适宜于肉类食品的包装。例如，一种动物蛋白胶原料制备成的可食性包装薄膜具有强度高，耐水性，和隔绝水蒸气的性能，解冻烹调事会自动融化，用于包装油类食品，不会改变食品的风味。
由植物蛋白制成的可食性包装薄膜，具有很好的抗潮能力，并具有一定的抗氧化性能。适合含脂肪食品的包装，能保持水分，保证食品的原味不变。目前主要是大豆蛋白可食性包装薄膜、蛋白质、脂肪酸、淀粉可食性包装薄膜、耐水蛋白质薄膜、玉米醇蛋白可食性包装薄膜、蛋白质涂层包装纸等。此外，还有一些替代的可食性包装薄膜，例如牛奶蛋白、酪蛋白等。
用大豆提炼的蛋白质制造出类似塑料的物质作为可食性包装材料，来替代过去以石油为原料合成的塑料。这种制作技术是将大豆浸泡，随后分理出蛋白质，将蛋白质烘干，除去其中的水分，然后用蛋白质粉和其他成分以及添加剂混合，制成可食性包装薄膜或者涂层用于包装食品，有优良的强度，弹性和防潮性能。
玉米蛋白质包装薄膜主要用于快餐盒食品的包装涂层，该膜是纸和玉米蛋白质的合成材料，在锅中煮沸也不改变其性质。最新研制的一种具有抗菌功能的蛋白质可食性薄膜，是在玉米醇蛋白或者大豆蛋白单膜中添加溶菌酶或者维生素等抑菌成分，可控制食品中病原菌的生长和由微生物引起的食品变质。
以玉米、小麦、土豆、薯类等农作物作为基材的可食性包装材料中，以玉米淀粉改性加工成的可食性包装薄膜最为典型。根据其中加入的添加剂、酸碱处理、酶处理或者氧化处理的方法不同，淀粉类食品可食性包装材料可分为以豆渣为原料的可食性包装纸和玉米淀粉、海藻酸钠或者聚糖符合包装薄膜等。用淀粉作原料，添加其他一些可食性的物质加工成包装纸，用于包装快餐面、调味品等，可以直接放入锅中烹调，而不需要将包装袋除去，得到环保和节约的双重功效。
高阻隔性塑料包装材料
高阻隔性塑料包装材料是随着食品工业的迅速发展而发展起来的，在包装工业特别在食品包装行业获得了迅速发展和广泛应用。它对食品起到了保质、保鲜、保风味以及延长货架寿命的作用。保存食品的技术多种多样，像真空包装、气体置换包装、封入脱氧剂包装、食品干燥包装、无菌充填包装、蒸煮包装、液体热充填包装等等。在这些包装技术中许多都要使用到塑料包装材料，虽要求其具备多种性能，但重要的一点是都须具备良好的阻隔性。在包装行业，比较常见的高阻隔性薄膜材料有如下几种：
尼龙类包装材料。尼龙类包装材料以前一直使用“尼龙6”。但是“尼龙6”的气密性不理想。有一种从间二甲基胺和己二酸缩聚而成的尼龙（MKD6）的气密性比“尼龙6”高10倍之多，同时还有良好的透明性和耐破裂性。主要被用于高阻隔性包装薄膜，用于阻隔性要求很高的食品软包装。其食品卫生性也得到FDA的许可。它作为薄膜的最大特点是阻隔性不随湿度的上升而下降。在欧洲，由于环境保护问题突出，作为PVDC类薄膜的替代产品，MXD6尼龙的使用量是很大的。由MXD6尼龙和EVOH复合而成的具有双向延伸性的新型薄膜，作为一种高阻隔性的尼龙类薄膜。复合的方法有多层化复合，也有采用将MXD6尼龙和EVOH共混拉伸的方法。
PVDC类材料（聚偏氯乙烯）。聚偏氯乙烯（PVDC）树脂，作为复合材料或单体材料及共挤薄膜片，是在包装行业使用最多的高阻隔性包装材料。其中又以PVDC涂覆薄膜使用量最多。PVDC涂覆薄膜是使用聚丙烯（OPP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等作为基材的。但是由于纯PVDC软化温度高，且与其分解温度接近，又与一般增塑剂相容性差，故加热成型困难而且难以直接应用，实际使用的PVDC薄膜多为偏氯乙烯（VDC）和氯乙烯（VC）的共聚物，以及和丙烯酸甲酯（MA）共聚制成的阻隔性比较好的薄膜。
EVOH类材料。EVOH一直是应用最多的高阻隔性材料。这种材料的薄膜类型除了非拉伸型外，还有双向拉伸型、铝蒸镀型、黏合剂涂覆型等。双向拉伸型中还有耐热型的用于无菌包装制品。EBOH树脂与聚烯烃、尼龙等其他树脂共挤制得的薄膜主要用于畜产品包装。
近年来，国际社会对绿色包装的呼声越来越高，但是作为高阻隔性的包装材料被广泛应用的PVDC的废弃物在燃烧处理时会产生HCI而导致环境污染问题，因此现有被其他包装材料替代的趋势。比如，在其他基材的薄膜上镀覆SIOX（氧化硅）后制得的所谓镀覆薄膜受到了重视，除了氧化硅镀膜以外，还有氧化铝蒸镀薄膜，其气密性能与同法获得的氧化硅镀膜相同。同时由于多层复合、共混、共聚、蒸镀技术发展极为迅速，高阻隔性包装材料如共聚物EVOH、聚偏氯乙烯（PVDC）、聚胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的多层复合材料及硅氧化合物蒸镀薄膜等得到进一步开发，其中尤以下列产品更为引人注目：MXD6聚酰胺包装材料、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、硅氧化物蒸镀薄膜等。
新型保鲜性包装材料
这些年来，由于农业生产的专业化，以及人们对生活质量提高的要求，新鲜果蔬的远距离运输越来越多，使得对能够使新鲜果蔬保存期和货架期延长的保鲜性包装材料的需求越来越大。新鲜水果和蔬菜的一个共同特点是采摘后仍继续呼吸，而呼吸同时伴随新陈代谢、水分蒸发及乙烯生成，促使果蔬进一步成熟直至衰亡。同时，这种环境还使细菌很容易滋生，并迅速繁殖，导致果蔬很快腐烂。为了延长果蔬储存和货架寿命，国内外都加强了新型多功能保鲜性包装材料的研究开发 ，其中大部分的保鲜技术就是通过微孔或改进薄膜配方结构、改良包装袋内的气调环境（氛围）以及使用除氧剂与选择性透过薄膜组合的方法来达到保鲜的目的，其中尤以下列产品会受到更大的关注。
功能性保鲜薄膜。日本一家公司推出了一种强密封性包装袋，它是用一种叫做“奇克伦”的塑料制成的，具有极好的防氧化作用，用它来包装新大米，保鲜效果特别好，可长久保持大米的色、香、味不变，而且袋内产生的二氧化碳还有防虫、防霉的作用。日本另外一家造纸公司生产一种水果保鲜包装箱，它是在瓦楞纸箱的瓦楞纸衬纸上，加一层聚乙烯膜，然后再涂上一层含有微量水果消毒剂的防水蜡涂层，以防止水果水分蒸发并抑制呼吸达到保鲜目的。用这种包装箱包装水果，可使水果在一个月内保持新鲜。
美国一家公司推出了一种新型的果蔬保鲜塑料袋，它可延长水果、蔬菜的保鲜期，减少果蔬因熟化程度过快而造成的损失。这种包装袋用天然活性陶土和聚乙烯混合而成，犹如一个极细微的过滤筛，果蔬在熟化过程中产生的气体和水分可以透过包装袋，袋内不容易滋生真菌，从而可使果蔬的保鲜延长1倍以上。另外有一家美国公司研制出一种保鲜时间可长达3年的塑料保鲜袋。这种保鲜袋是在普通塑料袋内侧附上一层塑料薄膜，薄膜中含有吸氧剂，它能吸收在食品包装过程中进入的氧气，这就使导致食品腐烂的微生物因缺氧而无法生存。
选择吸收性包装材料
生鲜食品包装很重视气体的透过性，并以此选择不同的塑料材料。随着食品工业的发展以及材料科学的进步，作为食品包装材料不仅要求高阻气性，而且进一步要求发展选择透过性的功能，即根据包装内容物的要求，仅仅允许需要的（或不需要的）气体分子通过，建立一个适宜的气调环境。这类选择透过性包装材料在国外已进入实用化阶段，主要有添加溶解气体物质的薄膜，添加多孔沸石或氧化硅等粉末的薄膜，用γ射线照射使薄膜性质发生变化以及利用扩散系数对含水率的依存性、引入含有羟基基团和酰胺基基团的薄膜等。此外还可以在薄膜中加入一些抗菌剂和防腐剂，来抑制细菌和霉菌的生长繁殖。例如：美国一家公司发明了一种在包装箱里减少氧含量、增加氮含量，以使果蔬保鲜的新方法。该方法在运输中使用具有气调性能的新型包装箱，这种包装有一层特制的薄膜，薄膜能够吸收氧分子，而让氮气通过。这样在空气通过薄膜进入包装箱后，箱内的氮气含量可高达98％以上，从而使果蔬的呼吸作用减慢，达到较长时间保鲜目的。
另外一种叫做硅窗气调保鲜袋，这种气调保鲜袋是在塑料薄膜袋上装上合适面积的硅橡胶薄膜。硅橡胶薄膜对氧气、二氧化碳和氮气有选择性的渗透，这种硅窗气调保鲜袋在水果储藏取得了良好的效果。应用它在一定的储藏条件下，确定好适宜的硅窗面积，封闭一定时间后，即可将包装内的氧气和二氧化碳的浓度自动调节在自动需要的水平。一般储藏1000千克苹果，设硅窗面积0．6平方米，可使氧气和二氧化碳维持在适宜水平，呼吸作用产生的过多二氧化碳可通过硅窗排出，袋内氧气不足时，可由硅窗透入。硅窗气调技术，关键是选用硅窗膜，确定硅窗面积和适合的储藏量及储藏的温度。
分解性包装材料
现在全世界每年的塑料产量已经达到1*10T，塑料制品约5*108T。安提计算，其用量在20世纪80年代已经超过了金属材料。塑料具有原料多，已于生产，性能优异，成本低廉，重量轻，便于成型，不腐蚀，容易着色等优异特性，被广泛应用于包装的各个领域，使金属，木材，天然纤维，天然橡胶的优秀替代品。
塑料的产量和用量不断的增加，随之而来的问题也不断增加，主要是废弃塑料的不断增加。通常说的废弃塑料主要有三个方面：一种是聚乙烯，主要用来做手提袋，农用薄膜等；另一种是聚丙烯，；一般用作包装的打包带等；还有一种是聚苯乙烯，用作包装的泡沫减震材料，快餐饭盒，包装填充物等。这三类成分占了废弃塑料的70%--80%。近一半的新塑料制品在两年后就会变成废塑料，废塑料在自然的环境下很稳定，不易腐蚀，降解，对环境影响非常严重，构成了典型的白色污染，因此，近年来，在塑料行业，呼吁能够降解的功能性塑料的出现也是理所当然。
塑料的降解按照降解机理，可以分为：化学降解，热降解，氧化降解，辐射降解，光降解，机械降解以及生物降解。
生物降解塑料时只能通过自然界的微生物，如细菌，霉菌等作用后可被完全降解为低分子化合物的塑料材料，特具有以下几种特点：可制成堆肥，回归大自然；因降解而是体积减少，延长填埋场地的使用寿命；不存在普通塑料的焚烧问题；可减少随意丢弃而造成的野生动植物的危害；储存运输方便；应用广泛等优点。
根据降解机理和破坏形式，包装行业适用的生物降解塑料可分为：完全生物降解塑料和生物破坏性（或者称崩溃兴）塑料。完全生物降解塑料在微生物的作用下，在一定的时间内完全分解为二氧化碳和水等小分子化合物，完全破坏性塑料则仅分解成为散乱碎片。按照制造方法，生物降解塑料可分为：天然高分子类，微生物合成类和人工合成类。
天然高分子材料可以作为讲解材料的有纤维素，淀粉，甲壳素，木质素等。来自于自然界，游客生物降解与自然界，但其本省并不具有塑性，所以通过自然的化学改性或与聚合物共混，共聚改性或添加到聚合物中给形成为可降解高分子材料。
微生物合成类主要是采用生物工程来合成生物降解高分子材料，已得到更加廉价的可降解塑料产品，其主要成分是微生物聚酯。例如，运用遗传工程把白杨木的叶子干燥，磨碎成细粉末，然后萃取出叶绿体，就可以从白杨木的叶绿体中得到聚烃基丁酸（PHB）的母颗粒，从而得到PHB降解塑料。
人工合成类可降解化学合成高分子材料中有生物可降解高分子材料和光降解高分子材料。其中生物可降解高分子材料有聚乙烯醇（PVA）,聚乙二醇等水溶性高分子和已内酯（PCL），目前达到商业性开发的有：聚酯聚酰胺共聚物（CPAE），脂肪族和芳香族共聚酯（CPE）,聚氨基酸，聚原酸酯，聚酯型聚氨酯等。
耐热性包装材料
耐热性塑料软包装材料以前多为耐蒸煮杀菌用，满足耐蒸煮杀菌的包装要求在120℃、10～20分钟蒸煮杀菌或加热的情况下，外观形状、品质均无明显的变化，包装食品在储存过程中不产生容器破损、内容物泄漏、微生物二次污染以及光和热使内容物变质等情况。基本是以具有遮光性的铝箔为中间层，高阻隔性塑料PA、PET为外层，具有热封性的PE、PP为内层的多层复合蒸煮膜制成的蒸煮袋使用的最多。一些新型的含高阻隔性材料的EVOH、PVDC、MXD6、硅氧化物蒸镀膜等的多层复合材料也日见使用。
随着电磁灶、微波炉使用的日益普及，对适用于电磁灶、微波炉使用的包装容器的需求越来越大。而电磁灶、微波炉对包装材料的要求是在高温下使用不显著变形、破损、内容物（添加剂）不挥发，尤其是微波炉的加热特性，不允许包装材料中含有金属材料，这样，就限制了以铝箔为中间层，PE、PP为内层的蒸煮袋的使用。所以，现在多使用以PP、无机物填充PP的多层复合材料及结晶聚酯（CPET）片材制得的包装容器。耐更高温度的新型耐热包装材料如聚酯薄膜、聚醚酰亚胺、聚4-甲基戊烯（TPX）／纸板等材料也得到开发，它们都能够耐180℃以上的温度。足够满足电磁灶、微波炉对包装材料的要求。
无菌和抗菌塑料包装材料
无菌包装可以在无菌条件下，不用添加防腐剂，在常温下就能最大限度地保留食品原有的营养成分和风味。可延长货架寿命，方便运输和储存。无菌包装主要应用于食品、调味品、医药及化妆品等领域。所使用的软包装材料为纸、塑、铝塑复合膜，含高阻隔性塑料的多层共挤无菌包装片材等。
抗菌塑料包装材料则是对塑料包装材料赋予一定的抗菌性能，现在已经开发了以含银离子为无机抗菌剂的全新型母料，银离子具有显著的抗菌作用，其特点为抗菌效果持续时间长，不会因气化和迁移而高，不会污染环境。用添加的含银离子的母料（含量1％～3％）制得的薄膜或表面复合一层这种薄膜的容器，经试用表明，在无营养源的情况下，含1％银离子母料的薄膜能在1～2天内完全杀死会引起食品中毒的菌类，广泛用于熟食肉类、水产品和液体食品包装。另外，在国外从某些植物中的提取物作为抗菌剂的薄膜也已有生产，这类抗菌膜主要用于新摘蔬菜及水果等包装。
纳米复合包装材料
纳米技术是近年来兴起的一门高新科学技术，研究最多的纳米复合包装材料是聚合物基纳米复合材料（PNMC）。常用的聚合物有PA、PP、PVC、PET等，纳米复合塑料包装材料的可塑性、耐磨性、硬度、强度都有明显的提高和增强。日本首先研制成功的PA6纳米复合包装材料与普通复合PA包装材料比较，拉伸强度和拉伸模量分别提高110MPa和2．1GPa，热变形温度提高到150％，热膨胀系数和吸水率大幅度降低。据报道，我国也已研制出新型的纳米复合包装材料，即将投入规模生产。
总体上来说，目前，国内外新开发的包装材料的发展趋势均是朝着高性能、无毒无害、绿色环保、物美价廉、方便使用等绿色包装方向发展。其中的功能性包装材料已由过去的以单一行业为主进一步向工业包装、医药包装、建材包装、化妆品包装，食品包装等包装领域发展，其使用范围和用量将越来越大。另外目前研制的智能性功能包装材料，通过用光电、温敏、湿敏等功能材料与包装材料复合制成的。它可以识别和指示包装空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数，更为发展智能包装材料提供了广阔的舞台。(peter)
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