食品包装用高阻隔抗菌薄膜的制备及性能分析
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段华伟+汤树海
高阻隔抗菌包装技术是指在食品包装过程中，通过使用抗菌剂和高阻隔性材料，将食品包装控制在高阻隔和无菌条件下，不仅能有效抑制微生物和水分的入侵，而且利用抗菌剂能对内部微生物的生长繁殖起到抑制或灭活的作用，从而有效延长食品的保质期，提高安全性，同时减少食品防腐剂的添加，保障消费者的健康安全。
为满足客户在相关方面的需求，我公司研发了一款食品包装用高阻隔抗菌薄膜，并且已经成功应用于食品包装袋。从客户实际应用的反馈得知，使用该薄膜制成的食品包装袋能使食品保质期延长50%～100%，而且不会对食品品质造成损害，客户对此非常满意。
下面，笔者将对这款高阻隔抗菌薄膜的制备及抗菌性能分析进行详细介绍，希望能给同行带来更多启发。
抗菌剂选择
添加到食品包装中的抗菌剂主要有有机化学抗菌剂、天然生物抗菌剂和无机抗菌剂。其中，有机化学抗菌剂具有一定毒性，会对人体造成一定危害；天然生物抗菌剂毒性较小，但抑菌效果大多不理想，且成本十分昂贵；无机抗菌剂是光谱抗菌剂，属于离子溶出接触型抗菌剂，所需浓度较低，但价格昂贵，且多数以涂层的形式涂布在薄膜表面，使用寿命较短，与薄膜的相容性不好。
纳米MgO不仅是一种具有高吸附力的吸附剂，本身也是一种无菌抗菌剂。纳米MgO极易水合，表面会因此形成一层Mg（OH）2。溶解在溶液中的氧通过单电子还原反应生成过氧离子O2-，由于O2-在碱性环境中具有良好的化学稳定性，因此高浓度的O2-能在MgO表面稳定存在，从而对细胞膜壁造成破坏，无需光照即可迅速杀死细菌。小粒径MgO的比表面积较大，因此表面OH-浓度较高，在水溶液中产生的O2-浓度也较高，从而增加了O2-与细菌芽孢之间相互作用的概率，大大提高了MgO的杀菌能力。
表1为5mg纳米MgO对大肠杆菌的定量杀灭实验数据，表2为纳米MgO对细菌芽孢的定量杀灭实验数据，表3为纳米MgO对金黄色葡萄球菌的定量杀灭实验数据。由表1～表3的实验结果可知，纳米MgO对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌繁殖体有着优异的抑制和杀灭功能，对细菌芽孢也有一定的杀灭作用。
由此可见，纳米MgO无需光照即可有效杀灭细菌，且物理吸附作用强，不变色，因此笔者将其作为抗菌剂应用到高阻隔抗菌薄膜中。
高阻隔性材料选择
普通聚乙烯（PE）薄膜对氧气的阻隔性能较差，解决这一问题最为有效的方法就是引入高阻隔性树脂，笔者选择的高阻隔性树脂是乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）。
大量研究表明，EVOH对氧气和碳氢化合物等具有优异的阻隔性能，因此被广泛应用于聚乙烯基材的阻隔改性中。EVOH是乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）进行皂化反应或部分皂化反应的醇解产物，是一种高度结晶体，而且EVOH分子中的羟基和分子间的氢键具有强烈的键合作用，分子间内聚力很强，分子链堆积程度较高，小分子气体也难以透过。
实验中，笔者所用EVOH是美国杜邦OH4416，属于挤出级。表4为在温度20℃、相对湿度65%的条件下，EVOH与其他薄膜氧气透过率的对比。从表4中不难看出，EVOH的氧气阻隔性是常规PE薄膜的4～5个数量级。
EVOH除了对气体具有高阻隔性以外，对油脂也具有高阻隔性，且具有良好的光泽度、透明性、耐候性等。但EVOH具有亲水性，易吸水溶解，其阻隔性会因此明显下降，但只要将EVOH夹在材料的中间层，减少与水分的接触，其吸水溶解问题就能得到有效解决。
高阻隔抗菌薄膜结构设计
为了实现高阻隔抗菌效果，薄膜应采用复合结构。由于EVOH具有亲水性，将其放置在内层或外层均无法充分持续发挥其高阻隔性能，因此只能将其放置在中间层；而抗菌剂则应放置在内层，这样才能充分发挥其抗菌作用。
因此，高阻隔抗菌薄膜的复合结构由外至内应为PE/EVOH/PE/EVOH/抗菌PE（如图1所示），其中，PE层厚度为30μm，EVOH层厚度为20μm，抗菌PE层厚度为20μm，采用双螺杆五层共挤流延法进行生产。
高阻隔抗菌薄膜性能分析
1.抗菌性能
该薄膜的抗菌性能主要由内层抗菌PE层保证，其抗菌性能主要与纳米MgO的用量及其在PE中的分散性有关。表5为不同剂量纳米MgO制成的抗菌PE膜对大肠杆菌的杀灭实验。从中可知，当使用3%纳米MgO时，薄膜的大肠杆菌杀灭率可达99.99%。
2.阻隔性能
由于EVOH具有优异的阻隔性能，使薄膜整体达到高阻隔效果。
从表6可以看出，EVOH层越厚，薄膜的阻隔性能越好。在笔者设计的薄膜结构中含有两层相同的EVOH层，当单层EVOH厚度达到20μm时，薄膜氧气透过率达到最佳，为0.5ml/（m2？24h？0.1MPa）。
3.其他性能
高阻隔抗菌薄膜除了要具备抗菌性能和阻隔性能以外，还要具备一定的物理性能，如拉伸强度、撕裂强度、热合强度等。
对此，笔者进行了相应的测试，测试结果如表7所示。其中，拉伸强度按GB/T 1040-1992《塑料拉伸性能试验方法》测试，拉伸速率为5mm/ min，温度为25℃；撕裂强度按QB/ T 1130-1991《塑料直角撕裂性能试验方法》测试；热合强度按QB/T 2358-1998《塑料薄膜包装袋热合强度试验方法》测试。