納米纖維素是由植物纖維原料通過化學(xué)、物理等方法制備而成的纖維素晶體，其結(jié)晶度高、密度低、質(zhì)量輕，具有較高的比表面積和良好的力學(xué)性能。纖維素納米結(jié)構(gòu)主要有兩種類型，纖維素納米晶體（CNCs）和納米纖維（CNFs）。

其中，CNCs是針狀晶體，直徑為4~25 nm，長度為100~1000nm，通常通過漂白和酸水解工藝生產(chǎn)，以去除離開結(jié)晶區(qū)域的非纖維素和大多數(shù)無定形纖維素。CNFs 也稱為纖維素微纖維，是直徑為10~100 nm、長度為微米級(jí)的基本原纖維集合體，通常通過高壓均質(zhì)、研磨和精煉等機(jī)械過程進(jìn)行分離。

此外，還有一種納米纖維素增強(qiáng)材料為微晶纖維素（MCC），其是天然纖維素經(jīng)稀酸水解至極限聚合度的可自由流動(dòng)的極細(xì)微的短棒狀、粉末狀及多孔狀顆粒。

納米纖維素作為一種新型納米材料，在幾何尺寸、結(jié)晶度、形態(tài)、流變性能等方面具有與傳統(tǒng)材料不同的特性，且與一般無機(jī)材料相比，具有質(zhì)輕、可降解、可再生等特性。與其他功能材料相比，具有高強(qiáng)度、比表面積大、易化學(xué)改性等特性。高度結(jié)晶的納米纖維素缺乏鏈?zhǔn)秸郫B，具有接近完 美晶體的優(yōu)異物理性能。

研究報(bào)道，納米纖維素的拉伸模量和強(qiáng)度分別高達(dá)140～150 GPa和7 GPa。納米纖維素分子鏈上的大量羥基形成的氫鍵決定了其物理性能，使其在包裝材料中起重要的作用。透明度是食品包裝材料的重要評判指標(biāo)之一，它顯示了聚合物基質(zhì)與其他物質(zhì)混合的能力，納米纖維素由于自身的特性，對透明度的影響較小。

此外，納米纖維素具有廣泛的生物相容性，由于人體內(nèi)缺乏纖維素降解酶而不易降解。納米毒理學(xué)研究報(bào)告指出，納米纖維素幾乎沒有毒 性。納米纖維素的優(yōu)異性能使其在食品、醫(yī)藥以及新材料制備等方面具有很好的應(yīng)用前景，通過將納米纖維素與其他物質(zhì)復(fù)合，使制得的納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、可再生性、良好的生物降解性能以及無毒 性的潛力，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

用納米纖維素增強(qiáng)天然或合成的生物可降解材料，制備性能優(yōu)良的可食性膜、可降解膜及水溶性膜也將成為未來食品科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。

納米纖維素對生物基包裝材料性能的改善

研究表明，納米纖維素對生物基食品包裝材料的氣體阻隔、水蒸氣阻隔、紫外線阻隔、抑菌性能及機(jī)械性能等性能均有不同的增強(qiáng)作用。

① 氣體阻隔性能

氧氣阻隔在食品包裝中非常重要，氧氣隔絕可以破壞需氧微生物的生存環(huán)境，延長食品保質(zhì)期。納米纖維素的高結(jié)晶區(qū)域是不透氣的，并且可以形成氫鍵，在材料內(nèi)部能夠形成一個(gè)密集的網(wǎng)絡(luò)，對氣體形成有效阻隔。

研究發(fā)現(xiàn)，以明膠為基質(zhì)制備薄膜，當(dāng)納米纖維素的添加量為5%和10%時(shí)，明膠薄膜的氧氣透過率分別降低了21%和36%。而在聚 3-羥基丁酸酯（PHB）中僅添加2%的納米纖維素就可使 PHB 膜的 氧氣透過率降低65%。

② 水蒸氣阻隔性能

水蒸氣在薄膜中的滲透會(huì)直接影響氧氣在薄膜中的傳輸。納米纖維素薄膜對氣體的阻隔性能很好，但對水蒸氣的阻隔性能卻很差。不過研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維素基與各種生物聚合物之間可形成氫鍵，不僅提高了膜的黏結(jié)性，而且使OH 基團(tuán)不可用于水的滲透。

多位研究者報(bào)道了納米纖維素基可以降低海藻酸鈉、殼聚糖、淀粉、明膠、聚乙烯醇等生物基材料的水蒸氣透過系數(shù)(WVP)，這一效應(yīng)歸因于納米纖維素基和基質(zhì)之間的強(qiáng)氫鍵相互作用，其提高了材料的黏結(jié)性，也歸因于納米纖維素基的高結(jié)晶性。

③ 紫外線阻隔性能

紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致食品的營養(yǎng)和感官特性損失，降低保質(zhì)期和質(zhì)量，所以包裝膜對紫外線的阻隔至關(guān)重要。有學(xué)者模擬造紙工藝，制備了芳綸納米纖維素復(fù)合材料， 純納米纖維素膜具有很高的透光率（400~800nm），但吸光度較低（200 nm），紫外線屏蔽較差，由于苯和酰胺鍵的共軛作用，芳綸納米纖維能夠吸收紫外光，在可見光光譜中表現(xiàn)出較高的透過率，含2%芳綸的納米纖維素薄膜具有良好的紫外屏蔽性能和高透明度。

④ 抑菌性能

食品包裝膜的抗菌性能也直接關(guān)系著食品的貨架期，納米纖維素由于其高比表面積，確保了抗菌劑的高負(fù)載量。

⑤ 機(jī)械性能

對包裝材料的基本要求是具有良好的機(jī)械性能，而生物基包裝膜的機(jī)械性能普遍較差，當(dāng)添加納米纖維素后，生物基膜的機(jī)械性能顯著增強(qiáng)。研究證實(shí)，生物基中納米纖維素基的存在增加了合成納米材料的強(qiáng)度和彈性模量。

基于納米纖維素的抗菌復(fù)合材料

抗菌劑在醫(yī)藥衛(wèi)生、食品包裝、水處理等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。納米纖維素因其優(yōu)異的特性可以作為基體相，與抗菌添加劑復(fù)合得到納米纖維素基抗菌復(fù)合材料。通常，抗菌物質(zhì)主要由無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑組成。

殼聚糖（chitosan，CS）是繼纖維素之后，在自然界中發(fā)現(xiàn)的含量第二豐富的多糖。CS是由幾丁質(zhì)脫乙?；瞥傻?，由葡糖胺、 N-乙酰葡糖胺通過β-(1,4)-糖苷鍵重復(fù)連接組成的一種線性多糖。研究發(fā)現(xiàn)，CS具有良好的生物相容性、廣譜抗菌性、優(yōu)良成膜性且安全無毒、可生物降解，與納米纖維素具有較好的相容性。研究證明，納米纖維素/CS復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗菌性能。

除了天然聚合物，合成聚合物也可與納米纖維素復(fù)合制備成抗菌材料，如聚-3-羥基丁酸酯（poly-3-hydroxybutyrate，PHB）、聚六甲基雙胍（polyhexamethylene biguanide，PHMB）和聚吡咯（polypyrrole，PPy）等。聚合物的黏附會(huì)破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

廣泛用于納米纖維素基抗菌復(fù)合材料的無機(jī)納米粒子包括金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子等。研究表明，含有無機(jī)納米粒子的納米纖維素基材料的最低抑菌濃度遠(yuǎn)低于單一金屬或金屬氧化物納米顆粒。

精油和植物提取物作為植物次生代謝物質(zhì)，在自然界中分布廣泛，種類繁多且抑菌活性優(yōu)異。精油的化學(xué)成分主要是單萜、倍半萜及其相應(yīng)的含氧衍生物。研究表明，在大量的精油成分中，有效抑菌成分主要是小分子的酚類物質(zhì)、萜烯類物質(zhì)和醛酮類物質(zhì)。植物提取物主要包括一些生物堿類、糖苷類、萜類、黃酮類、鞣酸類和醌類等，其都已被證實(shí)具有較好的抗菌效果，而且這些植物提取物具有廣譜抗菌特性，不產(chǎn)生耐藥性，是一類潛在的綠色安全的抗菌劑。

細(xì)菌素是由某些種類的乳酸菌產(chǎn)生的肽或小蛋白質(zhì)，可抑制食物腐敗細(xì)菌，主要是革蘭氏陽性菌的生長。

乳鏈菌肽（Nisin）是一種由乳酸菌生產(chǎn)的全長為34 個(gè)氨基酸的抗菌肽，是少數(shù)被批準(zhǔn)作為食品防腐劑的抗菌肽之一。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為Nisin安全無毒，其已被廣泛用于50多個(gè)國家的各種食品，如乳制品、肉制品、罐頭食品和啤酒。

生物基包裝膜是一種很有前途的包裝材料，有望替代傳統(tǒng)塑料。納米纖維素屬于可再生資源，是可生物降解并能持續(xù)利用的綠色環(huán)保材料。

在納米纖維素基復(fù)合材料中，納米纖維素既可作為增強(qiáng)劑，增強(qiáng)復(fù)合材料的理化性能，也可利用其表面易修飾的特點(diǎn)合成高性能復(fù)合材料，還可在復(fù)合材料中引入其他所需的功能物質(zhì)，如抗菌劑。

利用納米纖維素作為基體相，與抗菌劑復(fù)合制備成新型抗菌復(fù)合材料，使其既具備了納米纖維素的優(yōu)良特性，又被賦予了較強(qiáng)的抗菌性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然納米纖維素在食品包裝中有著廣泛的應(yīng)用， 但由于其生產(chǎn)成本高是一個(gè)很大的障礙，目前相關(guān)研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需研究者們不斷地探索和嘗試。

參考資料：

[1]康曉鷗,易蘭花,鄧麗莉,曾凱芳,阮長晴.納米纖維素基抗菌復(fù)合材料及其在食品包裝中的研究進(jìn)展[J].食品科學(xué),2020,41(11):317-326.

[2]劉雙雙,李玉磊,王玉峰.納米纖維素增強(qiáng)生物基食品包裝材料的研究進(jìn)展[J].天津造紙,2021,43(03):7-11.

[3]朱丹. 食品包裝用生物納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 明膠科學(xué)與技術(shù), 2019, 39(3):12.

作者簡介：

小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品的開發(fā)與研究