生物技术是21世纪最具有发展前景和活力的学科,世界各国都将生物技术视为一项高新技术,生物技术在相关领域中的应用也成为应用技术研究中的热点[1]。生物技术包括传统生物技术和现代生物技术,现代生物技术是指以现代生物学研究成果为基础,以基因工程为核心的新兴学科。现代生物技术主要包括:基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程。现代食品工业的发展和人们生活和生产方式的改变,用已有的包装技术很难满足人们对包装的要求。现代生物技术在食品包装中的应用将促进食品包装行业的创新,推动包装行业的发展。

1在食品包装中的应用

1. 1生物酶工程在食品包装中的应用

生物酶是一种催化剂,它可用于食品包装而产生特殊的保护作用。研究表明:食品(包括很多生鲜食品和农副产品)都是由于生物酶的作用而产生变质糜烂的。可用于食品包装的酶的种类很多,这里重点介绍3种酶在食品包装中的应用。

微生物的腐败变质和氧化是食品腐变的二大重要因素,除氧是食品保藏中的必要手段,葡萄糖氧化酶具有对氧非常专一性的理想抗氧作用,是一种理想的除氧方法,对于已经发生的氧化变质作用,它可以阻止进一步发展,或者在未变质时,它能防止发生。国外已采用各种不同的方式应用于茶叶、冰淇淋、奶粉、罐头等产品的除氧包装,并设计出各种各样的片剂、涂层、吸氧袋等用于不同的产品中除氧。每瓶啤酒只需加人10单位EFAD(葡萄糖氧化酶),可使总氧从2.5mg/L降为0.05mg/L,去氧达98%,去氧效果之佳为其它同类产品所无法比拟,增加保质期[2,3]。

细胞壁溶解酶最大的特点是消除某些微生物的繁殖,而让某些有益细菌得以繁殖。在食品包装上用作防腐剂,对人体无毒害,可以替代一些对人体有害的化学防腐剂。溶解酶用于清酒的防腐,研究发现[4,5]:15mg/kg溶菌酶防腐效果与250mg/kg的水杨酸相等,还可有效防止水杨酸对胃肠的刺激,是一种良好的防腐剂。溶解酶在含食盐、糖等的溶液中稳定,耐酸、耐热性强,可用于水产、香肠、奶油、生面条的保藏,可有效延长保藏期。

将溶菌酶固定在食品包装材料上,生产出有抗菌功效的食品包装材料,以达到抗菌保鲜功能。肉制品软包装如果在产品真空包装前添加一定量的溶菌酶(1%～3%),然后巴氏杀菌(80～100℃,25～30min),可获得很好的保鲜效果,同时可以有效防止高温灭菌处理后制品脆性变差甚至产生蒸煮味[5]。

郑州工程学院的彭海萍[6]利用转谷氨酰胺酶修饰小麦面筋蛋白制备食用包装膜,研究发现:转谷氨酰胺酶聚合作用可增加蛋白质热稳定性等功能,酶的添加量控制在0.2%～0.3%之间,其机械性能和阻隔性能都可达到包装要求,适宜作食品的内包装纸。现代生物技术用于食品包装也就是“以酶治酶,以酶攻酶”而实现其包装作用的。

1. 2基因工程在食品包装中的应用

塑料作为四大包装材料之一,由于其质轻、强度好,用量逐年递增。但由于用石油产品制成的传统塑料,其废弃物很难降解,造成白色污染,因此,可降解塑料成为当今的研究热点。可生物降解塑料是环境友好的,可替代石化聚合物的新型材料。聚β- 羟基脂肪酸(PHAs)是一类微生物合成的大分子聚合物,结构简单,是可生物降解材料研究的热点,而聚β2羟基丁酸PHB是PHAs中最典型的一种。从1926年发现PHB至今,人们对其生物降解性和应用做了大量研究,被认为是化学合成塑料的理想代替品,在工业、农业及医学领域中被广泛应用。目前PHB的生产成本依然太高,用细菌发酵生产PHB的成本至少是化学合成聚乙烯的5倍,这严重限制了PHB在商业上的应用。为降低PHB的生产成本,提高PHB与传统塑料的市场竞争力,可向植物体内引入PHB生物合成途径,以植物为表达载体,利用CO2及光能合成PHB,是大规模廉价生产PHB的一种很有前景的方法,用转基因植物来生产PHB是降低生产成本的较好选择[7,8]。我国中科院植物研究所宋艳茹研究小组[9]对转基因马铃薯生产PHB进行研究,他们利用聚合酶链式反应(PCR)技术,从真养产碱杆菌H16染色体DNA中扩增并克隆了调控PHB生物合成的phbB和phbC基因。

John等人[10]从纤维的改性出发,研究了PHB合成基因在棉花中的表达情况。另外,利用蓝细菌生产PHB也是很有研究前景的,它生长周期短,繁殖快,成本更低。

在食品保藏、贮运方式上,利用基因工程可延长食物的贮藏期,改变传统的贮运方式。如通过转基因技术生产的延熟番茄[11,12],主要通过乙烯合成途径调控,抑制乙烯合成,从而达到延迟成熟、耐贮藏的目的。主要对乙烯合成的ACC合成酶和ACC氧化酶的反义RNA来延迟成熟,可一直保持在绿熟期,在外源喷施乙烯后才能成熟,因此,这类番茄完全可以在常温下保藏、贮运,降低保藏成本,延长货架寿命。基因工程将使食品包装更加环保,同时降低成本,这还需要研究人员长期的努力。

1. 3在食品包装中的应用

1. 3. 1对包装功能的改进反映商品质量的信息型智能包装技术,主要是利用化学、微生物和动力学的方法,通过指示剂的颜色变化记录包装商品在生命周期内商品质量的改变,主要研究成果有包装渗漏指示剂和保鲜指示剂。目前,记录包装内环境的变化,采用渗漏指示剂。这种指示剂的关键意义在于具有直接给出有关食品质量、包装和预留空间气体、包装的贮藏条件等信息的能力。如包装破损信息指示技术,包装破损是包装商品在生产、仓储、运输、销售过程中最严重的质量问题,特别是对于食品包装,该指示剂以氧敏性染料为基础,适用MAP(气调包装)食品质量控制。该剂中还含有吸氧成分,可延长食品的货架寿命,并能防止指示剂与MAP中残留的O2发生反应。还有利用漆酶催化促酶反应,指示剂遇氧发生反应产生快速的颜色变化,从而显示包装体破损信息[14,15]。

包装商品质量信息指示技术,如保鲜指示剂肌红蛋白指示剂。将肌红蛋白指示剂贴在内装新鲜禽肉的包装浅盘的封盖材料内表面,其颜色变化与禽肉质量相关联[14]。保鲜指示剂通过对微生物生长期间新陈代谢的反应,直接指示出食品的微生物质量。

1. 3. 2在包装检测中的应用生物信息技术中最重要的生物载体是生物芯片,近几年基因芯片技术开始在食品与包装工业中崭露头脚。基因芯片就是采用微加工和微电子技术将大量人工设计好的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体而得到的一种信息检测芯片,其本质名字是脱氧核糖核酸微阵列。基因芯片在包装中的应用主要是对致病微生物的检测、对包装物特定蛋白的检测和包装独立分析与检测。利用生物芯片可以检测食品包装中的致病微生物。传统的生化培养检测方法需要经过几天的微生物培养和复杂的计数,操作费时而繁杂,对于食品这种“等不得”的商品来说,这种方法不能及时反映生产过程或销售过程中的污染情况,且灵敏度不高。基因芯片不仅快速、灵敏,而且一次可以鉴别多种微生物及同种微生物的菌株和亚型。基因芯片还可以检侧包装物特定蛋白质,在食品包装技术中,各种包装工艺对食品的蛋白质成分会产生不同程度的影响,而食品的各种蛋白质组成和含量,直接决定了包装商品的质量和风味。在开发新产品时需要对某些蛋白质进行检测,采用生物芯片可一次性对多种蛋白质进行检测。包装毒理性分析与检测是生物信息技术的又一重要应用[19]许多包装材料不同程度上存在一定的毒性,特别是包装材料与包装物之间存在成分相互扩散,某些有毒成分,如重金属,在商品存贮期内会进人包装物中。因此,对包装和商品进行毒性评价,是包装技术研究过程中十分重要的一个环节,也是与人民健康和环境保护密切相关的。

2发展前景

随着人们生活水平的提高和消费观念的改变,人们更关注食品的内在营养和食品的卫生安全,同时提倡绿色消费,这就对食品包装提出了更高的要求,这将很大程度上借助于生物技术。未来生物技术将在食品包装中发挥越来越重要的作用,主要表现在以下几个方面:

(1)酶技术将会在食品包装中发挥先驱性的作用,利用生物酶技术已经可以很好地实现保鲜和防腐功能。同时应开发新的可用于保鲜与防腐的酶制剂,降低包装成本,简化包装技术和工艺,这将是一个新的研究课题。

(2) 开发新的环保型包装材料,减少白色污染。致力于利用转基因植物生产环保而且性能优越、低成本的包装材料,实现绿色包装。

(3) 致力于开发包装检测指示剂,及时发现包装中存在的问题,使检测更加及时准确。

(4) 开展基因芯片技术在包装中的应用研究,将基因芯包装的安全性和促进包装的长足进步。