肖 玮,孙智慧,*,王风青,张 莉,巩 雪

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江哈尔滨 150076;2.哈尔滨商业大学包装科学与工程技术实验室,黑龙江哈尔滨 150028)



新型食品包装材料γ-聚谷氨酸的酯化改性及降解性能研究进展

肖 玮1,2,孙智慧1,2,*,王风青1,张 莉1,巩 雪1

(1.哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江哈尔滨 150076;2.哈尔滨商业大学包装科学与工程技术实验室,黑龙江哈尔滨 150028)

一次性非降解食品包装是包装工业的重要组成部分,它所带来的环境污染问题及食品安全问题已引起人们高度重视,研究与开发新的可生物降解食品包装材料已成为未来的发展趋势。本文综述了一种氨基酸类聚合物γ-聚谷氨酸的酯化改性技术及其研究的现状,提出了γ-聚谷氨酸酯生物降解性的评价方法,可供相关科研人员参考。

生物降解,γ-聚谷氨酸,酯化改性,食品包装材料

近年来全球废弃的一次性塑料包装制品每年近亿吨,在污染环境的塑料废弃物中,大约70%属于一次性塑料包装薄膜[1]。食品是一种快消品,食品包装材料多为一次性塑料包装薄膜,食品包装塑料废弃物对环境污染已引起了相关部门及科研人员的高度重视。市场上所用的食品包装塑料大部分为非降解材料,这难免会对环境造成白色污染。目前处理塑料垃圾的方式主要是焚烧和填埋,焚烧对空气造成污染,人们对焚烧产生颗粒物的吸入会导致一系列疾病,甚至危害人类生命;而一般废弃塑料包装薄膜填埋降解至少要百年以上,这不仅占用了大量土地资源,而且被占用的土地长期得不到恢复,影响土地的可持续利用,导致农作物减产。另外,随着人们对食品安全问题重视程度的提高,食品塑料包装有害物质迁移的问题受到极大的关注,如食品包装塑料在聚合合成工艺中一些单体残留和一些低分子量物质的溶出,以及为改善塑料的性能而使用的添加剂在一定条件下从聚合物材料向被包装食品中的迁移等现象,都会导致食品被污染而引发安全问题。针对上述问题,我国应研发与推广可生物降解的绿色食品包装材料,解决环境保护与经济发展之间的矛盾,减少对生态环境造成的污染,降低食品包装中有害物质的迁移,这也是食品包装行业发展的必经之路。

1 生物降解材料γ-聚谷氨酸

1.1 生物降解材料

生物降解材料是指将废弃的包装薄膜置于大气或土壤中,在一定的时间和条件下被微生物分解,即高分子量断裂为低分子量的过程。生物降解可以是生物酶在材料内部进行催化发酵的作用,也可以是微生物蛀蚀高分子材料中某些成分,慢慢消耗材料机体,让高分子链断裂,最终得以降解,变为CO2和H2O[2-3]。它的问世为减少或消除白色污染带来了可能。目前,常见的生物降解材料有聚乳酸、纤维蛋白、甲壳素、淀粉类、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚β-羟基丁酸酯(PHB)以及氨基酸类聚合物等,其中有些可制备出具有安全、可食用以及全降解性的新型食品包装材料,如H.L.Chang等用壳聚糖-葡萄糖进行美拉德反应后的产物对猪肉进行涂膜,使猪肉在贮藏期间挥发性盐基氮和脂肪氧化程度比对照组增加缓慢,微生物计数降低,且发现对感官品质没有不利影响[4];金巧燕等采用木薯淀粉为原料制备可食用膜,并以膜阻隔性能为评价指标,研究糊化温度、木薯淀粉用量、CMC添加量、甘油添加量对食用膜性能的影响,当糊化温度80 ℃,甘油添加量1%,CMC添加量2%,木薯淀粉用量3%时,木薯淀粉基可食用膜的阻隔性能最好[5];刘彩琴等以藕粉、魔芋、山梨醇和海藻酸钠为原料,通过响应面法对配方进行优化,制备一种抗拉强度和断裂延展率较好的可食性包装膜[6]。

随着开发绿色化学产品成为世界工业的新趋势,科研工作者发现氨基酸类聚合物作为一种新型材料具有巨大的应用前景,目前,已发现γ-聚谷氨酸是一种可用于包装材料的聚氨基酸[7],但是相对成熟的研究与应用以及相关技术文献还比较少,文中旨在对γ-聚谷氨酸在包装材料方面应用的改性技术和降解性能进行综述。

1.2γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸[γ-poly(glutamic acid),γ-PGA]是一种可生物降解的高分子聚合物,由D-谷氨酸和L-谷氨酸通过γ-谷氨酰胺聚合而成,于70 年前被提出[7],其结构式如图1所示,γ-PGA主链为nylon-4结构,相对分子质量一般在105～106之间,在每个重复单元的α碳原子上都有一个-COOH反应活性基团,因此具有较强的亲水性。

图1 γ-PGA结构式Fig.1 The structure of γ-PGA

γ-PGA合成的方法主要有化学合成法、提取法和微生物发酵法。化学合成方法可按需求设计高分子的键合方式和空间化学结构,研究者早期就已建立了聚谷氨酸的化学合成方法,但由于合成路线长、副产物多、收率低,化学合成的分子量明显小于微生物发酵得到的γ-PGA,并且化学合成过程复杂,通过化学合成方法无法得到高纯度、高产量、能用于食品包装的γ-PGA,所以也一直很难工业化。提取法一般是在含有丰富γ-PGA的纳豆粘液中提取,但由于纳豆中所含γ-PGA的含量不稳定、副产物多、提取工艺十分复杂,也不是目前生产γ-PGA的主要方法[8-10]。利用微生物发酵制备γ-PGA,具有原料易得、可循环再生、符合可持续发展的特点,有很好的经济价值和应用前景。它与化学合成聚谷氨酸的不同点在于,它是靠γ-酰基的结合而产生,工艺简单、适合于大规模生产,且能被土壤细菌分泌的水解酶所分解[11],有关文献表明,当升高温度到80 ℃,由于高温肽链随机断裂,可加快γ-PGA的降解;而pH为1时,5 h内γ-PGA的分子量从130万降解到5000,通过TOC分析仪测定总有机碳含量的变化也表明γ-PGA属于易降解有机物[12]。迄今为止已经鉴定的γ-PGA生产菌株主要集中在芽孢杆菌属,包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和炭疽芽孢杆菌等。

γ-PGA具有较好的成膜性、可塑性、粘结性和可以生物降解等优点,是一种对人体和环境无毒害的高分子化合物。但由于γ-PGA的熔点较高(210 ℃开始热解,10%热重损失温度235.9 ℃),熔程较短,常用的熔融挤出成膜方法也不适合γ-PGA的成膜加工[13-14],且γ-PGA在适于溶液成型的有机溶剂中的溶解性较差,只能溶于二甲基亚砜、热的N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮。另外,γ-PGA具有强吸水性,用于食品包装材料时,γ-PGA的阻隔性并不能满足要求。因此,为满足γ-PGA在食品包装、加工工艺及功能材料等方面的要求,有必要对γ-PGA进行改性[7]。

2 酯化改性技术

γ-PGA可应用共混、接枝、辐射交联、化学交联、酯化等多种方法进行改性,以提高其使用性能。例如γ-PGA与聚乳酸(PLA)进行接枝,形成立体复合纳米胶束,能够有效提高胶束的稳定性[15];γ-PGA与聚乙烯醇(PVA)共混,可提高PVA的抗水性与兼容性[16]。但对于γ-PGA这种多聚羧酸在食品包装方面的应用,γ-PGA的亲水性成为满足包装材料阻水性要求的一个障碍,经研究发现可对γ-PGA的α碳原子上高度亲水的羧基进行化学修饰,与卤代烃、烷基重氮化合物反应成酯,使高度亲水的羧基变为疏水的烷氧羰基或苄氧羰基[7]。目前常见的酯化方法有直接酯化法和酯交换法两种。

2.1 直接酯化法

直接酯化法是在45 ℃的反应条件下,用过量的NaHCO3将溶解在二甲基亚砜(DMSO)中的γ-PGA中和成羧酸盐,再与过量的溴化苄进行脱盐反应,反应式如式(1)。产物用冷的盐酸水溶液进行沉淀并用无水乙醇和水反复洗涤,真空干燥后即可得到白色粉末状γ-PGA苄酯。

式(1)

Kubota教授等[17]将γ-PGA与卤代烷进行卤化氢消除反应,使α-羧基部分酯化,得到相应的α-烷基-聚γ-谷氨酸酯,酯化基团可以是脂肪烃基、脂环烃基、芳基等,这种方法的酯化部分高于40%,以提高其在有机溶剂中的溶解性,由此得到强度、透明度、弹性等性质优异的膜。还可通过控制γ-PGA的酯化度得到化学组成不同、性能各异的酯化物,γ-PGA酯的降解速率取决于酯化度和烷基侧链的长度[18]。反应时需注意NaHCO3浓度对酯化有影响,过高的浓度会使γ-PGA发生降解,且酯化度会随着烷基侧链的加长而降低,虽然多次酯化可提高产率和酯化度,但该方法的反应时间一般5～7 d;较低的浓度,使γ-PGA酯化不完全,且随着反应的进行,会引起γ-PGA结构收缩,使γ-PGA在DMSO中的溶解性逐渐变差,影响溴化苄对γ-PGA进一步反应,使之不能完全酯化[18]。

2.2 酯交换法

酯交换法是由γ-PGA在溴乙烷的作用下酯化成γ-PGA乙酯,将γ-PGA乙酯溶于相应的烷醇,以Ti(BuO)4为催化剂,在180 ℃、N2环境下进行酯交换反应,得到相应的γ-PGA酯[19],反应式如式(2)。

式(2)

该方法的产物酯化度高达98%～100%,产物提纯容易,成本低,产率高,所以目前多采用酯交换法合成γ-PGA酯。以烷醇为反应溶剂,聚合物的溶解度随反应的进行而增大,大分子也始终处于舒展状态,有利于烷醇对γ-PGA的酯交换。γ-PGA酯能够形成强度、透明度和弹性均较好的食品包装薄膜[18],且改性大幅度提高了γ-PGA的热稳定性,改性后的热解温度提高到250 ℃,10%热重损失温度为279.4 ℃,均比原来的γ-PGA的相应温度提高40 ℃左右,这为γ-PGA在包装领域的成型加工与应用提供很大的空间[20]。

在实际应用中,还可通过小分子开环聚合的方法直接制备具有其他功能基团侧链的聚谷氨酸酯。如徐旭等研究制备了具有乙二醇侧链的聚谷氨酸酯,并利用IR、1H NMR、GPC等方法对所合成的聚合物进行表征,其制备工艺的产率高于聚谷氨酸苄酯[21]。王琴梅等制备了聚谷氨酸苄酯-聚乙二醇-聚谷氨酸苄酯嵌段共聚物,通过圆二色光谱分析确定了均聚物和共聚物中的聚谷氨酸苄酯都是以α-螺旋构型存在[22],并对其结构及力学性能进行了分析,表明聚乙二醇嵌段的引入降低了材料的拉伸强度,提高了其断裂伸长率[23]。

3 生物降解性能研究

材料的生物降解性取决于分子链的长短与结构、微生物的种类以及环境温湿度、pH等,其中,环境湿度是基本条件,只有在一定湿度下微生物才能侵蚀材料。在评价γ-PGA酯作为食品包装材料的降解性能前,将γ-PGA酯真空干燥后溶解在氯仿(5%,wt/vol)或DMSO中,然后浇注在玻璃平面上,待溶解物脱水以形成薄膜[24]。将微生物黏附于γ-PGA酯薄膜表面,并分泌出作用于降解材料的酶,通过水解、氧化等生化反应将其断裂成微生物吸收或消耗的低分子碎片,形成CO2、H2O、盐类或蜂巢状多孔材料,最终被无机化而参与到自然界的碳素循环,整个过程不会污染环境[25]。目前,国际标准化组织(ISO)、美国材料实验协会(ASTM)、德国的DIN等都制定了生物降解塑料评价实验标准。日本从1989年对土壤掩埋法、活性污泥法、微生物发酵法等进行了研究,并制定了国家标准JISK6950。

表1 生物降解材料评价指标及方法
Table 1 Evaluation index and method of biodegradable materials

评价指标方法表观及颜色变化光学和电子显微镜质量变化电子天平称重分子量变化凝胶渗透色谱(GPC),黏度力学性能改变强度测定分解产物的检测实验过程中O2的消耗量或CO2的排放量

土壤掩埋法是将试样埋在土壤、污泥、堆肥中或浸入湖水、海水中,可真实地反映材料在自然界中的降解情况,但是实验时间长,难以确保实验的重现性,且分解产物难以确定。为缩短时间,可从环境土壤中或水中取得微生物群,在一定实验条件下培养,将试样埋入其中以观察其降解参数。另外,还可选取特定的酶在一定实验条件下进行酶解实验,这种方法实验时间短,明确分解过程及产物,但不能反映自然环境中的分解状况[26]。生物降解材料主要的评价指标及方法如表1所示,其中分解产物的检测是目前生物降解材料普遍采用的检测方法。南京工业大学的王军,徐虹等人曾对γ-PGA乙酯与γ-PGA苄酯的制备与其生物降解性能进行了详细的研究,分别对γ-PGA乙酯与γ-PGA苄酯采用土埋法和特定微生物(枯草杆菌NX-2、黑曲霉)降解法进行为期28 d实验,样品用SEM观察结果表明枯草杆菌NX-2对γ-PGA乙酯与γ-PGA苄酯降解作用明显,到降解后期枯草杆菌NX-2以薄膜为C源,产生解聚酶,使γ-PGA酯的分子链断裂,原来致密的结构变得疏松,枯草杆菌NX-2和解聚酶进入样品内部进行进一步降解;在黑曲霉中γ-PGA苄酯有一定的降解,γ-PGA乙酯的降解效果不明显,薄膜形态没发生变化;而在土埋实验中,自然菌株对γ-PGA苄酯的降解速率高于γ-PGA乙酯。另外,实验观察到薄膜样品的厚度对降解速率也有一定影响,薄膜越厚,降解速率越慢,作为功能包装材料应用时,可根据制备薄膜的厚度来控制降解速率[27]。

4 展望

食品工业的发展离不开包装,在互联网高速发展的时期,食品包装更是为商品流通提供方便。对微生物发酵产γ-PGA这种生物降解的高分子材料进行酯化改性可拓宽其在生物降解塑料领域的应用,特别是用于食品包装材料的研发,可在很大程度上缓解石油能源枯竭及废弃塑料不易降解的矛盾。但目前来看,γ-PGA的价格偏高,使γ-PGA酯的大规模生产存在困难,目前,日本是世界上最大的氨基酸生产国和输出国,日本科学家在γ-PGA的研究开发方面已经领先于世界。我国在这方面的研究尚处于起步阶段,且研究的深度、广度均与日本有较大的差距,研究工作仅限于实验室,离产业化有较大的距离,因此,今后在γ-PGA的产业化生产、γ-PGA酯制备工艺的改进以及成本控制等方面仍需多加研究,另外,还可考虑在γ-PGA酯上接枝几丁聚糖、硝酸银、左旋VC等来制备抗菌、抗氧化功能包装材料[28],或通过工艺改进实现γ-PGA酯与其他材料多层共挤[29],以提高材料的产能和性能,使γ-PGA酯早日成为代替非降解食品包装材料的一种产品。

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Research progress of the esterification and degradability ofγ-poly glutamic acid as a new kind of food packaging material

XIAO Wei1,2,SUN Zhi-hui1,2，*,WANG Feng-qing1,ZHANG Li1,GONG Xue1

(1.School of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China; 2.Packaging Science and Engineering Technology Laboratory,Harbin University of Commerce,Harbin 150028,China)

Non-degradable disposable food packaging plastic is an important part of the packaging industry,and it caused the environment pollution and food safety problems which has attracted people’s attentions. So research and development of new biodegradable food packaging materials has become the development trend in the future. Technology and research status of ester modification ofγ-poly glutamic acid which is a kind of amino acid polymers was reviewed in this paper and the evaluation methods of biodegradability ofγ-poly glutamic acid ester were proposed which provide references for the related researchers.

biodegradable;γ-poly glutamic acid;esterification;food packaging materials

2016-04-25

肖玮(1986-)，女，博士研究生，实验师，研究方向：食品包装材料与食品贮藏技术，E-mail：xiaoweianny@126.com。

*通讯作者:孙智慧(1962-)，男，硕士，教授，研究方向：食品包装材料与食品贮藏技术，E-mail：sunzhihui1962@163.com。

哈尔滨商业大学研究生创新科研资金项目(YJSCX2015-356HSD)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)23-0383-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.063