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ナノ材料の食品包装における応用および安全性評価(その1)

2016年 5月18日 楊竜平、章建浩、黄明明、厳文静(南京農業大学)

摘要

目的:常用される数種類のナノ材料の食品包装における応用について説明し、その安全性を研究する。方法Ag、TiO 2、SiO 2、ZnO、モンモリロナイトなどのナノ材料の食品包装における応用について説明する。

結論:ナノ材料は包装材料の特性を効果的に改善し、食品の品質と風味を保ち、微生物の繁殖を防ぐことができ、大きな意義と幅広い発展の将来性を持つ。

[キーワード]ナノ材料;食品包装;応用;安全性

 ナノテクノロジーとは、1つの原子あるいは分子スケールにおいて、物質の個数、種類、幾何学的配置を精確に識別、観測、制御することによって、特定の製品を製造する、あ るいはナノレベル加工技術を開発する新興の学科である。ナノテクノロジーにおいて最も重要な基礎となるナノ材料は、ナノ粒子からなる超微小粒子材料であり、そのスケールは1~100 nm。こ のスケールの範囲内のナノ材料は、そのユニークな寸法効果により、優れた物理化学性能や高い力学的性質、加工性能、エコロジー性など、スケールの大きな材料にはない様々な特殊な性質を持つ [1] 。ナノ包装材料は新型の包装材料であり、従来型の包装材料にナノ材料を加えることで、変性・複合させ、新材料にナノ材料の表面プラズモン特性を持たせ、高い抗菌性、力学的性質、透気性などを実現する [2] というもので、現在すでに食品、環境、医薬などの分野で幅広く応用されている。

 食品包装分野において、現在多く研究されているのはポリマーベースのナノ複合材料だ。この材料は柔軟性が高い高分子ポリマー中にナノスケールの分子あるいはナノ粒子を加えることで作製される。ナ ノ複合材料には主に、無機ナノ材料(Ag、TiO 2、SiO 2など)と有機ポリマー(ポリエチレン、でんぷん、ポリ乳酸、水溶性多糖類、エステル類など)という2種類の成分が含まれる。無機ナノ粒子は、複 合包装材料に従来型の包装材料にはない特殊な性質を持たせることができる。基質材料の生分解への耐性に基づき、食品包装材料は非分解性のナノ複合材料と分解性のナノ複合材料の2種類に分けられる。使 用する基質が水溶性多糖類あるいはエステル類材料であれば、食用可能なナノ複合材料を作製できる [3] 。現在、各種ナノ複合包装材料の中で比較的幅広く応用されているものには、ケイ酸塩-エポキシ樹脂ナノ複合材料、ナイロン66-粘土複合材料、ナノモンモリロナイト粉/PA類、ナノSiO 2/ PP類などがある [4]

 ナノテクノロジーは今、従来型の食品包装技術に取って代わろうとしている。ナノ包装材料は包装材料の特性を改良し、微生物の繁殖を防げるだけでなく、食品の品質を効果的に保つことができ、幅 広い応用の将来性を持つ。

 ナノ材料は特殊な効果を持つことから、食品包装分野において幅広く注目・応用されているが、まさにその特殊な効果のために、バイオセーフティの問題を直視・重視せざるを得ない。本文では、常 用される数種類のナノ材料の特性および、その食品包装への応用を紹介し、そのバイオセーフティについて総括を行う。

1 ナノ材料の食品包装への応用

1.1 ナノAg

 ナノAgの鮮度保持メカニズムは、同材料が持つエチレン酸化の触媒反応によるものだ。鮮度保持包装材料に一定量のAgナノ粉を加えると、エチレンの酸化スピードが大幅に加速され、鮮度保持効果が高まる。ま た、ナノAgはナノ材料特有の耐光性、耐熱性、化学的安定性などの特性を持ち、細菌やカビ(真菌)などに対して高い抗菌性があり、抗菌作用が長続きする。このほか、ナノAgは揮発・溶出しにくく、光 の照射によって色が変わったり、食品を汚染することがない。こうした点も、同材料が幅広く応用される原因となっている。

 劉偉 [5] らはナノAgのG+菌、 G-菌、酵母菌とカビに対する抑制効果を研究した。同じ濃度の場合、3種類の菌に対する効果は強い順にG+菌>G-菌>酵母菌・カビとなった。このほか、銀 の濃度と作用時間もナノAgの抑制効果に大きな影響を及ぼす。陳江魁 [6] は、光を照射する条件下で、ナノAgの4種類の細菌と1種類の酵母菌に対する抗菌性能をそれぞれ検査した結果、理想的な抗菌効果が得られた。李新林 [7] らは、ナマコ腐敗時の支配的な菌、およびナマコ腐敗時のすべての菌に対するナノAgの抑制効果について研究し、ナノAgの質量濃度が0.05 mg/Lの場合、わ ずか12時間で80%前後の細菌を殺滅できることを明らかにした。

 ナノAgを包装材料に添加すると、高い鮮度保持効果を実現することができる。宋益娟 [8] らはナノ銀とポリエチレンから作製した鮮度保持袋を使い、新鮮な醤鴨(アヒルの醤油煮)を包んだところ、同材料は醤鴨の風味を保ち、揮発性塩基窒素の発生を抑え、微生物の生長・繁 殖を抑制することが分かった。李新林 [9] はナノ銀でんぷん液をアワビ表面にコーティングし、マイクロ波凍結乾燥の過程において、ナノ銀コーティング材料がアワビ表面の細菌総数に与える影響を観察した。結果、ナ ノ銀でんぷん液の質量濃度が0.3 mg/Lの時、アワビ表面のコロニー総数は99.2%減少し、しかもアワビの乾燥効率はナノ銀コーティングの影響を受けなかった。曹雪玲 [10] は研究により、ナノ銀ゲルがイチゴに対する高い鮮度保持効果を持つことを発見した。

1.2 ナノTiO 2

 TiO 2は紫外線(340~350 nm)照射によって励起状態になる光触媒の一種。この材料は紫外線の照射をブロックすることで、肉類の自動酸化を防ぎ、ビ タミンと芳香族化合物の破壊による食品栄養価の流出や腐乱を効果的に防ぐ。食品鮮度保持包装分野において、同材料は幅広い応用の将来性を持つ。新型包装材料であるTiO 2は、光を照射すると、環境を汚染せずにプラスチックあるいはガラス表面の油汚れや細菌などを分解できる。

 Men Long [11] らは研究により、紫外線を照射したナノTiO 2はサルモネラ菌とリステリア菌を効果的に殺菌できることを発見した。Jiamei Wang [12] らは、ナノTiO 2が紫外線照射により、脂質酸化をもたらし、細胞膜の完全性を破壊し、微生物を死滅させることを発見したほか、グラム陽性菌はグラム陰性菌に比べてナノTiO 2により敏感であることを明らかにした。熊裕華 [13] らは、室温下におけるナノTiO 2固相光触媒のポリエチレン(PE) 包装フィルムの分解効果を研究した。結果、TiO 2はPEの重量損失を加速し、炭素鎖を切断し、フィルム表面に大量の穴を形成することが分かった。

 ナノTiO 2は高い光触媒効果を持つが、同材料は安定性が低く、放置時間が長くなるにつれその殺菌効果が減弱する。ゆえに、ナノTiO 2と複数の種類の抗菌剤を複合させることで、その抗菌性と安定性を高める研究が行われてきた。現在は主に、ポリマー基ナノTiO 2複合材料、天然高分子/ナノTiO 2複合材料、ナノTiO 2とAg が共に作用する複合材料という3種類がある [14] 。馬竜俊 [15] らは流動パラフィンとナノSiO 2を添加することで、TiO 2を変性させ、PVA基コーティング包装材料の透湿性を効果的に低下させた。高珊珊 [16] らは変性ナノTiO 2が未変性ナノ材料と比べて、そのセルロース膜中の分散性をより効果的に向上できることを発見した。陳麗 [17] らが開発したナノ TiO 2 マスターバッチなどの多機能材料変性 SG-IV型PVC樹脂複合新材料は、O2を効果的に阻止することができる。この材料は富士リンゴの鮮度保持コーティングに利用され、縦 引張強度は 36%向上、酸素透過率は18%低下、透湿率は10%低下した。

1.3 ナノSiO 2

 ナノSiO 2は現在、比較的幅広く応用されている無機非金属材料の一つで、無毒、無臭、無汚染、表面積が大きい、抗菌性が高いといった特徴を持ち、すでに食品、生物、医 薬などの分野で幅広く応用されている。SiO 2は表面に緻密なナノフィルム層を形成し、このフィルム上の豊富なケイ素・酸素結合がフィルム内外のCO 2とO 2交換量を調節することにより、果物や野菜の呼吸量を抑制し、抗菌・鮮 度保持の効果を実現する [18]

 ナノSiO 2を添加することで、ポリマー材料の力学的性質を改善することができる。楊禹 [19] らはサイジング剤にナノSiO 2粒子を添加することで、炭素繊維の強度を大きく引き上げることに成功した。呉春蕾 [20] らはポリプロピレンにグラフト変性のSiO 2を加えることで、その強靭性を大きく高めた。このほか、ナノSiO 2特有の光学性能を利用することで、これを充てんしたポリマーはある種の特殊な光学機能材料の要求を満たすことができ、複合材料の力学的性質を高めると同時に、高 い光学性能を実現することができる。張彦奇[21]らは、直鎖状低密度ポリエチレンにナノSiO 2を加えることで、複合材料の弾性率を大きく向上させただけでなく、複合材料フィルムの長波赤外線(7~11 μm)の吸收力も大幅に向上させ、ポリマー材料の光透過性を改善した。こ のほか、研究によりナノSiO 2が効果的にポリマーの耐熱性と耐老化性を向上させられることを発見した [22]

その2へつづく)

参考文献

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※本稿は楊竜平、章建浩、黄明明、厳文静「納米材料在食品包装中的応用及安全性評価」(『包装工程』2015年第1期)を『包装工程』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網( 北京)技術有限公司


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